上好堿式氯化鋁生產(chǎn)廠家水溶液性質(zhì)與水污染控制工藝相互作用的重要性

　　上好堿式氯化鋁廠家水溶液性質(zhì)與水污染控制工藝相互作用的重要性。研究背景：我國(guó)的水處理工業(yè)已經(jīng)逐漸形成，每年的污廢水處理量接近1000億立方米(2018年達(dá)到817億噸)，約占用水量的15%(2018年為13.6 %)，達(dá)到我國(guó)河流總徑流量的3%左右(2015-2019年全國(guó)水資源量為(2.9±0.22)×1012 m3)，取水量已經(jīng)逼近警戒線，如果河流徑流量的5%被取用，不管采用何種凈化方式施以補(bǔ)水，都可能引發(fā)生態(tài)上的災(zāi)難。在水資源配置方面，我國(guó)的水資源總量擁有仍然屬于豐沛，然而人口基數(shù)巨大，人均擁有量(2064 m3/人，2018年) 僅約占全世界平均值的1/3(6074 m3/人，2018年)。我國(guó)耗水的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)如鋼鐵、造紙、印染、化工等居多，加上經(jīng)濟(jì)發(fā)展的區(qū)域不均勻性，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與人口聚集所造成的河流水質(zhì)性污染普遍存在。我國(guó)很多省份特別是華北等地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了流域水資源嚴(yán)重超載的現(xiàn)象。我國(guó)目前的人均GDP(10483美元，2020年)約為美國(guó)的1/6(63416美元，2020年)，與世界發(fā)達(dá)國(guó)家比較，處在資源屬性、人力戰(zhàn)略與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的上升期。水資源可能成為一個(gè)重要瓶頸，并將取決于我們的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)未來(lái)的發(fā)展變化。我們需要改變沒(méi)有污染就沒(méi)有環(huán)保產(chǎn)業(yè)的傳統(tǒng)思路，把水資源戰(zhàn)略置前，重新認(rèn)識(shí)水的經(jīng)濟(jì)當(dāng)量意義及其在實(shí)現(xiàn)碳中和過(guò)程中的媒介作用。在水工業(yè)中，水源是基礎(chǔ)，污染是對(duì)象，工藝是手段，工程是目的，所有目的必須為可持續(xù)生態(tài)的目標(biāo)服務(wù);全過(guò)程的保護(hù)、預(yù)防、應(yīng)用、控制、修復(fù)、循環(huán)等，構(gòu)成了完備的水工業(yè)鏈。其中，在水資源—水環(huán)境—水生態(tài)—水工業(yè)的鏈條中，表現(xiàn)出多賦存狀態(tài)、多相轉(zhuǎn)變、多季節(jié)變化、多物種依存的資源屬性;表現(xiàn)出復(fù)雜性、多樣性、多環(huán)境效應(yīng)等共存的污染對(duì)象;還表現(xiàn)出多學(xué)科、多方法、多技術(shù)的解決手段，以及多用途、多服務(wù)對(duì)象、多目標(biāo)需求的社會(huì)經(jīng)濟(jì)行為。這樣，在認(rèn)識(shí)水溶液或污廢水性質(zhì)基礎(chǔ)上，我們把污廢水處理工藝的重要性置身于難降解有毒工業(yè)廢水的高效處理技術(shù)與理論中，是非常有必要的。難降解有毒工業(yè)廢水傳播/干預(yù)的行業(yè)構(gòu)造了水質(zhì)特征急劇變化并使之具有復(fù)雜性和典型性，其中污染過(guò)程是自發(fā)行為，阻斷這個(gè)過(guò)程需要處理工藝的革新。工業(yè)廢水與使用原材料、中間產(chǎn)物、產(chǎn)品途徑、分離純化等生產(chǎn)工藝及原理技術(shù)水平相關(guān)，還受化合物、催化劑、溶劑介質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)等物化因素的控制，所表現(xiàn)出來(lái)的污染特征豐富多樣。由此啟發(fā)科學(xué)家們研究各種控制原理，包括反應(yīng)、分離、轉(zhuǎn)化、利用、儲(chǔ)存、排放及其組合等，涉及物理、化學(xué)、生物、物化、生化等多學(xué)科及其交叉領(lǐng)域。對(duì)此，復(fù)雜工業(yè)廢水的污染屬性/溶液性質(zhì)與各種控制原理的功能屬性之間的吻合關(guān)系，在質(zhì)量—能量/熱量—電子的不同物理/化學(xué)尺度上的表現(xiàn)，將成為未來(lái)水污染控制技術(shù)支持水工業(yè)發(fā)展的理念方向。因此，本文嘗試從污廢水的產(chǎn)生機(jī)制、水溶液性質(zhì)包括污廢水溶液性質(zhì)及其演變、水處理工藝發(fā)展等的原理思考出發(fā)，提出針對(duì)有毒/難降解復(fù)雜工業(yè)廢水處理工藝的重要性，旨在尋求水工業(yè)發(fā)展與碳中和、經(jīng)濟(jì)效率、生活質(zhì)量等相關(guān)的科學(xué)與技術(shù)目標(biāo)的規(guī)劃。

　　摘 要

　　從自然演化、人類(lèi)活動(dòng)、科學(xué)發(fā)展角度分析污廢水的產(chǎn)生機(jī)制及其對(duì)天然水體溶液性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)人類(lèi)遷徙的城鎮(zhèn)化以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率約束導(dǎo)致污廢水與天然徑流之間的矛盾，使生態(tài)水體呈現(xiàn)出由地表純凈水向水質(zhì)污染方向的功能轉(zhuǎn)化，擾動(dòng)了元素/化合物在地球表面或水體界面的離心與向心遷移的平衡，明確了水體界面或水圈作為物質(zhì)地球循環(huán)中轉(zhuǎn)站/轉(zhuǎn)運(yùn)站的原理機(jī)制。隱藏在各種水處理工藝原理中的物理、化學(xué)、物化、生化等豐富功能能夠解決中轉(zhuǎn)站中所積累的矛盾，所以，集合溶液性質(zhì)與污廢水處理工藝原理之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系及其技術(shù)應(yīng)用將構(gòu)成更加完備和潛在的水工業(yè)，所提出的水溶液性質(zhì)概念同樣適用于給水與純凈水的生產(chǎn)與管理。針對(duì)有毒/難降解的工業(yè)有機(jī)廢水如煤化工行業(yè)焦化廢水，在前端工藝清潔生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，需要把產(chǎn)品資源回收、性質(zhì)互補(bǔ)利用、水量循環(huán)機(jī)制作為共性目標(biāo)，把低能耗與物耗、關(guān)鍵污染物去除以及明確環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)歸趨作為污染控制工藝選擇的依據(jù)，同時(shí)要求全過(guò)程產(chǎn)生低的二次污染如碳排放等。基于水溶液性質(zhì)的改變及其過(guò)程演變的探究將拓寬水污染控制的工藝?yán)碚撆c技術(shù)邊界。水污染控制與水環(huán)境保護(hù)相結(jié)合的水工業(yè)全過(guò)程追求技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)目標(biāo)的一致，爭(zhēng)取得到綠色、低碳、循環(huán)等生態(tài)目標(biāo)的響應(yīng)，即生活、生產(chǎn)、生態(tài)“三位一體”的協(xié)調(diào)發(fā)展。

　　01

　　污染的產(chǎn)生機(jī)制與環(huán)境演化

　　1. 人類(lèi)遷徙活動(dòng)的城鎮(zhèn)化

　　人類(lèi)由農(nóng)耕社會(huì)進(jìn)入工業(yè)社會(huì)，經(jīng)歷了逾千年的歷史，環(huán)境問(wèn)題的形成與解決融合在大自然中。人類(lèi)古代出現(xiàn)了一些相對(duì)的大中型城市，聚集的人口也形成一定規(guī)模，生產(chǎn)總值主要依附于農(nóng)業(yè)產(chǎn)品及其貿(mào)易，不會(huì)帶來(lái)實(shí)質(zhì)性的環(huán)境問(wèn)題。距離現(xiàn)在的100~300年，隨著蒸汽機(jī)的發(fā)明，煤炭和石油等高能量密度能源的大量開(kāi)采與應(yīng)用，機(jī)械、交通、建筑等工業(yè)的興起，以及集約生產(chǎn)過(guò)程的工業(yè)化，由此推進(jìn)了全世界的城鎮(zhèn)化發(fā)展，卻同時(shí)誘導(dǎo)了環(huán)境污染事件的發(fā)生，如1952年的英國(guó)倫敦?zé)熿F事件，1955年的美國(guó)洛杉磯灰霾事件，還有日本的水俁病，成為工業(yè)革命引發(fā)重大環(huán)境事件的初期暴露。隨著工業(yè)化的發(fā)展，人類(lèi)往城鎮(zhèn)遷徙以追求更高的生產(chǎn)效率和向往更加美好便利的生活，百萬(wàn)、千萬(wàn)級(jí)人口的城市陸續(xù)出現(xiàn)。在我國(guó)，近40年的改革開(kāi)放帶來(lái)了城鄉(xiāng)格局的巨大變化，目前全國(guó)人口的60%左右居住在城鎮(zhèn)里(城市化率63.9%，2020年第七次人口普查)，構(gòu)成了城市生活污水與工業(yè)廢水大量產(chǎn)生和排放的格局。自然環(huán)境容量及其凈化已經(jīng)讓位于各種強(qiáng)化型的污染控制技術(shù)，取水受到徑流量的約束，排水受到接納水體的限制。城鎮(zhèn)污水的收集系統(tǒng)、水源熱泵、泥水共治、場(chǎng)地資源、工藝優(yōu)化、安全循環(huán)等將是污染控制有前途的集成發(fā)展方向，可見(jiàn)，污廢水的產(chǎn)生將如何進(jìn)一步影響未來(lái)的信息化社會(huì)與人們對(duì)更高生活質(zhì)量的追求，即人類(lèi)更加集聚的遷徙活動(dòng)可能在多大程度上依賴于水處理工藝與技術(shù)的創(chuàng)新，依賴于水工業(yè)的進(jìn)步，這些都值得我們深入思考與用心探測(cè)。

　　2. 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)追求高產(chǎn)量與高產(chǎn)率

　　生產(chǎn)效率的提高依賴于科技進(jìn)步與管理水平。原材料/反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率不高、產(chǎn)品分離提純技術(shù)落后、中間產(chǎn)物種類(lèi)多、生產(chǎn)工序復(fù)雜與工藝流程長(zhǎng)、能耗水耗單位比值高等，這些依賴于技術(shù)與管理的生產(chǎn)效率決定了污廢水的產(chǎn)生量/負(fù)荷及其環(huán)境危害程度。生產(chǎn)要素集約化與過(guò)程集成化、產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建與規(guī)模化、清潔生產(chǎn)與循環(huán)利用、性能品質(zhì)提高與節(jié)約消費(fèi)等構(gòu)成了系統(tǒng)的管理與規(guī)劃，結(jié)合水價(jià)與排污管理，能夠?qū)崿F(xiàn)污廢水的排放量控制，提高水的經(jīng)濟(jì)運(yùn)載能力。我國(guó)目前噸鋼生產(chǎn)的平均用水量約為15 m3/t ，仍然是世界清潔生產(chǎn)先進(jìn)水平(3.5 m3/t)的4~5倍，單位GDP的耗水量約為66 m3/萬(wàn)元，是日本的2.4倍。這些數(shù)據(jù)也表達(dá)了目前我國(guó)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的源頭技術(shù)有待技改升級(jí)，各個(gè)地區(qū)不同工業(yè)園區(qū)，應(yīng)結(jié)合自身特色和政策要求進(jìn)行高效率的規(guī)劃和整合。總而言之，提高生產(chǎn)效率是減排之首，是碳中和的前提與基礎(chǔ)。

　　3. 元素化合物的多樣性

　　目前無(wú)法統(tǒng)計(jì)，人類(lèi)應(yīng)用于生產(chǎn)的元素種類(lèi)在元素周期表中總量的占比。而且，基于元素價(jià)態(tài)、化合物形態(tài)、化學(xué)鍵的種類(lèi)，可排列組合的化合物物種正在以無(wú)窮級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，加上催化學(xué)科的發(fā)展，使得人工合成的有機(jī)物如染料、藥物、塑料、阻燃劑等不計(jì)其數(shù)，人類(lèi)已經(jīng)無(wú)法駕馭進(jìn)入環(huán)境中污染物的種類(lèi)和數(shù)量，再加上地下礦產(chǎn)資源開(kāi)采、光合作用天然植物/作物的生長(zhǎng)、地球化學(xué)/生物化學(xué)變化等引發(fā)的物種/污染物，構(gòu)成了人類(lèi)未來(lái)面對(duì)的污染物黑洞世界。因此，元素化合物的多樣性會(huì)促進(jìn)人類(lèi)思考更加先進(jìn)的污染控制工藝?yán)碚撆c先進(jìn)技術(shù)。對(duì)此，應(yīng)該追求性質(zhì)歸納的歸一化原理如BOD、COD、TOC、DOM、TDS、綜合毒性等的研究與發(fā)現(xiàn)。

　　4. 水質(zhì)的梯度分類(lèi)

　　我們依據(jù)自然與人類(lèi)干預(yù)的原理把水質(zhì)變化分為6類(lèi)：純水、純凈水、地表(下)水、污水、工業(yè)廢水及廢液。其中，純水的性質(zhì)最為活躍，具有很強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)活性，水合與水解作用最為常見(jiàn)，純水對(duì)生命體是有傷害的，需要通過(guò)溶液機(jī)制加以消除;純凈水主要包含未受任何污染的水源水、過(guò)濾水、礦泉水、膜分離水、離子交換水、蒸餾水、毛細(xì)水、滲透水等，可直接用于生產(chǎn)與生活，對(duì)人類(lèi)健康的影響最為直接;地表(下)水包括江河湖海中的水體、地下滲流(地下河)、冰雹雨雪以及沼澤溪流等全部的儲(chǔ)水與徑流，構(gòu)成水環(huán)境的主體，是純凈水的源泉;污水包括城鎮(zhèn)生活排放、農(nóng)村農(nóng)業(yè)排放、養(yǎng)殖行業(yè)排放、酒樓賓館產(chǎn)生以及初期雨水等構(gòu)成的來(lái)源，以營(yíng)養(yǎng)物和有機(jī)物含量為主的水質(zhì)特征，其處理以去除營(yíng)養(yǎng)物最為主要目標(biāo);工業(yè)廢水非常廣義，顧名思義，所有工業(yè)行業(yè)排放的用完水都可成為工業(yè)廢水，包括企業(yè)、產(chǎn)業(yè)、加工服務(wù)業(yè)、礦山、工程、地質(zhì)、鹽分離等的排水，具有無(wú)機(jī)或有機(jī)的物質(zhì)性質(zhì)分類(lèi)，濃度上存在痕—微—低—中—高的量級(jí)別差異，環(huán)境效應(yīng)表現(xiàn)為無(wú)毒、低毒、有毒、高毒等特征，工業(yè)廢水往往表現(xiàn)出復(fù)合污染的特征;廢液是指酸堿性很高的廢酸和廢堿，或者其中的COD濃度含量很高如超過(guò)30000 mg/L的液料，其熱過(guò)程具有燃燒的能量自持作用，以垃圾滲濾液、酒糟醪液、造紙黑液、發(fā)酵分離母液等為代表，從屬性上識(shí)別，飲料、酒類(lèi)、醬油、牛奶、化妝品、切削液、油污等均屬于廢液的范疇。圖1表征了6類(lèi)水/水體的性質(zhì)連續(xù)性與行業(yè)表現(xiàn)。由物質(zhì)轉(zhuǎn)移構(gòu)成的污染特征包括：自發(fā)的過(guò)程，熵增過(guò)程，不可逆過(guò)程，自由能下降的過(guò)程，內(nèi)能變化的過(guò)程，有序性下降的過(guò)程，毒性變化過(guò)程，反應(yīng)活性與惰性歸趨的熱力學(xué)穩(wěn)定體系等。以COD為0，3，30，300，3000，30000 mg/L為界限值，粗略劃分以上6類(lèi)水/水體，并不追求嚴(yán)格的濃度邊界，其他性質(zhì)指標(biāo)更加豐富。例如，酒類(lèi)蘊(yùn)含的理論COD應(yīng)該大于30000 mg/L，但是我們很少認(rèn)為酒類(lèi)屬于廢液，這就需要具體分析所含物質(zhì)的化合物組成以及單位時(shí)間內(nèi)所消耗的濃度是否構(gòu)成對(duì)身體的傷害，還取決于人體的自我凈化能力。水質(zhì)毒性等于濃度與化合物種類(lèi)的加權(quán)作用，其中可能存在各種化學(xué)與生物化學(xué)的機(jī)制。濃度梯度之間的轉(zhuǎn)化伴隨著集成性質(zhì)的漸變即數(shù)學(xué)上的連續(xù)性，但是，在水溶液性質(zhì)的判定過(guò)程中，單純地觀察濃度的數(shù)字大小其意義并不大，需要結(jié)合性質(zhì)群集(濃度、毒性、轉(zhuǎn)化/分解速率等)加以綜合分析與判斷。

　　圖1 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、主要河流地表水、常見(jiàn)生活污水、工業(yè)廢水、工業(yè)廢液的濃度區(qū)間分布

　　02

　　水溶液性質(zhì)

　　1. 污染的水質(zhì)指標(biāo)與控制標(biāo)準(zhǔn)

　　COD和BOD的發(fā)現(xiàn)與定義在約100年前就已經(jīng)形成，其實(shí)，BOD先于COD，也更貼近自然，但5天的檢測(cè)時(shí)間過(guò)于耗時(shí)且不能代表全部的有機(jī)物總量，無(wú)法及時(shí)指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用，使得實(shí)際工作中更傾向于采用COD作為工藝調(diào)控的指導(dǎo)依據(jù)。這樣的指標(biāo)歸納法或歸一化非常實(shí)用而被推廣，如TOC、TDS、DOM、TON等，化學(xué)家希望從分解的過(guò)程觀察物質(zhì)/污染物的結(jié)構(gòu)和組成，而化工/工程專(zhuān)家希望通過(guò)歸納的觀點(diǎn)來(lái)控制變化的過(guò)程。所以，水污染控制的指標(biāo)經(jīng)歷了常見(jiàn)、罕見(jiàn)、常量、微量、痕量以及集合量等的認(rèn)識(shí)演變和應(yīng)用發(fā)展，其影響因素包括人們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)能力，對(duì)污染行為的理解深度，對(duì)分析檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)步，對(duì)目標(biāo)控制的精度需求，以及對(duì)未來(lái)的演變/推理預(yù)測(cè)等，表現(xiàn)出邏輯支持關(guān)系的發(fā)展，即思維創(chuàng)新需要借助于新手段的證明。通過(guò)改善水質(zhì)提高水環(huán)境質(zhì)量，污染源控制是根本。由此衍生了很多行業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)的工業(yè)體系既承傳歷史，又交織現(xiàn)代，還接納了國(guó)際來(lái)源，意味著排放的污染物種類(lèi)繁多。

　　常見(jiàn)污染物如構(gòu)成pH值變化的酸或堿，構(gòu)成COD/BOD的含碳有機(jī)物，構(gòu)成水體富營(yíng)養(yǎng)化的氮磷硫鉀等化合物;罕見(jiàn)污染物主要來(lái)源于人工合成的新污染物，新的化學(xué)鍵構(gòu)成組分和帶來(lái)新的環(huán)境效應(yīng)，具有積累性、持久性、可遷移性、誘導(dǎo)變異與復(fù)合生態(tài)效應(yīng)等的性質(zhì)，如持久性有機(jī)污染物(POPs)、內(nèi)分泌干擾物(EDCs)、藥品與個(gè)人護(hù)理用品(PPCPs)、微塑料等的多樣的環(huán)境機(jī)制;不同性質(zhì)類(lèi)型的污染物在水環(huán)境中出現(xiàn)的濃度可以表現(xiàn)為超量、常量、微量、痕量和低于檢出量，取決于污染物的理化特性、環(huán)境作用與分析技術(shù)水平;人們對(duì)集合量的認(rèn)識(shí)源于性質(zhì)的分類(lèi)與管理的需要，其實(shí)，沒(méi)有固定的邊界;當(dāng)有機(jī)污染物、重金屬、微生物共存構(gòu)成復(fù)合污染時(shí)，所產(chǎn)生的綜合環(huán)境效應(yīng)可能具有放大作用，表現(xiàn)出聯(lián)合毒性。因此，在地表水基準(zhǔn)、污水排放標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)、總量控制標(biāo)準(zhǔn)以及新污染物標(biāo)準(zhǔn)之間，還需要毒性效應(yīng)或環(huán)境閾值作為橋梁。

　　2. 水溶液性質(zhì)及其表征

　　2.1 溶液性質(zhì)的群論預(yù)測(cè)。

　　“群”是物體對(duì)稱(chēng)性的精確度量，“群論”是研究對(duì)稱(chēng)性的一個(gè)數(shù)學(xué)學(xué)科。“對(duì)稱(chēng)性”出現(xiàn)在世間萬(wàn)物中，它維持著自然界的平衡和穩(wěn)定，表現(xiàn)出高度對(duì)稱(chēng)性的物體具有簡(jiǎn)潔優(yōu)美的性質(zhì)，在人類(lèi)理解世界的活動(dòng)過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用。群論在數(shù)學(xué)的各個(gè)分支中是一種基本語(yǔ)言和工具，在物理、化學(xué)等自然科學(xué)中都有重要應(yīng)用。水圈是自然界物質(zhì)溝通的紐帶，水的溶液性質(zhì)或稱(chēng)水溶液性質(zhì)表現(xiàn)出廣泛的功能性、物質(zhì)的復(fù)雜性、對(duì)象的多樣性以及功能的未知性等方面的結(jié)合。非常需要使用簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)歸納水體的宏觀性質(zhì)，群論的引入能夠完美地解決這一問(wèn)題。比如，水中陰陽(yáng)離子平衡、可逆的吸熱與放熱、反應(yīng)方程式的配平即物質(zhì)守恒、得失電子數(shù)相等，物質(zhì)的不滅、轉(zhuǎn)化與歸趨等，充分演繹了水質(zhì)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的性質(zhì)集合理論。

　　水溶液性質(zhì)可分為能量、元素和分散系三個(gè)空間，物質(zhì)是空間中的向量，性質(zhì)是空間中的維度(平面)。一方面，水溶液性質(zhì)是可以編輯的，向量在不同維度可以進(jìn)行加法、點(diǎn)乘、叉乘、交集等運(yùn)算操作用以表達(dá)加和關(guān)系、協(xié)同關(guān)系、因果關(guān)系和分支關(guān)系等;另一方面，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)和性質(zhì)在能量、元素和分散體系中的閾值并不連續(xù)，大量的物質(zhì)和性質(zhì)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)或者尚未被命名，這些未知領(lǐng)域會(huì)在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展后被發(fā)現(xiàn)，表現(xiàn)出可發(fā)展性。

　　2.2 能量起源。

　　地球從內(nèi)到外分別由巖石圈、水圈、生物圈和大氣圈組成，向心元素如Mg、Cr、Fe、Co、Ni、Cu等和大部分重金屬傾向于分布在巖石圈中，離心元素如N、C、O、H、Cl、I和稀有氣體元素等傾向于分布在大氣圈中，屬于地球化學(xué)的正搬運(yùn)作用。能量物質(zhì)是由自然界的元素通過(guò)吸收能量，進(jìn)行逆搬運(yùn)后產(chǎn)生，如鹽類(lèi)物質(zhì)通過(guò)蒸騰作用進(jìn)入大氣環(huán)境，聚磷菌消耗碳源而富集ATP(三磷酸腺苷酶，生物轉(zhuǎn)化的能量標(biāo)記物)，植物通過(guò)光合作用進(jìn)行固碳作用，以及合成氨工業(yè)等，都是促成向心元素向氣相、水相、生物相的轉(zhuǎn)化或遷移，也將離心元素固定在生物相或沉積相中。正搬運(yùn)作用主要遵從熱力學(xué)平衡，逆搬運(yùn)作用主要服從動(dòng)力學(xué)平衡，地球上的物質(zhì)循環(huán)時(shí)呈現(xiàn)出2種平衡的統(tǒng)一。能量物質(zhì)伴隨著搬運(yùn)作用而產(chǎn)生，是元素進(jìn)行地球化學(xué)循環(huán)的重要一環(huán)。水圈中的能量物質(zhì)的種類(lèi)包含有機(jī)物(COD/BOD/TOC)、含氮化合物、含硫化合物及其他元素的位置和移動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能、勢(shì)能、鍵能和化合能。

　　水溶液中的能量物質(zhì)與系統(tǒng)外的光能、地?zé)崮艿纫�發(fā)了不同形式的能量交換，從微觀角度分析可分為2種，一種是圍繞原子核的變化，往往引起了元素間的物理變化，如沉降、結(jié)晶、沉淀、成礦、沉積、相變、凝固、共沸、吸附、衰變、滲透、表面張力等，能量密度從高到低蘊(yùn)含了原子能、晶格能、內(nèi)能、勢(shì)能、電磁能、氫鍵、電場(chǎng)、范德華力等的作用。另一種是電子的遷移，引起了元素的光化學(xué)或物理化學(xué)變化，能量密度的不同能級(jí)吸收或釋放，從γ射線到微波的不同波長(zhǎng)的光波，以溶解、氧化、還原、絡(luò)合、螯合、自由基、離子共價(jià)鍵的形式形成的化學(xué)反應(yīng)，能量密度相對(duì)集中在0.13~17.4 MJ/kg區(qū)間內(nèi)。驅(qū)動(dòng)水體自凈作用，被認(rèn)為是能量作用下的溶液性質(zhì)各種因素集合的群集變化，需要借助于群論加以描述。

　　2.3 物質(zhì)屬性。

　　1)基于水-生物作用定義的物質(zhì)和性質(zhì)。

　　營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)指代了生物相和水相的交換部分，親和力由強(qiáng)到弱，可劃分成三類(lèi)：親生物元素的碳、氫、氧、氮、磷、鉀等構(gòu)成了生物體內(nèi)的大量元素;弱親生物元素如鈣、鎂、硫、氯、硅等構(gòu)成了中量元素;非親生物元素如鐵、銅、鋅、錳、硼、鉬、硒等構(gòu)成了微量元素。人類(lèi)活動(dòng)所產(chǎn)生的微污染物如持久性有機(jī)污染物(POPs)、藥物和個(gè)人護(hù)理品(PPCPs)、內(nèi)分泌干擾物(EDCs)、全氟化合物(PFCs)、溴代阻燃劑(BRPs)、多溴聯(lián)苯醚(PBDEs)、飲用水消毒副產(chǎn)物、抗生素、農(nóng)藥、染料、納米顆粒、微塑料、興奮劑以及毒品等，微生物屬于生物相中數(shù)量最大的種群(大腸桿菌、酸化菌、氨化菌、硝化菌、反硝化菌、厭氧氨氧化菌、硫還原菌、聚磷菌、病毒、基因等)，這2組物質(zhì)也在水—生物作用維度上受到廣泛討論。

　　基于利于和不利于生物量的積累，通常采用營(yíng)養(yǎng)化和毒性指標(biāo)來(lái)指代。營(yíng)養(yǎng)化的研究對(duì)象包括光合/呼吸作用的強(qiáng)度比、藻類(lèi)生產(chǎn)潛力、富營(yíng)養(yǎng)化潛力等要素;毒性指標(biāo)包括一般毒性(急性毒性、亞慢性和慢性毒性、蓄積毒性、局部毒性)和特殊毒性(致癌毒性、致突變毒性、生殖、發(fā)育和遺傳毒性)等。它們通過(guò)溶液性質(zhì)建立相關(guān)作用。

　　2)基于水—沉積物作用定義的物質(zhì)和性質(zhì)。

　　強(qiáng)向心元素有較高的密度和較大的原子序數(shù)，大部分強(qiáng)向心元素容易失去最外層電子從而表現(xiàn)出金屬性，這類(lèi)元素有較高的電場(chǎng)密度而導(dǎo)致其有較高的電離能壘，表現(xiàn)出顯著的憎水性，把這類(lèi)元素稱(chēng)為重金屬。從宏觀上看，重金屬元素的密度> 4.5 g/cm3，雖然部分元素(如Cd、Cu等)出現(xiàn)類(lèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的理化性質(zhì)而表現(xiàn)出一定的生化性。另一部分元素(如Hg、Pb等)則容易揮發(fā)至大氣中而表現(xiàn)出一定的親氣性，但大部分元素傾向于沉積。強(qiáng)離心元素包括堿金屬、堿土金屬、鹵素和其他低原子序數(shù)的元素，具有較低的電場(chǎng)密度和較低的電離能壘，有著良好的極化性，一些離子如SO42-、NO3-在結(jié)構(gòu)上同樣擁有強(qiáng)離心元素的微觀結(jié)構(gòu)，這些受電離作用影響的物質(zhì)被稱(chēng)之為鹽分或鹽溶液。

　　固體結(jié)合態(tài)的物質(zhì)(如晶態(tài))通過(guò)電離作用進(jìn)入水體，電離過(guò)程中的水合作用在吸收或釋放質(zhì)子的過(guò)程中表現(xiàn)出酸堿性。電導(dǎo)率是衡量這種電子轉(zhuǎn)移難易程度的量綱。物質(zhì)的向心與離心運(yùn)動(dòng)影響水—沉積物之間的化學(xué)平衡，產(chǎn)生水解、結(jié)晶、沉淀、絡(luò)合、成礦、沉積、氧化還原等現(xiàn)象，如絡(luò)合和螯合作用降低了電荷密度從而改善了重金屬離子的電離能力，同時(shí)增強(qiáng)了化合物的極化能力，造成沸點(diǎn)的上升，此過(guò)程表現(xiàn)為元素的向心和離心作用的相互抵消。這樣，陰陽(yáng)離子的結(jié)合因原子構(gòu)型、電荷密度和極化能力的相互搭配，便形成了軟硬酸堿理論。

　　3)基于水—氣作用定義的物質(zhì)和性質(zhì)。

　　由于大氣圈和水圈有氣體分壓的存在，在水圈上部氧化環(huán)境下存在CO2、O2、O3等氣體，在下部還原環(huán)境下存在H2、H2S、NH3、CH4等氣體，統(tǒng)稱(chēng)為溶解性氣體。溶氣與脫氣的過(guò)程普遍存在于化工、能源與環(huán)境的工程技術(shù)應(yīng)用中，水溶液性質(zhì)影響離心元素及其化合物的平衡與歸趨。溶解性氣體主要由離心元素(C、N、O、S)構(gòu)成，通常為有機(jī)物或營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，它們影響水系統(tǒng)中的微生物種群。部分溶解性氣體(如O2)的逸度影響水體中元素在各相中的分配系數(shù)。水氣界面作用還影響水體表面元素的分配和平衡，產(chǎn)生表面自由基，有助于實(shí)現(xiàn)水體自凈作用。

　　2.4 分散系

　　物質(zhì)在溶液中的分散包括濃度范圍和團(tuán)聚物大小兩個(gè)維度。根據(jù)從低到高的濃度范圍首先分為稀溶液體系和濃溶液體系。在稀溶液體系下，物質(zhì)以溶質(zhì)—溶液的相互作用為主，主要服從亨利定律和能斯特定律分配，隨著濃度的增大，亨利分配作用逐步減弱，溶質(zhì)間的相互作用和系統(tǒng)的熵在不斷增加;隨著溶質(zhì)逐步成為系統(tǒng)中的主要物質(zhì)(濃溶液體系)，其他組分再度服從亨利分配作用，系統(tǒng)逐步走向單一，熵值不斷下降。密度的概念是相對(duì)的，微污染物和水體中的無(wú)機(jī)鹽在水中的濃度當(dāng)量有顯著區(qū)別。然后，根據(jù)團(tuán)聚物的大小，系統(tǒng)可分為溶液、膠體、乳濁液、懸濁液四類(lèi)和介穩(wěn)體系，根據(jù)對(duì)光的阻礙程度區(qū)分分散體系并定義出濁度。我們把集合的溶液性質(zhì)在各種維度上的相關(guān)關(guān)系歸納到圖2中。

　　圖2 群論描述的溶液性質(zhì)：各群在能量、物質(zhì)、分散維度上的相關(guān)關(guān)系

　　3. 性質(zhì)集合的初步定義

　　把水溶液性質(zhì)的特征及其初步定義集合于表1。性質(zhì)分類(lèi)需要通過(guò)密度泛函、群論、能量密度、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等來(lái)理解，加強(qiáng)相互作用與類(lèi)別轉(zhuǎn)換共性表達(dá)方面的分析，其評(píng)價(jià)包括濃度法、權(quán)重法、毒性法、模型法等。能量物質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等15類(lèi)溶液性質(zhì)的泛定義可能不適合于所有的對(duì)象，比如，對(duì)人類(lèi)和動(dòng)植物會(huì)有差別。基于科學(xué)的發(fā)展，性質(zhì)種類(lèi)可以進(jìn)一步拓展，性質(zhì)特征可以不斷地被發(fā)現(xiàn)，據(jù)此豐富我們對(duì)水循環(huán)的原理發(fā)現(xiàn)與水污染控制的技術(shù)空間。可以認(rèn)為，水工業(yè)的未來(lái)是沒(méi)有邊界的。

　　表1 水溶液性質(zhì)特征及其定義

　　03

　　處理工藝原理

　　1. 原理與功能有效性結(jié)合

　　人們從物理、化學(xué)、生物、物化與生化等學(xué)科理解水污染控制原理。其中，物理法以沉降、過(guò)濾、氣浮、氣提、膜分離、磁分離等為代表;化學(xué)法以酸堿中和、沉淀、絡(luò)合、水解、氧化、還原、合成、分解、催化氧化等為代表;生物法以降解、合成、代謝、厭氧、好氧、水解、脫氮、除碳、脫硫、吸磷、釋磷、脫氯等為常用;物化法以混凝與萃取、過(guò)濾與分離、蒸發(fā)與結(jié)晶、電化學(xué)氧化、光催化氧化、零價(jià)金屬還原、電催化還原、亞/超臨界氧化還原等為特征;而生化法則包括生物吸附、生物絮凝、生物催化、生物電解/產(chǎn)電、膜生物反應(yīng)器等的原理。這樣的分類(lèi)并不一定全面與合理。

　　所謂功能有效性結(jié)合，是指由污染物各種形態(tài)/化合態(tài)構(gòu)成的污廢水所表現(xiàn)出來(lái)的物理化學(xué)性質(zhì)，與人類(lèi)所發(fā)現(xiàn)和可以控制的原理之間，建立起對(duì)應(yīng)的作用機(jī)制。比如電子—離子—分子—化合物之間的關(guān)系，物質(zhì)—能量—熱量—動(dòng)量之間的轉(zhuǎn)化，水質(zhì)—工藝—條件—作用力之間的關(guān)系，有序—無(wú)序—矢量—混沌—常量之間的關(guān)系等。除此之外，還要考慮：相變、聚合、合成、催化、裂解、光解、水解、分解、代謝、降解、氧化、燃燒、礦化等;網(wǎng)捕、吸附、沉積、共沉淀、結(jié)晶、螯合、水合、酸析、離子交換、氫鍵、靜電反應(yīng)的合適條件;不同反應(yīng)類(lèi)型之間，還存在協(xié)同效應(yīng)與誘導(dǎo)反應(yīng);其中網(wǎng)絡(luò)關(guān)系與相關(guān)性模型是分析和解決問(wèn)題的重要思路。

　　物理處理法是通過(guò)物理作用，以分離、回收污廢水中不溶解的、呈懸浮狀的污染物質(zhì)(包括油膜和油珠)，在處理過(guò)程中不改變其化學(xué)性質(zhì)，如常用的過(guò)濾法、沉淀法、浮選法與重力分離法等。化學(xué)處理法是向污廢水中投加化學(xué)試劑，利用化學(xué)反應(yīng)來(lái)分離、回收水中的污染物質(zhì)，或?qū)⑽廴疚镔|(zhì)轉(zhuǎn)化為無(wú)害/低毒的物質(zhì)。該法既可使污染物與水分離，回收某些有用物質(zhì)，也能改變污染物的性質(zhì)，如降低廢水的酸堿度、去除金屬離子、氧化有毒有害物質(zhì)等，因此，可達(dá)到比物理法更高的凈化程度。常用的化學(xué)方法有化學(xué)混凝沉淀法、中和法、絡(luò)合螯合作用以及氧化還原法等。

　　物理化學(xué)法，是利用萃取、吸附、結(jié)晶、蒸發(fā)、離子交換、膜分離技術(shù)以及氣提等物理化學(xué)的原理，分離廢水中無(wú)機(jī)的或有機(jī)的(難以生物降解的)溶解態(tài)或膠態(tài)的污染物質(zhì)，回收有用組分，使廢水中有害物質(zhì)濃度降低。因此，適合于處理雜質(zhì)濃度很高的工業(yè)廢水(用作回收利用的方法)，或是濃度很低的廢水(用作深度處理與水回用技術(shù))。利用物理化學(xué)法處理工業(yè)廢水前，一般要經(jīng)過(guò)預(yù)處理，以減少?gòu)U水中的懸浮物、油類(lèi)、有害氣體等雜質(zhì)，或調(diào)整廢水的pH值，以提高回收效率或減少能量/熱量損耗。同時(shí)，濃縮的殘?jiān)�要�?jīng)過(guò)后處理以避免二次污染。

　　人們對(duì)生物處理法的理解停留在合成、降解、轉(zhuǎn)化、代謝的作用水平上，污染物—微生物—環(huán)境條件是生物原理轉(zhuǎn)化為技術(shù)的三個(gè)重要要素，非常有必要從多種元素(及其化合物)的離心、向心、水合機(jī)制出發(fā)，結(jié)合微生物的功能新發(fā)現(xiàn)，更加系統(tǒng)地研究存在的各種可能性，包括環(huán)境作用力順序。

　　總而言之，工藝技術(shù)是立足于水質(zhì)學(xué)以及水溶液特性基礎(chǔ)上的若干方法原理的組裝及其應(yīng)用，是由化學(xué)層面過(guò)渡到化工以及工程層面的一種表達(dá)，是能量、物質(zhì)消耗制約條件下污染物轉(zhuǎn)化的方法原理效果的體現(xiàn)，也可以理解為是反應(yīng)動(dòng)力學(xué)應(yīng)用對(duì)經(jīng)濟(jì)因素與環(huán)境因素依賴的綜合考慮。針對(duì)典型工業(yè)廢水普遍表現(xiàn)出有機(jī)污染物濃度高、營(yíng)養(yǎng)元素失衡、有生物毒性抑制、氮素與鹽分呈多態(tài)化等特征，其處理往往需要從相分離、污染物轉(zhuǎn)化、降低毒性、改變物性、鹽/水的純化等多角度來(lái)考慮，必須通過(guò)若干化學(xué)—物理—生物原理的組合構(gòu)建集合的工藝，才能達(dá)到污染控制與資源化相結(jié)合的共同目標(biāo)。

　　2. 操作條件與目標(biāo)控制的對(duì)應(yīng)性

　　既存和已知的廢水生物處理單元技術(shù)及其組合，如：A、O、AO、AAO、AOO、OAO、AOHO;高級(jí)氧化技術(shù)如：Fenton反應(yīng)，臭氧反應(yīng)，自由基反應(yīng)，濕式催化反應(yīng)，超臨界催化反應(yīng)等;它們的哪些功能可以與污廢水中的污染物性質(zhì)建立強(qiáng)作用，這種規(guī)律被稱(chēng)之為性質(zhì)與功能的對(duì)應(yīng)性。其中，溶液性質(zhì)與原理功能(單元反應(yīng)器)的響應(yīng)關(guān)系需要量化描述。組合工藝與單元反應(yīng)器的科學(xué)定義與數(shù)學(xué)描述需要闡明，如何用單元反應(yīng)器來(lái)定義工藝?多個(gè)單元結(jié)合的必要性?這些問(wèn)題，構(gòu)成了水處理工藝的重要性，即集成化的技術(shù)與系統(tǒng)工程學(xué)的結(jié)合。由此可見(jiàn)，廢水性質(zhì)與工藝原理的相互作用最終表現(xiàn)為工藝路線的選擇與多目標(biāo)的優(yōu)化。如圖3所示，以AOHO工藝為例，分析如何實(shí)現(xiàn)高濃度污廢水物質(zhì)循環(huán)驅(qū)動(dòng)自凈化的機(jī)制。在A單元反應(yīng)器中可以實(shí)現(xiàn)4種方法以上，即厭氧(Anaerobic)、吸附(Adsorption)、氣浮(Air flotation/coagulation)、溶劑萃取(Accelerated solvents extract)、氧化還原結(jié)合應(yīng)用(Application of REDOX Technology, ART)等;在好氧的O1反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)三階段控制的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)，分別為除碳氨化、部分硝化和完全硝化;在低氧的H反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)2種功能耦合的脫氮結(jié)合，分別為水解異養(yǎng)反硝化和厭氧氨氧化協(xié)同自養(yǎng)反硝化;而在好氧的O2反應(yīng)器中，實(shí)現(xiàn)全部還原性污染物的徹底氧化，即硝化與礦化的歸一化作用。自凈化的核心原理表現(xiàn)在：1)后物化工藝沉淀物中的吸附劑和藥劑回用于前物化工藝，分離出高濃度組分和降低生物系統(tǒng)的進(jìn)水負(fù)荷;2)從A單元中分離的碳源或電子供體(FeS)用于H反應(yīng)器中的脫氮;3)將納濾分鹽作用的二價(jià)或三價(jià)離子作為電解質(zhì)回用于前混凝，硫酸根被應(yīng)用于消耗厭氧殘余碳源，獲得硫化物電子供體。這個(gè)工藝已經(jīng)被設(shè)計(jì)為工程技術(shù)，應(yīng)用于寶武集團(tuán)(廣東韶鋼)的焦化廢水處理工程的提標(biāo)改造中。

　　圖3 AOHO工藝的污染物自凈化作用

　　針對(duì)污染物的去除，可以演繹出多種多樣的工藝。如，曝氣生物濾池、傳統(tǒng)活性污泥、缺氧—好氧活性污泥、厭氧氨氧化與自養(yǎng)反硝化耦合等生物脫氮工藝;厭氧產(chǎn)甲烷、生物吸附、好氧氧化等生物除碳工藝;AAO生物脫氮除磷工藝;AAO氧化溝工藝;OHO生物流化床工藝;FS-DADAS工藝;溶氣氣浮或混凝沉淀物化工藝。針對(duì)難降解有機(jī)物或生物處理殘余有機(jī)物，可以選用的化學(xué)原理包括：酸堿中和、萃取蒸餾、Fenton氧化、光催化氧化、臭氧氧化、電化學(xué)氧化等方法工藝。因此，依據(jù)不同的水溶液性質(zhì)和控制目標(biāo)進(jìn)行自如的工藝選擇與調(diào)控是未來(lái)水處理工業(yè)的原則基礎(chǔ)。

　　3. 過(guò)程約束

　　水污染控制技術(shù)應(yīng)該是在追求清潔生產(chǎn)的前提條件下，以有限的時(shí)間空間要求，把低能耗、低物耗、去除關(guān)鍵污染物作為并行目標(biāo)，同時(shí)要求產(chǎn)生低二次污染的穩(wěn)定生產(chǎn)過(guò)程。對(duì)此，我們提出“安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)”的設(shè)計(jì)目標(biāo)，也就是，在科學(xué)引導(dǎo)下的廢水處理工程技術(shù)應(yīng)當(dāng)追求安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)效、滿負(fù)荷以及優(yōu)化的綜合運(yùn)行目標(biāo)。將目標(biāo)反饋到水處理過(guò)程的定義，所謂的過(guò)程約束需要先進(jìn)的科技作為支撐，以工程實(shí)踐作為手段，以符合實(shí)際的優(yōu)化作為管理，相得益彰，互相推進(jìn)。

　　對(duì)于實(shí)際案例，我們需要結(jié)合項(xiàng)目的地理位置、氣候特征、行業(yè)特點(diǎn)、文化背景，加強(qiáng)針對(duì)性技術(shù)的選擇與綜合因素考慮的設(shè)計(jì)，以統(tǒng)計(jì)信息、數(shù)據(jù)權(quán)重、敏感效應(yīng)、極限變化等因素建立模型，輔以經(jīng)濟(jì)要素(工程投資、運(yùn)行費(fèi)用)、生態(tài)效益、社會(huì)影響等的考慮，使選擇的工藝原理趨于最優(yōu)化的水平。對(duì)此，通常是基于專(zhuān)家對(duì)建議指標(biāo)的多標(biāo)準(zhǔn)決策(MCDM)方法，如生命周期評(píng)估(LCA)、層次分析法(AHP)和模糊—德?tīng)柗品ǖ龋�可以是單�?dú)或組合使用的方法來(lái)制定科學(xué)的管理手段和政策措施。

　　歸納起來(lái)，廢水溶液性質(zhì)決定了工藝原理的組合與選擇，針對(duì)特定的廢水，識(shí)別其主要的水質(zhì)特征，之后根據(jù)特征選擇合適的物理、化學(xué)、生物以及組合的原理作為工藝基礎(chǔ)，然后根據(jù)操作條件制定低能耗與低物耗的工藝路線，結(jié)合目標(biāo)控制能夠在過(guò)程中不斷優(yōu)化和完善運(yùn)行管理的條件，最終實(shí)現(xiàn)尊重廢水性質(zhì)變化規(guī)律的集成工藝目標(biāo)。

　　04

　　難降解工業(yè)廢水

　　1. 溶液性質(zhì)與關(guān)鍵污染物

　　以焦化廢水為例，焦化廢水屬于典型的難降解工業(yè)廢水，其特征可以綜合描述如下：廢水毒性大，表現(xiàn)為復(fù)合毒性效應(yīng);污染物濃度高，內(nèi)含能大，可降解性差;廢水成分復(fù)雜，多相多元素物種共存;高C/N比，富氮富硫與缺磷;高鹽分與高色度。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB16171—2012中，焦化廢水的控制指標(biāo)為14項(xiàng)，分別是pH、SS、BOD、COD、揮發(fā)酚、氰化物、氨氮、硫化物、油分、總氮、總磷、苯系物、苯并吡、多環(huán)芳烴，并沒(méi)有涉及色度和鹽分，也沒(méi)有把普遍出現(xiàn)的硫氰化物和氟化物包含進(jìn)來(lái)，還缺乏毒理學(xué)指標(biāo)，很少人思考關(guān)鍵污染物和難降解有機(jī)物的化學(xué)組成，特別是元素的結(jié)合規(guī)律。焦化廢水原水主要來(lái)源于蒸氨工段，由于廢水呈弱堿性，其中含有較高濃度的硫離子和氨分子，向心離子以沉淀的形式被儲(chǔ)存在油分離的濃縮相中，所以，進(jìn)入廢水處理系統(tǒng)的重金屬離子濃度不高。可能帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)的重金屬如汞、砷、銅等，汞以單質(zhì)的形式、砷以含氧基團(tuán)的形式、銅以氨絡(luò)合的形式，被分配在廢水中。有機(jī)物特別是難降解有機(jī)物，以離心元素如C、O、H、N等結(jié)合為主，如多環(huán)芳烴與多溴聯(lián)苯醚(PBDEs)等，在催化氧化工藝中，需要鐵、錳、鈷、鎳、鈦等礦物元素的反離心作用。據(jù)我們分析，焦化廢水中的污染物由70余個(gè)元素及其化合物構(gòu)成，是迄今發(fā)現(xiàn)的組成最為復(fù)雜的廢水之一，原因是該種廢水由以萬(wàn)年為單位的地下礦產(chǎn)成因，吸附水和化學(xué)結(jié)合水在900 ℃左右的高溫干餾過(guò)程中形成，加上礦物元素的豐富性，結(jié)合高溫催化作用，煤中各種元素之間實(shí)現(xiàn)了部分裂解和重新聚并，造成了焦化廢水組成的多樣性，構(gòu)成了煤化工過(guò)程具有共性的特征。煉焦工藝包括高溫干餾、蒸酚脫氨、粗苯分離、煤氣清洗、硫酸生產(chǎn)等工段的貢獻(xiàn)，構(gòu)造了焦化廢水的前述特征。其中的關(guān)鍵污染物，以濃度貢獻(xiàn)劃分，對(duì)COD的賦值作用大小為：酚類(lèi)、硫氰化物、苯系物、硫化物、雜環(huán)芳烴、油分、氰化物、多環(huán)芳烴等;按照急性毒性貢獻(xiàn)大小順序?yàn)椋呵杌�物、硫氰化物、硫化物、苯酚、氨氮、芳烴類(lèi)化合物等。如果考慮其他毒性，芳烴類(lèi)化合物可能置前，目前較少涉及重金屬方面的評(píng)價(jià)。根據(jù)國(guó)家政策要求，焦化廢水的處理要以實(shí)現(xiàn)零排放為目標(biāo)，并且鹽分以及殘余有機(jī)物的處理也成為關(guān)鍵污染物。針對(duì)不同行業(yè)廢水，在選擇處理工藝之前，調(diào)查研究廢水溶液性質(zhì)，評(píng)價(jià)環(huán)境影響因素，識(shí)別出關(guān)鍵污染物，從化合物、共存組分、溶液性質(zhì)等方面研究熱力學(xué)可行性與動(dòng)力學(xué)規(guī)律，成為污染控制的科學(xué)依據(jù)。

　　2. 資源化與無(wú)害化目標(biāo)

　　工業(yè)廢水中的物質(zhì)來(lái)源于反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率、中間產(chǎn)物、產(chǎn)品分離與提純，以及水作為介質(zhì)等的循環(huán)利用、氣相吸收與濃縮富集作用等工序。資源化途徑必須考慮有效組分分離與水循環(huán)兩個(gè)方面，它們相輔相成。另外，通過(guò)組分調(diào)控、廠際利用、性質(zhì)互補(bǔ)、功能歸一等模式實(shí)現(xiàn)廢水產(chǎn)值化，也是需要重視的資源化途徑。以煤化工廢水為例，高濃度組分分離包括重油的沉降分離、苯酚的萃取或蒸餾分離、氨分子的加堿熱蒸發(fā)脫出、以及硫化物的置換分離等;脫硫廢液或沉淀硫化物作為自養(yǎng)反硝化脫氮的電子供體、吸附分離碳源物質(zhì)作為異養(yǎng)反硝化脫氮的電子供體、以及納濾分離硫酸根回流至厭氧單元置換小分子有機(jī)物獲得硫化物的電子供體;還有，高濃鹽水電解產(chǎn)生氧化性有效氯、純化分離的產(chǎn)品鹽以及反滲透分離純水、污泥中重金屬成分的富集分離以及磷鹽的分離與回收利用等。從物質(zhì)分離、循環(huán)自凈化與產(chǎn)品回收利用三方面都可以重新規(guī)劃并應(yīng)用于再生產(chǎn)，表現(xiàn)出資源循環(huán)利用的多種途徑。比如，本團(tuán)隊(duì)利用含硫化亞鐵污泥作為自養(yǎng)電子供體參加的反硝化反應(yīng)，在沒(méi)有外加碳源的情況下實(shí)現(xiàn)了高效的總氮去除，實(shí)現(xiàn)總氮濃度的趨零，還減少了富鐵化學(xué)污泥的處理成本。澳大利亞昆士蘭大學(xué)袁志國(guó)教授使用不含硫酸的鐵鹽(例如氯化鐵)作為鋁絮凝劑的替代物實(shí)現(xiàn)下水道中或水處理過(guò)程中硫化物的控制，降低硫化氫的釋放，保護(hù)管網(wǎng)免受其腐蝕，鐵鹽還與磷酸鹽發(fā)生沉淀反應(yīng)，提高出水水質(zhì)，防止水垢。更重要的是，自來(lái)水廠生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的含鐵污泥可以應(yīng)用于污廢水處理廠的預(yù)處理，形成一個(gè)理想的資源循環(huán)過(guò)程。廢水處理生物活性炭法，與傳統(tǒng)的廢水處理技術(shù)相比，對(duì)去除大分子、難降解有機(jī)物方面有著非常突出的效果。活性炭起到對(duì)有機(jī)物的物理吸附及生物降解的作用，這種生物降解作用可以使活性炭得以功能再生與重復(fù)循環(huán)利用，延長(zhǎng)活性炭的使用壽命。焦油渣、酸焦油、蒸氨殘?jiān)�、粗苯再生渣、廢水處理污泥、焦粉、廢活性炭、廢礦物油與含廢礦物油廢物(含油抹布、勞保用品)等各類(lèi)廢物，可以摻煤煉焦或生產(chǎn)活性炭，回用于廢水的預(yù)處理。銨法脫硫工藝產(chǎn)生的脫硫廢液主要包括硫氰酸銨、硫代硫酸銨;鈉法脫硫工藝產(chǎn)生的廢液主要有硫代硫酸鈉和硫氰酸鈉。另外，脫硫廢液中還有煤氣中殘留的多環(huán)芳烴、苯并芘、萘、蒽等具有毒性的有機(jī)物。在鹽分離基礎(chǔ)上利用高溫煤焦油制備炭黑，或深加工提取萘、蒽、洗油、苯酚等化工產(chǎn)品，走化學(xué)產(chǎn)品資源化的技術(shù)路線。我們知道，污泥的無(wú)害化、資源化是廢水處理未來(lái)的趨勢(shì)。工業(yè)廢水污泥中因元素分布的不同，與城市污水污泥相比，更有利于污泥炭的催化劑和吸附劑制備。本團(tuán)隊(duì)利用焦化廢水工程產(chǎn)生的污泥制備污泥炭吸附劑，再投加到工業(yè)廢水中污染物的吸附，實(shí)現(xiàn)了污泥的資源化短程循環(huán)回用，所制備的污泥活性炭，與原煤制備的活性炭相比，在吸附容量上相差不大，表現(xiàn)了較高的COD去除能力以及很好的節(jié)能效果。

　　無(wú)害化的本質(zhì)是水溶液性質(zhì)的轉(zhuǎn)變，6類(lèi)水的過(guò)渡是實(shí)現(xiàn)無(wú)害化的必要途徑。污廢水無(wú)害化的目標(biāo)應(yīng)取決于受納水體，對(duì)象不同，執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)不盡相同。按照水體類(lèi)別，可將無(wú)害化目標(biāo)劃分為江河、湖泊、運(yùn)河、渠道、海洋、水庫(kù)、池塘等;按照流域等別，可劃分為五類(lèi)地表水、五類(lèi)地下水、四類(lèi)海水等;按照生態(tài)類(lèi)型，可劃分為水源地、濕地、森林、草原、沙漠等;按照行業(yè)，可劃分為生活用水、漁業(yè)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)生產(chǎn)用水等;按照用途，可劃分為生活用水、原料生產(chǎn)用水、產(chǎn)品處理用水、冷卻用水、鍋爐用水等;按照人類(lèi)使用方式，可劃分為飲用水、景觀娛樂(lè)用水、非接觸沖洗用水、生產(chǎn)活動(dòng)用水等。

　　從水溶液性質(zhì)的角度看，6類(lèi)水均可作為特定功能加以使用或利用，任何一類(lèi)水均具有其獨(dú)自的價(jià)值屬性。可見(jiàn)，純凈水不是水處理的唯一目標(biāo)，因時(shí)和因地制宜，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可行且技術(shù)合理的無(wú)害化過(guò)程。進(jìn)一步而言，水工業(yè)不僅僅是水處理的集成，更在于大自然的調(diào)控;水技術(shù)不僅僅是水工藝，更在于大自然的工藝。作為生命之源的水，取之于自然，必將靠攏自然，最終回歸于自然。在工業(yè)水回用、農(nóng)業(yè)水回用、生活水回用以及生態(tài)水回用的不同資源化模式上，必須分別考慮資源中的水、熱、能量、營(yíng)養(yǎng)物、礦物質(zhì)、微生物等的環(huán)境再分配。這樣的考慮拓寬了水污染控制的工藝邊界。

　　毫無(wú)疑問(wèn)，在資源化補(bǔ)償條件不能滿足的條件下，無(wú)害化是最終的手段，追求技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)目標(biāo)的結(jié)合。技術(shù)目標(biāo)包括行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)、可持續(xù)標(biāo)準(zhǔn)、循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)等;經(jīng)濟(jì)目標(biāo)包括能耗物耗、人力消耗、占地消耗、資源可持續(xù)性等;社會(huì)目標(biāo)包括科學(xué)技術(shù)影響力、人才教育促進(jìn)、公平的財(cái)務(wù)過(guò)程與費(fèi)用承擔(dān)、人與自然和諧共生等。其中，綠色、低碳、循環(huán)將成為水處理工藝的共性目標(biāo)。

　　3. 集成優(yōu)化與生態(tài)反饋

　　未來(lái)水工業(yè)的發(fā)展將趨向于集成工業(yè)、智能控制與自主反饋的數(shù)字化控制中。將水污染控制的主體、目標(biāo)、對(duì)象、方法、模式、工具、條件整合為統(tǒng)一的系統(tǒng)，稱(chēng)之為集成的系統(tǒng)。優(yōu)化則考慮多目標(biāo)、多假設(shè)、多條件、多約束中的趨向性決策。結(jié)合系統(tǒng)集成與優(yōu)化目標(biāo)，廢水處理工藝需要考慮規(guī)模效應(yīng)、水質(zhì)分質(zhì)分類(lèi)、化合物性質(zhì)互補(bǔ)、智能化設(shè)計(jì)與大數(shù)據(jù)管理、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)引導(dǎo)以及產(chǎn)業(yè)類(lèi)型選擇與判斷，在高端科技產(chǎn)業(yè)、設(shè)備裝備、系統(tǒng)控制、藥劑材料和社會(huì)基礎(chǔ)等方面，要求更為良好的生態(tài)反饋。

　　集成優(yōu)化的目的是使水工業(yè)形成一個(gè)整體系統(tǒng)，是基于水溶液性質(zhì)、調(diào)控水質(zhì)類(lèi)別、最小化物料消耗與能源消耗的集合。基于污廢水的直接利用、循環(huán)再利用、再生再利用、再生再循環(huán)再利用，通過(guò)水工業(yè)之間整體調(diào)控，水工業(yè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低投入、低產(chǎn)出，甚至可能實(shí)現(xiàn)零投入與零排放。集成優(yōu)化的難點(diǎn)及關(guān)鍵在于不同類(lèi)別水及水的副產(chǎn)品之間的反饋與負(fù)反饋，這些反饋的協(xié)同調(diào)控促進(jìn)水工業(yè)的動(dòng)態(tài)平衡。流域與工業(yè)、生產(chǎn)與生態(tài)、污水與污泥、產(chǎn)品與廢棄物、受納體與點(diǎn)/線/面污染源、上游與下游、純水—純凈水—地表(下)水—污水—工業(yè)廢水—廢液的相互轉(zhuǎn)化、水—經(jīng)濟(jì)—社會(huì)—可持續(xù)生態(tài)的博弈，從水質(zhì)化學(xué)的基本原理出發(fā)，根據(jù)水溶液性質(zhì)和水的功能歸宿，尋求人類(lèi)可以遵循的水流運(yùn)動(dòng)與水質(zhì)轉(zhuǎn)化的自然規(guī)律，真正地實(shí)現(xiàn)生態(tài)目標(biāo)。

　　05

　　結(jié)語(yǔ)

　　基于多種認(rèn)識(shí)，從原理尺度、經(jīng)濟(jì)運(yùn)載、能量密度、多級(jí)利用等方面提高水的信息當(dāng)量，體現(xiàn)城市—農(nóng)村—企業(yè)—家庭的水價(jià)值觀的多重性，以工業(yè)園、規(guī)模農(nóng)場(chǎng)為示范，追求生態(tài)多樣性，充分認(rèn)識(shí)水溶液性質(zhì)的特征和作用，實(shí)現(xiàn)水利工程與水質(zhì)工程的結(jié)合，發(fā)揮水文化與水經(jīng)濟(jì)的互益理念，成為未來(lái)水工業(yè)的發(fā)展方向。水的擴(kuò)散，從天然水體到農(nóng)村的土地園林，通過(guò)動(dòng)力流或重力流進(jìn)入城市，再次分配到企業(yè)與家庭，用戶成為最終的受體，包括動(dòng)植物與產(chǎn)品，執(zhí)行了為人類(lèi)服務(wù)的目的。然后，承載了能量與熱量的污廢水再回到大自然，這個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了熵增/減的物質(zhì)—能量—電子等信息的交換。特別指出，溶液性質(zhì)的概念在純水—純凈水—地表水—污水—工業(yè)廢水—廢液的自然作用與逆向有序作用過(guò)程中，結(jié)合元素化合物的離心與向心作用趨勢(shì)，識(shí)別水合物與溶解態(tài)的離子化合物，預(yù)測(cè)和防治地表水中鹽分持續(xù)積累的環(huán)境演變，對(duì)于構(gòu)造水環(huán)境與生態(tài)平衡，控制水質(zhì)變化向有利于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等經(jīng)濟(jì)與生態(tài)過(guò)程的反饋，實(shí)現(xiàn)難降解工業(yè)廢水循環(huán)利用的梯級(jí)調(diào)控等方面，將發(fā)揮重要作用。

　　有毒/難降解工業(yè)廢水的重要特征表現(xiàn)為水質(zhì)來(lái)源多樣、化學(xué)組成復(fù)雜、危害與價(jià)值共存、多受體復(fù)合污染、化學(xué)反應(yīng)性不確定等，由此帶來(lái)了其處理工藝的多途徑選擇的存在，如相分離、有機(jī)物氧化、產(chǎn)能除碳、耗能礦化、脫氮除磷、硫氧化還原、重金屬分離與歸趨、脫鹽除濁、消毒與滅菌、微污染物分離去除等，很顯然，目標(biāo)的多樣性造成了水處理工藝功能組合的復(fù)雜性，這就是復(fù)雜工業(yè)廢水處理工程造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用高的根本原因。對(duì)此，基于水溶液性質(zhì)改變的梯度控制，可以成為水工業(yè)循環(huán)驅(qū)動(dòng)與工藝原理耦合的科學(xué)基礎(chǔ)。

　　在水溶液性質(zhì)信息群論引導(dǎo)下，我們必須把水處理工藝置之于水工業(yè)全鏈條上，把水工業(yè)放到全球生態(tài)尺度上，認(rèn)識(shí)水的未來(lái)價(jià)值。人們對(duì)水溶液性質(zhì)的理解還需要借助于多學(xué)科如物理、化學(xué)、生物、量子等新知識(shí)的結(jié)合，特別是元素及其化合物的轉(zhuǎn)化/轉(zhuǎn)移如何受到物理環(huán)境與生物/微生物種類(lèi)的約束，其過(guò)程信息的多樣性發(fā)現(xiàn)以及定量化信息及其掌握，成為未來(lái)水污染控制工藝的理論基礎(chǔ)。借助于水溶液性質(zhì)在6類(lèi)水體之間的相向(正向與逆向)轉(zhuǎn)變，追求其連續(xù)性的理解，成為構(gòu)建水源保護(hù)—給水工程—污水處理—工業(yè)廢水污染控制—污泥循環(huán)利用—氣相污染物削減與碳減排協(xié)同—物質(zhì)地球化學(xué)循環(huán)與生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)集成工藝?yán)砟羁蚣埽�表明無(wú)邊界約束的水溶液性質(zhì)與水質(zhì)轉(zhuǎn)化的工藝?yán)碚撝�間存在更大的契合度，基于這種理解，才能夠真正地拓展水的利用與水的保護(hù)之間的科學(xué)理解與技術(shù)創(chuàng)新。

　　結(jié)合水利—水量—水質(zhì)—水文—水產(chǎn)等不同價(jià)值尺度支持的水資源的多重理解，我們需要考慮更加豐富的新概念與新命題，如：水的新功能發(fā)現(xiàn)與用途開(kāi)發(fā)，水溶液的信息密度與能量表達(dá)，水體富營(yíng)養(yǎng)化的多因素識(shí)別與預(yù)測(cè)，水循環(huán)對(duì)全球經(jīng)濟(jì)的承載能力限度，水工業(yè)背后的碳減排與碳中和可能新興產(chǎn)業(yè)，社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的水生態(tài)環(huán)境，氣候影響水質(zhì)演變的未來(lái)預(yù)測(cè)包括對(duì)生物/生命多樣性的影響等。由此認(rèn)為，水工業(yè)革命的到來(lái)必將迎來(lái)一系列相關(guān)學(xué)科的發(fā)展作為內(nèi)在動(dòng)力，人類(lèi)的認(rèn)識(shí)還需要站在更高的高度上重塑人水關(guān)系，即從“智者樂(lè)水、仁者樂(lè)山”的境界中意識(shí)到“水腐人亡，水活人興”。

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