基于工業生態學的煤礦業生態鏈研究

耿鵬旭，王卓理

(平頂山學院資源與環境科學學院，河南 平頂山 467000)

工業生態學以生態學的觀點考察工業系統與自然環境的關系，研究兩者之間的相互作用、相互關系，它是生態工業的基礎，為調整、改進其協調發展提供理論框架，提出可供操作的方法[1]，使工業生態系統與生物圈兼容并持久的生存下去。工業系統應向自然生態系統學習，通過比擬生物新陳代謝過程和生態系統的結構與功能，建立類似于自然生態系統的工業生態系統[2-4]。我國煤炭資源中可供露天礦開采的資源少，開采條件處于中等偏下，井工開采產量約占95%；目前的開采方式多為長臂工作面的冒落法，因此煤礦開采的條件和方式具有顯著一致性，煤炭業生態系統具有一定的規律性。本文運用工業生態學分析方法，分析煤礦業生態系統，構建煤礦業生態鏈，探討煤礦業生態鏈在煤礦業生態系統中的物質代謝及循環流動機理，為生態礦山的建設提供科學依據。

1 煤礦業生態系統分析

在基本組成成分上煤礦業生態系統與自然生態系統相似，主要包括：生產者、消費者、分解者和外部環境等四部分。但是它的結構和內部物質循環被人為改變，其能量轉換受到人類生產及生活活動的影響。煤礦業活動中多種資源之間的關系，類似于自然界生物的食物營養聯系，可以將其視為一種類似于自然生態系統的生態關系，即“生態鏈”；它是能量和物質的轉換鏈和傳遞鏈[5]。在煤礦業生態系統中沿著“生態鏈”逐級逐層流動的物質流和能量流，形成“代謝”， 能源、原料以及工業活動產生的廢棄物和各種環境要素間形成緊密聯系的立體結構，能源、資源在系統中反復循環被最大限度的利用，廢棄物得到資源化利用從而實現再生增值。煤礦業生態系統包括煤炭、煤矸石、礦井水、地下熱能、煤層氣等組成部分，各組成成分相互聯系，具有自然生態系統的一般特征，同時還受到生產關系、社會生產力以及與之相聯系的企業影響，因此煤礦業生態系統相對復雜。它的代謝過程包括從開采煤炭到能源利用的全過程，以及代謝過程中產生的廢棄物再經過循環利用的過程。由煤礦業的各個生態鏈共同組成煤礦業生態系統，實現其工業代謝的功能，從而實現能源和資源利用的最大化、廢棄物產生的最小化，促進生態礦山的建設。但煤礦業生態系統的物質循環基本上是線形的而不是環狀的，分解功能不完全，大量的物質和能源以廢棄物形式輸出，造成嚴重的環境污染。

2 煤礦業生態鏈的構建

2.1 煤礦業生態鏈構建的原則

煤礦業生態系統包含的子系統很多，結構復雜，分解者不完善是其顯著特點。煤礦業生態系統具有非線性和復雜性特點，物質和能量的流動規模大，它與外界的物質和能量交換多，不斷的向外部輸出大量的產品和廢物，在人力、資金、技術、信息等方面也與外界發生著強烈的交流，是一個開放性很高的生態系統。在構建煤礦業生態鏈時應遵循以下原則：

2.1.1 生態系統結構完善原則

為使系統具有較高的生產力、生態效益和經濟效益，必須使其結構完整、功能健全，完善生態系統的組成成分，增加“分解者”。可以采取的途徑有：延長生態鏈，通過增加循環轉化的環節，促使系統穩定，使物質在系統中得到多次利用，暢通能量流、物質流渠道，提高整個系統的生產力；縮短甚至減少生態鏈，采用高新技術替代，使經濟或生態效益增加。對于煤礦業生態系統，應采取措施促使其結構完善，加強個成分之間的協作、互惠和共生關系，特別在能量和原料流動的網絡共享和廢棄物的利用中，其中一個企業產生的廢物(或副產品)作為下個企業的“營養物”(原料)，形成企業“群落”(工業鏈)。作為一個循環體系，煤礦業生態系統的物質流和能量流可以多層次循環利用：將煤炭作為化工原材料使用，延長煤炭的代謝途徑；將煤矸石進行井下充填，從根源上減少其生產量(充填開采)，對產出的煤矸石進行充分的利用，包括提取稀有金屬和有用礦物、制取土壤改良劑，以及作為充填物用于道路修建和塌陷區的治理。從而使整個系統的熵值不斷減少，遵循耗散結構原理，達到系統良性循環。通過這些途徑使一家工廠的廢氣、廢水、廢渣、廢熱或副產品成為另一家工廠的原料和能源，加強煤礦業生態系統分解功能，減少甚至避免物質能源以廢棄物形式輸出，建立“生產者-消費者-分解者”的循環途徑，構建煤礦業生態系統物質流動和能量流動的“食物鏈”和“食物網”的生態工業鏈網關系，形成結構完善的生態系統。

2.1.2 能量合理流動原則

煤礦業生態系統內不同種類的各種投入流(包括自然環境中礦產資源的投入)均可視為具有不同類別、不同性質的能量，為驅動生態系統的原動力。煤礦業生態系統通過采掘、能源生產、運輸部門等傳遞能量，與通過食物網傳遞能量的自然生態系統相類似；但是在能量流的運行機制上，兩者有很大的不同：自然生態系統能量流動具有自為、天然的特點，而在煤礦業生態系統中能量流動則具有人為的特點。經過生產活動，這些能量轉化成新形式的能量，包括產品流和廢物流。能量流動就是原生能源轉化為次生能源，原生能源或次生能源經傳輸成為有用能源，并經過利用轉變為最終能源的過程。在能量生產和消費活動過程中，有一部分能量以“三廢”形式被排入自然環境而造成污染。在構建生態鏈時應以節能減排為目標，建成一個多層次的復雜生態系統。在設計和實施過程中，應使能量在生態系統中合理流動，使所建設的新的煤礦業生態鏈具有生態合理性，更充分地利用環境資源。

2.1.3 系統廢棄物排放最少化原則

煤礦業生態系統不能依賴自然生態系統的分解者完全分解工業過程各環節產生的廢棄物，而必須通過人類的多種環境保護措施加以處理，以維持生態系統的物質、能量的平衡。煤礦業生態系統是有一定耐受限度的，在經濟或生態因子的變化超過其耐受限度的情況下，生態系統的反饋調節作用會失去控制，系統不能在反饋作用下自動地得到補償，其結果就會引起環境破壞以致生態失衡等等一系列的問題。在煤礦業生態系統的承受能力范圍內進行煤礦業生產活動，通過煤礦業生態系統內不同產業、企業、項目以及生產流程之間的橫向耦合關系，為煤礦業主、副產品和“廢棄物”找到生產流程的下游利用者，利用生態系統內一切可以利用的物質和能量，形成一個復雜的資源共享、產業共生的網絡結構，實現物質、能量的多層利用，盡可能地實現“廢棄物”無害化、減量化和資源化。在生態系統內實施物質和能量的循環利用，這是工業生態學減少環境污染理念的集中體現。但是，在實踐中，由于技術和經濟的限制，物質的循環、廢棄物的再生利用都是有條件的。

2.2 平頂山煤礦業生態鏈的構建

平頂山煤礦位于河南省中部，是我國重要煤炭工業基地，區內煤質優良，煤種齊全，是冶金、電力、化工的重要原料和優質的動力用煤。建礦50多年來，累計生產原煤7億t，目前在市區北部山前，呈東西帶狀分布著平頂山礦務局一至十二礦及香山煤礦、落鳧山煤礦等。平頂山煤礦的煤炭開采是以井工開采的方式進行的，長期的開采活動破壞了含煤地質體的原始平衡狀態，造成大量固體廢渣堆積，累計堆存煤矸石5382萬t；每年還在產生煤泥50萬t，排放煤矸石和粉煤灰分別為200萬t和20萬t；煤炭開采形成了地表塌陷等地質災害，累計造成土地塌陷面積近1000hm2，嚴重干擾了礦區自然生態系統。

根據平頂山煤礦業的實際，從系統結構完善、能量合理流動、系統廢棄物排放最少化等原則出發我們構建了煤礦業生態鏈模型(圖1)。主要的煤礦業生態鏈有：煤炭/煤矸石/煤層氣-能源-建材生態鏈、煤炭-煉焦-焦油-煤化工生態鏈、礦井水-井下防塵降溫-綠化/農業灌溉等。延長了煤炭-粉煤灰生態鏈、礦井水生態鏈等，通過增加循環轉化環節，促使系統的穩定，又使物質得到多次利用，暢通了能量流、物質流的渠道，提高了系統生產力；而對于煤矸石生態鏈，部分采取減少的措施，即采用充填開采技術，在井下直接用煤矸石充填采空區，從源頭上避免矸石及其衍生的一系列固、氣、液態污染物的污染，把煤炭開采對環境的污染和破壞降到最低，實現煤礦綠色開采，使經濟和生態效益增加。

圖1 平頂山煤礦業生態鏈

3 效益分析

平頂山煤礦構建的煤炭、煤矸石、礦井水等生態鏈，充分利用了資源，延長的生態鏈為社會發展提供了能源和化工產品；將礦井水進行循環利用并回灌地下，部分礦區采用充填開采技術，從源頭上避免了煤炭開采造成的環境破壞；對采煤塌陷區進行了復墾治理，在復墾地發展水生養殖業和農業生產。平頂山煤礦業生態鏈的初步實施取得了一定的社會效益和經濟效益。

3.1 經濟效益分析

3.1.1 礦井水生態鏈

平頂山煤礦已建選煤廠13座，年入洗1300多萬t的原煤。各選煤廠均修建了洗煤水濃縮-壓濾-沉淀和回用系統，防止了外排的選煤廢水污染環境；通過減少清水補給量并加強洗煤水的閉路管理等措施，實現了礦區洗煤水的閉路循環。平頂山煤礦七礦把低礦化度的礦井水通過絮凝沉淀-過濾-消毒、一元化凈水器等凈化工藝處理到飲用水標準，建成了一座日處理能力3萬t的凈化廠。研究區共建成礦井水凈化水廠14座和一元化水設施5套，日凈化處理礦井水達到17.04萬t，凈化處理的礦井水復用于職工生活和工業、農業生產，礦井水的復用率已達到78%。建成了生活污水處理廠7座，日處理污水3.1萬t。平頂山煤礦六礦污水處理工程每年可減少外排72萬t污水，減少排放40.37t COD和180t的懸浮物，節約排污費78萬元。生活污水經處理后作為洗煤用水、農田灌溉和廠區綠化。礦井水生態鏈的實施，實現了礦工業污水的零排放。

3.1.2 煤炭-能源-建材和煤矸石生態鏈

平頂山煤礦現有綜合利用電廠3座，總裝機容量為145MW，還建有坑口電廠熱電聯產項目，建成了4座低濃度煤層氣發電站，年利用瓦斯量6200萬m3，實現了化害為利。現有焦化廠3座，年產焦炭160多萬t。利用煉焦的化工副產品焦爐煤氣、焦油、粗苯和硫銨，發展煤焦油深加工，建成了年產2萬t炭黑等項目。為了充分利用高硫煤，將其就地轉化制氣，建設了多種高附加值的有機化工產品項目，包括：20萬t的醋酸醋酐項目、50萬t甲醇、4萬t聚甲醛樹脂、20萬t甲醛和30萬t二甲醚工程等。利用充足的空排的高濃度CO2和富余液胺，建設了100萬t聯合制堿項目，并為100萬t復合肥項目提供原料。

利用煤矸石、粉煤灰等廢棄物發展新型建材業。平頂山煤礦區的洗選產生的矸石大部分運往電廠用于發電，煤巷和巖巷產生的矸石則用于回填塌陷地和充填采空區、路基或用于制磚等，年利用200多萬t矸石；開發建設了一批廢棄物綜合利用項目：粉煤灰和煤矸石水泥、粉煤灰混凝土砌塊等項目，形成了年產6000萬塊煤矸石燒結空心磚、30萬m3粉煤灰混凝土砌塊、15萬t水泥、6000t速凝劑的生產能力，通過這些綜合利用項目的實施，每年消耗17萬t的煤矸石和10萬t的粉煤灰；矸石綜合利用率超過70%。平頂山煤礦十一、十二礦部分工作面采用充填開采，采區可采儲量約100萬t，可以充填煤矸石96.18萬m3，質量為153.89萬t，充填開采的總經濟效益約為70000萬元。

利用煤矸石、粉煤灰等復墾塌陷地。1992年以來，平頂山煤礦累計投入1.16億元資金用于塌陷地治理，已復墾土地約730hm2。復墾后的土地用途包括耕地、林地、濕地和建筑用地等。農用復墾地形成以糧食生產和蔬菜生產為主，水產養殖為輔，種、養、加結合的區域生態農業結構模式。對復墾后的水塘采取水產養殖；發展禽畜養殖及加工業。在復墾地已建漁塘16個，水域面積達到3km2。已建精養魚池4個，年每公頃水面產魚約9000kg，年總產量3.6萬kg。

3.2 社會效益分析

通過延長生態鏈，不僅可以達到節約能源的目的，而且可以最大限度地減少污染物質的排放：減少了煤矸石的堆存和排放量，實現了污水的達標排放。污染物的大量減少使污染糾紛減少，為礦區營造了安定和諧的社會環境。礦井水生態鏈的實施還使礦井水的利用率提高，使淡水資源緊張的問題得到了有效的緩解，化解了工農業爭水、生產與生活爭水的矛盾，對礦區正常生產活動和人民生活水平的提高起到了積極的促進作用。廢水經處理后回灌地下，能夠健全水文生態系統，使日益匱乏的地下水資源得到了補充，提高了地下水位，阻止或緩解地面下沉，變惡性循環為良性循環，使生態環境大為改善。充填開采技術利用新設備、新工藝，可以從源頭上盡量避免矸石及其衍生出的一系列固、氣、液態污染物的污染，把煤炭開采對環境的污染和破壞降到最低，形成資源利用的良性循環，實現煤礦綠色開采，對于穩定民心、構建和諧社會起到了積極作用。煤礦業生態鏈的實施使礦區由資源型生產轉為循環經濟綜合利用型生產，顯著改善和提高了礦區及周邊居民的工作和生活環境。

4 結語

煤炭礦區人類大量開采煤炭資源的活動，強烈干擾了當地的生態環境，使生態系統從原來均衡、基本穩定的結構和狀態發生變異。煤礦業的可持續發展是涉及多部門的問題，產業生態鏈構建和實施是解決產業結構問題的重要方向。運用工業生態學分析煤礦業，模仿自然生態系統按照其能量流動和物質循環的規律能夠構建科學的煤礦業生態鏈，平頂山煤礦構建的煤礦業生態鏈有：煤炭/煤矸石/煤層氣-能源-建材生態鏈、煤炭-煉焦-焦油-煤化工生態鏈、礦井水-井下防塵降溫-綠化/農業灌溉等；延長了煤炭-粉煤灰生態鏈、礦井水生態鏈等，部分減少了煤矸石生態鏈。煤礦業生態鏈的實施有利于煤炭礦區資源的合理開發利用和生態礦山的建設，產生了較為顯著的經濟效益和社會效益。

[1]李素芹，倉大強，李宏.工業生態學[M].北京：冶金工業出版社，2007:21-56.

[2]湯慧蘭，孫德生.工業生態系統及其建設[J].中國環保產業，2003(2)：14-16.

[3]Ehrenfeld J，Gertler N.Industrial Ecology in Practice:The Evolution of Inderpendence at Kalundborg[J].Journal of Industrial Ecoligy,1997,1(1):67-79.

[4]楊小聰，郭李杰.可持續的礦冶工業生態系統構建[J].有色金屬，2011，63(2)：1-4.

[5]尹琦，肖正楊.生態產業鏈的概念與應用[J].環境科學，2002,23(6)：114-118.