韋朝海教授：水溶液性質(zhì)與水污染控制工藝相互作用的重要性（上）

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(dá)到817億噸)，約占用水量的15%(2018年為13.6 %)，達(dá)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(bǔ)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(jì)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(yán)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(dá)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(gè)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(rèn)識(shí)水的經(jīng)濟(jì)當(dāng)量意義及其在實(shí)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(duì)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(biāo)服務(wù)；全過程的保護(hù)、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(duì)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(duì)象、多目標(biāo)需求的社會(huì)經(jīng)濟(jì)行為。這樣，在認(rèn)識(shí)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(gè)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(chǔ)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(duì)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(jī)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(duì)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(jì)效率、生活質(zhì)量等相關(guān)的科學(xué)與技術(shù)目標(biāo)的規(guī)劃。

摘 要

從自然演化、人類活動(dòng)、科學(xué)發(fā)展角度分析污廢水的產(chǎn)生機(jī)制及其對(duì)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(dòng)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(yùn)站的原理機(jī)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(duì)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(duì)有毒/難降解的工業(yè)有機(jī)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(bǔ)利用、水量循環(huán)機(jī)制作為共性目標(biāo)，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(xiǎn)歸趨作為污染控制工藝選擇的依據(jù)，同時(shí)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?yán)碚撆c技術(shù)邊界。水污染控制與水環(huán)境保護(hù)相結(jié)合的水工業(yè)全過程追求技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)目標(biāo)的一致，爭(zhēng)取得到綠色、低碳、循環(huán)等生態(tài)目標(biāo)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(jī)制與環(huán)境演化

1. 人類遷徙活動(dòng)的城鎮(zhèn)化

人類由農(nóng)耕社會(huì)進(jìn)入工業(yè)社會(huì)，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(duì)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(huì)帶來實(shí)質(zhì)性的環(huán)境問題。距離現(xiàn)在的100~300年，隨著蒸汽機(jī)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(jī)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(jìn)了全世界的城鎮(zhèn)化發(fā)展，卻同時(shí)誘導(dǎo)了環(huán)境污染事件的發(fā)生，如1952年的英國倫敦?zé)熿F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(jí)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(qiáng)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(chǎng)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(jìn)一步影響未來的信息化社會(huì)與人們對(duì)更高生活質(zhì)量的追求，即人類更加集聚的遷徙活動(dòng)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(jìn)步，這些都值得我們深入思考與用心探測(cè)。

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(jìn)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(zhǎng)、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(fù)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)模化、清潔生產(chǎn)與循環(huán)利用、性能品質(zhì)提高與節(jié)約消費(fèi)等構(gòu)成了系統(tǒng)的管理與規(guī)劃，結(jié)合水價(jià)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(jì)運(yùn)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(jìn)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(dá)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(jí)，各個(gè)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(jìn)行高效率的規(guī)劃和整合?？偠灾?，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(jì)，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(jià)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(jí)數(shù)增長(zhǎng)，加上催化學(xué)科的發(fā)展，使得人工合成的有機(jī)物如染料、藥物、塑料、阻燃劑等不計(jì)其數(shù)，人類已經(jīng)無法駕馭進(jìn)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(zhǎng)、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(duì)的污染物黑洞世界。因此，元素化合物的多樣性會(huì)促進(jìn)人類思考更加先進(jìn)的污染控制工藝?yán)碚撆c先進(jìn)技術(shù)。對(duì)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(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)活性，水合與水解作用最為常見，純水對(duì)生命體是有傷害的，需要通過溶液機(jī)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(xì)水、滲透水等，可直接用于生產(chǎn)與生活，對(duì)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(chǔ)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(jī)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(biāo)；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(jī)或有機(jī)的物質(zhì)性質(zhì)分類，濃度上存在痕―微―低―中―高的量級(jí)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(shí)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(yán)格的濃度邊界，其他性質(zhì)指標(biāo)更加豐富。例如，酒類蘊(yùn)含的理論COD應(yīng)該大于30000 mg/L，但是我們很少認(rèn)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(shí)間內(nèi)所消耗的濃度是否構(gòu)成對(duì)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)、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(biāo)與控制標(biāo)準(zhǔn)

COD和BOD的發(fā)現(xiàn)與定義在約100年前就已經(jīng)形成，其實(shí)，BOD先于COD，也更貼近自然，但5天的檢測(cè)時(shí)間過于耗時(shí)且不能代表全部的有機(jī)物總量，無法及時(shí)指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用，使得實(shí)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(biāo)歸納法或歸一化非常實(shí)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(diǎn)來控制變化的過程。所以，水污染控制的指標(biāo)經(jīng)歷了常見、罕見、常量、微量、痕量以及集合量等的認(rèn)識(shí)演變和應(yīng)用發(fā)展，其影響因素包括人們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)能力，對(duì)污染行為的理解深度，對(duì)分析檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)步，對(duì)目標(biāo)控制的精度需求，以及對(duì)未來的演變/推理預(yù)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)。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(jī)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(jī)污染物(POPs)、內(nèi)分泌干擾物(EDCs)、藥品與個(gè)人護(hù)理用品(PPCPs)、微塑料等的多樣的環(huán)境機(jī)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(duì)集合量的認(rèn)識(shí)源于性質(zhì)的分類與管理的需要，其實(shí)，沒有固定的邊界；當(dāng)有機(jī)污染物、重金屬、微生物共存構(gòu)成復(fù)合污染時(shí)，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(zhǔn)、污水排放標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)、總量控制標(biāo)準(zhǔn)以及新污染物標(biāo)準(zhǔn)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(cè)。

“群”是物體對(duì)稱性的精確度量，“群論”是研究對(duì)稱性的一個(gè)數(shù)學(xué)學(xué)科?！皩?duì)稱性”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(duì)稱性的物體具有簡(jiǎn)潔優(yōu)美的性質(zhì)，在人類理解世界的活動(dòng)過程中起到了至關(guān)重要的作用。群論在數(shù)學(xué)的各個(gè)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(duì)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(jiǎn)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(gè)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(jìn)行加法、點(diǎn)乘、叉乘、交集等運(yùn)算操作用以表達(dá)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(huì)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(yùn)作用。能量物質(zhì)是由自然界的元素通過吸收能量，進(jìn)行逆搬運(yùn)后產(chǎn)生，如鹽類物質(zhì)通過蒸騰作用進(jìn)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(biāo)記物），植物通過光合作用進(jìn)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(yùn)作用主要遵從熱力學(xué)平衡，逆搬運(yùn)作用主要服從動(dòng)力學(xué)平衡，地球上的物質(zhì)循環(huán)時(shí)呈現(xiàn)出2種平衡的統(tǒng)一。能量物質(zhì)伴隨著搬運(yùn)作用而產(chǎn)生，是元素進(jìn)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(jī)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(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能、勢(shì)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?zé)崮艿纫l(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(yùn)含了原子能、晶格能、內(nèi)能、勢(shì)能、電磁能、氫鍵、電場(chǎng)、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(jí)吸收或釋放，從γ射線到微波的不同波長(zhǎng)的光波，以溶解、氧化、還原、絡(luò)合、螯合、自由基、離子共價(jià)鍵的形式形成的化學(xué)反應(yīng)，能量密度相對(duì)集中在0.13~17.4 MJ/kg區(qū)間內(nèi)。驅(qū)動(dòng)水體自凈作用，被認(rèn)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(qiáng)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(dòng)所產(chǎn)生的微污染物如持久性有機(jī)污染物(POPs)、藥物和個(gè)人護(hù)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(biāo)來指代。營養(yǎng)化的研究對(duì)象包括光合/呼吸作用的強(qiáng)度比、藻類生產(chǎn)潛力、富營養(yǎng)化潛力等要素；毒性指標(biāo)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(qiáng)向心元素有較高的密度和較大的原子序數(shù)，大部分強(qiáng)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(chǎng)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(qiáng)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(chǎng)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(qiáng)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(jìn)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(yùn)動(dòng)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(shí)增強(qiáng)了化合物的極化能力，造成沸點(diǎn)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(jī)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(shí)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(tuán)聚物大小兩個(gè)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(duì)的，微污染物和水體中的無機(jī)鹽在水中的濃度當(dāng)量有顯著區(qū)別。然后，根據(jù)團(tuán)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(duì)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(qiáng)相互作用與類別轉(zhuǎn)換共性表達(dá)方面的分析，其評(píng)價(jià)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(duì)象，比如，對(duì)人類和動(dòng)植物會(huì)有差別?；诳茖W(xué)的發(fā)展，性質(zhì)種類可以進(jìn)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(duì)水循環(huán)的原理發(fā)現(xiàn)與水污染控制的技術(shù)空間?？梢哉J(rèn)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