华南理工大学韦朝海教授团队：水溶液性质与水污染控制工艺相互作用的重要性

从纯水-纯净水-地表水-污水-废水-废液的转化边界思考污废水溶液性质与处理工艺之间相互作用关系，论述水工业在地球化学循环、生态系统、水环境、健康与经济方面的重要性功能。

复杂工业废水的污染属性/溶液性质与各种控制原理的功能属性之间的吻合关系，在质量-能量/热量-电子的不同物理/化学尺度上的表现，将成为未来水污染控制技术支持的水工业发展的理念方向。本文从污废水的产生机制、污废水溶液性质及其演变、水处理工艺发展的原理需求等方面的思考出发，提出针对有毒/难降解复杂工业废水处理工艺的重要性原则，旨在寻求未来水工业发展与碳中和、经济效率、生活质量等相关的科学与技术目标的规划。

依据自然与人类干预的原理把水质变化划分为六类：纯水、纯净水、地表(下)水、污水、废水及废液。由物质转移构成的污染特征包括：自发的过程，熵增过程，不可逆过程，自由能下降的过程，内能变化的过程，有序性下降的过程，毒性变化过程，反应活性与惰性归趋的热力学稳定体系等方面的描述。浓度梯度之间的转化伴随着集成性质的渐变即数学上的连续性，但是，在水溶液性质的判定过程中，单纯地观察浓度的数字大小其意义并不大，需要结合性质群集(浓度、毒性、当量、转化/分解速率等)加以综合分析与判断。

图 1 国家标准、主要河流地表水、常见生活污水、工业废水、工业废液的浓度区间分布
Figure 1. Concentration interval distribution of national standards, surface water of main rivers, common domestic sewage, industrial wastewater and industrial waste liquid

水溶液性质可分为能量、元素和分散系三个空间，物质是空间中的向量，性质是空间中的维度(平面)。一方面，水溶液性质是可以编辑的，向量在不同维度上可以进行加法、点乘、叉乘、交集等运算操作用以表达加和关系、协同关系、因果关系和分支关系等。另一方面，已经发现的物质和性质在能量、元素和分散体系中的阈值并不连续，大量的物质和性质没有发现或者尚未被命名，这些未知领域会在科学技术不断发展后被发现，表现出可发展性 。

图 2 群论描述的溶液性质：各群在能量、物质、分散维度上的相关关系
Figure 2. The properties of solution described in group theory: the correlation of groups in energy, matter, and dispersion dimensions

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，根据特征选择合适的物理、化学、生物以及组合的基本原理作为工艺基础，然后根据操作条件制定低能耗与低物耗的工艺路线，如零水耗、零能耗、零电耗以及零药耗的污废水处理技术目标，结合目标要求能够在过程控制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技术目标。

图3  AOHO工艺的污染物自净化作用

Figure 3. Self-purification of pollutants in AOHO process

工业废水中的物质来源于反应物的转化率、中间产物、产品的分离与提纯，以及水作为介质等的循环利用、气相吸收与浓缩富集作用等工序。资源化途径必须考虑有效组分分离与水循环两个方面，它们相辅相成。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。

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，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。