工业生态学

2.4　工业生态学

工业生态学(Industrial Ecology)又称为产业生态学，它是以生态学的观点研究工业活动与生态环境的相互关系，考察人类社会从取自环境到返回环境的物质转化全过程，探索实现工业生态化的途径。

2.4.1　工业生态学的起源与发展

20世纪70年代受环境法规的限制和能源危机的影响，国际上一些有创新力的公司开始改进工艺来重新优化生产过程，提高能源使用效率，减少废物排放。这时，一些重要的技术在一些专业领域逐渐完善，如物质和能量的平衡计算方法被化学工程师所熟知;生命周期评价(Life Cycle Assessment，LCA)方法被工程经济学家所掌握等。研究者利用这些工具进行环境规划和政策制定，还有学者运用物质平衡理论分析区域污染物负荷和工业新陈代谢。80年代后，随着一系列环境部门法规(以末端治理为主)的制定与实施，系统工程思想曾在一定程度上受到抑制(Clinton，1999)。但在80年代后期，系统工程思想重新焕发生机，人们开始关注各部门法规实施的经济影响，并对市场失灵和政府失灵等问题进行讨论。这些讨论促使一些环境决策者反思以往环境污染控制的简单的、各部门独立的末端治理方案，采取一些变通的和部门合作的方法，如排污交易、污染预防政策等(Ausubel，1989)。此后可持续发展理念的提出更是促使人们对传统的发展模式进行反思，强调经济发展与环境保护协调的重要性。这时，在工业生产领域，物质和能量的平衡计算方法、LCA等技术方法的研究已不再局限于工程师，生命周期的概念更是成为公众讨论环境政策的重要工具。在规划者和政策分析师们学会了使用市场手段的同时，生产单位开始正视环境费用，自觉地将其内部化，并采取各种技术手段减少环境费用。在这种自下而上的自觉进行污染控制的过程中所使用并最终得以推广的技术和方法，为工业生态学的产生做好了技术上的准备。

正是由于上述这些系统思想和技术方法的推动，人们开始系统地探索如何在经济发展的同时，减少工业过程废物排放对环境的影响。一些学者有感于自然生态系统物质封闭循环的特点，开始运用生态学和生态经济学的知识来考虑工业过程的环境问题，由此工业生态学应运而生。

1989年，通用汽车公司的科学家Frosch和Gallopoulos在Scientific American(《科学美国人》)上发表的一篇关于制造业战略的文章中，首次使用了工业生态系统的概念，提出应对不同的工业过程进行综合研究，使“废物”在工业过程间流通，达到循环利用的目的，从而减少工业对环境的影响(Frosch＆Gallopoulos，1989)。“工业生态学”一词出现后，立即引起了工业界和学术界的关注。

1991年，美国贝尔实验室在美国科学院内组织了一次研讨会，从多种角度解释工业生态学，并首次引入了经济学的观点，开始对工业过程中的物流、能流和政府的污染预防政策进行综合研究。从1992年起，美国国家工程院开始资助有关技术和环境研究机构从事工业生态学研究。1993年，AT＆T基金开始成立工业生态学研究专项基金。随后，其他公司和美国国家科学基金也开始对工业生态学研究进行资助，于是工业生态学的研究在美国迅速开展起来。1995年，第一本针对工程专业大学生的工业生态学著作正式出版(Graedel，1995);1996年，生态工业园的创建活动在世界范围内逐步展开; 1997年，Journal of Industry Ecology创刊;1998年，举办了第一届戈登工业生态学研讨会，从此工业生态学蓬勃发展起来(林道辉、朱利中，2002)。2000年1月，国际工业生态学会(The International Society for Industrial Ecology，ISIE)成立，旨在促进工业生态学在研究、教育、决策、社会发展及工业实践中的应用，标志着工业生态学领域的确立又迈出了重要的一步。

2.4.2　工业生态学的基本原理

(1)工业生态系统演化

参照自然生态系统的发展演替过程，可将工业生态系统划分为低级、高级和顶级3级生态系统。在低级生态系统中，工业过程中的物流、能流呈线形，生态经济效率较低。工业革命初期的工业生态系统即属于这种低级生态系统。在高级生态系统中，部分废物和废弃的产品能被重新回收利用。目前的工业系统属于高级生态系统。在顶级生态系统中物质完全封闭循环，只从自然界输入能源，而不索取资源和排放废物，即循环型经济模式(Graedel，2001)。

(2)工业生态系统结构

工业生态系统的主体是工业生产部门。根据原料来源的不同可将工业生产部门分为原材料获取部门、材料加工部门、产品制造部门、产品使用部门、废弃产品和工业废物的回收处理部门。这种划分方法能较好地反映出物质和能量在工业系统中的流动方向。

(3)工业生态系统功能

工业生态学的目的是通过改进生产程序来减少原料消耗和废物排放，以提高生态经济效率。因此，其研究方法主要是工业过程中的物流、能流和信息流的改善方法。当前研究重点集中于物流过程的完善。

工业系统可分为微观、中观和宏观3种尺度。微观系统指单个生产单位及其生产环境;中观系统指区域范围内所有工业部门及其生产环境;宏观系统指全国或全球范围内工业生产与环境。目前来看，对全球范围内工业生态系统物流的研究还不多，着眼点主要在于工业废物排放对当前人们关注的全球环境问题，如全球气候变化、酸雨、生物多样性丧失及臭氧层损耗等的影响等(Eflin＆Eflin，1999)。区域范围内工业生态系统的物质流研究，主要以生态工业园的形式进行。目前世界上较为成功的是丹麦的卡伦堡生态工业园，它的主体企业是发电厂、炼油厂、制药厂和石膏板生产厂，以这4个企业为核心，通过贸易方式利用对方生产过程中产生的废弃物和副产品，不仅减少了废物产生量和处理的费用，还产生了较好的经济效益，形成了经济发展与环境保护的良性循环。区域内物流循环管理较为典型的是德国的双元系统模式，主要是对消费后的废弃物进行回收利用。微观尺度的物流研究较多，研究内容主要是通过各种管理手段、技术手段、设计思想更新来提高物流的封闭性，减缓企业的工业新陈代谢速度，以充分利用原材料，减少废物排放。企业可通过列清单方法、改善措施、方案优选和管理工具等来改善其物流和能流。列清单方法包括:物质和能量技术矩阵、生命周期清单、工艺流程图、物质和能量平衡等。改善措施包括:污染预防战略、污染预防技术、清洁生产清单、产品改善矩阵和产品改善方法等;方案优选包括:生命周期费用计算、生命周期评价、生态投资组合分析、产品概况矩阵、生态机会分析和方案评价等。管理工具包括:环境设计导则、清洁生产指标、工艺审计和清洁生产导则等(van Berkel et al，1997;van Berkel＆Lafleur，1997)。这些工具较全面地概括了工业生态学理论在企业内的应用途径。

工业生态学理论在企业范围的应用关键在于贯彻产品的生命周期分析，在产品的每一阶段均要考虑其对环境的影响，并尽量减少其影响。在产品设计阶段要融入环境设计思想;在原料选取阶段要优先选用无毒无害和可再生资源;在加工生产阶段要贯彻清洁生产思想，采用绿色制造和绿色化学技术，进行全过程控制，减少废物排放;产品包装要进行绿色包装;在产品的使用期间，厂家要及时对产品进行维修和更新换代，改变传统的产品观念，树立服务观念——销售的是服务而不是产品;产品退役后，首先考虑回收重新利用，不能利用的要安全处置，减少环境影响(林道辉、朱利中，2002)。

2.4.3　工业生态学的研究内容

近年来，工业生态学研究进展迅速，其研究内容主要集中在以下几个方面(陈跃、蒋明辉，2002)。

1)物质和能量流研究(Material and Energy Flows Studies):又称工业代谢(Industrial Metabolism)，研究工业系统、区域及全球物质流向的量化及其对自然生态系统的影响以及减少这些影响的技术方法。

2)减物质化和减碳化(Dematerialization and Decarbonization):寻找工业经济活动中绝对或相对减少所需原料与能量的办法，如减少资源投入，延长产品生命周期，采用非矿物燃料生产等。

3)技术创新与环境(Technological Change and the Environment):研究发展加速工业体系改进的理论及技术，使工业系统能像自然生态系统那样持续运行。

4)生命周期规划、设计与评估(Life Cycle Planning，Design and Assessment):评价产品从原材料采集到生产、使用直至最终处置的整个生命周期的所有环境负荷，辨识和量化产品整个生命周期中能量和物质的消耗及环境释放，评价这些消耗和释放对环境的影响，最后提出减少这些影响的措施。

5)生态再设计(Eco-Redesign):寻求新概念的产品设计，要求在产品设计阶段，考虑生态和经济的平衡及产品对环境可能造成的影响，以便生产出整个生命周期内对环境影响最小的产品，建立可持续产品的生产和消费体系。

6)生态工业园(Eco-Industrial Parks):合理规划原料和能量交换，使各个企业资源共享，一个企业的废物变为另一个企业的资源，寻求物质使用的最小化和零污染排放。生态工业园有零排放生态工业园(Zero Emissions Eco-Industrial Parks)、虚拟生态工业园(Virtual Eco-Industrial Parks)和生态发展(Eco-Development)3种模式。

2.4.4　国外工业生态学的发展状况

1)美国著名研究型大学对于工业生态学的发展非常重视。如麻省理工学院于1997年在全美首先开设了工业生态学的课程，成立了跨院系的“技术、商业与环境项目”(The Technology，Business and Environment Program，TBE)致力于工业生态学和可持续发展研究，并通过组织相关领域的各种定期和不定期会议来促进学术界、政府、公司之间合作网络的建立，使来自不同领域的相关研究成果和观点得以交流。康奈尔大学的工作与环境创新研究中心(Work and Environment Initiative，WEI)主要研究内容包括生态工业园区、人力资源管理等，曾完成了Brown-Sville生态工业园区的规划等工作。耶鲁大学于1997年组织编写了第一份工业生态学杂志Journal of Industrial Ecology，由M IT出版社出版。1998年9月，耶鲁大学成立了工业生态学研究中心(Center for Industrial Ecology)，合作成员除了本校相关院系外，还包括澳大利亚、荷兰等国家的有关科研机构。该中心支持下的“工业和环境管理项目”(Program in Industrial and Environmental Management)其研究内容包括工业生态学的基础理论、生态工业的相关政策等。普林斯顿大学的能量与环境研究中心(Center for Energy and Environmental Study)的工业生态学研究组在工业生态学的研究中也取得了不少的成果，如铅在工业生态系统中的代谢分析等。美国自然科学基金大力支持工业生态学的基础研究，特别在1998年10月专款资助了18项基础研究课题。

2)工业生态学的实践主要在欧洲和北美的一些发达国家中展开。美国从1993年开始有20个城市与大公司合作规划建立生态工业园区;1994年美国可持续发展总统委员会规划在马里兰州的Fairfield、弗吉尼亚州的Cape Charles等4个地方建设不同类型的生态工业园区示范项目;1996年由美国可持续发展总统委员会资助的生态工业园区Cape Charles投入运行;美国环境署还在1999年资助了两个生态工业园区建设计划。丹麦的Kalunborg工业园区以发电厂、炼油厂为核心，还包括生物制药厂、水泥厂、地区农业以及居民区域，自20世纪80年代初发展以来，园区成员间进行废物、废热的有偿供给和交换，实现了物质的部分循环和能源的逐级利用，不仅改善了区域环境，也取得了很大的经济效益。其他一些发达国家也不同程度地开展了工业生态学实践，如加拿大正在将现有的一些工业园区改造成为生态工业园区;日本正在建设川崎零排放产业园区;荷兰鹿特丹正在建设以石油化工及其支持行业为主的生态工业园区;意大利北部的Emilia-Romagna地区也已经具有生态工业发展的良好基础。

2.4.5　中国工业生态学的理论研究和实践状况

中国科学院生态环境研究中心系统生态重点实验室的“城市与产业生态学研究组”较早在国内开展工业生态学的研究，在工业生态学基础理论、物质代谢与循环分析、产业生命周期评价及产品生态设计方法、产业的生态转型、生态产业孵化、生态产业园区规划、建设与管理方法和产业生态工程的整合技术等方面进行了一系列探讨。成立于2001年4月的清华大学“生态工业研究中心”将过程系统工程的理论方法与工业生态学相结合，进一步拓展了过程系统工程和工业生态研究范畴，形成了生态工业的系统工程研究领域。他们在理论上开展了生态工业系统的分析和集成、复杂系统及其演变进化、循环经济等研究工作，提出了生态工业系统热力学分析、代谢分析、共生分析、柔性分析、物质集成、水系统集成、能量集成、信息集成、产业链构建和优化、多层面生命周期评价等方法并成功地应用于实践。几年来，主持进行了10多个国家级和地方政府的生态工业园区和循环经济试点规划及研究工作，如鲁北生态工业模式研究、贵阳磷化工生态工业园区规划、抚顺矿业集团生态工业园区规划等，在国内有较大的影响。北京科技大学冶金与生态工程学院目前已经开始招收工业生态学方向的硕士研究生，进行专门的人才培养。2002年，国家环保总局批准东北大学、中国环境科学研究院和清华大学共同组建“国家环境保护生态工业重点实验室”，重点研究工业生态学和循环经济的基本理论、方法和技术以及工业实现生态化和经济实现低代价增长的发展战略与实施对策，其主要研究方向为生态工业与循环经济的基础理论、生态工业发展战略与规划、生态化工艺与链接技术、资源节约与物质循环以及生态工业技术评估与系统集成。近几年来，国内先后翻译了《工业生态学》(1999)、《工业生态学和生态工业园》(2003)、《产业生态学》(2004)、《工业生态学:政策框架与实施》(2005)等书，出版了《工业生态学:理论与应用》(2002)、《工业生态设计》(2004)、《生态产业与产业生态学》(2005)等一系列著作，对于在国内普及工业生态学理念，推动工业生态学研究起到了重要作用。

中国在20世纪末建立了大量的工业园区，在经历了经济开发区和高新技术开发区两个阶段的经验积累后，一些园区开始向生态工业园区发展。1999年，我国开始启动生态工业示范区建设试点工作，建立了贵港国家生态工业(制糖)示范园区，其内有6大系统，各系统之间相互衔接，进行中间产品和废弃物的相互交换，形成一个比较完整和闭合的生态工业网络。2001年11月召开的“工业园区环境管理研讨会”上，确定了大连、烟台、天津和苏州开发区为我国生态工业园区改造的试点。2001年，国家环保总局下发了环办［2001］124号文件，对《创建ISO14000国家示范区实施办法》作了修改和补充，强化了各工业园区的生态观念，提出了初步的评价标准。此后，又加强了国家生态工业园区的建设，到2005年4月为止，共批准了贵港国家生态工业(制糖)建设示范园区、南海国家生态工业建设示范园区暨华南环保科技产业园区、包头国家生态工业(铝业)建设示范园区、长沙黄兴国家生态工业建设示范园区、鲁北国家生态工业建设示范园区、天津经济技术开发区国家生态工业建设示范园区、抚顺矿业集团国家生态工业建设示范园区、大连经济技术开发区国家生态工业建设示范园区、苏州工业园区国家生态工业建设示范园区、烟台经济技术开发区国家生态工业示范园区、贵阳市开阳磷煤化工国家生态工业示范基地、潍坊海洋化工高新技术产业开发区国家生态工业示范园区、郑州市上街区国家生态工业示范园区等14家国家级生态示范园区。