工业生态学理论与城市生态工业园区设计研究——以吉林省九台市为例，本文主要内容关键词为：吉林省论文,生态论文,为例论文,工业园区论文,学理论论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：F40；F290 文献标识码：A 文章编号：1000－8462（2002）05－0585－04
1 工业生态学的概念
早在生态科学发展初期，伊夫林·荷奇森（Evelyn·Hutchinson）、霍华德·奥德姆（Howard·Odum）等先驱们就已意识到“人类活动的生物物理基质同样服从于自然生态系统的规律”。［1 ］但当时生态学者们的目光更多地集中在与自然生态系统相似的农业生态系统的研究方面。直到20世纪70年代工业生态学的概念才出现于西方的科技文献中，但没有更为深入的研究。大约过了20年以后，工业生态学研究才引起人们的重视，以1989年9 月美国科普月刊《科学美国人》刊载的《可持续工业发展战略》文章中对工业生态概念的重新挖掘为标志，工业生态学研究走上了充满活力的发展道路。
工业生态学作为一门年轻的学科，尚不存在标准定义。加拿大学者雷蒙·柯特（Raymond.Cote）曾做过统计，有关工业生态学的定义有20种之多。尽管这些定义之间存在一定的差异，但有三个方面的认识趋于一致：①工业生态学是一种关于工业体系的所有组成部分及其同生物圈关系问题的全面的、一体化的分析视角；②工业体系的生物物理基础，亦即与人类活动相关的物质和能量流动与储存的总体，是工业生态学的研究范围，与目前常见的学说不同，工业生态学的观点主要运用非物质化的价值单位来考察工业与经济；③科技的动力，亦即关键技术种类的长期发展进化，是工业体系的一个决定性（但不是唯一的）因素，有利于从生物系统的循环中获得知识，把现有的工业体系转换为可持续发展的体系。［2］
2 工业生态学的研究视角及其基本理论
2.1 工业生态学的研究视角
自工业社会以来，人类的工业开发系统主要是作为自然界的对立物而存在。人们主要利用自然界中“不可更新”或“不可再生”的化石能源和矿产资源支撑着工业社会的发展，并在工业生产中排放出大量的废物，造成自然环境的污染，于是人们便产生了工业体系和生物圈相对立的看法，进而认为解决环境污染问题的最好办法是治理污染和预防污染。“过程末端治理”（end of pipe ）和“从源头开始预防污染”就是这种思维的产物。
工业生态学反其道而行，从生态学的本源出发，依据“人类活动的生物物理基质服从于自然生态规律”的思想，创立了工业生态系统的概念。认为一个工业生态系统，可以象一个生物生态系统那样循环运行。在自然生态系统中，植物吸收养分，合成枝叶，供食草动物食用，食草动物本身又为食肉动物所捕食，而它们的排泄物和尸体又成为其他生物的食物和植物的养分供给，从而形成由生产者（绿色植物）、消费者（动物）、还原者（微生物）和环境（无机自然界）构成的生态系统的物质循环结构。与此相应，一个理想的工业生态系统应由四类主要行为者构成：即资源开采者、物质处理者、消费者和废料处理者。通过集约再循环，使系统内的不同行为者之间的物质流远远大于出入系统的物质流。工业生态系统和自然生态系统的类比见（图1、图2）。
图1 自然生态系统的物质循环结构
Fig.1 Material cycles of ecosystem
图2 理想的工业生态系统示意图
（资料来源：Brand R.Allenby）
Fig.2 The ideal industrial ecosystem
（source:Brand R.Allenby）
工业生态系统同传统工业体系相比，是把传统的工业活动模式——消耗原料、生产和销售产品、废料堆积和处理的制造业过程转变成更加一体化的模式，从而使工业生产活动形成与自然生态系统一样可以循环的系统［3］。
2.2 工业生态学的基本理论
工业生态学的仿自然生态系统的研究宗旨就是促使现行工业体系向可持续工业体系的演进。用生态科学的术语来解释这种演进过程，就是通过对现行工业体系的“生态结构重组”使其达到工业生态系统的“顶级群落”。自然生态系统的顶级群落特征是物质与能量流动速度的下降，物质的重复使用率提高，有十分广泛的特定食物网，大量的种群之间发生十分复杂的相互作用，如共生和寄生等。与此相应，现行工业体系“生态结构重组”的目的：一是建立工业体系的共生关系，改善整体经济的物质与能源效率；二是企业与生产单位要重新审视产品与制造过程，特别是要减少产生废料；三是优化设计工业生产的反应过程，在分子层次上，提高反应的速率。
由此可见，工业生态学的基本理论实际上就是工业体系的“生态结构重组”的战略理论，它主要包括四个方面的内容，即废料的资源化利用、封闭的物质循环系统和尽量减少消耗性材料的使用、产品与经济活动的非物质化和能源脱碳。
2.2.1 废料的资源化利用
在以完全循环方式运行的生物生态系统中，并无资源与废料之分。因为，对一个有机体来说是废料，但对另一个有机体来说则是资源。与生物生态系统相比，现行工业体系的废物再循环利用微乎其微。实际上，有步骤地将废料作资源利用的想法是工业生态学今天发展的起因。一般而言，废料的资源化利用很难在单个企业中实现，它往往需要在企业集团层次上和地区间来完成，使一个工业部门或一个地区的废料成为其它工业部门或地区的生产原料。这也意味着企业之间不仅仅是竞争关系，还是一种超越门户（over the fence）的合作关系。唯此才能保证废料的资源化利用。
2.2.2 封闭的物质循环系统和减少消耗性材料使用
工业生态系统的封闭物质循环，关键在于废料的重复利用，以减少废弃物质的输出。而重复利用的关键是解决好回收利用中的技术问题。主要包括分拣与分离技术、防治性能退化技术，也就是说，致力于简单收集废料是远远不够的，更需要致力于再循环的过程中保持物质的特性。如果随着再循环次数的增加而使回收物质的性能发生变化，也就构成不了真正意义的封闭物质循环。因此，应着重发展使物质成分处于稳定状态的材料和技术。
减少消耗性材料使用的目的是防止消耗性污染。工业代谢分析明确表明这样的事实，即许多产品的使用都是消耗性的，大部分有毒金属，诸如砷、镉、铬、铜、铝、汞、银和锌等广泛存在于我们经常使用的不同产品之中，随着产品的使用和正常老化，这些重金属会消耗开来而形成消耗性污染。对消耗性污染防止的积极措施是利用高科技手段将有毒物质固定在产品中，即建立与寻找与生物解毒过程相对应的工业解毒机制。或者是替代和干脆禁用有毒物质材料，但这样无疑会影响我们现行的工业生产流程，因为现行工业体系中很难拒绝有毒物质原料的参与，如“氯”这一元素就参与了许许多多的工业生产流程。
2.2.3 工业产品与经济活动的非物质化
非物质化就是在同样多的、甚至更少的物质基础上获得更多的服务与产品，简单的说就是提高资源的生产率。毫无疑问，随着新材料的不断发展，随着再循环技术的改善，随着环保设计方法的发展，产品和生产技术的非物质化倾向将进一步加强。当前具有前景的是纳米技术的发展，它可以从原子和分子的层次上进行生产控制。掌握这种生产方式就可以保证获得超净的新材料，还可能在生产过程中不产生任何废料，因为人们只运用需要的那部分原子和分子。另外，对非物质化的思考还应走出现有生产力概念的范围，接受一种全新的生产观念。具体的说，是在产品设计伊始就应考虑产品的功能，努力在生产、使用、维护、维修、回收及最终弃置过程中减少物质与能量的消耗。
2.2.4 能源脱碳和清洁能源
自工业革命开始以来，源自矿物以碳氢化合物形态出现的炭一直是滋养以西方模式发展的所有经济的最基本物质。碳氢化合物（煤炭、石油、天然气）占我们地球开采物质的70％以上。正是它的广泛开采和使用，造成我们今天的温室效应、烟雾、赤潮和酸雨。由此，最好的能源脱碳办法是减少对矿产能源的使用，并努力使之“非物质化”。也可以通过高技术的发展转换矿物燃料，如将碳和氢分开使用，发展氢燃料技术。
清洁能源是当今人类广泛提倡利用的能源。除太阳能、水能、核能外，能源脱碳是人类必须面对的挑战。此外，还应积极寻找碳氢化合物的替代产品，目前具有一定前景的替代物是生物质能的开发，即把植物的枝叶和秸杆作为能源来利用，发展“绿色碳氢燃料”。尽管它仍然不是“脱碳”的，但对环境的毒性很小，也不会产生温室效应。
3
生态工业园区的国内外实践——兼论九台生态工业园区设计
3.1 生态工业园区的概念
生态工业园区，也称工业生物群落，它是与工业生态学理论的发展相伴生的，诞生于20世纪90年代初，是指在一个园区内，各企业进行合作，以使资源得到最优化的利用，特别是相互利用废料（一个企业的废料作为另一个企业的原料）。“园区”的概念并不限于地理上毗邻的地区，它可以包括附近的居住区或者包括离得很远的企业（如果它能处理园区现场不能处理的稀有废料的话）。生态工业园区也区别于传统的废料交换，它不满足于简单的一来一往的资源循环，而旨在系统地使一个地区的总体资源增值。
3.2 国内外生态工业园区已有的实践
3.2.1 国外的生态工业园区实践
早在生态工业园区概念建立之前，国外的一些传统工业地区（如鲁尔、洛林、休斯敦等）就有类似的实践，其中以丹麦的卡伦堡工业共生体系最为有名。卡伦堡是一个仅有2万居民的工业小城市， 距哥本哈根仅100km左右。卡伦堡共生体系中主要有5家企业，相互间距离不超过数百米，由专门的管道体系连接在一起。这5 家企业分别是阿斯耐斯瓦尔盖电厂、斯塔朵尔炼油厂、挪伏·挪尔迪斯克生物工程公司、吉普洛克石膏材料公司、克拉米硫酸钙厂。在发展过程中它们自发地形成了一种工业共生体系，彼此交换废料，产生了显著的环境和经济优势，具体表现在减少了资源消耗、减少了造成温室效应的气体排放和污染，并使废料得到重新利用，其废料交换流程见（图3）。
图3 卡伦堡工业共生体系企业间主要废料交换流程示意图
（资料来源：卡伦堡共生研究协会）
Fig.3 The industrial cohabitation system of Karlmbonlt
生态工业园区概念建立之后，国外建立起了基于社区的产业生态开发模式，社区内的生产与服务企业为增强环境和经济效益而进行合作管理环境和利用资源。通过合作，社区企业获得了一种群体利益。在美国，生态工业园遍地开花，并在可持续发展总统委员会下组建了一个生态工业园区特别工作组。在荷兰、加拿大、奥地利等国家也有类似的开发计划。可以说，生态工业园区的建立已成为人类的一项新的实践。
3.2.2 国内的生态工业园区实践
由于国内对生态工业园区概念认识上的误区，在很多城市或区域发展规划中，都提出过生态工业园区的概念，但一般还停留在环境治理和保护的层次上。由国家批准正式启动的生态工业园区为数较少，广西的贵港就是其中之一。贵港依其蔗糖生产优势，以蔗糖生产为中心，以物流、能源的优化利用为目的，建立了我国第一个生态工业园区。目前，该区基本形成了以制糖、热电、造纸、水泥、肥料等为一体的工业共生体系。
3.3 吉林省九台市生态工业园区概念性设计案例
3.3.1 九台市现行工业体系状况及其存在问题
九台市位于吉林省两个特大型城市长春和吉林中间，是一个人口近20万的中等城市，市区现状工业部门主要为机械制造、医药、农副产品加工、煤炭开采、非金属矿产开发等。随着煤炭开采量持续下降和开发成本不断提高，九台市人民政府在上级有关部门的支持下，正在筹建一个发电能力为120万KW的大型电站。
目前，九台市工业体系存在的主要问题是主导产业发展特色与方向不明确，产业开发活动中造成的生态资产损害和环境污染带有普遍性、工业企业一般技术含量都比较低。严重制约着九台市工业体系的可持续发展。
3.3.2 九台市生态工业园区的设计
为了促进九台市现行工业体系向可持续发展方向转变，市政府根据吉林省生态省建设的要求，委托东北师范大学城乡规划设计研究院编制了“九台市生态经济城市建设规划”，其中就包括了一个生态工业园区的设计。
3.3.2.1 生态工业园区设计的主要思路。 考虑到九台市现行工业体系状况和未来工业化进程，本着发展优先的原则，形成了把传统工业的生态化改造和生态园区建设相结合的设计思路。即结合传统工业的生态化改造进一步稳定和壮大其分工地位，并根据外部背景环境变化和地区优势培育新的生态产业部门，并努力使各产业部门之间的生态链条与技术链条相统一，使各产业部门之间形成一个相对封闭的物质循环体系。
3.3.2.2 生态工业园区的产业构造。 生态工业园区产业构造的首要工作是合理确定园区的主导工业部门。经研究认为，支撑九台市未来经济发展的主导工业部门为绿色与有机食品加工、绿色医药、生态能源和高科技生态型非金属矿产资源加工。其中围绕着原煤的“非物质化”而发展的生态能源处于一种关键地位，可以将主导工业部门联合成一个生态工业联合体；其次是按照主导工业生产的副产品和废料配套建设“二次资源”的制造业部门。主要包括环保建材和生态肥料；第三是为促进物质的封闭循环和减少能量流失，注意发展一些与电厂余热相关的非工业部门，如温室、养殖厂的建设及居民供暖等。据此设计的九台市生态工业园区产业共生模式如图4所示。
图4 九台市生态工业园区产业共生模式
Fig.4 The industrial cohabitation pattern of Jiutai eco-industrial park
3.3.3 生态工业园区的管理模式
从国外生态工业园区的实践来看，其一体化管理主要是通过市场力量把企业联为一体的，像卡伦堡工业共生体系就是自发形成的。从国内的广西贵港生态工业园实践看，是政府引导与企业运作的结合，由贵港糖业集团总公司统领生态工业园区的建设。由于九台生态工业园正处于规划阶段，具体运作暂由九台市生态建设办公室负责。根据我国的国情，未来该园区的一体化管理以贵港模式为宜。政府主要负责制定规则，提供法律保障，企业可以组成大型集团，统一负责废弃物的回收与处理，提供R&D服务及金融服务、通讯与其它共享服务等。