环境材料学第7章材料工业生态学

第七章工业生态学环境材料学2工业为什么会造成污染？把开放系统变成循环的封闭系统，使废物转化为新的资源并加入新一轮的系统运行过程中。34•工业系统应效仿自然系统，建立类似于自然生态系统的工业生态系统，各个工业企业之间相互依存、相互联系，从而形成一个复合的整体，运用一体化的生产方式代替简单的传统生产方式，减少工业对环境的影响。5NicholasE.GallopoulusRobertA.Frosch一、工业生态学发展历程“在自然生态系统中一个物种的废物也许就是另一个物种的资源，为何一种工业的废物就不能成为另一种的资源？如果工业也能像自然生态系统一样，就可以大幅减少原材料需要和环境污染，并能节约废物垃圾的处理过程。”-----1989年《可持续工业发展战略》1.代表人物62.早在1989年之前，工业生态学还存在几个起源点：废物交换：1900年前后，英国就出现了“废物交换俱乐部”工业代谢：工业代谢源于1970s，环境公害事件的密集爆发，引起了西方对危险废物的警觉。工业共生：主要体现于西方对丹麦卡伦堡工业体系的观察。73.在1991年，联合国工业发展组织提出了“生态可持续工业发展”（ecologicalsustainableindustrialdevelopment）的概念。84.在1993年，美国人Hawken的《商业生态学》一书，提出工业生态系统和生态工业园的问题。95.在1997年,耶鲁大学出版了《工业生态学》杂志。10工业生态学的基本原理•工业生态学：通过分析自然界的生物循环系统，将生物圈的循环原理用于工业过程，把现有的工业体系通过工业生态学的途径，转化为可持续发展的体系，最终实现人类社会的可持续发展。11•Asystemthatwouldmaximizetheeconomicaluseofwastematerialsandofproductsattheendsoftheirlivesasinputstootherprocessesandindustries.-Frosch,1992•最大限度地利用废弃材料或产品，使其能在其它工业过程中得到应用的工业系统。工业生态系统12无限的资源无限的废物有限的废物有限的资源能源一级生态系统二级生态系统三级生态系统三级生态系统示意图闭路循环13理想的工业系统示意图有限的资源和能源材料制造废弃消费14工业生态学理论框架可持续发展工业生态学文化系统自然系统技术系统15二、工业生态学的基本原理•实现材料可持续发展的途径•基本核心：工业代谢理论•即提高资源效率和促进环境保护的系统原理16•任何一个工业系统与其周围的环境不是相互隔绝的，而是相互联系的，存在着物质和能量的交换;•这种系统的观点使人类不断优化从原材料、成品材料到零部件、产品，一直到使用、废弃和再循环的物质循环总过程。•系统包括材料的提炼、制造、使用、废弃到再循环。•系统范畴包括材料、产品、工业部门，国家和地区；•优化内容包括资源、能源，甚至资本171.Products,processes,services,andoperationscanproduceresiduals（残留物）,butnotwaste.产品、工艺、服务等过程产生的是残留物，而不是废弃物。工业生态学的原则182.Everymolecule（颗粒）thatentersaspecificmanufacturingprocessshouldleavethatprocessaspartofasellable（适于销售的）product.每个进入一个加工过程的分子，应该在离开此过程后成为一种可以销售的产品。193.Materialsusedshouldbetheleasttoxicforthepurpose,allelseequal.为某种目的而使用的材料应该是具有最低毒性的。204.Industriesshouldgetmostoftheirneededmaterialsthroughrecyclingstreamsratherthanthroughrawmaterialsextraction.工业所需的材料主要应该来自于材料循环过程，而不是原材料的提取。215.Everyprocessandproductshouldbedesignedtopreservetheembeddedutilityofthematerialsused.Theemphasisshouldbebasedonextended-lifeproductsandmodulardesign.每个过程和产品应该被设计成尽量节约材料的使用。强调产品的长寿命和模块化设计。226.Allproductsshouldbedesignedsothattheycanbeusedtocreateotherusefulproductsattheendoftheircurrentlivesratherthansimplybeingdowncycled(e.g.,plasticbottleparkbenchlandfill).所有的产品应该被设计成：能够在它们生命周期结束之后用于生产其它有用产品。23四、工业生态学的研究方法通过研究人类工业系统和自然环境之间的相互作用、相互关系，仿照自然生态系统的物质流方式重新规划工业生产、消费和废物处置系统，从而为人类工业社会与自然环境的协调发展提供全新的理论分析框架和具体可行的实践方法。方法：工业代谢、生命周期评价、投入产出分析、生态工业评价指标等实践形式：为环境设计、产业共生、功能经济24工业代谢•根据质量守恒定律，对物质从开采，到生产消费，直至变成最终的废物进行全过程跟踪。•通过建立物质衡算表，测量或估算物质流动与储存的数量及其物理化学状态，描绘行进路线和动力学机制。•研究对象和尺度多样化（物质到产品；区域到全球）25•主要研究内容：三个层次（产业、区域、全球）原料与能源流向量化；原料与能源流动的环境影响以及减少环境影响的理论、技术方法。•分析方法：质量平衡法；输入-输出分析法；生命周期分析与评价26投入产出分析（IOA）•分析特定经济系统内各个部分间投入与产出数量依存关系的原理和方法。•方法：通过平衡方程，借用数学模型分析初始投入、中间投入、总投入，中间产品、最终产品、总产出之间的关系。•投入：进行一项活动的消耗，包括系统内各部门产品的消耗（中间投入）和初始投入要素的消耗（最初投入）•产出：进行一项活动的结果27生态工业评价指标（EII）•概念：用以衡量工业生态系统资源和能源转化效率的量•目的：通过不同的评价指标，支出不同行业和部门间提高资源使用效率的瓶颈和潜力，推动他们之间的物质和能量的交换。•指标不多，有待研究丰富产品与废物比物质和能量循环率或损失率28为环境设计（生态设计）•美国环境保护局为企业在设计和重新设计产品与工艺时创建的生态设计方法。•基于：设计阶段决定产品70-80%的环境性能；•产品整个生命周期中，包括设计、选材、生产、包装、运输、使用及报废处理，都必须综合考虑其对资源和环境的影响，做到环境协调。29产业共生(industrialsymbiosis,IS)•是工业生态学在区域层面的应用，通过组织间的协同效应，将影藏在废物流或副产品中的资源重新利用。•实施产业共生，必须对现有产业系统进行大规模的重组调整。•生态工业园区：一个区域性的产业共生系统，系统内个组成单位间有密切的物料、能源、资金、信息的联系。•我国第一家：广西贵港3031五、工业生态学应用案例•1.凯伦堡生态工业园3233发电厂WasteGas石膏粉34炼油厂蒸汽燃气石油燃油35制药厂土豆粉酶制剂发酵废弃物36当地农场发酵废弃物渔场废弃物37石膏板厂燃气石膏粉38卡伦堡工业生态园成效•节约资源能源:–热点联供使燃料的效率提高了30%–减少了石油的消耗–减少了3500个家庭的燃炉–节约了淡水的供应•原材料的新来源–石膏,硫酸,肥料,39生态工业园的成功经验？•材料、水、能量的流动•贴近的工厂•工厂经理们之间非正式的紧密联系•对现有基础设施的最小改装4041•工业共生：指一种工业组织形式，从某一生产过程的废物可以用作另一生产过程的原料，从而最高效地利用资源和最大减少工业废物。（源于西方对于丹麦卡伦堡工业体系的观察研究）•生态工业园（eco-industrypark）是建立在一块固定地域上的由制造企业和服务企业形成的企业社区。在该社区内，各成员单位通过共同管理环境事宜和经济事宜来获取更大的环境效益、经济效益和社会效益。整个企业社区能获得比单个企业通过个体行为的最优化所能获得的效益之和更大的效益42卡伦堡工业生态园成效•节约资源:–30%betterutilizationoffuelusingcombinedheat+powerthanproducingseparate–Reducedoilconsumption–3500lessoil-burningheatersinhomes–Doesnotdrainfreshwatersupplies•原材料的新来源–Gypsum,sulfuricacid,fertilizer,fishfarm43思考题相比传统燃油车，电动车的未来前景如何？有哪些阻碍？如何解决？