生态农业产业化主导型循环经济发展模式

生态农业产业化主导型循环经济发展模式

李林杰 李劲松

（湖南农业大学，长沙 410128；湖南师范大学，长沙 410081）

摘要：鉴于我国农业面源污染 2002 年起全面超过工业污染和城市污染且仍被轻视的严峻形势，生态农业产业化 主导型循环经济发展模式应运而生。本文以建议项目宁乡水稻化工总厂的清洁生产为个案，阐明了农业环境生态 系统工程的循环经济发展模式与技术路线。探讨了农业环境生态系统工程的实验研究方法——知识/信息系统集成 法的应用。其主要结论认为，生态农业产业化主导型循环经济发展模式是一个节能、降耗、清洁生产的资源-能源 -环境一体化多联产技术系统，其成败关键是技术路线的合理化与可操作性，以及产品的优质低成本清洁生产工艺。 关键词: 农业生态学；环境生态系统工程；污染系统优化控制；循环经济

On Development Mode of Recycling Economy Oriented to Ecological Agriculture Industrialization

LI Linjie LI Jinsong

(Hunan University of Agriculture, Changsha, Hunan, 410128； Hunan Normal University, Hunan,

410081) Abstract: Due to the grim situation that non-point source 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. With 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 method---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-production 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, Environment Ecology System Engineering, Pollution System Optimization Control, Recycling Economy

作者简介：李林杰（1974–），男，湖南农业大学在读博士生，主要研究方向为污染系统控制与农业生态工程。至今在中国知

网（www.cnki.net）可检索 15 篇，其中核心期刊 11 篇，第一作者 6 篇。电子邮箱：LLJGD@126.com，13467511789。

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1 问题与对策概述：生态农业产业化主导型循环经济发展模式应运而生

农业既是污染的受害者，又是制造环境污染的元凶。根据国家环保总局发布的检测和调查数据，农业 面源污染 2002 年首次全面超过工业污染和城市污染，成为最大的环境污染源；2005 年全国的总污染负荷 中的 N、P 两项污染，面源污染的贡献率超过 50%；COD（化学需氧量）污染中面源污染贡献占到近 40%。 主要包括三个方面：一是过量施用化肥和农药造成的土壤和水体污染；二是农业生产废弃物造成的污染； 三是农业温室气体排放，在三大温室气体中，N2O 是氮肥的迁移转化产生的，CH4 的大部分由水稻种植和 反刍动物养殖产生[1]。为长株潭城市群国家―两型‖社会建设综合配套改革试验区率先探路的长沙大河西先 导区，已正式进入启动建设阶段。预计 2020 年基本建成核心区，形成节约能源资源和保护生态环境的产 业结构、增长方式和消费模式,成为支撑长沙、带动全省、辐射全国的重要发展引擎。据介绍，建设方案对 先导区范围提出了规划区、核心区与起步区等三个层级。其中规划区用地总面积约 1200 平方公里，包括 宁乡县的夏铎铺镇、金洲乡、历经铺乡、玉潭镇、城郊乡。生态经济是指既能满足当代人的需求又不会危 及子孙后代需求的一种经济形态，意味着一切经济活动必须具有生态环保性质，既要安全、节能、低耗、 无公害、不损害生态环境、不损害人身健康，又要有更好的经济效益，这是 21 世纪的主流经济形态和经 济运行方式。而本质上为生态经济的循环经济，是指一种建立在资源回收和循环再利用基础上的经济发展 模式。按照自然生态系统中物质循环共生的原理来设计生产体系（如图 1），将一个企业的废物或副产品用 作另一个企业的原料，通过废弃物的交换和使用将不同企业相联系，形成―自然资源→产品→资源再生利 用‖的物质循环过程，使投入的自然资源最少，将人类生产和生活对环境的危害或破坏降到最小程度。它 要求以―减量化、再使用、再循环‖作为经济活动的行为准则，被称为―3R 原则‖，即―减少原则（Reduce）， 再用原则（Reuse），循环原则（Recycle）‖。生态农业产业化主导的循环经济模式是指以家庭承包经营为 基础，以生态农业―龙头‖企业及各种中介组织为依托，以公司与农户合作的方式，以经济效益为中心，兼 顾社会效益与环境生态效益，立足于当地资源的开发，确立生态农业主导产业和主导产品，通过各种利益 机制，在经济和组织上结成一个完整的产业系统，形成农副产品生产、加工、销售有机结合的机制，实现 农户与市场的有效对接，推进生态农业向商品化、专业化、现代化转变，充分利用高科技成果和手段，降 低农业生产过程的资源、物质投入量和废物的排放量，达到三种效益的最大化。

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2 农业环境生态系统工程——宁乡水稻化工总厂清洁生产方案的制定与实施

企业清洁生产工作程序含准备、审计、制定方案和实施方案 4个基本阶段。其中审计的任务是进行物 料平衡与能量平衡测试，分析物料与能量的消耗情况，找出废物产生及排放的原因，以便于清洁生产方案 的征集、筛选及可行性分析，现分述如下：

2.1 产品品种设计和生产规模

首先，农业龙头企业主导产品的品种设计应坚持―两先‖，即先进行市场调研，了解现有市场需求与潜 在市场需求；先做技术经济可行性研究，了解产品利润空间。笔者参与的文献调研与销供产调研表明，我 国是全球肌醇、甾醇等生化原料药及其制剂的第一原料大国，且产品畅销，与肌醇出口大国日本各占全球 市场份额的 40%左右。肌醇对菲汀（植酸钙镁）收率的理论值为 19.7%，日本工业装置收率已达 16%以上， 而国内平均收率仅 6.5%左右。故发展潜力与利润空间诱人。肌醇作为医药及化妆品原料、食品及饲料添加 剂，因其市场潜力大、具出口创汇优势、有国际竞争力，已选入《中国高新技术产品目录》（11050201） 及《中国国际高新技术成果深圳交易会项目信息系统》（990826QA06912）。据市场调研预测，农产生物医 药产品肌醇、甾醇、谷维素等发展前景广阔。其中甾醇为抗非典特效药类甾醇糖皮质激素甲泼尼松的关键 中间体，是 2003 年广东省非典死亡率 3.7%（低于越南的 8%、新加坡的 12%、加拿大多伦多的 13.5%）的

[2]

―秘密武器‖，2003 年底台湾非典治疗仍使用类固醇及抗生素。其次，主导产品应能充分利用优势资源， 有较高的资源利用率。第三，生产的产品不得危害人体健康，对生态环境无不良影响。第四，经济适度的 规模。例如笔者参与策划设计的以―肌醇优质低成本清洁工艺‖示范厂为中心且与 30 万头/a 集约化养猪工程 配套的―多联产‖项目，粗糠油 13500 t/a、糠粕饲料 70000 t/a、肌醇 900 t/a、磷酸氢钙 5400 t/a 的工业型农 业-工业生态园工程，据项目可行性研究，可吸引投资约 16 亿元，年产值约 30 亿元，年利税约 4 亿元（图 1）。

2.2 原料选择

首先，原料路线的选择与主导产品的成本及污染物产出量密切相关，必须经过周密调查分析和环境、 经济全面评价后再确定。其次，原料的纯度很重要，它直接影响主导产品的收率及反应后废弃物的产出量。 如果原料中所含杂质较多，生产过程会生成大量副产品或废渣，不仅增加了主产品的物耗与终端治理费用， 还增加了原料及废渣的运输费用。因此，笔者将提高肌醇收率的技术要领归纳为―三大法宝‖，其中首要的 是提高原料菲汀的纯度与收率[3]。

2.3 生产工艺过程及设备

工艺技术路线是污染物产生的决定性因素之一，新建项目应首先考虑采用无废、少废的清洁生产工艺, 选择高效、节能、防腐蚀、易维修的设备。

2.4 改进操作和加强管理

一是开展调研和废物审计，查清从原料（含辅助材料、催化剂）到成品生产全过程的物料消耗、能量 利用、废物产出情况。二是以减少生产过程废物产出为目标，建立健全劳动组织和规章制度。三是将节能、 降耗、减污的目标和考核，量化并分解到企业的各个层次。四是保证设备的完好率，防止和减少跑冒滴漏。 五是有效的指挥调度、严格的监督、公平的奖惩。六是组织安全文明生产，培养环境意识，把生态文明渗 入企业文化中心。

2.5 辅以必要的终端治理

终端治理并不排斥继续推行清洁生产，以逐步缩小终端治理的规模。随着技术和管理水平的提高，可 逐步实现零排放[4]。

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3 农业环境生态系统工程的实验研究方法：知识/信息系统集成法的应用

3.1 系统集成法概述

复杂科学（Complicated Science）是研究复杂性与复杂系统的科学，是系统科学发展的新阶段。研究 表明，技术路线决定成败。我国著名科学家钱学森等从系统科学角度，用科学理论、经验知识和专家判断 力有机结合的方法处理复杂系统问题。其核心是采取了人·机结合以人为主的技术路线与知识生产方式，机 器能做的尽量由机器去完成，极大地扩展了人的逻辑思维处理信息的能力。其实质是把专家体系、数据和 信息体系以及计算机体系有机结合起来，构成一个高度智能化的人·机结合体系。这个系统在思维能力和创 造性方面，比起单靠人（专家体系）或机器都有更强的优势。它能把人的思维、思维的成果、人的经验、 知识、智慧以及各种情报、资料和信息统统集成起来，从多方面的定性认识上升到定量认识，所以它是一 种―精密科学‖的方法论。

环境生态系统工程的实验研究，相当于在实验室内对系统作实验。系统建模是指将一个实际系统的结 构、功能、输入-输出关系用数学模型、逻辑模型等描述出来，用对模型的研究来反映对实际系统的研究。 建模过程既需要理论方法又需要经验知识，还要有真实的统计数据和有关资料。有了系统模型，再借助于 计算机就可以模拟系统和功能，此即系统仿真。通过系统仿真可以研究系统在不同输入下的反应、系统的 动态特性以及未来行为的预测等，此即系统分析。在分析的基础上，进行系统优化，优化的目的是要找出 为使系统具有我们所希望的功能的最优、次优或满意的结论、政策和策略。由此获得的定量结果，由环境 生态学家、经济学家、社会学家、系统工程专家共同再分析、讨论和判断，其结果可能是可信的或不可信 的。如为后者，还要修正模型和调整参数。这样的重复可能有许多次，直到各方面专家认可，再作出结论 和政策建议。

3.2 系统集成法在肌醇厂优化设计中的初步应用

3.2.1 设计思路 大型连续化与精细化是现代化工的两大发展趋势。后者具有小批量、多品种、高附加值、

技术密集等

特点，肌醇等生物化工产品颇具代表性。精细间歇化过程同大型连续化过程相比，具有更高的弹性与操作 灵活性，同时也更具复杂性。在市场竞争的条件下，不仅要求工厂的基建投资(含设备)低，且要求降低物 耗与能耗，二者常常是矛盾的。例如管径的选择，管径大则物料流速低，阻力小，能耗低，而管径大则基 建投资多。故必有一管径，使得总成本最低，这是工艺参数优化的一个实例。设计优化包括流程优化与参 数优化两部分。考虑到增强市场应变能力与转产的需要，新建装置应适合于生产方法相似的两个以上的产 品。在确定的生产任务下，选取设备单元与最佳流程，使总投资最少。这一类问题可归纳成一个混合整数 非线性规划模型(MINLP)在计算机上求解。在多种解法中，将模拟退火法(Simulated Annealing)与启发法 (Heuristics)相结合，得到一种混合优化算法。前者保证了算法的全局最优，后者加快了局部寻优进程，算 法简明，收敛性好，计算速度快，且自动确定了中间罐的最优数量和位置。该法对初值要求低，参数控制

，

简单，所需内存小，与严格数学规划法相比，相对误差小于 0.5%。因此，采用许锡恩等[56]修正的，Modi 等[7]所提出的多产品间歇化工过程数学模型，被认为是最优设计，其任务在于给定生产要求，对各设备尺 寸及数量进行计算，使得设备总投资最小。 3.2.2 流程模拟。

流程模拟(Flow sheeting)就是应用能足够准确地描述整个生产过程的数学模型(由物料平衡、能量平衡 与相平衡等方程组成)，在计算机上求解，以便得到该过程的全部信息，如各物流的组成及状态，各单元设 备的状态变量等。

3.2.3 计算基准。 设计任务通常是指定年产量，如笔者参与的河北吴桥医药化工厂与浙江中洲化工厂工业

性试验中设计

60t/y 肌醇。而设计计算一般以 h 或以设备为单位进行，故须用合适方法使二者关联。在物料衡算中，可采 用 t、kg、m3 作为计算单位，一般以每批产量作为计算基准。因此，既要考虑年操作时(小时处理量等于年

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产量除以年操作时)，还要根据关键设备(如水解反应釜)的操作时间表，确定平均每小时的投入、产出及设 备、管道能力。前后设备、管道能力应与之匹配，不得造成瓶颈(薄弱环节)。

例如:设计 60t/y 肌醇的生产装置，由两个水解釜并联操作，其操作时间估算为:置换(0.3h)、进料(0.2h)、 反应(5.3h)出料(1.0h)、清理(0.2h)、故障(1.0h)，设年操作时为 7200h，每 t 肌醇消耗定额为 12t 菲汀收率为 8.3%，试决定所需水解釜的容积及管道的通过能力。

解: 每个水解釜的生产能力为 30t/y 肌醇，每批料操作周期为 8h ，故每批料的肌醇生产量为: 30×8/7200=0.033(t)

在操作状态下，反应物菲汀水解液的密度为 0.250t/m3，反应釜装料系数取 70%，则所需反应釜容积 为:12×0.033/0.25/0.70=2.26(m3)，考虑余量，取 3m3

进口管道的通过能力=每批投料量/进料时间=12×0.033/0.2=1.98(t/h) 出口管道的通过能力=每批投料量/出料时间=12×0.033/1.0=0.40(t/h) 3.2.4 软件应用 流程模拟软件是化工过程合成、分析和优化不可缺少的工具，否则，就不可能得到技术先进合理、生

产成本最低的化工装置设计。应用流程模拟软件，可以有效地优化流程结构和工艺参数，消除瓶颈(薄弱环 节)；用流程模拟软件分析投产后的实际数据，可以确定最佳工艺参数，达到改进操作技术，提高肌醇收率 的目的。

3.2.5 设备与流程设计 设备设计见《工艺设备一览表》及《设备规格说明书》，后者含所有工艺要求，即

性能、操作条件、

工艺计算决定的设备尺寸材质和设备设计规范，并附小样图。流程设计见生产流程示意图，详见工艺物料 流程图（Process Flow Diagram）及带控制点管道流程图（Piping and Instrumentation Diagram）。

4 结论

（1）此农工复合系统模式是，包括以沼气为纽带的复合系统模式在内的生态农业产业化主导型循环 经济发展模式，是一个节能（能源转化效率高，如沼气与稻壳清洁能源工程）、降耗、清洁生产的资源-能 源-环境一体化多联产技术系统。其成败关键是技术路线的合理化与可操作性，以及肌醇、甾醇等系列生物 医药产品的优质低成本清洁生产工艺。

（2）基于系统科学的五项基本理论原则（整体性、联系性、有序性、动态性、最优化）的环境生态 系统工程的实验研究，相当于在实验室内对系统做实验。其工作步骤是系统建模与仿真、系统分析与优化。 由此获得的定量研究结果，基于理论方法与经验知识，请相关学科专家再分析、讨论和判断，可能仍是不 可信的，需反复修正模型，调整参数，直至专家们认可为止，才能作出有足够科学依据的结论。

参考文献

[1] 朱万斌，王海滨，林长松等.中国生态农业与面源污染减排.中国农学通报，2007，23（10）：184～187 [2] 李林杰，李劲松，李亚文.抗非典药皮质激素的关键中间体甾醇项目可行性探讨.精细化工中间体，2004，

34（1）：8～10 [3] 李林杰，李亚文.提高肌醇收率的技术进展.广东化工，1997（3），36～38 [4] 王如松.生态文明 中国的新追求.人民日报（海外版），2007-11-03

[5] 许锡恩,郑国文,成思危.多产品间歇化工过程最优设计的研究——启发法.化工学报,1993,44(4):442 [6] 王春峰,权红印,许锡恩.多产品间歇化工过程最优设计──混合模拟退火法.化工学报, 1996, 47(2):184 [7] Modi A K, Reklaitis G V. Comput Chem Eng ,1989,13(1-2):127

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/62iv.html