工業園區物質流管理：內涵、方法與建議

高 洋，王 帥，程 蕾，嚴 坤，田金平,3，陳呂軍,3*

1. 清華大學環境學院，北京 100084

2. 生態環境部科技與財務司，北京 100006

3. 清華大學生態文明研究中心，北京 100084

《國務院關于印發2030 年前碳達峰行動方案的通知》明確提出“加強園區物質流管理，推進產業園區循環化發展，以循環經濟助力降碳行動”[1]. 工業園區既是我國工業發展和地區經濟增長的重要引擎[2]，又是實現精準減排的關鍵落腳點，應成為做好碳達峰、碳中和工作的“領頭羊”[3]. 園區落實“雙碳”目標的著力點是提高資源能源效率，促進發展方式轉變[1]，其重點是優化調控園區產業活動及相關的資源以及能源的源、流和匯[4]，這也是上述行動方案中園區物質流管理的核心要義.

優化調控園區物質流動的基礎是理清園區所用物質的數量、種類、結構及其在園區內的加工轉化過程和流向，常采用物質流分析方法. 物質流分析基于物質守恒定律對特定系統在指定時空范圍內物質的流量與存量變化開展系統性分析[4]，為評價社會經濟系統資源利用效率、追溯資源環境問題的主要來源提供了科學、透明、可靠的數據支撐[5]，因而被廣泛應用于可持續發展領域. 全球[6]、國家[7]、區域[8]、城市[9]、行業[10]、園區[11]和企業[12]等不同尺度均有大量研究案例. 目前，物質流分析已形成了系統的標準和方法體系[13-15]；然而，物質流分析仍未被社會各部門廣泛接受[4]，如何應用物質流分析的結果，使其被納入政策制定者的決策中仍面臨不少挑戰[16-17].

物質流管理是在物質流分析基礎上提出的理念和模式[18]，由各利益相關方為達到經濟、社會、生態等領域的綜合目標，有的放矢地優化生產、流通、消費、服務等不同環節所涉及的物質流動[19]，是以物質流分析為重要基礎和手段，面向應用場景的進一步延伸. 物質流管理方法層面，有研究提出將社會、經濟評估方法(如社會科學建模[20]和結構主體分析[21])與物質流分析相結合. 應用層面，物質流管理被成功用于蘇黎世的廢物管理[22]，這成為企業開展物質流成本分析和清潔生產的重要舉措[23-24]. 物質流管理的目標可能涉及多個利益相關方[21]，管理過程受科學技術、經濟結構和社會體系等因素的綜合影響[18]；然而，目前無論是論文數量還是研究進展，物質流管理與物質流分析差距較大，其內涵、方法體系尚不明確.

工業園區在相對較小的地理空間內集聚了大量企業和生產活動，物質流、能量流、信息流交匯[25]，資源環境影響大，利益相關方多. 本研究針對《國務院關于印發2030 年前碳達峰行動方案的通知》提及的“加強園區物質流管理”，開展工業園區物質流管理內涵及技術路線研究，以期為工業園區開展物質流管理提供技術路線和政策建議.

1 工業園區物質流管理內涵及技術路線

本研究梳理了2012 年以來國家政府部門發布的含“物質流分析”或“物質流管理”相關政策文件共計25 個(見圖1). 在Web of Science 和中國知網上以“工業園區”和“物質流”(包括“元素流”)為主題分別檢索并篩選出以工業園區為物質流研究對象的英文論文17 篇，中文期刊論文30 篇，碩士學位論文31篇，博士學位論文6 篇. 以上述政策文件、研究論文和《工業園區物質流分析技術導則》(GB/T 38903—2020)[26]為基礎，辨析了工業園區物質流管理的概念內涵.

1.1 工業園區物質流管理概念的政策背景

工業園區是開展物質流分析與管理的重要空間載體，25 個政策文件中有17 個均涉及工業園區. 盡管2013 年的《國務院關于印發循環經濟發展戰略及近期行動計劃的通知》[27]中首次提出了“加強物質流分析和管理”，但“十四五”之前的政策文件更多地是將物質流分析方法作為支撐循環經濟發展的工具而提及.

“十四五”以來，隨著工業領域管理能力提升需求不斷增長以及新一代信息技術與傳統產業的不斷融合，《工業和信息化部等六部門關于印發工業能效提升行動計劃的通知》和《工業和信息化部關于印發＜“十四五”工業綠色發展規劃＞的通知》均提出要實現“物質流、能量流的信息采集監控、分析與精細管理”[28-29]. 物質流管理成為提升精細化管理能力和多目標決策優化的重要組成[28]. 政策文件中的表述變化強調了管理決策者的主體職能，體現出國家關注視角的轉變；同時，通過細化物質流能量流的管理流程將物質流分析方法進一步延伸落實至管理實踐中.

1.2 工業園區物質流管理概念及內涵

現有研究中，工業園區物質流分析的對象既有大宗物料[30]又有特定元素[31]，且因為物質和能量在現代社會經濟系統中相互交織、密切關聯[5]，研究中常將物質和能量共同作為分析對象[32]. 《工業園區物質流分析技術導則》中也將生物質、化石能源等載能物質納入分析對象[26]. 此外，雖然《工業園區物質流分析技術導則》所定義的對象不包含水流，但水資源對工業生產活動至關重要[33]；園區循環化改造中也提出了水資源產出率、工業用水重復利用率等指標. 因此，水資源流是對園區產生重要影響的關鍵流之一[34]，新鮮水、廢水、中水等應成為園區物質流分析和管理的對象. 結合學術研究和國家政策需求，本研究中“物質流管理”所涉及的物質包含資源類物質、能源、水、產品、廢棄物、污染物及特定元素等.

工業園區物質流管理是以物質流分析方法為主要手段，在系統揭示資源、能源、產品、廢棄物等多要素代謝特征的基礎上，根據管理目標，綜合運用全生命周期評估、排放清單分析、價值流分析等方法定量揭示園區生產活動與資源、能源、環境系統間的相互作用，再由園區各利益相關方為達到經濟、社會、生態等領域的綜合目標，統籌技術成熟度與技術經濟分析，開展持續優化調控的過程(見圖2).

圖2 工業園區物質流管理內涵框架Fig.2 Connotation of material flow management in industrial parks

1.3 工業園區物質流管理技術路線

基于工業園區物質流管理內涵，提出包括“問題定義、系統界定、數據收集、綜合評估、優化調控”的技術路線(見圖3).

圖3 工業園區物質流管理技術路線Fig.3 Roadmap of material flow management in industrial parks

問題定義：研究問題的確定是園區物質流管理后續所有工作開展的基礎，決定著系統邊界劃定、數據質量要求、結果解釋方向、優化調整思路等. 研究問題的確定需同時考慮園區數據統計基礎、管理能力及各利益相關方的需求.

系統界定：根據研究問題，明確適宜的空間邊界和時間尺度，并確定所涵蓋的物質種類. 園區物質流管理的空間邊界可分為企業、產業集群和園區物理邊界. 時間尺度上可以是一個自然年，也可根據產品的生產、消費、流通和廢棄環節開展動態分析. 根據數據質量、分析結果可能要不斷調整研究系統，并優化數據收集方式，循環迭代往復直至所得結果能準確反映實際的物質、能量流動過程.

數據收集：重點收集兩類數據，一類反映物質、能量流動信息，包括重點工業生產企業內部、形成共生關系的企業之間以及能源基礎設施、污水處理設施等物質、能源輸入輸出、污染物產生排放的信息.園區內物質、能量流動復雜，節點眾多，可重點關注資源流、水流、廢棄物流等產生較大環境影響的關鍵流[11,34]. 另一類是園區及企業的背景信息，包括主導產業、經濟總量、工業增加值以及系統內不同節點的空間分布、生產工藝信息等. 可用于評價園區資源利用效率和污染物排放強度[35]，識別潛在的產業共生與循環經濟體系[36].

采用自上而下和自下而上結合的方法構建園區物質流管理基礎數據庫，以備持續管理. 自上而下的數據主要來自園區統計和日常管理以及《中國開發區年鑒》、園區所在行政區的統計年鑒、園區官方網站、園區發展規劃文件等. 自下而上的數據主要通過企業監測、調研訪談獲取，企業環評報告、排污許可、清潔生產審核報告[11]也是提供企業物質、能量流動信息的重要來源. 同時可結合學術研究、行業報告與專業數據庫等，對缺失數據進行補充.

綜合評估：計算物質、能量的輸入項和輸出項，并基于物質守恒和能量守恒定律構建園區物質、能量流動平衡網絡. 同時開展碳排放核算、排放清單和價值流分析，得到園區物質流、能量流、碳流、價值流和信息流，綜合評估園區產業活動與資源能源和環境系統的相互作用.

優化調控：工業園區物質流管理最終目的是基于綜合評估結果，結合情景分析、技術經濟分析、綜合建模、多目標優化算法尋求滿足園區發展目標的物質能量流優化管理路徑，從而推動園區資源能源利用率提高以及降低污染物和溫室氣體排放強度和全生命周期的環境影響，最終實現園區整體競爭力增強、發展質量提升. 值得指出的是，優化措施的選擇可能涉及新的研究問題的提出；同時，優化調控環節并不是園區物質流管理的終點，在優化措施實施后可進一步分析實施績效，并根據園區發展目標和外部環境變化持續實施動態物質流管理.

2 工業園區物質流管理實踐應用

選取杭州灣上虞經濟技術開發區(簡稱“上虞經開區”) 為典型案例說明物質流管理技術路線的應用，其中，物質流分析的詳細過程和結果(包括系統信息、物質流圖、清單等)可參見筆者前期已發表成果[31,37-40].

2.1 問題定義

上虞經開區主導產業為染料生產和制藥，2 個行業工業總產值占園區總量的2/3. 2006 年，該園區面臨污染物排放標準持續趨嚴、高濃度有機廢水治理達標難度大、惡臭氣體擾民、染料行業的硫酸鈣渣危險廢物大量產生等一系列問題. 從上述問題出發，園區管理部門和主要生產企業考慮到碳元素是有機廢水、CO2、VOCs 的關鍵元素，同時又是有機化學品的骨架，因此提出對園區碳元素進行管理，旨在識別并優化園區碳效率關鍵影響因素，降低單位產出的環境負荷，實現染料、制藥行業可持續發展.

2.2 系統界定

因為需要發掘碳元素排放的關鍵環節，所以將園區內所有涉及碳元素流動的環節均納入評價系統，具體包括園區企業生產、用能、企業污水處理站，區內集中污水處理廠、固廢處理設施和能源基礎設施等環節，不考慮進口原料對應的隱流. 時間尺度為1 年.

2.3 數據收集

自上而下從園區管委會相關部門收集經濟、能耗及污染物排放基礎數據；配合自下而上從企業收集得到產品生產相關的基礎信息，除產品結構、組成、流向等信息外，重點收集了產品價格等經濟信息，詳細的數據收集過程參見筆者前期發表成果[38-39].

2.4 綜合評估

對各企業含碳元素的產品逐一加以分析，再按能源類、原輔材料類及產品、廢棄物的分類標準匯總碳元素的輸入和輸出分布，繪制1 年內碳元素在園區內的流向和流動路徑(見圖4)，從而分析出碳元素的主要利用和流失環節.

圖4 上虞經開區2007 年和2013 年碳元素流總覽Fig.4 Overview of the carbon flow in Hangzhou Bay Shangyu Economic and Technological Development Area in 2007 and 2013

此外，重點分析園區分行業碳效率(產品中碳的質量與生產目標產品所消耗原材料中碳的比值)、E 因子(廢物與對應產品的質量比)和單位產品碳價值(產值與產品碳元素含量之比)[39](見表1).

表1 上虞經開區分行業綜合評估[38-39]Table 1 Comprehensive evaluationof different industries in Hangzhou Bay Shangyu Economic and Technological Development Area [38-39]

通過綜合評估識別出2 個減少碳排放的重點環節：①與能源轉換相關的直接碳投入占園區總直接碳投入的68%〔見圖4(a)〕，是減少園區碳消耗的重點；②產品碳效率差異較大，有較大提升潛力. 基于統計分析軟件(Statistical Product and Service Solutions)對所有產品分析發現，位于碳效率“后25%”的35 種產品的碳效率范圍為8%～44%，加權平均值為23%. 如果將“后25%”產品的碳效率提至平均水平(69%)，可對應減少1×104t 以上的碳排放.

2.5 優化調控

基于綜合評估，減少園區碳排放的重要舉措之一是優化園區能源基礎設施，改善能源結構. 為進一步明晰調控措施，深入分析了園區能源流動情況[40]，識別出主要耗能環節，并提出生物質發電、污泥焚燒發電等園區能源基礎設施多樣化、優化策略及11 項重點耗能設備節能措施[40].

產品碳效率提升方面，盡管制藥行業碳效率最低且E 因子較高，但其產品單位碳價值最高，且藥品及其中間體的純度有嚴格標準. 因此，綜合價值分析和技術可行性分析，選擇染料行業為主要優化對象，開展合成工藝優化. 遵循綠色化學、綠色化工原則，從單個產品層面對磺化、硝化、硝基還原、堿熔、?；裙に嚟h節進行了積極的改進[38]，如間苯二胺及間苯二酚的“一步”合成工藝以及重氮耦合反應連續化等.

2.6 持續管理

持續管理的首要工作是開展優化措施績效評估，結果表明，園區碳效率由2007 年的69%[37]提至2013年的71.7%，碳輸出中進入廢棄物的比例由74%減至55.6%，企業間共生關系得以加強，碳交換由3.4%增至16.8%[38](見圖4).

在染料行業工藝優化中考慮到硫磺和硫酸貫穿染料生產始末，是重要的原料、介質及能量源，又進一步分析了硫元素的利用情況并據此補充了新的優化措施[31]. 2013 年染料生產的E 因子中位數比2007年減少了52%(見表1)，染料生產過程的稀硫酸實現了資源化利用，硫酸鈣渣大量產生的問題得以解決.園區相關指標均有不同程度的優化(見表2).

2.7 案例小結

上虞經開區按照五步法的技術路線開展了為期數年的持續性物質流管理. 有研究人員發現，開展園區物質流分析時往往很難收集企業層面物質流基礎數據[32]，而本研究成功收集了包含239 種產品和513種原輔材料的化學結構、數量、單價在內的大量基礎數據[38]. 數據收集工作得以順利開展的原因是通過開展物質流管理把各利益相關方均作為管理主體進行統籌協調，突破了以往以研究人員為主要視角的限制.

3 工業園區物質流管理面臨的主要挑戰

3.1 工業園區循環經濟發展理念仍待強化

工業園區是國家推進循環經濟發展的重要組成[41]，國家發展和改革委員會等部門也多次發文支持園區循環化改造. 然而，一方面部分工業園區發展方式仍較為粗放，在解決環境問題時往往“頭痛醫頭”，過度依賴末端治理，沒有意識到物質流和能量流的失衡是環境問題產生的關鍵原因[42]；另一方面，園區通常是地方政府的派出機構，在國家統計體系中并沒有針對園區的統計單元，對園區的資源、能源消耗并無硬性統計要求. 而園區在長時間經濟高速發展過程中也習慣性關注經濟指標而忽略資源、能源消耗量指標，忽視了經濟發展過程對環境的負面影響.

3.2 工業園區物質流管理主體有待統籌協調

工業園區物質流涉及區內企業內部、不同企業間以及跨園區物理邊界的物質流動，按利益相關者理論，園區物質流管理主體分為園區管理者(以管委會為代表的政府機構)和區內企業. 如果僅考慮政府這一主體，則只能把園區當成“黑箱”[11]；如果僅考慮單個企業主體，雖然已有相關成功經驗[23]，但兩種情況均忽視了企業間、企業與園區能源、污水集中處理等基礎設施間的物質流，難以支撐園區物質流綜合優化方案的制定. 必須加強園區物質流管理的多主體統籌協調，才能厘清園區產品-企業-基礎設施多層次物質、能量流動特征，從而實現系統優化.

3.3 精細化基礎數據的支撐能力亟待提升

物質流管理所需數據量大且種類豐富，自上而下從園區統計部門獲取數據，既難反映企業間物質流動特征，又存在不同部門統計范圍、口徑差異問題. 自下而上的企業數據則需要面對形形色色的生產工藝和成百上千的物質種類，以及必要的數據安全管理與保密規定等，數據挖掘難度大、核證校驗成本高. 目前部分工業園區已經開始探索將物質流管理與園區智慧化管理結合，但受限于數據采集時間顆粒度、覆蓋面以及數據分析評價模塊的完善度等因素，現有系統多為靜態展示，其可操作性有待提升.

4 工業園區物質流管理策略

4.1 加強系統認知，推進物質流管理體系建立

工業園區是復雜系統，包括不同組織層級，且涉及經濟、能源、土地、環境等多個子系統，具有層次性、復雜性等特征[43]. 園區發展要從系統工程角度分析各子系統的特征及相互作用[44]，達到整體功能最佳[43]. 物質流貫穿園區不同組織層級、不同子系統，是構建相互連接的重要渠道. 以系統觀看待園區發展問題，自上而下與自下而上相結合推進物質流管理體系建立，在園區發展評估、各專項規劃等工作中細化物質流管理的具體舉措，進一步深化園區循環經濟發展.

4.2 完善協調機制，實現物質流管理多主體參與

加強工業園區物質流管理各主體之間的協調，讓各利益相關方均能切實了解物質流管理的理念、方法、需求和目標，避免企業和園區間利益沖突. 搭建溝通平臺，完善溝通機制，逐步解決園區管理部門和區內企業間的問題. 同時，由于物質流管理過程涉及多種專業方法，可協請高校、科研院所及專業咨詢機構的參與，發揮多方共同效力.

4.3 共建共享數據資源，做好物質流管理支撐

促進區內企業以及基礎設施運營機構在不涉密的情況下加強數據資源共享，特別是可形成流動關系的產品、副產品、廢棄物的相關信息. 改變傳統物質流分析中依賴研究人員收集、檢驗、整合各類數據資源的方式，將物質流管理與智慧化管理結合，加強物聯網硬件接口、圖形交互接口等信息化手段的運用，并完善數據分析評價模塊，為園區物質流管理提供快速響應、科學準確、全面系統的數據支撐.

5 結論與展望

a)工業園區物質流管理是以物質流分析為主要手段，在綜合評估的基礎上對園區資源能源流開展持續性綜合優化的理念和模式.

b)加強園區物質流管理要強化發展的系統認知，協調各利益相關方共同參與，協同推進物質流管理與智慧化管理相結合，提升精細化管理能力，共同推進園區提質增效.

c)本研究選擇的案例是為了說明物質流管理技術路線的應用，并結合應用識別目前管理層面存在的主要限制，因此省略了前期已有基礎的物質流分析工作，且綜合評估部分根據園區實際需求簡要選擇了經濟-環境綜合分析. 后續研究可在本研究提出的“五步法”技術路線的基礎上進一步細化，結合不同發展階段園區的實際需求探索物質流分析方法與其他方法的結合，在綜合評估的基礎上開發面向綠色低碳發展的園區物質流管理優化模型，進而充分推動物質管理在園區落實“雙碳”目標及高質量發展中的應用.