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污水生物处理基本知识1 厌氧生物处理废水的厌氧生物处理是环境工程与能源工程中的一项重要技术，使有机废水强有力的处理方法之一。1.1 基本原理废水厌氧生物处理是指在无分子氧条件下通过厌氧微生物（包括兼性微生物）的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程，也称为厌氧消化。与好氧过程的根本区别在于不以分子态氧作为受氢体，而以化合态氧、碳、硫、氮等为受氢体。厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程，依靠三大主要类群的细菌，即水解产酸细菌、产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌的联合作用完成。因而粗略地将厌氧消化过程划分为三个连续的阶段，即水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。水解发酵（或酸化）阶段：高分子有机物因相对分子质量巨大，不能透过细胞膜，因此不可能为细菌直接利用。因此它们在第一阶段被细菌胞外酶分解为小分子。小分子的化合物在发酵细菌（即酸化菌）的细胞内转化为更为简单的化合物并分泌到细胞处。这一阶段的主要产物有挥性脂肪酸（简写作VFA）、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等。与此同时，酸化菌也利用部分物质合成新的细胞物质，因此未酸化废水厌氧处理时产生更多的剩余污泥。 在厌氧降解过程中，酸化细菌对酸的耐受力必须加以考虑。但是产甲烷过程的最佳PH值在6.8-7.8间，因此PH值的下降将会减少甲烷生成和氢的消耗，并进一步引起酸化末端产物组成的改变。一些产物例如丙酸会大量生成。产乙酸菌没有足够的能力克服这种改变，甲烷菌活力的下降又进一步加剧了酸的积累，使PH值进一步下降。厌氧降解过程因之恶化，严重时可使甲烷的形成完全中止。产乙酸阶段：在此阶段，上一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质。通常在厌氧颗粒污泥中存在着微生态系统。在此系统中，产乙酸菌靠近利用氢的细菌生长，因此氢可以很容易被消耗掉并使产乙酸过程顺利进行。产甲烷阶段：这一阶段里，乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。在厌氧反应器中，所产甲烷的大约70%由乙酸歧化菌产生。在反应中，乙酸中的羧基从乙酸分子中分离，甲基最终转化为甲烷，羧基转化为二氧化碳，在中性溶液中，二氧化碳以碳酸氢盐的形式存在。 在以上阶段里，还包含着以下这些过程：a.水解阶段里有蛋白质水解、碳水化合物的水解和脂类水解；b.发酵酸化阶段包含氨其酸和糖类的厌氧氧化与较高级的脂肪酸与醇类的厌氧氧化；c.产乙酸阶段里有从中间产物中形成乙酸和氢气和由氢气和二氧化碳形成乙酸；d.甲烷化阶段包括由乙酸形成甲烷和从氢气和二氧化碳形成甲烷。除以上这些过程之外，当废水含有硫酸盐时还会有硫酸盐还原过程。复杂化合物的厌氧隆解可以用图来表述（见图）。复杂有机物 水解、发酵 硫酸盐还原 脂肪酸(C2) 产乙酸 H2+CO2 乙 酸产甲烷 产甲烷硫酸盐还原 CH4+CO2 硫酸盐还原H2S+CO2 1.2 厌氧生化法（与好氧生化法比较）的优点（1）能耗低。好氧法需要消耗大量能量供氧，曝气费用随着有机物浓度的增加而增大，而厌氧法不需要充氧，而且产生的沼气可作为甲烷。（2）负荷高，反映器体积小，占地面积小。（3）剩余污泥量少，且其浓缩型、脱水性良好。（4）氮、磷营养需要量少。好氧法一般要求BOD：N：P为100：5：1，而厌氧法的BOD：N：P为200：5：1对氮、磷缺乏的工业废水所需投加的营养量较少。（5）厌氧污泥可以长期贮存，厌氧反应器可以季节性或间接性运转。与好氧反应器相比，在停止运转一段时间后，能较迅速启动。1.3 厌氧生化法（与好氧生化法比较）的缺点（1）厌氧生物增值缓慢，因而厌氧设备和处理时间比好氧设备长。（2）出水往往达不到排放标准，需要进一步处理，故一般在厌氧处理后串联好氧处理。（3）厌氧处理操作控制因素较为复杂。1.4 厌氧生化法的环境影响因素（1）温度及温度的波动 各种微生物都在一定的温度范围生长，根据微生物生长的温度范围，习惯上将厌氧废水处理分为低温、中温、和高温三类，常用的中温处理工艺最佳处理温度在3540，高温工艺多在5060间运行。 温度的微小波动（例如13）对厌氧工艺不会有明显影响，但如果温度下降幅度过大，则污泥的活力相应降低，容易引起过负荷而造成酸积累，严重时会导致污泥酸化等事故。（2）PH值范围及PH缓冲能力PH值是废水厌氧处理最重要的影响因素之一。厌氧处理中，水解菌与产酸菌度PH有较大的适应性一般58.5均生长良好。但通常对PH敏感的甲烷菌适宜的生长PH值为6.87.8。微生物对PH值的波动十分敏感，即使在其生长PH范围内PH的突然改变也会引起甲烷菌活性的明显下降。由于在厌氧过程中象碳水化合物这样未经酸化的污染物会转化为VFA（挥发性脂肪酸），所以废水必须具有一定的缓冲能力，即当酸或者碱性的中间产物积累是防止PH剧烈变化的能力。（3）营养物与微量元素厌氧工艺对营养物的需求量较好要小。以可生化降解的COD(CODBD)为计算依据，厌氧对氮和磷的需求为：（350500）：5：1。对于氮和磷不足的废水，需要按比例添加尿素和磷酸二氢钾等。对于厌氧工艺的初次启动可适量添加铁、钴、镍等微量元素进行微生物激活，对缺乏微量元素的废水比如玉米、土豆加工、造纸等废水应适当添加微量元素。用于启动激活时添加量铁（15mg/L）、钴(0.10.5 mg/L)、镍(0.10.5 mg/L)。2 厌氧污泥膨胀床（EGSB）2.1 基本原理和结构厌氧污泥膨胀床（Expanded Granular Sludge Bed）是在UASB的基础上发展起来的，是UASB反应器的更新换代的产品。目前，EGSB反应器在国内外的工程中已普遍得到应用。EGSB反应器的构造特点是具有很大的高径比，一般可达2-5，反应器的高度高达16-20m。从外观上看， 第一厌氧反应室和第二厌氧反应室叠加而成，每个厌氧反应器的顶部各设一个气-固-液三相分离器。如同两个UASB反应器的上下重叠串联。EGSB与UASB的结构非常相似，所不同的是EGSB反应器中采用2.06m/h的上升流速，这远远大于UASB反应器0.22.5m/h的上流速度。因此在EGSB中颗粒污泥床处于部分或全部“膨胀化”状态。在高的上流速度和产气搅拌作用下，废水与颗粒污泥间的接触更充分。由于良好的混合传质作用，EGSB反应器内所有的活性的细菌，包括颗粒污泥内部的细菌都能得到来自废水的有机物，也就是说，在EGSB内更多微生物参与了水处理过程。因此可允许废水在反应器中有很短的水力停留时间。EGSB反应器是由四个不同的功能部分组合而成：即混合区、膨胀区、精处理区和回流部分。混合区：在反应器的底部进入的污水与颗粒污泥和内部气体循环所带回的出水有效的混合。造成了进水有效的稀释和混合作用；膨胀床部分：这一区域是由包含高浓度的颗粒污泥膨胀床所构成。床体的膨胀或流化是由于进水回流和产生的沼气的上升流速所造成。废水和污水之间有效的接触使得污泥具有高的活性，可以获得高的有机负荷和转化效率；精处理区：在这一区域内，由于低的污泥负荷率，相对长的水力停留时间和推流的流态特性，产生了有效的后处理。另外由于沼气产生的扰动在精处理区较低，使得生物可降解COD几乎全部的去除。回流系统：分外回流和内回流，内部的回流是利用气提原理，回流的比例是由产气量（进水COD浓度）所决定的，因此是自调节的。外回流是通过外回流泵控制回流水量在反应器的底部进入系统内，从而在膨胀床部分产生附加扰动，这使得系统的启动过程加快。EGSB监控系统也是厌氧反应器的重要环节，它通过对EGSB的进水量、回流量、温度、PH、沼气产量等的监控，可保证系统高效稳定运行，避免反应器因水质的波动受到冲击，造成长时间不能恢复正常运行，使整个运行管理简单、操作方便。EGSB基本结构 :l 三相分离系统l 布水系统l 内循环系统l 气水分离系统2.2 EGSB反应器的特点：2.2.1 容积负荷率高，水力停留时间短EGSB反应器生物量大（可达到60g/L），污泥龄长。特别是由于存在着内、外循环，传质效果好。处理高浓度有机废水，进水容积负荷率可达1525kgCOD/m3d。2.2.2 抗冲击负荷强在EGSB反应器中，当COD负荷增加时，沼气的产生量随之增加，由此内循环的气提增大。处理高浓度废水时，循环流量可达进水流量的1020倍。废水中高浓度和有害物质得到充分稀释，大大降低有害程度，从而提高了反应器的耐冲击负荷能力；当COD负荷较低时，沼气产量也低，从而形成较低的内循环流。因此，内循环实际为反应器起到了自动平衡COD冲击负荷的作用。2.2.3 避免了固形物沉积有一些废水中含有大量的悬浮物质，会在UASB等流速较慢的反应器内容易发生累积，将厌氧污泥逐渐置换，最终使厌氧反应器的运行效果恶化乃至失效。而在EGSB反应器中，高的液体和气体上升流速，将悬浮物冲击出反应器。2.2.4 基建投资省和占地面积小由于EGSB反应器的容积负荷率比普通的UASB反应器要高24倍以上，则EGSB反应器的体积为普通UASB反应器的1/41/2左右。而且有很大的高径比，所以，占地面积特别省，非常适用于占地面积紧张的厂矿企业采用。并且，可降低反应器的基建投资。2.2.5 依靠沼气提升实现自身的内循环，减少能耗厌氧流化床载体的膨胀和流化，是通过出水回流出水泵加压实现。依次必须消耗一部分动力。而EGSB反应器正常运行时是以自身产生的沼气作为提升的动力，实现混合液内循环，从而减少能耗。2.2.6 减少药剂投量，降低运行费用内外循环的液体量相当于第一级厌氧出水的回流，对pH起缓冲作用，使反应器内的pH保持稳定。可减少进水的投碱量，从而节约药剂用量，而减少运行费用。2.2.7 出水的稳定性好因为，EGSB反应器相当有上、下两个UASB反应器串联运行，下面一个UASB反应器具有很高的有机负荷率，起“粗”处理作用，上面一个UASB反应器的负荷较低，起“精”处理作用。一般说，多级处理工艺比单级处理的稳定性好，出水水质稳定。2.3 EGSB的基本调试方法：2.3.1 调试前的准备工作l 试水、试车进行联动试车，设备检查，检查关键部位的安装是否规范l 建立化验根据相关资料配置化验仪器、药品，对化验员进行培训l 分析原水对车间废水排放逐一取样检测，掌握废水排放水量、水质情况l 污泥接种 投加颗粒污泥，接种量为10-15 gVSS/l 接种方法 ：采用低浓度污水提升到反应器 ,水温在35左右，pH在7.0左右 2.3.2 调试的基本过程 l 菌种的恢复期厌氧反应器接种污泥后，补满低浓度的废水（PH值在7.07.5之间，COD在1000mg/l左右）开始启动回流泵，按照现场调试人员要求容积负荷（不高于2.0kgCOD/(m3d)）和上升流速循环运行23天，使颗粒污泥混匀，达到膨胀状态。并开始连续对反应器内的出水监测PH值、温度、COD、VFA、碱度、氨氮、SS等指标。l 菌种的驯化期以上各项指标趋于正常后，开始进原水正式启动。反应器进水需要调节PH值到6.57.8之间，一般采用液碱先在调节池内进行粗调，后用调节系统再进水管道中精调。原水进水量按照厌氧反应器容积负荷2.0kgCOD/(m3d)计算。此时如果进水温度太低（低于25以下）需要启动换热系统，保证反应器出水水温稳定在3540。l 负荷、流速提高颗粒污泥需要一定的驯化时间，反应器启动一周左右的时间，当反应器出水PH值恢复稳定在7.2左右，COD的去除率达到80%，挥发性脂肪酸降低到300mg/l以下后，缓慢增加进水量，提高反应器的容积负荷到5.0kgCOD/(m3d)。每次提高负荷不超过1.0 kgCOD/(m3d),并满足以上控制指标的要求后才可提高负荷。在保证厌氧反应器出水的各项指标稳定达到要求后，每57天提升一次负荷。期间需根据现场调试工程师的要求，修正进水量等其它参数，并按要求对现场反应器出现的各种不良状况进行调整。l 试运行增加进水量，直到达到设计水量或废水全部进入反应器，保持反应器出水各项指标正常，稳定运行，汇总调试数据，总结调试中出现的问题及解决方法，制订操作规程。2.3.3 运行管理指标废水厌氧生物处理的运行管理指标主要有：COD去除率、有机容积负荷、有机污泥负荷、水力停留时间、剩余污泥产量、产气量等。2.3.4 水质管理指标水质管理指标又称为监测项目，即通过水质监测，对厌氧反应器进行管理，使其达到运行要求；主要有：进水量、进出水水质（COD、BOD、SS、pH、VFA等）、污泥浓度、温度、产气量、气体成分等。l 每天至少监测一次的项目 反应器进水及出水COD、氨氮、 VFA、碱度、SS等 l 在线监控或者每班监测35次的项目 反应器进水和出水PH、温度 2.3.5 定期监测的项目l 定期监测的项目至少每两周监测一次 l 反应器中的污泥量 MLVSS/MLSS ( kg/m3或g/L)l 污泥体积指数 ( kg/m3)l 污泥颗粒的形状、大小、强度、沉降性能等 l 污泥的灰分与VSS百分比 2.3.6 日常运行参数 l 反应器有机负荷 l 上流速度 l 环境因素的控制 l 反应器中的污泥量l 反应器内的污泥停留时间 l 剩余污泥的排出 3 好氧生物处理3.1 基本原理污水好氧生物处理是指在有氧的条件下，利用好氧微生物氧化分解有机物，从而进行污水处理的过程。有机物好氧分解过程可用下图表示： 内源呼吸 合成 细胞质 22 能量有机物氧微生物 残留物 分解 22 能量 3污水中的有机污染物，首先被吸附在微生物的表面，小分子的有机物能够直接透过细胞壁进入微生物体内，而如淀粉、蛋白质等大分子有机物，则必须在细胞外酶的作用下，被水解为小分子后再为微生物摄入细胞体内。微生物对一部分有机物进行氧化分解，最终形成和等稳定的无机物质并从中获取合成新细胞物质所需的能量，这一过程可用下列化学方程式表示： 酶xHyOz+(x+y/4-z/2)O2 xCO2+y/2H2O+能量 xHyOz有机污染物另一部分有机污染物被微生物用于合成新细胞，所需能量取自氧化分解过程。这一反应过程可用下列方程式表示： 酶nxHyOz+nNH3+n(x+y/4-z/2-5)O2 (5H7NO2)n+n(x-5)CO2+n/2(y-4)H2O-能量5H7NO2微生物细胞组织的化学式当有机污染物浓度低时，微生物会由于营养物质的缺乏而进入内源代谢阶段，即微生物对其自身的细胞物质进行代谢反应，其过程可用下列化学式表示： 酶(5H7NO2)nn O2 5nCO2+2nH2O+nNH3+能量3.2 影响因素（1）溶解氧好氧生物处理技术处理废水过程应保持一定浓度的溶解氧，一般出水中溶解氧保持在2mg/L。如供氧不足，溶解氧浓度过低，就会使生物膜中的微生物正常的代谢活动受到影响，处理能力下降。但溶解氧过高，氧的传质效率下降，增大了所需动力费用。（2） 水温最适温度在1530。温度是影响微生物正常生理活动的重要因素之一，其影响有两个方面：其一，随着温度在一定范围内升高，细胞中的生化反应速率加快，增殖速率也加快；其二，细胞的组成物质如蛋白质、核酸等对温度很敏感，如温度大幅度增高并超过一定限度，可使其组织遭受不可逆的破坏。而温度低于10时，即可对微生物的活性产生不利影响，降低BOD的去除速率。（3） 营养物质营养物的比例BOD：N：P=100：5：1。各种微生物体内含有的元素和需要营养元素大体一致，微生物赖以生活的主要外界营养为碳和氮、磷，此外，还需要微量的钾、镁、铁、维生素等。 （4） PH值生物膜微生物的最适PH值介于6.58.5之间，如PH值降至4.5以下，原生动物全部消失，真菌将占优势，当PH值超过9.0时，微生物的代谢速率将大受影响。（5） 有毒物质对微生物有毒害作用或抑制作用的物质较多。主要毒物有重金属离子（如锌、铜、镍、铅、铬等）和一些非金属物（如酚、醛、氰化物和硫化物等）。重金属及其盐类都是蛋白质的沉淀剂，其离子易于细胞蛋白质结合，使之变性，或与酶的SH基结合而使酶失活。酚、醛等有机化合物能使微生物蛋白质变性或使蛋白质脱水，损害细胞质而使微生物致死。有毒物质的毒害作用还与PH值、水温、溶解氧、有无另外共存的有毒物质以及微生物的数量等因素有关。3.3 生物膜法3.3.1 生物膜法的特点生物膜法和活性污泥法一样，同属好氧生物处理方法。但活性污泥法是依靠曝气池中悬浮流动着的活性污泥来分解有机物的，而生物膜法则主要依靠固着于载体表面微生物来净化有机物。与活性污泥法相比，生物膜法具有以下特定：（1）固着于在体表面上的生物膜对废水水质、水量的变化有较强的适应性，操作稳定性好。（2）由于微生物固着于固体表面，即使增值速度慢的微生物也能生长繁殖。而在活性污泥法中，世代期比泥龄长的微生物不能繁殖。因此，在生物膜法中的生物性更加丰富，且沿水流方向膜中微生物种群具有一定分布。（3）生物膜含水率比活性污泥小，不会发生污泥膨胀，运转管理较为方便。（4）因高营养剂的微生物存在，有机物代谢时较多的转移为能量，合成新细胞及剩余污泥量少。（5）活性生物量难以人为控制，因而在运行方面灵活性较差。（6）需要要求较高的材料作为微生物的载体。3.4 生物接触氧化池生物接触氧化法是一种介于活性污泥法与生物滤池之间的生物膜工艺。接触氧化池内设有填料，部分微生物以生物膜的形式固着生长在填料表面，部分则是絮状悬浮生长于水中。因此它兼有活性污泥法和生物滤池二者的特点。又由于其中的填料及其生物膜均淹没于水中，它又被称为淹没式滤池。生物接触法中微生物所需要的氧常通过人工曝气供给，生物膜生长至一定程度后，近填料壁的微生物将由于缺氧而进行厌氧代谢，产生的气体及曝气形成的冲刷会造成生物膜的脱落，并促进新生物膜的生长，形成生物膜的新陈代谢。脱落的生物膜将随出水流出池外。生物接触氧化池的主要特点：1、由于比表面积大，池内充氧条件良好，生物接触氧化池内单体容积的生物固体量高于活性污泥法曝气池，因此，生物接触氧化池具有较高的容积高；2、由于相当一部分微生物固着生长在填料表面，生物接触氧化池不需要设污泥回流，也不存在污泥膨胀问题，运行管理简单；3、由于生物接触氧化池内的生物固体量多，水流属完全混合型，因此生物接触氧化池对水质、水量的骤变有较强的适应能力；生物接触氧化池一般由池体、填料、布水系统、曝气系统四部分组成。填料是微生物的载体，其特性对氧化池中的生物固体量、氧的利用率、水流条件和废水与生物膜的接触情况起着重要的作用。常用的填料可分为硬性填料、软性填料和半软性填料。 3.5 活性污泥见排水工程（下册）监管的层级结构与地方政府随着分工的演进和人口的增长，将更多的人从事生产或交易活动。如果众多的人从事某种生产活动或交易活动，那么为提高生产效率和交易效率，经济系统需要生产活动和交易活动的各种规范，也就是说不同的生产模式和交易模式都要有其行内的游戏规则或游戏制度，这些游戏规则或制度是游戏圈内的人都要遵循的规则。当某些人不遵循游戏规则时，给对方带来严重伤害，因此社会还需要监督这些规则实施情况的机构和人，而这种监督功能一般是由权威机构-政府以及相关机构来担当的。不过，这些监督机构一旦出现，则他们的行为不一定就停留在消极地监督规则的实施情况，有时他们将采取主动的干预行为。这种主动的干预行为，一是进一步完善各种游戏规则以便提高原有经济组织的生产效率和交易效率，这就是我们平时所强调的建立和完善市场机制和市场准入机制，完善各种产权制度，完善各种法制建设，保护合理竞争，尽可能消除市场扭曲的含义；二是提供各种有利条件，提高原有经济组织的生产效率和交易效率，这就是我们平时所强调的加强基础设施建设，加强各种软环境建设的含义；三是可以进行不同经济组织有效率与否的试验 杨小凯、黄有光著，张玉纲译，专业化与经济组织，经济科学出版社，1999年，358-360页。在获取经济组织知识的社会试验过程中，“社会不但会试验有效率的组织结构，也会试验无效率的组织结构”，“经济发展的有效方法是，由政府提供人们利用价格制度自由试验各种经济组织结构的条件” 杨小凯、黄有光著，张玉纲译，专业化与经济组织，经济科学出版社，1999年，第359页。这种组织试验就是我们平时常看到的包括产权制度、税收制度的各种改革试验，特区和经济技术开发区以及各种试验区（如深圳、浦东、滨海新区、成渝、武汉、长株潭），各地经济发展战略的制定以及主导产业的选择（生产的组织方式试验），各种产业政策和相关政策的制定等等。经济组织试验还一个很重要的方面是引进和吸收或模仿发达国家或发达地区的经验，因为经济组织的试验需要大量的成本，包括货币成本和时间成本，故欠发达国家或地区模仿发达国家或地区组织试验方面的经验，可以越过工业化的一些中间过程，推进工业化。可以看出，一旦政府和各种相关机构出现以后，他们发挥极其重要的作用。但，如果政府监管的空间范围很大，则需要大量的交通成本和信息成本（在距离很大的情况下，信息传递需要时间，且很大情况下信息是不对称的），监管效率很低。从交易的分层结构讨论中可知，交易的分层结构可以大大提高交易效率，同理，政府监管的分层结构也可以大大提高监管效率，因此这种监管功能不可能分散在各地，也不可能高度集中在中央政府，常采取的做法是在一定的空间范围内设立一个派出机构，由这些派出机构代表中央政府行使该空间范围内的监管功能，而这种派出机构就是地方政府，该空间范围就是我们平时看到的不同的行政区域。监管层级结构的存在是经济组织的第四个重要的特征。由上面的讨论可知，专业化分工与均质性、分层结构（交易、城市以及监管的分层结构）、自组织能力所反映的是经济组织的特征，同时也是经济组织的标志，因而具有这种核心变量的区域必然是一种经济组织。我们还注意到，专业化分工与分层结构（交易、城市以及监管的分层结构）都具有空间维度，这就是说，区域不同于一般意义上的经济组织，是具有空间维度的经济组织，这是理解区域概念的核心。读到这里，细心的读者将会看出我们的意图。如果不把区域视为一种经济组织，则与区域经济相关的许多变量都成了外生变量，如传统的区域经济学把区际差异归结为资本、劳动力以及技术等各种要素份额的差异，而与区域经济增长息息相关的各种制度环境、地方政府的作用以及公共产品的供给都处理为外生变量。如果把区域看成是一种经济组织，则这些变量都是在区域经济发展过程中内生的内生变量，这样才能把区域的软环境、地方政府、公共基础设施以及地方财政等重要的经济变量纳入到区域经济分析框架中。四、区域的形成在上面，我们用较大篇幅讨论了区域的本质是含有空间维的经济组织。我们知道，任何经济组织都有形成、演化过程，区域也不例外。在本部分，我们简要讨论一下区域这一经济组织是如何形成并演化的问题。1、城市以及城市体系的形成农业生产是土地密集型的，而工业生产不是土地密集型的。因此，农业活动不能像工业活动那样集中在一个区位内，而工业品的生产由于不需要占用大量土地，既可以分散布局在广大地区，也可以集中布局。在每种产品的生产上有专业化经济，而进行交易会产生交易成本，因而就产生专业化经济和交易费用之间的两难冲突。如果交易效率很低，人们就会选择自给自足，没有市场，也没有城市。随着交易效率提高，专业化经济与交易成本权衡的结果，出现了半专业化的农民和半专业化的工业品生产者之间的分工。由于农业是土地密集型而工业品生产不是土地密集型，所以农业生产分散布局，而工业品生产者选择离农民最近的地方居住，以降低分工带来的交易费用。因此，如果农业和制造业之间的分工水平较低，也就是只有半专业化的农民和半专业化的工业品生产者之间的分工，则同样不可能产生城市。如果交易效率进一步提高，则除了农业和制造业的完全分工之外，将会出现制衣、房屋建造、家具制造等为职业的制造业者。由于这些制造业的生产并非土地密集型，他们可以分散布局，也可以集中布局。但为了节省不同的非农职业之间交易引起的交易成本，他们将集中居住，也就是人口和产业的聚集，出现了城市。可以看出，城市的形成就是为了降低交易成本，也就是获取聚集经济带来的聚集租金，因为在生产者的生产规模已经确定，产品价格在短期内较为稳定的情况下，生产者利润最大化的主要途径是降低成本。但在某一空间范围内只有一个城市，那么该空间范围内的所有生产者都要到这个城市进行交易，但如果分工水平很高因而贸易品种很多时，有些交易品而言，相邻厂商之间直接进行交易反而比到大城市进行交易更方便，交易费用也更低。因此，人们不会把所有的交易都集中在大城市进行，也不会把所有交易分散在各地进行，在不同规模的城市与不同对象进行交易，这样就出现了城市的分层结构，也就是城市等级体系。城市等级体系在一般情况下，上一层城市的规模总是大于下一层城市的规模，最顶层的城市常常是一个，形成金字塔式的城市规模结构，称为单中心城市体系，这是常态城市规模体系。但分工水平足够高，也就是经济发展水平足够高，则有时最顶层的城市规模要小于下一层的城市规模，或最顶层的城市就不存在了，这意味着此时的城市体系为多中心城市体系。分工水平足够高意味着经济发展水平很高，此时整个经济系统已经历了聚集的极化过程，进入一种高水平的均衡状态，表现为高水平的多中心城市体系；经济发展水平较高时，经济系统进入极化不平衡状态，整个经济系统处在聚集的极化阶段，表现为单中心城市体系，这种单中心城市体系是常态；经济发展水平很低时，整个经济系统没有进入聚集的极化阶段，处于低水平的均衡状态，表现为规模较小且相互独立的集市散布在区域空间上。这种多中心体系、单中心体系以及集市的散布体系所反映的就是不同的空间经济组织。2、城乡二元结构的形成以及城乡联系经济活动聚集在城市可以降低交易费用，因而城市内各种交易活动的交易效率比在农村分散居住时的交易效率高得多。分工的演进主要取决于交易效率，交易效率越高，分工水平也就越高，而分工水平越高，则生产的产品种类也就越多。由于城市内的交易效率高于农村分散居住时的交易效率，城市内的分工水平也高于农村分散居住情况下的分工水平，因此城市和农村之间在生产力和商业化等方面就会出现差距，城市里的专业化水平总比农村增加得快。可以看出，经济从自给自足向高水平分工发展时，就会出现用生产力水平和商业化收入水平来表示的城乡二元结构，这种城乡二元结构是经济发展过程中的必然过程。在这种二元结构中，农村居民的专业化水平较低，生产率水平也较低，因而商业化水平和从市场中得到的收入水平也低，出现了城乡差异。如果能够把城乡之间的交易效率提高到较高的水平，则城乡之间的实际收入差距逐渐收敛，从市场中的得到的收入、商业化程度以及生产力水平都将趋于收敛。如果无法提高城乡之间的交易效率，则这种二元性继续存在，将会出现类似于目前的城乡劳动力市场的分割、信用市场的分割以及商品市场的分割等诸多市场的分割现象。提高城乡交易效率，核心是如何加强城乡联系的问题，而要加强城乡联系，一是要建立统一的大市场，这种统一的大市场包括劳动力市场、技术市场、金融市场以及产业链等诸多城乡分割的市场问题，这也是目前我国研究“三农”问题时常提出的城乡统筹问题。而建立统一的大市场的前提是制度创新，如阻碍劳动力流动的户籍制度改革、乡村金融机构和信用担保机制的建立、农业技术的开发与普及、农业合作社等机构的建立等。二是要建立较为完整的城镇体系。因为以小城镇为中心的农村地区的经济循环与大城市的经济循环不同，大城市的经济循环主要由资本密集型的制造业、金融服务业、出口贸易、商品批发、邮政通讯等产业活动所组成，称为高级循环；以小城镇为中心的农村经济循环则由非资本密集型制造业、零售水平上提供服务的非现代服务业、非现代化的小规模贸易活动所组成，称为下级循环。大城市由于人口多需求量大，所以对下级循环的需求也很大，但在大城市的下级循环产业活动的重要性不如在中小城镇那样显得重要，在中小城镇，下级循环的重要性很大，所占比重也很大。在空间关系上，下级循环在城市及其毗邻地区寻找伙伴，而高级循环在城市与所在地区之外去寻找合作伙伴。高级循环的影响范围在空间上是不连续的，因为在城市等级结构中是以垂直联系为特征，也就是商品往往顺着大城市、中等城市到小城镇的方向进行单向的流动，任何经济聚集体都是依赖更高一级的城市来为它们提供自身不能生产的商品。下级循环的影响范围在空间上是连续的，因为中小城镇与其周围乡村地区的联系是横向的联系，各种各样的农产品都是在这些小城镇得以出售并购买城市生产的产品。这样，这些中小城镇承担了连接城市与农村的任务，也成了城乡联系的节点。农村的下级循环产业的投入和产出方式与乡村经济具有更紧密的联系，而且这些中小城镇又是大城市与广大农村地区发生经济联系的连接点，因此下级循环占主导地位的中小城镇以及乡村集镇在城乡联系中扮演着极其重要的角色。如果没有这些中小城镇，则大城市产业与乡村产业之间因经济活动内容、产品、生产规模、资金、技术等方面的巨大差异，无法形成统一的市场，将出现各种要素市场分割现象，进而无法形成大城市资源要素向外扩散的通道。这也是我们平时反复强调建立较为完整的城镇体系的原因。3、监管职能分层结构的形成随着分工的演进，经济系统中的生产部门和产品种类众多，参加生产和交易活动的人数激增，为了提高生产效率和交易效率，防止各种欺诈行为，社会需要生产活动和交易活动的各种规范，也就是不同的生产模式和交易模式都要有其行内的游戏规则或游戏制度。如果建立了这种生产和交易规则，则必须有监督是否遵循这种规则的监管机构，这种职能主要由政府以及相关机构来担当。如果政府监管的空间范围很大，则需要大量的交通成本和信息成本，因而监管效率很低。因此，这种监管功能不可能分散在各地，也不可能高度集中在中央政府，常采取的做法是在一定的空间范围内设立一个派出机构，由这些派出机构代表中央政府行使该空间范围内的监管功能，而这种派出机构就是地方政府。但如果监管范围不确定，则相邻的两个地方政府之间存在扩大自己势力范围的较量或相互推诿监管责任的情况，因此必须把两者的监管范围确定下来，这就是不同等级的行政区边界，这也是众多区域都显现出不同形式的“块状”的主要原因。不过，这些监管机构一旦出现，他们并不一定消极地监督规则的实施情况，将采取各种措施干预经济活动，这些包括完善各种游戏规则以便提高原有经济组织的生产效率和交易效率；提供各种有利条件，提高原有经济组织的生产效率和交易效率；可以进行不同经济组织有效率与否的试验，如模仿先进经验、制订经济发展战略、选择主导产业、制定各种产业政策和相关政策等。4、自组织能力的形成当我们研究经济现象时都无法回避生产与交易的问题。“如果一种经济组织模式把个人的劳动分配给不同的工作，则称它包含分工”。“个人的专业化水平和专业种数是分工水平的两个方面” 杨小凯、黄有光著，张玉纲译，专业化与经济组织，经济科学出版社，1999年，第28页。，分工水平越高，则个人的专业化程度越高，产品的种类也就越多。但此时如果在市场上，中间产品贸易比用来生产中间产品的劳动力的交易支付更多的交易费用，则产生与买卖劳动相关的企业制度，随之出现了企业以及企业集团。在企业内部，又根据零部件生产与最终产品组装程序进行生产工序上的分工，使生产者的操作越来越趋向简单和重复，这为采用机器来代替人工劳动创造了条件，并促使使用高效率的自动流水线进行大批量生产的福特制生产方式的出现，生产规模进一步扩大。另一方面，企业最突出的特征为层级组织，由于企业生产规模的扩大以及中间产品生产程序的增多，将出现许多中间管理部门，从降低内部交易费用角度来考虑，把一些生产和管理环节转包出去，可以节省很大的成本，而这些转包出去的部门逐渐发展成为许多中间产品生产部门，使得经济系统的生产方式越来越迂回。与此同时，如果专业化经济效率很高且人们转换工种时需要支付很高的转换成本（如学习成本、培训成本、放弃原有知识的机会成本等），则劳动力不能频繁转换自己的工种，因而必然存在结构性失业和景气循环，这种存在结构性失业和景气循环的生产组织模式“在帕累托意义上优于没有景气循环和失业的自给自足和部分分工” 杨小凯、黄有光著，张玉纲译，专业化与经济组织，经济科学出版社，1999年，第418页。景气循环指的是经济周期，正因为这种经济发展周期的存在，某一经济系统的发展过程不是线性过程而是非线性过程，即某一经济系统的经济活动沿着原有技术路径（指投入产出比）所规定的轨迹运行到一定时期以后，将进入技术路径的转换期，此时经济增长速度变慢或降下来，然后又沿着新的技术路径所规定的轨迹运行。正因为上述景气循环的存在，任何区域经济的发展过程都具有转换期，显现出阶段性特征。这种转换期就是区域技术结构和产业结构发生重大变化的时期，这就是在区域经济研究中强调技术创新、产业结构调整以及产业结构升级的原因。上述的企业组织的进一步完善、企业集团的出现、生产部门的增多、技术结构发生变化、产业结构的不断升级等过程就是生产的自组织能力形成和不断完善的过程。可以看出，具有较强的自组织能力的区域，它必然具有较为完善的企业制度以及进入和退出机制，具有独立的创新能力，具有较为完整的产业结构，而这些构成了较强的生产的自组织能力。生产活动与交易活动是分不开的。生产过程越来越迂回，生产部门越来越多，则必然扩大不同部门间的交易范围、环节和交易量。如果扩大了的交易量都通过中心市场来完成，则会支付更多的交易成本，因此既不会把所有的交易都集中在中心市场进行，也不会全部分散在各地进行，而根据交易层次的不同，分别在不同规模的市场中进行，进而出现了交易的分层结构。同时，交易环节的增多必然要求出现专门从事交易活动的机构和人，这样出现了专门从事交易活动的商人以及商业和进出口贸易业。当许多交易活动不能同时完成时，提高交易效率的最有效的方法就是要有便利交易的某种物品，这就是货币以及信贷系统，随之出现了各种金融组织和金融衍生产品。市场交易制度的完善、商人以及商业和进出口贸易业的出现、货币和各种金融机构和信贷系统的出现、各种现代服务业的出现，就是交易的自组织能力形成和不断完善的过程。可以看出，具有较强的自组织能力的区域，它必须具有较为完善的市场制度、较为完善的各种专业市场、较为完善的金融体系以及各种现代服务业，这些构成了较强的交易的自组织能力。而生产的自组织能力和交易的自组织能力构成了区域的自组织能力。在上面，我们利用较大的篇幅讨论了区域这一经济组织形成演化过程。最后要指出的是，城市以及城市体系的形成、城乡二元结构的形成以及城乡联系的发生、监管职能分层结构的形成、自组织能力的形成过程，都是市场选择的结果而不是人为安排的结果。区域是一种经济组织，这种经济组织同样是市场选择的结果而不是人为划分或安排的结果。在某一区域范围内，中心城市以及城市体系的作用、城乡联系、政府监管和引导作用、区域的自组织功能相互交织在一起，形成了一种网络（包括生产网络和交易网络），因而区域这一组织的主要特征表现为是网络的拓扑性质，这在地区投入产出表中表现为投入产出系数矩阵中的行和列的增加、非零元素的增加以及系数的分散化趋势。正因为这种自组织能力的拓扑性质，任何一种经济活动的进入或退出都遵循乘数律，因此在区域经济研究中我们常以投入产出表中的系数矩阵来表示这种性质，或在简化的区域研究中常以区域乘数来表示这种性质。第二节 区域经济的特征块状经济 在第一节，我们重点讨论了区域的本质，即区域是经济组织，也是具有空间维度的经济组织。在本节，我们重点讨论区域经济的特征。 一、块状经济的形成在第一节的讨论中，我们指出区域是一种经济组织，但它不同于传统意义上的经济组织，具有一定的空间范围，而这种空间范围是节省交易成本和监管成本所必备的，正因为这种空间范围的存在，不管是世界还是一国内不同地区都显现为“块状”。不同国家之间的这种块状特征是很明显的，从空间维度上考虑，在东北亚地区的中国、朝鲜、韩国、日本、蒙古以及俄罗斯远东地区，在经济体制、经济发展水平、经济结构等方面都存在明显的差别，经济变量在不同国家和地区之间都是不连续的，如人均GDP，在欧盟内部也是如此。在一国内部，这种现象也是很普遍的，不仅在欠发达国家内部，在发达国家内部也存在这种经济变量在空间上的间断现象，如意大利的“南贫北富”地域特征仍很突出。在我国，这种现象更为明显，如京津冀地区，京津两市的经济发展水平较高，人均GDP也较高，然而离北京很近的张家口市大部分地区仍然相当贫困，与京津两市的收入差距相当悬殊。因此，块状经济深层次的含义是，经济变量在空间维度上不连续，表现为经济变量在不同块状之间间断和突变。平时我们所说的区域分异就是指这种经济变量的不连续现象。与此相反，对任何国家或地区而言，经济变量在时间上的变化过程总是连续的过程。那么应该如何理解经济变量在空间上的不连续现象？可能有人指出，这种空间上的不连续过程与国界或在一个国家内部的行政区划有关，即与人为的行政区划分有关。我们度量区域经济发展水平时常用的指标是人均GDP（人均国内生产总值），而这种人均GDP是某一区域GDP的总量除以人口总量。因此，持有这种观点的人认为，这种指标反映的是平均水平而不是空间上的真实的变化情况，不考虑行政区边界，把所有居住在某一国家内的居民按其居住地为空间坐标排成一队，则居民个人的实际GDP或实际收入水平曲线将是连续的曲线。没错，但问题是为什么在实际GDP曲线上存在实际GDP的峰值区间？如果我们假设不同区域生产技术相同（即投入产出比相同）、人们的偏好相同，则与实际GDP峰值区间相对应的空间范围内所使用的生产要素总量比实际GDP低值区间所使用的要素总量多。这样，我们提出第二个提问，即为什么出现这种生产要素聚集度的差异，也就是为什么出现经济活动密度和强度的空间差异？我们从如下几个方面去回答这些提问。1、生产要素的不完全流动性 地理学常以土地、矿藏、地形、水文和气候等自然资源和自然条件的不均匀分布来解释许多不同类型的经济活动区位，如上海成为港口城市是因为它有通往内地的天然水道、我国山西省的燃料动力工业是以当地丰富的煤炭资源为基础、东北平原的黑土带使得东北平原地带成为我国重要的粮产区之一等等，这种经济活动区位的简单解释至今在地理学著作中经常看到。然而，不考虑这些资源的类型和特征，则它们都有共同点，即这些资源是不可流动的生产要素，且其分布也不是均匀而是块状或片状分布。正因为这些要素的非流动性特征和分布的非均匀性，与这些生产要素相关的生产活动只能出现在这些生产要素富集的地方，这些地方也可以组织专门化生产，这就是李嘉图的绝对优势。如果生产要素具有完全的流动性，则根据新古典的规模收益递减规律，导致要素供给的均等化，各地的生产要素价格、生产成本趋于均等，最终导致区际经济发展差距的收敛，区域经济的块状特征也就不存在了。生产要素的不完全流动性，可以从以下几个方面去理解，第一，有些生产要素如自然资源，对地表的附着力很强，在常态下无法自行流动。随着科学技术的发展，尽管不可流动的生产要素也可以“流动”，如北方地区的温室大棚是的适宜气候的“再造”，但这些不可流动要素的“流动”需要付出很大的成本。与此相反，有些生产要素如劳动力、资金、知识和技术的流动和溢出是较为容易的，因而也称为可流动要素。第二，有些流动性很强的生产要素的流动，有时也遇到很大的限制。国家之间，政治制度和经济体制不同，所采取的政策也不同，这就成了国际生产要素流动的障碍，常表现为贸易保护。在一国内部，尽管国家宏观政策在各个地区都是相同的，然而各地区实行国家宏观政策时因地区之间的利益关系总出现偏差，同时我国以放权让利为中心的经济体制改革，使地方政府成了该区域经济的发展的主导力量之一，而这些地方政府从地方利益出发常采取地方保护主义政策，或采取限制资本、技术、劳动力向外流动的措施。第三，不同民族、不同风俗、不同的宗教信仰也影响生产要素的流动。总之，生产要素的不完全流动性使得一国的经济活动不可能在空间上均匀分布，这就成了区域经济具有块状特征的客观物质基础。2、经济活动的不完全可分性经济活动最大的特征之一为经济活动的不可分性，任何经济活动与其他经济活动都是相互联系的，这种经济活动之间的相互联系总与一定的空间范围联系在一起的，个人的经济行为也不例外，除非是自给自足的自然经济。首先，许多生产过程，可根据操作技术的不同可以划分为若干个生产工序，但从降低生产成本角度来考虑，这种不同的生产工序不可能在空间上截然划分开来并在不同的地点组织生产，如钢铁工业，技术上可以划分成炼铁、炼钢、轧钢、成品加工等多种工序，但每一道工序都需要加热，从降低生产成本角度来考虑，不能把这些不同的生产工序分割开来在异地组织生产。这是从某种产品生产工序考虑的。第二，一个企业的生产规模达到一定程度，可以节省单位产品的生产成本，提高经济效率，这是我们熟悉的规模经济。而要实现企业层面的规模经济，不同生产工序必须在某一空间内集中起来。第三，众多企业聚集在某一区位，可以获得聚集租金，这就是我们熟悉的聚集经济。经济活动的聚集，使各个企业共享当地的各种基础设施和辅助行业所提供的专门的服务；由于技术的溢出效应，企业之间可以模仿和学习，降低学习成本；企业和人口的集中，可以形成较高效率的地区劳动力市场。第四，众多企业的聚集可以节省大量的交易成本。经济活动之间交易内容是多方面的，包括物质的、非物质的、有形的、无形的、长期稳定的、不稳定的，如果企业之间交易的物质或信息流在形状、质量、密度等方面都是标准化的，或在时间和空间上都是可重复和稳定的，此时企业之间的交易成本较低，因为一次性签订长期协议，则不用经常性地进行谈判；如果企业之间交易在时间和空间上频繁发生变化，交易的物质或信息流也不是标准化的，此时交易