第2章-资源循环科学与工程概论课件

资源循环科学与工程概论资源循环科学的理论基础第一节减量化与多重利用原理第二节基于产业循环的资源利用原理第三节资源循环利用经济学原理第四节第二章资源循环科学基本原理资源循环科学的生态学基础一资源循环科学的化学化工基础二基于产业循环的地学基础三第一节资源循环科学的理论基础一、资源循环科学的生态学基础1.生态学基本概念与生态学的建立生物环境生物环境非生物环境是指生物物种之间和物种内部各个体之间的关系涉及土壤、岩石、水、沉积物、空气、温度和湿度等自然环境要素，也是资源的物质基础和基本构成。生态学：硕士物与其环境之间的相互关系的学科ecology德国生物学家ErnstHaeckel，1866年一、资源循环科学的生态学基础1.生态学基本概念与生态学的建立生态系统(ecosystem)的主要概念——英国植物生态学家ArthurG.Tansley，1935年。Odum(奧德姆)在《生态学基础》一书中指出生态系统的3个基本成份：群落、能量流动和物质循环。能量能够储存，但不能反复利用；而涉及生命必须营养（如碳，氮、磷）和水在内的物质是能够反复循环利用的。一、资源循环科学的生态学基础1.生态学基本概念与生态学的建立物质输入；生物输入系统（定界）输入环境输出环境能量和物质过程；生物迁出其他能量太阳图2-1生态系统物质流动模型（据Patten,1978）一、资源循环科学的生态学基础1.生态学基本概念与生态学的建立生态系统的物质循环一、资源循环科学的生态学基础1.生态学基本概念与生态学的建立生态系统的物质循环与能量循环的关系一、资源循环科学的生态学基础1.生态学基本概念与生态学的建立一、资源循环科学的生态学基础1.生态学基本概念与生态学的建立美国生态学家R.L.Lindeman在对Mondota湖——生态金字塔能量转换（十分之一定律）。由此，生态学成为一门具有自己的研究对象、任务和措施的比较完整和独立的学科。生物量从绿色植物向食草动物、食肉动物等按食物链的顺序在不同营养级上转移时，有稳定的数量级百分比关系，一般后一级生物量只等于或者不不小于前一级生物量的1/10。而其他9/10因为呼吸，排泄，消费者采食时的选择性等被消耗掉。2.生态学学科发展早期发展：国内、国外17-19世纪学科形成：1670年，Boyle，动物生理生态学试验；1735年，Reaumur，1855年，Candolle为当代积温理论；1823年，Humboldt在《植物地理学知识》一书提出“植物群落”、“外貌”等概念，并指出“等温线”对植物分布的意义；1798年，Malthus《人口论》的刊登，增进了达尔文“生存竞争”及“物种形成”理论的形成，并增进了“人口统计学”及“种群生态学”的发展。1859年达尔文的《物种起源》刊登，增进了生物与环境关系的研究；1866年Haeckel提出ecology。20世纪发展：生态学成为受到高度注重的一门科学。物竞天择，适者生存一、资源循环科学的生态学基础学《尔雅》可"博物不惑"，识鸟兽草木虫鱼之名2.生态学学科发展20世纪50年代以来：人类的经济和科学技术取得了空前的发展，也带来了环境、人口、资源和能源等危及到人类生存的全球性问题。人们发觉处理问题都要从生态学的角度，考虑与其他学科相互渗透交叉，综合社会生活内容，才干取得效果。一、资源循环科学的生态学基础一、资源循环科学的生态学基础3.生态学原理1环境2生态因子3种群4群落5生态系统生态学原理一、资源循环科学的生态学基础3.生态学原理

群落：生物群落（community）是指在特定时间、空间和生境下，具有一定生物种类组成、外貌结构（包括形态结构和营养结构），各种生物之间、生物和生境之间彼此互影响、相互作用，并具有特定功能的生物集合体。

生态系统：（ecosystem）是指在一定空间范围内，由生物及其所生存的环境所构成的、包含能量流动与物质循环过程，具有相互作用、相互依存的动态复合体系。一、资源循环科学的生态学基础3.生态学原理生产者（绿色植物）消费者分解者（细菌、真菌）（动物）生态系统物质循环环境一、资源循环科学的生态学基础4.资源循环科学的生态学基础物质在植物（生产者）—动物（消费者）—微生物（分解者）之间循环往复地被利用——资源循环的基本过程和实质。生态系统的生物部分与非生物部分相互依存，生物作为一种耗散系统必须与外界进行能量、物质和信息互换。驱动这一物质循环的推动力——太阳光，地球生态系统连续发展，其中最主要的是物质循环利用原则。二、资源循环科学的化学化工基础1.与资源循环有关的化学化工原理绿色化学（1）绿色化学的基本原则是从源头消除污染，重新设计化学合成工艺及产品制造措施，根除污染起源。资源替代（3）利用可再生资源或可更新资源逐渐替代老式资源，推动资源循环利用。绿色化工（2）从源头上阻止环境污染的化工技术，基础是绿色化学。老式对“三废”的处理一般末端处理，绿色化工与老式化工最主要的区别是从源头上阻止环境污染。使用无毒无害原料及可再生资源。原子经济性反应和高选择反应。采用无毒无害催化剂。采用无毒无害溶剂。生产环境无害的绿色化学产品。12345二、资源循环科学的化学化工基础2.资源循环有关的化学化工基础1.与资源循环科学有关的地学发展地学，或地球科学，是自然科学的六大分支之一，广义的地学理论囊括了地表地球科学（地理学、土壤学和水利学等）、固体地球科学（地质学、地球物理、地球化学等）、大气科学和海洋科学。三、资源循环科学的地学基础2.地质大循环与生物小循环

三、资源循环科学的地学基础1.地质大循环（全球循环）与生物小循环（局域循环）——物质循环的一般特征/两个尺度01地质循环与生物循环的特点：生物循环遵循生命科学定律；地质循环遵循地球科学定律。02素元重熔结凝冷化风积堆运搬岩浆岩变质岩风化物沉积岩环境生产者分解者消费者却变生再质变质岩浆出出露露风风化化尸体化合物残体食物养分地质大循环生物小循环地质大循环与生物小循环示意图（据侯耀喜等，1987）三、资源循环科学的地学基础2.地质大循环与生物小循环

3.地球化学循环与生物地球化学循环地球的构成元素不是静止不变的，而是处于一定理化和地质特征的周期性变化过程中，一般称之为地球化学循环。生物地球化学循环以生物为主要成份的生态系统的物质循环是指多种有机物质经过分解者分解生成可被生产者利用的物质形式，偿还到环境中再被反复利用过程。三、资源循环科学的地学基础4.水资源循环广义：水圈内的水体总量狭义：目前技术条件下，可为人们利用的那一部分淡水，涉及河水、淡水湖泊水和浅层地下水。三、资源循环科学的地学基础三、资源循环科学的地学基础4.水资源循环三、资源循环科学的地学基础（1）自然水循环：水文循环能够分为大循环和小循环两种基本形式。水文大循环就是水在陆地、海洋、大气中的相互转化.小循环就是上述三种介质中任意两种之间的水相互移动，如陆地中的水，经过植物蒸腾的形式进入大气，然后又回到陆地的过程。4.水资源循环三、资源循环科学的地学基础（2）水资源的开发利用:伴随气候和污染原因对水资源影响加剧，可利用水资源呈下降趋势，而社会经济发展对水资源需求并没有减弱。4.水资源循环三、资源循环科学的地学基础5.碳循环碳的主要循环形式是从大气的二氧化碳蓄库开始，经过生产者的光合作用，把碳固定，生成糖类，然后经过消费者和分解者，在呼吸和残体腐败分解后，再回到大气蓄库中。除了大气，碳的另一种储存库是海洋，它的碳含量是大气的50倍，更主要的是海洋对于调整大气中的碳含量起着主要的作用。5.碳循环三、资源循环科学的地学基础CO2大气蓄库主要通过海洋生态系统碳酸盐岩石火山活动风蚀化石燃料呼吸作用死的有机物燃烧动物植物光合作用燃烧6.氮循环生命构造的原料。大气化学成份中氮的含量非常丰富，有78%为氮，然而氮是一种惰性体，植物不能够直接利用。固氮作用土壤氮利用含氮有机物分解三、资源循环科学的地学基础理论基础一“3R”原则二实施清洁生产三第二节减量化与多重利用原理实例分析四1减量化原则要求资源消耗减量，能够直接保护资源。2减量化原则要求废物排放减量，能够直接受到环境效益、保护资源。3减量化原则要求废物资源化多重利用。一、理论基础ReuseReduceRecycle一、理论基础我国工业固体废物综合利用情况(基于国家统计数据库)二、3R原则即：减量化原则——少用原料和能源。再利用原则——包装容器等能够以初始的形式被反复使用。再循环原则——完毕使用功能的物品能重新变成能够利用的资源。输入控制过程控制输出控制经济效益环境效益生态效益社会效益图2-6“3R”原则与资源利用二、3R原则经过“3R”原则的实施实现资源利用最大化，也就是使可更新和不可更新资源开发利用无限接近100%再循环，经过工艺和产品设计使资源保持永续利用的潜力。二、3R原则减量化原则实例——化肥化肥利用率低，不但带来严重的经济损失，更带来严重的环境问题。化肥污染的特点是量大、面广、潜伏性强。二、3R原则减量化原则实例——化肥（我国化肥污染严重）水体含氮量过高会造成富营养化，水生生物大量死亡。60/130大中型湖泊—富营养化，水体氮磷含量严重超标。地下水硝酸盐含量严重超标。京津唐地域14个县市的69个点的地下水、饮用水硝酸盐含量高于50mg/L的超出50%，有的达300mg/L，远高于我国Ⅲ类水质指标(20mg/L)。在蔬菜生产发达地域，地下水中硝态氮含量高达61.6～120.4mg/L。而WHO饮用水质原则中硝态氮的最高允许浓度为10mg/L。我国某些大城市的蔬菜硝酸盐和亚硝酸盐含量偏高，有的高达3000～4000mg/kg。饮用水中硝酸盐过量会造成高铁血红蛋白症，诱发癌症。二、3R原则减量化原则实例——化肥（机灵化学品合成）大颗粒尿素(4~6mm)长久有效缓释包膜大颗粒尿素(4～6mm)

包膜缓释和控释化肥——包膜缓释尿素FilmCoatingNo.X502025，高效控释尿素包覆技术应用基础研究。中石化股份有限企业基础研究项目，2023.09～2023.09。二、3R原则减量化原则实例——化肥（机灵化学品合成）磷酸二胺尿基复合肥(3～5mm)可根据市场需要和现场条件，对一种肥料颗粒表面包覆其他营养成份，形成多元包覆的复合肥，如：在硝铵表面包覆尿素。在NPK复合肥表面包覆尿素。

包膜缓释和控释化肥——多元包覆复合肥绿色反应条件奖：DowAgroSciences化学一直是当代农业的主要构成部分，如今的农场比以往任何时候更依赖于化肥和农药。为了降低对环境的污染以及非目的生物的毒性，农用化学品目前被设计的更具选择性，从而降低使用量和使用频率。陶氏农业科学（DowAgroSciences）的Instinct就是一种很好的例子，这种新技术能够大幅提升农田氮肥的使用效率。绿色反应条件奖：DowAgroSciences在土壤中，铵阳离子倾向于留在植物的根部区域，而硝酸盐阴离子更倾向于移动，渗透地下水，从而进入河流和湖泊。经过在聚脲微胶囊中封装氨单加氧酶克制剂nitrapyrin（2-chloro-6-(trichloromethyl)pyridine），并将其与化肥或粪肥一起施用，Instinct能够预防土壤中的微生物将肥料中的铵转换成更轻易流失的硝酸盐，同步也降低由农业活动导温室气体氧化亚氮的排放。绿色反应条件奖：DowAgroSciences巧妙之处：Nitrapyrin的使用实际上从1974年就开始了，以往这种农用化学品只能和不含水的“干燥”肥料一起使用。在新的措施中，陶氏农业科学的研究人员使用油溶性聚异氰酸酯和水溶性胺反应形成聚脲胶囊外壳，将nitrapyrin包裹在内，得到水性nitrapyrin微胶囊悬浮剂Instinct，处理了这一问题。除了改善nitrapyrin，Instinct或许还能替代昂贵的包衣缓释肥料。陶氏估计，2023年美国玉米产量因Instinct的使用而增产5000万蒲式耳（bushels），并削减二分之一氮氧化物排放（约相当于664,000吨二氧化碳当量）。20吨/人/年二、3R原则再循环原则实例

以为例CuCl2(s)+½O2(g)

CuO(s)+Cl2(g)CuO(s)+HCl

(g)

Cu(OH)Cl(s)Cu(OH)Cl(s)

½CuO(s)+½

CuCl2(s)+½H2O360CCuCl2200CCuOO2Cl2HClHeatingCooling二、3R原则主要元素在工业系统中的循环代谢（氯元素工业循环）从KCl+H2SO4生产钾肥K2SO4（钾肥）光气MDI(异腈酸酯)苯胺生产氯乙烯生产制冷剂生产TiCl4生产SiHCl3氯气部分氧化技术电解技术HCl纳米TiO2多晶硅食盐电解烧碱氯气二、3R原则再使用原则实例——实现碳元素循环代谢煤/石油燃烧二氧化碳光合作用淀粉/油/

纤维素为车/发电提供能量太阳光发酵等酒精/生物质油二、3R原则再使用原则实例纸张、轮胎、废家电、汽车的再资源化*每吨再生纸可节省512度电，4m3木材，250吨水*轮胎翻新率：我国4％，发达国家15％以上每翻新一条轮胎节省70％橡胶资源铁、铜、铝的再回炼从产品设计开始考虑再资源化，直至回收、分拣环节三、实施清洁生产清洁生产的定义1996年联合国环境规划署在总结清洁生产数年来的推行经验基础上给出了清洁生产的定义：清洁生产是指将综合性的预防性战略连续地应用于生产过程、产品和服务中，以提升效率和降低对人类安全和环境的风险。清洁生产内容清洁能源清洁原料清洁工艺清洁产品清洁服务清洁生产的特点战略性预防性统一性连续性清洁生产技术清洁生产技术是一种相正确概念，所谓清洁生产技术是对原有末端治理技术相比较而言。三、实施清洁生产时间：上世纪60年代地点：美国等发达国家事因：1、工业化污染造成了环境、生态以及人民的健康恶化；2、工业生产投入的环境保护资金日趋增长，使到企业承担过大；3、伴随工业化的进展，自然资源的消耗加剧；4、工业生产的末端治理已不能满足社会的要求。清洁生产起源三、实施清洁生产清洁生产起源三、实施清洁生产清洁生产在中国——企业面正确现实压力：

能源、原材料和人工成本的上升趋势已成定势;国家环境保护要求和监查力度越来越严，企业的环境保护投资越来越大;大多数企业极难提升产品售价和大幅度增长销量;能够生存下去的唯一路过，就是降低成本;三、实施清洁生产三、实施清洁生产面对成本和环境双重压力，怎样突围？“清洁生产”三、实施清洁生产清洁生产的定义1996年联合国环境规划署在总结清洁生产数年来的推行经验基础上给出了清洁生产的定义：清洁生产是指将综合性的预防性战略连续地应用于生产过程、产品和服务中，以提升效率和降低对人类安全和环境的风险。对生产过程要求节约原材料和能源，淘汰有毒原材料，减少所有废弃物的数量和降低废物毒性；

01对产品要求减少从原材料提炼到产品最终处置的全生命周期的不利影响；02对服务要求将环境因素纳入设计和所提供的服务中。03详细来讲：三、实施清洁生产清洁生产内容清洁能源清洁原料清洁工艺清洁产品三、实施清洁生产三、实施清洁生产清洁生产的关键就是:节能降耗减污增效清洁生产的特点战略性1预防性2统一性3持续性4三、实施清洁生产三、实施清洁生产清洁生产技术清洁生产技术是一种相正确概念，所谓清洁生产技术是对原有末端治理技术相比较而言。三、实施清洁生产1.富盛化工清洁生产和废水资源化利用示范工程项目建成投产以来，根据实际运营情况分析，基本达成了含高浓度难降解有机物废水处理和污染物资源化利用的目的。年可处理高浓度氨氮、难降解有机污染物亏水6万t，年削减氨氮约1680t、苯胺类污染物48t、硝基苯类等大气污染物排放量6t，可使企业达成长久稳定达标排放。该项目从根本上处理了企业发展中带来的环境保护问题，对改善区域环境质量起到十分主要的作用，而且有利于钱塘江整个流域污染物排放总量的控制，对保护钱塘江的水质具有重大的意义。经过采用该项清洁生产工艺，年回收氯化铵混合氮肥4000t，吨产品价格按650元计，年收入为260万元；估计吨产品节省液氨消耗约270kg，年节省约3240t，节省费用648万元；其他费用节省年估计约20万元，经过实施清洁生产，年取得效益合计928万元。三、实施清洁生产电镀预处理铬电镀液静态清洗逆流清洗清洗液返回电镀槽浓缩清洗废水重硫酸盐处理清洗产生的废水预处理厂（氢氧化钠+过滤+污泥干燥）电镀预处理铬电镀液喷淋清洗清洗液返回电镀槽浓缩清洗废水重硫酸盐处理清洗产生的废水预处理厂（氢氧化钠+过滤+污泥干燥）蒸发器电净化器静态清洗镀铬废液清洗液返回电镀槽美国NewDimension电镀工厂使用空净化器回收原料理论基础一绿色设计二生态工业系统建设的总体策略与生态工业园区三资源循环利用模型分析四第三节基于产业循环的资源利用原理一、理论基础热力学第一定律：物质和能量转化过程数量守恒热力学第二定律：物质或能量在转化中，其品位将发生变化，遵守熵增原理：爱因斯坦能量与物质转化公式：E=mc2Prigogine非平衡热力学远离平衡态耗散构造的子系统，能够实现自组织的负熵过程代谢社会MetabolicSociety热损失dS=ძQTძMC==ძIN“信息负熵”:经过降低不拟定性，使负熵注入增效二、绿色设计1.绿色设计的概念绿色设计的关键：绿色设计不同于老式设计，它以环境资源为关键，即在产品整个生命周期内，着重考虑产品环境属性（可拆卸性，可回收性，可维护性，可反复利用性等），并将其作为设计目的，在满足环境目的要求的同步，确保产品应有的功能、寿命和质量等的设计措施。二、绿色设计绿色产品设计是在不牺牲产品功能、质量和成本的前提下，全方面考虑产品开发、制造等对环境的影响，从而使得产品在整个生命周期中对环境的负面影响最小，资源利用率最高。二、绿色设计2.绿色设计原则产品材料选择的原则：减量化、可降解、无害化、种类少、自然素材的有效利用；产品构造设计的原则：易于拆卸、易于分离；产品部件构造集约化，模块化；可反复的零部件易于辨认分类；降低零件的多样化；产品功能的原则：再循环、可再利用、环境亲和性。二、绿色设计3.绿色设计的措施面对包装的绿色设计(DFP，DesignForPackaging)面对拆卸构造的绿色设计(DFD,DesignForDisassembling)面对回收利用的绿色设计(DFR，DesignForRecycling)1.生态工业系统建设的总体策略发达国家在发展过程中形成了许多著名的工业园区，如德国鲁尔工业区、荷兰鹿特丹工业区、比利时安特维普化工区等。生态工业理念被引入中国后，原国家环境保护总局于2023年开始推动生态工业园区建设，发展过程中逐渐形成了“有原则可依，依原则建设，据原则考核，示范试点带动，建立长久有效机制”的发展路线图。TianJP，LiuW，ZangN，ChenLJ．Reviewofeco-industrialparkdevelopmentinChina．ActaEcologicaSinica，2023，36(22):7323-7334三、生态工业系统建设的总体策略与生态工业园区2.生态工业园区（ECO－industrialPark）KalundborgEIP构成三、生态工业系统建设的总体策略与生态工业园区KalundborgEIP效果降低资源消耗： 石油：45，000吨/年 煤：15，000吨/年 水：600，000m3/年降低污染： CO2排放：175，000吨/年 SO2排放：10，000吨/年废物再利用： 炉灰：130，000吨/年 硫：4，500吨/年 石膏：90，000吨/年 氮：1，440吨/年 磷：600吨/年2.生态工业园区（ECO－industrialPark）三、生态工业系统建设的总体策略与生态工业园区三、生态工业系统建设的总体策略与生态工业园区2.生态工业园区（ECO－industrialPark）TianJP，LiuW，ZangN，ChenLJ．Reviewofeco-industrialparkdevelopmentinChina．ActaEcologicaSinica，2023，36(22):7323-7334树立正确的资源观一资源循环利用:循环经济的核心内涵二循环经济与可持续利用三第四节资源利用经济学原理一、树立正确的资源观资源是人类生存发展的物质基础！第一级第二级资源72二、资源循环利用:循环经济的关键内涵循环经济的关键概念—“3R”原则提升科学技术，降低生产和消费中的物质和能量流量减量化原则屡次或尽量多种方式的使用已生产的产品再利用原则尽量多地对资源再利用也即资源化资源化原则733R原则之间的关系：主要性：减量化再利用再循环三原则在实际中应综合利用

环境与发展问题上思想进步的三个阶段：理念从排放废物提升到要求净化废物即末端治理方从净化废弃物提升到对废物的再利用最高目的是实现从利用废物到尽量降低废物的质的奔腾二、资源循环利用：循环经济的关键内涵三、循环经济与可连续利用1、老式经济阶段：经济增长-资源开发—资源丢弃资源开发—产生污染物-环境破坏2、末端治理阶段

注意环境问题—先污染，后治理3、循环经济的阶段最佳生产、最适消费、最少废弃净化废物、利用废物排除废物减量化、再利用、再循环经济发展的产生与演变75目的资源的高效原则