生态工业技术的概念、特征及比较研究

　　摘要：基于工业生态学理论提出了生态工业技术的定义，即生态工业技术是指按照工业生态学和系统科学原理，把2个或多个生产过程或生产单元链接起来，形成结构和功能协调、资源和能源效率高、环境污染排放少、经济产出高效的工业共生体和复合型生态产业链网的方法和手段.在此基础上，从链接(或关联)性、资源效率、环境效应及经济效果等方面对生态工业技术的内涵和特征进行了剖析，比较分析了生态工业技术与传统工业技术之间在理论建构基础、创新目标、产业结构、资源代谢、环境绩效等方面的差异性.最后，选取“高炉渣生产水泥”典型生态工业技术进行了案例分析.

　　关键词：工业生态学；生态工业技术；特征；比较；

　　作者：傅泽强

　　工业技术创新与进步是实现工业可持续发展的源动力.然而，由于传统工业技术忽视了环境资源的稀缺性和生态过程的多样性，以追求单一的经济效益为目标，导致传统工业技术推动下的工业化进程加深与环境污染日益加重的尴尬局面，因此传统工业技术的生态化创新与发展迫在眉睫.笔者基于工业生态学理论，提出了生态工业技术的概念，并进行了比较研究和典型案例分析.

　　1生态工业技术概念提出的背景

　　人类工业化历程表明，工业系统是人类社会与自然生态系统相互作用最为强烈的一个子系统.在人类各种经济活动中，工业活动对自然环境作用最大，由此造成对自然环境的影响和损害也最为严重[1].工业对环境的影响本质上是工业技术生态负效应的表现，生态环境危机是技术在逆生态模式下不断扩张后不可避免的结果.康芒纳[2]认为，人类发展对资源和环境等自然资本的影响主要受到人口增长、富裕程度和技术能力的约束，而人口和富裕这2个因素的增长不足以解释环境污染的高速增长，显然，环境危机与技术变革紧密相关.传统工业技术体系是依据物理和化学原理建构的，其物质转化过程是线性的而非网状的，开环的而非闭环的.工业技术进步主要通过劳动生产率单一指标衡量，却基本忽视了技术使用对生态环境的影响.日益加深的传统工业技术所产生的生态负效应成为人类经济和社会可持续发展的强大制约因素，迫使人们开始关注工业技术的生态化问题.

　　为彻底解决工业活动带来的环境污染问题，欧美等发达国家率先提出了以末端治理为主导的工业污染控制技术体系.不可否认，末端治理技术在控制工业污染方面曾起到过积极作用，可能还将长期主宰环境问题的治理环节，然而，由于其存在着种种缺陷和不足，不能从根本上解决环境污染问题，还可能产生恶性经济效益[3].在这种情况下，探索新的更有效的环境污染预防与控制技术成为工业界和学术界的紧迫课题.

　　从技术角度看，末端治理不能从根本上解决工业污染问题，清洁生产虽然通过持续改进生产工艺、设备及产品设计、原材料，从源头预防污染和减少废物产生，但由于仅限于单个企业内部，因此不能解决区域性的工业污染问题.工业生态学[3]为人们深刻认识技术与环境的关系，重新审视和评价传统工业技术的建构理论、性能特点、使用方式合理性等问题提供了一个全新视角，同时也为从根本上解决工业活动对环境的影响提供了一体化方案.生态工业是基于工业生态学理论的具体实践模式，它从企业群落、区域层面入手，仿照自然生态系统中物质和能量流动方式规划和设计工业生产系统，形成一种全新的、生态化的工业生产系统或工业生产组织形式[4—5].实质上，工业生态系统组成成员之间形成的共生关系是借助一类具有“链接”功能的技术的支持，该类技术就是生态工业技术.

　　2生态工业技术的定义和内涵

　　生态工业技术是指按照工业生态学和系统科学原理，把2个或多个生产过程或生产单元链接起来，形成结构和功能协调、资源和能源效率高、环境污染排放少、经济产出高效的工业共生体和复合型生态产业链网的方法和手段.

　　广义上，生态工业技术是指在工业系统中使用的能够使系统内部的物能效率最大化和污染排放最小化的所有与环境友好的技术，例如无废工艺、清洁生产、绿色化学、绿色制造、生态工程等.

　　狭义上，生态工业技术是指依据工业生态学原理和生态设计原则建构的一套新的工艺流程、新的工艺方法，以及新能源、新材料、新技术的使用方法.它使工业系统中2个或2个以上的生产环节或生产体系形成“工业共生”关系，整个工业系统形成有序的工业营养结构和食物链、网，从而达到既合理利用自然资源，又将工业生产过程对环境的破坏作用降低至最低水平的目的，获得良好的生态、经济和社会效益.

　　从生态工业技术的定义中可以看出：

　　a.生态工业技术建构的理论基础是工业生态学和系统科学原理，其最终目标是通过对传统工业技术的生态创新，实现传统工业系统的生态化转型，核心是生态效率[6]，即在实现经济效益最大化的同时，降低从原料开采、产品加工和制造、产品消费直至产品废弃后回收利用的生命周期中的物耗和能耗强度，减少废物产生量和最终排放量，使工业活动产生的生态环境负荷最小化.

　　b.从生态工业技术的功能来看，它是重构工业生产组织的基本方法和手段.借助于生态工业技术，2个工业生产过程或单元形成了一个具有特定物质转化功能的工业共生体，而多个工业共生体则形成了复合型的生态产业链网，也即工业生态系统，其物质流动由线性模式转变为链环状模式，从而使得资源、能源、投资及人力资本得到最优化和高效利用，工业生产过程、产品对生态环境的影响最小化.

　　c.从生态工业技术转化的对象看，它既属于产品深加工技术，也是一类资源再生技术.在一个特定的工业共生体中，下游生产单元把上游单元输出的“产品”作原料进行深加工，显著增加了“产品”的价值；而以“废物”作为全部或部分原料，又使得上游生产单元产生的“废物”变成了再生资源.

　　d.从生态工业技术的环境功能看，由于它利用了上游生产单元产生的废物，从而使得整个工业共生体的废物排放量显著减少，降低了可能造成的环境污染和风险，因而它也属于一类环境技术.

　　3生态工业技术的属性和特征

　　生态工业技术具有多重属性和特征，既具有一般技术的共性特征，也具有与一般技术显著不同的个性特征.

　　3.1链接(或关联)性

　　“链接性”(或关联性)是生态工业技术的最基本属性之一，也是区别于其他一般技术的最显著特征.由于生态工业技术所具有的“链接”属性，2个或2个以上的工业生产过程或单元形成了工业共生体.从这个意义上说，“链接性”是辨别或评价生态工业技术的基本指标之一.

　　生态工业技术与工业共生体之间存在着因果关系，即后者是在前者的支持下才得以形成，且后者是前者的“寄主”，即生态工业技术寄寓于其支持下形成的工业共生体之中，工业共生体是生态工业技术存在的“土壤”.例如，钢铁厂与建材(水泥)厂是一个工业共生体，“高炉渣生产水泥技术”是使钢铁厂与建材厂进行物质交换的关键因素.建材厂采用钢铁厂产生的高炉渣作为生产水泥的原料，从而实现了2个生产单元的链接与共生.如果失去了该项技术支持，那么“钢铁厂-建材厂”工业共生体就不复存在.同时，利用高炉渣生产水泥生态工业技术寄寓于“钢铁厂-建材厂”工业共生体中，“钢铁厂-建材厂”共生体如果不存在了，该生态工业技术也就失去了意义.

　　生态工业技术的关联性可用工业共生体中2个生产单元之间物流强度的大小衡量.一般而言，工业共生体中2个生产单元交换物质的数量越大，表明该项技术的关联性越强，否则，关联性越小.二者之间的物质交换量为零，则表明二者之间不存在关联.

　　3.2资源效率与环境效应

　　生态工业技术的另一个特征是具有较高的资源和能源效率，即显著减少了单位产品或服务的资源、能源消耗量，提高了资源、能源生产率.

　　在传统工业技术条件下，工业生产过程和单元基本上是独立的.在经过一个过程之后，原材料中的一部分转变为产品，同时，有部分原材料不可避免地变成了“无用”的废物.由于经济、技术水平的制约，这些废物难以被利用或者是由于利用成本太高，最终排放到环境系统之中，造成了资源浪费和环境污染.

　　借助于生态工业技术，原本相互独立的2个或2个以上的工业生产过程或单元间构成了链网结构，形成了结构和功能协调的工业共生体，一个过程或单元的输出(产品或废物)成为另一个过程或单元的输入(原材料).由于下游生产过程或单元对上游生产过程或单元输出的物质(产品或废物)进行了再加工，得到了新的产品，因此对于转化的初级产品而言，其价值得到了提升；对转化的废物而言，其环境影响和风险被消除.无论是初级产品还是废物转化，都提高了资源生产率.同时，工业共生体中的下游生产过程或单元由于使用了来自上游生产过程或单元的再生资源作为原料，减少了原生资源的使用量，间接地降低了原生资源开发可能带来的生态环境影响.

　　总之，借助于生态工业技术形成的工业共生体，其资源生产率可通过下游生产过程或单元对上游生产过程或单元输出的物质进行再加工、再转化而得到提高，同时减少了原生资源的使用量和废物排放量，避免或减少了生态影响和环境污染.

　　3.3经济效果

　　与传统工业技术相比，生态工业技术具有较好的经济效果，同时还能够带来一定的生态和社会效益.

　　a.产品增值效应.生态工业技术是生态产业链形成的前提条件，具有产品价值增值效应.在一个以“产品原料”为纽带形成的生态产业链中，下一个生产过程或单元以上一个生产过程或单元产出的中间产品为原料，随着生态产业链的延伸，上一个生产过程产出的初级产品的价值得到显著提升.

　　b.资源再生与替代.工业生产过程中产生的废物实质上是未予充分利用的原材料，一部分是化学性质基本没有发生改变，而仅仅是其物理形态、大小等发生改变的废料，如金属切割、木材加工产生的碎屑等；另一部分是理化性质发生较大变化的废物，如煤炭经过燃烧后形成的粉煤灰等.无论哪种类别的废物，如果不加利用而排放，就会造成资源浪费和环境污染.

　　在工业共生体中，废物也是资源，即上一个生产过程或单元的废物是下一个生产过程或单元的原料.利用废物进行生产，减少了原生资源使用量，实现了资源替代.从另一层面看，原本可能带来环境污染的废物转变成资源，并利用生态工业技术转化为具有较大价值的新产品，也表明了生态工业技术所具有的环境和经济效果.

　　4生态工业技术与传统工业技术比较

　　生态工业技术是传统工业技术生态化的结果.与传统工业技术相比，无论是在技术建构的理论基础、资源效率、环境绩效方面，还是在经济效益方面，二者均存在明显差异。

　　生态工业技术和传统工业技术之间的本质区别在于其建构的理论基础.生态工业技术以工业生态学和系统科学为理论基础，强调技术的整体性和环境友好性.它是模拟自然生态系统的结构和功能而建构的技术体系，以生态效率和综合效益为创新目标，而不追求单一生产效率或经济效益.在技术建构上强调反馈作用，技术之间构成网状、有机联系，物流上表现为从源到汇再到源，即同时存在2个物流方向相反、相互衔接的物质代谢过程：“资源→产品"的产品代谢[7]和“废物→资源"的废物代谢[7]，从而使物质在一个闭环系统中循环，既降低了资源、能源消耗强度，同时减少了废物排放，减轻了技术对生态环境的压力.

　　传统工业技术原理及模式是建立在物理学、化学基础之上的，强调普遍性和一致性，而忽视生态过程的多样性及与自然的和谐性.技术结构与功能之间缺乏有机联系，表观上为离散的、不连续的，物流上表现为线性的、开环的，即“资源→产品→废物&quot；的单向流动模式.传统工业技术系统中主要以产品代谢过程为主，由于缺乏自我调控和反馈机制，资源、能源消耗强度大，效率低，大量中间代谢物及废弃产品成为不再利用的“废物”排放到环境中.

　　不同工业技术模式下的产业系统，其结构、目标及生态效应存在显著差别.传统工业技术引导下的产业体系是逆生态的，主要以不可再生资源、化石能源为其原材料和动力，投入高，效益低，以单一经济利益最大化为目标，而忽视资源和环境承载能力；产业结构是链状的，而不是网状的，行业间、部门间的横向联系和共生关系薄弱，缺乏必要的物质、能量的多层分级利用关系，表现为不合理的产业和产品结构、产业布局、资源配置、土地利用格局，以及不协调的生产关系，如企业供需矛盾、技术发展与环境保护冲突等.

　　生态工业技术引导下的工业生产体系是生态化的，强调以可再生资源和清洁能源为其原材料和动力，具有科技含量高、不可再生自然资源消耗少、环境污染小、经济社会和环境综合效益好等特征.

　　5典型案例

　　高炉渣是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣，经水或空气急冷处理成颗粒状，又称为粒化高炉渣.每生产1t生铁时高炉渣的排放量，随着矿石品位和冶炼方法不同而变化.例如采用贫铁矿炼铁时，生产1t生铁产出1.0~1.2t高炉渣；用富铁矿炼铁时，生产1t生铁只产出0.25t高炉渣.

　　高炉渣是由脉石、灰分、助熔剂和其他不能进入生铁中的杂质所组成的易熔混合物，从化学成分上看，它属于硅酸盐质材料，与水泥成分基本相同；而且高炉渣是在1400~1600℃高温下形成的熔融体，水淬成粒状矿渣具有潜在的水硬胶凝性能，在水泥熟料、石灰、石膏等激发剂作用下，可显示出水硬胶凝性能，是一种生产水泥的优质原料.

　　借助于“高炉渣生产水泥技术”，上游企业——钢铁厂排出的“废物”成为下游企业水泥厂的原料，原本相互独立的钢铁厂和水泥厂形成了工业共生体，不仅节约了生产水泥的原料，降低了水泥原料开采可能带来的生态环境影响，消除了高炉渣排放可能对环境造成的影响；而且可用高炉渣作为水泥混合材料生产矿渣硅酸盐水泥，每m3混凝土可节约成本15~25元.目前，用高炉矿渣作为水泥原料，其掺入量可占水泥质量的20%~85%.但随着掺入量的增加，水泥标号降低.因此，在不降低水泥标号的前提下提高高炉渣掺入量，是该项技术的发展方向.

　　国外高炉渣的综合利用是在20世纪中期开始发展起来的.目前欧美一些发达国家已做到当年排渣，当年用完，全部实现了资源化.我国目前高炉渣的利用率在85%以上[8]，生产矿渣水泥是目前粒化高炉水渣最主要的利用途径.随着我国钢铁工业的发展，高炉渣排量将日益增多.历年来已经堆积矿渣近15×1011t，占地约1000km2.这不仅造成了巨大的资源浪费，而且为了处理这些废渣，国家每年需花费巨额资金修筑排渣场和铁路线，浪费了大量的人力、物力和财力.因此，大力推广和应用高炉渣生产水泥技术具有重要的现实意义.

　　生态工业技术是“生态工业”这一新型工业组织形态形成和发展的基本支撑条件，是实现工业发展可持续性的重要手段.笔者对生态工业技术概念所进行的初步探讨，尚需在今后的研究中进一步深化.本文来自《东方电机》杂志