综述：通过集成工业生态学实现循环经济：资源回收与过程再设计的创新

本综述系统阐述了工业生态学（IE）与循环经济（CE）融合框架下的资源回收与过程再设计前沿。文章重点探讨了生命周期评估（LCA）、分子经济概念及级联物质循环在闭环系统设计中的应用，展示了厌氧共消化（AcoD）、微生物电化学系统（MFC/MEC）、催化转化及膜分离（如ED, FO, MD）等技术在提升沼气产量（20–50%）、回收营养物（60–90%）及降低分离能耗（高达40%）方面的潜力。同时，分析了农业、水产养殖、海水淡化、采矿、纺织、纸浆和食品加工等关键行业的过程改造与系统整合方案，并指出当前在整合金属/营养循环、中小规模产业推广及政策框架支持等方面的研究空白，强调了跨学科研究与系统思维对推动可持续工业发展的重要性。

　　

1. 引言

1.1. 工业部门对循环与分子经济的需求

工业生态学（IE）为重新设计工业过程提供了系统思维，旨在实现更高的资源效率、废物减少和循环性。循环经济（CE）则超越了传统的末端回收，致力于构建受自然启发的工业系统，使一处的废物成为另一处的投入，形成资源级联并促进循环。例如，电渗析（ED）技术，特别是双极膜电渗析（BMED），为废水和工业副产物的增值提供了巨大潜力，能够以低于传统方法的能耗实现生态高效的循环操作。同时，生物技术的发展已将废水处理从单纯的污染物去除推进到集成的资源回收平台，能够回收营养物作为肥料或饲料添加剂，并捕获生物氢和沼气形式的能量。数字化和工业4.0技术，如数字孪生、增材制造（AM）和人工智能辅助的过程优化，通过实时监控和预测性调整，减少了废物产生并促进了材料再循环。

然而，传统的循环经济方法在宏观或微观层面的材料流动存在局限性，如降级循环、材料质量不可避免的损失以及无法处理复杂的材料混合物和复合材料。这促使了向分子经济的转变，其核心是在原子和分子水平上进行控制和转化，通过超分子化学、精密催化和可逆聚合物化学等创新，实现战略材料（如锂、铂等稀有元素）的高保真闭环回收。绿色化学原则与分子愿景相一致，对于满足电子、能源存储和先进材料等领域日益增长的需求至关重要。

1.2. 资源回收与过程整合的研究空白

尽管资源回收与过程整合领域已显著拓宽，但重大研究空白阻碍了其系统化和高效实施。技术挑战主要存在于开发针对复杂废物流（如多聚合物塑料、建筑垃圾和电子废物）的高选择性、可扩展且节能的分离方法。虽然电渗析和催化解聚等单元操作在实验室或中试规模显示出潜力，但由于原料可变性、高能耗以及在真实工业不确定性下缺乏技术经济和环境权衡研究，其规模化应用仍然困难。

生物和化学回收过程的杂交与相互作用（例如，厌氧消化与定向化学提取相结合）具有回收更高价值资源的潜力，但缺乏将微生物群落工程与后续回收相结合的优化平台。系统层面的研究主要关注对现有过程的改造，而非通过面向拆卸的设计和模块化产品设计来支持循环性，导致在上游循环设计整合方面存在空白。工业共生也因缺乏本体论标准化、实时数据共享基础设施以及能够定性和定时对齐异构工业产出-投入流的地理空间智能而受到阻碍。

在分子经济理念方面，关于可逆共价化学、动态键合网络和用于高保真回收的精密催化研究仍处于起步阶段。此外，缺乏将材料科学、化学工程和系统思维相结合的多学科融合，以将分子经济设计注入工业实践。经济和政策方面也存在严重的研究空白，传统的商业模式未能充分奖励高质量资源回收的价值保留，特别是在建筑和采矿等传统行业。监管绩效指标主要关注回收率，而对材料质量和循环周期的关注甚少。

数字技术（人工智能、机器学习、数字孪生）在实时优化和监控循环流方面的应用仍处于新兴阶段；此外，缺乏促进工业参与者之间无缝数据交换的数据格式标准和协议，抑制了动态工业共生和过程整合。最后，社会和行为方面限制了循环系统的有效性，例如在多参与者协作中所需的组织信任和利益相关者整合，以及消费者对二次材料质量和一致性的看法，都是需要进一步研究的领域。

2. 用于工业过程优化的生命周期评估（LCA）

在IE和CE的集成范式中，生命周期评估（LCA）是一个基本的评估工具，有助于衡量工业活动在整个生命周期（从原材料采购到生产、使用和报废管理）中的环境负荷。这种从摇篮到坟墓的视角与CE将线性生产-消费流转变为再生性闭环流的目标以及IE将工业系统视为类似生态系统的互联代谢网络的观点非常吻合。

LCA通过明确绘制不同阶段的环境热点和权衡，使得旨在实现可持续性和韧性的过程优化成为可能。例如，在工业共生集群中，LCA可以识别净环境收益或意外的负担转移后果，这对于确保从设施级联合体到生态工业园区的循环策略至关重要。LCA还用于评估循环举措的环境影响，例如回收与原始生产、再利用与再制造的比较，为材料替代策略、过程再设计和商业模式创新提供信息。

新的方法论进展，如 consequential LCA（考虑市场介导效应）、dynamic LCA（提供时间分辨率）以及结合过程型和投入产出方法的 hybrid LCA，使LCA更能应对CE和IE的挑战。将材料循环性指标（MCI）等循环性指标与LCA结合，可以评估材料保留、产品寿命和再生潜力，使环境分析更符合CE目标。

然而，LCA也存在局限性，包括数据稀缺和不确定性、对再制造或再利用产品功能对等性建模的挑战，以及传统LCA方法往往侧重于环境问题而忽视社会和经济因素。此外，传统LCA难以捕捉材料质量损失和系统相互依赖性，这对于高保真循环性分析至关重要。

3. 按行业划分的过程改造与整合

不同行业在循环经济原则下的过程改造展现出各自的特点和协同潜力。

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  水产养殖：综合多营养水产养殖（IMTA）系统通过在多个营养级培养物种，将较高营养级的排泄物和废弃饲料作为较低营养级的营养来源，从而闭合生物地球化学循环。再循环水产养殖系统（RAS）与先进的水处理和净化技术相结合，实现了闭环水回用，大大减少了废水排放量。鱼菜共生系统将水培植物生产与水产养殖废水营养循环相结合，进一步提高了资源效率。
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  农业与有机废物：动物粪便的热解可生产生物炭和合成气，有助于可再生能源生产和碳封存。通过黑水虻（BSFL）进行生物转化，将动物废物基质转化为昆虫蛋白作为动物饲料和虫粪作为生物肥料，解决了饲料资源可持续性问题，同时实现了农业系统中的营养循环。将营养丰富的流出物和生物固体重新整合到作物中，刺激了再生农业方法。
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  海水淡化与采矿盐水：海水淡化和采矿过程中产生的高盐度盐水是CE和IE范式扩展的重要前沿。零液体排放（ZLD）和最小液体排放（MLD）原则下的过程创新，如真空膜蒸馏（VMD）、正渗透（FO）和双极膜电渗析（BMED），可以选择性地浓缩盐水和回收有价值的化学品（如NaOH、HCl）和工业盐。直接锂提取（DLE）技术有助于从盐水中回收锂等关键元素。将这些技术与可再生能源（如光伏、聚光太阳能）和过程电气化相结合，可转向低碳或碳中和操作。
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  跨行业整合：纺织、食品和纸浆行业在纤维生物质和有机废物流方面具有显著的协同潜力。例如，纺织废料经过生物或化学预处理后，可作为纸浆生产的纤维素原料，减少对原始木材纤维的依赖。食品工业残留物的厌氧消化产生沼气，可为能源密集的纺织湿法加工设施提供动力。纸浆厂废物流中的木质素可用作纺织品染色中的生物基染料固色剂。

4. 新兴的废物变价值技术

4.1. 生物转化：厌氧共消化与微生物系统

厌氧共消化（AcoD）是通过共同消化多种异质底物（如污水污泥、食物垃圾和农业工业残留物）来优化甲烷生产的关键技术。在优化条件下，与单一消化相比，AcoD可将沼气产量提高20–50%。热化学预处理（如蒸汽爆破、碱水解）和酶促升级等技术进步提高了底物的消化率和生物利用度。与膜生物反应器或原位沼气升级系统（如膜分离、变压吸附）集成，进一步提高了生物甲烷的质量。从消化物中通过鸟粪石沉淀和氨汽提回收营养物，使AcoD厂成为生产生物能源和生物肥料的生物精炼厂。

补充AcoD的是创新的微生物平台，利用天然或合成的基于群落的微生物系统进行多样化废物增值。通过混合培养发酵生产短链和中链羧酸（SCCAs和MCCAs），这些是生物基化学品、聚合物和燃料的构建块。微生物电化学系统，如微生物燃料电池（MFC）和微生物电解池（MEC），利用产电细菌直接从有机废物中获取电流或氢气。合成生物学和宏基因组工程使得创建能够将合成气（CO、H₂、CO₂）和木质纤维素残留物转化为平台化学品（如乳酸、琥珀酸和聚羟基脂肪酸酯PHA）的工程菌株成为可能。

4.2. 催化和膜基分离用于资源回收

催化和膜基分离过程是资源回收的另一个重要方向。催化分离利用金属有机框架（MOF）、单原子催化剂以及Pd、Ni、Ru等负载的多相和均相催化剂，实现从各种废物流中选择性转化或提取目标分子。例如，塑料和生物质废物的水热液化（HTL）和催化热解，允许在相对温和的条件下进行受控解聚和脱氧，生产可重新融入生产周期的燃料和化学中间体。

膜分离，如反渗透（RO）、纳滤（NF）、电渗析（ED）、正渗透（FO）和膜蒸馏（MD），提供了基于尺寸排阻、电荷选择性或蒸汽压差的定制化分离。石墨烯氧化物层压材料、沸石涂层表面、离子印迹聚合物以及带有催化纳米颗粒的混合基质膜等膜材料的进步，超越了历史上的局限性。双极膜电渗析（BMED）允许将盐类无试剂地分解为酸和碱流，从而实现从废水盐水中现场生成化学品。催化膜反应器协同耦合反应和分离，通过连续去除产物提高转化率和能效。

5. 系统级整合与能量-营养循环

5.1. 盐度梯度与废热利用

系统级整合包括利用淡水和咸水之间的盐度梯度能量，通过反电渗析（RED）、压力延迟渗透（PRO）和电容混合（CapMix）等技术将其转化为电能。新的膜材料提高了功率密度。将此类盐度梯度功率系统与海水淡化厂废水或盐水流整合，可以稀释有毒流出物，并开启下游营养物回收的机会，如电渗析铵和磷酸盐汽提用于鸟粪石沉淀。

废热是另一种未充分利用的能源，可用于驱动膜蒸馏（MD）、正渗透（FO）等低温分离过程，实现水再生、营养物富集和矿物回收，而无需消耗化石燃料。将废热与光热或太阳能驱动系统结合，可提高能源效率。废热驱动的热化学转化，如水热碳化，可以固定污染物同时回收磷和氮。

将热梯度和盐度梯度整合在自适应工业共生网络中，可以实现多代价值捕获。例如，混合RED-热氨汽提系统将蓝色能源生成与热增强氮回收相结合。FO-MD混合系统利用渗透梯度浓缩水和营养物，并利用废热驱动的热蒸馏完成回收循环。

5.2. 纺织、食品和纸浆行业的整合模型

纺织、食品和纸浆行业在纤维生物质和有机废物流方面具有内在联系，为跨行业材料和能源流增值提供了巨大的协同效应。系统级整合通过工业共生原则，建立闭环系统，使一个行业的副产品成为另一个行业的原料或能源输入。例如，纺织废料可作为纸浆生产的纤维素原料；食品工业残留物厌氧消化产生的沼气可为纺织厂提供动力；纸浆厂废物流中的木质素可用作纺织品染色中的生物基染料固色剂。

定量工具如技术经济分析（TEA）、生命周期评估（LCA）和物质流分析（MFA）在此整合过程中发挥重要作用。MFA有助于量化质量和能量流以识别协同点。LCA表明，整合可减少温室气体排放、原始材料消耗并实现显著的节水。TEA证实了这种整合的经济可行性。

6. 结论

工业生态学与循环经济的融合为资源密集型行业的转型提供了强大框架。通过系统性整合、技术创新、政策支持和社会参与，可以实现资源的级联利用、废物最小化和环境影响降低。未来的重点在于填补研究空白，推动跨学科合作，将实验室规模的创新转化为工业规模的实践，并建立支持性的政策和经济机制，最终实现向再生性工业生态系统的过渡。数字技术（如数字孪生、物联网、区块链）将在优化过程、提高透明度和促进协作方面发挥关键作用。通过整合技术、环境、经济和社会维度，循环经济战略能够促进适应性强的、有韧性的过程设计，将废物转化为价值，减轻环境压力，支持可持续工业发展。