生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化主導(dǎo)型循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式-

1、生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化主導(dǎo)型循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式李林杰李勁松(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué),長沙410128;湖南師范大學(xué),長沙410081摘要:鑒于我國農(nóng)業(yè)面源污染2002 年起全面超過工業(yè)污染和城市污染且仍被輕視的嚴(yán)峻形勢,生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化主導(dǎo)型循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式應(yīng)運而生。本文以建議項目寧鄉(xiāng)水稻化工總廠的清潔生產(chǎn)為個案,闡明了農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)工程的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式與技術(shù)路線。探討了農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)工程的實驗研究方法知識/信息系統(tǒng)集成法的應(yīng)用。其主要結(jié)論認(rèn)為,生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化主導(dǎo)型循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式是一個節(jié)能、降耗、清潔生產(chǎn)的資源-能源-環(huán)境一體化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)系統(tǒng),其成敗關(guān)鍵是技術(shù)路線的合理化與可操作性,以及產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)低成本清潔

2、生產(chǎn)工藝。關(guān)鍵詞: 農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué);環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)工程;污染系統(tǒng)優(yōu)化控制;循環(huán)經(jīng)濟(jì)On Development Mode of Recycling EconomyOriented to Ecological Agriculture IndustrializationLI Linjie LI Jinsong(Hunan University of Agriculture, Changsha, Hunan, 410128;Hunan Normal University, H unan,410081Abstract: Due to the grim situation that non-point sou

3、rce pollution in agriculture in China, since 2002, has exceeded industrial pollution and urban pollution on an overall scale while remains still underestimated and neglected, the recycling economy development mode oriented by ecological agriculture industrialization emerges as the times require. Wit

4、h a case study of clean production of proposed Ningxiang Paddy Rice Chemical Factory, this Article has herein illuminated the recycling economy development mode and technical route of agricultural environment ecological systems engineering, and probed into the application of experimental research me

5、thod-knowledge/information systems integration method-of agricultural environment ecological systems engineering, and come to the conclusions that the recycling economy development mode oriented by ecological agriculture industrialization is a resource-energy- environment-integrated multi-joint-prod

6、uction technical system characteristic of energy conservation, consumption reduction and clean production, of which the key to its success or failure lies in reasonableness, rationalization and operability, and cost-effective quality clean production process.Keywords: Agricultural Ecology, Environme

7、nt Ecology System Engineering, Pollution Sy stem Optimization Control, Recycling Economy作者簡介:李林杰(1974,男,湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀博士生,主要研究方向為污染系統(tǒng)控制與農(nóng)業(yè)生態(tài)工程。至今在中國知網(wǎng)(www.c nk 可檢索15 篇,其中核心期刊11 篇,第一作者6 篇。電子郵箱:LLJGD,134*。1 問題與對策概述:生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化主導(dǎo)型循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式應(yīng)運而生農(nóng)業(yè)既是污染的受害者,又是制造環(huán)境污染的元兇。根據(jù)國家環(huán)?？偩职l(fā)布的檢測和調(diào)查數(shù)據(jù),農(nóng)業(yè)面源污染2002 年首次全面超過工業(yè)污染和城市污染,成

8、為最大的環(huán)境污染源;2005 年全國的總污染負(fù)荷中的N、P 兩項污染,面源污染的貢獻(xiàn)率超過50%;COD(化學(xué)需氧量污染中面源污染貢獻(xiàn)占到近40%。主要包括三個方面:一是過量施用化肥和農(nóng)藥造成的土壤和水體污染;二是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物造成的污染;三是農(nóng)業(yè)溫室氣體排放,在三大溫室氣體中,N2O 是氮肥的遷移轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的,CH4 的大部分由水稻種植和反芻動物養(yǎng)殖產(chǎn)生1。為長株潭城市群國家兩型社會建設(shè)綜合配套改革試驗區(qū)率先探路的長沙大河西先導(dǎo)區(qū),已正式進(jìn)入啟動建設(shè)階段。預(yù)計2020 年基本建成核心區(qū),形成節(jié)約能源資源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、增長方式和消費模式,成為支撐長沙、帶動全省、輻射全國的重要發(fā)展引擎

9、。據(jù)介紹,建設(shè)方案對先導(dǎo)區(qū)范圍提出了規(guī)劃區(qū)、核心區(qū)與起步區(qū)等三個層級。其中規(guī)劃區(qū)用地總面積約1200 平方公里,包括寧鄉(xiāng)縣的夏鐸鋪鎮(zhèn)、金洲鄉(xiāng)、歷經(jīng)鋪鄉(xiāng)、玉潭鎮(zhèn)、城郊鄉(xiāng)。生態(tài)經(jīng)濟(jì)是指既能滿足當(dāng)代人的需求又不會危及子孫后代需求的一種經(jīng)濟(jì)形態(tài),意味著一切經(jīng)濟(jì)活動必須具有生態(tài)環(huán)保性質(zhì),既要安全、節(jié)能、低耗、無公害、不損害生態(tài)環(huán)境、不損害人身健康,又要有更好的經(jīng)濟(jì)效益,這是21 世紀(jì)的主流經(jīng)濟(jì)形態(tài)和經(jīng)濟(jì)運行方式。而本質(zhì)上為生態(tài)經(jīng)濟(jì)的循環(huán)經(jīng)濟(jì),是指一種建立在資源回收和循環(huán)再利用基礎(chǔ)上的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。按照自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)共生的原理來設(shè)計生產(chǎn)體系(如圖1,將一個企業(yè)的廢物或副產(chǎn)品用作另一個企業(yè)的原料,通

10、過廢棄物的交換和使用將不同企業(yè)相聯(lián)系,形成自然資源產(chǎn)品資源再生利用的物質(zhì)循環(huán)過程,使投入的自然資源最少,將人類生產(chǎn)和生活對環(huán)境的危害或破壞降到最小程度。它要求以減量化、再使用、再循環(huán)作為經(jīng)濟(jì)活動的行為準(zhǔn)則,被稱為3R 原則,即減少原則(Reduce,再用原則(Reuse,循環(huán)原則(Recycle。生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化主導(dǎo)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式是指以家庭承包經(jīng)營為基礎(chǔ),以生態(tài)農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)及各種中介組織為依托,以公司與農(nóng)戶合作的方式,以經(jīng)濟(jì)效益為中心,兼顧社會效益與環(huán)境生態(tài)效益,立足于當(dāng)?shù)刭Y源的開發(fā),確立生態(tài)農(nóng)業(yè)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)和主導(dǎo)產(chǎn)品,通過各種利益機(jī)制,在經(jīng)濟(jì)和組織上結(jié)成一個完整的產(chǎn)業(yè)系統(tǒng),形成農(nóng)副產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、

11、銷售有機(jī)結(jié)合的機(jī)制,實現(xiàn)農(nóng)戶與市場的有效對接,推進(jìn)生態(tài)農(nóng)業(yè)向商品化、專業(yè)化、現(xiàn)代化轉(zhuǎn)變,充分利用高科技成果和手段,降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的資源、物質(zhì)投入量和廢物的排放量,達(dá)到三種效益的最大化。 2 農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)工程寧鄉(xiāng)水稻化工總廠清潔生產(chǎn)方案的制定與實施企業(yè)清潔生產(chǎn)工作程序含準(zhǔn)備、審計、制定方案和實施方案4個基本階段。其中審計的任務(wù)是進(jìn)行物料平衡與能量平衡測試,分析物料與能量的消耗情況,找出廢物產(chǎn)生及排放的原因,以便于清潔生產(chǎn)方案的征集、篩選及可行性分析,現(xiàn)分述如下:2.1 產(chǎn)品品種設(shè)計和生產(chǎn)規(guī)模首先,農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)主導(dǎo)產(chǎn)品的品種設(shè)計應(yīng)堅持兩先,即先進(jìn)行市場調(diào)研,了解現(xiàn)有市場需求與潛在市場需求;先

12、做技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性研究,了解產(chǎn)品利潤空間。筆者參與的文獻(xiàn)調(diào)研與銷供產(chǎn)調(diào)研表明,我國是全球肌醇、甾醇等生化原料藥及其制劑的第一原料大國,且產(chǎn)品暢銷,與肌醇出口大國日本各占全球市場份額的40%左右。肌醇對菲汀(植酸鈣鎂收率的理論值為19.7%,日本工業(yè)裝置收率已達(dá)16%以上,而國內(nèi)平均收率僅6.5%左右。故發(fā)展?jié)摿εc利潤空間誘人。肌醇作為醫(yī)藥及化妝品原料、食品及飼料添加劑,因其市場潛力大、具出口創(chuàng)匯優(yōu)勢、有國際競爭力,已選入中國高新技術(shù)產(chǎn)品目錄(11050201及中國國際高新技術(shù)成果深圳交易會項目信息系統(tǒng)(990826QA06912。據(jù)市場調(diào)研預(yù)測,農(nóng)產(chǎn)生物醫(yī)藥產(chǎn)品肌醇、甾醇、谷維素等發(fā)展前景廣闊。

13、其中甾醇為抗非典特效藥類甾醇糖皮質(zhì)激素甲潑尼松的關(guān)鍵中間體,是2003 年廣東省非典死亡率3.7%(低于越南的8%、新加坡的12%、加拿大多倫多的13.5%的秘密武器,2003 年底臺灣非典治療仍使用類固醇及抗生素2。其次,主導(dǎo)產(chǎn)品應(yīng)能充分利用優(yōu)勢資源,有較高的資源利用率。第三,生產(chǎn)的產(chǎn)品不得危害人體健康,對生態(tài)環(huán)境無不良影響。第四,經(jīng)濟(jì)適度的規(guī)模。例如筆者參與策劃設(shè)計的以肌醇優(yōu)質(zhì)低成本清潔工藝示范廠為中心且與30 萬頭/a 集約化養(yǎng)豬工程配套的多聯(lián)產(chǎn)項目,粗糠油13500 t/a、糠粕飼料70000 t/a、肌醇900 t/a、磷酸氫鈣5400 t/a 的工業(yè)型農(nóng)業(yè)-工業(yè)生態(tài)園工程,據(jù)項目可

14、行性研究,可吸引投資約16 億元,年產(chǎn)值約30 億元,年利稅約4 億元(圖1。2.2 原料選擇首先,原料路線的選擇與主導(dǎo)產(chǎn)品的成本及污染物產(chǎn)出量密切相關(guān),必須經(jīng)過周密調(diào)查分析和環(huán)境、經(jīng)濟(jì)全面評價后再確定。其次,原料的純度很重要,它直接影響主導(dǎo)產(chǎn)品的收率及反應(yīng)后廢棄物的產(chǎn)出量。如果原料中所含雜質(zhì)較多,生產(chǎn)過程會生成大量副產(chǎn)品或廢渣,不僅增加了主產(chǎn)品的物耗與終端治理費用,還增加了原料及廢渣的運輸費用。因此,筆者將提高肌醇收率的技術(shù)要領(lǐng)歸納為三大法寶,其中首要的是提高原料菲汀的純度與收率3。2.3 生產(chǎn)工藝過程及設(shè)備工藝技術(shù)路線是污染物產(chǎn)生的決定性因素之一,新建項目應(yīng)首先考慮采用無廢、少廢的清潔生產(chǎn)

15、工藝, 選擇高效、節(jié)能、防腐蝕、易維修的設(shè)備。2.4 改進(jìn)操作和加強管理一是開展調(diào)研和廢物審計,查清從原料(含輔助材料、催化劑到成品生產(chǎn)全過程的物料消耗、能量利用、廢物產(chǎn)出情況。二是以減少生產(chǎn)過程廢物產(chǎn)出為目標(biāo),建立健全勞動組織和規(guī)章制度。三是將節(jié)能、降耗、減污的目標(biāo)和考核,量化并分解到企業(yè)的各個層次。四是保證設(shè)備的完好率,防止和減少跑冒滴漏。五是有效的指揮調(diào)度、嚴(yán)格的監(jiān)督、公平的獎懲。六是組織安全文明生產(chǎn),培養(yǎng)環(huán)境意識,把生態(tài)文明滲入企業(yè)文化中心。2.5 輔以必要的終端治理終端治理并不排斥繼續(xù)推行清潔生產(chǎn),以逐步縮小終端治理的規(guī)模。隨著技術(shù)和管理水平的提高,可逐步實現(xiàn)零排放4。3 農(nóng)業(yè)環(huán)境生

16、態(tài)系統(tǒng)工程的實驗研究方法:知識/信息系統(tǒng)集成法的應(yīng)用3.1 系統(tǒng)集成法概述復(fù)雜科學(xué)(Complicated Science是研究復(fù)雜性與復(fù)雜系統(tǒng)的科學(xué),是系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展的新階段。研究表明,技術(shù)路線決定成敗。我國著名科學(xué)家錢學(xué)森等從系統(tǒng)科學(xué)角度,用科學(xué)理論、經(jīng)驗知識和專家判斷力有機(jī)結(jié)合的方法處理復(fù)雜系統(tǒng)問題。其核心是采取了人·機(jī)結(jié)合以人為主的技術(shù)路線與知識生產(chǎn)方式,機(jī)器能做的盡量由機(jī)器去完成,極大地擴(kuò)展了人的邏輯思維處理信息的能力。其實質(zhì)是把專家體系、數(shù)據(jù)和信息體系以及計算機(jī)體系有機(jī)結(jié)合起來,構(gòu)成一個高度智能化的人·機(jī)結(jié)合體系。這個系統(tǒng)在思維能力和創(chuàng)造性方面,比起單靠人(專家體

17、系或機(jī)器都有更強的優(yōu)勢。它能把人的思維、思維的成果、人的經(jīng)驗、知識、智慧以及各種情報、資料和信息統(tǒng)統(tǒng)集成起來,從多方面的定性認(rèn)識上升到定量認(rèn)識,所以它是一種精密科學(xué)的方法論。環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)工程的實驗研究,相當(dāng)于在實驗室內(nèi)對系統(tǒng)作實驗。系統(tǒng)建模是指將一個實際系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、輸入-輸出關(guān)系用數(shù)學(xué)模型、邏輯模型等描述出來,用對模型的研究來反映對實際系統(tǒng)的研究。建模過程既需要理論方法又需要經(jīng)驗知識,還要有真實的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和有關(guān)資料。有了系統(tǒng)模型,再借助于計算機(jī)就可以模擬系統(tǒng)和功能,此即系統(tǒng)仿真。通過系統(tǒng)仿真可以研究系統(tǒng)在不同輸入下的反應(yīng)、系統(tǒng)的動態(tài)特性以及未來行為的預(yù)測等,此即系統(tǒng)分析。在分析的基礎(chǔ)上,

18、進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化,優(yōu)化的目的是要找出為使系統(tǒng)具有我們所希望的功能的最優(yōu)、次優(yōu)或滿意的結(jié)論、政策和策略。由此獲得的定量結(jié)果,由環(huán)境生態(tài)學(xué)家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家、社會學(xué)家、系統(tǒng)工程專家共同再分析、討論和判斷,其結(jié)果可能是可信的或不可信的。如為后者,還要修正模型和調(diào)整參數(shù)。這樣的重復(fù)可能有許多次,直到各方面專家認(rèn)可,再作出結(jié)論和政策建議。3.2 系統(tǒng)集成法在肌醇廠優(yōu)化設(shè)計中的初步應(yīng)用技術(shù)密集等特點,肌醇等生物化工產(chǎn)品頗具代表性。精細(xì)間歇化過程同大型連續(xù)化過程相比,具有更高的彈性與操作靈活性,同時也更具復(fù)雜性。在市場競爭的條件下,不僅要求工廠的基建投資(含設(shè)備低,且要求降低物耗與能耗,二者常常是矛盾的。例如管徑的選

19、擇,管徑大則物料流速低,阻力小,能耗低,而管徑大則基建投資多。故必有一管徑,使得總成本最低,這是工藝參數(shù)優(yōu)化的一個實例。設(shè)計優(yōu)化包括流程優(yōu)化與參數(shù)優(yōu)化兩部分。考慮到增強市場應(yīng)變能力與轉(zhuǎn)產(chǎn)的需要,新建裝置應(yīng)適合于生產(chǎn)方法相似的兩個以上的產(chǎn)品。在確定的生產(chǎn)任務(wù)下,選取設(shè)備單元與最佳流程,使總投資最少。這一類問題可歸納成一個混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型(MINLP在計算機(jī)上求解。在多種解法中,將模擬退火法(Simulated Annealing與啟發(fā)法(Heuristics相結(jié)合,得到一種混合優(yōu)化算法。前者保證了算法的全局最優(yōu),后者加快了局部尋優(yōu)進(jìn)程,算法簡明,收斂性好,計算速度快,且自動確定了中間罐的最

20、優(yōu)數(shù)量和位置。該法對初值要求低,參數(shù)控制簡單,所需內(nèi)存小,與嚴(yán)格數(shù)學(xué)規(guī)劃法相比,相對誤差小于0.5%。因此,采用許錫恩等5,6修正的,Modi 等7所提出的多產(chǎn)品間歇化工過程數(shù)學(xué)模型,被認(rèn)為是最優(yōu)設(shè)計,其任務(wù)在于給定生產(chǎn)要求,對各設(shè)備尺寸及數(shù)量進(jìn)行計算,使得設(shè)備總投資最小。流程模擬(Flow sheeting就是應(yīng)用能足夠準(zhǔn)確地描述整個生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型(由物料平衡、能量平衡與相平衡等方程組成,在計算機(jī)上求解,以便得到該過程的全部信息,如各物流的組成及狀態(tài),各單元設(shè)備的狀態(tài)變量等。性試驗中設(shè)計60t/y 肌醇。而設(shè)計計算一般以h 或以設(shè)備為單位進(jìn)行,故須用合適方法使二者關(guān)聯(lián)。在物料衡算中,可采

21、用t、kg、m3 作為計算單位,一般以每批產(chǎn)量作為計算基準(zhǔn)。因此,既要考慮年操作時(小時處理量等于年產(chǎn)量除以年操作時,還要根據(jù)關(guān)鍵設(shè)備(如水解反應(yīng)釜的操作時間表,確定平均每小時的投入、產(chǎn)出及設(shè)備、管道能力。前后設(shè)備、管道能力應(yīng)與之匹配,不得造成瓶頸(薄弱環(huán)節(jié)。例如:設(shè)計60t/y 肌醇的生產(chǎn)裝置,由兩個水解釜并聯(lián)操作,其操作時間估算為:置換(0.3h、進(jìn)料(0.2h、反應(yīng)(5.3h出料(1.0h、清理(0.2h、故障(1.0h,設(shè)年操作時為7200h,每t 肌醇消耗定額為12t 菲汀收率為8.3%,試決定所需水解釜的容積及管道的通過能力。解:每個水解釜的生產(chǎn)能力為30t/y 肌醇,每批料操作周期為8h ,故每批料的肌醇生產(chǎn)量為: 30×8/7200=0.033(t在操作狀態(tài)下,反應(yīng)物菲汀水解液的密度為0.250t/m3,反應(yīng)釜裝料系數(shù)取70%,則所需反應(yīng)釜容積為:12×0.033/0.25/0.70=2.26(m3,考慮余量,取3m3進(jìn)口管道的通過能力=每批投料量/進(jìn)料時間=12×0.033/0.2=1.98(t/h出口管道的通過能力=每批投料量/出料時間=12×0.033/1.0=0.40(t/h進(jìn)合理、生產(chǎn)成本最低的化