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（上）

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(fēng)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?；谒芤盒再|(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 污染的產(chǎn)生機制與環(huán)境演化

1. 人類遷徙活動的城鎮(zhèn)化

人類由農(nóng)耕社會進入工業(yè)社會，經(jīng)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(chǎn)總值主要依附于農(nóng)業(yè)產(chǎn)品及其貿(mào)易，不會帶來實質(zhì)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(yīng)用，機械、交通、建筑等工業(yè)的興起，以及集約生產(chǎn)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(dǎo)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(chǎn)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(gòu)成了城市生活污水與工業(yè)廢水大量產(chǎn)生和排放的格局。自然環(huán)境容量及其凈化已經(jīng)讓位于各種強化型的污染控制技術(shù)，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(chǎn)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(zhì)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(shù)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。

2. 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)追求高產(chǎn)量與高產(chǎn)率

生產(chǎn)效率的提高依賴于科技進步與管理水平。原材料/反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率不高、產(chǎn)品分離提純技術(shù)落后、中間產(chǎn)物種類多、生產(chǎn)工序復(fù)雜與工藝流程長、能耗水耗單位比值高等，這些依賴于技術(shù)與管理的生產(chǎn)效率決定了污廢水的產(chǎn)生量/負荷及其環(huán)境危害程度。生產(chǎn)要素集約化與過程集成化、產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建與規(guī)?；⑶鍧嵣a(chǎn)與循環(huán)利用、性能品質(zhì)提高與節(jié)約消費等構(gòu)成了系統(tǒng)的管理與規(guī)劃，結(jié)合水價與排污管理，能夠?qū)崿F(xiàn)污廢水的排放量控制，提高水的經(jīng)濟運載能力。我國目前噸鋼生產(chǎn)的平均用水量約為15 m3/t ，仍然是世界清潔生產(chǎn)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(shù)據(jù)也表達了目前我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的源頭技術(shù)有待技改升級，各個地區(qū)不同工業(yè)園區(qū)，應(yīng)結(jié)合自身特色和政策要求進行高效率的規(guī)劃和整合。總而言之，提高生產(chǎn)效率是減排之首，是碳中和的前提與基礎(chǔ)。

3. 元素化合物的多樣性

目前無法統(tǒng)計，人類應(yīng)用于生產(chǎn)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(xué)鍵的種類，可排列組合的化合物物種正在以無窮級數(shù)增長，加上催化學(xué)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(shù)，人類已經(jīng)無法駕馭進入環(huán)境中污染物的種類和數(shù)量，再加上地下礦產(chǎn)資源開采、光合作用天然植物/作物的生長、地球化學(xué)/生物化學(xué)變化等引發(fā)的物種/污染物，構(gòu)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(shù)。對此，應(yīng)該追求性質(zhì)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)。

4. 水質(zhì)的梯度分類

我們依據(jù)自然與人類干預(yù)的原理把水質(zhì)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(zhì)最為活躍，具有很強的化學(xué)反應(yīng)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(chǎn)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(gòu)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(nóng)村農(nóng)業(yè)排放、養(yǎng)殖行業(yè)排放、酒樓賓館產(chǎn)生以及初期雨水等構(gòu)成的來源，以營養(yǎng)物和有機物含量為主的水質(zhì)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(chǎn)業(yè)、加工服務(wù)業(yè)、礦山、工程、地質(zhì)、鹽分離等的排水，具有無機或有機的物質(zhì)性質(zhì)分類，濃度上存在痕―微―低―中―高的量級別差異，環(huán)境效應(yīng)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(fù)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(zhì)連續(xù)性與行業(yè)表現(xiàn)。由物質(zhì)轉(zhuǎn)移構(gòu)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(nèi)能變化的過程，有序性下降的過程，毒性變化過程，反應(yīng)活性與惰性歸趨的熱力學(xué)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(zhì)指標更加豐富。例如，酒類蘊含的理論COD應(yīng)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(zhì)的化合物組成以及單位時間內(nèi)所消耗的濃度是否構(gòu)成對身體的傷害，還取決于人體的自我凈化能力。水質(zhì)毒性等于濃度與化合物種類的加權(quán)作用，其中可能存在各種化學(xué)與生物化學(xué)的機制。濃度梯度之間的轉(zhuǎn)化伴隨著集成性質(zhì)的漸變即數(shù)學(xué)上的連續(xù)性，但是，在水溶液性質(zhì)的判定過程中，單純地觀察濃度的數(shù)字大小其意義并不大，需要結(jié)合性質(zhì)群集(濃度、毒性、轉(zhuǎn)化/分解速率等)加以綜合分析與判斷。

圖1 國家標準、主要河流地表水、常見生活污水、工業(yè)廢水、工業(yè)廢液的濃度區(qū)間分布

02 水溶液性質(zhì)

1. 污染的水質(zhì)指標與控制標準

COD和BOD的發(fā)現(xiàn)與定義在約100年前就已經(jīng)形成，其實，BOD先于COD，也更貼近自然，但5天的檢測時間過于耗時且不能代表全部的有機物總量，無法及時指導(dǎo)實際工程應(yīng)用，使得實際工作中更傾向于采用COD作為工藝調(diào)控的指導(dǎo)依據(jù)。這樣的指標歸納法或歸一化非常實用而被推廣，如TOC、TDS、DOM、TON等，化學(xué)家希望從分解的過程觀察物質(zhì)/污染物的結(jié)構(gòu)和組成，而化工/工程專家希望通過歸納的觀點來控制變化的過程。所以，水污染控制的指標經(jīng)歷了常見、罕見、常量、微量、痕量以及集合量等的認識演變和應(yīng)用發(fā)展，其影響因素包括人們對物質(zhì)世界的認識能力，對污染行為的理解深度，對分析檢測方法的準確性和可靠性進步，對目標控制的精度需求，以及對未來的演變/推理預(yù)測等，表現(xiàn)出邏輯支持關(guān)系的發(fā)展，即思維創(chuàng)新需要借助于新手段的證明。通過改善水質(zhì)提高水環(huán)境質(zhì)量，污染源控制是根本。由此衍生了很多行業(yè)控制標準。我國的工業(yè)體系既承傳歷史，又交織現(xiàn)代，還接納了國際來源，意味著排放的污染物種類繁多。

常見污染物如構(gòu)成pH值變化的酸或堿，構(gòu)成COD/BOD的含碳有機物，構(gòu)成水體富營養(yǎng)化的氮磷硫鉀等化合物；罕見污染物主要來源于人工合成的新污染物，新的化學(xué)鍵構(gòu)成組分和帶來新的環(huán)境效應(yīng)，具有積累性、持久性、可遷移性、誘導(dǎo)變異與復(fù)合生態(tài)效應(yīng)等的性質(zhì)，如持久性有機污染物(POPs)、內(nèi)分泌干擾物(EDCs)、藥品與個人護理用品(PPCPs)、微塑料等的多樣的環(huán)境機制；不同性質(zhì)類型的污染物在水環(huán)境中出現(xiàn)的濃度可以表現(xiàn)為超量、常量、微量、痕量和低于檢出量，取決于污染物的理化特性、環(huán)境作用與分析技術(shù)水平；人們對集合量的認識源于性質(zhì)的分類與管理的需要，其實，沒有固定的邊界；當有機污染物、重金屬、微生物共存構(gòu)成復(fù)合污染時，所產(chǎn)生的綜合環(huán)境效應(yīng)可能具有放大作用，表現(xiàn)出聯(lián)合毒性。因此，在地表水基準、污水排放標準、行業(yè)廢水排放標準、總量控制標準以及新污染物標準之間，還需要毒性效應(yīng)或環(huán)境閾值作為橋梁。

2. 水溶液性質(zhì)及其表征

2.1 溶液性質(zhì)的群論預(yù)測。

“群”是物體對稱性的精確度量，“群論”是研究對稱性的一個數(shù)學(xué)學(xué)科?！皩ΨQ性”出現(xiàn)在世間萬物中，它維持著自然界的平衡和穩(wěn)定，表現(xiàn)出高度對稱性的物體具有簡潔優(yōu)美的性質(zhì)，在人類理解世界的活動過程中起到了至關(guān)重要的作用。群論在數(shù)學(xué)的各個分支中是一種基本語言和工具，在物理、化學(xué)等自然科學(xué)中都有重要應(yīng)用。水圈是自然界物質(zhì)溝通的紐帶，水的溶液性質(zhì)或稱水溶液性質(zhì)表現(xiàn)出廣泛的功能性、物質(zhì)的復(fù)雜性、對象的多樣性以及功能的未知性等方面的結(jié)合。非常需要使用簡潔的數(shù)學(xué)語言來歸納水體的宏觀性質(zhì)，群論的引入能夠完美地解決這一問題。比如，水中陰陽離子平衡、可逆的吸熱與放熱、反應(yīng)方程式的配平即物質(zhì)守恒、得失電子數(shù)相等，物質(zhì)的不滅、轉(zhuǎn)化與歸趨等，充分演繹了水質(zhì)轉(zhuǎn)變過程中的性質(zhì)集合理論。

水溶液性質(zhì)可分為能量、元素和分散系三個空間，物質(zhì)是空間中的向量，性質(zhì)是空間中的維度(平面)。一方面，水溶液性質(zhì)是可以編輯的，向量在不同維度可以進行加法、點乘、叉乘、交集等運算操作用以表達加和關(guān)系、協(xié)同關(guān)系、因果關(guān)系和分支關(guān)系等；另一方面，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)和性質(zhì)在能量、元素和分散體系中的閾值并不連續(xù)，大量的物質(zhì)和性質(zhì)沒有發(fā)現(xiàn)或者尚未被命名，這些未知領(lǐng)域會在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展后被發(fā)現(xiàn)，表現(xiàn)出可發(fā)展性。

2.2能量起源。

地球從內(nèi)到外分別由巖石圈、水圈、生物圈和大氣圈組成，向心元素如Mg、Cr、Fe、Co、Ni、Cu等和大部分重金屬傾向于分布在巖石圈中，離心元素如N、C、O、H、Cl、I和稀有氣體元素等傾向于分布在大氣圈中，屬于地球化學(xué)的正搬運作用。能量物質(zhì)是由自然界的元素通過吸收能量，進行逆搬運后產(chǎn)生，如鹽類物質(zhì)通過蒸騰作用進入大氣環(huán)境，聚磷菌消耗碳源而富集ATP（三磷酸腺苷酶，生物轉(zhuǎn)化的能量標記物），植物通過光合作用進行固碳作用，以及合成氨工業(yè)等，都是促成向心元素向氣相、水相、生物相的轉(zhuǎn)化或遷移，也將離心元素固定在生物相或沉積相中。正搬運作用主要遵從熱力學(xué)平衡，逆搬運作用主要服從動力學(xué)平衡，地球上的物質(zhì)循環(huán)時呈現(xiàn)出2種平衡的統(tǒng)一。能量物質(zhì)伴隨著搬運作用而產(chǎn)生，是元素進行地球化學(xué)循環(huán)的重要一環(huán)。水圈中的能量物質(zhì)的種類包含有機物(COD/BOD/TOC)、含氮化合物、含硫化合物及其他元素的位置和移動所產(chǎn)生的動能、勢能、鍵能和化合能。

水溶液中的能量物質(zhì)與系統(tǒng)外的光能、地熱能等引發(fā)了不同形式的能量交換，從微觀角度分析可分為2種，一種是圍繞原子核的變化，往往引起了元素間的物理變化，如沉降、結(jié)晶、沉淀、成礦、沉積、相變、凝固、共沸、吸附、衰變、滲透、表面張力等，能量密度從高到低蘊含了原子能、晶格能、內(nèi)能、勢能、電磁能、氫鍵、電場、范德華力等的作用。另一種是電子的遷移，引起了元素的光化學(xué)或物理化學(xué)變化，能量密度的不同能級吸收或釋放，從γ射線到微波的不同波長的光波，以溶解、氧化、還原、絡(luò)合、螯合、自由基、離子共價鍵的形式形成的化學(xué)反應(yīng)，能量密度相對集中在0.13~17.4 MJ/kg區(qū)間內(nèi)。驅(qū)動水體自凈作用，被認為是能量作用下的溶液性質(zhì)各種因素集合的群集變化，需要借助于群論加以描述。

2.3 物質(zhì)屬性。

1）基于水-生物作用定義的物質(zhì)和性質(zhì)。

營養(yǎng)物質(zhì)指代了生物相和水相的交換部分，親和力由強到弱，可劃分成三類：親生物元素的碳、氫、氧、氮、磷、鉀等構(gòu)成了生物體內(nèi)的大量元素；弱親生物元素如鈣、鎂、硫、氯、硅等構(gòu)成了中量元素；非親生物元素如鐵、銅、鋅、錳、硼、鉬、硒等構(gòu)成了微量元素。人類活動所產(chǎn)生的微污染物如持久性有機污染物(POPs)、藥物和個人護理品(PPCPs)、內(nèi)分泌干擾物(EDCs)、全氟化合物(PFCs)、溴代阻燃劑(BRPs)、多溴聯(lián)苯醚(PBDEs)、飲用水消毒副產(chǎn)物、抗生素、農(nóng)藥、染料、納米顆粒、微塑料、興奮劑以及毒品等，微生物屬于生物相中數(shù)量最大的種群(大腸桿菌、酸化菌、氨化菌、硝化菌、反硝化菌、厭氧氨氧化菌、硫還原菌、聚磷菌、病毒、基因等)，這2組物質(zhì)也在水―生物作用維度上受到廣泛討論。

基于利于和不利于生物量的積累，通常采用營養(yǎng)化和毒性指標來指代。營養(yǎng)化的研究對象包括光合/呼吸作用的強度比、藻類生產(chǎn)潛力、富營養(yǎng)化潛力等要素；毒性指標包括一般毒性(急性毒性、亞慢性和慢性毒性、蓄積毒性、局部毒性)和特殊毒性(致癌毒性、致突變毒性、生殖、發(fā)育和遺傳毒性)等。它們通過溶液性質(zhì)建立相關(guān)作用。

2）基于水―沉積物作用定義的物質(zhì)和性質(zhì)。

強向心元素有較高的密度和較大的原子序數(shù)，大部分強向心元素容易失去最外層電子從而表現(xiàn)出金屬性，這類元素有較高的電場密度而導(dǎo)致其有較高的電離能壘，表現(xiàn)出顯著的憎水性，把這類元素稱為重金屬。從宏觀上看，重金屬元素的密度＞ 4.5 g/cm3，雖然部分元素(如Cd、Cu等)出現(xiàn)類營養(yǎng)物質(zhì)的理化性質(zhì)而表現(xiàn)出一定的生化性。另一部分元素(如Hg、Pb等)則容易揮發(fā)至大氣中而表現(xiàn)出一定的親氣性，但大部分元素傾向于沉積。強離心元素包括堿金屬、堿土金屬、鹵素和其他低原子序數(shù)的元素，具有較低的電場密度和較低的電離能壘，有著良好的極化性，一些離子如SO42-、NO3-在結(jié)構(gòu)上同樣擁有強離心元素的微觀結(jié)構(gòu)，這些受電離作用影響的物質(zhì)被稱之為鹽分或鹽溶液。

固體結(jié)合態(tài)的物質(zhì)(如晶態(tài))通過電離作用進入水體，電離過程中的水合作用在吸收或釋放質(zhì)子的過程中表現(xiàn)出酸堿性。電導(dǎo)率是衡量這種電子轉(zhuǎn)移難易程度的量綱。物質(zhì)的向心與離心運動影響水―沉積物之間的化學(xué)平衡，產(chǎn)生水解、結(jié)晶、沉淀、絡(luò)合、成礦、沉積、氧化還原等現(xiàn)象，如絡(luò)合和螯合作用降低了電荷密度從而改善了重金屬離子的電離能力，同時增強了化合物的極化能力，造成沸點的上升，此過程表現(xiàn)為元素的向心和離心作用的相互抵消。這樣，陰陽離子的結(jié)合因原子構(gòu)型、電荷密度和極化能力的相互搭配，便形成了軟硬酸堿理論。

3）基于水―氣作用定義的物質(zhì)和性質(zhì)。

由于大氣圈和水圈有氣體分壓的存在，在水圈上部氧化環(huán)境下存在CO2、O2、O3等氣體，在下部還原環(huán)境下存在H2、H2S、NH3、CH4等氣體，統(tǒng)稱為溶解性氣體。溶氣與脫氣的過程普遍存在于化工、能源與環(huán)境的工程技術(shù)應(yīng)用中，水溶液性質(zhì)影響離心元素及其化合物的平衡與歸趨。溶解性氣體主要由離心元素(C、N、O、S)構(gòu)成，通常為有機物或營養(yǎng)物質(zhì)，它們影響水系統(tǒng)中的微生物種群。部分溶解性氣體(如O2)的逸度影響水體中元素在各相中的分配系數(shù)。水氣界面作用還影響水體表面元素的分配和平衡，產(chǎn)生表面自由基，有助于實現(xiàn)水體自凈作用。

2.4分散系

物質(zhì)在溶液中的分散包括濃度范圍和團聚物大小兩個維度。根據(jù)從低到高的濃度范圍首先分為稀溶液體系和濃溶液體系。在稀溶液體系下，物質(zhì)以溶質(zhì)―溶液的相互作用為主，主要服從亨利定律和能斯特定律分配，隨著濃度的增大，亨利分配作用逐步減弱，溶質(zhì)間的相互作用和系統(tǒng)的熵在不斷增加；隨著溶質(zhì)逐步成為系統(tǒng)中的主要物質(zhì)(濃溶液體系)，其他組分再度服從亨利分配作用，系統(tǒng)逐步走向單一，熵值不斷下降。密度的概念是相對的，微污染物和水體中的無機鹽在水中的濃度當量有顯著區(qū)別。然后，根據(jù)團聚物的大小，系統(tǒng)可分為溶液、膠體、乳濁液、懸濁液四類和介穩(wěn)體系，根據(jù)對光的阻礙程度區(qū)分分散體系并定義出濁度。我們把集合的溶液性質(zhì)在各種維度上的相關(guān)關(guān)系歸納到圖2中。

圖2 群論描述的溶液性質(zhì)：各群在能量、物質(zhì)、分散維度上的相關(guān)關(guān)系

3.性質(zhì)集合的初步定義

把水溶液性質(zhì)的特征及其初步定義集合于表1。性質(zhì)分類需要通過密度泛函、群論、能量密度、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等來理解，加強相互作用與類別轉(zhuǎn)換共性表達方面的分析，其評價包括濃度法、權(quán)重法、毒性法、模型法等。能量物質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)等15類溶液性質(zhì)的泛定義可能不適合于所有的對象，比如，對人類和動植物會有差別?；诳茖W(xué)的發(fā)展，性質(zhì)種類可以進一步拓展，性質(zhì)特征可以不斷地被發(fā)現(xiàn)，據(jù)此豐富我們對水循環(huán)的原理發(fā)現(xiàn)與水污染控制的技術(shù)空間。可以認為，水工業(yè)的未來是沒有邊界的。

表1 水溶液性質(zhì)特征及其定義