（环境工程专业论文）趋向自然唯信息论世界观下的生态工业系统演化.pdf

摘要 生态工业系统是一种新的工业发展模式，是解决环境问题和实施可持续发展 的重要战略手段，其实践形式是生态工业园的建设。生态工业园区是一个包括经 济、社会、环境和资源的地域综合体，是依据循环经济理念和工业生态学原理设 计成的一种新型人工复合生态系统。生态工业系统的形成、发展与崩溃是一个动 态的演化过程，具有开放性、进化性、涌现性、非线性、分形生长等特征，子系 统数量巨大，类别繁多，被学术界普遍认为是典型的复杂巨系统。然而现有的科 学理论对于生态工业系统这样的复杂系统的实质尚无明确认识和有效处理方法。 本文基于突破传统还原认识论的新的世界观，阐述了生态工业系统的本质。 本文认为，世界万象是不断演化和寻找稳定模式的信息实在及信息过程，是在无 边界网络中涌现出的公共的、有机的、有功能的、多层次的、学习的、进化的自 我模式，它们都是同构的和全息的。本文导出了由信息实在及信息过程创生世界 万象的动力学方程，描述了“在无限网络中自我不断抓取数据通过无偏差的相互 参照形成稳定模式从而证明自我存在”这一真实世界形成和演化的过程，显然， 这一过程满足最大广义信息熵原理( 或最大流原理) 。生态工业系统作为整个同 构和全息的世界图景中的部分和环节，也是一个通过最大化地收集广义信息流使 自身生成演化的广义生命体，本文由此揭示了复杂生态工业系统的实质，得到了 控制生态工业系统生成演化的动力学方程，构建起生态工业系统的理论框架。 在理论阐述基础上，本文发展出一套具体的算法，借助m a t l a b 平台提供的 自组织特征映射人工神经网络对复杂系统的动力学演化方程进行求解，即利用抓 取的组元重构复杂系统自我涌现的稳定模式，建立了新世界观和理论框架下对复 杂系统的数值模拟方法。基于这一思路，可对包括生态工业系统在内的复杂系统 结构演化进行预测，可在一定程度上了解其发展趋势。本文以中国鲁北生态工业 系统为例，对其整体结构模式的演化进行了模拟分析，表明鲁北生态工业系统的 发展是一个结构参量不断增大的优化过程，是各组元自我创生、不断协同进化和 成长的过程，其结构变化基本满足分形特征，并对基于最大流理论的人工神经网 络建模的预测方法进行了尝试，验证了这一理论和方法在实践中的应用价值。 最大流理论及其方法提供了一种有机联系、动态演化的新的世界观和方法 论，从微观粒子到社会结构的世界万象都可由其进行统一的推演。这种新的世界 观是对科学范式的根本转换，对于当代社会实施可持续发展有重大启示意义。 关键词：生态工业系统复杂系统世界观广义信息唯信息论最大流理论 a b s t r a c t e c o i n d u s t r i a ls y s t e mi san e wp a t t e mo fi n d u s t r i a ld e v e l o p m e n t 1 ti s a i s oa n i m p o r t a n ts t r a t e g y t 0s o l v ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e ma n dt oi m p l e m e n ts u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t t h em a i n l yp r a c t i c eo fe c o - i n d u s t r i a ls y s t e m i st h ec o n s t r u c t i o no f e c o i n d u s t r a lp a r k ( e i p ) a ne i pi sar e g i o n a la s s o c i a t i o nt h a tc o n t a i n s f i n a n c i a i c o n d i t i o n s ，s o c i e 够， e n v i r o n m e n ta n dr e s o u r c e s ni san e wa n i f i c i a lc o m p l e x e c o s y s t e md e s i g n e db yt h ec o n c e p t o fc i r c u l a re c o n o m ya n dt h ep r i n c i p l e so f i n d u s t r i a le c 0 1 0 9 y t h ef 0 1 1 m a t i o n ，d e v e l o p m e n ta n dd i s i n t e g r a t eo fa ne c o - i n d u s t r i a i s y s t e mi sap r o c e s so fd y n a m i ce v o l v e m e n t ，w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fo p e n n e s s ， e v o l u t i o n a r y ，e m e r g e n c e ，n o n - l i n e a r ，f h c t a lg r o 、v t ha n dv a s ts u b s y s t e ml n v a n o u s c a t e g o r i e s t h e r e f o r e ，a ne c o i n d u s t r i a ls y s t e mi sc o n s i d e r e da sat y p i c a lc o m p l e x g i a n ts y s t e m ，f o rw h i c ht h e r ea r e n o ty e ta n yp e r f e c tt h e o r i e st od e a lw i t h an e ww e l t a n s c h a u u n gt h a tb r e a k st h r o u 曲r e d u c t i o n i s mi sp u tf o n v a r di n t h i s p a p e r ，w h i c he x p o u n d st h ee s s e n c eo fe c o i n d u s t r i a ls y s t e m av i e 、v p o i n ti s r a i s e d t h a te v e r y t h i n gi nt h ew o r l di sb a s e do nt h ei n f o m a t i o nr e a l i t ) ro ri n f o 哪a t i o np r o c e s s i n 、v h i c has t e a d yp a t t e mi sc o n t i n u o u s l ye v o l v i n ga n db e i n gs e e k i n g t h ew h o i e u n i v e r s ei s j u s tac o m m u n a l ，o r g a n i c ，如n c t i o n a l ，m u l t i - h i e r a r c h i c a l ，s e l f - t r a i n i n g ， e v o l v i n g ，s e i f - p a n e me m e 唱i n g 仔o mb o u n i i a 叮l e s s n e t w o r k ni si s o m o 叩h i ca n d h o l o 掣a p h i c ad y n a m i c a ie q u a t i o n t h a td e s c r i b e sh o wt h ei n f o 肿a t i o nr e a i i 够o r i n f o 肿a t i o np r o c e s sc r e a t e st h ew h o l eu n i v e r s ei sr a i s e di nt h i sp a p e r a st h ee g oi n i i m i t l e s sn e t w o r kf o 咖ss t e a d yp a t t e m t 0p r o v et h ee x i s t e n c eo fi t s e l ft h r o u 曲 u n c e a s i n g l yg r a b b i n gi n f o m a t i o na n du n e 州n g l ym u t u a l l yr e f e r e n c i n g ，t h ee q u a t i o n a l s 0d e s c r i b e st h ep r o c e s so fc o n f 0 m a t i o na n de v o l u t i o no fr c a lw o r l d ，w h i c h o b v i o u s l yf u l f i l s t h em a x i m u mg e n e r a l i z e dl n f 0 啪a t i o ne n t r o p yp r i n c i p l e ( o r m a x i m u mf l u xp r i n c i p l e ，m f p ) a sap a r to rs e c t i o no ft h ew h 0 1 ep i c t u r co ft h e i s o m o r p h i ca n dh o i o g r a p h i c 、v o r l d ，e c o - i n d u s t r i a ls y s t e mi sa l s oag e n e r a l i z e dl i v i n g b o d yt h a tm a x i m a l l yg a t h e r sg e n e r a l i z e di n f o m a t i o nf l u xt 0g e n e r a t ei t s e l fa n d e v o l v e c o n t i n u o u s l v t h i si st h ee s s e n c eo ft h ec o m p l e xe c o i n d u s t r i a ls y s t e m w i t ht h e d y n a m i c a l e q u a t i o no ft h eg e n e r a t i o n a n de v o l u t i o no fe c o i n d u s t r i a l ， at h e o 盯 f m m e w o r ki sa c c o r d i n g l yb u i l tu p b a s i n go nt h ee x p l a i n i n go fm f pt h e o r y ，ap a r t i c u l a rm e t h o di sd e v e l o p e dt 0 s o l v et h ed y n a m i c se v o l u t i o ne q u a t i o n s o fc o m p i e xs y s t e mt h r o u 曲 t h e s e l 仁o r g a n i z i n gf e a t h e rm a pi na n i f i c i a ln e u 豫ln e t w o r kp r o v i d e db ym a t l a b a st h e s e l f _ e m e r g e n c es t e a d yp a t t e mi sr e b u i l tt h r o u 曲扩a b b i n ga g e n t si nc o m p l e xs y s t e m ，a n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e li ss e tu pb a s e do nt h en e ww e l t a n s c h a u u n ga n d m e t h o d o l o g y u s i n gt h i sm e t h o d ，af o r c c a s to ft h es t r u c t u r a le v o l u t i o no fa l lc o m p l e x s y s t e mi n c i u d i n ge c o i n d u s t r i a ls y s t e mc o u l db em a d ea n dt h et r e n do fd e v e l o p m e n t c o u l db eu n d e r s t o o di nac e i r t a i ne x t e n t l u b e ie c o - i n d u s t r i a ls y s t e mi st a k e na s 蛐 e x a m p l ei n t h i sp a p e rt os h o wt h ee v o i u t i o no fs t r u c t u r ei nc o m p l e xs y s t e m t h e s i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h ed e v e i o p m e n to fl u b e ie c o - i n d u s t r i a ls y s t e mi sa n o p t i m i z e dp r o c e s sw i t ht h ea c c r e t i o n0 ft h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n dap r o c e s so f s e l f g e n e r a t i o n ，s y n e r g e t i c - e v o l u t i o n a n dg r o w i n go ft h e a g e n t s t h es t r u c t u r a l d e v e l o p m e n tm e e t st h ef r a c t a lf e a t u r eb a s ；c a ll y af o r e c a s tm e t h o dh a sb e e nt r i e di n t h i sp a p e r ，v e r i 矽i n gt h e 印p l i c a t i o nv a l u ei np r a c t i c eo f t h i st h e o 叫a n dm e t h o d m f pt h e o 拶p r 0 v i d e st h en e ww e l t a n s c h a u u n ga n dm e t h o d o l o g yt h a tc o n t a i n o r g a n i cr e l a t i o n s 锄dd y n a m i ce v o l u t i o n t h ew h o l ew o r l d ，厅o mm i c r o c o s m i c p a n i c l e s t os o c i a is t l _ u c t u r e ，c o u l db eu n i 6 e da n dd e d u c e db yt h ef l u x i o no f g e n e r a l i z e d i n f o 舯a t i o n t h i sn e ww e i t a n s c h a u u n gt h a tm e a n sa ne s s e n t i a l t r a n s f o m l a t i o ni ns ci e n t 湎cp a r a d i g mh 嬲g r e a ts i g n i f i c a n c ef o rs u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：e c o i n d u s t r i a l s y s t e m ，c o m p l e xs y s t e m ，w e l t a n s c h a u u n g ， g e n e r a l i z e di n f b r n l a t i o n ，i n f o r m a t i o n a l i s m ，m f p 第一章绪论 第一章绪论弟一早硒记 人类出现在地球上已经几十万年了，然而只是从数千年前开始，特别是近四 百年以来，人类极大地改变了地球的样貌。从最高的山峰到最深的海底，几乎到 处都留下了人类的痕迹；每时每刻，我们都在使我们生存的环境发生着变化。 今天生活中环绕我们周围的，除了空气，就是各种人造产品。我们头上是人 工排放物遮蔽的天空和人工发射的各种电磁信号，我们脚下是纵横交错的管道和 地下设施，我们穿着批量生产的衣物、吃着加工过的食品、喝着净化处理过的水， 走过压制平整的道路，在大肆建造的房屋中进进出出，当我们想要呼吸一些自然 空气，我们就到公园去欣赏修饰过的风景总之，我们生活在一个“人造”的 世界里。人类社会已经从自然界中“分离”出来，这个庞大的系统以从自然界吸 取物质、排放废物做为保证其运转和存在的基础，其中工业生产过程无疑在整个 社会系统中占有极为重要的作用。 事实证明“人类征服自然”的说法不过是个美丽的神话。早在1 9 世纪工业 革命如火如荼时恩格斯就指出：“我们不要过分陶醉于我们对自然界的胜利。对 于每一次这样的胜利，自然界都报复了我们。”在当代社会，不断加剧的环境问 题不得不使每个人深深忧虑并思考：人类究竟应该去向何方? 工业是社会发展的最大动力，同时也是造成环境问题的最大元凶。所幸的是 近年来工业发展出现了一种新的形式生态工业，并被认为是社会可持续发展 的重要手段。本文即以此为切入点，在一种新的世界观下，探讨人类的最终命运。 1 1 概念 1 1 1 工业 一般将农业称为第一产业，工业称为第二产业，农业和工业之外的服务业等 称为第三产业【1 1 。三种产业之间并没有天然的明显界限，比如农机具、农药、化 肥的生产算是工业，但也是现代农业生产的不可分割的一部分，房地产业似乎应 算作服务业，但就其以土地、建筑材料为原料而为人们提供房屋这一产品来说， 似乎也可以算是工业。 在现时代，工业已经侵入了各个领域。农业中以机械化大生产为现代化的标 志，服务业也具有了批量化、规模化、标准化等特征。而工业本身也在某些方面 第一章绪论 向着定制化、个性化、对象化等方向发展。实际上，产业或行业的划分，更多地 只是为了人们指称的方便，对于某一活动，并不能严格规定其属于某一行业。因 此本文所指工业，并不局限于一般所说第二产业的工业，而是代表了广义的人类 生产活动。 工业是人与自然相互作用的最强烈的界面之一。一般认为工业以线性生产为 特点，企业购入原料，进行生产加工，输出产品。使用原料越多，生产出来的产 品也就越多，或者反过来说，要得到更多产品，就需要更多原料。原料和产品的 数量之间符合y = f ( x ) 的关系式，当然，还有废物的产生量。任何生产过程都不可 能把原料完全转化为产品，而是总要产生一定量废弃物。实际上，只要产品与原 料的价值有一定差额，工业生产过程就可以进行，这毕竟是一个追求利润的行业。 只有当存在某些外部压力时，人们才会寻求生产工艺、过程的改进，这些压力或 者来自提高生产效率的行业竞争，或者来自改善工作条件的要求，或者来自对废 弃物处理和排放的限制，等等。 无论如何，四百多年来工业在其大部分发展过程中，都是由以牛顿力学为基 础的线性科学作为理论依据的，尤其是第二次产业革命以来，人们认识到科学和 技术对产业的推动关系。力的作用方程是向a ，这意味着只要源源不断地输入 原料，就能够源源不断地得到产品。然而地球上的资源是有限的，而工业生产的 副产物废弃物，大部分原本并不存在于自然界中，它们的排放改变了所有生 物、包括人类的生存环境并不是改善，而经常是恶化。面对这种情况，工业 不得不作出改变。 这种改变并不完全是被动的。在某些地方，几个企业可能建立起一个副产物 交换网络副产物接受者可以将其作为原料输入使各自都能够获得一定 的额外利润。这种行为使工业具有了一些新的特点，在环境保护作为口号的时代 背景下，“生态”逐渐成为流行的关键词。 1 1 2 生态 “生态”一词最早是由德国科学家e h a e c k e l 于1 8 6 6 年提出的。英语中的 e c o l o g y 一词源于希腊文，e c o 相当于h o m e ，意为“住所”或“栖息地”，l o g y 相当于s n l d y t o ，意为“研究”【2 钏。生态学与经济学( e c o n o m i c s ) 是同源词，所 以有人把生态学叫做“自然经济学”。1 8 9 5 年日本学者将e c 0 1 0 9 y 译为“生态 学”，后经武汉大学张挺教授传入我国【2 】。 一般认为生态学是研究生物之间以及生物与环境之间相互关系的科学【2 】。生 态学研究的对象小到分子，大到整个生物圈，包括无机环境、生物环境、人与人 类社会等。生态系统( e c o s y s t e m ) 是指在一定空间中共同栖息着的所有生物( 及 2 第一章绪论 生物群落) 与其环境之间由于不断地进行物质循环与能量流动过程而形成的统一 整体【2 1 。生态系统可大可小，并具有层级性，一般包括非生物环境、生产者、消 费者、分解者四种组成部分，其中各种生物按取食和被食关系排列的链状顺序称 为食物链，食物链彼此交错连结，形成食物网。生态系统是动态的，物质和能量 沿各层级以一定效率循环和流动，可谓瞬息万变；同时生态系统又是稳定的，在 不断变化中表现出恒定的特性。 狭义上来讲，“生态”与“环境”是两个并列的学科，“生态”属于生命科 学范畴，“环境”属于地学范畴。实际上，“生态”是一个中性词汇，表示一种 关系或存在状态，其本身并不必然是褒义词【4 】。生态意味着相互联系，互利共生， 整体包含个体，又超越个体，个体只有放在整体之中才能够被理解。人类社会要 从工业文明进入到生态文明，并不是说工业文明或农业文明中人与环境的关系不 密切，而是意味着更加注意人与人、人与环境之间的关系的和谐，这种和谐的关 系将使整个社会或整个星球呈现一些新的特点。 1 1 3 生态工业 在工业文明初期，人们一度欢欣鼓舞于人类对自然的征服，林立的烟囱成为 文明的标志。传统工业以西方现代近现代科学技术为基础，以大机器化生产为标 志，以经济利益最大化为目标，从蒸汽机到电动机，人类揭开了大规模改造自然 的序幕。早期的工业部门之间，除了上下游企业的产品交易外基本没有其他的物 质、能量交换，原料开采和废物排放所产生的环境影响根本不在人们的考虑之内。 随着一次次产业革命，人类的生存环境己面目全非，人们也开始了对工业发展的 反思。直到污染成为一大难题甚至灾难，而工业生产的原料也被证明并不是取之 不尽、用之不竭的，人们才认识到或不得不承认，人与自然并不是对立的关系， 而是相互包容。人也是自然的一部分，工业生产过程也包含在自然过程之中，但 这种“人工自然”并不能很好地融于整个环境，而是破坏了本应存在的联系。面 对资源的日益匮乏和环境污染的日益加剧，在法律、伦理道德以及经济因素的刺 激下，工业企业间自发地形成了一些物料交换关系，取得了较好的效益。同时， 从对自然生态系统的研究中，人们得到了启示，工业的进一步发展只有师法自然， 才能实现真正的可持续。在现代社会中，经济效益与环境效益、社会效益并行不 悖、相得益彰，是保障一个企业、一个地区、一个国家乃至全人类的生存和发展 的必要条件。正是在这种理念下，生态工业园的建设在全球范围内蓬勃开展起来。 在工业( 也是自然的一部分) 的发展中，出现了“工业”与“生态”的结合。 早在生态学发展的初期，h o w a r do d 啪和r 锄o nm a r g a l e f 等先驱们就已经 意识到“人类活动的生物物理基质同样服从于自然生态系统的规律”。但在当时， 第一章绪论 生态学家们更多地将精力集中在与自然生态系统相似的农业生态系统研究方面。 一直到2 0 世纪5 0 、6 0 年代，生态学蓬勃发展，尤其是仿生学的快速发展，才使 人们产生了能否模仿自然生态系统，按照其物质循环和能量流动的规律重构产业 系统的想法【5 】。 生态工业系统是由社会、经济、环境三个子系统复合而成，并依据生态学、 经济学、技术科学以及系统科学的基本原理与方法来经营和管理工业经济活动的 一种现代工业发展模式【6 】。明确的“生态工业”的概念由美国学者f r o s c h 和 g a l l o p o u l o s 于1 9 8 9 年提出【- 8 1 ，他们认为生态工业系统模仿生态系统中植物一草 食动物一食肉动物的循环过程，在该系统中，能量与物质的消费将被优化，废物 排放将被最小化，一个过程产生的排放物将成为另一个过程的原料。 到目前为止，对生态工业并没有统一确定的定义。c o t er 和h a l lj 【9 】在1 9 9 5 年提出，生态工业系统能够维持自然和经济资源，减少生产、物质、能量等成本， 提高效率、产品质量、工人健康状况和企业公共形象，并能及时提供由废物利用 而获得的机会。l 锄b e na jd 和b o o n sfa 【l o 】认为，生态工业系统是由企业间的 设备共享、废物集中处理和废物、多余能量的交换等工业共生关系构成的系统组 织；n i c h o l a sg 【】提出，生态工业系统是在一定区域内由许多公司或组织形成的 团体或网络，它们以某种方式来交换和利用副产品、能源，以实现在传统的非链 接模式下无法获得的收益，如减少原料的消耗等：g r a e d e lte 和灿1 e n b ybr 【1 2 】 则认为生态工业是由相互作用的技术世界和非技术世界构成的、仿照自然界生态 过程物质循环方式、应用现代科技所建立和发展起来的多层次、多结构、多功能 的新型工业模式，其间存在物料流、能量流和信息流的相互关联。我国国家环保 部对生态工业的定义为【1 3 】：生态工业是依据清洁生产、循环经济和工业生态学等 原理而设计建立的一种新型工业发展模式，通过理念革新、体制创新、机制创新， 把不同工厂、企业、产业联系起来，提供可持续的服务体系，形成共享资源和互 换副产品的产业共生组合，建立“生产者一消费者一分解者”的循环方式，寻求 物质闭环循环、能量多级利用、信息反馈，实现经济的协调健康发展。这些定义 从不同侧重点表明了生态工业系统的特征和含义。 本文认为，“生态工业”一词至少代表了两层含义：其一，工业生产借鉴自 然生态系统，以副产物交换、工业共生等网状结构代替传统的线性结构，从而达 到减少资源能源耗费、降低废弃物排放、提高生产效率和效益等目标；其二，工 业生产过程融入自然生态系统的物质循环和能量流动之中，成为自然生态系统的 一个或多个环节，从而实现人类社会的可持续发展。这两个层次并不截然分开， 而是互有交叉，为工业发展勾画出美好的前景。 4 第一章绪论 1 2 生态工业的特点 生态工业作为工业发展的新阶段，有其不同于传统工业的独特的特点。首先， 生态工业要求生产过程中的副产物能够通过产业链、产业共生、物质能量交换网 络等得到有效利用，达到“零排放”；其次，生态工业要求从产品的设计阶段起 就考虑产品使用期结束后的再循环问题，目的是实现物质的“封闭循环”；再次， 生态工业以经济效益为核心，以环境效益为基础，追求社会、经济、环境三者“共 赢”。可见，生态工业重视物质的生命周期全循环，试图通过物质从源到汇的纵 向闭合提高其利用效率，实现资源的永续循环利用和社会的可持续发展【l4 】。 生态工业的特点及其与传统工业的比较如表1 1 所示【1 4 1 。 表1 1 生态工业的特点及其与传统工业的比较 第一章绪论 1 3 生态工业实践 1 3 1 国外的生态工业实践 丹麦卡伦堡工业体系是国际公认的首个生态工业系统【1 5 1 。自二十世纪七十年 代初以来，物质和能量的交换在卡伦堡当地的工业企业中自发但缓慢地形成，其 最初动力来源于企业为“废物”产品寻找产生收入的用途以减少成本和排放费用， 如发电厂的余热被用来提纯石油，炼油厂把炼石油滤出的硫出售给化学公司并向 墙板制造厂提供硫酸钙来代替通常所用的石膏，发电厂的过量蒸汽被用来加热 水，热水用于水产养殖、大棚温室和居民取暖等等【l6 1 。后期虽有政府部门介入， 但只是提供激励机制和政策支持，系统的主要发展动力仍然是各企业个体追求效 益最大化的行为。 卡伦堡的成功在全球掀起了生态工业的实践热潮，主要的实践形式是规划和 建立生态工业园( 或产业生态园，e c o 砌u 嘶a lp 破，简称e 口) ，这一概念是在 1 9 9 2 年由美国i n d i g o 发展研究所正式提出的。目前国内外生态工业园的建设 并没有统一的模式，其类型可划分为【1 4 】：现有改造型( 通过适当的技术改造在区 域内已经存在的工业企业间建立起废物和能量的转换关系) 和全新规划型( 在良 好规划和设计的基础上从无到有地进行建设) ；联合企业型( 围绕某一主体性的 大型联合企业所从事的核心行业进行建设) 与综合园区型( 各种不同行业通过共 生关系协调和配合) ；实体型( 成员企业在地理位置上聚集于同一区域) 与虚拟 型( 不严格要求成员在同一地区，而是利用现代信息技术由园区内和园区外的企 业共同构成一个更大范围的工业共生系统) 等等。同一个生态工业园在发展过程 中可能在几种类型之间转变，并且后期的生态工业园建设大部分都不只是企业的 自发行为，政府等管理部门在生态工业的发展中起着越来越重要的作用，在工业 园建设之前都会经过仔细的规划。 目前在国际上，不但美国、加拿大、法国、日本等发达工业国家早已开始进 行生态工业园的探索，泰国、菲律宾、马来西亚、印度等发展中国家也有此类实 践【l6 】。下面简要介绍一些发达国家中生态工业园的建设情况。 ( 1 ) 美国 美国是当前世界上最为积极投身于生态工业园区规划和建设的国家之一，生 态工业的发展得到了政府的大力支持。美国的生态工业项目在环境保护署和总统 可持续发展委员会的支持下展开，由一些城市的市政当局与大公司合作规划建设 而成，涉及生物能源开发、废物处理、清洁生产、固体和液体废物再循环等多种 行业，并包含了各种类型。美国主要地区的生态工业园及其特征如表1 2 【l4 j 所示。 第一章绪论 表1 2 美国主要生态工业园区项目 ( 2 ) 加拿大 加拿大于上世纪9 0 年代初分别在波思赛德和波特兰地区启动了“生态系统 与工业园”项目，使园区内大量制造企业和服务企业通过废物和能量的交换联系 为纽带相互衔接起来。据研究，在加拿大的4 0 个工业园区中有9 个被认为具有 很强的生态工业发展的可能性，涉及能源、化工、钢铁、造纸等多个工业行业【1 4 1 。 加拿大的主要工业园区如表1 3 【1 5 】所示。 表1 3 加拿大的主要工业园区 地点 主要工业企业与产品 范库弗峰，英属哥伦比亚 萨斯喀彻温堡，萨斯喀州 圣玛丽盐湖城，安大略省 兰提库克，安大略省 康沃尔，安大略省 比坎克尔，魁北克省 东蒙特利尔，魁北克省 圣约翰，新布朗斯威克 波恩赛德，新斯托克省 火力发电厂，纸浆厂，包装厂 化学品，发电厂，苯乙烯，p v c ，生物燃料 发电厂，钢铁厂，造纸厂，薄板厂 供热站，炼油厂。钢铁厂，水泥厂 热电厂，造纸厂，化学品，食品，电子设备，塑料，混凝土构件 化学品( h 2 0 2 、h c l 、c 1 、n a 0 h 、烷基苯) ，镁，铝 石化产品，精炼厂，压缩空气，石膏板，金属精炼，沥青 发电厂，造纸厂，炼油厂，酿酒厂制糖厂 发电站，纸浆与造纸，建筑板，炼油厂 7 第一章绪论 ( 3 ) 日本 日本人口密度大而资源短缺，因此将发展生态工业作为解决资源与环境问题 的首选方法之一。日本生态工业园的特色是零排放，以废弃物再生利用为主要内 容，能够回收、循环利用的废弃物多达几十种，如废木材、废塑料、废旧电器、 报废汽车、荧光灯管、废旧纸张等等。泽藤生态工业区和k o k u b o 生态工业园区 是日本较成熟且有代表性的生态工业园区【1 8 】。泽藤工业区以e b 诚公司为主 导，将区内所有可持续发展的努力都结合起来，包括居民、工业、零售业、农业、 公共服务与基础设施、研究与开发、运动与娱乐和自然区域等，通过各种废物转 化新技术来实现零排放目标和提高环境绩效；k o l ( u b o ( 井底瘦) 园区自1 9 7 5 年 开始逐步形成，由数十家电子生产商和零部件制造企业构成，是企业间通过采用 减少废物措施寻求经济优势而建立的生态工业园区的典型，并得到当地政府的资 助【1 4 】： 分析国外生态工业园区的成功运行，可以得出以下基本规律【1 5 ，19 】：第一，园 区在商业基础上逐步形成，所有企业都从中得到了好处；第二，环境保护法规起 到重要作用；第三，良好的商业信誉是成功建立生态工业园的基础；第四，政府 部门在经济和政治上的支持是生态工业园成功的保证；第五，生态工业园的成功 不仅在于其良好的环境效应，还在于能够满足市场的需求。这些规律和经验对于 我国的生态工业实践有着重要的借鉴意义。 1 3 2 国内的生态工业实践 我国在2 0 0 0 年前后开始对生态工业的系统性探索工作【2 0 1 。我国的生态工业 园大多采取政府主导的组织方式，根据产业结构特点分为行业类生态工业园区、 综合类生态工业园区和静脉产业类生态工业园区三种类型【2 l 】。行业类生态工业园 区是以某一类工业行业的一个或几个企业为核心，通过物质和能量的集成，在更 多同类企业或相关行业企业间建立共生关系而形成的生态工业园斟2 2 】；综合类生 态工业园区是由不同行业的企业组成的工业园区，主要指在经济技术开发区、高 新技术产业开发区等工业园区基础上改造而成的生态工业园斟1 3 】；静脉产业类生 态工业园区是以从事静脉产业生产的企业为主体建设的生态工业园区( 静脉产业 是以保障环境安全为前提，以节约资源、保护环境为目的，运用先进的技术，将 生产和消费过程中产生的废物转化为可重新利用的资源和产品，实现各类废物的 再利用和资源化的产业，包括废物转化为再生资源及将再生资源加工为产品两个 过程) 【2 3 】。至2 0 1 1 年5 月，相关部门共批准了5 4 家单位进行国家级生态工业示 范园区的创建工作，其中1 3 家己被正式命名为“国家生态工业示范园区”，如表 1 - 4 和表1 5 所示【2 4 1 。 第一章绪论 l 苏州工业园区国家生态工业示范园区 2 苏州高新技术产业开发区国家生态工业示范园区 3天津经济技术开发区国家生态工业示范园区 4 无锡新区国家生态工业示范园区 5烟台经济技术开发区国家生态工业示范园区 6山东潍坊滨海经济开发区困家生态工业示范园区 7上海市莘庄工业区国家生态工业示范园区 8日照经济技术开发区国家生态工业示范园区 9昆山经济技术开发区国家生态工业示范园区 1 0 张家港保税区暨扬子江国际化学工业园国家生态工业示范园区 1 1 扬州经济技术开发区国家生态工业示范园区 1 2 上海金桥出口加工区国家生态工业示范园区 2 0 0 8 年3 月3 1 日 2 0 0 8 年3 月3 1 日 2 0 0 8 年3 月3 1 日 2 0 l o 年4 月1 日 2 0 1 0 年4 月1 日 2 0 1 0 年4 月1 日 2 0 1 0 年8 月2 6 日 2 0 l o 年8 月2 6 日 2 0 1 0 年1 1 月2 9 日 2 0 1 0 年1 1 月2 9 日 2 0 1 0 年1 1 月2 9 日 2 0 1 1 年4 月2 日 1 3 北京经济技术开发区国家生态工业示范园区2 0 1 1 年4 月2 5 日 1 贵港国家生态工业( 制糖) 建设示范园区 2 南海国家生态工业建设示范园区暨华南环保科技产业园 3 包头国家生态工业( 铝业) 建设示范园区 4 长沙黄兴国家生态工业建设示范园区 5 鲁北国家生态工业建设示范园区 6 抚顺矿业集团国家生态工业建设示范园区 7 大连经济技术开发区国家生态工业建设示范园区 8 贵阳市开阳磷煤化工国家生态工业示范基地 9 郑州市上街区国家生态工业示范园区 1 0 包头钢铁国家生态工业示范园区 1 1 山西安泰国家生态工业示范园区 1 2 青岛新天地工业园( 静脉产业类) 国家生态工业示范园区 1 3 福州经济技术开发区国家生态工业示范园区 1 4 绍兴袍江工业区国家生态工业示范园区 1 5 青岛高新区市北新产业园国家生态工业示范园区 1 6 南京经济技术开发区国家生态工业示范园区 9 2 0 0 1 年8 月1 4 日 2 0 0 1 年1 1 月2 9 日 2 0 0 3 年4 月1 8 日 2 0 0 3 年4 月2 9 日 2 0 0 3 年1 1 月1 8 日 2 0 0 4 年4 月2 6 日 2 0 0 4 年4 月2 6 日 2 0 0 4 年1 1 月2 9 日 2 0 0 5 年4 月2 1 日 2 0 0 5 年1 2 月8 日 2 0 0 6 年5 月1 8 日 2 0 0 6 年9 月1 1 日 2 0 0 6 年1 0 月2 4 日 2 0 0 6 年1 2 月4 日 2 0 0 7 年5 月1 6 日 2 0 0 8 年8 月2 5 日 第一章绪论 由表1 4 和表1 5 可见，我国生态工业建设虽然起步较晚，但十年来发展迅 速，取得了很大成剃2 们。其一，建立了多级分类示范体系，涌现出大量典型案例， 优化了产业布局和产业结构，提高了产业发展的环境友好性；其二，建立了较为 系统的法规和政策体系，如循环经济促进法、国家生态工业示范园区管理办 法( 试行) 、生态工业园区建设规划编制指南和综合类、行业类、静脉产业 类生态工业园区标准等；其三，促进了相关理论的研究，形成实践与理论相互推 动的局面。 l o 第一章绪论 同时，在我国生态工业园建设和发展过程中也存在许多问题，如产业共生形 态发育不良、产业链延伸不足且链接不充分、共生系统不稳定，生态化功能发挥 不完善、物质代谢结构水平较低、资源能源利用效率和效益不高，缺乏核心竞争 力、园区吸引力下降、产业升级困难等 2 0 】，这主要是由于对生态工业园发展动力、 能力以及外在约束和激励机制等问题认识不清造成的。并且在世界范围内，随着 生态工业实践的发展，也出现了各种各样类似的问题，这意味着仅凭经验进行生 态工业园的规划和建设是不够的，需要对生态工业进行深入、细致的研究。丹麦 卡伦堡生态工业模式的形成经过了二十多年缓慢、自发的演化，至今仍在不断完 善之中，然而在社会快速发展的今天，面临严峻的现实环境问题，我们没有必要 也不可能再去走从前的老路。对生态工业的形成动力、运行机制、发展方向、调 控手段等进行理论研究，能够促进工业和社会的可持续发展，具有重大的现实意 义，也是当前国际学术界的热点之一。 1 4 对生态工业的理论研究 可以说生态工业是实践先于理论出现的，但自卡伦堡的经验广泛传播以来， 理论研究紧跟实践，在各地生态工业园的规划建设中发挥了很大作用。目前对生 态工业的研究以微观上的清洁生产、中观上的产业生态学和宏观上的循环经济理 论为基础，并在生态工业的各个方面进行了深入的展开。 1 4 1 生态工业的理论基础 ( 1 ) 清洁生产理论 清洁生产起源于2 0 世纪6 0 年代，是国际社会在总结工业污染治理经验教训 基础上提出的一种新型污染预防和控制战略，是对工业生产的“末端治理”思想 的超越。联合国环境规划署对清洁生产的定义为：清洁生产是关于产品生产过程 的一种新的创造性思维方式，意味着对生产过程、产品和服务持续运用整体预防 的环境战略以期增加生态效率并减降人类和环境的风险。对于产品，清洁生产意 味着减少和减低产品从原材料使用到最终处置的全生命周期的不利影响；对于生 产过程，清洁生产意味着节约原材料和能源，取消使用有毒原材料，在生产过程 排放废物之前减降废物的数量和毒性；对于服务，清洁生产要求将环境因素纳入 设计和所提供的服务中【2 5 】。 清洁生产是生态工业的本质和前提，这一论点的理论基础是生态效率【2 6 1 。生 态效率追求物质和能源利用效率的最大化和废物产量的最小化，清洁生产和生态 工业都趋向于利用“环境设计”方法拓展其应用【2 7 1 ，但清洁生产倾向于在单一的 第一章绪论 工业过程或企业内考虑废物的消减，而生态工业则关注过程、企业之间更大层面 的系统整体效益。 ( 2 ) 产业生态学 产业生态学( 或工业生态学) 是2 0 世纪8 0 年代末兴起的一门交叉学科，研 究人类工业系统和自然环境之间的相互作用、相互关系，为人类工业社会于自然 环境的协调发展提供理论框架【l 引。工业生态学认为工业系统既是人类社会的一个 子系统，也是自然生态系统的一个子系统，设法寻找系统中环境、经济和社会需 求之间适当的平衡【2 引，其研究的主要领域包括：工业系统与自然生态系统的关系， 原料与能量流动，物质减量化和脱碳，生命周期评价，为环境设计，延伸生产者 的责任，产品导向的环境政策，生态效益，生态工业园，技术变革与环境等【14 】【1 6 1 。 可见产业生态学为生态工业建设提供直接的理论基础，重视生态工业园建设中的 物质闭路循环，突出废物的再利用【5 】。产业生态学的核心方法是基于系统分析的 工业代谢法和生命周期分析法【2 9 1 。 ( 3 ) 循环经济理论 循环经济是物质闭环流动型经济的简称，其思想萌芽最早可追溯到2 0 世纪 6 0 年代的“宇宙飞船”理论，但直到9 0 年代，随着人们在发展和环境关系上的 认识逐步提高和理性化，这一思想才逐渐引起人们的重视。循环经济学以传统经 济学、资源经济学、环境经济学、生态经济学为理论支撑，以工业生态学为方法 基础，研究经济系统中物质的运动规律以及物质循环利用过程的经济规律