文章推荐| 曹宏斌研究员团队：工业污染控制发展历程及趋势分析
张笛1,2曹宏斌1,2*赵赫1赵月红1
（1. 北京市过程污染控制工程技术研究中心 中国科学院过程工程研究所 绿色过程制造创新研究院，北京 100190；2. 中国科学院大学，北京 100049)
研究背景
自1978年改革开放以来，中国迅速启动了现代工业化进程，经过40多年的发展，中国已由落后的农业国成长为世界第一制造大国。在世界500多种主要工业产品中，有220多种产品产量位居世界第一。40年来，中国国内生产总值（GDP）扩大了269倍，成为全球第二大经济体，经济总量占世界份额达到16%以上。在国民经济三大产业比重中，第二产业一直占据国内生产总值的40%左右，第二产业特别是工业的增长成为中国经济快速增长的主要动力之一。
我国经济的快速发展，创造了举世瞩目的“中国奇迹”。但是长期粗放的发展方式，也使我们面对环境污染严重、生态系统退化、资源约束趋紧的严峻形势。21世纪初以来，我国环境治理力度已明显加大，生态环境状况逐步得到改善。然而从总体上看，我国生态环境保护仍滞后于经济社会发展，工业污染控制仍然任重道远。《中国制造2025》将绿色发展列入了五大基本方针和五大重点工程。中国共产党十九大报告将建设美丽中国作为全面建设社会主义现代化国家的重大目标，把污染防治作为决胜全面建成小康社会的三大攻坚战之一。因此，创新我国污染控制的思路及方法势在必行。实现传统产业绿色化，为最大限度减少我国不可再生一次资源的消耗、保护生态环境提供技术支撑，已成为中国环境保护和经济社会可持续发展的必然选择。
我国的资源环境瓶颈问题目前缺少可借鉴的国际经验，给我国工业可持续发展带来了巨大的挑战。清洁生产在我国至今尚未得到普及，工业污染防治总体上仍以传统末端治理为主，整体治理水平有待提高，且治污费用相当高昂，企业不堪重负。因此，亟需全面分析我国工业发展战略布局，诊断我国行业工艺技术现状和污染排放总体特征，从工业发展的可持续性、产业布局的社会经济性和污染控制技术的经济可达性等角度重新审视工业发展战略。
本文通过梳理工业污染控制的发展水平和现状，系统解析工业污染治理不同阶段的发展路线和内涵，阐述工业污染控制技术发展历程及模式，提出了未来的发展趋势和发展策略，为相关部门及科研人员提供理论依据和决策参考。
摘 要
改革开放40年来，我国工业发展水平迅速提高，建成了世界最完整的工业体系，但也承受着粗放式发展带来的负面影响，尤其是重化工行业造成的环境污染。在充分借鉴国内外工业污染治理相关的先进理念与高新技术的基础上，对国内外工业污染控制理念、策略、政策、评价方法等方面的发展历程以及不同控制阶段的自主创新和有益实践进行了系统总结，并提出未来工业污染控制的发展方向，旨在为致力于工业污染治理的科研人员和技术人员提供切实有效的理论方法参考。
01
工业污染控制发展历程
纵观社会发展，工业污染控制的历程大致经历了5个阶段：直接排放、稀释排放、末端治理、清洁生产和全过程控制阶段，详见图1。
20世纪40年代以前，由于工业尚不发达，污染物排放未超过环境容量，因此环境污染问题并不突出。工业产生的污染物基本不经任何处理便直接排入大气、水等环境介质。
20世纪40—50年代，人们开始逐渐意识到工业生产排放的污染物对环境的危害。为了减少环境影响，采取了稀释排放措施。稀释排放就是用稀释剂（水、空气等）与污染物混合均匀，污染物被稀释至所要求的浓度后排放，从而实现污染物低浓度达标排放。这种方式采取了将污染物转移到其他环境介质的方法，耗费了大量资源且实际的污染物排放量并没有减少。
20世纪60—70年代初，经济快速发展，经历了资源枯竭、污染严重的发展阶段。工业界不得不从自然排放、稀释排放转向治理污染，即针对生产末端产生的污染物开发行之有效的治理技术，使污染物对自然界及人类的危害降低，称为“末端治理阶段”，即“先污染后治理”模式。末端治理（end⁃of⁃pipetreatment）是指在生产过程的末端，针对产生的污染物开发并实施有效的治理技术。末端治理在环境管理发展过程中是一个重要的阶段，有利于消除污染事件，也在一定程度上减缓了生产活动对环境污染和破坏趋势。但随着时间的推移、工业化进程的加速，末端治理的局限性也日益显露：1）处理污染的设施投资大、运行费用高，使企业生产成本上升，经济效益下降；2）末端治理往往不是彻底治理，而是污染物的转移，如烟气脱硫、除尘形成大量废渣，废水集中处理产生大量污泥等，所以不能根除污染；3）末端治理未涉及资源的有效利用，不能制止自然资源的浪费。末端治理在一定程度上能够消除污染事件，与稀释排放相比有了很大进步；但这种仅限于控制排放出口达标的方法，不仅使企业总生产成本上升，污染物易发生转移而产生二次污染，环境持续恶化的趋势并未得到有效遏制。
20世纪70年代初，“环境与发展”问题已成为人类发展中最突出、最紧迫和全球性的任务，也引起了首脑层的广泛关注。1972年巴西里约热内卢召开的世界环境与发展大会提出，从环境有害转为环境友好的工业模式转变，清洁生产的轮廓已初步形成，人类逐渐进入环境保护的新阶段，即清洁生产阶段。1989年，联合国环境规划署正式提出清洁生产概念，并给予清晰定义。1994以来，26个国家陆续成立了国家清洁生产中心。目前，全球已超过70个国家在化工、造纸、制药、皮革、冶金、电镀、电池等重点行业部分或完全实施清洁能源及固废资源化利用等清洁生产技术。
20世纪70年代末期以来，发达国家政府和大型化工企业采用清洁工艺，将工业污染物管理的重点从末端治理转向源头污染预防，开辟了治理污染的新途径。欧盟、日本、美国等发达国家和地区加强环境立法，并采取了一系列以预防为主的综合防治环境污染的措施（图2），政府和企业加大环境治理资金投入，研究开发及应用污染防治技术和设施。同时推行清洁生产工艺和污染物治理技术，加强对废弃物的回收利用，使用清洁能源，创建生态工业园，实施排污交易等，大大削减了向环境中排放危险物质的数量。
以美国为例，于1972年提出排放标准，于1977年在国家污染排放削减系统（NPDES）中颁布了基于技术及水质的排放限制与许可证制度和基于反退化要求的排放限制，实施排污交易等。1990年颁布了以源头控制和清洁生产为核心内容的《污染预防法》（P2A），将工业污染控制重点由末端转入源头和过程。1976年颁布的《有毒物质控制法》（TSCA）和2009年的“有毒物质释放清单（TRI）”进一步将工业有毒物质控制导向化学品进入流通领域前的污染预防。
在污染防治策略方面，随着人类生态环境保护意识的不断提升及科学技术飞速进步，20世纪70年代以来产生了污染预防、工业生态学、绿色化学、清洁生产、循环经济、生命周期评价、环境标志等新概念、新实践（图3），并提出了最佳可行技术（BAT）和最佳环境实践（BEP）体系的概念。同期欧洲一些国家提出了清洁生产－绿色产品设计的理论和方法，带动了工业界的绿色制造，获得了绿色产品，并大大促进了资源加工产业的绿色化升级。
1993年，在我国第二次全国工业污染防治会议上提出了“三个转变”，即从“末端治理”向生产全过程控制转变，从单纯浓度控制向浓度与总量控制相结合转变，从分散治理向分散与集中治理相结合转变。此次会议确定了清洁生产在我国工业污染控制中的地位，是我国改变传统工艺发展模式，推行清洁生产的重要标志。2003年1月1日，我国开始实施《中华人民共和国清洁生产促进法》，标志着我国工业污染防治工作战略的重点已从末端治理技术转为清洁生产。随着社会不断发展及新的清洁生产问题的出现，2012年我国对其进行了修订。
21世纪初期，结合排放标准和总量控制的具体要求，从污染控制技术成本优化的角度出发，我国于2006年启动水污染治理重大专项，进行系统的工业污染全过程控制技术研究，试图将绿色化学、绿色工艺、清洁生产审计、清洁生产工艺、过程污染减排和末端治理技术融为一体，在实现环境效益最大化的同时，实现污染控制成本最小化。并形成了一批针对钢铁、焦化、造纸、印染、纺织等多个行业的全过程污染控制关键技术，部分行业形成了比较完整的全过程技术系统。以冶金、化工等行业水污染低成本高效控制为目标，在污染物尤其是毒性难降解物质生命周期分析的基础上，提出并发展了基于综合成本最小化和稳定达标的工业水污染全过程控制策略。将工业污染控制的策略从末端处理向前端伸延，配合当前的产业结构调整，进行工业污染全过程控制，形成绿色技术、清洁生产、源头控制、过程减排和必要的末端处理全过程控制系统。
“工业污染全过程控制”以工业过程的综合成本最小化为目标，基于污染物的生命周期分析，利用系统工程的方法，将毒性原料和（或）介质替代、原子经济性反应、高效分离、废物资源化、污染物无害化、水分质分级利用等技术方法综合集成，形成最佳可行技术（BAT）和最佳环境实践（BEP），并满足工业污染源中管控污染物排放稳定达到国家／行业／地方排放标准。“工业污染全过程控制”策略通过跟踪污染物的物质流动，提高污染物在整个过程中的循环能力，显著降低全过程的成本和环境影响，相比单纯采用清洁生产技术，具有显著优势。“工业污染全过程控制”支撑了工业行业的可持续发展，是对化学工程、清洁生产、绿色化学学科的扩展，代表着学科发展的方向和趋势。
发展以低能耗、低污染、低排放为标志的“绿色经济”，被认为是人类社会走向生态文明的重要途径。当前，美国、欧盟、日本、韩国等国正在实施的“绿色新政”，旨在加强对绿色经济的引导和扶持，推动投资转向“绿色经济”领域。目前，发达国家已经进入工业高加工度化的发展阶段。从工业污染防治的发展史来看，发达国家不论从污染防治立法及控污战略制定方面都远早于我国，基本处于预防、全过程控制及循环经济的阶段；新常态下，我国做出了推动绿色、循环、低碳发展，建设生态文明和美丽中国的重大战略部署，也对清洁生产工作提出了新的挑战。但我国在相当长的一段时期内仍将处于重化工业化中级阶段，工业污染防治仍以末端治理为主、源头和全过程控制刚起步。
02
末端治理阶段理论方法
在污染物末端治理技术的评价方面，欧美主要基于最佳可行技术（BAT）评价开展。自1996年以来，欧盟制定了基于BAT的政策来预防和控制工业排放，开展了广泛的最佳可行技术评价工作，并出版了《经济与多种环境介质的影响参考文件》，辅助人们按照欧盟《综合污染预防与控制第96/61/EC号指令》来确定BAT。美国是在1972年《清洁水法》和1970年《清洁空气法》框架下施行分介质管理，制定基于技术的排放标准是其工业污染控制体系最为突出的特点。实施有毒污染物、常规污染物和非常规污染物3类污染物排放控制。工业点源的污染物排放标准分为“直接排放”和“间接排放”、三类污染物分类控制。欧美针对污染物末端治理方面构建的指标体系主要涉及以下几项指标：技术的资源、能源消耗，污染排放指标，环境影响，经济成本指标等。欧盟重视环境效应指标，对各种类别的环境效应进行量化。而美国更重视排放标准的成本效益分析，如在排放标准可能导致的技术改造费用、不达标企业关闭带来的经济和社会影响等方面给予了更为详细的分析。
随着环境污染防治技术的不断进步，我国环境保护工作者也摸索建立了多种环境污染防治技术评估方法，主要是根据污染防治的类别，如水污染防治、大气污染治等分别构建相应的技术评估指标体系，研究多集中在污水处理厂设计和建设运行或者某一行业水污染防治技术方面，而对整个工业污染防治技术的评估指标体系研究较少。自2007年发布《国家环境技术管理体系建设规划》后，开始建立污染防治技术管理体系，以行业环境污染防治技术评估制度为基础，以技术政策、BAT指南和工程规范等技术指导文件为核心，为环境管理目标的设定以及环境管理制度的实施提供了技术支持，目前相关部门陆续发布了钢铁、造纸、禽畜、农村、污泥、电镀等30余项BAT，但目前我国对于污染物末端治理技术的系统评价仍任重道远。
03
清洁生产阶段理论方法
随着清洁生产理论的持续更新以及实践经验的不断丰富，为了推行清洁生产，多国相继开发了多种清洁生产指标以评价清洁生产的实施水平。国际上应用较多的评价指标主要包括美国ICI公司开发的环境负荷因子、废弃物产生率，荷兰开发的生态指标、气候变化指标，荷兰及挪威环保局开发的环境绩效指标，美国国家环境保护局（EPA）提出的减废情况交换所，经济合作与发展组织（OECD）提出的可持续发展评价指标体系等。国外设立的这些清洁生产评价指标比较完整具体，横向上涵盖了原辅材料和能源、生产过程及产品指标，纵向上包括了环境污染、技术、管理和经济指标。这些评价指标对于我国构建某一具体行业的评价指标体系具有较大的参考价值。近年来，国内外学者在评价行业清洁生产技术时也量化分析了节水、节能、减污间的耦合关系，指导企业精准筛选最优清洁生产，为企业精准筛选最优清洁生产技术提供了支持。
自2003年起，国家环境保护总局、发展和改革委员会（以下简称“发改委”）、工业和信息化（以下简称“工信部”）等已经开始着手清洁生产指标体系的构建工作。2003—2010年，国家环保部以及发改委分别逐步推出了涉及多个行业的50多部清洁生产标准及30部清洁生产评价指标体系（试行），指导了清洁生产标准及清洁生产审核的进行。国家发改委、环保部、工信部联合于2014年、2016年先后发布了《清洁生产评价指标体系制（修）订计划》第一批及第二批，2016年4月联合印发《清洁生产审核办法》，截至2019年底，已发布钢铁、水泥、电力、制浆造纸、稀土、有色等50余项重点行业的清洁生产评价指标体系，目前，三部委正在继续推动完善清洁生产评价指标体系。
目前，我国清洁生产评价指标体系内容主要分为：通用指标（一级指标），适用于不同行业，主要包括生产工艺装备及技术、资源能源消耗、废物回收利用／资源综合利用、污染物排放控制、产品特征、清洁生产管理要求6大类指标；特定指标（二级指标），适用于某个行业，分为定性、定量及定性和定量相结合等类型；延伸指标，即产品生命周期除生产阶段外其他阶段指标。根据综合评价所得分值将清洁生产等级划分为三级：Ⅰ级为国际清洁生产领先水平，Ⅱ级为国内清洁生产先进水平，Ⅲ级为国内清洁生产基本水平。我国目前的清洁生产评价主要是为清洁生产审核提供依据，而对清洁生产技术选择的先进合理性及经济性等缺乏一定的指导作用。目前的趋势为逐步建立健全清洁生产技术装备、技术、产品评价和标准认证体系，形成完善的清洁生产技术标准体系。
04
全过程控制阶段理论方法
工业污染全过程控制的基本思路是以污染物稳定达标、毒性风险降低、综合生产成本最小、全过程统筹多目标为导向，利用系统工程的原理和方法，整体考虑污染解析、清洁过程、资源回收、无害化处理几个过程，构建综合优化模型，定量说明并预测各过程的应用技术合理性。目前大部分学者基于循环经济、工业生态、工业共生等原理，通过网络建模，重用废物和副产品，并优化其过程中残余物的价值，通过促进资源在不同部门之间的循环流动来提高资源利用效率，减少“三废”产生和温室气体排放，实现资源能源的优化调度及不同行业组织之间互惠互利。
近年来，在全过程网络构建方面，大部分学者将工业行业、工业园区或区域内产品、副产物、固体废物等并入物质网络，将能耗、废热废气、温室气体排放等列入能源网络进行热集成，将工业行业、工业园区或区域内用水、排水、循环水及污水排放等列入水网络进行集成，主要采用情景分析、生命周期评价、成本效益分析、物质流分析、最佳可行技术分析、系统动力学分析、线性规划等评价或优化方法评估废水、废气或固废污染物协同处置的经济环境效益、共生关系。如Zhou等基于资源耦合、产业共生、垃圾回收、污染控制等基本原理，采用情景优化和线性规划相结合的方法，建立煤化工行业资源的最小利用、经济效益最大化、环境污染最小化等多目标的优化模型。Pan等基于新加坡工业园区物质、能源和水网络建立了从设备、过程生产、工厂到园区的4层工业共生耦合模型框架，提升能源效率、成本效益、可持续性和环境效益。Domenech等讨论了欧洲工业共生网络，包括惰性废弃物和水（包括工业用水）、余热和蒸汽等的资源交换，绘制了欧洲共生网络地图，工业共生网络促进资源循环流动，提高了资源利用效率，减少了废物产生。Guo等从生命周期的角度揭示了中国209个国家工业园区的用水和能源消耗情况，提出为了实现管理目标，水和能源应该联合管理。
目前，国外大多通过政策引导或自发组织的工业共生网络的构建，减少对初级原料的依赖，通过资源交换及协同控制，减少系统产生的废物，产生了良好的环境、经济和社会效益，并促进了制造业部门的循环及可持续。然而，我国长期居于全球产业链下游，大规模资源加工型工业在国民经济中长期占有重要地位，化工、冶金、制药等工业行业产污环节多、污染贡献大、污染物种类繁多，不同行业控污技术的共性原理缺乏，故尚未形成系统性工业污染控制的共性基础理论。
本文提出了基于“分子－单元－系统”的工业污染控制多尺度数学模型构建（图4），从传统反应过程的“三传一反”深入到分子层次的物质转化，并延伸到全流程的变化和发展。从分子微观角度，基于官能团结构与污染物相互作用的资源高效转化原子经济性反应，探讨在原子/分子水平上物质转化过程机理与本质规律，通过数学模型解释污染物转移、转化机理；中观尺度的热力学或动力学反应过程调控，探讨在单元过程的强化与耦合新方法，通过单元量化模型实现工艺控制；宏观尺度的基于物质流程－能量流程的系统综合成本最小化，探讨复杂系统的多目标多约束优化集成。将分子水平或微观水平上的基础科学创造性发现与工程研究开发直接联系起来，通过多层次、多尺度的物质转化规律特征、单元模拟与系统集成理论，指导了工艺创新、过程设备放大和系统集成技术的研发突破，形成从微观机理到宏观过程综合调控的新方法。
如图4所示，多尺度模型的关联关系如下：在分子层面，采用微观尺度热力学、动力学构效关系含时模型，微观尺度热力学、动力学模型的不等式边界约束方程。θ为传递到单元尺度的热力学预测模型参数，ｋ为传递到单元尺度的动力学预测模型参数。在单元层面，采用热力学、动力学描述模型，单元尺度热力学、动力学描述方程的不等式边界约束方程。在系统层面，构建系统尺度热力学、动力学描述模型，系统尺度热力学、动力学描述方程的不等式边界约束方程。ｍ、ｅ为单元尺度传递到系统尺度的热力、动力学预测模型参数。通过建立多个尺度控污网络的拓扑结构及其逻辑描述，表达多尺度控污流程结构、操作参数与系统污染行为的联系，从而实现多尺度超结构优化与全过程控制。
05
结论与展望
1. 结论
以工业行业的重大环保需求为导向，在充分借鉴国内外工业污染治理相关先进理念的基础上，对近100年来工业污染控制的发展历程进行了系统梳理，总结出末端治理阶段、清洁生产阶段以及全过程控制阶段的理论发展方向，并提出了工业污染全过程控制多尺度理论模型建立方法。发达国家不论从污染防治立法及控污战略制定方面均远早于我国，已经走过了单纯末端治理的阶段，清洁生产和循环经济成为工业环保的主要方向，已构筑了多产业循环链接的工业生态模式，在人工智能、信息化治污等领域已处于领先地位，基本处于预防、全过程控制及循环经济的阶段；当前，我国仍处于工业化、城镇化加快发展的关键时期，重化工业所占的比重仍保持较高水平，工业污染防治以末端治理为主、源头和过程控制刚起步。加快由全面达标排放向全过程绿色发展的方向转变，是当前工业污染控制的迫切任务。
2. 展望
当前以及未来20年是中国社会经济高速发展的重要时期，工业化仍将是中国经济发展的主要动力，煤化工、钢铁、石化、造纸、制药、皮革、冶金等行业仍将是我国的基础产业，支撑我国工业生产的整体发展，并可能引领该领域的国际发展。中国未来的高速经济增长意味着更为严重的环境挑战。在新一轮的工业革命兴起的背景下，以绿色、云计算和智能制造为标志的新产业、新业态、新模式将对发展起到关键作用。根据当前发展现状，按照我国既定的相关方针和路线，工业污染控制的发展战略规划应重点集中于以下方面：
1）基于生命周期的重点行业有毒有害污染全过程控制。
未来，我国煤化工、冶金、石化等重点行业污染控制迫切需要实现从常规污染物的治理向有毒污染物全过程控制的策略转变，全面深入剖析有毒污染物在不同工艺的全生命周期轨迹，基于污染物生态风险评估和人体健康风险评估的角度，通过对典型污染物产生量以及生态毒理性、生物有效性、生物富集性等特性，对主要污染物的生态效应进行综合环境风险评估，进一步研究典型有毒化学品在不同处理工艺过程的赋存形态与迁移转化规律，完成全生命周期轨迹分析，支撑重点行业全过程有毒污染控制技术创新与跨越式发展。从特征污染物管理、工业排污毒性控制2个角度逐步实施重点行业有毒污染物全过程控制的共性策略，大幅度降低生产过程中的毒性排放强度，保护纳污生态环境完整性，最终实现工业有毒物质大幅度减排和环境风险的有效控制。
2）多介质协同及区域统筹控污。
环境治理已经告别相对单一的时期，跨入多种介质、多项因子、多个领域协同并治的阶段。为高效解决“三废”污染问题，应从多介质协同治污、区域统筹治污等方面入手，提升污染物的监测工作和质量控制，形成空气、水质、土壤等环境介质中多种污染物的协同监测能力。创新治理模式，探索多环境介质污染协同增效治理机制，推广水、气、土等多要素、多领域协同治理技术。同时，为保障我国碳达峰和碳中和目标的实现，将工业行业跨介质污染控制与碳减排协同考虑，提高对污染物处理过程的精准控制。将污染物降解和能源化回收结合，加强低成本、低碳源能耗、高效率的水污染治理技术、药剂、装备等多元化研发，保障污染物控制的低碳运行。加强地区、行业、部门之间协作，通过搭建平台促进企业与研究所、高校展开交流合作，共同开发适合于现代工业的流域区域协同防控资源化技术，促进工业绿色发展。
来源：张笛,曹宏斌,赵赫,赵月红.工业污染控制发展历程及趋势分析[J].环境工程,2022,40(1):1-7,206.
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