韦朝海教授：水溶液性质与水污染控制工艺相互作用的重要性（下）

韦朝海* 关翔鸿 韦庚锐 李泽敏 韦托 陈啊聪

(华南理工大学 环境与能源学院，广州 510006)

研究背景

摘 要

从自然演化、人类活动、科学发展角度分析污废水的产生机制及其对天然水体溶液性质的影响，发现人类迁徙的城镇化以及工农业生产的效率约束导致污废水与天然径流之间的矛盾，使生态水体呈现出由地表纯净水向水质污染方向的功能转化，扰动了元素/化合物在地球表面或水体界面的离心与向心迁移的平衡，明确了水体界面或水圈作为物质地球循环中转站/转运站的原理机制。隐藏在各种水处理工艺原理中的物理、化学、物化、生化等丰富功能能够解决中转站中所积累的矛盾，所以，集合溶液性质与污废水处理工艺原理之间的对应关系及其技术应用将构成更加完备和潜在的水工业，所提出的水溶液性质概念同样适用于给水与纯净水的生产与管理。针对有毒/难降解的工业有机废水如煤化工行业焦化废水，在前端工艺清洁生产的基础上，需要把产品资源回收、性质互补利用、水量循环机制作为共性目标，把低能耗与物耗、关键污染物去除以及明确环境风险归趋作为污染控制工艺选择的依据，同时要求全过程产生低的二次污染如碳排放等。基于水溶液性质的改变及其过程演变的探究将拓宽水污染控制的工艺理论与技术边界。水污染控制与水环境保护相结合的水工业全过程追求技术、经济与社会目标的一致，争取得到绿色、低碳、循环等生态目标的响应，即生活、生产、生态“三位一体”的协调发展。

03、处理工艺原理

1. 原理与功能有效性结合

人们从物理、化学、生物、物化与生化等学科理解水污染控制原理。其中，物理法以沉降、过滤、气浮、气提、膜分离、磁分离等为代表；化学法以酸碱中和、沉淀、络合、水解、氧化、还原、合成、分解、催化氧化等为代表；生物法以降解、合成、代谢、厌氧、好氧、水解、脱氮、除碳、脱硫、吸磷、释磷、脱氯等为常用；物化法以混凝与萃取、过滤与分离、蒸发与结晶、电化学氧化、光催化氧化、零价金属还原、电催化还原、亚/超临界氧化还原等为特征；而生化法则包括生物吸附、生物絮凝、生物催化、生物电解/产电、膜生物反应器等的原理。这样的分类并不一定全面与合理。

所谓功能有效性结合，是指由污染物各种形态/化合态构成的污废水所表现出来的物理化学性质，与人类所发现和可以控制的原理之间，建立起对应的作用机制。比如电子—离子—分子—化合物之间的关系，物质—能量—热量—动量之间的转化，水质—工艺—条件—作用力之间的关系，有序—无序—矢量—混沌—常量之间的关系等。除此之外，还要考虑：相变、聚合、合成、催化、裂解、光解、水解、分解、代谢、降解、氧化、燃烧、矿化等； 捕、吸附、沉积、共沉淀、结晶、螯合、水合、酸析、离子交换、氢键、静电反应的合适条件；不同反应类型之间，还存在协同效应与诱导反应；其中 络关系与相关性模型是分析和解决问题的重要思路。

物理处理法是通过物理作用，以分离、回收污废水中不溶解的、呈悬浮状的污染物质（包括油膜和油珠），在处理过程中不改变其化学性质，如常用的过滤法、沉淀法、浮选法与重力分离法等。化学处理法是向污废水中投加化学试剂，利用化学反应来分离、回收水中的污染物质，或将污染物质转化为无害/低毒的物质。该法既可使污染物与水分离，回收某些有用物质，也能改变污染物的性质，如降低废水的酸碱度、去除金属离子、氧化有毒有害物质等，因此，可达到比物理法更高的净化程度。常用的化学方法有化学混凝沉淀法、中和法、络合螯合作用以及氧化还原法等。

物理化学法，是利用萃取、吸附、结晶、蒸发、离子交换、膜分离技术以及气提等物理化学的原理，分离废水中无机的或有机的(难以生物降解的)溶解态或胶态的污染物质，回收有用组分，使废水中有害物质浓度降低。因此，适合于处理杂质浓度很高的工业废水（用作回收利用的方法），或是浓度很低的废水(用作深度处理与水回用技术)。利用物理化学法处理工业废水前，一般要经过预处理，以减少废水中的悬浮物、油类、有害气体等杂质，或调整废水的pH值，以提高回收效率或减少能量/热量损耗。同时，浓缩的残渣要经过后处理以避免二次污染。

人们对生物处理法的理解停留在合成、降解、转化、代谢的作用水平上，污染物—微生物—环境条件是生物原理转化为技术的三个重要要素，非常有必要从多种元素(及其化合物)的离心、向心、水合机制出发，结合微生物的功能新发现，更加系统地研究存在的各种可能性，包括环境作用力顺序。

总而言之，工艺技术是立足于水质学以及水溶液特性基础上的若干方法原理的组装及其应用，是由化学层面过渡到化工以及工程层面的一种表达，是能量、物质消耗制约条件下污染物转化的方法原理效果的体现，也可以理解为是反应动力学应用对经济因素与环境因素依赖的综合考虑。针对典型工业废水普遍表现出有机污染物浓度高、营养元素失衡、有生物毒性抑制、氮素与盐分呈多态化等特征，其处理往往需要从相分离、污染物转化、降低毒性、改变物性、盐/水的纯化等多角度来考虑，必须通过若干化学—物理—生物原理的组合构建集合的工艺，才能达到污染控制与资源化相结合的共同目标。

2. 操作条件与目标控制的对应性

既存和已知的废水生物处理单元技术及其组合，如：A、O、AO、AAO、AOO、OAO、AOHO；高级氧化技术如：Fenton反应，臭氧反应，自由基反应，湿式催化反应，超临界催化反应等；它们的哪些功能可以与污废水中的污染物性质建立强作用，这种规律被称之为性质与功能的对应性。其中，溶液性质与原理功能(单元反应器)的响应关系需要量化描述。组合工艺与单元反应器的科学定义与数学描述需要阐明，如何用单元反应器来定义工艺？多个单元结合的必要性？这些问题，构成了水处理工艺的重要性，即集成化的技术与系统工程学的结合。由此可见，废水性质与工艺原理的相互作用最终表现为工艺路线的选择与多目标的优化。如图3所示，以AOHO工艺为例，分析如何实现高浓度污废水物质循环驱动自净化的机制。在A单元反应器中可以实现4种方法以上，即厌氧(Anaerobic)、吸附(Adsorption)、气浮(Air flotation/coagulation)、溶剂萃取(Accelerated solvents extract)、氧化还原结合应用（Application of REDOX Technology, ART）等；在好氧的O1反应器中实现三阶段控制的生物转化反应，分别为除碳氨化、部分硝化和完全硝化；在低氧的H反应器中实现2种功能耦合的脱氮结合，分别为水解异养反硝化和厌氧氨氧化协同自养反硝化；而在好氧的O2反应器中，实现全部还原性污染物的彻底氧化，即硝化与矿化的归一化作用。自净化的核心原理表现在：1)后物化工艺沉淀物中的吸附剂和药剂回用于前物化工艺，分离出高浓度组分和降低生物系统的进水负荷；2)从A单元中分离的碳源或电子供体(FeS)用于H反应器中的脱氮；3)将纳滤分盐作用的二价或三价离子作为电解质回用于前混凝，硫酸根被应用于消耗厌氧残余碳源，获得硫化物电子供体。这个工艺已经被设计为工程技术，应用于宝武集团(广东韶钢)的焦化废水处理工程的提标改造中。

图3 AOHO工艺的污染物自净化作用

针对污染物的去除，可以演绎出多种多样的工艺。如，曝气生物滤池、传统活性污泥、缺氧—好氧活性污泥、厌氧氨氧化与自养反硝化耦合等生物脱氮工艺；厌氧产甲烷、生物吸附、好氧氧化等生物除碳工艺；AAO生物脱氮除磷工艺；AAO氧化沟工艺；OHO生物流化床工艺；FS-DADAS工艺；溶气气浮或混凝沉淀物化工艺。针对难降解有机物或生物处理残余有机物，可以选用的化学原理包括：酸碱中和、萃取蒸馏、Fenton氧化、光催化氧化、臭氧氧化、电化学氧化等方法工艺。因此，依据不同的水溶液性质和控制目标进行自如的工艺选择与调控是未来水处理工业的原则基础。

3. 过程约束

水污染控制技术应该是在追求清洁生产的前提条件下，以有限的时间空间要求，把低能耗、低物耗、去除关键污染物作为并行目标，同时要求产生低二次污染的稳定生产过程。对此，我们提出“安、稳、长、满、优”的设计目标，也就是，在科学引导下的废水处理工程技术应当追求安全、稳定、长效、满负荷以及优化的综合运行目标。将目标反馈到水处理过程的定义，所谓的过程约束需要先进的科技作为支撑，以工程实践作为手段，以符合实际的优化作为管理，相得益彰，互相推进。

对于实际案例，我们需要结合项目的地理位置、气候特征、行业特点、文化背景，加强针对性技术的选择与综合因素考虑的设计，以统计信息、数据权重、敏感效应、极限变化等因素建立模型，辅以经济要素(工程投资、运行费用)、生态效益、社会影响等的考虑，使选择的工艺原理趋于最优化的水平。对此，通常是基于专家对建议指标的多标准决策(MCDM)方法，如生命周期评估(LCA)、层次分析法(AHP)和模糊—德尔菲法等，可以是单独或组合使用的方法来制定科学的管理手段和政策措施。

归纳起来，废水溶液性质决定了工艺原理的组合与选择，针对特定的废水，识别其主要的水质特征，之后根据特征选择合适的物理、化学、生物以及组合的原理作为工艺基础，然后根据操作条件制定低能耗与低物耗的工艺路线，结合目标控制能够在过程中不断优化和完善运行管理的条件，最终实现尊重废水性质变化规律的集成工艺目标。

04、难降解工业废水

1. 溶液性质与关键污染物

2. 资源化与无害化目标

无害化的本质是水溶液性质的转变，6类水的过渡是实现无害化的必要途径。污废水无害化的目标应取决于受纳水体，对象不同，执行的标准不尽相同。按照水体类别，可将无害化目标划分为江河、湖泊、运河、渠道、海洋、水库、池塘等；按照流域等别，可划分为五类地表水、五类地下水、四类海水等；按照生态类型，可划分为水源地、湿地、森林、草原、沙漠等；按照行业，可划分为生活用水、渔业养殖、农业灌溉、工业生产用水等；按照用途，可划分为生活用水、原料生产用水、产品处理用水、冷却用水、锅炉用水等；按照人类使用方式，可划分为饮用水、景观娱乐用水、非接触冲洗用水、生产活动用水等。

从水溶液性质的角度看，6类水均可作为特定功能加以使用或利用，任何一类水均具有其独自的价值属性。可见，纯净水不是水处理的唯一目标，因时和因地制宜，实现经济可行且技术合理的无害化过程。进一步而言，水工业不仅仅是水处理的集成，更在于大自然的调控；水技术不仅仅是水工艺，更在于大自然的工艺。作为生命之源的水，取之于自然，必将靠拢自然，最终回归于自然。在工业水回用、农业水回用、生活水回用以及生态水回用的不同资源化模式上，必须分别考虑资源中的水、热、能量、营养物、矿物质、微生物等的环境再分配。这样的考虑拓宽了水污染控制的工艺边界。

毫无疑问，在资源化补偿条件不能满足的条件下，无害化是最终的手段，追求技术、经济与社会目标的结合。技术目标包括行业标准、环境标准、生态标准、可持续标准、循环标准等；经济目标包括能耗物耗、人力消耗、占地消耗、资源可持续性等；社会目标包括科学技术影响力、人才教育促进、公平的财务过程与费用承担、人与自然和谐共生等。其中，绿色、低碳、循环将成为水处理工艺的共性目标。

3. 集成优化与生态反馈

未来水工业的发展将趋向于集成工业、智能控制与自主反馈的数字化控制中。将水污染控制的主体、目标、对象、方法、模式、工具、条件整合为统一的系统，称之为集成的系统。优化则考虑多目标、多假设、多条件、多约束中的趋向性决策。结合系统集成与优化目标，废水处理工艺需要考虑规模效应、水质分质分类、化合物性质互补、智能化设计与大数据管理、产业结构升级引导以及产业类型选择与判断，在高端科技产业、设备装备、系统控制、药剂材料和社会基础等方面，要求更为良好的生态反馈。

集成优化的目的是使水工业形成一个整体系统，是基于水溶液性质、调控水质类别、最小化物料消耗与能源消耗的集合。基于污废水的直接利用、循环再利用、再生再利用、再生再循环再利用，通过水工业之间整体调控，水工业系统实现低投入、低产出，甚至可能实现零投入与零排放。集成优化的难点及关键在于不同类别水及水的副产品之间的反馈与负反馈，这些反馈的协同调控促进水工业的动态平衡。流域与工业、生产与生态、污水与污泥、产品与废弃物、受纳体与点/线/面污染源、上游与下游、纯水—纯净水—地表(下)水—污水—工业废水—废液的相互转化、水—经济—社会—可持续生态的博弈，从水质化学的基本原理出发，根据水溶液性质和水的功能归宿，寻求人类可以遵循的水流运动与水质转化的自然规律，真正地实现生态目标。

05、结语

基于多种认识，从原理尺度、经济运载、能量密度、多级利用等方面提高水的信息当量，体现城市—农村—企业—家庭的水价值观的多重性，以工业园、规模农场为示范，追求生态多样性，充分认识水溶液性质的特征和作用，实现水利工程与水质工程的结合，发挥水文化与水经济的互益理念，成为未来水工业的发展方向。水的扩散，从天然水体到农村的土地园林，通过动力流或重力流进入城市，再次分配到企业与家庭，用户成为最终的受体，包括动植物与产品，执行了为人类服务的目的。然后，承载了能量与热量的污废水再回到大自然，这个过程实现了熵增/减的物质—能量—电子等信息的交换。特别指出，溶液性质的概念在纯水—纯净水—地表水—污水—工业废水—废液的自然作用与逆向有序作用过程中，结合元素化合物的离心与向心作用趋势，识别水合物与溶解态的离子化合物，预测和防治地表水中盐分持续积累的环境演变，对于构造水环境与生态平衡，控制水质变化向有利于工业、农业等经济与生态过程的反馈，实现难降解工业废水循环利用的梯级调控等方面，将发挥重要作用。

在水溶液性质信息群论引导下，我们必须把水处理工艺置之于水工业全链条上，把水工业放到全球生态尺度上，认识水的未来价值。人们对水溶液性质的理解还需要借助于多学科如物理、化学、生物、量子等新知识的结合，特别是元素及其化合物的转化/转移如何受到物理环境与生物/微生物种类的约束，其过程信息的多样性发现以及定量化信息及其掌握，成为未来水污染控制工艺的理论基础。借助于水溶液性质在6类水体之间的相向(正向与逆向)转变，追求其连续性的理解，成为构建水源保护—给水工程—污水处理—工业废水污染控制—污泥循环利用—气相污染物削减与碳减排协同—物质地球化学循环与生态可持续发展的系统集成工艺理念框架，表明无边界约束的水溶液性质与水质转化的工艺理论之间存在更大的契合度，基于这种理解，才能够真正地拓展水的利用与水的保护之间的科学理解与技术创新。

结合水利—水量—水质—水文—水产等不同价值尺度支持的水资源的多重理解，我们需要考虑更加丰富的新概念与新命题，如：水的新功能发现与用途开发，水溶液的信息密度与能量表达，水体富营养化的多因素识别与预测，水循环对全球经济的承载能力限度，水工业背后的碳减排与碳中和可能新兴产业，社会可持续发展的水生态环境，气候影响水质演变的未来预测包括对生物/生命多样性的影响等。由此认为，水工业革命的到来必将迎来一系列相关学科的发展作为内在动力，人类的认识还需要站在更高的高度上重塑人水关系，即从“智者乐水、仁者乐山”的境界中意识到“水腐人亡，水活人兴”。

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