产业代谢物质流分析物质减量化.ppt
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1、Industrial Ecology in Actionsession 2产业代谢(IMA)&物质流分析(MFA),Ju Meiting,College of Env.Sci.and Eng.,NanKai University,1989年美国环境生态学家首次通过模拟生物新陈代谢过程和生态系统的循环再生过程提出“产业代谢”的概念;其后等人提出了“产业生态系统”的概念。产业代谢分析是模拟生物和自然生态系统代谢功能的一种系统分析方法。与自然生态系统相似,产业生态系统同样包括四个基本组成,即生产者、消费者、再生者和外部环境,通过分析系统结构的变化,进行功能模拟和分析产业流来研究产业生态系统的代谢机能
2、和控制方法。在本质上,产业代谢是把原材料和能源以及劳动在一种(或多或少)稳态条件下转化为最终产品和废物的所有物理过程完整集合。,一产业代谢概念的提出,作为新兴的学科领域,产业生态学的一个核心内容就是对产业代谢的研究,其研究目的是分析我们社会的物质基础、产业系统内部以及与环境之间的物质和能量交换。当前的产业代谢造成了资源耗竭,并对环境产生了巨大压力。那么如何才能使其可持续发展呢?通常认为,最有效的方法是通过物质回收、最优化能源利用、提高物质利用效率等途径最小化其与环境系统的物质交换,从而实现产业系统的可持续发展。,一产业代谢概念的提出,目前产业代谢的研究成果对公共政策的影响非常微弱,应用范围也极
3、其狭窄。原因有很多:一是理论研究与具体政治目标的脱节,二是缺少有效的产业代谢分析工具,再者就是在理论研究和政策制定过程中,没有充分重视经济和自然生态系统中物质流动的作用。,一产业代谢概念的提出,20世纪70年代,开始对特定污染物的末端控制;20世纪80年代,开始提倡污染物综合防治,与此同时兴起了对绿色化学和清洁生产技术的研究。随着资源减少和环境污染日趋严重,人们又将研究重点转向对产业代谢的研究。1992年,Schmidt-Bleek提出10倍因数的概念,指出在未来的50年应该提高发达国家的物质生产力,使全球物质需求减少一半。1995年Weizsaecker又提出更为适度的4倍因数概念。,Fac
4、tor 4 is an objective whereby the input of natural resources,raw materials and energy in each unit of production is to be reduced to one quarter of its current level in the medium term,over the next 20 to 30 years.,一产业代谢概念的提出,二产业代谢研究内容,可以在有限的区域内追踪某些污染物。可以分析研究一组物质,如某些重金属。产业业代谢研究也可以仅限于某种物质成分,以确定其不同形态的
5、特性及其与自然生物地球化学循环的相互影响。比如硫、碳等的工业代谢分析。产业代谢也可以研究不同的与这样那样的产品相联系的物质与能量流,例如德国乌珀塔尔研究院曾经就多种日用消费品进行了产业代谢分析,典型的例子是对澄汁的产业代谢分析。,德国是世界上人均橙汁消费量最高的国家,每人年消费橙汁21升。欧洲消费的橙汁中80以上来自世界上最主要的橙汁生产国巴西。橙汁从巴西到德国要经过12000公里的长途运输。为了运输的经济性,橙汁要浓缩成原来状态8的总量,并在零下18度的条件下冷藏。橙汁生产的主要原料是水和石油。石油主要用于生产蒸汽,用于橙汁浓缩加工。生产1吨橙汁需要8.1千克石油。如果包括运输与冷藏在内,每
6、吨橙汁约需100千克石油。水的消耗同样不可小视:每一杯橙汁至少需要22杯水,主要用于浓缩过程中产生蒸汽和运到德国后稀释浓缩橙汁。,二产业代谢研究内容,分析表明在德国生产1升橙汁需要25千克其他物质消耗,还不包括所谓的生态包袱。即为了取得生产橙汁所需的石油与水而需要消耗的能源与原料。而物质流分析方法将会对此进行研究。比如说,生产1千克石油约需0.5-20升的水。如果我们想做一全面分析,就应把这些水也包括进去;同样地,也应该包括在橙汁运输分销过程中需要大量的小规格包装物料(用于适应航空与铁路运输的独立小包装)以及由此产生大量的废料。我们可从以下两个角度使橙汁生产与消费更为“生态化”:一是生产者应设
7、法减少这25千克的物质消耗,例如让浓缩过程更为有效;另一角度,看起来难以实现,那就是减少橙汁消费。,二产业代谢研究内容,就德国而言,每人每年喝掉21升橙汁,如果按照“生态足迹”来计算,生产这21升橙汁相当于需要24平方米的土地。换句话说,德国每年消费的橙汁总量,相当于需要巴西的150000公顷良田,这相当于瑞士国土面积的3倍以上。由此可见对于社会-环境系统的物质流分析可以重新审视我们的经济活动,引导经济系统中物质和能源流动向更可持续的方向发展。近年的研究成果也表明,对于产业代谢的研究应该基于对经济和环境系统中物质流的分析,因此国内外专家学者纷纷将研究重点转向对物质流的分析,并且已经取得了一定成
8、绩。,二产业代谢研究内容,人类社会经济系统与自然环境之间是依靠各种物质流(material flow)联系起来的,产业代谢分析实质上是对这些物质流的研究与分析。20世纪80年代后期,人们逐渐认识经济系统中的物质流动对于物质的全球循环具有重大的影响;另外经济系统还影响自然生态系统的物质和能源消耗。因此许多学者认为,人类的经济系统是自然生态系统的子系统。经济系统中的物质与能量流动与生态系统中的物质和能量流动相类似,但具有以下特性:1.经济系统与生态系统之间的物质交换量大而迅速;2.经济子系统内部物质流动迅速;3.经济子系统内物质利用率低。,三.物质流分析的概念及发展,简单说来,物质流分析主要是对社
9、会经济或环境系统中的物质输入和输出进行量化,建立物质流账户,以便进行以物质流为基础的优化管理。它具体是通过物理单位(如质量)对物质从开采、生产、消费、循环使用直到最终处置进行结算,其分析的物质可以是元素、原材料、产品、制成品,也可以是废弃物以及向空气、水的排放物等等。,三.物质流分析的概念及发展,20世纪90年代初,德国Wuppertal研究所的研究人员提出了生态包袱(ecological rucksacks)的概念,后来也称其为隐藏流(hidden flows)。此后形成了较为完善的物质流分析框架,并广泛应用于各国研究中。如德国、荷兰、美国、日本、澳大利亚、奥地利、芬兰意大利、波兰、瑞典、英
10、国、法国等主要发达国家先后对本国的资源物质利用情况与经济发展进行了分析,近年来,中国、巴西、委内瑞拉等少数发展中国家也开始进入该研究领域。物质流分析研究因其强烈的政策导向和对政策的指导意义而受到国际上的关注,通过物质流分析,可以控制有毒有害物质的投入和流向,分析物质流的使用总量和使用强度,为环境政策提供了新的方法和视角。,三.物质流分析的概念及发展,(一)质量平衡定律(mass balance)质量平衡定律适用于一切层次上的物质流分析,任何物质流无论其形态如何变化,其总的质量是守恒的。物质平衡公式为:物质输入量=物质输出量+物质储存量,四.物质流分析的理论基础,We may lay it do
11、wn as an incontestable axiom,that,in all operations of art and nature,nothing is created;an equal quantity of matter exists both before and after the experiment;the quality and quantity of the elements remain precisely the same;and nothing takes place beyond changes and modifications in the combinat
12、ion of these elements.The law of conservation of mass,written by Lavosier in the late eighteenth century.,物质平衡是物质流分析的理论基础,它可以叙述某种特殊要素在时间点的流动,包括向环境的散失,并能够估计原料流动系统每个阶段的输入和输出,从而提出与原料相连的全部途径的分析观点。20世纪90年代,美国矿产局基于此完成了对As、Cd、Pb、Zn等金属和矿物的研究。,四.物质流分析的理论基础,(一)质量平衡定律(mass balance),(二)生命周期评价 生命周期评价是评价产品从摇篮到坟墓的
13、整个生命周期过程中对环境产生的影响的系统方法。它首先辨识和量化整个生命周期和能量的消耗及环境释放,然后评价这种消耗和释放对环境的影响,最后辨识减少这些影响的机会。目前生命周期评价作为一种产品环境特征分析和决策支持工具技术上已经日趋成熟,并得到较广泛的应用。利用生命周期评价来进行物质流分析可以发现不易引起注意的隐藏流,它要求对产品整个生命周期中的间接物质流进行计算。它是一个很有用的分析工具,可以评价产品整个生命周期中的物质输入,包括所谓的“生态包袱”。生态包袱是指那些不会进入经济系统、产生经济效益,却是产品整个生命周期中必不可少的物质,根据定义“生态包袱”等于生命周期中总的物质输入减去产品本身质
14、量。,四.物质流分析的理论基础,Ecological rucksacks is the life-cycle-wide material input during all upstream production stages minus the mass of a product itself.基于生命周期评价的物质流分析方法主要适用于对生物质或非生物质原材料以及初级加工产品的研究。而在分析成品半成品时,由于需要大量的、每个生产阶段的物质输入数据,所以可能会耗费大量的时间和精力,并且系统边界的定义也相当困难。分析宏观水平上的物质流有一个更为简便的方法,即投入产出分析。,四.物质流分析的理论基础
15、,(二)生命周期评价,(三)投入产出分析(Input-output Analysis,IOA)投入产出分析方法作为一种经济核算方法,其思想在18世纪由法国经济学家首先提出。20世纪70年代初,西方国家的一些经济学家将经济范畴的投入产出表扩展到环境-经济系统中,构成了环境-经济投入产出表。投入产出分析法有助于寻求经济系统中所有直接流和间接流,并能确定一套相应指标。投入产出分析的一个重要应用是计算单位最终需求的物质投入总量。通过分析,人们不仅可以部门生产的直接物质需求,还可以得出由其他部门的产品供应引起的间接物质需求,从而可确定最终需求(如私人消费、出口)所需的总物质投入。,四.物质流分析的理论基
16、础,资源利用投入产出分析有两种途径:一是货币投入产出表(monetary input-output tables,MIOTs);一是实物投入产出表(physical input-output tables,PIOTs)。理论上PIOTs更适合计算间接资源需求,因为资源投入的种类是多种多样的,然而PIOts重要的缺陷在于不容易获得数据,因此应该将两者结合使用。与生命周期评价方法相比,投入产出分析在研究国家层次的物质流时,只需知道总的物质投入和实物出口,然后再根据MIOTs来确定经济系统中的直接和间接物质投入,以及所有部门的物质生产力。,四.物质流分析的理论基础,(三)投入产出分析(Input-o
17、utput Analysis,IOA),MFA有多种不同研究方法,但其最终目的都是为了维持产业代谢的可持续性。实现此目的的策略又有两种,一种策略是把降低物质流的毒性(detoxification)和环境污染程度作为重要目标;另一种策略是将物质减量化(dematerialization)和生态重组看作环境可持续的先决条件,因此无论是单位物质流的潜在影响还是物质流的数量和结构都要进行分析。需要指出的是,这两者对实现可持续发展都是必须的,因此应该将其看作是互补的而不是互斥的。,五.物质流分析方法分类,第一种类型的物质流分析可以用来控制环境有害物质(如重金属)的流动。SFA(Substance flo
18、w analysis)可确定这些物质向环境排放的主要途径、与之相关的过程、产业系统内部的物质存储和流动、以及在这些物质在环境中的最终浓度。SFA的结果既可以用于决策制定,也可用于产业系统本身的调节,尤其是研究单个产品时。20世纪80年代欧洲主要应用第一种类型的物质流分析,而90年代开始第二种类型的物质流分析方法被广泛应用于各国经济系统物质流分析中,于是就有了较为完善的经济系统物质流分析方法。,五.物质流分析方法分类,物质流分析方法也可以根据所研究的系统边界来划分,按照地理边界可以分为:水域、森林、农田等等;按照行政区域划分为:企业MFA、区域MFA、国家MFA。由于MFA方法过于繁多,使得不同



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