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评估塑料和生物降解塑料在生命周期结束阶段的环境影响?

       就塑料而言,对于产品生命周期结束阶段的研究也是非常重要的。例如,大量的塑料被出口到监管宽松的国家,而塑料在这些国家的命运很多时候是未知的。随着塑料出口被认定为海洋塑料污染的一大来源,许多人开始质疑:即便是可回收的塑料制品,最终也真的被回收了吗[1]

废弃物处理方式:
填埋和焚烧的环境影响对比如何?




01

垃圾填埋




在生命周期评价中,塑料的表现似乎看上去比较良好。这其中的原因之一是,直到最近,垃圾填埋仍是世界上大多数地方实际的废弃物处理方法。垃圾填埋场中塑料的影响通常只与运输和维护垃圾填埋场有关,而没有“直接排放”的问题,因为它们在填埋场中很大程度上保持惰性。但有证据表明,塑料可能不是完全惰性的,不过从科学假设到嵌入生命周期清单的转变需要时间,且其排放仍然可能是很小的[2]。另外,为每种材料制定填埋场温室气体排放清单也很困难,因为垃圾填埋场中发生的反应会因填埋物组成或其他因素而不同。
总的来说,从气候角度来看,与焚烧塑料(其中所有的碳都将被释放出来)相比,填埋的影响会更小一些。

02

垃圾焚烧

大多数现代焚烧炉有点像燃煤发电站,利用热能——废弃物转制能源(Energy-from-Waste,EfW)发电。生命周期评价通常包括焚烧塑料废弃物获得的“利益”(或“避免的负担”),因为产生的电力(有时是热量)意味着需要从其他来源产生的能量更少。

在美国,尽管有向垃圾焚烧的缓慢转变,垃圾填埋仍然占主导地位。美国环保局2010年的废弃物数据表明,只有18%的废弃物被送去焚烧。然而,2017年的新数据显示,这一比例已上升至20%[3]

虽然这种差异相对较小,但使用研究区域的比较新废弃物统计数据,甚至根据当前的政策承诺假设未来情景是很重要的,这在使用生命周期评价来支撑或评估长期决策时尤为重要。另外,如若将这项研究的结果应用于废物处理基础设施非常不同的国家将导致结论的不准确。

在欧盟,垃圾填埋被边缘化,废弃物转制能源工厂呈增长趋势(从2010年的38%到2017年的55%[4])。因此,基于几年前废弃物数据的研究可能无法反映当前的现实。但随着人们逐渐认识到“沉迷”于焚烧实际上限制了达到高回收率,这一现实可能会再次改变。同时,由于美国和欧盟废弃物处理系统的差异,对两者的研究不具有可比性。





利用废弃物发电 
图 | Bioenergyconsult





即使在欧盟内部,废弃物处理系统差异也很大。例如,在瑞典,填埋塑料是被禁止的,并且他们致力于完全阻止塑料进入焚烧炉;而在威尔士,他们的目标是消除垃圾填埋中的塑料,但焚烧被认为是可以接受的。这也是为什么在这种研究中时间和地域的说明都应该明晰的一个原因。




值得注意的是,对于那些更多依赖垃圾焚烧的国家来说,研究通常会显示不回收的塑料对环境的影响越来越严重。这是由于能源系统脱碳的趋势——如果燃烧塑料产生的能源取代可再生能源(而不是污染更严重的化石燃料),这将与未来的脱碳目标不相容。眼于2030年及未来可能的情景,生命周期评价将发现燃烧塑料变得越来越站不住脚。
如何利用生命周期评价分析
材料的回收与循环?

除了填埋与焚烧,回收与循环在生命周期结束阶段也扮演着重要角色。但是,在研究中,回收率(recycling rates)是出了名的不准确,且难以比较的。生命周期评价研究通常使用国家报告的回收率,并假设一个封闭的循环过程。然而,事实上,从收集到被回收,材料有许多损失。这也是为什么欧盟最近调整了其回收测量方法——只包括成为了回收产品的材料(而不是假设所有收集起来进行回收的材料最终都会被回收)[5]。这可能会导致欧盟报告的回收率大幅下降,尤其是塑料回收率。


关于回收率的细节内容是值得注意的。常常会有研究使用当前报告的回收率来证明未来的决策。鉴于未来的回收率可能发生变化,系统也可能被进一步优化,这将不能反映比较好的结果。

这方面的一个例子是2017年对一家复合材料包装盒制造商的研究,该研究将北欧国家的各种牛奶容器与复合材料包装盒进行了比较[6]。结果清楚地表明,产品具有怎样的生命终点,在对于确定哪个包装系统具有较低的总体影响方面,起着关键性作用,但该研究并没有进行着眼于未来情景的敏感性分析。如果缺乏此类情景分析,该研究对政策制定的作用将非常有限,更多会被用作制造商的一种营销工具,研究结果也时常被断章取义。这也是为什么企业的比较研究通常存在问题,不是因为它们缺乏正确的方法论,而是因为他们可以采取一种狭隘的观点,而这对于非专家的普通读者来说是很难发现和弄清楚的。

大多数比较研究使用“从摇篮到坟墓”(从原材料获取到生命周期结束时的处置)的方法,即根据生命周期评估产品。一个产品的生命周期结束可能是一定次数的重复使用或回收,但通常情况下,再循环材料的后续使用是不会被特别考虑的。对于投放市场的某一产品(例如,如果一家公司想了解其产品的碳足迹),如果其在传统的线性系统模型中表现得相当好,这对于生命周期评价来说是很好的。但是,如果考虑到一种产品的“坟墓”是另一种产品的“摇篮”,系统建模将变得更加复杂难懂。





产品生命周期:典型的线性系统模型
图 | Eunomia


品牌方和生产商将越来越需要考虑多个生命周期的问题,因为他们越来越需要在产品使用寿命(第1个)结束时对产品负责。对材料流负责,甚至接受材料流的所有权,意味着优先级可能会改变,并且需要一种在多个生命周期内量化这一点的方法。这在政策制定中也会变得很重要,因为单个产品之间的简单比较将不足以确定宏观层面的影响。


下图给出了多种材料的“回收率”,或者说是实际上的材料循环效率,即最终使用在另一种同类型产品中的比例。如果一个可重复使用的包装材料在随后的每次重复使用中保持100%的材料价值,这将被认为是一种(完全)循环;而像生物降解塑料这样的材料,一旦被处置则会失去所有的材料价值。






不同材料的循环效率  
图 | Eunomia


其他包装材料介于两者之间,高产量的材料,如铝,与许多塑料相比有着更高的循环效率。图表显示,对于一种以65%的循环效率成为新产品的材料(高于欧盟2030年55%的塑料回收率目标),原始材料在循环了足够长的时间后,在它基本消失前仅产生了2个额外的新产品(在每个循环之后只有65%的材料被保留);相比之下,一个循环效率为90%的材料在足量循环后将产生8个新产品。


下图展示了扩展生命周期评价研究的系统边界(system boundary),并将材料的后续“生命”包括在内的产品生命周期模型。生产产品“2”的材料部分来源于产品“1”,部分来源于原始材料(例如石油),以此类推,到产品“3”、产品“4”......直到材料无法继续循环而重新需要完全使用原材料(例如石油)来生产产品。而对于重复使用的情况,则不需要额外的原始原料,生产可以由“清洁”操作代替。需要注意的是,材料在整个供应链和使用过程中的泄漏也会导致材料循环效率降低。





产品生命周期:
扩大系统边界后的新模型
图 | Eunomia


当材料不围绕闭环循环时(即产品“1”与产品“2”不同),而是级联到其他开环中,例如塑料瓶回收后用来制作聚酯纤维服装,这种循环概念将变得特别难以建模。随着材料越来越远离初始产品,可能发生的情况也变得难以确定。


尽管存在挑战,但这一概念可以应用到生命周期评价中,以显示一件产品的每个后续生命周期分别需要多少新的和原始的材料。这可以通过多种方式应用,包括确定:

给定当前系统中可能的回收率和材料产量时应用的材料
理论上,在最优系统中应用的材料
最优的重复使用系统是否优于高回收率系统


(最后的问题 )可降解塑料是否能解决塑料问题

     国家标准定义的“可降解塑料”目前还并不是一个解决塑料垃圾问题的好办法。虽然可生物降解塑料带来的环境影响小于不可降解的塑料,但是它依旧会导致很多环境问题,所以只能将它看做一个缓解塑料问题的代替品,而不是一个塑料问题的解决方法。虽然我们可以抱有对科技发展的期待,但是按照目前的科技水平,只有减少消耗才能比较大程度的减少塑料制品对环境的影响。要完整的比较可生物降解塑料和传统塑料的优劣,我们不妨将塑料的生命周期拆解分析。

1. 常见的可降解塑料

目前讨论较为广泛的是可生物降解塑料,它们有的是用可再生的生物资源,例如农作物,微生物等制作的,有的是用化石资源制作的。最常见的两种已经商业化的可生物降解塑料是PHA(聚羟基脂肪酸酯)和PLA(聚乳酸),它们分别由微生物(由农作物喂养)和玉米作为主要原材料。

2. 可降解塑料的生产

2.1  由于现在主要的可生物降解塑料原料来源是农作物(玉米,甘蔗等),而不是化石燃料,所以从原材料的角度看,可生物降解塑料相比传统塑料大约可以节省超过一半的化石燃料。如果全球的传统塑料被替换为可生物降解塑料,大约每天能节约349万桶化石燃料,约占全球4%的化石燃料消耗[1]


2.2 可生物降解塑料生产过程中消耗的能量小于特性接近的传统塑料。可生物降解塑料的生产过程中一般每千克需要2500-4500万焦耳的能量,其中最常见的PLA需要4470万焦耳的能量。而传统塑料每千克需要消耗7300-8600万焦耳的能量[2]&[3],远高于可生物降解的塑料。如果将全球的不可降解塑料替换成可生物降解塑料,按照2019年的全球塑料产量[4]估算,每年能节省1-2.2×1019焦耳的能量。占2019年全球能耗5.8×1020焦耳[5]的1.7-3.8%。


2.3   生命周期分析的缺憾,过往的可生物降解塑料的生命周期分析都着高于玉米生长过程中从空气中吸收的二氧化碳。但很少会注意到在种植这些玉米前必须要把树林或土地改变为种植玉米的农地。若不砍伐树林或把农地种植,那些植物本来可以继续吸收空气中的二氧化碳。这也是种植玉米在二氧化碳上的机会成本。


2.4  就生产成本而论,可生物降解塑料的价格目前   略高于传统塑料(3-5倍之间),但是根据行业的发

展速度预估,其价格会在不久的将来可能会下降[6]


2.5生产1千克可生物降解的PLA塑料需要大约2.65千克的玉米[7],生产1千克可生物降解的PHA塑料需要大约3.7千克的玉米[8]。按照2019年的数据,如果将所有传统塑料替换成PLA,每年需要消耗大约9.75亿吨的玉米[9];如果将所有传统塑料替换成PHA,每年需要消耗大约13.6亿吨的玉米。与此同时,2018/2019年的全球玉米产量是10.9亿吨[10],与替换塑料的成本接近。并且,随着更多的玉米,或者耕地被用于种植可生物降解塑料的原料,玉米等作物的价格自然会有所上升,从而继续威胁缺粮少食地区的食物保障。由此可见,可生物降解塑料对全球食物供应是一大威胁,在技术得到突破性提升之前,难以全面替代传统塑料。

2.6  随着塑料需求不断增加, 若以现时每种植 6.35吨的玉米需要一公顷的农地面积,如果将所有传统塑料替换成PHA,需要土地是 2.1亿公顷农地, 即中国所有农地的1.4倍左右, 相等于全球总农地面积的 12%, 这无疑对人类粮食供应的一大威胁。


2.7在可生物降解塑料的原材料种植过程中,会使用大量化肥和杀虫剂[11],其中的有毒物质会渗入水体之
[12],危害饮用水安全,野生动物安全,以及土壤安全等等[13]

 
 3  可降解塑料的回收

3.1 因为可生物降解塑料的产量太小,目前还缺乏系统的,大规模的回收处理手段。举一个简单的例子,在上海提出垃圾分类时,很多人苦恼于扔垃圾的时候需要把厨余湿垃圾抖出垃圾袋,很容易弄脏手。所以可生物降解湿垃圾袋火了起来,人们希望能把可生物降解垃圾袋和湿垃圾一起扔进湿垃圾桶。但是垃圾处理部门很快发声,指出虽然“可降解垃圾袋”会大部分降解,但是其依旧有不可降解,甚至是有毒有害的成分,会影响湿垃圾的处理。并且,这样的垃圾袋降解速度远慢于厨余垃圾,无法同步处理,只能被当做干垃圾焚烧处理。可生物降解塑料虽然可以被生物降解,但是并不意味着他们最终会打破回收处理的重重困难,被低估了其更多的缺点。


3.2 当可生物降解塑料因为没有得到有效回收,而进入海洋环境后,因为海洋温度较低,缺乏足够的微生物和氧气,生物降解的效率会大大降低。而因为无法及时降解,这些可降解塑料依旧有很大的概率在未完成降解前对海洋生物造成危害[14]

 
4 整体碳排放对比

主要因为原材料的不同,可生物降解塑料在整个生命周期中释放的二氧化碳小于传统塑料。因为可生物降解塑料的原材料主要是植物,它们降解中产生的二氧化碳约等同于植物生长过程中会吸收二氧化碳,所以可生物降解塑料的二氧化碳排放主要来源于生产和运输过程中的机械排放。每千克传统塑料在它的完整生命周期中,大约会释放2.5-3.4千克的二氧化碳,而可生物降解塑料会释放1.14-2.6千克的二氧化碳,其中最常见的PLA每千克大约释放1.8千克二氧化碳[15][16]。如果全面用可生物降解塑料替换传统塑料,根据种类不同,全球每年大约会少释放0-8.3亿吨二氧化碳(考虑整个产品生命周期)。这个数量级相比全球每年约360亿吨[17]的碳排放量,占比约2.3%。以上未计算种植玉米在二氧化碳上的机会成本,若把那些机会成本计算上去。可生物降解塑料在整个生命周期中释放的二氧化碳不一定小于传统塑料。


5潜在威胁

当可降解塑料的环境影响(石油消耗,碳排放,能源消耗,农业污染等等)依旧存在,那可降解塑料依旧会造成环境问题。如果我们此时由于误以为可降解塑料是低害甚至无害的,而大量增加“可降解”塑料制品的使用量,那造成的总体环境影响(单位塑料制品的影响×塑料制品总量)或许会反而大于曾经传统塑料的时代。更不提现在可降解塑料的定义依旧模糊,当打着“可降解塑料”名头,但却“只有在理想环境中需要很长时间才能降解”的塑料混入市场,那其所造成的环境危害只增不减。


6 总结:

总结来看,如果使用可生物降解塑料替换传统塑料,可以节约全球4%的化石燃料,减少全球2.3%的碳排放,节约全球2%的能量消耗。即使我们只用可生物降解塑料替换所有一次性塑料(约占全球塑料生产总量的一半[18]),那也能达到以上一半的成果。但与此同时,将一次性塑料制品替换为可降解塑料会消耗全球一半以上的玉米产量,并且造成由甲烷,农药,化肥,不能及时降解等原因带来的风险。所以需要强调的是,“可降解”并不能说明这款塑料制品可以被简单的无害处理,它依旧会引发一系列的能量消耗,碳排放,食物短缺等等问题。按照目前的科技水平,“可降解塑料”是一种减缓垃圾问题的办法,它还并不是一个解决问题的办法,并不能因“可降解”一词而肆无忌惮地使用可降解塑料制品。如果我们根本彻底放弃使用一次性制品,那根本就不会造成以上那些燃料,能量,碳排放等等等等的污染和消耗。所以,在现有科技条件下,相比于使用可降解/可堆肥塑料替换传统塑料,减少一次性塑料制品的使用才是更优方案。

 

2004年深圳市开始就禁摩托限电动车了。一路过来十几年了,一直禁禁禁,事实上有地方该有的还有,因为政府不能限制老百姓的多种出行方式的需求……

      
      禁塑也是一样,2008年吉林省禁塑,和今天的禁摩一样的结果,塑料是谁生产的?中石油中石化国家生产的,但是老百姓有需求的,海南岛目前的乱相是很好的诠释,成了资本利益集团抢夺蛋糕的游戏,最终禁塑应该是回归到理性,是合理利用和管理上,至于降解塑料,首要考虑是自然降解技术,不是仅是堆肥降解,真正的自然降解塑料应该是各种自然场景里,海洋湖泊河流,有氧无氧(填埋)的状态下都可以降解,并且不需要人为的条件参与,成本低廉也是重点,否则将很难得到社会和行业认可。
 

考虑降解方式应该是先调查最终塑料废弃的环境而定,抛开环境谈降解都是空谈,一窝蜂上堆肥,没有分类,没有堆肥场地,最终还是焚烧,做的这些全部是无用功。

 

关于碳中和和碳排放,塑料回收才是正道,人追求长生不老,材料也是应该追求长不老,这样碳排放才是很低的,PLA等使一次就丢碳排放量更大,人类花费了巨大的代价生产出来一种材料,是希望多用几次而不是用了一次就丢弃,所以支持循环利用为上,最终自然降解处理才是科学。

塑料降解放在最后,实在不能循环再次使用了,再用上的自然降解技术,不增加国家和社会成本

 

可循环,易回收,可降解


参考资料;



[1]British Plastics Federation, Oil Consumption. 

http://www.bpf.co.uk/press/Oil_Consumption.aspx



[2]Vink, Erwin T. H., Rabago, Karl R., Glassner, David A., Gruber, Patrick R.,Applications of life cycle assessment to NatureWorks polylactide (PLA)production. Polymer Degradation and Stability 80, (403-419), 2003.




[3]Narayan, Ramani and Patel, Martin, Review and Analysis of Bio-based ProductLCA’s.


[4]https://www.statista.com/statistics/282732/global-production-of-plastics-since-1950/


[5]https://www.theworldcounts.com/challenges/climate-change/energy/global-energy-consumption/story


[6] BrianMomani. Assessment of the Impacts of Bioplastics: Energy Usage, Fossil FuelUsage, Pollution, Health Effects, Effects on the Food Supply, and Economic EffectsCompared to Petroleum Based Plastics. Worcester Polytechnic Institute, 2009.


[7] Ghosh,Sudhipto. "European Parliament Committee Vote for 100% BiodegradablePlastic Bags". Modern Plastics and Polymers. Network 18, 19 Mar. 2014.Web.


[8] Jiang,G., Hill, D. J., Kowalczuk, M., Johnston, B., Adamus, G., Irorere, V., &Radecka, I. (2016). Carbon Sources for Polyhydroxyalkanoates and an IntegratedBiorefinery. International journal of molecular sciences, 17(7), 1157.


[9]https://www.statista.com/statistics/282732/global-production-of-plastics-since-1950/


[10] https://www.statista.com/topics/986/corn/


[11] 7Washington Post, One Word: Bioplastics. But Are They Better? By Eviana 

Hartman.http://www.washingtonpost.com/wpdyn/content/article/2008/07/17/AR2008071702295.html


[12]EPA, Pesticides and Food: Health Problems Pesticides May Pose.http://www.epa.gov/opp00001/food/risks.html.


[13]Minnesota Department of Health, Heavy Metals in Fertilizers.http://www.health.state.mn.us/divs/eh/risk/studies/metals.html.


[14] Industry,Asia Pacific Food. "Biodegradable Plastics: Environmental Impacts AndWaste Management Strategies". Asia Pacific Food Industry. Retrieved2019-08-06.


[15]Vink, Erwin T. H., Rabago, Karl R., Glassner, David A., Gruber, Patrick R., Applicationsof life cycle assessment to NatureWorks polylactide (PLA) production. PolymerDegradation and Stability 80, (403-419), 2003.


[16] Narayan,Ramani and Patel, Martin, Review and Analysis of Bio-based Product LCA’s.


[17] https://ourworldindata.org/co2-emissions


[18] KoniginAstridlaan. Plastics-the Facts 2019 [R]. Wemmel: PlasticsEurope, 2019.


[19]https://www.weihengag.com/home/article/detail/id/6757.html