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生化调试培训资料第一部分 生化系统的调试运行第一节 调试前的准备工作一、熟悉环境1、熟悉现场：工程地点、构筑物及设备位置、操作平台；2、熟悉工艺流程：原水合格水路线、各管路路线；3、熟悉工艺指标：各单元进出水指标、各单元控制指标；4、熟悉操作规程：各设备操作规程、技术操作规程；二、建立联系通道： 获知协调人员、安装维修人员、电器安装人员、土建施工人员、公司相关负责人等的联系方式、沟通渠道，以便在有问题需要解决时，及时联系到相应负责人，保证调试、运行工作的顺利进行。三、编制调试方案、计划：四、点检工程构筑物、设备：各构筑物是否达到运行要求，是否清理干净；各设备、阀门、管路等是否达到安装要求，各传动设备是否已达到厂家的润滑要求，管路是否经过吹扫，泵入口是否加装临时过滤网等；五、设备试运行： 通电试验、运转是否有异响，转向是否正确六、构筑物沉降试验：1、水源的选择，优先选择附近坑塘河湖的微污染水，其次是二次水、井水、自来水，如原水浓度不高，可考虑加入部分原水（不得超过方案营养液浓度）。2、充水按照设计要求一般分三次完成，即1/3、1/3、1/3充水，每充水1/3后，暂停3-8小时，检查液面变动及建构筑物池体的渗漏和耐压情况。特别注意：设计不受力的双侧均水位隔墙，充水应在二侧同时冲水或交替进水。已进行充水试验的建构筑物可一次充水至满负荷。充水试验的另一个作用是按设计水位高程要求，检查水路是否畅通，保证正常运行后满水量自流和安全超越功能，防止出现冒水和跑水现象。充水试压，渐次进水；七、设备单机试运行：单机调试应按照下列程序进行：1、按工艺资料要求，了解单机在工艺过程中的作用和管线连接。2、认真消化、阅读单机使用说明书，检查安装是否符合要求，机座是否固定牢。3、凡有运转要求的设备，要用手启动或者盘动，或者用小型机械协助盘动。无异常时方可点动。4、按说明书要求，加注润滑油（润滑脂）加至油标指示位置。5、了解单机启动方式，如离心式水泵则可带压启动；定容积水泵则应接通安全回路管，开路启动，逐步投入运行；离心式或罗茨风机则应在不带压的条件下进行启动、停机。点动启动后，应检查电机设备转向，在确认转向正确后方可二次启动。点动无误后，作3-5min试运转，运转正常后，再作1-2h的连续运转，此时要检查设备温升，一般设备工作温度不宜高于50-60，除说明书有特殊规定者，温升异常时，应检查工作电流是否在规定范围内，超过规定范围的应停止运行，找出原因，消除后方可继续运行。单机连续运行不少于2h。单车运行试验后，应填写运行试车单，签字备查。泵满负荷水试两小时左右，压力设备按试压要求充水试压24小时左右，检查法兰连接处、焊缝处是否渗漏；八、单元试运行：目的是检查单元内各设备连动运行情况，并应能保证单元正常工作。九、联系菌种： 菌种量的确定 - 好氧：构筑物体积*5001000mg/l 量过少启动速度慢，过多易污泥老化。 选用菌种的原则 - 低费用 距离就进、体积小 （尽量采用压缩污泥） 活性好（近似工艺、性状、处理能力） 如果污水处理装置比较小，如LTIR集成装置，由于菌种用量小，最好直接选用污泥浓缩池的液态污泥。十、营养液配比：BOD、N、P-碳氮磷，100:5:1，原水性质。B：N大于20应考虑加氮（常用尿素） B：N小于3应考虑加碳源（常用甲醇、葡萄糖或大粪）十一、水处理辅料的准备：有机碳源（甲醇、葡萄糖等）、无机碳源（纯碱、小苏打）、磷（磷酸三钠、磷肥）、消泡剂、硫酸；十二、检测装置的准备：溶氧仪、pH计、化验仪器、药品第二节 好氧处理菌种的投加与培养一、菌种培养时构筑物的选择：方便加菌种、有曝气装置、有搅拌、方便进原水或营养液二、菌种的投加方案的确定根据现场具备的条件综合考虑。如场地、人工、运输车辆、临时电源、临时泵及管道、水枪、高差、过滤等因素三、菌种的粉碎对于压缩污泥应考虑污泥的粉碎问题，应根据现场的条件确定粉碎方法。粉碎方法选择的顺序为水枪-泵循环+滤网冲击-曝气、搅拌。四、菌种活性的恢复菌种加入后，首先是恢复其活性，由于菌种脱离其原来的好氧环境往往已有较长时间，因此，菌种运输到现场后应尽快加入培养构筑物，并且加入时，使构筑物处于曝气过程，每批加完后继续曝气，一方面淘汰厌氧菌，另一方面将构筑物内的营养物质消耗，恢复其活性五、菌种的培养在活性恢复后即进入培养阶段，目的是使活性污泥尽快生长，以达到一定的数量级。菌种活性恢复期间，同时自身也有部分增殖。菌种的培养可单独进行，也可与驯化同步进行，通常是以培养为主，即污泥量增加为主，兼顾驯化。如原水浓度较高或毒性较强，培养时应以加营养液或生活污水为主；如原水基本无毒性，碳氮比适当，可在培养阶段以原水为主。第三节 好氧处理活性污泥的驯化一、活性污泥驯化应遵循的原则 循序渐进、有的放矢、精心控制二、活性污泥驯化的方法与技巧 如果培养期间加入的主要是生活污水，应逐步减少生活污水的加入量，并逐步增加原水的进水量，每次增加的进水量为设计进水量的510%，每增加一次应稳定2-3个周期或2天左右，发现系统内或出水指标上升应继续维持本次进水量，直至出水指标稳定，如出水指标一直上升，应暂停进水，待指标恢复正常后，进水量应稍微减少，或略大于上周期进水量。以此类推，最终达到系统设计符合。 活性污泥驯化时，也可采用体积负荷法来进行驯化，可根据化验数据、进水指标、系统指标、构筑物体积推算出单位时间的系统污泥负荷，根据体积负荷来确定下个周期的进水量。下面以SBR池为例计算体积负荷。12小时一周期，曝8推4. 进水COD5000mg/L,氨氮1000mg/L，好氧池体积1000方，进水后生化池内COD300mg/L，氨氮50mg/L，曝气4小时后，生化池内COD200mg/L，氨氮34mg/L。则系统COD体积负荷=（300-200）/4= 25mg/L.h;系统氨氮体积负荷=（50-34）/4= 4mg/L.h; 再计算出本周期COD去除总量=1000方* 25mg/L.h* 8=200公斤； 氨氮去除总量=1000方* 4mg/L.h* 8=32公斤； 以COD计算下周期进水量=200*1000/5000mg/L=40方； 以氨氮计算下周期进水量=32*1000/1000mg/L=32方； 下周期进水量取32方连续进水的运行方式中，应计算单位时间内系统进入的COD、氨氮的总量，结合在此期间系统内指标的变化情况计算出体积负荷来确定下周期进水量。 如果化验设施不到位，无法获知COD、氨氮等数据，可根据溶解氧的变化、风机风量的大小来估算体积负荷。在这种情况下，进水量的增加更应稳定，避免冒进对系统产生冲击。 例如，系统内溶解氧一般控制在2-3mg/l，如果系统内溶解氧偏低，1.0左右，或进水停止后，溶解氧上升缓慢，说明进水量偏大，应适当减少进水量。如果溶解氧上升较快，说明进水量合理，可再适当增加进水量。 如果溶氧仪、化验仪器暂时都没有，可根据污泥负荷来确定进水量，一般污泥COD负荷按0.2公斤COD/公斤污泥.天。三、硝化菌的培养对于垃圾渗滤液来讲，硝化菌的培养是重点，相对于异养菌来讲比较难培养，硝化菌的培养过程同时也是污泥的驯化过程。下面根据影响硝化菌生长的因素来确定硝化菌培养时应控制的指标。主要有以下几种：温度在生物硝化系统中，硝化细菌对温度的变化非常敏感，在535的范围内，硝化菌能进行正常的生理代谢活动。当废水温度低于15时，硝化速率会明显下降，当温度低于10时已启动的硝化系统可以勉强维持，硝化速率只有30时的硝化硝化速率的25%。尽管温度的升高，生物活性增大，硝化速率也升高，但温度过高将使硝化菌大量死亡，实际运行中要求硝化反应温度低于。所以高氨废水工程的调试应尽量选择气温15度以上的季节，如果必须在冬季启动，应尽量选用高氨污水厂的菌种，或有保温、加温措施的系统。pH值硝化菌对pH值变化非常敏感，最佳pH值是8.08.4，在这一最佳pH值条件下，硝化速度，硝化菌最大的比值速度可达最大值。在硝化菌培养时，如果进水pH值较高，能够达到8.0左右最好，如果达不到也不应刻意追求，只要系统内pH值不低于6.5即可，如低于此值，应及时补充碱度，如烧碱、纯碱等。溶解氧氧是硝化反应过程中的电子受体，反应器内溶解氧高低，必将影响硝化反应得进程。在活性污泥法系统中，大多数学者认为溶解氧应该控制在1.52.0mg/L内，低于0.5mg/L则硝化作用趋于停止。当前，有许多学者认为在低DO（1.5mg/L）下可出现SND现象。在DO2.0mg/L，溶解氧浓度对硝化过程影响可不予考虑。但DO浓度不宜太高，因为溶解氧过高能够导致有机物分解过快，从而使微生物缺乏营养，活性污泥易于老化，结构松散。此外溶解氧过高，过量能耗，在经济上也是不适宜的。生物固体平均停留时间（污泥龄）为了使硝化菌群能够在连续流反应器系统存活，微生物在反应器内的停留时间（c）N必须大于自养型硝化菌最小的世代时间（c）minN，否则硝化菌的流失率将大于净增率，将使硝化菌从系统中流失殆尽。一般对（c）N的取值，至少应为硝化菌最小世代时间的2倍以上，即安全系数应大于2。重金属及有毒物质除了重金属外，对硝化反应产生抑制作用的物质还有：高浓度氨氮、高浓度硝酸盐有机物及络合阳离子等。BOD如果系统内BOD较高，系统内的异养菌就会与硝化菌争夺溶解氧，由于异养菌的数量远远大于硝化菌，硝化菌常常在系统内BOD较高的情况下得不到一定的溶解氧，而无法生长增殖。一般系统内BOD高于20mg/l，就会对硝化菌产生抑制。如果进水COD过高或碳氮比较高，硝化菌的培养就必须通过延时曝气来实现，即系统内COD已经合格或处于较低水平时，继续曝气，给予硝化菌足够的生长时间，曝气时，同样要控制好溶解氧，尽量低于3mg/L，防止污泥加速老化。氨氮浓度在系统氨氮浓度200mg/L时硝化菌就会被抑制，因此建议系统内氨氮浓度不高于150mg/L，在高氨污水处理中，由于进水氨氮浓度高，如果不注意，几个周期下来氨氮浓度就会升高到一定程度，常常在A池高于200mg/L，因此在硝化菌培养过程中以及正常运行时，应始终维持系统出水氨氮浓度在工艺要求指标以内，保证从调试开始，系统即出合格水结合以上几种因素，我们在培养硝化菌时，应尽量创造其生长的有利条件，制定出最佳方案。异常状况及解决措施一、一级反硝化池氨氮浓度高、硝态氮无原因 回流泵未开或损坏，无法将一级硝化池的硝态氮带入A池，导致一级反硝化池的硝态氮被全部消耗。同时也无法通过一级硝化池的低浓度氨氮回流水将一级反硝化池的氨氮浓度进行稀释，而氨氮浓度高的原水进水未停，导致氨氮浓度越来越高。解决办法 启动并加大回流量。二、硝化池硝化负荷低，导致氨氮积累原因 溶解氧偏低 水温低于15度 pH值偏低或碱度低 池内COD偏高解决办法 立即加大曝气量同时减少进水量或暂时停止进水，待氨氮浓度恢复正常再进水。三、二级反硝化池硝态氮高无浮泥二级反硝化池硝态氮高且没有补充有机碳源。解决办法 在二级反硝化池补充有机碳源。四、硝化池内溶解氧高原因 1、进气量大于生化需氧量；2、硝化期间，pH值低于6.0或碱度不足；3、硝化期间，氨氮不足；4、硝化菌受抑制或中毒。解决办法 1、适当减少进气量；2、补充碱度；3、增加进水量或减少进气量；4、停止进水，稀释、置换系统有毒物质浓度。五、硝化池内溶解氧低原因 进水量或进水浓度突然增大解决办法 减少进水量或增大供氧量六、一级硝化池内污泥突然减少原因 反硝化池搅拌未开，回流的污泥下沉于池底，无法回流到一级硝化池。解决办法 重新开启搅拌 七、污泥膨胀表现：指SVI值升高，通常高于200ml/g,污泥不易沉降，颜色发淡，系统粘度增加，膜通量下降，常伴随产生大量泡沫。分类：污泥膨胀分为丝状菌膨胀和非丝状菌膨胀。非丝状菌膨胀的原因：非丝状菌膨胀主要发生在废水水温较低而污泥负荷太高的时候，此时细菌吸附了大量有机物，来不及代谢，在胞外积贮大量高粘性的多糖物质，使得表面附着物大量增加，很难沉淀压缩。而当氮严重缺乏时，也有可产生膨胀现象。因为若缺氮，微生物便于工作不能充分利用碳源合成细胞物质，过量的碳源将被转弯为多糖类胞外贮存物，这种贮存物是高度亲水型化合物，易形成结合水，从而影响污泥的沉降性能，产生高粘性的污泥膨胀。非丝状菌污泥膨胀发生时其生化处理效能仍较高，出水也还比较清澈，污泥镜检也看不到丝状菌。 丝状菌膨胀的原因 ： 污泥负荷过高或过低，pH值偏低，营养比例失调等。在以上情况下，正常的菌胶团无法正常的代谢，而比表面积大的丝状菌在取得底物方面要比菌胶团有利，结果在曝气池内丝状菌就变成了优势菌。丝状菌大量生长，其菌丝伸出菌胶团外，造成污泥不易被压缩或沉降。 控制方法 控制合理的污泥负荷，控制好溶解氧、pH等指标，及时补充所缺的营养元素（磷钾、钠、镁、铁、锰、钴、铜、镍、锌等 、）主要功能：一是作为酶活化剂；二是在氧化还原反应中起电子传递的作用；三是调节微生物渗透压。若生化反应中缺乏这些微量元素，则微生物的活性将降低，无法进行电子的转移，因而代谢反应便无法正常进行。如果某一种或几种元素缺乏或者含量不足，就会限制微生物的正常生长，降低处理效率，同时会导致丝状菌大量生长而引起污泥膨胀。 应急措施：如果污泥膨胀比较严重，主要方法是投加药物增强污泥沉降性能或是直接杀死丝状菌。投加铁盐铝盐等混凝剂可以直接提高污泥的压密性保证沉淀出水。另外，投加一些化学药剂，如氯气，加在回流污泥中也可以达到消除污泥膨胀现象。投加过氧化氢和臭氧也可以起到破坏丝状菌的效果。 采用这种方法一般能较快降低SVI值，但这些方法并没有从根本上控制丝状菌的繁殖，一旦停止加药，污泥膨胀现象可以又会卷土重来。而且投药有可能破坏生化系统的微生物生长环境，导致处理效果降低，所以，这种办法只能做为临时应急时用。 八、硝化池内产生大量泡沫原因 1、洗膜时表面活性剂（洗衣粉、十二烷基磺酸钠等）加入过多，回流入系统；2、丝状菌过量生长 。解决办法 暂时加入消泡剂或适当降低液位，再清洗时控制表面活性剂的加入量，对于丝状菌，应参照丝状菌膨胀的控制方法来解决。九、临时停车停电2小时以内，可不做任何处理。停电8小时以上，应在停电前，停止进水，延时曝气，将系统内COD去除干净，防止厌氧化，来电后及时进水运行，控制好曝气量或溶解氧。长时间停车 三个月左右 停车前应大量排泥，维持系统比较低的污泥浓度，每天少量进水，间歇曝气，每天曝气1-2小时。半年以上 以重新接种启动为好。 第四节 运行时的控制指标一、F/M值：即污泥负荷，城市污水处理厂的污泥负荷一般为0.2KgBOD/KgMLSS.D。氨氮负荷很低。而垃圾渗滤液属高COD、高氨氮污水，COD可高达25000mg/L，氨氮浓度高达2500mg/L以上，对于此类废水，通常按氨氮体积负荷指导运行。渗滤液工程设计的氨氮体积负荷通常高达0.2KgN/m3.D，在实际运行时，应根据系统的处理能力来确定进水量，以确保系统正常运行。二、出水指标出水的指标一般看其COD、氨氮和pH值，只要按照工艺要求去操作，出水指标一般是没有问题的，出水COD偏高的原因主要有以下几种情况，一是风量不足造成溶解氧偏低，导致COD氧化不完全，这种情况通常伴随氨氮忽然升高，因为污染物氧化的顺序是先BOD，再氨氮，COD升高，说明COD降解不完全，氨氮基本上没有降解，所以会出现在出水COD偏高时，氨氮会因为没有被氧化在系统内造成积累而导致突然升高。 同样的道理，只要系统出水氨氮合格，COD也可以说是合格的，氨氮合格而COD不合格的现象有时也存在，往往是系统内亚硝酸盐积累造成的，因为亚硝酸盐也是COD组成部分。 三、溶解氧在实际运行过程中，溶解氧一般控制在2-3mg/l,过高会造成能源的浪费，甚至污泥老化。过低会造成出水指标偏高，甚至导致污泥膨胀。所以控制溶解氧应在2.0左右为宜。四、系统内氨氮运行时，系统内氨氮指标应控制在15mg/l以内，过高可能会导致出水氨氮指标超标，另外由于氨氮指标高，碱度消耗减少，从某种程度上也是盐分的相对增加，这样就增加了膜的污染程度。五、回流比污泥回流比过高，就会导致A池的停留时间过短，反硝化不能完全反应，造成硝化池COD负荷增加。过低会导致A池浓度过高，回流的硝态氮减少，也会导致反硝化供氧不足，同样反硝化不能完全反应，硝化池COD负荷增加。四、短程硝化的控制技术：1、pH值：7.48.3；2、温度：低于15或大于30度（35左右）；3、溶解氧：1.0左右；4、游离胺（FA)浓度：0.6-5mg/l；5、氨氮负荷：0.1KgN/m3.d；6、泥龄：低泥龄。五、同步硝化-反硝化工艺：就是在生化系统内，由于硝化菌达到一定数量，占一定优势，在好氧条件下，能够与异养菌分享溶解氧，在异养菌处理COD的同时，硝化菌将氨氮氧化为硝态氮，如果此时控制系统内的溶解氧处于较低水平，能够提供反硝化菌工作的适宜条件（缺氧状况），最终达到硝化反应与反硝化反应同步进行的效果。，其常用于B:N大于5:1的水质。生物处理控制指标COD（Chemical Oxygen demand）：又称化学需氧量，指在一定条件下，用强氧化剂处理水样时所消耗的氧的量，它反映了水中受还原性物质污染的程度，水中还原性物质主要包括有机物、亚硝酸盐，亚铁盐、硫化物等可以被氧化的物质。化学需氧量越高表明水中有机污染物越多。一般在化验时所用的强氧化剂为重铬酸钾或高锰酸钾，用重铬酸钾作氧化剂所测得的化学需氧量用CODcr表示，用高锰酸钾作氧化剂所测得的化学需氧量用CODMn表示,一般CODcrCODMn BOD5。我们国家规定在检测化工废水时用重铬酸钾法。BOD5（Biochemical Oxygen demand）：又称五日生化需氧量，指在一定条件下（五天时间、恒温20），微生物在好氧条件下分解存在水中的某些可氧化物质，特别是有机物时所进行的生物化学过程中消耗的溶解氧的量。CODcr与BOD5之差可以大概表示不能被好氧微生物分解的有机物量。在生化处理中常表示有机碳源的含量，而有机碳源则是兼性厌氧菌在反硝化处理亚硝酸盐和硝酸盐时必不可少的营养物质。有机胺：又叫有机氮，一般是指有机类物质与氨发生化学反应生成的有机类物质。如尿素、一甲胺CH3NH2。胺是氨的氢原子被烃基代替后的有机化合物。氨氮（NH3-N）：存在于水中的游离氨（NH3）或铵盐（NH4+）。亚硝酸盐（NO2-）：在生化处理中，是指氨氮被好氧的亚硝化菌氧化成的产物。硝酸盐（NO3-）：在生化处理中，是指亚硝酸盐被好氧的硝化菌氧化成的产物。pH：表示水中的酸碱度，指水中H+浓度的负对数。JD（碱度）：表示水中的OH-和碳酸盐的浓度，在生化处理中常表示无机碳源的含量，而无机碳源则是硝化菌在处理氨氮时必不可少的营养物质。单位mmol/LDO（dissolved oxygen）即溶解氧,好氧菌在处理污水时的电子受体,溶解氧的高低直接影响生化处理速度。单位mg/LSV30（Sludge V）即污泥沉降比，是指曝气池在静沉30分钟后，污泥体积所占曝气池内水体体积的百分比，是衡量活性污泥沉降性能和数量的指标。单位%MLSS即污泥浓度，单位体积的污泥质量，它是反映细菌数量多少的指标。单位mg/LMLVSS混合液挥发性悬浮固体浓度(mixed liquor volatile suspended solids)的简写。本项指标所表示的是混合液活性污泥中有机性固体物质部分的浓度。相对于MLSS而言，在表示活性污泥活性部分数量上，本项指标在精度方面进了一步。SVI即活性污泥体积指数，指单位质量污泥的体积，它是反映污泥活性的指标。污泥负荷 又叫食微比 即F/M值，单位细菌的营养比例或单位重量污泥与单位时间内消耗的有机物的比值 单位KgBOD/KgMlss.D体积负荷 单位体积生化系统的处理能力。KgN/m3.D或KgBOD/m3.D水力停留时间 HRT 污水在系统内的停留时间。回流比 回流流量与进水流量的比值。硝化速率 单位时间内的氨氮转化速度。单位mg/L.h、Kg/m3.D碳化速率 单位时间内的COD转化速度。单位mg/L.h、Kg/m3.D第一节非均衡力与循环累积因果链一、区域之间非均衡力的来源1、三种效应和两种作用力区域经济中普遍存在着如下三种效应。第一种效应称为“市场接近效应”，它是指在其他条件相同时，工业企业在进行区位选择时偏好市场规模较大的区域，企业所生产的产品一部分在所在区域销售，另一部分出口到市场规模较小的区域。企业的这种区位选择非常易于理解，因为生产地接近大市场能够节省销售环节中的运输成本和其他费用，也就是节省贸易成本。第二种效应是“生活成本效应”，它考虑的是工业企业的区位选择对当地消费者生活成本的影响。在企业数量多的区域，当地企业生产的产品种类和数量自然也就较多，这意味着该区域需要从外地（即另一个区域）进口的产品种类和数量相对较少，因而该区域消费者需要负担的进口产品的贸易成本较少，或者说，该区域的产品价格相对便宜 另一种说法是该区域的商品价格指数较低，生活成本效应因此又被称为价格指数效应。，这样，该区域消费者或居民的生活成本就会较低。第三种效应是“市场拥挤效应”，它指企业因过于集中会导致彼此不利，企业在进行区位选择时倾向于选择竞争者较少的区域。企业在空间上过于集中的主要不利在于会使争夺消费者的竞争趋于激烈，这会降低企业的盈利能力。区域经济中的三种效应能产生两种性质的作用力：聚集力和分散力。由于市场接近效应的存在，工业企业会有向市场规模较大的区域集中的倾向，这种效应产生的力量就是聚集力；由于生活成本效应的存在，消费者或者说劳动力有向企业数量较多的区域（也就是市场规模较大的区域）集中的倾向，这种效应产生的力量也是聚集力；第三种效应即市场拥挤效应产生的力量则正好相反，它抑制企业向经济活动密度大的区域集中，这种力量就是分散力，也称排斥力。2、区域之间非均衡力的构成区域经济中的上述效应产生的两种性质的三个作用力作用到一起就会形成一个合力，当这个合力不等于零时我们就称它为区域之间的非均衡力。当然，这个合力在理论上也有可能为零，但这是一种非常巧合的情况，也就是聚集力和分散力正好相互抵消了，这时区域之间在总体上实际并不存在作用力，由于这种情形即使发生也不会持久，因为经济系统总会产生各种偶然因素对这种情形构成扰动，所以我们一般认为区域之间总是存在着非均衡力。因为非均衡力是聚集力与分散力相互抵消后的剩余，所以它或者表现为聚集力，或者表现为分散力，之所以称为非均衡力，不仅在于聚集力与分散力没有形成完全势均力敌的均衡，也就是不能正好相互抵消，更在于这个非均衡力常常还是变化的，随着区域之间贸易成本（市场开放度）的变化而变化 这里的贸易成本是一个由交通运输技术和贸易制度安排决定的概念上的值，不因贸易实际是否发生而存在，例如随着交通运输技术的进步和区域之间贸易壁垒的降低，区际贸易成本就是降低的，这对应着市场开放度的提高。贸易成本的存在可以被视为对市场开放的阻碍，贸易成本为零意味着贸易的完全自由，此时的市场开放度最大，贸易成本无穷大意味着贸易的完全不自由，此时的市场开放度最小，两个区域实行封闭政策。习惯上用区间0,1来表示市场开放度的取值范围，贸易成本从无穷大降低为零的过程对应着市场开放度从0提高到1。，不但力的绝对大小是变化的，而且力的性质还可能变化，例如从分散力变化为聚集力，表现出另一种非均衡性或不稳定性，我们将在具体介绍要素流动时再逐步说明非均衡力的这些性质。二、循环累积因果链1、循环累积因果链的形成条件为使分析尽可能严谨，我们首先从区域对称情形出发开始讨论。假设由于偶然的原因，两区域的初始对称状态受到了某种轻微的扰动，例如有少量工业人口，哪怕只有一名工人，从南部迁移到了北部，由于作为工业品生产者的工人同时也需要消费工业品，因此，这时北部对工业品的市场需求大于南部，这意味着北部的市场规模大于南部，根据市场接近效应，就工业企业的区位选择而言，北部的优势强于南部，这样，南部的企业有向北部流动的倾向，这就产生了一个聚集力。如果不考虑迁移成本等因素，企业就会开始向北部迁移，又会引发前面已经提到的生活成本效应和拥挤效应：一方面，北部企业数量的增加导致北部生产的工业品种类和数量增加，根据生活成本效应，这引起北部居民生活成本的降低，于是南部工业人口有进一步向北部流动的倾向，这又产生一个聚集力；另一方面，北部企业数量的增加会加剧企业之间的竞争，降低了企业的获利能力，工人的工资收入也随之下降，这就是所谓的拥挤效应，拥挤效应产生阻碍企业向北部聚集的分散力或排斥力。如果两种聚集力之和大于分散力，则三个力的合力（也就是区域之间的非均衡力）表现为聚集力。如果两个聚集力之和小于分散力，则区域之间的非均衡力表现为分散力 容易理解，在初始的对称状态下，区域之间既不存在聚集力也不存在分散力，合力为零，但一旦发生扰动，这种状态就遭到破坏。在第一种情况下，区域之间表现为聚集力的非均衡力势必进一步促进企业向北部聚集，并且，数理分析表明，这种聚集是自我强化的，能够不断加速进行下去，直到所有企业都集中到北部为止，这是一个循环累积的过程，其中包含着一个循环累积的因果关系，也称“循环累积因果链”，按照系统动力学的观点，这是一种正反馈机制。在第二种情况下，区域之间表现为分散力的非均衡力不但将抑制企业向北部的进一步聚集，而且还倾向于抵消已经发生的扰动，直到恢复区域的对称状态 但这种恢复也只能是作为一种趋势而存在，因为经济系统内总会产生新的扰动。，按照系统动力学的观点，其中包含的是一种负反馈机制，在负反馈机制的作用下，循环累积因果链不能形成。到这里，我们可以概括地说，循环累积因果链的形成条件是区域之间的非均衡力表现为聚集力。2、循环累积因果链的作用机制现在我们结合实际给出循环累积因果链的具体环节和作用机制。不仅工业人口的偶然流动可以对初始的对称状态构成扰动而引发聚集，物质资本也可以起到同样的作用，作为生产要素组合体的企业则更是如此，只要扰动发生后区域之间的非均衡力表现为聚集力，聚集就会发生并进行下去。这里应该强调指出，我们可以把企业的流动或迁移看成是劳动力（普通劳动力和/或人力资本）和资本（物质资本和/或人力资本）的结合体的流动。我们知道，生产要素至少包括土地、劳动力和资本，除了土地不能流动之外，劳动力和资本都可以流动 但具体分析要素流动时我们又会对不同性质的劳动力和资本的流动性进行限制性假定。首先，考虑初始扰动由南部的劳动力向北部的偶然流动造成。由于劳动力同时也是消费者，这意味着南部的市场规模缩小而北部的市场规模扩大，根据市场接近效应，市场规模的扩大势必增强对企业的吸引力，而企业是劳动力和资本的结合，这意味着南部劳动力向北部的流动将进一步吸引南部劳动力和资本向北部流动，于是，从南部流动到北部的劳动力无论是与北部的资本结合在一起构成企业还是直接加入北部企业，从南部流动到北部的资本无论是与北部的劳动力结合在一起构成企业还是直接投入北部企业，或者，南部的企业直接迁移到北部，再或者，这些方面兼而有之错综复杂地交织在一起，都意味着北部企业的增加或增强，这样，北部生产的工业品种类和数量必然增加，根据生活成本效应，这将导致北部生活成本的降低，于是这又将吸引南部劳动力向北部的流动。可以发现，这是一个循环累积的过程。其次，考虑初始扰动由南部的资本向北部的偶然流动造成。资本从南部流动到北部后，无论是与北部劳动力结合在一起构成企业，还是直接投入北部企业，或者两方面兼而有之，都意味着北部企业的增加或增强，这将增加北部的工业产品种类和数量，根据生活成本效应，这将吸引南部劳动力向北部流动，于是，要素流动进入上面的累积循环过程。再则，如果初始扰动是由南部企业偶然向北部迁移，也就是南部劳动力和资本同时向北部流动造成的，那么很明显，上述循环累积过程更是不可避免。总之，在表现为聚集力的非均衡力的驱使下，要素从南部向北部的聚集因市场接近效应和生活成本效应的作用将会进一步增强原有的非均衡力（聚集力），形成一个循环往复的过程，聚集能够不断进行下去，一旦开始似乎就无法遏止，直到南部所有的工业人口和资本都聚集到北部为止。虽然仔细分析起来，这个循环往复的过程很复杂，但粗略地看，要素的区际流动在市场接近效应和生活成本效应的作用下进一步加快流动，如此循环往复就明显构成了一个链条，也就是所谓的“循环累积因果链”，可简单图示如下。图21循环累积因果链但我们不能忘记，除了产生聚集力的市场接近效应和生活成本效应以外，还有一个市场拥挤效应，它产生的是阻碍要素向北部聚集的分散力或排斥力，而且，这个力也应该随着北部要素或经济活动聚集密度的增加而增强。然而，由于在扰动刚发生时该分散力就小于聚集力，要素向北部的聚集不能在一开始被遏止，随着聚集过程的持续，分散力与聚集力都在增强，但分散力的增强速度低于聚集力的增强速度，因而不能扭转要素向北部聚集的势头。但随着要素集中度的提高，市场拥挤效应也变大，因此考虑拥挤效应，则生产要素在某一区域的聚集也有它的最大值，如果超出最大值，那么企业之间争夺消费者的竞争将变得非常激烈，企业的盈利能力下降，这表现为经济增长率明显下降。然而，此时要素聚集趋势仍在加强，因而出现了要素聚集和企业盈利能力下降的两难选择问题。正因为这种两难选择，我们看到要素聚集区内的产业结构不断升级的现象，也就是说，在要素聚集区内企业间的竞争导致竞争力弱或没有创新能力的企业被淘汰或被迫转移出去，留在要素聚集区内的企业一般来讲都具有一定的竞争能力、具有一定的创新能力、或规模经济效应较大。这种过程就是区域产业结构的优化过程，正如区域经济学基础理论部分所指出的那样，这种结构优化过程不是外生过程而是内生过程。这种产业聚集区内产业结构的内生优化过程可以举出很多例子，天津韩资企业具有典型意义。随着天津投资环境的不断改善，大量的韩资企业进入天津，据天津韩国商会的统计资料，到2005年底，在天津韩国商会注册的韩资企业有三千多家，然而与天津韩国商会经常保持联系的韩资企业只有1200多家企业，那么其余1800多家企业呢？韩国商会会长指出，这些企业要么遭淘汰要么转移到别的地方了。这1800多家韩资企业，不仅无法同其他国家的企业进行竞争，也竞争不过规模较大的中国企业，这些企业都是中小型企业，技术含量较低，竞争力较弱。据我们的研究，遭淘汰的韩资企业，主要是技术含量较低、创新能力低以及经营策略失策的企业。与此相反，随着天津新一轮投资高潮的到来，大量的跨国公司和国内大型企业纷纷到天津投资，包括大量的韩国跨国企业。上述的循环累积因果链无疑为我们解读块状经济的现实世界和聚集现象提供了极其有益的启示。但读到这里，读者可能仍然充满疑问。特别是，既然循环累积因果链的形成是有条件的，那就是区域之间的非均衡力表现为聚集力，而非均衡力也可以表现为分散力。那么，究竟在什么情况下表现为聚集力，又在什么情况下表现为分散力呢？也就是说，聚集什么时候发生呢？而且，如果发生，经济活动向哪一个区域聚集呢？聚集以后是否能保持稳定呢？我们将在第二节中逐步涉及这些问题。最后，我们进一步强调，在本章中，对企业流动或聚集的理解不应局限于已有企业进行区际迁移这个层面，而完全可以理解为要素的流动。或者，我们也可以把要素理解为企业，这并不影响问题的实质。因此，在很多时候，我们把要素聚集与企业聚集、产业聚集、经济活动的聚集等作为等价的概念来使用。第二节 劳动力流动本节内容的核心思想来源于克鲁格曼提出的核心边缘模型 Paul Krugman, “Increasing Returns and Economic Geography”, Journal of Political Economy, 1991, 99: 483499; Richard Baidwin, Rikard Forslid, Philippe Martin, Gianmarco Ottavino and Frederic Robert-Nicoud, “Economic Geography and Public Policy”, Princeton University Press, 2003,pp.9-67.，我们将通过对劳动力的特殊假定表明工业劳动力的流动可以导致经济活动的突发性聚集并形成核心-边缘结构，核心-边缘结构的形成就是经济增长模式由均衡增长模式转变为非均衡增长模式的过程。核心-边缘结构的形成及其稳定性问题具有丰富的经济学含义，富于现实启迪。为了讨论的方便，我们假定经济系统中的所有产品(工业品和农业品)都由并且只由劳动力生产出来，劳动力既是生产者又是消费者，劳动力分为两种，分别为农业劳动力(农民) 和工业劳动力(工人)，农民生产农业品，工人生产工业品，每个工业企业在组织工人生产工业品时，既需要一定量的工人作为固定投入，又使用工人作为可变投入。农民在两区域等量均匀分布并且不能跨区流动，工人可以在区际无成本地自由迁移（流动），迁移的目的是追求更高的实际收入水平或效用水平，这意味着工人在进行这种迁移决策时既考虑名义工资水平又考虑生活成本 (消费品价格水平)。除了劳动力方面的上述假定外，其他仍维持本章开始时交待的基本假定不变。一、循环累积因果链现实中的经济聚集或区域分异往往是循环累积因果链的作用所致。我们现在来说明在上述劳动力假定条件下可能存在的循环累积因果链。首先，我们仍然从对称情形出发进行讨论。假设两区域的初始对称状态受到轻微的扰动，这种扰动由少量工人的迁移造成，例如哪怕只有一名工人从南部迁移到北部，原有的对称状态就遭到了破坏。因为工人把自己的收入花费在工作地点，北部的消费需求或支出份额变大而南部的变小，也就是北部的市场规模变大而南部的变小，在存在贸易成本且其他条件都相同的情况下，根据市场接近效应，就工业企业的区位选择而言，北部的优势强于南部，任何企业都倾向于选择市场规模大的区位。如果企业迁移无成本，那么南部企业将向北部迁移，南部工业部门的就业减少而北部的就业扩大，北部工业部门提供大量的就业机会，劳动力需求超出北部工人的供给，因而生产的转移进一步激励工人的迁移，这一过程是自我强化的。于是我们发现这样一个循环：人口迁移导致消费支出的转移，消费支出的转移导致生产活动的转移，生产活动的转移反过来又激励人口的迁移。这被称为“与需求关联的循环累积因果关系”，也称“后向联系”，具有正反馈机制性质。“与需求关联”强调的是需求空间分布的变化是上述机制的杠杆。其次，上述扰动发生后，工人从南部向北部的迁移将增加北部并减少南部的工人数量。根据生活成本效应，由于工人完全就业，这种人口迁移将减少南部而增加北部生产的工业品种类和数量，导致南部的生活成本(商品价格指数)上升而北部的下降，北部生活成本的降低等价于北部实际工资(效用)水平的提高，南部的情形正好相反，这进一步吸引工人从南部向北部迁移，这一过程也是自我强化的。于是我们发现另一个循环：人口迁移导致生产活动的转移，生产活动的转移改变生活成本，生活成本的改变进一步激励人口的迁移。这被称为“与成本关联的循环累积因果关系”，也称“前向联系”，也具有正反馈机制性质。“与成本关联”强调生活成本的变动是上述机制的杠杆。容易发现，在上面关于劳动力的假定下，工业企业和工人实际上是一回事。同时，上述以市场接近效应为核心的与需求关联的循环累积因果关系和以生活成本效应为核心的与成本关联的循环累积因果关系实际上是交织在一起的，这两个循环累积因果关系共同构成循环累积因果链，产生自我增强的聚集力，促进经济聚集。换一种说法就是，上述扰动发生后，市场接近效应和生活成本效应的双重作用倾向于使工人从而工业活动持续加快向北部聚集。但是，这其实只是一种可能性，实际是否真的导致工业活动持续向北部聚集，或者说循环累积因果链能否形成，还要取决于市场拥挤效应。二、对称结构（均衡增长模式）的破坏和突破点扰动发生后，当市场接近效应和生活成本效应起作用时，市场拥挤效应也随之起作用，市场拥挤效应产生的是分散力，它倾向于抵消市场接近效应和生活成本效应产生的聚集力。那么，分散力能否抵消聚集力呢？如果分散力大于聚集力，也就是区域之间的非均衡力表现为分散力，则扰动不足以引发聚集，区域之间存在负反馈机制，扰动会被抵消或抑制，原有的对称结构（也就是均衡增长模式）将继续存在。如果分散力小于聚集力，也就是区域之间的非均衡力表现为聚集力，则扰动将引发聚集，循环累积因果链得以形成，区域之间起作用的是正反馈机制。显然，分散力与聚集力之间的权衡涉及一个临界状态，它是循环累积因果链形成也就是聚集发生的临界点，该临界点所决定的是区域之间的作用力何时表现为聚集力、何时表现为分散力的问题。这个临界点与区域之间的贸易成本或市场开放度有密切的关系 需要指出，就不同区域而言，贸易成本和市场开放度可以是不同的，例如，如果其他条件相同，一个区域实行自由贸易而另一个区域实行地方保护，则两区域的市场开放度是不同的。但是在这里，根据区域是对称的假定，可以视两个区域对外的开放程度是相同的。，它就是所谓的“突破点”。这里的贸易成本是一种观念上的抽象，它由交通运输技术和贸易制度状况所决定，不因贸易实际是否发生而客观存在，贸易成本的降低意味着市场开放度的提高。下面我们说明突破点。我们再回到区域的初始对称状态，考虑一个既定的极其微小的扰动，那么，在不同的市场开放度条件下，该扰动所导致的区域之间的非均衡力是不同的。具体地说，扰动所导致的聚集力和分散力都随着市场开放度的提高（贸易成本下降）而减弱，但它们减弱的速度并不相同，分散力减弱的速度更快一些，这可以由图22示意。 图22均衡增长模式转变为非均衡增长模式的临界点（突破点）资料来源：Ridhard Baidwin, Rikard Forslid, Philippe Martin, Gianmarco Ottavino and Frederic Robert-Nicoud: “Economic Geography and Public Policy”, Princeton University Press, 2003, p.29.如图所示，聚集力和分散力在随着市场开放度提高而减弱的过程中有一个交点，即点，在该点聚集力和分散力正好相等。将点所对应的贸易自由度记作，那么，容易看到，如果扰动发生时，市场开放度小于，则分散力大于聚集力，非均衡力表现为分散力，扰动不能导致循环累积因果链的形成；反之，如果扰动发生时，市场开放度大于，则聚集力大于分散力，非均衡力表现为聚集力，扰动能够导致循环累积因果链的形成。显然，正是循环累积因果链形成的临界点，也就是经济增长由均衡模式转变为非均衡模式的临界点。由于循环累积因果链形成后，聚集加速进行，直到工业生产全部集中到核心区，而另一个区域沦为边缘区，区域的初始对称状态迅速被打破，因此称为“突破点”。聚集力与分散力的相对关系，或者说聚集力的大小，与人们对工业品的支出份额(人们的支出中用于工业品消费的比例)和工业品种类(人们的多样性偏好程度)密切相关。工业品的支出份额越大，聚集力越强；工业品的差异性越大，聚集力也越强，这直接影响突破点的位置。由图2-2容易看到，如果聚集力曲线A向上移动(聚集力变大)，则突破点势必左移，这意味着循环累积因果链的形成或者说聚集的发生变得更容易。如果工业品的支出份额和工业品的多样化程度大到一定程度，就有可能使聚集力曲线位于分散力曲线的上方，这导致两条曲线在坐标系的第一象限内没有交点，也就是不存在突破点，这意味着无论市场开放度水平如何低，完全聚集都必然发生，要素聚集区域（即核心区）的聚集力无比强大，能够把区域外的所有可流动要素都吸引过去，具有与宇宙中的黑洞类似的性质。导致这种情形的条件被称为黑洞条件。而我们对经济系统的假定通常是排除这种情形的，或者说，我们一般假定经济系统满足“非黑洞条件”。这里还有必要指出，无论聚集力曲线A的形状如何，其右下方的端点却总是横坐标(市场开放度)为1的点，因为在该点处市场是完全开放的，区际贸易没有任何成本，不仅运输成本降低到零，制度安排对贸易也不构成任何障碍，这意味着工业企业选择任何区位都是一样的。因此，基于节省贸易成本而存在的市场接近效应和生活成本效应从而聚集力也都不复存在。而且，当贸易成本为零时，对任何一个企业而言，与附近企业的竞争和与远距离企业的竞争，在竞争程度上都是相同的，因此此时区域之间的分散力也同样不复存在，区域的存在已没有任何意义，从而分散力曲线D的右下方的端点也是横坐标为1的点。这样，我们刚才提到的聚集力曲线A向上移动其实并不准确，与其说是向上移动，不如说是围绕其右下方的端点顺时针转动，前面的表述只是为了理解上的方便。显然，贸易无成本在现实中是不可能达到的，只在理论上存在，但上述分析提示了一种趋势。上述讨论具有重要的经济学含义，就是说，经济活动的聚集是经济系统的内生现象，由经济系统内生的循环累积因果链所促成，外生因素只是起到触发器的作用，形成循环累积因果链后，在没有任何外力的情况下，仍将继续循环累积过程。循环累积因果链是经济系统中的内生机制。由于这种机制的存在，初始对称的经济系统最终演变为核心-边缘结构，随之，经济增长也由均衡模式转向非均衡模式。在讨论循环累积因果链时，我们假定区域的初始对称状态受到的扰动是偶然的区际要素流动造成的，本节中的扰动则具体指偶然的工业劳动力跨区迁移。既然扰动是偶然的，它的方向就是不确定的，或者说是随机的，因此在区域对称的假定前提下，北部和南部都有一半的概率成为核心区，要素向哪个区域聚集完全取决于偶然的历史事件，但偶然事件一旦发生，要素的聚集区域就被确定了。那么，我们能否假设区域的初始对称状态永远不受扰动呢？很显然，在理论上可以这样假设，但这是不切实际的，正如绝对静止的事物并不存在那样，对区域初始对称状态的偶然扰动是必然存在的，从而经济聚集有其必然性，但在何处聚集却常常是偶然的。三、核心-边缘结构（非均衡增长模式）的维持和维持点根据图22，当区域之间的市场开放度小于突破点时，区域的对称结构是稳定的，反之，对称结构不稳定。对称结构的稳定性是由扰动发生后区域之间非均衡力的性质所决定的。那么，如果经济系统已经形成核心-边缘结构（简称为聚集结构），这种结构是否在任何情况下都能保持稳定呢？数理分析表明，聚集结构的稳定性也与市场开放