（环境科学专业论文）区域工业固体废物循环经济模式的构建方法与应用研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n d u s t r yp r o d u c t i o nd i s c h a r g e dan u m b e ro fs o l i dw a s t e st ot h en a t u r e ，a n dp o l l u t e d t h ee n v i r o n m e n ta n db r o k et h ee c o l o g i c a le q u i l i b r i u m t h er o o to ft h ep h e n o m e n ai s t h el a c ko ft h ed e c o m p o s e rw h i c hc a l lb r e a kd o w nt h es o l i dw a s t ep r o d u c e d i no r d e r t os o l v et h ep r o b l e m ，i n d u s t r i a ls o l i dw a s t em u s tb ed i s p o s e dp r o p e r l y w i t ht h e d e e p e no fm a n su n d e r s t a n d i n go ns u s t a i n a b i l i t y , s o l i dw a s t e su t i l i z a t i o nb e c o m e st h e c o m m o nc o u s e n s u so ft h ew o r l d ，w h i c hc a l lb o t hr e d u c et h ee n v i r o n m e n ts t r e s sa n d e x c a v a t et h es t o r a g eq u a n t i t yo fr e s o u r c e s t h ek e yo fu t i l i z ei n d u s t r i a ls o l i dw a s t ei s t 0d e s i g np r o p e rm o d e b u tt h ep r e s e n tm e t h o d o l o g ys t u d yo nm o d ei ss t i l li n d e v e l o p m e n t ，a n dc a l ln o td i r e c tt h ep r a c t i c e s o ，t h er e s e a r c hs e l e c t s m e t h o do f d e s i g nr e g i o n a li n d u s t r i a ls o l i dw a s t ec i r c u l a re c o n o m ym o d e a sm a i nc o n t e n t s t h em e t h o do fm o d ed e s i g ni n c l u d e s5p a r t s ：p r e s e n ti n d u s t r i a ls y s t e mi n v e s t i g a t i o n , t h es y s t e ma n a l y s i s ，t h et e c h n o l o g yi n t e g r a t i o n , c o o r d i n a t i n gi n d u s t r yi n t e g r a t i o na n d m o d ec o n s t r u c t i o n m a n yq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ei n s t r u m e n t sa r ei m p l e m e n t e di n t h em o d ed e s i g nm e t h o d ，s u c ha se c o - i n d u s t r ym e t h o d , m a t e r i a lf l o wa n a l y s i s ， o p t i m i z em o d e l l i n g t h e n , t h em e t h o dp r o p o s e di sa p p l i e dt os h a n d o n gw e i f a n g b i n h a ie c o n o m i cd e v e l o p m e n ta r e a ，w h i c hi san a t i o n a le c o i n d u s t r yp a r kf o c u s i n g o no c e a n i cc h e m i c a li n d u s t r y , t oe s t a b l i s hi n d u s t r i a ls o l i dw a s t ec i r c d a re c o n o m y m o d eo fb i n h a ie c o n o m i cd e v e l o p m e n ta r e a a f t e rs y s t e m i ca n a l y s i s ，b i t t e r na n d c a u s t i cs l u d g ea r ei d e n t i f i e da sp r i o r i t yc o n t r o lw a s t e s a n dc a u s t i cs l u d g ei st a k e na s a ne x a m p l et ou s em u l t i - o b j e c t i v ea n dm u l t i l e v e lf u z z yo p t i m i z a t i o nm o d e lt os e l e c t p r e f e r e n t i a lo n e sf r o m5p l a n s s o l i dw a s t er e d u c t i o nm o d ea n dh a r m l e s s n e s sm o d e a r ea l s oc o n s i d e r e di nc i r c u l a re c o n o m ym o d e t h ep a p e rp r o p o s e dt h em e t h o do fd e s i g nr e g i o n a li n d u s t r i a ls o l i dw a s t ec i r c u l a r e c o n o m ym o d e ，w h i c hc a l lp r o v i d em e t h o d o l o g ys u p p o r to ni n d u s t r i a ls o l i dw a s t e u t i l i z a t i o np r a c t i c e t h ea p p l i c a t i o no f t h em e t h o dc a nh e l ps h a n d o n gw e i f a n gb i n h a i e c o n o m i cd e v e l o p m e n ta r e ao p t i m i z es o l i dw a s t eu t i l i z i n gr o u t e s ，e n h a n c es o l i d w a s t eu t i l i z i n gr a t i o ，a n de n h a n c es t a b i l i t yo fe c o i n d u s t r ys y s t e m k e yw o r d s ：r e g i o n ；i n d u s t r i a ls o l i dw a s t e ；c i r c u l a re c o n o m y ；m e t h o d ；m o d e n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：立趋挂日期：丝堕：坐 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：芝整撞导师签名：e t 期：兰望堑堕 山东大学硕士学位论文 1 、综述 1 1 工业固体废物环境管理的历程 1 8 世纪中期，工业革命在世界范围内开展，机器大工业逐渐代替了手工劳 动，塑料、合成纤维等人工合成物品出现，在其生产过程中，产生了大量工业固 体废物，未经任何处理就直接排放到环境中，但由于当时的工业尚不发达，污染 物的直接排放没有造成严重的环境污染。 2 0 世纪5 0 6 0 年代，工业化、城市化进程不断加快，给人类带来的不仅仅 是欣喜和繁荣，还有诸多意想不到的后果，甚至埋下了人类生存和发展的潜在威 胁【”。自然资源的大量开采和大量废弃导致了固体废物的大量产生，超过了生态 系统的承载力，人类开始意识到工业固体废物的污染问题，国际社会开始有组织 的开展环境整治运动 2 1 。但当时，世晃各国关注的仍然是污染物产生之后如何治 理以减少其危害，即所谓环境保护的末端治理方式，采取了土地填埋、排入水体 等处理方式，暂时控制了废物问题，却因此造成了土壤、河流污染等严重的环境 问题，发生了诸如美国的罗荚运河事件等环境公割3 1 。 到了2 0 世纪9 0 年代，工业呈现出加速发展的态势，工厂的生产规模迅速扩 张，各类开发区、产业园大量涌现，如果继续沿用传统的“资源一产品一废物排 放”单向流动的生产方式，不仅向大自然索取更多的资源、能源，而且势必向环 境排放更多的工业固体废物，加之历年堆存的未利用的废物，仍然采用土地填埋、 排入水体等末端处理方式已经行不通了。这是因为，一方面，原有的固体废物填 埋场的容量不断减少，而扩建、新建的工厂又占用了大量的土地资源，这使得寻 找新的工业固体废物处理处置场所变得越来越困难，从而导致工业固体废物填埋 处理的费用日益升高，废物填埋越来越不经济；另一方面，各种污染物的排放已 经使生态环境的承载能力逐渐减小，人类赖以生存的生态环境日益脆弱，而工业 固体废物中含有大量的危险废物，一旦处理不及时或处理不当，就会造成新的环 境污染，这势必加重生态环境的负担，从而引发严重的生态危机，可能使环境陷 入崩溃的边缘1 4 ”。 日益凸显的末端治理方式的种种弊端，使得人类开始意识到，工业生产与环 境保护之间的尖锐矛盾已经成为可持续发展的严重障碍，实现经济、社会与环境 山东大学硕士学位论文 和谐发展成为人类的共同追求。可持续发展的理论和思路作为一种划时代的思 想，改变了世界的进程和全人类的观点，成为环境与发展政策的主流。【6 ，7 1 可持 续发展从并列的角度强调了两方面的问题：一是人类需求问题，二是资源与环境 限度问题，如何在发展的过程同时保持经济增长、资源利用、环境维持的持续性 成为各国政府和学者所关注的重点。人类经过深刻的反思，清醒地认识到解决这 一问题的关键在于转变传统的“资源一产品一废物”的线性发展模式，建立一种 以物质循环流动为特征的经济，即循环经济( c i r c u l a re c o n o m y , o rr e c y c l e e c o n o m y ) ，从而实现可持续发展所要求的环境与经济双赢。 可持续发展思想和循环经济理念的提出从根本上改变了固体废物处理处置 方式，为工业固体废物的综合管理提供了全新的视角和广阔的发展领域。循环经 济要求把经济活动组织成一个“资源一产品一废物一再生资源”的反馈式流程， 倡导的是“从摇篮到摇篮”、“从资源到资源”的资源观念，使得人类对于固体废 物的态度和认识有了根本的转变，固体废物被视作“放错地方的资源”，“地球上 惟一增长的资源宝库”，对其处理也从消极处理变为积极回收利用，通过进行废 物的梯级利用和大力发展资源再生产业，使本来造成环境污染的废物资源n i 成 新的生产原料，减少了向大自然的索取和排放，减轻了人口对自然环境的压力， 有效地避免了生态环境破坏，真正实现了人口、资源和环境的和谐发展【8 ，9 l 。 许多发达国家把固体废物的回收利用作为发展循环经济、实施可持续发展战 略的重要途径率先实践 1 0 , 1 1 】。德国早在1 9 7 2 年就出台了废弃物处理法，之后 相继出台了多部循环经济法律法规。在循环经济和废弃物管理法等法律框架 的指导下，各个行业根据各自的不同情况，制定了饮料包装、废铁、矿渣、废汽 车、废旧电子商品等具体的法规，使工业固体废物的循环利用率不断提高。日本 政府把发展环境产业及循环经济体系作为改善日本经济结构、提高产业竞争力的 重要内容，家电循环法规定废弃空调、冰箱、洗衣机和电视机由厂家负责回 收；汽车循环法案规定汽车厂商有义务回收废旧汽车，进行资源再生利用； 建设循环法要求建设工地的废弃水泥、沥青、污泥、木材的再利用率要达到 1 0 0 。 进行固体废物资源的再生利用，对于我国这样一个人均资源占有不足、环境 恶化趋势未得到根本性扭转、工业化和城市化处于加速期的发展中国家，具有尤 山东大学硕 学位论文 为重要的现实意义。我国经济规模的快速扩张对资源、环境造成巨大的压力，资 源短缺和环境破坏已经取代“资本限制”成为制约可持续发展的关键因素，使得 我国比发达国家面临着更加严峻的资源和环境制约。而进行固体废物的资源化利 用，能够将垃圾“过剩”和资源能源不足这两大难题有机协调起来，是寻求经济、 社会和环境的全面协调持续发展的必然选择。我国2 0 0 4 年修订的固体废物污 染环境防治法第三条提出：“国家对固体废物污染环境的防治，实行减少固体 废物的产生量和危害性、充分合理利用固体废物和无害化处置固体废物的原则， 促进清洁生产和循环经济发展”。 1 2 工业固体废物综合利用的研究进展及实践 工业固体废物是复杂的混合物，既含有有价成分，也含有无价成分，甚至含 有有毒有害成分，只有有价成分达到一定量时，工业固体废物才具有资源利用价 值。工业固体废物中有价成分含量的高低决定了废物的质量，进而形成了不同的 废物利用方式。各国在发展循环经济、建设生态产业的进程中，结合实际情况建 立了不同的工业固体废物综合利用模式。 1 2 1 国外研究进展及实践 ( 一) 产业生态学指导下的工业固体废物综会利用模式 在传统的工业体系中，每一道制造工序都独立于其他工序，消耗原料，产出 产品和废料。现实的产业生产中( 包括第一、第二和第三产业) ，一家企业排放 或弃之不用的副产品对另一家企业可能是宝贵的原材料资源，企业之间可能存在 着类似于生物有机体之间的共生、伴生或寄生等依存关系。人们受到自然生态系 统的启发，开始对产业系统进行系统分析与归纳总结。1 9 8 9 年9 月，r o b e r t f r o s h c h 和n i c o l a sg a l l o p o u | o s 在科学的美国入专辑上发表的可持续工业发展战略 中提出：工业可以运用新的生产方式，大大减少对环境的影响，这是最早出现的 产业生态学思想2 ，埘。此后，产业生态学的思想得到越来越多的国家政府( 如美 国、日本、德国、荷兰、瑞士、瑞典等) 、国际组织( 如联合国可持续发展委员 会、联合国环境署等) ，以及跨国公司( 如通用、壳牌公司、道尔化学、a b b 、 加拿大水电) 和中小企业联合会的重视1 1 4 1 5 。 产业生态学产生和发展的最赢接的动因是回收利用生产和消费过程中产生 山东大学硕士学位论文 的废弃物或副产品，这也是生念产业的核心措施【l6 1 。丹麦、德国、美国、加拿 大、日本等国都纷纷开展了生态产业园、生态社会的实践，将产生废物的工业生 产过程相衔接，在相关企业问通过废物和副产品的交换利用而组建起“企业生态 链”，从而最大限度地利用自然资源，尽量减少工业废物的排放，由此建立起来 许多成功的工业固体废物综合利用模式 1 7 , 1 8 i 。 ( 1 ) 工业固体废物综合利用的园区模式 图1 - 1 卡伦堡生态工业园的废物利用模式 2 0 世纪7 0 年代初丹麦建立的卡伦堡工业园区成为世界上工业生态系统运行 最为成功的典范。卡伦堡生态工业园的废物利用模式，是通过不同的企业间的“废 物变原料”的贸易建立起来的：工厂和部门之间通过贸易形式将生产过程中的废 物或副产品供其他企业作原料，或替代部分原材料，实现了工业固体废物的部分 循环利用【l 蚍1 i 。 首先，建立起电厂固体废物梯级利用链：阿乃斯( a s n a e s ) 火电厂脱硫的副 产品脱硫石膏提供给石膏板厂( g y p r o c ) 做原料，石膏板厂为此减少了从西班牙 石膏矿进口原料的1 2 ；电厂产生的粉煤灰供筑路和生产水泥之用。 其次，建立起炼油厂固体废物梯级利用链：炼油厂( s t a t o i l ) 将火焰气通过 管道供应给石膏厂干燥石膏板，减少了火焰气排空；将酸气脱硫生产稀硫酸，用 罐车运到硫酸厂( k e m i r a ) 生产硫酸；脱硫后的气体通过管道供给电厂燃烧使用。 第三，通过能量梯级流动建立起企业共生网络：电厂的高温蒸汽分别供应给 炼油厂和挪伏( n o v o ) 制药厂，制药，。产生的有机残渣经热处理杀死微生物后 4 山东大学硕士学位论文 销售到附近农场供一千多家农户使用：低温蒸汽给养鱼场和大棚供热，鱼池的淤 泥作为有机肥出售。通过电厂的能源梯级流动，将电厂、炼油厂、制药厂、养殖 业联系起来，从而形成了不同企业之间的废物交换利用网络体系。 ( 2 ) 工业固体废物综合利用的区域模式 副产品( 废物) 交换活动的顺利进行，需要拥有充分的副产品( 废物) 市场、 强大的处理能力和存储能力以及畅通的信息传输渠道，这样才能产生巨大的聚集 效应，因此，d e s r o c h e r s 、a n d r e w s 等学者提出了将工业共生的研究视角从物理 空间相对狭小的生态工业园转移到城市或者更大范围的观点，产生了区域副产品 交换这一产业生态化的实剐1 3 1 。 荷兰于1 9 7 2 年首先提出了废物交换的思想，在产废者和潜在的使用者之间 进行物质交换，使废物交换成为废物资源化的一种手段。加拿大从1 9 7 4 年开始 废物交换工作，1 9 9 0 年交换量达到2 8 7 万吨年。英国废物交换中心在5 年的运 转时间里，每年约进行1 5 6 万吨废物的双向交换，1 9 6 万吨废物的单向交换， 总价值约为1 8 0 0 万美元。日本1 9 7 5 年开始第一个废物交换方案，到1 9 8 9 年以 来，已经扩展到2 5 个地 f f 2 2 , 2 3 1 。目前，北美和欧洲均开展了地区性的废物交换， 比较完善的是加拿大和欧共体国家，多数已经形成国际间的网络体系，并且已经 成为一个盈利行业 3 2 - 4 1 。 德国在1 9 9 1 年由5 0 0 多家企业共同出资建立了d s d 公司，专业从事包装 废物回收，目前已有1 8 万家企业与d s d 公司签订了委托回收协议。d s d 公司 与各地废物处置机构合并，已经建成一个全面的包装废物收集系统。d s d 公司 的运作方式是：( 1 ) 加入d s d 系统的生产商根据其产生量、销售量和包装材料 处置难易程度按规定交纳包装垃圾委托回收费；( 2 ) 根据合同，生产商可以打上 d s d 系统的绿点标志；( 3 ) d s d 系统接受这些企业的委托，组织收运者对这些 废物进行回收，先进行分类，然后送至相应的资源再利用厂家实现循环利用，而 能直接回用的包装废物则直接退还给生产商。此外，德国还有众多的企业加入废 物再生利用加工业，成为废物再生的坚强后盾。如因特赛荣公司是一家注册资本 5 0 0 0 万马克的废物再生加工公司，主要对废钢铁、废纸、废塑料、废木材等进 行分类整理，初步加工成可再生资源，然后送往约3 2 0 0 个工业企业用于再生产 【2 5 矧。 山东大学硕士学位论文 奥地利s t y r i a 省形成了一个省域范围的副产品循环网络，涵盖企业涉及农 业、食品加工、塑料、纺织、造纸业、能源业以及各种废弃物处理等多个行业， 企业数量超过5 0 家。s t y r i a 省副产品循环网络的形成主要是由于企业无法就近 找到其副产品的下游使用者，而且大批量的废物不能由一个行业完全利用，因而 副产品交换扩充到省域范围。 日本将产业生态学的原理应用到城镇建设中，开展了生态城镇建设。川崎生 态城镇是建设于川崎市l 临海地区的一个工业区，在建设过程中提出了“零排放” 的思想，其核心是实现废物的循环利用，每个企业不仅要减少自己的污染物排放， 并且要充分利用其他企业所排放出来的废物，提高能源利用效率。为了实现这一 目标，川崎市为工业企业提供不同方面的帮助，如提供必要的信息和协调方面的 服务等。此外，川崎市还为中小企业提供财政、技术和人力资源上的帮助，以协 助其实现零排放的目标 1 7 , 2 1 】。 ( 二) 循环经济理论指导下的工业固体废物综合利用模式 把清洁生产和废物的综合利用融为一体的循环经济的出现，为缓解日益严峻 的资源与环境问题，维持人类社会的持续稳定发展提供了一种全新的思路。循环 经济提出的“减量化、再利用、资源化”原则，从“源头控制、过程循环和最终 处置”三个不同的层次出发，为工业固体废物的综合利用提供了全新的视角。 ( 1 ) 企业层次的固体废物减量化模式 按照循环经济的“3 r ”原则的要求，在工业企业内部，可以通过组织厂内 各工艺之间的物料循环，延长生产链条，减少生产过程中物料和能源的使用量， 尽量减少废物和有毒物质的排放，最大限度地利用可再生资源，提高产品的耐用 性等，从而建立起企业层次的工业固体废物循环经济模式。 美国的杜邦公司创造性地把循环经济三原则发展成为与化学工业相结合的 “3 r 制造法”，通过放弃使用某些环境有害型的化学物质、减少一些化学物质的 使用量以及发明回收本公司产品的新工艺，到1 9 9 4 年已经使该公司生产过程中 产生的废弃塑料物减少了2 5 。 ( 2 ) 静脉产业园模式 循环经济理论的提出，扩大了地区间、产业间、企业间废物交换的范围，废 物资源化利用的数量、种类都不断扩展，由此发展成为一个新兴的产业静脉 6 山东大学硕士学位论文 产业( v e n o u si n d u s t r y ) 。同本清洁中心编著的循环关键字中指出：如果将一 般制造业称为动脉产业，处理、处置及循环利用从这些产业排放的废物的产业相 当于人体的静脉，因此被称为静脉产业【2 他9 1 。 静脉产业活动主要包括四个阶段3 0 1 ： 收运阶段是静脉产业活动的开始，该过程不仅是废物集中的过程，还包 括根据不同的废物类别进行分类、分拣等。收运阶段还要依据废物的“有价”属 性和进行再利用不同要求选择不同的产业活动流程：提取有再利用价值、并可以 作为再生资源的部分，直接销售给再生资源经营者；有再利用价值，但需要再资 源化处理的部分，销售给再生处理者，并通过其生产性的活动得到再生资源；而 没有价值或价值很低、不足以抵消再利用成本的部分则在市场机制下进行最终处 置。 一 再生处理是采用一定的技术手段，通过物理、化学处理，从废物中回收 物质和能源，实现物质的闭环循环的过程。在这一过程中，废物被作为静脉产业 活动的“原料”，通过生产性活动产出的产品再生资源进入销售渠道，而再 生处理的剩余部分则进入最终处置过程。再资源化阶段是静脉产业实现自身经济 价值的重要环节，是静脉产业“生产性”的体现，也是循环经济原则的集中体现： 废物再资源化过程减少了最终处置的废物量，即实现了减量化原则；生产得到的 再生资源再次应用于生产和消费，体现了再利用和资源化的原则。 最终处置阶段是在循环经济的框架下，基于保护环境、保护资源的目的， 以最合理的方式处理废物中最终没有可能再利用的部分。这一阶段也可以视为静 脉产业的一个生产性过程，即提供了废物最终处置的服务。最终处置以减量化和 无害化为原则，采取的手段包括填埋、焚烧、堆肥及无害化综合处理。 再生资源销售阶段是指再生资源在资源市场上进行销售，从而输入到动 脉体系中，再次成为生产的原材料或消费的商品的过程。再生资源作为静脉产业 的“产品”，只有通过营销手段获得“利润”，静脉产业的经济价值才能真正得以 实现，社会价值才能得到认可。这一阶段类似于一般的商业销售过程，不同之处 主要是再生资源与原生资源之间的差异所导致的再生资源经营者与一般原生资 源经营者之间市场地位的不同。 日本以解决现实环境问题和有效利用资源为出发点，发展静脉产业型的生态 7 山东大学硕士学位论文 工业园区，将各类废物( 如汽车、冰箱、彩电等) 的拆解、回收和资源化企业全 部集中设立在园区内，从事无害化( 如回收废旧冰箱中的氟里昂) 、再利用( 如 将可重复使用的部件以新部件一半的价格出售) 、资源化( 如将废塑料、废玻璃 造粒变成新的生产原料出售) 、热回收( 将无法回收和利用的废物集中焚烧发电， 以回收能量，并为安全填埋实现减量化) 和集中安全填埋。拆解分类后的不同废 物( 如废塑料、废玻璃、废木材等) 在园区内的企业问互相交易，实现规模化处 理并达到经济最小成本口1 1 。事实证明，静脉产业园不仅成为了解决环境问题的 主要途径，而且也已成为当地新的经济增长点，实现了废物的规模化处理并达到 经济最小成本，是工业固体废物综合利用的有效方式。 1 2 2 国内研究进展及实践 我国固体废物污染控制工作开始于8 0 年代初期，提出了以“减量化”、“资 源化”、“无害化”作为控制固体废物污染的技术政策。我国对工业固体废物的管 理实行申报登记制度，由环境保护主管部门掌握工业固体废物和危险废物的种 类、产生量、流向以及对环境的影响等情况，进而有效地防治工业固体废物和危 险废物对环境的污染。 进入9 0 年代以后，面对我国经济建设的巨大需求与资源供应严重不足的紧 张局面，我国已把回收利用再生资源作为重要的发展战略。清洁生产促进法 规定发展循环经济，促进企业在资源和废物综合利用等领域进行合作，实现资源 的高效利用和循环利用。修订后的固体废物污染环境防治法对固体废物资源 化提出了具体的要求。我国遵循“环境上无害性、经济上效益性和技术上可行性” 的原则，使固体废物资源化朝着环境效益、经济效益和社会效益“三同步”的方 向发展，并取得了初步成效。据统计，2 0 0 5 年全国工业固体废物产生量为1 3 4 亿吨，工业固体废物综合利用量为7 7 亿吨，综合利用率为5 6 1 ，“三废”综合 利用产品产值为7 5 5 5 亿元；各地通过公众和企业自发及政府引导和规范，在固 体废物资源化方面进行了大量的实践 3 2 1 。 ( 一) 产业生态学指导下的工业固体废物综合利用模式 2 0 0 1 年清华大学化工科学与技术研究院成立过程工程与生态工业研究中 心，率先在国内开展生态工业研究，研究中心开展了工业生态系统规划、物质和 能量集成、废物资源化、绿色工艺和原子节约工艺等的基础研究和开发工作，并 8 山东大学硕士学位论文 进行了生态工业园区规划【1 7 】。总体来说，国内产业生态学研究主要集中在以下 几个领域：在对国外文献进行翻译及评述的基础上，从不同角度出发分析了工业 生态系统的基本特征、内容、建设基础、对策等，构建起了工业生态系统的理论 框架【3 3 3 , 4 1 ；深入分析工业生态系统内的系统集成问题，提出了工业生态系统的物 质、能量、信息等集成的有效方法和途径【3 5 】：对工业生态系统的综合评价、工 业生态系统内部企业链、工业系统内物质循环和能量流动等方面进行了初步研 究，并对生态工业园区理论和方法以及建设模式进行了研究 3 6 - 3 9 l 。 我国政府非常重视循环经济、生态产业的发展，国家环保总局先后发布了生 态工业示范园区规划指南( 试行) 、行业类生态工业园区标准( 试行) 等标准 及规定，并在全国范围内批准建立了一系列的生态工业示范园区，截至2 0 0 6 年 底，国家环保总局通过论证的国家生态工业园区已有2 5 个，其中行业类园区9 个，综合类园区1 5 个，静脉产业类园区1 个。除此之外，地方建立的生态工业 园区不计其数，据不完全统计，到2 0 0 6 年1 月，全国已有地方各级生态工业和 循环经济园区2 0 0 多个。各示范园区的成功建设极大地推动了我国生态工业的 发展，实现了工业固体废物的资源化利用【4 0 4 l l 。 ( 1 ) 工业固体废物综合利用的企业模式 鲁北集团多年来致力于探索发展循环经济，以工业固体废物的资源化利用为 出发点，建立起废物资源化链，创造了“中国鲁北生态工业模式”。 一是“磷铵副产磷石膏”的综合利用模式。磷肥生产排放的废渣磷石膏 含大量的硫、氟，不仅造成大气污染，而且还渗透到地下污染地下水。鲁北集团 探索出将磷石膏分解水泥熟料和二氧化硫窑气，水泥熟料与锅炉排出的煤渣和盐 场的盐石膏等配置水泥，二氧化硫窑气制硫酸，硫酸返回用于生产磷铵。在这一 过程中，上一道产品的废物成为下一道产品的原料，整个生产过程没有废物排出， 并且产生的三种产品直接进入市场。既有效解决了废渣磷石膏堆存土地i 污染环 境、制约磷复肥工业发展的难题，又开辟了硫酸和水泥生产新的原料路线、减少 了温室气体二氧化碳的排放。 二是苦卤及盐石膏的综合利用模式。鲁北集团利用海水作为制盐原料，由此 产生苦卤和盐石膏等固体废物，通过生态改造，将苦卤用作化工生产的原料，提 取加工钾、镁产品；盐田废渣盐石膏用作水泥的原料。 9 山东大学硕士学位论文 鲁北集团各个产业链内部和产业链之间的共生关系总数达1 7 个，产生了占 总产值1 4 的经济效益，使主要产品成本降低了3 0 5 0 ，对企业产值的增长 贡献率达4 0 ，每年可产生2 3 亿元的共生效益，其综合贡献率商出世界著名的 卡伦堡生态工业园8 个共生关系的一倍。中国工程院院士金涌积极评价鲁北生态 工业园的循环经济模式：“鲁北集团的生态工业循环经济模式，比国外发展较早 的卡伦堡模式的企业间联系更加紧密，比杜邦模式的产业链关联度更大，是具有 多年成功运行经验的生态工业系统” 4 2 , 4 3 1 。 ( 2 ) 工业固体废物综合利用的园区模式 广西贵港国家生态工业( 制糖) 示范园区既是我国第一个国家生态工业示范 园区，也是国内最典型的个案例。该园区以贵糖( 集团) 股份有限公司为核- i i , ， 主产品是食糖，而在食糖生产过程中产生了大量的蔗渣、蔗髓、废糖蜜、酒精废 液、滤泥及废水等多种副产品或废物。根据不同废物的功能特点，建立起以下7 条废物循环途径：蔗髓一热电厂燃料，蔗渣一造纸原料，废糖蜜一能源酒精、酵 母精，酒精废液一复合肥，滤泥一水泥，碱回收，纸机白水循环利用。通过废物 在不同生产环节的梯级利用，建立起多途径、多层次的废物循环利用的网状结构， 并完善了“甘蔗一制糖一酒精一造纸一热电一水泥一复合肥”的多行业综合性的 生态产业链，使得行业之间优势互补，达到园区内资源的最佳配置、物质的循环 流动、废物的有效利用，并将环境污染减少到最低水平，大大加强了园区整体抵 御市场风险的能力似4 6 1 。 ( 二) 循环经济理论指导下的工业固体废物综合利用模式 废物交换的思想被我国接受的时间虽然较晚，企业之间或各省市自由组织的 非正式交换如废物市场却早已有之，只是这种交易缺少组织性和系统性，也缺乏 管理。1 9 9 2 年国家环保局首先在上海和沈阳两市开展废物交换试点，1 9 9 3 年国 家环保总局颁布了废物交换试点工作实施方案，提出了废物交换基础、交换 类型和方案选择、交换程序、试点要求等，并将试点范围扩大到全国1 7 个不同 类型的城市1 2 2 , 4 7 1 。目前，我国已有各类废旧物资回收企业5 0 0 0 多家，回收网点 1 6 力个，回收加工厂3 0 0 0 多个，从业人员1 4 0 多万。 4 8 , 4 9 1 ( 1 ) 工业固体废物减量化模式 天津丌发区独创了一个废物最小化俱乐部和一个废物交换网。废物最小化俱 o 山东大学硕士学位论文 乐部的成员是开发区企业，由海内外科研院所专家组成的顾问团帮助企业解决减 量化节水节能、减少原材料包装等问题。开发区3 0 0 0 多家企业每天都在产生大 量废物，很多废物可以作为另一家企业的原料，因此，建立了一个工业固体废物 交换网，网上展示了1 4 大类废弃物，企业可以在网上寻找替代原料，从而避免 从国外进口原材料，既能降低生产成本，又能形成良好的回收体系 5 0 】。 ( 2 ) 静脉产业园模式 青岛市建设的新天地生态产业园是全国首个静脉产业园，以固体废物的无害 化、资源化处置和污染土壤的修复为核心构筑静脉产业类生态体系。该园区以生 产和消费过程中产生的固体废物为主要原料，运用先进的技术设旌将其转化为可 重新利用的资源和产品。一是建设危险废物处置中心，采用综合利用、焚烧、物 化处置、稳定化( 固化) 、填埋等处理方式，年处理除多氯联苯之外的危险废物 5 5 万吨。二是建设废暇家电及电子产品回收综合利用示范工程，将电子工业的 垃圾进行资源化利用。三是建设一般工业固体废物填埋场，将无利用价值的工业 固体废物进行安全填埋。此外，还规划建设废旧汽车拆解工厂、第七类废旧电机 产品处理生产线、废旧五金电器处理生产线、废旧电线电缆处理生产线、废旧日 光灯管的处理生产线及废塑料、废橡胶、废玻璃等综合利用项目等。 通过以上文献分析和实践研究不难发现，在工业固体废物综合利用领域走在 世界前列的国家，如德国、日本等，普遍遵循循环经济的“3 r ”原则处理处置 固体废物，采取的措施主要有：一是在企业层次推行清洁生产，进行固体废物的 源头削减；二是在区域层面发展生态产业，组织副产品或废物在不同的企业之间 的梯级流动和交换利用，以工业固体废物循环链为纽带构建起产业共生关系；三 是在社会层面发展静脉产业，完善废物回收网络，组建专业的废物处理公司，进 行资源再生利用。 1 3 论文的研究内容 传统的工业系统仅注重“生产一消费”环节的发展，废物分解环节的缺失导 致系统无法完成自身的新陈代谢，从而陷入了大量生产、大量废弃的恶性循环之 中。而系统的良性运行要求所有的物质都必须充分地参与循环，退出循环的物质 越少，就越有利于系统的维持与稳定【5 l l ，可见，工业固体废物是工业系统可持 续发展的障碍，而消除这一障碍的关键，就是要建立起工业固体废物的循环流动 山东大学硕士学位论文 模式，使其重新参与系统循环，从而使工业系统的发展轨迹逐渐趋向于自然生念 系统的演化路径，实现生态化发展。 工业固体废物来源于工业生产系统，是整个系统的代谢产物；受纳体是自然 环境，是生态系统的“外来物种”。可见，工业固体废物是人工与自然两大系统 的连结点，对工业固体废物循环经济模式进行研究关系到这两个系统的可持续发 展。从系统论的观点出发i s 2 , 5 3 l ，工业固体废物循环流动模式的研究不能单纯依靠 某一系统而单独进行，而是要统筹考虑两个系统，从区域层面来研究工业固体废 物循环利用的最佳实现方式。同时，区域工业固体废物循环经济模式的研究也是 。区域循环经济模式与指标体系研究”和“循环经济的稳定性研究”这两个山东 省环保局重大项目的一部分研究内容。 构建区域工业固体废物的循环经济模式的关键，就是模仿自然生态系统的 “生产者一消费者一分解者”的食物链，在生产系统中引入“废物再生资源化” 环节，将原本废弃的垃圾经过适当的加工处理，转变成可以循环利用的再生资源， 从而补充产业系统中缺失的“分解”环节，实现“资源一产品一废弃一加工处理 一再生资源”的物质循环流动模式，实现工业固体废物由末端治理向源头削减、 循环利用的方向转变，构建起产业生态系统的平衡。本论文的研究主要从两方面 进行，其一是区域工业固体废物循环经济模式的构建方法研究，其二是该方法的 具体应用。 ( 1 ) 区域工业固体废物循环经济模式的构建方法研究 在方法研究部分，将循环经济理论、产业生态学方法、废物资源化理论等理 论或方法综合运用到工业固体废物循环经济模式的构建过程中，建立起区域工业 固体废物循环经济模式的构建方法，主要包括现状调查、系统分析、技术集成、 配套产业集成、模式构建五个部分。现状调查采用走访概查和典型调查相结合的 方法，对某一区域内部的企业以及产业系统进行调查，这是整个设计工作的基础。 系统分析先对产业系统和产业链进行分析，从中寻找出主要的废物链，然后重点 进行废物代谢分析，评价现有的废物代谢效率，以便提出相应的代谢调控手段。 技术集成则是针对代谢效率较低的固体废物，运用优选模型筛选出适宜的资源化 利用方案。配套产业集成是对影响固体废物循环利用的上下游配套产业进行探 讨，提出相应的发展措施。模式构建是综合以上的研究结果，同时考虑废物的减 山东大学硕士学位论文 量化和无害化，建立起某一区域的工业固体废物循环经济模式。 ( 2 ) 方法的具体应用 建立起区域工业固体废物循环经济模式的构建方法后，选取潍坊滨海经济开 发区为具体研究案例，将上述方法应用到该开发区的海洋化工产业系统之中，通 过进行现状调查和系统分析，确定碱渣和苦卤是阻碍开发区和谐可持续发展的重 点工业固体废物，然后运用多层次多目标模糊优选模型进行技术集成，并提出了 建设废物交换信息平台这一配套产业，最终建立起潍坊滨海经济开发区工业固体 废物的循环经济模式，从而更好地推动该开发区海洋化工产业的生态化、可持续 发展。1 1 4 技术路线 本论文将采用理论研究与实证研究相结合的方法。一方面，在各种基础理论 的指导下，对于工业固体废物的资源化利用进行方法学上的探讨，建立起工业固 体废物循环经济模式的构建方法；另一方面，筛选具体的区域进行案例分析，将 提出的理论应用到该区域工业固体废物循环经济模式的构建过程之中，从而实现 该区域工业固体废物的最优利用，研究的技术路线如图l 一2 所示。 生壅奎兰堡圭兰堡垒茎 1 4 上 i 筛选代表性区域 土 方法的应用 图1 2 论文的技术路线图 区域工业圆体废物循环经济模式的构建方法研究 山东大学硕士学位论文 2 、研究的理论支撑与技术方法 2 1 循环经济理论 2 1 1 基础理论 循环经济( c i r c u l a re c o n o m y ) 是物质循环流动型经济的简称，倡导的是一 种与地球相和谐的经济发展模式，它要求把经济活动组织成一个“资源一产品一 再生资源”的反馈式流程，所有的物质和能量要能够在这个不断进行的经济循环 中得到合理和持久的利用，从而把经济活动对自然环境的影响降低到尽可能小的 程度。 循环经济本质上是一种生态经济，将清洁生产和废物的综合利用融为一体， 经过反馈式、网络状的相互联系，系统内不同行为者之间的物质流远远大于出入 系统的物质流。“减量化、再利用、资源化”( 称为3 r 原则) 是循环经济的操作 原则，减量化( r e d u c i n g ) 原则属于输入端方法，旨在减少进入生产和消费流程 的物质量：再利用原则( r e u s i n g ) 属于过程性方法，旨在延长产品和服务的时 间强度；资源化原则( r e c y c l i n g ) 是输出端方法，通过把废物再次变成资源以减 少最终处理量。 2 1 2 技术方法 ( 1 ) 对经济系统进行物流分析 循环经济的生态经济效益最终体现在经济系统的物流变化上，该系统应尽可 能大幅度地减少资源输入流，并大幅度地减少陵物输出流，同时尽可能地使资源 的使用限度发挥到最大。加拿大( 生态足迹理论) 和奥地利( 可持续发展之岛理 论) 的学者指出，循环经济其物流活动应该基本上是地区性的；这并不是说地区 间、国际间要存在生态隔离，而是要尽可能突出地区之间的相互作用：一个地区 的物质与能源输入应尽可能来自于输出地区的净剩余( 如果可能的话最好是可再 生的) ，从而避免有损于输出地区的自然资源。 ( 2 ) 运用生命周期理论进行评估 生命周期研究一般由三个部分组成：数据收集、影响分析、改善分析。数据 收集是生命周期研究的基础，是对各环境影响因素的量化；影响分析是指在数据 分析的基础上对环境影响进行评价；改善分析是指根据评价的结果，对项目提出 山东大学硕士学位论文 改善建议和具体方案，减小污染物对环境的影响。 生命周期评估( l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ) 要求从物质和能源的整个流通过程 ( 开采、加工、运输、使用、再生循环、最终处置六个环节) 对系统的资源消耗 和污染排放进行分析，从而得到整个系统的物流情况和环境影响，由此评估系统 的生态经济效益。因此，不能简单地认为某种天然物品替代了人工物品就是有利 于环保的，必须从整个系统过程进行分析和评价，从而得出正确的观点。 2 。2 产业生态学 2 2 1 基础理论 产业生态学的观点认为，在考察产业系统而不是单一生产单元或设施时，有 必要借鉴自然生态系统的物质与能量流动模型，来构筑产业系统中不同企业的废 物最小化的运作模式。在生态系统中，一种生物产生的废物或一个种群的部分产 生的废物都是有用物质和能量的来源，不被整个系统当作废物来处置；即在生态 系统中，物质得以充分利用，形成封闭循环。工业系统中的各种成员都能与自然 生态系统中的生物相对应。在人类生产与消费组成的复杂空间与时间网络中，单 个物料可能流过几种不同的工业系统，每一个系统成员可能在多个工业系统中起 作用。工业生态系统就相当于由工业子系统组成的整体网络，这些工业子系统分 别涉及不同的地域、行业或原料。 产业生态学涉及三个层次：第一个层次是在一个企业内部，探索如何从企业 整体角度通过过程的集成来最优化使用各种资源，使废物产生最小化，相应的方 法包括生命周期分析、环