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年達到817億噸)，約占用水量的15%(2018年為13.6 %)，達到我國河流總徑流量的3%左右(2015－2019年全國水資源量為（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)了流域水資源嚴重超載的現(xiàn)象。我國目前的人均GDP(10483美元，2020年)約為美國的1/6(63416美元，2020年)，與世界發(fā)達國家比較，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重要瓶頸，并將取決于我們的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)未來的發(fā)展變化。我們需要改變沒有污染就沒有環(huán)保產(chǎn)業(yè)的傳統(tǒng)思路，把水資源戰(zhàn)略置前，重新認識水的經(jīng)濟當量意義及其在實現(xiàn)碳中和過程中的媒介作用。在水工業(yè)中，水源是基礎(chǔ)，污染是對象，工藝是手段，工程是目的，所有目的必須為可持續(xù)生態(tài)的目標服務(wù)；全過程的保護、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)對象、多目標需求的社會經(jīng)濟行為。這樣，在認識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，其中污染過程是自發(fā)行為，阻斷這個過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)濟效率、生活質(zhì)量等相關(guān)的科學(xué)與技術(shù)目標的規(guī)劃。
摘 要
從自然演化、人類活動、科學(xué)發(fā)展角度分析污廢水的產(chǎn)生機制及其對天然水體溶液性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)人類遷徙的城鎮(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)運站的原理機制。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。針對有毒/難降解的工業(yè)有機廢水如煤化工行業(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)互補利用、水量循環(huán)機制作為共性目標，把低能耗與物耗、關(guān)鍵污染物去除以及明確環(huán)境風險歸趨作為污染控制工藝選擇的依據(jù)，同時要求全過程產(chǎn)生低的二次污染如碳排放等。基于水溶液性質(zhì)的改變及其過程演變的探究將拓寬水污染控制的工藝理論與技術(shù)邊界。水污染控制與水環(huán)境保護相結(jié)合的水工業(yè)全過程追求技術(shù)、經(jīng)濟與社會目標的一致，爭取得到綠色、低碳、循環(huán)等生態(tài)目標的響應(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、過濾與分離、蒸發(fā)與結(jié)晶、電化學(xué)氧化、光催化氧化、零價金屬還原、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)出來的物理化學(xué)性質(zhì)，與人類所發(fā)現(xiàn)和可以控制的原理之間，建立起對應(yīng)的作用機制。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題的重要思路。
物理處理法是通過物理作用，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），在處理過程中不改變其化學(xué)性質(zhì)，如常用的過濾法、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)來分離、回收水中的污染物質(zhì)，或?qū)⑽廴疚镔|(zhì)轉(zhuǎn)化為無害/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，分離廢水中無機的或有機的(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)過預(yù)處理，以減少廢水中的懸浮物、油類、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，濃縮的殘渣要經(jīng)過后處理以避免二次污染。
人們對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)層面過渡到化工以及工程層面的一種表達，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)動力學(xué)應(yīng)用對經(jīng)濟因素與環(huán)境因素依賴的綜合考慮。針對典型工業(yè)廢水普遍表現(xiàn)出有機污染物濃度高、營養(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考慮，必須通過若干化學(xué)―物理―生物原理的組合構(gòu)建集合的工藝，才能達到污染控制與資源化相結(jié)合的共同目標。
2. 操作條件與目標控制的對應(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)建立強作用，這種規(guī)律被稱之為性質(zhì)與功能的對應(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)器來定義工藝？多個單元結(jié)合的必要性？這些問題，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，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的優(yōu)化。如圖3所示，以AOHO工藝為例，分析如何實現(xiàn)高濃度污廢水物質(zhì)循環(huán)驅(qū)動自凈化的機制。在A單元反應(yīng)器中可以實現(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)的進水負荷；
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或三價離子作為電解質(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。這個工藝已經(jīng)被設(shè)計為工程技術(shù)，應(yīng)用于寶武集團(廣東韶鋼)的焦化廢水處理工程的提標改造中。
圖3 AOHO工藝的污染物自凈化作用
針對污染物的去除，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。針對難降解有機物或生物處理殘余有機物，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)和控制目標進行自如的工藝選擇與調(diào)控是未來水處理工業(yè)的原則基礎(chǔ)。
3. 過程約束
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，同時要求產(chǎn)生低二次污染的穩(wěn)定生產(chǎn)過程。對此，我們提出“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”的設(shè)計目標，也就是，在科學(xué)引導(dǎo)下的廢水處理工程技術(shù)應(yīng)當追求安全、穩(wěn)定、長效、滿負荷以及優(yōu)化的綜合運行目標。將目標反饋到水處理過程的定義，所謂的過程約束需要先進的科技作為支撐，以工程實踐作為手段，以符合實際的優(yōu)化作為管理，相得益彰，互相推進。
對于實際案例，我們需要結(jié)合項目的地理位置、氣候特征、行業(yè)特點、文化背景，加強針對性技術(shù)的選擇與綜合因素考慮的設(shè)計，以統(tǒng)計信息、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)濟要素(工程投資、運行費用)、生態(tài)效益、社會影響等的考慮，使選擇的工藝原理趨于最優(yōu)化的水平。對此，通常是基于專家對建議指標的多標準決策(MCDM)方法，如生命周期評估(LCA)、層次分析法(AHP)和模糊―德爾菲法等，可以是單獨或組合使用的方法來制定科學(xué)的管理手段和政策措施。
歸納起來，廢水溶液性質(zhì)決定了工藝原理的組合與選擇，針對特定的廢水，識別其主要的水質(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)合目標控制能夠在過程中不斷優(yōu)化和完善運行管理的條件，最終實現(xiàn)尊重廢水性質(zhì)變化規(guī)律的集成工藝目標。
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。國家標準GB16171―2012中，焦化廢水的控制指標為14項，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，并沒有涉及色度和鹽分，也沒有把普遍出現(xiàn)的硫氰化物和氟化物包含進來，還缺乏毒理學(xué)指標，很少人思考關(guān)鍵污染物和難降解有機物的化學(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存在油分離的濃縮相中，所以，進入廢水處理系統(tǒng)的重金屬離子濃度不高?？赡軒盹L險的重金屬如汞、砷、銅等，汞以單質(zhì)的形式、砷以含氧基團的形式、銅以氨絡(luò)合的形式，被分配在廢水中。有機物特別是難降解有機物，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，構(gòu)造了焦化廢水的前述特征。其中的關(guān)鍵污染物，以濃度貢獻劃分，對COD的賦值作用大小為：酚類、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；按照急性毒性貢獻大小順序為：氰化物、硫氰化物、硫化物、苯酚、氨氮、芳烴類化合物等。如果考慮其他毒性，芳烴類化合物可能置前，目前較少涉及重金屬方面的評價。根據(jù)國家政策要求，焦化廢水的處理要以實現(xiàn)零排放為目標，并且鹽分以及殘余有機物的處理也成為關(guān)鍵污染物。針對不同行業(yè)廢水，在選擇處理工藝之前，調(diào)查研究廢水溶液性質(zhì)，評價環(huán)境影響因素，識別出關(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. 資源化與無害化目標
工業(yè)廢水中的物質(zhì)來源于反應(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)兩個方面，它們相輔相成。另外，通過組分調(diào)控、廠際利用、性質(zhì)互補、功能歸一等模式實現(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，本團隊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)，在沒有外加碳源的情況下實現(xiàn)了高效的總氮去除，實現(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現(xiàn)下水道中或水處理過程中硫化物的控制，降低硫化氫的釋放，保護管網(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，自來水廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的含鐵污泥可以應(yīng)用于污廢水處理廠的預(yù)處理，形成一個理想的資源循環(huán)過程。廢水處理生物活性炭法，與傳統(tǒng)的廢水處理技術(shù)相比，對去除大分子、難降解有機物方面有著非常突出的效果?；钚蕴科鸬綄τ袡C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，延長活性炭的使用壽命。焦油渣、酸焦油、蒸氨殘渣、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，污泥的無害化、資源化是廢水處理未來的趨勢。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。本團隊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。
無害化的本質(zhì)是水溶液性質(zhì)的轉(zhuǎn)變，6類水的過渡是實現(xiàn)無害化的必要途徑。污廢水無害化的目標應(yīng)取決于受納水體，對象不同，執(zhí)行的標準不盡相同。按照水體類別，可將無害化目標劃分為江河、湖泊、運河、渠道、海洋、水庫、池塘等；按照流域等別，可劃分為五類地表水、五類地下水、四類海水等；按照生態(tài)類型，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；按照人類使用方式，可劃分為飲用水、景觀娛樂用水、非接觸沖洗用水、生產(chǎn)活動用水等。
從水溶液性質(zhì)的角度看，6類水均可作為特定功能加以使用或利用，任何一類水均具有其獨自的價值屬性?？梢?，純凈水不是水處理的唯一目標，因時和因地制宜，實現(xiàn)經(jīng)濟可行且技術(shù)合理的無害化過程。進一步而言，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。
毫無疑問，在資源化補償條件不能滿足的條件下，無害化是最終的手段，追求技術(shù)、經(jīng)濟與社會目標的結(jié)合。技術(shù)目標包括行業(yè)標準、環(huán)境標準、生態(tài)標準、可持續(xù)標準、循環(huán)標準等；經(jīng)濟目標包括能耗物耗、人力消耗、占地消耗、資源可持續(xù)性等；社會目標包括科學(xué)技術(shù)影響力、人才教育促進、公平的財務(wù)過程與費用承擔、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。
3. 集成優(yōu)化與生態(tài)反饋
未來水工業(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、對象、方法、模式、工具、條件整合為統(tǒng)一的系統(tǒng)，稱之為集成的系統(tǒng)。優(yōu)化則考慮多目標、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，廢水處理工藝需要考慮規(guī)模效應(yīng)、水質(zhì)分質(zhì)分類、化合物性質(zhì)互補、智能化設(shè)計與大數(shù)據(jù)管理、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級引導(dǎo)以及產(chǎn)業(yè)類型選擇與判斷，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)形成一個整體系統(tǒng)，是基于水溶液性質(zhì)、調(diào)控水質(zhì)類別、最小化物料消耗與能源消耗的集合?；谖蹚U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，通過水工業(yè)之間整體調(diào)控，水工業(yè)系統(tǒng)實現(xiàn)低投入、低產(chǎn)出，甚至可能實現(xiàn)零投入與零排放。集成優(yōu)化的難點及關(guān)鍵在于不同類別水及水的副產(chǎn)品之間的反饋與負反饋，這些反饋的協(xié)同調(diào)控促進水工業(yè)的動態(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/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―社會―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，尋求人類可以遵循的水流運動與水質(zhì)轉(zhuǎn)化的自然規(guī)律，真正地實現(xiàn)生態(tài)目標。
03 結(jié)語
基于多種認識，從原理尺度、經(jīng)濟運載、能量密度、多級利用等方面提高水的信息當量，體現(xiàn)城市―農(nóng)村―企業(yè)―家庭的水價值觀的多重性，以工業(yè)園、規(guī)模農(nóng)場為示范，追求生態(tài)多樣性，充分認識水溶液性質(zhì)的特征和作用，實現(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)濟的互益理念，成為未來水工業(yè)的發(fā)展方向。水的擴散，從天然水體到農(nóng)村的土地園林，通過動力流或重力流進入城市，再次分配到企業(yè)與家庭，用戶成為最終的受體，包括動植物與產(chǎn)品，執(zhí)行了為人類服務(wù)的目的。然后，承載了能量與熱量的污廢水再回到大自然，這個過程實現(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程中，結(jié)合元素化合物的離心與向心作用趨勢，識別水合物與溶解態(tài)的離子化合物，預(yù)測和防治地表水中鹽分持續(xù)積累的環(huán)境演變，對于構(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)濟與生態(tài)過程的反饋，實現(xiàn)難降解工業(yè)廢水循環(huán)利用的梯級調(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)來源多樣、化學(xué)組成復(fù)雜、危害與價值共存、多受體復(fù)合污染、化學(xué)反應(yīng)性不確定等，由此帶來了其處理工藝的多途徑選擇的存在，如相分離、有機物氧化、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)廢水處理工程造價和運行費用高的根本原因。對此，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，認識水的未來價值。人們對水溶液性質(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/微生物種類的約束，其過程信息的多樣性發(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―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)集成工藝理念框架，表明無邊界約束的水溶液性質(zhì)與水質(zhì)轉(zhuǎn)化的工藝理論之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)與用途開發(fā)，水溶液的信息密度與能量表達，水體富營養(yǎng)化的多因素識別與預(yù)測，水循環(huán)對全球經(jīng)濟的承載能力限度，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)演變的未來預(yù)測包括對生物/生命多樣性的影響等。由此認為，水工業(yè)革命的到來必將迎來一系列相關(guān)學(xué)科的發(fā)展作為內(nèi)在動力，人類的認識還需要站在更高的高度上重塑人水關(guān)系，即從“智者樂水、仁者樂山”的境界中意識到“水腐人亡，水活人興”。