韋朝海教授：水溶液性質(zhì)與水污染控制工藝相互作用的重要性（下）

全康環(huán)保:水溶液性質(zhì)與水污染控制工藝相互作用的重要性（下）

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?；谒芤盒再|(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 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?；瘜W(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)?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(lài)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?xún)艋臋C(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?xún)艋暮诵脑肀憩F(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?xún)艋饔?/p>

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(mǎn)、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(mǎn)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?，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)。

02 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?？赡軒?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?、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?xún)艋c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?；钚蕴科鸬綄?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)⒋直皆偕?、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?？梢?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(mǎn)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)。

03 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(hù)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?，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g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”。