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1、,清洁生产的理论基础,第4章 清洁生产的理论基础,4.1 物质平衡理论 4.2 生态学理论 4.3 生命周期评价 4.4 ISO14000环境管理系列标准,4.1 物质平衡理论 4.1.1能量守恒定理 4.1.2物质守恒原理,清洁生产以合理利用自然资源和源头预防工业污染为目标，以物质循环利用为主要手段，其最基本的理论基础是物质平衡理论即质量（能量）守恒原理，用以对清洁生产过程可行性的分析和对物质流或能量流的分析调控。 在生产过程中，物质是遵循平衡理论的。生产过程中产生的废物越多，生产所需的原料也就越多，即资源消耗越大。清洁生产要使废物最小化，也就是要将资源最充分利用。原料和生产中产生的废物是一
2、个相对的概念，在一个生产过程中的废物有可能成为另一个生产过程的原料。将废料转化为资源，就可以达到资源的最大利用率。物质平衡理论说明清洁生产可以实现资源利用最大化，废物产生最小化，环境污染零排放或低排放。,4.1 物质平衡理论,根据地日关系的原理，地球上一切物质都具有能量，能量是物质固有的特性。通常，能量可分为两大类，一类是系统蓄积的能量，如动能、势能和热力学能，它们都是系统状态的函数。另一类是过程中系统和环境传递的能量，常见的有功和热量，它们不是状态函数，而与过程有关。热量是因为温度差引起的能量传递，而做功是由势差引起的能量传递。因此，热和功是两种本质不同且与过程传递方式有关的能量形式。 能量
3、的形式不同，但是可以相互转化或传递。在转化或传递的过程中，能量的数量是守恒的，能量既不能创造，也不会消灭，而只能从一种形态转换为另一种形式，从一个物体传递到另一个物体，在能量转换和传递过程中能量的总量恒定不变，这就是热力学第一定律，即能量守恒与转化原理。 能量从量的观点来看，只是是否已利用，利用了多少的问题。而从质（品位）的观点来看，则是个是否按质用能的问题。热力学第一定律只说明了能量在量上守恒，并不能说明能量在质方面的高低。所谓提高能量的有效利用问题，其本质就在于防止和减少能量的贬值现象的发生。能量的质的属性是由热力学第二定律来揭示的。,4.1.1能量守恒定理,热力学第二定律的实质是能量贬值
4、原理。它指出能量转换过程总是朝着能量贬值的方向进行：高品质的能量可以全部转换为低品质的能量；能量传递过程也总是自发地朝着能量品质下降的方向进行；能量品质提高的过程不可能自发地单独进行；一个能量品质提高的过程肯定伴随有另一能量品质下降的过程，并且这两个过程是同时进行的，即另一能量品质下降的过程就是实现前一个能量品质提高过程的必要的补偿条件。在实际过程中，作为代价的另一能量品质下降过程必须足以提高前一个能量品质的改进过程，因为某一系统中实际过程之所以能够进行都是以该系统中总的能量品质下降为代价的，即任何过程的进行都会产生能量贬值，能量在转换和利用过程中品位逐渐降低。 在不同的用能目的中，所要求的能
5、量品位也常不相同。节能的一个原则就是在需要低品位能量的场合，尽量不供给高品位的能量，这就是能量匹配。在能量匹配原则的指导下，同一能量可以在不同品位的水平上多次利用，这就是能量的梯级利用。能量匹配和能量梯级利用原则的理论基础就是降低用能过程中的不可逆性。合理组织能量梯级利用，提高能量利用效率，降低能量损失的不可逆性，是热力学原理的实践内容之一。,根据能量贬值原理，不是每一种能量都可以连续地、完全地转换为任何一种其他的能量形式。从转换的角度来看，不同形式的能量，按照其转换能力可以分为三类：第一类是全部转换能，它可以完全转换为功，称为高质能，其数量和质量是统一的，比如电能、机械能等。第二类是部分转换
6、能，它只能部分地转换为功，称为低质能，其数量和质量是不统一的，如热能、流动体系的总能等。第三类是废弃能，它受环境限制不能转换为功，如处在环境条件下的介质的内能等，这种能量称为寂态能量，尽管它有相当的数量，但品位很低，从技术上讲无法使之转换为功。 热力学的上述两个定律（能量守恒与转换定律和能量贬值定律）告诉我们，欲节约能源，必须考虑能的量和质两方面。减少能量需求的最好办法是开展节约能源活动。当前，我们所用到的能量转换过程中，绝大部分的效率都是非常低的，许多能量在转换过程中以热量方式浪费掉了。例如，在燃烧石油发电过程中，产生的电能只相当于石油最初能量的38；用燃烧木材的炉子给房间加热时，能量利用率
7、只有40左右，而用一个能量节约型的燃气炉却可以达到90的利用率。可见，在我们的日常生活中和工业生产中使用能量利用率高的系统可以节约大量的能源。节能不是消极地减少能源的用量，而是积极地谋求提高能量的有效利用率。能源的有效利用，是一个综合的课题。,质量守恒是自然界的普遍规律。根据热力学第一定律，物质在生产和消费过程中及其后都没有消失，只是从原来“有用”的原料或产品变成了“无用”的废物进入环境中，形成污染，而物质的总量保持不变。在实际生产活动中，生产资料一部分转变为具有价值的产品，一部分转变为废弃物，产生的废物越多，则生产资料的消耗越大。事实上，废物只是不符合生产目的，不具有价值的非产品产出，是放错
8、位置的资源，若合理利用，则废物不废。物质守恒原理说明，物质流、能量流的重复利用和优化利用是可能的。 清洁生产表现在生产过程中，正是通过对资源的循环利用和废物的回收利用，来达到资源合理利用和预防工业污染的双重目的。在社会经济活动中，一个产业系统由原材料获取、物质加工、能量转换、残余物处理和最终消费等多个部门组成。在产业部门将资源转变为产品的制造过程中以及产品的使用与处理过程中，都在产生废弃物，废弃物是产业部门对环境污染的主要根源。为了减少产业系统对自然环境的污染，重要的手段是提高物质和能量的利用效率和循环使用率，借此减少自然资源的开采量和使用量，降低污染物的排放量。 基于物质守恒原理的清洁生产的
9、物质循环，不仅是解决有限资源可持续利用的有效方式，而且它又是解决环境污染问题的重要手段。在产业系统实施清洁生产，一方面通过物质循环，建立良性的资源综合利用工业链，实行物质资源循环利用和梯级利用，使得物料利用率尽可能高，减少原材料的消耗和浪费；另一方面对形成的废弃物，进行物质的再生循环，既减少工业生产废弃物对环境造成的危害和影响，又可以有效地弥补资源短缺状况，最终都为实现可持续发展作出了贡献。,4.1.2物质守恒原理,4.2 生态学理论,4.2.1生态学及其基本规律 4.2.2 生态系统及其组成和类型 4.2.3生态系统的功能,4.2.1生态学及其基本规律,生态学一词最早是由德国生物学家海克尔(
10、H.Haeckel)于1866年提出的。他把生态学定义为研究有机体及其环境之间相互关系的科学。后来有的学者把生态学定义为研究生物或生物群体与其环境的关系，或生活着的生物与其环境之间相互联系的科学。 生态学的定义很多，比较普遍认同的定义是：生态学是研究生物与生物、生物与其环境之间相互关系及其作用机理的科学。这定义中的生物包括动物、植物、微生物及人类等的生物系统；环境是指某一特定生物体或生物群体以外的空间以及直接或间接影响生物或生物群体生存的一切事物（如土壤、水分、温度、光照、大气等）的总和。生态学主要有四条基本规律：,（1）相互依存与相互制约规律,相互依存与相互制约反映了生物间的协调关系，是构成
11、生物群落的基础。首先是普遍的依存与制约。有相同生理、生态特性的生物，占据着与之相适宜的小生境，构成生物群落或生态系统。系统中不仅同种生物相互依存、相互制约，不同群落或系统之间也同样存在着依存与制约关系。其次是通过食物而相互联系与制约的协调关系。 具体形式就是食物链和食物网，即每一个生物在食物链和食物网中都占据一定的位置，并且有特定的作用，不同物种之间通过食物链相互链接成为一体，形成共生与制约关系。将这种关系应用到社会产业体系中去，形成多种多个企业相互合作构成的产业生态群落，围绕区域内的资源条件开展产业活动，使物质和能源得到充分利用。,（2）物质循环与再生规律,在生态系统中，植物、动物、微生物与
12、非生物成分，借助能量的不停流动，一方面不断地从自然界摄取物质并合成新的物质，另一方面又能将有机物分解为简单的无机物质（即所谓再生），作为养分重新被植物所吸收，进行着不停的物质循环。人类社会的生产活动也是物质的不断转化和循环过程。生产过程所需要的原料来自于自然环境，经过生产转化为产品及废料，产品经使用后又被变成废弃物而弃之于环境。 生产和生活中产生的废弃物返回自然界，积累于环境，当积累超过生态系统的自净能力，就会破坏人与自然之间物质转化的生态关系，导致环境污染、生态失调。根据物质循环和再生规律，人们对废弃物进行物质循环和再生利用，使其转化为同一生产部门或另一生产部门的原料投入新的生产过程，再回到
13、产品生产和生活消费的循环中去，不但最大限度地提高了资源的利用率，并且将废弃物的排放量降低到最小限度，减少自然环境的压力。,（3）物质输入输出平衡规律,在生态系统中，生物体一方面从环境摄取物质，另一方面又向环境输出物质。对于一个稳定的生态系统，物质的输入与输出总是相互平衡的。在人类产业系统中，一个产业体系在特定时间内通过系统内部和外部的物质、能量、信息的传递和交换，使系统内部企业之间、企业与外部环境之间达到了相互适应、协调、统一的平衡状态，使社会生产乃至整个经济活动能够顺利进行。人类要根据物质平衡的规律，采取清洁生产等有效措施，最大限度地提高原料利用率，以减少资源浪费和环境污染，实现社会生产的动
14、态平衡和生态平衡。,（4）环境资源有效极限规律,任何生态系统中生物赖以生存的各种环境资源，在数量、质量、空间和时间等方面都有一定的限度，不可能无限地供给。因此每一个生态系统对于任何外来的干扰都具有一定的忍耐极限，超过这个极限（生态阈值），生态系统就会被破坏。所以，人类生产和生活也要符合环境资源的有效极限规律。人类生产活动是一个物质资源的形态转化过程，一端是消耗自然资源生产出产品，以满足人类的物质需要，另一端是生产工艺过程产生的废弃物和产品被消费后的废弃物排放于环境，对自然环境造成污染危害。 无论是资源的承载力还是环境的承受能力，都是有极限的。过度消耗资源和破坏环境，不仅会使生产无法持续进行，而
15、且将破坏人类生存的基本条件。环境是经济发展的空间，资源是经济发展的基础，环境质量和资源永续利用决定着经济发展的命运。清洁生产作为长期以来人类在经济社会发展过程中的经验教训的总结，它是合理利用资源和保护生态环境以保障社会经济可持续发展的有效途径。,4.2.2 生态系统及其组成和类型,一个生物物种在一定的范围内所有个体的总和称为生物种群；在一定自然区域的环境条件下，许多不同种的生物相互依存，构成了有着密切关系的群体，称为生物群落。生态系统是指在自然界一定空间内，生物群落与周围环境的统一整体，也即生命系统与环境系统在特定时空的组合。 生态系统具有一定的组成、结构和功能，是自然界的基本结构单元。在这个
16、单元中，生物与环境之间相互作用、相互制约、不断演变，并在一定时期内处于相对稳定的动态平衡。,4.2.2 生态系统及其组成和类型 （自然生态系统的组成和结构）,所有的生态系统 (包括陆生和水生),非生物部分（abiotic）,生物部分(biotic),1. 生态系统的组成,（1）非生物部分,非生物部分是指生物生活的场所，是物质和能量的源泉，也是物质和能量交换的地方。 非生物部分主要包括： 气候因子，如光照、空气、水分等； 无机物质，如氮、氧、碳、氢、矿物质等； 有机物质，如碳水化合物、蛋白质、腐殖质 及脂类等。,一是为各种生物提供必要的生存环境； 另一个是为各种生物提供必要的营养元素； 可统称为生命支持系统。,非生物成分在生态系统中的作用(2个),（2）生物部分,生产者（Producers） 生物部分 消费者(Digesters) 分解者(Decomposers), 生产者（Producer）,生产者主要是指绿色植物如高等植物、藻类和地衣等。 这些绿色植物体内含有光合作用色素，可利用太阳能把二氧化碳和水合成为有机物，同时释放出氧气
