多源固廢協(xié)同共生利用的環(huán)境效益研究綜述

曹 馨，梁希超,錢 媛,王雅君,陳慶華

(1.中國石油大學(xué)(北京)經(jīng)濟管理學(xué)院，北京102249；2.中石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 102206；3.中國石油大學(xué)(北京)新能源與材料學(xué)院，北京 102249；4.福建師范大學(xué)聚合物資源綠色循環(huán)利用教育部工程研究中心，福建 福州 350007)

1 東南輕工建材產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)污染現(xiàn)狀

在要素集中發(fā)展模式的長期推動下，我國部分地區(qū)形成了特色鮮明、生產(chǎn)技術(shù)成熟的產(chǎn)業(yè)集聚園區(qū)[1]，如新疆棉花產(chǎn)業(yè)集群、黑龍江農(nóng)產(chǎn)品加工集群等農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)集群[2]，北京中關(guān)村、深圳電子產(chǎn)業(yè)等信息產(chǎn)業(yè)集群[3]．其中，輕工建材產(chǎn)業(yè)集聚在我國東南沿海地區(qū)．以福建省為例，輕工業(yè)年產(chǎn)值占工業(yè)總產(chǎn)值的49%；其中，紡織服裝、制革制鞋、石材加工作為特色產(chǎn)業(yè)，總產(chǎn)值占輕工業(yè)年產(chǎn)值的40%．隨著該發(fā)展模式的不斷推進，東南沿海地區(qū)形成了分工細(xì)化、特色鮮明、結(jié)構(gòu)完整的輕工建材技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈．

然而產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展模式在形成規(guī)模效益的同時也帶來了大氣、水、土壤等多介質(zhì)污染物的集中排放，導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境負(fù)外部性問題[4]．如，上述3個行業(yè)年產(chǎn)廢液總量超15億t，固廢總量超3 000萬t．末端治理、過程控制等以單行業(yè)為邊界的污染治理模式雖然一定程度上緩解了東南輕工建材特色產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)的壓縮型、復(fù)合型、跨介質(zhì)環(huán)境污染問題，但該模式無法進一步挖掘廢棄物的利用價值，導(dǎo)致部分廢棄物蘊含可觀減排潛力空間卻未得到有效利用[5]．整體來看，東南輕工建材產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)的紡織服裝、制革制鞋、石材加工行業(yè)年產(chǎn)固廢綜合利用率低于70%，處于較低水平[6]．因此，推動輕工建材行業(yè)多源固廢的跨行業(yè)、高質(zhì)、梯次利用成為集聚區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展與資源環(huán)境解耦的重要途徑[7]．然而，實際研究中卻面臨如下問題.

第一，多源固廢產(chǎn)排底數(shù)及固廢資源特征模糊不清．明晰多源固廢的產(chǎn)排底數(shù)，構(gòu)建高精度的多源固廢產(chǎn)排特征時空圖譜，識別關(guān)鍵固廢，是建立精細(xì)化跨行業(yè)耦合共生系統(tǒng)的基礎(chǔ)．然而，東南輕工建材產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)部門間生產(chǎn)技術(shù)水平差異較大，導(dǎo)致固廢成分復(fù)雜、排放系數(shù)不一，傳統(tǒng)黑箱視角統(tǒng)計分析易產(chǎn)生較大誤差．因此，如何破解宏觀視角固廢底數(shù)不清和微觀視角關(guān)鍵固廢不明的問題是多源固廢綜合治理的難點之一．

第二，對多源固廢共生利用的環(huán)境效益和潛力空間把握不足．產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)中每種固廢存在多種資源化共生利用途徑，如廢棄腈綸纖維可用作粘合劑、阻垢劑、合成漿料等．如何從微觀尺度精準(zhǔn)量化各項共生技術(shù)的環(huán)境效益，并從宏觀尺度表征共生模式推廣前后，集聚區(qū)物質(zhì)代謝的整體變動情況，衡量共生模式推廣的環(huán)境效益是另一大難點．

因此，本文針對上述研究難點展開綜述，總結(jié)及評價國內(nèi)外已有研究解決措施，具體內(nèi)容如下.

針對多源固廢產(chǎn)排底數(shù)及資源特征模糊不清問題，本文將從兩個維度展開分析：第一，現(xiàn)有統(tǒng)計工作覆蓋的廢棄物種類有哪些?統(tǒng)計口徑如何?第二，主流固廢產(chǎn)量統(tǒng)計方法及其適用范疇．針對固廢協(xié)同共生利用的環(huán)境效益不明問題，本文綜述已有主流環(huán)境效益評估模型及方法，結(jié)合東南輕工建材產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)實背景，提出解決方案．本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，總結(jié)及分析現(xiàn)實數(shù)據(jù)缺口及理論方法不足，為未來該領(lǐng)域的研究方向探索及方法應(yīng)用提出建議．

2 文獻檢索及統(tǒng)計

2.1 檢索邊界

本文分別從國內(nèi)外文獻數(shù)據(jù)庫進行檢索，其中，中文數(shù)據(jù)庫為“中國知網(wǎng)”，外文數(shù)據(jù)庫為“web of science”“谷歌學(xué)術(shù)”；檢索時間邊界為2000年至2021年．針對“固廢產(chǎn)量統(tǒng)計對象”相關(guān)文獻，僅考慮國內(nèi)固廢統(tǒng)計工作現(xiàn)狀，因此檢索數(shù)據(jù)庫為“中國知網(wǎng)”，以“固廢”或“固體廢棄物”為關(guān)鍵詞，“現(xiàn)狀”為次關(guān)鍵詞．針對“固廢產(chǎn)量統(tǒng)計方法”相關(guān)文獻，檢索數(shù)據(jù)庫為“中國知網(wǎng)”“谷歌學(xué)術(shù)”及“web of science”，以“固廢”“固體廢棄物”“solid waste”為關(guān)鍵詞，“核算”“統(tǒng)計”及“statistics”等為次關(guān)鍵詞．針對“關(guān)鍵技術(shù)環(huán)境效益評價方法”相關(guān)文獻，檢索數(shù)據(jù)為“中國知網(wǎng)”“谷歌學(xué)術(shù)”及“web of science”，以“產(chǎn)業(yè)共生”“industrial symbiosis”為核心關(guān)鍵詞，“評價”“效益”“evaluate”“benefits”等為次關(guān)鍵詞(見表1)．

表1 檢索關(guān)鍵詞及檢索源Tab.1 The retrieved key words and search sources

2.2 文獻檢索及分析

基于上述關(guān)鍵詞，以2000年1月至2021年12月作為時間邊界，本文檢索出有關(guān)“固廢產(chǎn)量統(tǒng)計對象”文獻818篇，通過進一步關(guān)鍵詞搜索，篩選出422篇文獻符合要求；有關(guān)“固廢產(chǎn)量統(tǒng)計方法”文獻341篇，其中中文文獻27篇，英文文獻322篇，通過進一步關(guān)鍵詞搜索，篩選出285篇文獻符合要求；有關(guān)“關(guān)鍵技術(shù)環(huán)境效益評價方法”文獻415篇，其中中文文獻186篇， 英文文獻229篇，通過進一步關(guān)鍵詞檢索，篩選出133篇文獻符合要求．

由圖1可以看出，關(guān)于固廢宏觀的統(tǒng)計文獻數(shù)量顯著高于共生路徑效益評價的文獻數(shù)量，且后者的增長具有明顯滯后特征．說明固體廢棄物作為環(huán)境領(lǐng)域持續(xù)關(guān)注對象，其宏觀統(tǒng)計工作具有一定完備性，但基于產(chǎn)業(yè)共生思路的固廢治理研究仍處于較低水平．因此，需驗證已有固廢統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是否適用于共生視角分析研究．

圖1 2000—2021年相關(guān)文獻檢索數(shù)量變化圖Fig.1 Changes in the number of related literatures from 2000 to 2021

3 國內(nèi)外研究綜述

3.1 統(tǒng)計對象分析

固廢產(chǎn)量核算統(tǒng)計研究對象具有較強的時空演變特征，大致可分為3個階段：第一階段為“十五”期間，這一時期研究對象以污染較為嚴(yán)重的重工業(yè)集聚地區(qū)為主，涉及電力、冶金、化工及水泥等行業(yè)產(chǎn)生的危險固廢及大宗固廢[8-10]；第二階段為“十一五”至“十三五”中期，研究對象以發(fā)達城市醫(yī)療及生活垃圾為主[11-13]；第三階段為“十三五”中期至今，在關(guān)注大宗工業(yè)及城市固廢的同時，來源廣泛、種類繁多、產(chǎn)量相對較少、有毒有害性相對較弱的多源固廢逐步引起研究者重視[14-16](見圖2，其中縱坐標(biāo)表示各類固廢統(tǒng)計工作的文獻檢索數(shù)量)．

圖2 2000—2020年固廢統(tǒng)計工作相關(guān)文獻數(shù)量變化圖Fig.2 Changes in the number of documents related to solid waste statistics from 2000 to 2020

從另一方面來看，研究對象的演變過程與我國不同階段發(fā)展特征以及環(huán)境治理政策變化呈現(xiàn)出一定相關(guān)性.改革開放以來，我國全力推進以鋼鐵、電力等重工行業(yè)為主的工業(yè)建設(shè)工作[17]．1995年和1998年，國家連續(xù)出臺了《中華人民共和國固體廢棄物污染環(huán)境防治法》和《國家危險廢物名錄》等文件．因此，這一時期的環(huán)境治理工作以大宗工業(yè)固廢及危險固廢為主．隨著我國工業(yè)技術(shù)水平的進步及城鎮(zhèn)化進程的加速，醫(yī)療固廢和生活垃圾的污染貢獻水平顯著提高，宏觀統(tǒng)計對象由大宗工業(yè)固廢轉(zhuǎn)向醫(yī)療廢棄物及生活垃圾．如今，共生理論不斷完善，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)間復(fù)雜共生網(wǎng)絡(luò)、實現(xiàn)跨行業(yè)的多源固廢交互利用成為研究熱點，宏觀統(tǒng)計對象也隨之轉(zhuǎn)向多源固廢．

現(xiàn)有固廢統(tǒng)計工作為廢棄物的治理研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)．然而隨著固廢治理逐漸由單行業(yè)視角過渡到多行業(yè)耦合共生研究視角，粗口徑的宏觀固廢產(chǎn)排量難以為跨行業(yè)、跨地區(qū)的多源固廢共生利用模式構(gòu)建與分析提供數(shù)據(jù)支撐．以東南輕工建材產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)為例，多源固廢產(chǎn)排底數(shù)模糊不清、關(guān)鍵固廢產(chǎn)量及其理化性質(zhì)不明等問題成為該區(qū)域進一步研究的重要數(shù)據(jù)壁壘．因此，需針對集聚區(qū)內(nèi)主要行業(yè)展開宏微觀統(tǒng)計工作，基于產(chǎn)品工藝鏈條，摸清單位產(chǎn)品生產(chǎn)過程中主體工藝的固廢產(chǎn)排底數(shù)，核算集聚區(qū)多源固廢宏觀產(chǎn)量，識別關(guān)鍵固廢，為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)支撐．

3.2 統(tǒng)計方法及模型綜述

第一類方法與模型從非機理性的角度出發(fā)，通過指標(biāo)統(tǒng)計或問卷調(diào)研、實地調(diào)研等方式實現(xiàn)固廢產(chǎn)排量的宏觀統(tǒng)計與分析，包括投入產(chǎn)出法、抽樣調(diào)研法、SEEA(system of environment and economic accounting)模型、系統(tǒng)動力學(xué)模型等．如Salemdeeb等[18]基于投入產(chǎn)出法，通過調(diào)研英國21個工業(yè)部門的資源消耗及廢物產(chǎn)出，測算了整個工業(yè)鏈中的直接和間接廢棄物排放量；Al-khatib等[19]基于巴勒斯坦中央統(tǒng)計局的居民抽樣調(diào)研，獲取該地區(qū)的固廢治理樣本信息，并由此推算該地區(qū)固廢治理現(xiàn)狀[19]；張蕾等[20]基于系統(tǒng)動力學(xué)模型，根據(jù)影響固廢產(chǎn)排量的影響因素及各因素間的相互作用關(guān)系，構(gòu)建表征固廢變化的反饋回路，完成了固廢產(chǎn)量的長期預(yù)測．上述方法的優(yōu)勢在于，不考慮固廢生產(chǎn)代謝過程中各環(huán)節(jié)的輸入輸出水平，可應(yīng)用于環(huán)境與經(jīng)濟綜合核算，表征環(huán)境與經(jīng)濟間的作用及影響關(guān)系；不足之處在于無法解析固體產(chǎn)排特征，且當(dāng)企業(yè)間技術(shù)水平差異較大或固廢特征模糊不清時，通過系數(shù)估算行業(yè)整體的固廢產(chǎn)排行為易產(chǎn)生較大誤差．

第二類模型從機理性角度出發(fā)，視固廢產(chǎn)排過程為白箱，如張超等[21]基于自底向上模型，追溯造紙工業(yè)系統(tǒng)中產(chǎn)品生產(chǎn)、原輔料消耗、COD的產(chǎn)生、治理及排放全過程，核算COD的總排量．此類方法可細(xì)化固廢結(jié)構(gòu)、追溯不同規(guī)模下固廢產(chǎn)排底數(shù)差異、提高數(shù)據(jù)統(tǒng)計質(zhì)量，為精細(xì)化共生關(guān)系的構(gòu)建提供高精度數(shù)據(jù)支撐．

針對上述關(guān)注的固廢統(tǒng)計問題，國內(nèi)外已有部分研究如表2所示．

表2 固廢產(chǎn)量統(tǒng)計研究案例Tab.2 Statistical research cases of solid waste production

針對東南輕工建材產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)固廢統(tǒng)計工作缺口，由于產(chǎn)業(yè)區(qū)內(nèi)部各企業(yè)及部門間技術(shù)水平和生產(chǎn)規(guī)模差異較大，故采用案例企業(yè)或局部地區(qū)的固廢產(chǎn)排系數(shù)核算區(qū)域固廢總產(chǎn)量的測算方式易造成較大誤差．因此，多源固廢產(chǎn)排總量的統(tǒng)計工作需以機理性模型為基礎(chǔ)，基于各行業(yè)生產(chǎn)工藝鏈條，摸清不同規(guī)模(如制革行業(yè)可分為大、中、小、微型企業(yè))下固廢產(chǎn)排底數(shù)，核算區(qū)域內(nèi)各類固廢產(chǎn)量并識別關(guān)鍵固廢種類，使固廢核算結(jié)果更加準(zhǔn)確，固廢結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)更加清晰．

3.3 共生技術(shù)環(huán)境效益評估研究綜述

如何量化共生模式的環(huán)境經(jīng)濟效益是多源固廢共生治理的另一難題．本文對現(xiàn)有文獻總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)環(huán)境效益評估模型可分為如下兩類.

第一類模型為針對小尺度案例企業(yè)、園區(qū)或典型共生技術(shù)的環(huán)境效益評估模型．由于早期產(chǎn)業(yè)共生是基于企業(yè)間為減少生產(chǎn)經(jīng)營成本而自發(fā)形成的共生行為，因此該階段多針對典型案例企業(yè)的研究．如虛擬量化法，可用于直接評估產(chǎn)業(yè)共生帶來的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益[36]；Daddi等[37]基于全生命周期評價法，追蹤原料投入至廢棄物處理全過程，建立共生前后數(shù)據(jù)清單，量化及評價共生技術(shù)環(huán)境效益；Wang等[38]基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法，整合多投入產(chǎn)出指標(biāo)，對比決策單元間的相對有效性，評價各項共生技術(shù)相對效率；Ohnishi等[39]基于物質(zhì)流分析方法，通過對比共生前后產(chǎn)品生產(chǎn)過程中物質(zhì)在自然與經(jīng)濟系統(tǒng)間的流動特征，量化共生技術(shù)物質(zhì)代謝效率，實現(xiàn)環(huán)境效益評估．

第二類模型為針對大尺度復(fù)雜共生系統(tǒng)的環(huán)境效益評估模型．伴隨著產(chǎn)業(yè)共生行為的演化，產(chǎn)業(yè)共生環(huán)境效益評估研究尺度不斷拓展，推動了國內(nèi)外學(xué)者展開針對大尺度的復(fù)雜共生系統(tǒng)環(huán)境效益評估的研究．如，Park等[40]基于指標(biāo)體系評價法，建立生態(tài)環(huán)境效益評價體系，評估了韓國7個共生系統(tǒng)的環(huán)境效益．Dong等[41]構(gòu)建宏觀投入產(chǎn)出法，量化表征了我國柳州市、濟南市以及日本川崎地區(qū)的年廢棄物交換量及經(jīng)濟收益；Ramaswami等[42]建立基于能源級聯(lián)及物質(zhì)交換的共生效益核算模型，量化了我國637座城市共生戰(zhàn)略的二氧化碳減排貢獻量．但由于大尺度的復(fù)雜共生系統(tǒng)環(huán)境效益評估仍處于起步階段，因此，此類研究受限于粗口徑的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)及黑箱的統(tǒng)計視角，未能考慮企業(yè)間的空間地理位置及規(guī)模差異，導(dǎo)致最終環(huán)境效益及節(jié)能潛力評估存在錯估風(fēng)險．

針對上述關(guān)注的環(huán)境效益評價模型，國內(nèi)外已有代表性研究如表3所示．

表3 共生技術(shù)環(huán)境效益評估方法及模型應(yīng)用案例Tab.3 Methods and model application cases for assessing environmental benefit of symbiosis technologies

針對東南輕工建材產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)現(xiàn)實情況，內(nèi)部重點行業(yè)如紡織服裝、制革制鞋及石材加工等行業(yè)的共生循環(huán)利用技術(shù)仍停留在少量固廢的交互利用低水平，尚未形成復(fù)雜網(wǎng)狀共生環(huán)境，因此環(huán)境效益評估應(yīng)基于第一類模型．其中，物質(zhì)流分析方法可靈活調(diào)整研究視角，如，在上表列舉應(yīng)用案例中，張鍵將研究邊界設(shè)置為物質(zhì)輸入至產(chǎn)品輸出，將物質(zhì)代謝過程視為白箱，引入循環(huán)流表征物質(zhì)共生效率；Picuno等[47]將研究邊界定義為塑料包裝消費后至處理全過程，視物質(zhì)代謝過程為黑箱，通過選取一定指標(biāo)側(cè)面反映共生潛力．因此，通過物質(zhì)流分析方法可靈活調(diào)整研究邊界，轉(zhuǎn)換黑白箱研究視角，從微觀角度分析集聚區(qū)重點企業(yè)及重點廢棄物物質(zhì)代謝機理，從宏觀角度量化多源固廢共生利用環(huán)境效益，解析多源固廢代謝機理，實現(xiàn)集聚區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展與資源消費解耦目標(biāo)．

4 研究結(jié)論及展望

4.1 研究結(jié)論

本研究通過對國內(nèi)外固廢實物量宏觀統(tǒng)計調(diào)研及共生技術(shù)環(huán)境效益評估模型進行綜述，得出如下結(jié)論．

針對固廢統(tǒng)計工作，“十五”時期以來，國內(nèi)研究統(tǒng)計對象逐漸從傳統(tǒng)大宗工業(yè)固廢轉(zhuǎn)向生活垃圾及醫(yī)療危廢；近年間各類產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)內(nèi)種類繁雜、產(chǎn)量相對較少、生態(tài)環(huán)境危險性相對較弱的多源固廢統(tǒng)計分析工作逐漸起步．針對固廢產(chǎn)量及微觀理化性質(zhì)研究的統(tǒng)計分析方法也不斷豐富，發(fā)展出機理性模型和非機理性模型兩類．但整體來看，當(dāng)前我國的固廢產(chǎn)量分析仍以指標(biāo)統(tǒng)計、問卷調(diào)研、抽樣測算等非機理性方法為主，大口徑、粗粒度的固廢產(chǎn)排量信息難以為精細(xì)化共生網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建提供高精度數(shù)據(jù)支撐．因此，針對東南輕工建材產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)多源固廢統(tǒng)計缺口，本文認(rèn)為，應(yīng)基于如自底向上模型的機理性統(tǒng)計方法，梳理重點產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)工藝鏈條，摸清不同規(guī)模及水平下固廢產(chǎn)排底數(shù)，宏觀統(tǒng)計集聚區(qū)多源固廢排放總量，識別關(guān)鍵固廢，建立高精度的多源固廢底數(shù)基礎(chǔ)．針對共生技術(shù)環(huán)境效益評估相關(guān)綜述，本文將已有方法及模型分為針對小尺度典型案例的環(huán)境效益評估模型和針對大尺度復(fù)雜共生系統(tǒng)的環(huán)境效益評估模型兩類．其中針對小尺度案例的評估模型應(yīng)用案例豐富，且能夠從白箱視角追溯各個生產(chǎn)節(jié)點上共生技術(shù)的環(huán)境收益．因此，針對東南輕工建材產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)多源固廢共生利用環(huán)境效益不明問題，可基于小尺度評估模型中的物質(zhì)流分析方法，靈活調(diào)整物質(zhì)代謝邊界，在解析多源固廢代謝機理的同時從宏觀層面量化共生技術(shù)整體環(huán)境經(jīng)濟效益．

4.2 研究展望

隨著我國現(xiàn)代化進程不斷發(fā)展，落后工藝不斷淘汰，各行業(yè)技術(shù)水平不斷上升，單行業(yè)內(nèi)部節(jié)能減排潛力收窄且邊際成本攀升，企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新活力減弱進入瓶頸．因此，建設(shè)產(chǎn)業(yè)間共生關(guān)系，鋪設(shè)全區(qū)域、多行業(yè)的網(wǎng)狀共生環(huán)境必將貫穿“十四五”時期始末．然而，本研究發(fā)現(xiàn)，基于多源固廢、綜合固廢微觀產(chǎn)排系數(shù)摸底和宏觀產(chǎn)量統(tǒng)計工作仍存在較大數(shù)據(jù)缺口，復(fù)雜共生系統(tǒng)的環(huán)境經(jīng)濟效益評估模型仍存在共生技術(shù)定義不明、技術(shù)間區(qū)分不清的局限．因此，更新產(chǎn)業(yè)共生研究范式，將產(chǎn)業(yè)共生研究由針對典型案例拓寬至針對大尺度、多行業(yè)的宏觀系統(tǒng)分析必將成為新時期的重點研究課題．