自序
一、 把握废水水质特征是解决工业废水处理问题的关键
我从广岛大学博士毕业后，进入奥加诺株式会社综合研究所从事废水处理技术研究，这使我有机会系统地接触实际的工业废水处理。在进入该公司不久的一次废水研究组组会上，一位同事报告了某新建废水处理工程除氟系统不达标的问题。当时我承担的是废水膜处理系统的研发，但出于好奇，我就问了一句：“除氟使用的是什么技术？”同事回答说，就是加消石灰形成氟化钙沉淀。我感到很奇怪，氟化钙沉淀除氟不是一个非常简单的化学过程吗？这么简单的反应怎么还会出现问题呢？当时的组长（现在已经是研究所所长）明贺春树博士接着说，除氟工程确实经常出现问题，你有兴趣就做做试试？这一句话就使我在公司的研究重点转移到除氟技术上了。
首先，我想看看氟离子和钙离子的沉淀反应本身有什么特点，就用氟化钠配制不同浓度的模拟废水，以氯化钙溶液作为钙源进行了几组氟化钙沉淀的烧杯实验。当氟离子浓度达到100mg/L以上时，氟化钙沉淀很容易形成，氟离子的去除效果也非常稳定。但是，当氟离子浓度降低至50mg/L时，氟离子去除效果就不太稳定，而当氟离子浓度进一步降低到20mg/L时，即使钙离子投加量高达1000mg/L，也观察不到氟化钙的沉淀。这个现象说明，氟化钙沉淀的形成与废水中氟离子的含量有关。氟化钙的沉淀需要两个氟离子与一个钙离子结合，当氟离子浓度较低时，氟离子与钙离子的碰撞概率大幅下降，晶种形成的可能性就很小。只有极大地提高水中钙离子含量才有可能形成有效的晶种。因此，我提出了把所有的钙源投加到一部分（10%～20%）废水中，形成晶种后再与剩余废水混合的含氟废水处理方法，并把这种方法命名为分注法除氟。实验结果表明，这种分注法确实可以显著提高低浓度含氟废水处理的效果和稳定性。
但是，当我们用不同来源的实际含氟废水进行实验时，发现不同的废水有时处理效果会相差很大，这说明除了初始氟离子浓度效应，废水中还存在其他的干扰氟化钙沉淀形成的物质。其实，电子行业的含氟废水主要来自晶片的加工，一般使用氟酸或氟酸-氟化铵混合溶液对晶片进行刻蚀，因此，由此产生的废水组成也应该比较简单。最有可能成为干扰氟化钙沉淀形成的共存物质应该是氟硅酸根离子，这是氟酸与硅酸盐反应的产物。为了验证这一推测，我用氟硅酸钠配置了含氟溶液，同样利用氯化钙作为钙源进行氟化钙沉淀反应。结果发现，氟硅酸钠溶液也可以形成氟化钙沉淀，但与氟化钠溶液相比，氟的残留浓度高出不少，这证实了含氟废水中氟硅酸根离子的存在会影响除氟效果的假设。
那么，如何消除氟硅酸根离子的这种干扰呢？氟硅酸钙不能沉淀，因此，必须使氟硅酸根离子解离为氟离子，然后通过形成氟化钙沉淀来去除水中的氟元素。考虑到pH值是影响离子解离的一个关键因素，我评价了pH值对氟硅酸钠溶液除氟效果的影响，发现碱性条件不利于氟元素的去除，该结果也就揭示了实际废水处理工程效果不佳的另外一个原因：一般除氟工程均使用消石灰作为钙源，利用pH值进行消石灰投加量的控制——把pH值控制终点设置在11以上，确保废水中有足够的Ca2+。但恰恰是这样一个消石灰投加量控制策略导致了很多工程的失败。
我在奥加诺公司工作了6年半的时间，其中，针对组成极其简单的含氟废水的技术研发耗费了25%～30%的时间，申请了15项专利。而在此之前，日本各公司已经在除氟技术方面申请了200项以上的专利。这个例子可能比较特殊，但也充分说明了认识废水水质特征的重要性。基于这样一个深刻的体会，回国后，我一直把认识废水水质特征作为解决工业废水处理问题的核心。在这方面，最典型的例子是针对抗生素废水的研究。
1998年回国后，有幸认识了华北制药集团环保所原副所长任立人先生，他是我们开展制药行业废水处理技术研究的引路人。起初是从生物脱氮技术研究入手的。当时国家对总氮排放还没有要求，但任先生认为，抗生素行业废水中氨氮含量很高（例如土霉素废母液中氨氮含量高达1000mg/L以上），今后必须解决脱氮问题。但土霉素发酵废母液中主要有机物是草酸，不能作为反硝化的碳源。汤鸿霄先生转给我的博士生马文林承担了这个研究任务，她设计了碳氮同时去除的生物处理工艺，其中一个关键措施是设置了一个水解酸化单元，使用的是颗粒污泥床反应器。在水解酸化过程中，草酸把S
还原为硫化物，而硫化物可以作为电子供体用于反硝化，这就解决了反硝化电子供体不足的问题。然而，在研究中发现，一旦降低废母液的稀释比，生物污泥床中的颗粒污泥就会出现上浮甚至解体的现象，由此想到土霉素废母液中应该残留有不少土霉素。抗生素是抑制细菌生长的物质，利用以细菌为核心的污泥来处理高抗生素含量的废水是一种合理的选择吗？更重要的是，在高浓度抗生素存在下，污泥中的细菌会不会携带抗性基因，从而引起环境和健康风险？
2004年，我们申请了一个针对制药废水中抗生素和抗性基因研究的基金项目，从北京大学生命学院到我课题组做硕博连读的李栋着手进行这个基金项目的研究，他很快就建立了抗生素和抗药基因的检测方法，并以土霉素和青霉素两种生产废水为对象开展了系统的研究。结果发现，每千克土霉素废母液中土霉素含量达几百到上千毫克，每千克菌渣中其含量更是高达上万毫克；废水处理污泥中相关抗性基因的丰度非常高，筛选出的细菌大多具有多重耐药性，而且针对目标抗生素的耐药性极强。显然，高浓度抗生素的存在不仅会抑制废水处理微生物的活性，而且还会导致大量多重耐药菌的产生和排放。那么，什么水平的抗生素浓度会导致抗性的发展，什么水平又会导致废水处理系统的崩溃？
来自山东大学的硕博连读生张红承担了这个研究任务。她利用5个生物膜反应器研究了4种抗生素的效应。这是一个周期非常长的研究，反应器连续运行了600多天。结果发现，不同的抗生素影响不一样，链霉素、土霉素导致抗性发展的浓度基本上都在mg/L水平以下，而导致生物处理效果恶化的浓度水平要高很多。但无论是从抗性发展控制的角度还是废水处理系统稳定的角度，必须在废水进入生化处理系统之前除掉其中的抗生素。博士生李魁晓和其他多位研究者的工作表明，抗生素可以通过各种氧化技术进行去除。但问题是，在大量其他的有机污染物共存的条件下，通过化学氧化方法把抗生素含量降低到mg/L水平以下的成本高得企业无法承受。因此，必须建立一种选择性去除抗生素的废水预处理技术。
这项任务落在博士生易其臻的肩上。我们知道很多抗生素都有易水解的特性，当然，这种水解的过程通常很长，最短的半衰期也在数天甚至几十、上百天以上。那么，能不能采取一些措施促进这种水解过程，使得抗生素能在极短的时间内完全水解呢？我们发现，通过加热等方式可以显著加速某些类型抗生素的水解，同时，均相或非均相催化剂会催化这一水解过程。而且，水解后的抗生素几乎都丧失了抑菌效价。为了验证强化水解作为废水预处理技术的有效性，我们在河北省一家生产土霉素的企业进行了为期3个月的现场中试。实验非常辛苦，但效果很好。预处理后的废母液可以直接进入UASB反应器进行厌氧生物处理，在容积负荷为5～6kg/m3的条件下COD去除率可达70%。而同时运行的实际厌氧处理系统，在负荷为1kg/m3的条件下处理3～4倍稀释后的废母液，其COD去除率不到50%。更为重要的是，经过预处理后生物处理系统中的抗性发展得到有效控制。厂家也高度认可该技术，采用该技术对现有水处理系统进行了改造，取得了良好的效果。
这是证明深入认识废水水质特征重要性的又一个例证。我国是世界上抗生素原料药的主要生产国，解决抗生素生产过程中的废水处理难题，特别是实现常规污染物和抗性基因的同时控制对于我国抗生素产业的可持续发展具有重要意义。我们发明的这种废母液强化预处理技术是我们对全球环境抗性发展控制的一种重要贡献，我们正在与有关部门和企业合作，努力在全行业推广该技术。同时，我们的研究成果也得到国际同行的高度认可，2017年7月在荷兰召开的世界卫生组织抗性与环境专家研讨会上，张昱研究员作为中方唯一代表参加了会议，介绍了我们在环境抗性控制方面的最新进展和成果。
二、 本书的编著目的和意义
中国被称为世界工厂，承担了大量的工业生产任务，高强度的工业生产带来了大量的工业废水排放。近年来，我们在废水治理方面已经取得了很大的进步，但是，精细化工、石油化工、煤化工、制药等高浓度难降解典型工业废水在实现强化提效、降耗及安全处理的目标方面仍然面临诸多挑战。在这样的条件下，如何保障我们的水环境及饮用水安全，是环境工作者必须认真思考的一个重要问题。
本书针对目前我国污染严重、难治理的典型工业废水的突出问题及特点，指出把握废水水质特征在解决工业废水处理问题上的关键作用，聚焦工业废水处理与资源化技术原理及应用中的关键环节，同时结合典型案例分析介绍了编著者在石油化工、精细化工、制药、工业园区等工业废水处理与资源化技术研究及应用方面的思考和进展。本书选用的案例均来自编著者的研究进展、科研项目成果和工程实践，反映了近年来编著者团队及其合作者的研究和实践成果。
近年来我国整体科研实力得到了前所未有的提升，研究条件也得到了显著改善。因此，只要我们采取科学务实的态度来潜心研究，相信这种挑战也将是历史给予我们的一个重大机遇，我们将会在不远的将来成为世界上引领工业废水处理技术发展的一只关键力量。
杨 敏
2018年12月