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評估塑料和生物降解塑料在生命周期結束階段的環境影響？

       就塑料而言，對于產品生命周期結束階段的研究也是非常重要的。例如，大量的塑料被出口到監管寬松的國家，而塑料在這些國家的命運很多時候是未知的。隨著塑料出口被認定為海洋塑料污染的一大來源，許多人開始質疑：即便是可回收的塑料制品，最終也真的被回收了嗎[1]？

廢棄物處理方式：
填埋和焚燒的環境影響對比如何？




01

垃圾填埋




在生命周期評價中，塑料的表現似乎看上去比較良好。這其中的原因之一是，直到最近，垃圾填埋仍是世界上大多數地方實際的廢棄物處理方法。垃圾填埋場中塑料的影響通常只與運輸和維護垃圾填埋場有關，而沒有“直接排放”的問題，因為它們在填埋場中很大程度上保持惰性。但有證據表明，塑料可能不是完全惰性的，不過從科學假設到嵌入生命周期清單的轉變需要時間，且其排放仍然可能是很小的[2]。另外，為每種材料制定填埋場溫室氣體排放清單也很困難，因為垃圾填埋場中發生的反應會因填埋物組成或其他因素而不同。
總的來說，從氣候角度來看，與焚燒塑料（其中所有的碳都將被釋放出來）相比，填埋的影響會更小一些。

02

垃圾焚燒

大多數現代焚燒爐有點像燃煤發電站，利用熱能——廢棄物轉制能源（Energy-from-Waste，EfW）發電。生命周期評價通常包括焚燒塑料廢棄物獲得的“利益”（或“避免的負擔”），因為產生的電力（有時是熱量）意味著需要從其他來源產生的能量更少。

在美國，盡管有向垃圾焚燒的緩慢轉變，垃圾填埋仍然占主導地位。美國環保局2010年的廢棄物數據表明，只有18%的廢棄物被送去焚燒。然而，2017年的新數據顯示，這一比例已上升至20%[3]。

雖然這種差異相對較小，但使用研究區域的比較新廢棄物統計數據，甚至根據當前的政策承諾假設未來情景是很重要的，這在使用生命周期評價來支撐或評估長期決策時尤為重要。另外，如若將這項研究的結果應用于廢物處理基礎設施非常不同的國家將導致結論的不準確。

在歐盟，垃圾填埋被邊緣化，廢棄物轉制能源工廠呈增長趨勢（從2010年的38%到2017年的55%[4]）。因此，基于幾年前廢棄物數據的研究可能無法反映當前的現實。但隨著人們逐漸認識到“沉迷”于焚燒實際上限制了達到高回收率，這一現實可能會再次改變。同時，由于美國和歐盟廢棄物處理系統的差異，對兩者的研究不具有可比性。





利用廢棄物發電 
圖 | Bioenergyconsult





即使在歐盟內部，廢棄物處理系統差異也很大。例如，在瑞典，填埋塑料是被禁止的，并且他們致力于完全阻止塑料進入焚燒爐；而在威爾士，他們的目標是消除垃圾填埋中的塑料，但焚燒被認為是可以接受的。這也是為什么在這種研究中時間和地域的說明都應該明晰的一個原因。




值得注意的是，對于那些更多依賴垃圾焚燒的國家來說，研究通常會顯示不回收的塑料對環境的影響越來越嚴重。這是由于能源系統脫碳的趨勢——如果燃燒塑料產生的能源取代可再生能源（而不是污染更嚴重的化石燃料），這將與未來的脫碳目標不相容。著眼于2030年及未來可能的情景，生命周期評價將發現燃燒塑料變得越來越站不住腳。
如何利用生命周期評價分析
材料的回收與循環？

除了填埋與焚燒，回收與循環在生命周期結束階段也扮演著重要角色。但是，在研究中，回收率（recycling rates）是出了名的不準確，且難以比較的。生命周期評價研究通常使用國家報告的回收率，并假設一個封閉的循環過程。然而，事實上，從收集到被回收，材料有許多損失。這也是為什么歐盟最近調整了其回收測量方法——只包括成為了回收產品的材料（而不是假設所有收集起來進行回收的材料最終都會被回收）[5]。這可能會導致歐盟報告的回收率大幅下降，尤其是塑料回收率。


關于回收率的細節內容是值得注意的。常常會有研究使用當前報告的回收率來證明未來的決策。鑒于未來的回收率可能發生變化，系統也可能被進一步優化，這將不能反映比較好的結果。

這方面的一個例子是2017年對一家復合材料包裝盒制造商的研究，該研究將北歐國家的各種牛奶容器與復合材料包裝盒進行了比較[6]。結果清楚地表明，產品具有怎樣的生命終點，在對于確定哪個包裝系統具有較低的總體影響方面，起著關鍵性作用，但該研究并沒有進行著眼于未來情景的敏感性分析。如果缺乏此類情景分析，該研究對政策制定的作用將非常有限，更多會被用作制造商的一種營銷工具，研究結果也時常被斷章取義。這也是為什么企業的比較研究通常存在問題，不是因為它們缺乏正確的方法論，而是因為他們可以采取一種狹隘的觀點，而這對于非專家的普通讀者來說是很難發現和弄清楚的。

大多數比較研究使用“從搖籃到墳墓”（從原材料獲取到生命周期結束時的處置）的方法，即根據生命周期評估產品。一個產品的生命周期結束可能是一定次數的重復使用或回收，但通常情況下，再循環材料的后續使用是不會被特別考慮的。對于投放市場的某一產品（例如，如果一家公司想了解其產品的碳足跡），如果其在傳統的線性系統模型中表現得相當好，這對于生命周期評價來說是很好的。但是，如果考慮到一種產品的“墳墓”是另一種產品的“搖籃”，系統建模將變得更加復雜難懂。





產品生命周期：典型的線性系統模型
圖 | Eunomia


品牌方和生產商將越來越需要考慮多個生命周期的問題，因為他們越來越需要在產品使用壽命（第1個）結束時對產品負責。對材料流負責，甚至接受材料流的所有權，意味著優先級可能會改變，并且需要一種在多個生命周期內量化這一點的方法。這在政策制定中也會變得很重要，因為單個產品之間的簡單比較將不足以確定宏觀層面的影響。


下圖給出了多種材料的“回收率”，或者說是實際上的材料循環效率，即最終使用在另一種同類型產品中的比例。如果一個可重復使用的包裝材料在隨后的每次重復使用中保持100%的材料價值，這將被認為是一種（完全）循環；而像生物降解塑料這樣的材料，一旦被處置則會失去所有的材料價值。






不同材料的循環效率  
圖 | Eunomia


其他包裝材料介于兩者之間，高產量的材料，如鋁，與許多塑料相比有著更高的循環效率。圖表顯示，對于一種以65%的循環效率成為新產品的材料（高于歐盟2030年55%的塑料回收率目標），原始材料在循環了足夠長的時間后，在它基本消失前僅產生了2個額外的新產品（在每個循環之后只有65%的材料被保留）；相比之下，一個循環效率為90%的材料在足量循環后將產生8個新產品。


下圖展示了擴展生命周期評價研究的系統邊界（system boundary)，并將材料的后續“生命”包括在內的產品生命周期模型。生產產品“2”的材料部分來源于產品“1”，部分來源于原始材料（例如石油），以此類推，到產品“3”、產品“4”......直到材料無法繼續循環而重新需要完全使用原材料（例如石油）來生產產品。而對于重復使用的情況，則不需要額外的原始原料，生產可以由“清潔”操作代替。需要注意的是，材料在整個供應鏈和使用過程中的泄漏也會導致材料循環效率降低。





產品生命周期：
擴大系統邊界后的新模型
圖 | Eunomia


當材料不圍繞閉環循環時（即產品“1”與產品“2”不同），而是級聯到其他開環中，例如塑料瓶回收后用來制作聚酯纖維服裝，這種循環概念將變得特別難以建模。隨著材料越來越遠離初始產品，可能發生的情況也變得難以確定。


盡管存在挑戰，但這一概念可以應用到生命周期評價中，以顯示一件產品的每個后續生命周期分別需要多少新的和原始的材料。這可以通過多種方式應用，包括確定：

●給定當前系統中可能的回收率和材料產量時應用的材料
●理論上，在最優系統中應用的材料
●最優的重復使用系統是否優于高回收率系統


（最后的問題 ）可降解塑料是否能解決塑料問題

     國家標準定義的“可降解塑料”目前還并不是一個解決塑料垃圾問題的好辦法。雖然可生物降解塑料帶來的環境影響小于不可降解的塑料，但是它依舊會導致很多環境問題，所以只能將它看做一個緩解塑料問題的代替品，而不是一個塑料問題的解決方法。雖然我們可以抱有對科技發展的期待，但是按照目前的科技水平，只有減少消耗才能比較大程度的減少塑料制品對環境的影響。要完整的比較可生物降解塑料和傳統塑料的優劣，我們不妨將塑料的生命周期拆解分析。

1. 常見的可降解塑料

目前討論較為廣泛的是可生物降解塑料，它們有的是用可再生的生物資源，例如農作物，微生物等制作的，有的是用化石資源制作的。最常見的兩種已經商業化的可生物降解塑料是PHA（聚羥基脂肪酸酯）和PLA（聚乳酸），它們分別由微生物（由農作物喂養）和玉米作為主要原材料。

2. 可降解塑料的生產

2.1  由于現在主要的可生物降解塑料原料來源是農作物（玉米，甘蔗等），而不是化石燃料，所以從原材料的角度看，可生物降解塑料相比傳統塑料大約可以節省超過一半的化石燃料。如果全球的傳統塑料被替換為可生物降解塑料，大約每天能節約349萬桶化石燃料，約占全球4%的化石燃料消耗[1]。


2.2 可生物降解塑料生產過程中消耗的能量小于特性接近的傳統塑料。可生物降解塑料的生產過程中一般每千克需要2500-4500萬焦耳的能量，其中最常見的PLA需要4470萬焦耳的能量。而傳統塑料每千克需要消耗7300-8600萬焦耳的能量[2]&[3]，遠高于可生物降解的塑料。如果將全球的不可降解塑料替換成可生物降解塑料，按照2019年的全球塑料產量[4]估算，每年能節省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，過往的可生物降解塑料的生命周期分析都著高于玉米生長過程中從空氣中吸收的二氧化碳。但很少會注意到在種植這些玉米前必須要把樹林或土地改變為種植玉米的農地。若不砍伐樹林或把農地種植，那些植物本來可以繼續吸收空氣中的二氧化碳。這也是種植玉米在二氧化碳上的機會成本。


2.4  就生產成本而論，可生物降解塑料的價格目前   略高于傳統塑料（3-5倍之間），但是根據行業的發

展速度預估，其價格會在不久的將來可能會下降[6]。


2.5生產1千克可生物降解的PLA塑料需要大約2.65千克的玉米[7]，生產1千克可生物降解的PHA塑料需要大約3.7千克的玉米[8]。按照2019年的數據，如果將所有傳統塑料替換成PLA，每年需要消耗大約9.75億噸的玉米[9]；如果將所有傳統塑料替換成PHA，每年需要消耗大約13.6億噸的玉米。與此同時，2018/2019年的全球玉米產量是10.9億噸[10]，與替換塑料的成本接近。并且，隨著更多的玉米，或者耕地被用于種植可生物降解塑料的原料，玉米等作物的價格自然會有所上升，從而繼續威脅缺糧少食地區的食物保障。由此可見，可生物降解塑料對全球食物供應是一大威脅，在技術得到突破性提升之前，難以全面替代傳統塑料。

2.6  隨著塑料需求不斷增加, 若以現時每種植 6.35噸的玉米需要一公頃的農地面積，如果將所有傳統塑料替換成PHA,需要土地是 2.1億公頃農地, 即中國所有農地的1.4倍左右, 相等于全球總農地面積的 12%, 這無疑對人類糧食供應的一大威脅。


2.7在可生物降解塑料的原材料種植過程中，會使用大量化肥和殺蟲劑[11]，其中的有毒物質會滲入水體之
中[12]，危害飲用水安全，野生動物安全，以及土壤安全等等[13]。

 
 3  可降解塑料的回收

3.1 因為可生物降解塑料的產量太小，目前還缺乏系統的，大規模的回收處理手段。舉一個簡單的例子，在上海提出垃圾分類時，很多人苦惱于扔垃圾的時候需要把廚余濕垃圾抖出垃圾袋，很容易弄臟手。所以可生物降解濕垃圾袋火了起來，人們希望能把可生物降解垃圾袋和濕垃圾一起扔進濕垃圾桶。但是垃圾處理部門很快發聲，指出雖然“可降解垃圾袋”會大部分降解，但是其依舊有不可降解，甚至是有毒有害的成分，會影響濕垃圾的處理。并且，這樣的垃圾袋降解速度遠慢于廚余垃圾，無法同步處理，只能被當做干垃圾焚燒處理。可生物降解塑料雖然可以被生物降解，但是并不意味著他們最終會打破回收處理的重重困難，被低估了其更多的缺點。


3.2 當可生物降解塑料因為沒有得到有效回收，而進入海洋環境后，因為海洋溫度較低，缺乏足夠的微生物和氧氣，生物降解的效率會大大降低。而因為無法及時降解，這些可降解塑料依舊有很大的概率在未完成降解前對海洋生物造成危害[14]。

 
4 整體碳排放對比

主要因為原材料的不同，可生物降解塑料在整個生命周期中釋放的二氧化碳小于傳統塑料。因為可生物降解塑料的原材料主要是植物，它們降解中產生的二氧化碳約等同于植物生長過程中會吸收二氧化碳，所以可生物降解塑料的二氧化碳排放主要來源于生產和運輸過程中的機械排放。每千克傳統塑料在它的完整生命周期中，大約會釋放2.5-3.4千克的二氧化碳，而可生物降解塑料會釋放1.14-2.6千克的二氧化碳，其中最常見的PLA每千克大約釋放1.8千克二氧化碳[15][16]。如果全面用可生物降解塑料替換傳統塑料，根據種類不同，全球每年大約會少釋放0-8.3億噸二氧化碳（考慮整個產品生命周期）。這個數量級相比全球每年約360億噸[17]的碳排放量，占比約2.3%。以上未計算種植玉米在二氧化碳上的機會成本，若把那些機會成本計算上去。可生物降解塑料在整個生命周期中釋放的二氧化碳不一定小于傳統塑料。


5潛在威脅

當可降解塑料的環境影響（石油消耗，碳排放，能源消耗，農業污染等等）依舊存在，那可降解塑料依舊會造成環境問題。如果我們此時由于誤以為可降解塑料是低害甚至無害的，而大量增加“可降解”塑料制品的使用量，那造成的總體環境影響（單位塑料制品的影響×塑料制品總量）或許會反而大于曾經傳統塑料的時代。更不提現在可降解塑料的定義依舊模糊，當打著“可降解塑料”名頭，但卻“只有在理想環境中需要很長時間才能降解”的塑料混入市場，那其所造成的環境危害只增不減。


6 總結：

總結來看，如果使用可生物降解塑料替換傳統塑料，可以節約全球4%的化石燃料，減少全球2.3%的碳排放，節約全球2%的能量消耗。即使我們只用可生物降解塑料替換所有一次性塑料（約占全球塑料生產總量的一半[18]），那也能達到以上一半的成果。但與此同時，將一次性塑料制品替換為可降解塑料會消耗全球一半以上的玉米產量，并且造成由甲烷，農藥，化肥，不能及時降解等原因帶來的風險。所以需要強調的是，“可降解”并不能說明這款塑料制品可以被簡單的無害處理，它依舊會引發一系列的能量消耗，碳排放，食物短缺等等問題。按照目前的科技水平，“可降解塑料”是一種減緩垃圾問題的辦法，它還并不是一個解決問題的辦法，并不能因“可降解”一詞而肆無忌憚地使用可降解塑料制品。如果我們根本徹底放棄使用一次性制品，那根本就不會造成以上那些燃料，能量，碳排放等等等等的污染和消耗。所以，在現有科技條件下，相比于使用可降解/可堆肥塑料替換傳統塑料，減少一次性塑料制品的使用才是更優方案。

 

2004年深圳市開始就禁摩托限電動車了。一路過來十幾年了，一直禁禁禁，事實上有地方該有的還有，因為政府不能限制老百姓的多種出行方式的需求……

      
      禁塑也是一樣，2008年吉林省禁塑，和今天的禁摩一樣的結果，塑料是誰生產的？中石油中石化國家生產的，但是老百姓有需求的，海南島目前的亂相是很好的詮釋，成了資本利益集團搶奪蛋糕的游戲，最終禁塑應該是回歸到理性，是合理利用和管理上，至于降解塑料，首要考慮是自然降解技術，不是僅是堆肥降解，真正的自然降解塑料應該是各種自然場景里，海洋湖泊河流，有氧無氧（填埋）的狀態下都可以降解，并且不需要人為的條件參與，成本低廉也是重點，否則將很難得到社會和行業認可。
 

考慮降解方式應該是先調查最終塑料廢棄的環境而定，拋開環境談降解都是空談，一窩蜂上堆肥，沒有分類，沒有堆肥場地，最終還是焚燒，做的這些全部是無用功。

 

關于碳中和和碳排放，塑料回收才是正道，人追求長生不老，材料也是應該追求長不老，這樣碳排放才是很低的，PLA等使一次就丟碳排放量更大，人類花費了巨大的代價生產出來一種材料，是希望多用幾次而不是用了一次就丟棄，所以支持循環利用為上，最終自然降解處理才是科學。

塑料降解放在最后，實在不能循環再次使用了，再用上的自然降解技術，不增加國家和社會成本

 

可循環，易回收，可降解


參考資料；


[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