礦冶工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展

郭利杰，楊小聰

(北京礦冶研究總院，北京 100070)

礦冶(采、選、冶)工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，也是高耗能，高污染產(chǎn)業(yè)。傳統(tǒng)的礦冶工業(yè)生產(chǎn)模式所引發(fā)的大量環(huán)境災(zāi)害問題已經(jīng)成為制約我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。環(huán)境污染的“末端治理”不是有效的解決方法，只是將污染問題在空間和時(shí)間內(nèi)移動(dòng)，廢物處理和資源化利用程度低。要綜合解決好目前礦冶工業(yè)發(fā)展中面臨的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染等突出問題，就必須改變過去“資源-產(chǎn)品-廢物”的發(fā)展模式，通過“資源-產(chǎn)品-再生資源”的閉環(huán)反饋式流程，注重將廢料作為資源重新利用,使整個(gè)礦冶生產(chǎn)活動(dòng)基本上不產(chǎn)生或產(chǎn)生盡可能少的工業(yè)廢物,從而使工業(yè)活動(dòng)對(duì)自然資源和環(huán)境承載負(fù)荷的影響控制在最低限度。

這種封閉材料循環(huán)的工藝變革，并非廢物“管端”處理的另一種版本，而是正在興起的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的一部分。所謂工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是指在一定的區(qū)域和范圍內(nèi)，有一批相關(guān)的工廠、企業(yè)組合在一起，它們共生共存，相互依賴，其聯(lián)系紐帶是廢物，其中一個(gè)企業(yè)產(chǎn)生的廢物(或副產(chǎn)品)是另一個(gè)或幾個(gè)企業(yè)的“營(yíng)養(yǎng)物”(原料),構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的企業(yè)“群落”(工業(yè)鏈)體系。這個(gè)系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是物質(zhì)和能量循環(huán)最優(yōu)循環(huán)，工業(yè)廢物最小排放，資源利用價(jià)值最高而消耗量最小。也即實(shí)現(xiàn)物質(zhì)和能源利用的最大化和廢物產(chǎn)量的最小化。

1 礦冶工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)

1.1 礦冶工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)概念

傳統(tǒng)的礦冶生產(chǎn)模式難以解決其環(huán)境污染問題。基于工業(yè)生態(tài)學(xué)原理所建立的礦冶工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，是針對(duì)礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用過程，在一定的區(qū)域范圍內(nèi)規(guī)劃配置以產(chǎn)出的廢物及廢物的資源化轉(zhuǎn)換為聯(lián)系紐帶的采選冶企業(yè)和其他一系列相關(guān)配套企業(yè)以及這些企業(yè)的生產(chǎn)工藝，形成工業(yè)生態(tài)園區(qū)。在該園區(qū)內(nèi)，人文、生態(tài)、資源和經(jīng)濟(jì)環(huán)境相互聯(lián)系，構(gòu)成有機(jī)整體。園區(qū)內(nèi)的工業(yè)廢物將被作為內(nèi)部資源被重新利用，而使礦產(chǎn)資源得到最大利用。這種以工業(yè)共生為基礎(chǔ)的礦冶生產(chǎn)模式是解決礦業(yè)環(huán)境污染、實(shí)現(xiàn)礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最有效方法。

礦冶工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是以礦產(chǎn)資源的采選冶企業(yè)為主體，實(shí)現(xiàn)采礦、選礦、冶金產(chǎn)出廢物的協(xié)同資源化利用。礦產(chǎn)資源開發(fā)利用過程中產(chǎn)出的廢物主要有采礦廢石和礦坑廢水，選礦尾礦和選廠廢水，冶煉廢渣和冶金廢水。這些廢料的產(chǎn)出量很大，一方面需要采用先進(jìn)的開采及選冶技術(shù)從根源上減少?gòu)U料產(chǎn)出，多產(chǎn)出合格產(chǎn)品；另一方面要求將廢料再次資源化，將礦山廢料作為內(nèi)部資源被重新循環(huán)利用，發(fā)揮最大的資源效率并獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 礦冶工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)

礦冶工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是一種根據(jù)工業(yè)生態(tài)學(xué)原理建立的、符合生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境承載力、物質(zhì)和能量高效組合利用，以及工業(yè)生態(tài)功能穩(wěn)定協(xié)調(diào)的新型工業(yè)組合。該系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

(1)工業(yè)共生性。工業(yè)共生是指通過不同企業(yè)之間或同一企業(yè)內(nèi)部的不同生產(chǎn)單元之間相互利用副產(chǎn)品或廢物的合作，共同提高企業(yè)的生存能力及獲利能力，達(dá)到節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的目的。因此，工業(yè)共生性的本質(zhì)是是企業(yè)間和企業(yè)內(nèi)部的合作，這種合作是以資源循環(huán)和能量流動(dòng)為紐帶，以提高資源利用效率和保護(hù)環(huán)境為目標(biāo)。

(2)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)。礦冶工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)通過建立“生產(chǎn)者-消費(fèi)者-分解者”的“工業(yè)鏈”，建立一種互利共生的“廢物交換俱樂部”。這種廢物資源化交換過程就是物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)。

(3)動(dòng)態(tài)演化和自適應(yīng)性。礦冶工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的“工業(yè)群落”在優(yōu)勝劣汰的進(jìn)化法則下具有自動(dòng)態(tài)演化平衡的功能，不會(huì)因?yàn)樘蕴粢粋€(gè)企業(yè)單元而使廢物交換系統(tǒng)產(chǎn)生障礙，新加入生態(tài)系統(tǒng)的企業(yè)單元能使得工業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)更加優(yōu)化。

2 礦冶工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建與可持續(xù)發(fā)展

目前，我國(guó)已是礦業(yè)大國(guó)，我國(guó)的采選冶技術(shù)已達(dá)到一定先進(jìn)水平，有的甚至達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，在廢物資源化利用方面也已取得了不少成就，具有了較強(qiáng)的技術(shù)能力，工業(yè)生態(tài)學(xué)所要求的核心企業(yè)規(guī)模化條件也已具備，因此我國(guó)的礦產(chǎn)資源開發(fā)與利用，已經(jīng)具備構(gòu)建礦冶工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的條件。

2.1 礦冶工業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)

我國(guó)礦冶工業(yè)要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)以工業(yè)共生為基礎(chǔ)構(gòu)建礦冶工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。而要構(gòu)建礦冶生態(tài)系統(tǒng)，首先必須確定以采選冶工業(yè)為核心的工業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)所涉及的相關(guān)共生工業(yè)。

(1)采礦、選礦、冶金工業(yè)核心共生。礦冶工業(yè)所包括的采礦、選礦和冶金工業(yè)可形成工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的核心共生工業(yè)。三者都是礦冶工業(yè)大宗廢物產(chǎn)出源，井下采礦產(chǎn)出廢石可部分在采礦工藝環(huán)節(jié)消納，用于充填采空區(qū)，剩余廢石可作為于建材工業(yè)原料。選礦工業(yè)過程產(chǎn)出的選礦廢水可在工藝內(nèi)部形成閉循環(huán)，產(chǎn)出的尾礦可用于充填采礦產(chǎn)生的采空區(qū)。采選產(chǎn)生的廢水可以作為金屬冶煉過程的冷卻水。

(2)建材工業(yè)。礦冶工業(yè)和建材工業(yè)之間的共生關(guān)系十分明顯。采礦過程產(chǎn)生大量廢石經(jīng)過破碎加工后，可以成為建筑用砂。冶煉過程產(chǎn)生的冶煉渣經(jīng)破碎磨細(xì)后形成一定細(xì)度的爐渣微粉，與水泥熟料按一定比例混合，生產(chǎn)各種標(biāo)號(hào)的硅酸鹽水泥，而剩余的尾渣和尾粉是筑路、生產(chǎn)空心磚和步道磚非常好的原料。

(3)能源工業(yè)。金屬冶煉過程也是一種能源轉(zhuǎn)換過程，就是將煤炭通過冶金流程轉(zhuǎn)換為熱能、可燃?xì)狻錃獾饶茉葱问降倪^程。目前國(guó)內(nèi)最好的煉鉛閃速爐生產(chǎn)流程也還有30%左右的能源未被充分利用，這為冶金工業(yè)與能源工業(yè)建立共生關(guān)系提供了可能。

(4)化學(xué)工業(yè)。金屬冶煉過程同時(shí)還是一種化學(xué)反應(yīng)過程，煤炭在煉焦、冶煉過程中產(chǎn)生的一氧化碳、甲烷和二氧化硫，可作為許多化工產(chǎn)品的生產(chǎn)原料；鋼鐵冶煉過程中產(chǎn)生的鋼渣含有多種對(duì)農(nóng)作物有利的元素，可作為生產(chǎn)化肥的原料。

(5)再生資源工業(yè)。冶金工業(yè)生產(chǎn)流程可以消納和處理多個(gè)行業(yè)的大宗廢物。例如可處理各種不同來源的廢舊金屬，處理大宗塑料、廢輪胎等。

2.2 可持續(xù)的礦冶工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建

礦冶工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建是從工業(yè)系統(tǒng)整體出發(fā)，充分考慮主體核心企業(yè)與其他相關(guān)工業(yè)企業(yè)之間以及企業(yè)內(nèi)部各生產(chǎn)單元之間的生態(tài)關(guān)系，采用先進(jìn)技術(shù)支撐體系(工業(yè)代謝分析、生命周期評(píng)價(jià)、工業(yè)生態(tài)設(shè)計(jì)、生態(tài)效益分析、先進(jìn)管理方法)創(chuàng)造可持續(xù)的工業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)新模式。

礦冶工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建，要堅(jiān)持循環(huán)性、鏈接性、區(qū)域性、高效性的原則。礦冶工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建框架包括企業(yè)組成構(gòu)建、系統(tǒng)集成、生態(tài)工業(yè)鏈設(shè)計(jì)、非物質(zhì)化四部分(如圖1所示)。

圖1 礦冶工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)示意圖

(1)企業(yè)組成是構(gòu)成生態(tài)工業(yè)鏈網(wǎng)絡(luò)的物質(zhì)基礎(chǔ)。對(duì)于一個(gè)新構(gòu)建的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，須根據(jù)當(dāng)?shù)貐^(qū)域資源、產(chǎn)業(yè)等特色，結(jié)合相關(guān)規(guī)劃、政策及市場(chǎng)供求等方面尋找和確定礦冶工業(yè)系統(tǒng)一個(gè)或幾個(gè)核心采、選、冶企業(yè)，并圍繞核心企業(yè)派生出一系列以物質(zhì)或能量交換為紐帶的企業(yè)，從而構(gòu)建園區(qū)的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。

(2)系統(tǒng)集成是構(gòu)建工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵。在系統(tǒng)集成中，以減量化、再利用、資源化為原則，通過在企業(yè)、園區(qū)等不同層次的物質(zhì)集成、能量集成、廢水集成和信息集成，以及園區(qū)產(chǎn)業(yè)的非物質(zhì)化方向發(fā)展，達(dá)到礦冶工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)和能量最大程度利用和對(duì)環(huán)境最小影響。其中物質(zhì)集成是礦冶工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的核心部分，即研究一個(gè)企業(yè)產(chǎn)生的廢物如何作為另一企業(yè)的原料，在各企業(yè)間實(shí)現(xiàn)物質(zhì)最大程度利用，使得工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)外排放的廢物極少實(shí)現(xiàn)“零排放”。

(3)生態(tài)工業(yè)鏈設(shè)計(jì)是指依據(jù)工業(yè)生態(tài)學(xué)的原理，對(duì)2個(gè)以上工業(yè)企業(yè)的物質(zhì)和能量鏈接所進(jìn)行的最優(yōu)化組合設(shè)計(jì)或改造。

(4)非物質(zhì)化設(shè)計(jì)是指通過小型化、輕型化、使用循環(huán)材料和部件以及提高產(chǎn)品壽命，在相同或者甚至更少的物質(zhì)基礎(chǔ)上獲取最大的產(chǎn)品和服務(wù)，或者在獲取相同的產(chǎn)品和服務(wù)功能時(shí)，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)和能量的投入最小化。

在工業(yè)共生基礎(chǔ)上構(gòu)建礦冶工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，形成以采選冶工業(yè)為中心的，資源高效利用、環(huán)境持續(xù)改善的網(wǎng)絡(luò)型、進(jìn)化型產(chǎn)業(yè)生態(tài)結(jié)構(gòu)，將成功實(shí)現(xiàn)礦冶工業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型和促進(jìn)我國(guó)礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。通過構(gòu)建礦冶工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，不僅為系統(tǒng)內(nèi)的共生企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)利益，而且能降低整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)所需資源的投入，減少對(duì)外界環(huán)境的污染破壞。這對(duì)緩解礦冶工業(yè)所在地的資源和環(huán)境壓力、創(chuàng)建資源循環(huán)、生態(tài)環(huán)境改善、可持續(xù)的礦冶工業(yè)發(fā)展新格局大有裨益。

3 礦冶工業(yè)生態(tài)共生模式

工業(yè)共生模式是實(shí)現(xiàn)礦冶工業(yè)共生的關(guān)鍵，共生模式(也稱共生關(guān)系)是指參與工業(yè)共生各個(gè)共生單元相互作用的方式或相互結(jié)合的形式。它既反映共生單元之間作用的方式，也反映作用的強(qiáng)度；既反映共生單元之間的物質(zhì)信息交流關(guān)系，也反映共生單元之間的能量互換關(guān)系。工業(yè)生態(tài)共生模式按照某一共生單元(企業(yè))在生態(tài)工業(yè)共生體中的地位和作用，其參與共生主要有以下4種模式：主導(dǎo)型工業(yè)共生、平等型工業(yè)共生、依附型工業(yè)共生和混合型工業(yè)共生。

礦冶工業(yè)生態(tài)共生模式是以采選冶企業(yè)為核心，依據(jù)3R原則、工業(yè)生態(tài)學(xué)原理和清潔生產(chǎn)要求，以交換物質(zhì)、能量、信息等資源為紐帶建立相互依存、相互合作的組織關(guān)系形式。由于礦冶工業(yè)的特殊性(資源開采)，工業(yè)共生沒有明顯的種類劃分，一般是由以上幾種最基本的結(jié)構(gòu)形態(tài)組合而成。

礦冶工業(yè)生態(tài)共生模式是礦冶生態(tài)工業(yè)園設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。共生模式設(shè)計(jì)以“資源和能源極致利用、廢物零排放”為目標(biāo)，因地制宜選擇共生產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)循環(huán)鏈接方式。基于上述理念設(shè)計(jì)的未來礦冶工業(yè)生態(tài)共生系統(tǒng)雛形如圖2所示。這種礦冶工業(yè)生態(tài)共生系統(tǒng)分為核心圈、次級(jí)圈和拓展圈。

4 結(jié) 語

礦冶工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是一種理想的礦冶工業(yè)組織形式，如果結(jié)構(gòu)組織恰當(dāng)，它們將成為最大限度減少?gòu)U物、資源和能源極致利用、環(huán)境污染與破壞最小的礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展范例。但是，目前還需要做大量研究和實(shí)踐工作來澄清這種實(shí)體的最佳組織模式和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)。未來，國(guó)家應(yīng)積極著手建立礦冶工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的技術(shù)和政策支撐體系，并通過示范工程來驗(yàn)證和展示礦冶工業(yè)生態(tài)共生生產(chǎn)模式對(duì)于防控礦業(yè)環(huán)境污染的有效性和先進(jìn)性。這將對(duì)于推動(dòng)我國(guó)礦業(yè)傳統(tǒng)生產(chǎn)方式以及污染防治管理方式的轉(zhuǎn)變，對(duì)于促進(jìn)資源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

圖2 礦冶工業(yè)生態(tài)共生系統(tǒng)雛形

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