水溶液性質與水污染控制工藝相互作用的重要性

2022-08-15 14:35:12 0 雙良環(huán)境

　　自然演化、人類活動、科學發(fā)展角度分析污廢水的產生機制及其對天然水體溶液性質的影響，發(fā)現(xiàn)人類遷徙的城鎮(zhèn)化以及工農業(yè)生產的效率約束導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污染方向的功能轉化，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地球循環(huán)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，集合溶液性質與污廢水處理工藝原理之間的對應關系及其技術應用將構成更加完備和潛在的水工業(yè)，所提出的水溶液性質概念同樣適用于給水與純凈水的生產與管理。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的基礎上，需要把產品資源回收、性質互補利用、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，同時要求全過程產生低的二次污染如碳排放等。基于水溶液性質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邊界。水污染控制與水環(huán)境保護相結合的水工業(yè)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、循環(huán)等生態(tài)目標的響應，即生活、生產、生態(tài)“三位一體”的協(xié)調發(fā)展。

人類遷徙活動的城鎮(zhèn)化

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　　人類由農耕社會進入工業(yè)社會，經歷了逾千年的歷史，環(huán)境問題的形成與解決融合在大自然中。人類古代出現(xiàn)了一些相對的大中型城市，聚集的人口也形成一定規(guī)模，生產總值主要依附于農業(yè)產品及其貿易，不會帶來實質性的環(huán)境問題。距離現(xiàn)在的100~300年，隨著蒸汽機的發(fā)明，煤炭和石油等高能量密度能源的大量開采與應用，機械、交通、建筑等工業(yè)的興起，以及集約生產過程的工業(yè)化，由此推進了全世界的城鎮(zhèn)化發(fā)展，卻同時誘導了環(huán)境污染事件的發(fā)生，如1952年的英國倫敦煙霧事件，1955年的美國洛杉磯灰霾事件，還有日本的水俁病，成為工業(yè)革命引發(fā)重大環(huán)境事件的初期暴露。隨著工業(yè)化的發(fā)展，人類往城鎮(zhèn)遷徙以追求更高的生產效率和向往更加美好便利的生活，百萬、千萬級人口的城市陸續(xù)出現(xiàn)。在我國，近40年的改革開放帶來了城鄉(xiāng)格局的巨大變化，目前全國人口的60%左右居住在城鎮(zhèn)里(城市化率63.9%，2020年第七次人口普查)，構成了城市生活污水與工業(yè)廢水大量產生和排放的格局。自然環(huán)境容量及其凈化已經讓位于各種強化型的污染控制技術，取水受到徑流量的約束，排水受到接納水體的限制。城鎮(zhèn)污水的收集系統(tǒng)、水源熱泵、泥水共治、場地資源、工藝優(yōu)化、安全循環(huán)等將是污染控制有前途的集成發(fā)展方向，可見，污廢水的產生將如何進一步影響未來的信息化社會與人們對更高生活質量的追求，即人類更加集聚的遷徙活動可能在多大程度上依賴于水處理工藝與技術的創(chuàng)新，依賴于水工業(yè)的進步，這些都值得我們深入思考與用心探測。

工農業(yè)生產追求高產量與高產率

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　　生產效率的提高依賴于科技進步與管理水平。原材料/反應物的轉化率不高、產品分離提純技術落后、中間產物種類多、生產工序復雜與工藝流程長、能耗水耗單位比值高等，這些依賴于技術與管理的生產效率決定了污廢水的產生量/負荷及其環(huán)境危害程度。生產要素集約化與過程集成化、產業(yè)鏈構建與規(guī)?；?、清潔生產與循環(huán)利用、性能品質提高與節(jié)約消費等構成了系統(tǒng)的管理與規(guī)劃，結合水價與排污管理，能夠實現(xiàn)污廢水的排放量控制，提高水的經濟運載能力。我國目前噸鋼生產的平均用水量約為15 m3/t ，仍然是世界清潔生產先進水平(3.5 m3/t)的4~5倍，單位GDP的耗水量約為66 m3/萬元，是日本的2.4倍。這些數據也表達了目前我國工農業(yè)生產的源頭技術有待技改升級，各個地區(qū)不同工業(yè)園區(qū)，應結合自身特色和政策要求進行高效率的規(guī)劃和整合?？偠灾?，提高生產效率是減排之首，是碳中和的前提與基礎。

元素化合物的多樣性

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　　目前無法統(tǒng)計，人類應用于生產的元素種類在元素周期表中總量的占比。而且，基于元素價態(tài)、化合物形態(tài)、化學鍵的種類，可排列組合的化合物物種正在以無窮級數增長，加上催化學科的發(fā)展，使得人工合成的有機物如染料、藥物、塑料、阻燃劑等不計其數，人類已經無法駕馭進入環(huán)境中污染物的種類和數量，再加上地下礦產資源開采、光合作用天然植物/作物的生長、地球化學/生物化學變化等引發(fā)的物種/污染物，構成了人類未來面對的污染物黑洞世界。因此，元素化合物的多樣性會促進人類思考更加先進的污染控制工藝理論與先進技術。對此，應該追求性質歸納的歸一化原理如BOD、COD、TOC、DOM、TDS、綜合毒性等的研究與發(fā)現(xiàn)。

水質的梯度分類

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　　我們依據自然與人類干預的原理把水質變化分為6類：純水、純凈水、地表(下)水、污水、工業(yè)廢水及廢液。其中，純水的性質最為活躍，具有很強的化學反應活性，水合與水解作用最為常見，純水對生命體是有傷害的，需要通過溶液機制加以消除;純凈水主要包含未受任何污染的水源水、過濾水、礦泉水、膜分離水、離子交換水、蒸餾水、毛細水、滲透水等，可直接用于生產與生活，對人類健康的影響最為直接;地表(下)水包括江河湖海中的水體、地下滲流(地下河)、冰雹雨雪以及沼澤溪流等全部的儲水與徑流，構成水環(huán)境的主體，是純凈水的源泉;污水包括城鎮(zhèn)生活排放、農村農業(yè)排放、養(yǎng)殖行業(yè)排放、酒樓賓館產生以及初期雨水等構成的來源，以營養(yǎng)物和有機物含量為主的水質特征，其處理以去除營養(yǎng)物最為主要目標;工業(yè)廢水非常廣義，顧名思義，所有工業(yè)行業(yè)排放的用完水都可成為工業(yè)廢水，包括企業(yè)、產業(yè)、加工服務業(yè)、礦山、工程、地質、鹽分離等的排水，具有無機或有機的物質性質分類，濃度上存在痕—微—低—中—高的量級別差異，環(huán)境效應表現(xiàn)為無毒、低毒、有毒、高毒等特征，工業(yè)廢水往往表現(xiàn)出復合污染的特征;廢液是指酸堿性很高的廢酸和廢堿，或者其中的COD濃度含量很高如超過30000 mg/L的液料，其熱過程具有燃燒的能量自持作用，以垃圾滲濾液、酒糟醪液、造紙黑液、發(fā)酵分離母液等為代表，從屬性上識別，飲料、酒類、醬油、牛奶、化妝品、切削液、油污等均屬于廢液的范疇。圖1表征了6類水/水體的性質連續(xù)性與行業(yè)表現(xiàn)。由物質轉移構成的污染特征包括：自發(fā)的過程，熵增過程，不可逆過程，自由能下降的過程，內能變化的過程，有序性下降的過程，毒性變化過程，反應活性與惰性歸趨的熱力學穩(wěn)定體系等。以COD為0，3，30，300，3000，30000 mg/L為界限值，粗略劃分以上6類水/水體，并不追求嚴格的濃度邊界，其他性質指標更加豐富。例如，酒類蘊含的理論COD應該大于30000 mg/L，但是我們很少認為酒類屬于廢液，這就需要具體分析所含物質的化合物組成以及單位時間內所消耗的濃度是否構成對身體的傷害，還取決于人體的自我凈化能力。水質毒性等于濃度與化合物種類的加權作用，其中可能存在各種化學與生物化學的機制。濃度梯度之間的轉化伴隨著集成性質的漸變即數學上的連續(xù)性，但是，在水溶液性質的判定過程中，單純地觀察濃度的數字大小其意義并不大，需要結合性質群集(濃度、毒性、轉化/分解速率等)加以綜合分析與判斷。