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韋朝海* 關翔鴻 韋庚銳 李澤敏 韋託 陳啊聰
(華南理工大學 環境與能源學院，廣州 510006)
研究背景
我國的水處理工業已經逐漸形成，每年的汙廢水處理量接近1000億立方米(2018年達到817億噸)，約佔用水量的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)，取水量已經逼近警戒線，如果河流徑流量的5%被取用，不管採用何種淨化方式施以補水，都可能引發生態上的災難。在水資源配置方面，我國的水資源總量擁有仍然屬於豐沛，然而人口基數巨大，人均擁有量(2064 m3/人，2018年) 僅約佔全世界平均值的1/3(6074 m3/人，2018年)。我國耗水的傳統產業如鋼鐵、造紙、印染、化工等居多，加上經濟發展的區域不均勻性，產業結構與人口聚集所造成的河流水質性汙染普遍存在。我國很多省份特別是華北等地區已經出現了流域水資源嚴重超載的現象。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)，與世界發達國家比較，處在資源屬性、人力戰略與產業結構最佳化的上升期。水資源可能成為一個重要瓶頸，並將取決於我們的產業結構未來的發展變化。我們需要改變沒有汙染就沒有環保產業的傳統思路，把水資源戰略置前，重新認識水的經濟當量意義及其在實現碳中和過程中的媒介作用。在水工業中，水源是基礎，汙染是物件，工藝是手段，工程是目的，所有目的必須為可持續生態的目標服務；全過程的保護、預防、應用、控制、修復、迴圈等，構成了完備的水工業鏈。其中，在水資源—水環境—水生態—水工業的鏈條中，表現出多賦存狀態、多相轉變、多季節變化、多物種依存的資源屬性；表現出複雜性、多樣性、多環境效應等共存的汙染物件；還表現出多學科、多方法、多技術的解決手段，以及多用途、多服務物件、多目標需求的社會經濟行為。這樣，在認識水溶液或汙廢水性質基礎上，我們把汙廢水處理工藝的重要性置身於難降解有毒工業廢水的高效處理技術與理論中，是非常有必要的。難降解有毒工業廢水傳播/干預的行業構造了水質特徵急劇變化並使之具有複雜性和典型性，其中汙染過程是自發行為，阻斷這個過程需要處理工藝的革新。工業廢水與使用原材料、中間產物、產品途徑、分離純化等生產工藝及原理技術水平相關，還受化合物、催化劑、溶劑介質、化學性質等物化因素的控制，所表現出來的汙染特徵豐富多樣。由此啟發科學家們研究各種控制原理，包括反應、分離、轉化、利用、儲存、排放及其組合等，涉及物理、化學、生物、物化、生化等多學科及其交叉領域。對此，複雜工業廢水的汙染屬性/溶液性質與各種控制原理的功能屬性之間的吻合關係，在質量—能量/熱量—電子的不同物理/化學尺度上的表現，將成為未來水汙染控制技術支援水工業發展的理念方向。因此，本文嘗試從汙廢水的產生機制、水溶液性質包括汙廢水溶液性質及其演變、水處理工藝發展等的原理思考出發，提出針對有毒/難降解複雜工業廢水處理工藝的重要性，旨在尋求水工業發展與碳中和、經濟效率、生活質量等相關的科學與技術目標的規劃。
摘 要
從自然演化、人類活動、科學發展角度分析汙廢水的產生機制及其對天然水體溶液性質的影響，發現人類遷徙的城鎮化以及工農業生產的效率約束導致汙廢水與天然徑流之間的矛盾，使生態水體呈現出由地表純淨水向水質汙染方向的功能轉化，擾動了元素/化合物在地球表面或水體介面的離心與向心遷移的平衡，明確了水體介面或水圈作為物質地球迴圈中轉站/轉運站的原理機制。隱藏在各種水處理工藝原理中的物理、化學、物化、生化等豐富功能能夠解決中轉站中所積累的矛盾，所以，集合溶液性質與汙廢水處理工藝原理之間的對應關係及其技術應用將構成更加完備和潛在的水工業，所提出的水溶液性質概念同樣適用於給水與純淨水的生產與管理。針對有毒/難降解的工業有機廢水如煤化工行業焦化廢水，在前端工藝清潔生產的基礎上，需要把產品資源回收、性質互補利用、水量迴圈機制作為共性目標，把低能耗與物耗、關鍵汙染物去除以及明確環境風險歸趨作為汙染控制工藝選擇的依據，同時要求全過程產生低的二次汙染如碳排放等。基於水溶液性質的改變及其過程演變的探究將拓寬水汙染控制的工藝理論與技術邊界。水汙染控制與水環境保護相結合的水工業全過程追求技術、經濟與社會目標的一致，爭取得到綠色、低碳、迴圈等生態目標的響應，即生活、生產、生態“三位一體”的協調發展。
03、處理工藝原理
1. 原理與功能有效性結合
人們從物理、化學、生物、物化與生化等學科理解水汙染控制原理。其中，物理法以沉降、過濾、氣浮、氣提、膜分離、磁分離等為代表；化學法以酸鹼中和、沉澱、絡合、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、蒸發與結晶、電化學氧化、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徵；而生化法則包括生物吸附、生物絮凝、生物催化、生物電解/產電、膜生物反應器等的原理。這樣的分類並不一定全面與合理。
所謂功能有效性結合，是指由汙染物各種形態/化合態構成的汙廢水所表現出來的物理化學性質，與人類所發現和可以控制的原理之間，建立起對應的作用機制。比如電子—離子—分子—化合物之間的關係，物質—能量—熱量—動量之間的轉化，水質—工藝—條件—作用力之間的關係，有序—無序—向量—混沌—常量之間的關係等。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；網捕、吸附、沉積、共沉澱、結晶、螯合、水合、酸析、離子交換、氫鍵、靜電反應的合適條件；不同反應型別之間，還存在協同效應與誘導反應；其中網路關係與相關性模型是分析和解決問題的重要思路。
物理處理法是透過物理作用，以分離、回收汙廢水中不溶解的、呈懸浮狀的汙染物質（包括油膜和油珠），在處理過程中不改變其化學性質，如常用的過濾法、沉澱法、浮選法與重力分離法等。化學處理法是向汙廢水中投加化學試劑，利用化學反應來分離、回收水中的汙染物質，或將汙染物質轉化為無害/低毒的物質。該法既可使汙染物與水分離，回收某些有用物質，也能改變汙染物的性質，如降低廢水的酸鹼度、去除金屬離子、氧化有毒有害物質等，因此，可達到比物理法更高的淨化程度。常用的化學方法有化學混凝沉澱法、中和法、絡合螯合作用以及氧化還原法等。
物理化學法，是利用萃取、吸附、結晶、蒸發、離子交換、膜分離技術以及氣提等物理化學的原理，分離廢水中無機的或有機的(難以生物降解的)溶解態或膠態的汙染物質，回收有用組分，使廢水中有害物質濃度降低。因此，適合於處理雜質濃度很高的工業廢水（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)。利用物理化學法處理工業廢水前，一般要經過預處理，以減少廢水中的懸浮物、油類、有害氣體等雜質，或調整廢水的pH值，以提高回收效率或減少能量/熱量損耗。同時，濃縮的殘渣要經過後處理以避免二次汙染。
人們對生物處理法的理解停留在合成、降解、轉化、代謝的作用水平上，汙染物—微生物—環境條件是生物原理轉化為技術的三個重要要素，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，結合微生物的功能新發現，更加系統地研究存在的各種可能性，包括環境作用力順序。
總而言之，工藝技術是立足於水質學以及水溶液特性基礎上的若干方法原理的組裝及其應用，是由化學層面過渡到化工以及工程層面的一種表達，是能量、物質消耗制約條件下汙染物轉化的方法原理效果的體現，也可以理解為是反應動力學應用對經濟因素與環境因素依賴的綜合考慮。針對典型工業廢水普遍表現出有機汙染物濃度高、營養元素失衡、有生物毒性抑制、氮素與鹽分呈多型化等特徵，其處理往往需要從相分離、汙染物轉化、降低毒性、改變物性、鹽/水的純化等多角度來考慮，必須透過若干化學—物理—生物原理的組合構建集合的工藝，才能達到汙染控制與資源化相結合的共同目標。
2. 操作條件與目標控制的對應性
既存和已知的廢水生物處理單元技術及其組合，如：A、O、AO、AAO、AOO、OAO、AOHO；高階氧化技術如：Fenton反應，臭氧反應，自由基反應，溼式催化反應，超臨界催化反應等；它們的哪些功能可以與汙廢水中的汙染物性質建立強作用，這種規律被稱之為性質與功能的對應性。其中，溶液性質與原理功能(單元反應器)的響應關係需要量化描述。組合工藝與單元反應器的科學定義與數學描述需要闡明，如何用單元反應器來定義工藝？多個單元結合的必要性？這些問題，構成了水處理工藝的重要性，即整合化的技術與系統工程學的結合。由此可見，廢水性質與工藝原理的相互作用最終表現為工藝路線的選擇與多目標的最佳化。如圖3所示，以AOHO工藝為例，分析如何實現高濃度汙廢水物質迴圈驅動自淨化的機制。在A單元反應器中可以實現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)、氧化還原結合應用（Application of REDOX Technology, ART）等；在好氧的O1反應器中實現三階段控制的生物轉化反應，分別為除碳氨化、部分硝化和完全硝化；在低氧的H反應器中實現2種功能耦合的脫氮結合，分別為水解異養反硝化和厭氧氨氧化協同自養反硝化；而在好氧的O2反應器中，實現全部還原性汙染物的徹底氧化，即硝化與礦化的歸一化作用。自淨化的核心原理表現在：1)後物化工藝沉澱物中的吸附劑和藥劑回用於前物化工藝，分離出高濃度組分和降低生物系統的進水負荷；2)從A單元中分離的碳源或電子供體(FeS)用於H反應器中的脫氮；3)將納濾分鹽作用的二價或三價離子作為電解質回用於前混凝，硫酸根被應用於消耗厭氧殘餘碳源，獲得硫化物電子供體。這個工藝已經被設計為工程技術，應用於寶武集團(廣東韶鋼)的焦化廢水處理工程的提標改造中。
圖3 AOHO工藝的汙染物自淨化作用
針對汙染物的去除，可以演繹出多種多樣的工藝。如，曝氣生物濾池、傳統活性汙泥、缺氧—好氧活性汙泥、厭氧氨氧化與自養反硝化耦合等生物脫氮工藝；厭氧產甲烷、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；溶氣氣浮或混凝沉澱物化工藝。針對難降解有機物或生物處理殘餘有機物，可以選用的化學原理包括：酸鹼中和、萃取蒸餾、Fenton氧化、光催化氧化、臭氧氧化、電化學氧化等方法工藝。因此，依據不同的水溶液性質和控制目標進行自如的工藝選擇與調控是未來水處理工業的原則基礎。
3. 過程約束
水汙染控制技術應該是在追求清潔生產的前提條件下，以有限的時間空間要求，把低能耗、低物耗、去除關鍵汙染物作為並行目標，同時要求產生低二次汙染的穩定生產過程。對此，我們提出“安、穩、長、滿、優”的設計目標，也就是，在科學引導下的廢水處理工程技術應當追求安全、穩定、長效、滿負荷以及最佳化的綜合執行目標。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，以符合實際的最佳化作為管理，相得益彰，互相推進。
對於實際案例，我們需要結合專案的地理位置、氣候特徵、行業特點、文化背景，加強針對性技術的選擇與綜合因素考慮的設計，以統計資訊、資料權重、敏感效應、極限變化等因素建立模型，輔以經濟要素(工程投資、執行費用)、生態效益、社會影響等的考慮，使選擇的工藝原理趨於最最佳化的水平。對此，通常是基於專家對建議指標的多標準決策(MCDM)方法，如生命週期評估(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的管理手段和政策措施。
歸納起來，廢水溶液性質決定了工藝原理的組合與選擇，針對特定的廢水，識別其主要的水質特徵，之後根據特徵選擇合適的物理、化學、生物以及組合的原理作為工藝基礎，然後根據操作條件制定低能耗與低物耗的工藝路線，結合目標控制能夠在過程中不斷最佳化和完善執行管理的條件，最終實現尊重廢水性質變化規律的整合工藝目標。
04、難降解工業廢水
1. 溶液性質與關鍵汙染物
以焦化廢水為例，焦化廢水屬於典型的難降解工業廢水，其特徵可以綜合描述如下：廢水毒性大，表現為複合毒性效應；汙染物濃度高，內含能大，可降解性差；廢水成分複雜，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、揮發酚、氰化物、氨氮、硫化物、油分、總氮、總磷、苯系物、苯並吡、多環芳烴，並沒有涉及色度和鹽分，也沒有把普遍出現的硫氰化物和氟化物包含進來，還缺乏毒理學指標，很少人思考關鍵汙染物和難降解有機物的化學組成，特別是元素的結合規律。焦化廢水原水主要來源於蒸氨工段，由於廢水呈弱鹼性，其中含有較高濃度的硫離子和氨分子，向心離子以沉澱的形式被儲存在油分離的濃縮相中，所以，進入廢水處理系統的重金屬離子濃度不高。可能帶來風險的重金屬如汞、砷、銅等，汞以單質的形式、砷以含氧基團的形式、銅以氨絡合的形式，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等結合為主，如多環芳烴與多溴聯苯醚(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。據我們分析，焦化廢水中的汙染物由70餘個元素及其化合物構成，是迄今發現的組成最為複雜的廢水之一，原因是該種廢水由以萬年為單位的地下礦產成因，吸附水和化學結合水在900 ℃左右的高溫乾餾過程中形成，加上礦物元素的豐富性，結合高溫催化作用，煤中各種元素之間實現了部分裂解和重新聚並，造成了焦化廢水組成的多樣性，構成了煤化工過程具有共性的特徵。煉焦工藝包括高溫乾餾、蒸酚脫氨、粗苯分離、煤氣清洗、硫酸生產等工段的貢獻，構造了焦化廢水的前述特徵。其中的關鍵汙染物，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、雜環芳烴、油分、氰化物、多環芳烴等；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。根據國家政策要求，焦化廢水的處理要以實現零排放為目標，並且鹽分以及殘餘有機物的處理也成為關鍵汙染物。針對不同行業廢水，在選擇處理工藝之前，調查研究廢水溶液性質，評價環境影響因素，識別出關鍵汙染物，從化合物、共存組分、溶液性質等方面研究熱力學可行性與動力學規律，成為汙染控制的科學依據。
2. 資源化與無害化目標
工業廢水中的物質來源於反應物的轉化率、中間產物、產品分離與提純，以及水作為介質等的迴圈利用、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迴圈兩個方面，它們相輔相成。另外，透過組分調控、廠際利用、性質互補、功能歸一等模式實現廢水產值化，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、氨分子的加鹼熱蒸發脫出、以及硫化物的置換分離等；脫硫廢液或沉澱硫化物作為自養反硝化脫氮的電子供體、吸附分離碳源物質作為異養反硝化脫氮的電子供體、以及納濾分離硫酸根迴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，高濃鹽水電解產生氧化性有效氯、純化分離的產品鹽以及反滲透分離純水、汙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。從物質分離、迴圈自淨化與產品回收利用三方面都可以重新規劃並應用於再生產，表現出資源迴圈利用的多種途徑。比如，本團隊利用含硫化亞鐵汙泥作為自養電子供體參加的反硝化反應，在沒有外加碳源的情況下實現了高效的總氮去除，實現總氮濃度的趨零，還減少了富鐵化學汙泥的處理成本。澳大利亞昆士蘭大學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，保護管網免受其腐蝕，鐵鹽還與磷酸鹽發生沉澱反應，提高出水水質，防止水垢。更重要的是，自來水廠生產過程中產生的含鐵汙泥可以應用於汙廢水處理廠的預處理，形成一個理想的資源迴圈過程。廢水處理生物活性炭法，與傳統的廢水處理技術相比，對去除大分子、難降解有機物方面有著非常突出的效果。活性炭起到對有機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複迴圈利用，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、廢水處理汙泥、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活性炭，回用於廢水的預處理。銨法脫硫工藝產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芳烴、苯並芘、萘、蒽等具有毒性的有機物。在鹽分離基礎上利用高溫煤焦油製備炭黑，或深加工提取萘、蒽、洗油、苯酚等化工產品，走化學產品資源化的技術路線。我們知道，汙泥的無害化、資源化是廢水處理未來的趨勢。工業廢水汙泥中因元素分佈的不同，與城市汙水汙泥相比，更有利於汙泥炭的催化劑和吸附劑製備。本團隊利用焦化廢水工程產生的汙泥製備汙泥炭吸附劑，再投加到工業廢水中汙染物的吸附，實現了汙泥的資源化短程迴圈回用，所製備的汙泥活性炭，與原煤製備的活性炭相比，在吸附容量上相差不大，表現了較高的COD去除能力以及很好的節能效果。
無害化的本質是水溶液性質的轉變，6類水的過渡是實現無害化的必要途徑。汙廢水無害化的目標應取決於受納水體，物件不同，執行的標準不盡相同。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；按照生態型別，可劃分為水源地、溼地、森林、草原、沙漠等；按照行業，可劃分為生活用水、漁業養殖、農業灌溉、工業生產用水等；按照用途，可劃分為生活用水、原料生產用水、產品處理用水、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、生產活動用水等。
從水溶液性質的角度看，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。可見，純淨水不是水處理的唯一目標，因時和因地制宜，實現經濟可行且技術合理的無害化過程。進一步而言，水工業不僅僅是水處理的整合，更在於大自然的調控；水技術不僅僅是水工藝，更在於大自然的工藝。作為生命之源的水，取之於自然，必將靠攏自然，最終迴歸於自然。在工業水回用、農業水回用、生活水回用以及生態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、營養物、礦物質、微生物等的環境再分配。這樣的考慮拓寬了水汙染控制的工藝邊界。
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、經濟與社會目標的結合。技術目標包括行業標準、環境標準、生態標準、可持續標準、迴圈標準等；經濟目標包括能耗物耗、人力消耗、佔地消耗、資源可持續性等；社會目標包括科學技術影響力、人才教育促進、公平的財務過程與費用承擔、人與自然和諧共生等。其中，綠色、低碳、迴圈將成為水處理工藝的共性目標。
3. 整合最佳化與生態反饋
未來水工業的發展將趨向於整合工業、智慧控制與自主反饋的數字化控制中。將水汙染控制的主體、目標、物件、方法、模式、工具、條件整合為統一的系統，稱之為整合的系統。最佳化則考慮多目標、多假設、多條件、多約束中的趨向性決策。結合系統整合與最佳化目標，廢水處理工藝需要考慮規模效應、水質分質分類、化合物性質互補、智慧化設計與大資料管理、產業結構升級引導以及產業型別選擇與判斷，在高階科技產業、裝置裝備、系統控制、藥劑材料和社會基礎等方面，要求更為良好的生態反饋。
整合最佳化的目的是使水工業形成一個整體系統，是基於水溶液性質、調控水質類別、最小化物料消耗與能源消耗的集合。基於汙廢水的直接利用、迴圈再利用、再生再利用、再生再迴圈再利用，透過水工業之間整體調控，水工業系統實現低投入、低產出，甚至可能實現零投入與零排放。整合最佳化的難點及關鍵在於不同類別水及水的副產品之間的反饋與負反饋，這些反饋的協同調控促進水工業的動態平衡。流域與工業、生產與生態、汙水與汙泥、產品與廢棄物、受納體與點/線/面汙染源、上游與下游、純水—純淨水—地表(下)水—汙水—工業廢水—廢液的相互轉化、水—經濟—社會—可持續生態的博弈，從水質化學的基本原理出發，根據水溶液性質和水的功能歸宿，尋求人類可以遵循的水流運動與水質轉化的自然規律，真正地實現生態目標。
05、結語
基於多種認識，從原理尺度、經濟運載、能量密度、多級利用等方面提高水的資訊當量，體現城市—農村—企業—家庭的水價值觀的多重性，以工業園、規模農場為示範，追求生態多樣性，充分認識水溶液性質的特徵和作用，實現水利工程與水質工程的結合，發揮水文化與水經濟的互益理念，成為未來水工業的發展方向。水的擴散，從天然水體到農村的土地園林，透過動力流或重力流進入城市，再次分配到企業與家庭，使用者成為最終的受體，包括動植物與產品，執行了為人類服務的目的。然後，承載了能量與熱量的汙廢水再回到大自然，這個過程實現了熵增/減的物質—能量—電子等資訊的交換。特別指出，溶液性質的概念在純水—純淨水—地表水—汙水—工業廢水—廢液的自然作用與逆向有序作用過程中，結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的離子化合物，預測和防治地表水中鹽分持續積累的環境演變，對於構造水環境與生態平衡，控制水質變化向有利於工業、農業等經濟與生態過程的反饋，實現難降解工業廢水迴圈利用的梯級調控等方面，將發揮重要作用。
有毒/難降解工業廢水的重要特徵表現為水質來源多樣、化學組成複雜、危害與價值共存、多受體複合汙染、化學反應性不確定等，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、微汙染物分離去除等，很顯然，目標的多樣性造成了水處理工藝功能組合的複雜性，這就是複雜工業廢水處理工程造價和執行費用高的根本原因。對此，基於水溶液性質改變的梯度控制，可以成為水工業迴圈驅動與工藝原理耦合的科學基礎。
在水溶液性質資訊群論引導下，我們必須把水處理工藝置之於水工業全鏈條上，把水工業放到全球生態尺度上，認識水的未來價值。人們對水溶液性質的理解還需要藉助於多學科如物理、化學、生物、量子等新知識的結合，特別是元素及其化合物的轉化/轉移如何受到物理環境與生物/微生物種類的約束，其過程資訊的多樣性發現以及定量化資訊及其掌握，成為未來水汙染控制工藝的理論基礎。藉助於水溶液性質在6類水體之間的相向(正向與逆向)轉變，追求其連續性的理解，成為構建水源保護—給水工程—汙水處理—工業廢水汙染控制—汙泥迴圈利用—氣相汙染物削減與碳減排協同—物質地球化學迴圈與生態可持續發展的系統整合工藝理念框架，表明無邊界約束的水溶液性質與水質轉化的工藝理論之間存在更大的契合度，基於這種理解，才能夠真正地拓展水的利用與水的保護之間的科學理解與技術創新。
結合水利—水量—水質—水文—水產等不同價值尺度支援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：水的新功能發現與用途開發，水溶液的資訊密度與能量表達，水體富營養化的多因素識別與預測，水迴圈對全球經濟的承載能力限度，水工業背後的碳減排與碳中和可能新興產業，社會可持續發展的水生態環境，氣候影響水質演變的未來預測包括對生物/生命多樣性的影響等。由此認為，水工業革命的到來必將迎來一系列相關學科的發展作為內在動力，人類的認識還需要站在更高的高度上重塑人水關係，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”。
來源：韋朝海,關翔鴻,韋景悅,李澤敏,韋託,陳啊聰.水溶液性質與水汙染控制工藝相互作用的重要性[J].環境工程.
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