趙 巖，楊崇山，劉向新，溫浩軍

（1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子832000；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

由于農(nóng)膜覆蓋技術(shù)帶來(lái)的增溫、抑制雜草、增加產(chǎn)量等益處，農(nóng)膜用量迅速增加[1]。在發(fā)達(dá)國(guó)家，農(nóng)膜的使用量占農(nóng)用塑料總量的50%以上，歐盟每年約有61.5萬(wàn)t廢舊農(nóng)膜產(chǎn)生[2]，約占所有農(nóng)業(yè)塑料生產(chǎn)的60%[3]。在中國(guó)，總量每年以15%的速度持續(xù)增加[4]。據(jù)中國(guó)塑料加工工業(yè)協(xié)會(huì)農(nóng)用薄膜專(zhuān)用委員會(huì)統(tǒng)計(jì)，2019年我國(guó)農(nóng)膜覆蓋面積在0.187億hm2左右，地膜的年銷(xiāo)售量約160萬(wàn)t，2019年國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，實(shí)際農(nóng)用塑料薄膜使用量達(dá)到240.8萬(wàn)t[5]。

農(nóng)膜使用量與日俱增，而回收體系并不完善，全國(guó)農(nóng)膜整體回收率不足67%[6]。2016年，農(nóng)業(yè)環(huán)保部門(mén)對(duì)甘肅部分區(qū)域進(jìn)行抽樣調(diào)查，結(jié)果顯示，參與抽樣調(diào)查的地塊都有不同數(shù)量的廢舊地膜，殘膜含量多達(dá)5~14 kg/667m2[7]。殘膜污染問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重影響到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境，加強(qiáng)殘膜清理工作刻不容緩[6-8]。殘膜回收再利用技術(shù)的應(yīng)用研究成為行業(yè)關(guān)注熱點(diǎn)，因此，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行歸納梳理，有利于推進(jìn)農(nóng)田殘膜污染治理工作進(jìn)展。

1 農(nóng)膜回收再處理技術(shù)

1.1 再生造粒技術(shù)

再生造?；驹硎峭ㄟ^(guò)物理變化，即在不改變塑料物理特性的情況下，融化擠壓成型獲得二次母粒進(jìn)行重新加工[9]。這種加工工藝可以用來(lái)制作安全帽、行李箱等產(chǎn)品。主要加工工藝包括濕法造粒和干法造粒兩種。濕法造粒時(shí)，塑料制品在破碎后清洗時(shí)由于本身密度較小而浮在水面，一些沙子等雜質(zhì)因?yàn)槊芏容^大而沉入水底，從而能夠有效地清除雜質(zhì)[10]。干法造粒由于沒(méi)有重復(fù)進(jìn)行清洗和脫水，一般用于生產(chǎn)對(duì)產(chǎn)品特性要求不是很高的低檔塑料制品。

1.2 油化回收技術(shù)

塑料產(chǎn)品主要是由石油加工合成的一種高分子化合物。理論上可以通過(guò)切除或切斷高分子中的某些化學(xué)鍵和原子團(tuán)使其重新得到類(lèi)似于油分子的化合物，具有和油分子相似的物理特性和化學(xué)特性。相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，這種類(lèi)似油分子的產(chǎn)品能夠作為燃料使用，可用作燃油鍋爐用油，實(shí)現(xiàn)能量回收的目的，并且轉(zhuǎn)化率達(dá)到75%~80%。目前，該技術(shù)受到處理難度大、技術(shù)要求高、投資成本高、所獲利潤(rùn)低等條件的限制[11]，很難推廣應(yīng)用。

1.3 化學(xué)回收技術(shù)

化學(xué)回收是通過(guò)分解聚合物結(jié)構(gòu)以獲得原單體或其它有價(jià)值的化學(xué)品的過(guò)程[11]。Hamad等人利用解聚（甲醇解、糖酵解和水解）、部分氧化（氣化）和裂解過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)化學(xué)回收目的[12]。熱解（熱催化）也能用于聚烯烴和其它加成聚合物回收，Panda等對(duì)加成聚合物塑料進(jìn)行熱解后，得到液體和氣體產(chǎn)物，收集后可被用作燃料使用，但分離操作的成本往往太高[13]，并且殘留的30%固體殘?jiān)鼪](méi)有任何價(jià)值，如果處置不當(dāng)會(huì)嚴(yán)重危害環(huán)境。

1.4 溶解技術(shù)

塑料雖然能夠在自然環(huán)境下保持相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性，但是遇到合適的溶解介質(zhì)時(shí)也會(huì)溶解。不同研究人員提出的溶解介質(zhì)包括二甲苯、醇和水的混合物以及有機(jī)溶劑等[14-16]，人們利用塑料的這一特性，通過(guò)添加各種顏料制成了各色建筑涂料。通過(guò)有機(jī)溶劑溶解聚苯乙烯能夠制成樹(shù)脂膠，含有笨系的溶劑能夠溶解PS，但該技術(shù)的關(guān)鍵步驟是對(duì)廢棄塑料進(jìn)行嚴(yán)格的分類(lèi)，在分類(lèi)過(guò)程中如果雜質(zhì)含量過(guò)多，會(huì)直接影響涂料和粘結(jié)劑的性能。

1.5 光降解和微生物降解技術(shù)

可降解薄膜一般分為生物可降解薄膜和光降解薄膜，生物可降解薄膜主要缺陷是價(jià)格昂貴，并且破裂呈不可預(yù)測(cè)趨勢(shì)，破解后交聯(lián)的聚乙烯微片仍長(zhǎng)時(shí)間留在土壤中。用石油基成分制造的光降解薄膜降解成二氧化碳和水的能力受到質(zhì)疑，在太陽(yáng)輻射較少的區(qū)域，降解速度也較慢。可降解農(nóng)膜目前僅處于試用階段，且未建立降解程度的評(píng)價(jià)制度。

1.6 塑料合金化

塑料合金化是指收集到的廢舊塑料在回收利用過(guò)程中與其它塑料混合或是加入某些添加劑，以加強(qiáng)不同聚合物之間的結(jié)合，提高原有塑料的物理特性[17]。其關(guān)鍵技術(shù)在于提高各個(gè)階段共混物的相容性，改善共混物界面應(yīng)力傳遞不良和機(jī)械性能差等問(wèn)題[18]。在制作塑料合金過(guò)程中，由于回收的聚丙烯（PP）與樹(shù)脂二者不相容，某些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)無(wú)法與樹(shù)脂結(jié)合為新的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致共混物的性能較差，所以需要一定的增容改造技術(shù)[19]。

1.7 改性再生利用

塑料改性是指廢舊聚乙烯通過(guò)高能量輻射、硅烷偶聯(lián)劑、紫外線法進(jìn)行交聯(lián)，大幅度提高其物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能的一種回收聚乙烯的方法。交聯(lián)改性后，其耐候性大大提高，應(yīng)力開(kāi)裂現(xiàn)象變得微乎其微，溫度等級(jí)可以增加到90℃，短路溫度可達(dá)130~250℃[20]，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于電線管、熱水器和熱收縮管等。

1.8 塑料枕木

塑料枕木價(jià)格較低，是木軌枕、普通軌枕價(jià)格的1/2。除此之外，相較于傳統(tǒng)枕木，塑料枕木還具有諸多優(yōu)勢(shì)，其生產(chǎn)周期短，使用壽命長(zhǎng)，易加工粗糙表面以防止其橫向移動(dòng)，具有良好的抗壓抗震性能，同時(shí)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)，在高溫高濕的條件下也不會(huì)出現(xiàn)木質(zhì)枕木那樣的腐爛情況。

1.9 木塑材料

木塑材料在加工過(guò)程中添加木粉或植物纖維進(jìn)行填充，然后經(jīng)過(guò)注塑機(jī)擠出成型，相對(duì)于木材來(lái)說(shuō)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在某些行業(yè)中可用來(lái)替代木材。廣泛用于包裝、建筑、制造業(yè)等領(lǐng)域，也可以作為生產(chǎn)板材、家具的材料。

1.10 建工材料

通過(guò)聚烯烴改性將廢棄農(nóng)膜做成筑墻磚體，大大改善了環(huán)境污染局面。Sullivan等通過(guò)試驗(yàn)證明把廢舊聚丙烯、廢橡膠、一些無(wú)機(jī)填料混合后通過(guò)擠壓成型得到了可用于建筑業(yè)的筑墻磚體，因?yàn)楹性S多揮發(fā)性成分，可以揮發(fā)為模壓發(fā)泡磚結(jié)構(gòu)，具有密度小、重量輕、隔音等特點(diǎn)，并且容易加工[21]。

1.11 廢聚乙烯改性瀝青

廢舊農(nóng)膜經(jīng)過(guò)粉碎造粒后在高溫高速攪拌下混合瀝青成為改性瀝青。在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)觀察改性瀝青在低溫和高溫情況下塑性開(kāi)裂和變化情況[17]，針對(duì)PE改性瀝青相容性差的問(wèn)題，可以加入不同增溶劑進(jìn)行改善，相較于普通的瀝青，廢聚乙烯改性瀝青具有較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性和較好的可塑性[22]。

2 廢棄塑料管理的生命周期評(píng)價(jià)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，廢舊農(nóng)膜引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中生命周期評(píng)價(jià)（LCA）方法在研究特定產(chǎn)品或過(guò)程的環(huán)境影響方面的使用頻率越來(lái)越高。Siracusa等研究了食品包裝中多層聚合物薄膜在產(chǎn)品整個(gè)生命周期中的環(huán)境影響，認(rèn)為與薄膜轉(zhuǎn)化工藝相比，以原材料生產(chǎn)塑料顆粒對(duì)環(huán)境影響最大。Rigamonti等評(píng)估了不同的廢舊塑料管理方案，包括再生利用、能量回收和焚燒。根據(jù)評(píng)估結(jié)果，作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)電力生產(chǎn)以煤和混合燃料產(chǎn)生的熱量作為基礎(chǔ)時(shí)，塑料焚燒產(chǎn)生電力成為首選方案。

3 我國(guó)農(nóng)膜回收利用現(xiàn)狀及建議

3.1 我國(guó)農(nóng)膜回收利用現(xiàn)狀

3.1.1 廢舊塑料開(kāi)發(fā)利用程度嚴(yán)重不足

根據(jù)中國(guó)塑料加工工業(yè)協(xié)會(huì)農(nóng)用薄膜專(zhuān)業(yè)委員會(huì)公布，2015年全國(guó)塑料制品的產(chǎn)量為7 560萬(wàn)t，廢棄量在3 000~4 000萬(wàn)t之間，約占總量的一半，回收利用量?jī)H為1800萬(wàn)t，這就意味著每年約有2 000萬(wàn)t的廢棄塑料被掩埋、焚燒或隨意丟棄。據(jù)有關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)廢棄塑料的年增長(zhǎng)量至少為200萬(wàn)t，而再生利用量只占到了總量的1/5。

3.1.2 缺少先進(jìn)適用的農(nóng)膜回收技術(shù)和裝備

治理農(nóng)田殘膜污染是個(gè)系統(tǒng)工程，涉及法律法規(guī)、補(bǔ)貼政策、地膜減量化應(yīng)用、可降解地膜應(yīng)用、PE地膜機(jī)械化回收和回收的殘膜資源化利用等系列問(wèn)題。地膜機(jī)械化回收的核心問(wèn)題是先進(jìn)適用的殘膜回收機(jī)械。自80年代中后期至今，全國(guó)研制的農(nóng)田殘膜回收機(jī)達(dá)到100余種，陳學(xué)庚院士團(tuán)隊(duì)在2014~2016年間研發(fā)出的農(nóng)田殘膜回收新機(jī)具也達(dá)到13種。雖然成績(jī)突出，但存在局限性，不能完全解決PE地膜回收問(wèn)題。

3.1.3 我國(guó)農(nóng)膜回收處理存在制約條件

我國(guó)回收造粒機(jī)生產(chǎn)企業(yè)主要集中在華北、華中、華南等地。設(shè)備相對(duì)落后，技術(shù)水平較低，管理經(jīng)驗(yàn)不足，先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和大型設(shè)備普及困難，產(chǎn)品技術(shù)含量較低，企業(yè)數(shù)量較少，以小型私人企業(yè)為主。據(jù)中國(guó)機(jī)械信息網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，塑料機(jī)械行業(yè)中資產(chǎn)超過(guò)千萬(wàn)的企業(yè)占23%，地方小企業(yè)占34%，私人經(jīng)營(yíng)的小作坊占4%。

3.2 我國(guó)農(nóng)膜回收再利用的發(fā)展建議

3.2.1 構(gòu)建農(nóng)膜應(yīng)用、回收和資源化利用技術(shù)體系

根據(jù)目前我國(guó)地膜應(yīng)用現(xiàn)狀可以判斷，要根本解決殘膜污染問(wèn)題，必須進(jìn)一步推進(jìn)我國(guó)農(nóng)田地膜機(jī)械化回收技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)殘膜的資源化利用。要從系統(tǒng)工程和全產(chǎn)業(yè)鏈的角度來(lái)考慮，將農(nóng)膜、農(nóng)機(jī)、農(nóng)藝相結(jié)合，采用耐候型地膜和合適的農(nóng)藝，為機(jī)械化回收創(chuàng)造良好條件，保證機(jī)械回收的殘膜含雜率低，為資源化利用創(chuàng)造條件，構(gòu)建農(nóng)膜應(yīng)用、回收和資源化利用技術(shù)體系。

3.2.2 拓寬回收農(nóng)膜的資源化利用渠道

從實(shí)際生產(chǎn)效果看，本文介紹的技術(shù)都是適合我國(guó)國(guó)情的加工處理方法，提升我國(guó)農(nóng)膜資源化利用水平需拓寬回收農(nóng)膜資源化利用渠道，擴(kuò)大回收企業(yè)規(guī)模，加大相關(guān)技術(shù)研發(fā)力度，縮短回收利用的工藝路線。另一方面也需加強(qiáng)塑料制品開(kāi)發(fā)力度，充分發(fā)揮回收物的材料特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)農(nóng)業(yè)、工業(yè)、市政建設(shè)等領(lǐng)域的低成本替代產(chǎn)品，形成良好的殘膜回收資源化利用產(chǎn)業(yè)鏈。