畢瑩瑩，劉景洋，董莉，孫曉明

國家環(huán)境保護生態(tài)工業(yè)重點實驗室，中國環(huán)境科學研究院

聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）是由對苯二甲酸（terephthalic acid）和乙二醇（ethylene glycol）化合形成的聚合物，是PET 飲料瓶的主要成分。PET 瓶因質(zhì)量輕、強度高、成本低、耐酸堿以及安全性高而被廣泛用作飲料包裝[1]，在飲料包裝中占據(jù)不可替代的地位。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和消費升級，飲料剛性需求增加，PET 瓶的消耗量和廢舊PET 瓶的產(chǎn)生量隨之激增。中國物資再生協(xié)會再生塑料分會發(fā)布的《2019—2020 中國再生塑料行業(yè)發(fā)展報告》中顯示，2019 年我國廢塑料回收量達1 890 萬t，其中，廢PET 瓶總回收量占比為22%，超過電子電器塑料、汽車廢塑料、農(nóng)膜、快遞包裝和未被污染的輸液瓶袋，而飲料瓶在廢PET 瓶中占比近90%。由于塑料的聚合物結構很難自然降解[2]，通常自然降解時間長達200～400 年[3]，廢PET 瓶是白色污染的重要來源，同時，我國廢PET 飲料瓶量大面廣、資源化價值較高，因而一直廣受關注。2020 年，“新版限塑令”《關于進一步加強塑料污染治理的意見》及新修訂的《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》先后發(fā)布，新法規(guī)要求逐步實現(xiàn)固體廢物零進口，加強生活垃圾分類管理，這也為國內(nèi)廢PET 瓶回收提供了新的發(fā)展契機。

因優(yōu)質(zhì)的材料性能和市場價值，PET 飲料瓶回收率一直都比較高，但在生產(chǎn)和生活中，PET 飲料瓶多與其他PET 包裝混合在一起，國內(nèi)鮮有針對PET 飲料瓶的產(chǎn)生量和回收率的系統(tǒng)研究。目前，國內(nèi)已有的研究集中在論述PET 飲料瓶的回收利用方法[4-8]和回收物流體系[9-10]、資源化管理對策和政策建議[11-12]，以及PET 瓶設計[13-14]等方面?；谖覈鳳ET 飲料瓶產(chǎn)生量和回收率統(tǒng)計的難度及統(tǒng)計數(shù)據(jù)的缺失，筆者以飲料產(chǎn)量、PET 瓶裝的飲料產(chǎn)量與PET 飲料瓶消費量的正相關性為基礎，測算了近年來PET 飲料瓶的消費量，即廢PET 飲料瓶產(chǎn)生量；以此為基礎，采用灰色預測模型，預測2020—2025 年我國廢PET 飲料瓶產(chǎn)生量；并通過統(tǒng)計回收體系外的廢PET 飲料瓶所占比例，逆向測算出我國PET 飲料瓶的回收率，以期為政府制定PET 飲料瓶回收體制機制、回收目標，優(yōu)化回收體系提供參考，同時也為進一步提升我國PET 飲料瓶乃至其他廢塑料的回收水平提供思路。

1 研究方法

1.1 廢PET 飲料瓶產(chǎn)生量測算與預測

1.1.1廢PET 飲料瓶產(chǎn)生量測算

飲料產(chǎn)品流通周期為半年左右，因此可以認為當年的飲料產(chǎn)品當年流通消費。因PET 飲料瓶不會隨消費而消耗減重，即PET 飲料瓶的表觀消費量等于廢PET 瓶的產(chǎn)生量。由于PET 飲料瓶全部用于盛裝飲料產(chǎn)品，因此PET 瓶裝的飲料產(chǎn)量和PET 瓶消費量存在顯著的正相關性；而目前國內(nèi)僅有飲料總產(chǎn)量的統(tǒng)計，未單獨統(tǒng)計PET 瓶裝的飲料量及其消耗的PET 瓶量，基于此前提和基礎，建立起我國飲料總產(chǎn)量—PET 瓶裝的飲料產(chǎn)量—廢PET 飲料瓶產(chǎn)生量（PET 飲料瓶消費量）間的數(shù)量響應關系。

1.1.22020—2025 年廢PET 飲料瓶產(chǎn)生量預測

基于灰色系統(tǒng)理論，建立灰色模型（GM 模型）。GM 模型是以部分信息已知，部分信息未知的小樣本、信息不確定系統(tǒng)為研究對象，將由隨機擾動項所引起的沖擊序列進行由灰色到白色的轉換灰色模型[15-16]。具體預測步驟如下。

校驗原始數(shù)據(jù)級比，考察模擬要用的原始數(shù)據(jù)是否都位于灰色分析模型可覆蓋范圍內(nèi)，若超過模型可覆蓋區(qū)間，則需進行數(shù)據(jù)平移或弱化。假設原始數(shù)據(jù)列為無規(guī)律的時間序列X=(x1,x2,···,xn)，數(shù)列級比計算公式如下：

式中：λ(k)為級比；n為時間序列長度。

計算模型可覆蓋區(qū)間Z，公式如下：

將時間序列X進行累加（AGO），使其生成較為規(guī)律的累加數(shù)列Yt=（y1,y2,···,yn），其中：

建立關于Yt的一階微分方程，即GM(1,1)預測模型的白化方程：

式中a、u為待識別的灰參數(shù)。

對式（4）進行微分方程求解：

式中x1為初始時刻的原始數(shù)據(jù)。采用1stOpt 軟件中擬合參數(shù)求解計算方法對a、u2 項參數(shù)進行求解。

計算實際數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的相對殘差進行預測值檢驗，公式如下：

式中ε(k)為相對殘差。當|ε(k)|＜0.1，則認為模型達到較高要求；當0.1 ＜|ε(k)|＜0.2，則認為模型達到一般要求；否則，模型未達到要求。

1.2 廢PET 飲料瓶平均質(zhì)量測算

設計飲料企業(yè)包裝使用情況調(diào)查問卷，對飲料瓶類型、使用量、單個飲料瓶質(zhì)量進行調(diào)查，調(diào)查典型樣本企業(yè)的包裝飲用水、碳酸飲料、非碳酸飲料等不同飲料產(chǎn)品的不同規(guī)格（330、400、500、550、600、1 000、1 250、1 500、2 000、2 500、5 000 mL）PET 瓶的質(zhì)量。調(diào)研樣本為包裝飲用水、碳酸飲料、非碳酸飲料三大類飲品的主要供應企業(yè)，能夠反映國內(nèi)飲料市場分布情況，其PET 瓶子規(guī)格涵蓋了市場上90%以上種類。采用加權平均法計算單個PET 飲料瓶的平均質(zhì)量，公式如下：

式中：m為單個PET 飲料瓶的平均質(zhì)量，g；wj為不同規(guī)格的PET 飲料瓶質(zhì)量的占比，占比之和為1；mxj為不同規(guī)格PET 飲料瓶的質(zhì)量，g。

1.3 廢PET 飲料瓶回收率計算

研究廢PET 飲料瓶的物質(zhì)代謝過程和逆向物流，為廢PET 飲料瓶回收率測算奠定基礎。與傳統(tǒng)的物質(zhì)流分析不同，在包裝廢物物質(zhì)代謝的物質(zhì)流中，物質(zhì)的輸入端是包裝廢物而不是原料，輸出端是再生產(chǎn)品[17]。基于此原理，從再生資源輸入、回收利用、再生產(chǎn)品輸出3 個模塊考慮[18]，重點分析廢PET 飲料瓶不同回收路徑及流向。逆向物流與傳統(tǒng)的正向物流的物質(zhì)流動方向相反，物品由消費端向生產(chǎn)端延伸，即由產(chǎn)業(yè)鏈下游向上游運動[19]。本研究PET 飲料瓶逆向物流僅指廢物物流，指消費后失去原有使用價值的PET 飲料瓶回收至上游企業(yè)，經(jīng)加工處理后作為原料再次進入產(chǎn)業(yè)鏈?；赑ET 飲料瓶的物質(zhì)流和逆向物流，從物質(zhì)代謝的角度入手，定性分析PET 飲料瓶物質(zhì)代謝過程中的流向以及它們之間的相互關系，形成廢PET 飲料瓶物質(zhì)代謝的物質(zhì)流框架，如圖1 所示。

圖1 廢PET 飲料瓶物質(zhì)代謝的物質(zhì)流分析框架Fig.1 Material flow analysis framework for material metabolism of waste PET drinking bottles

從圖1 看出，廢PET 飲料瓶進入回收利用體系，或流向餐廚垃圾處理廠、垃圾填埋場、垃圾焚燒場以及遺散于海灘等地，除回收利用量（本研究不包括熱能回收），其他為損失量。選取北京市和海南省開展實測，測算回收體系外的廢PET 飲料瓶所占比例。實測樣本點為北京某垃圾填埋場、北京某餐廚垃圾處理場、海南某垃圾分揀中心、海南某餐廚垃圾處理場、海南某垃圾填埋場、海南某生活垃圾填埋場、海南某垃圾發(fā)電廠、海南某環(huán)保餐廚處理場；海灘的塑料垃圾密度數(shù)據(jù)來自海灘現(xiàn)場實測，并綜合了全國公益凈灘行動的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。通過現(xiàn)場取樣，測算各樣本點PET 飲料瓶數(shù)量及質(zhì)量，綜合考察各場地的PET 飲料瓶總量及其在全國廢PET 飲料瓶中的占比。

餐廚垃圾處理廠中PET 的飲料瓶總量根據(jù)下式測算：

式中：M1為餐廚垃圾中PET 飲料瓶總量，萬t；C1為餐廚垃圾總產(chǎn)量，萬t；P1為餐廚垃圾中PET 飲料瓶占比，%，采用餐廚垃圾處理廠現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)。

測算垃圾填埋場中PET 的飲料瓶總量，公式如下：

式中：M2為填埋垃圾中PET 飲料瓶總量，萬t；C2為填埋垃圾總量，萬t；P2為填埋垃圾中PET 飲料瓶占比，%，采用垃圾填埋場現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)。

測算焚燒發(fā)電廠中PET 的飲料瓶總量，公式如下：

式中：M3為焚燒垃圾中PET 飲料瓶總量，萬t；C3為焚燒垃圾總量，萬t；P3為焚燒垃圾中PET 飲料瓶占比，%，采用焚燒發(fā)電廠現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)。

海岸垃圾的檢測包括樣品采集、分類、計數(shù)、測算大小、稱重、統(tǒng)計密度、辨識來源等步驟。灘涂垃圾密度或PET 的飲料瓶密度采用下式測算：

式中：D為垃圾或PET 飲料瓶的密度，個/km2或g/km2；W為調(diào)查海灘的寬度或拖網(wǎng)的有效寬度，m；L為調(diào)查海灘的總長度，m；N為對應的垃圾或PET飲料瓶的數(shù)量或者質(zhì)量，個或g。

2 研究結果

2.1 我國廢PET 飲料瓶產(chǎn)生量

對全國規(guī)模以上飲料生產(chǎn)企業(yè)開展問卷調(diào)查，結果如圖2 所示。將全國飲料生產(chǎn)企業(yè)作為總體，調(diào)研樣本的產(chǎn)量占總體產(chǎn)量的50%以上，統(tǒng)計樣本的飲料產(chǎn)量、PET 瓶裝的飲料產(chǎn)量及對應的PET 飲料瓶消費量（廢PET 飲料瓶產(chǎn)生量），建立基于全國的數(shù)量響應關系〔式（13）和式（14）〕。

圖2 問卷調(diào)查結果Fig.2 Results of questionnaire

式中：MPET為PET 飲料瓶消費量（廢PET 飲料瓶產(chǎn)生量），萬t；PPET為PET 瓶裝的飲料產(chǎn)量，萬t；P為全國飲料總產(chǎn)量，萬t；c1為單位質(zhì)量飲料對PET 瓶的需求，取31 g/kg；c2為現(xiàn)階段全國PET 瓶裝的飲料與飲料總產(chǎn)量的比例，取79%。

根據(jù)國家統(tǒng)計局關于2014—2019 年全國飲料總產(chǎn)量的數(shù)據(jù)，由式（13）和式（14）計算2014—2019 年廢PET 飲料瓶產(chǎn)生量，結果如表1 所示?？紤]到廢PET 飲料瓶回收有近6 個月的滯后時間，取2018 年和2019 年2 年的平均值作為目前廢PET 飲料瓶年總產(chǎn)生量，為415.5 萬t。

表1 2014—2019 年我國飲料瓶產(chǎn)生量Table 1 Total drinking bottles production from2014 to 2019 in China 萬t

基于2014—2019 年廢PET 飲料瓶產(chǎn)生量，采用式（1）和式（2）計算2015—2019 年廢PET 飲料瓶產(chǎn)生量的級比和模型可覆蓋區(qū)間，級比結果如表2 所示。所有數(shù)據(jù)級比均位于模型可覆蓋區(qū)間〔Z=（0.751 5，1.331 0）〕內(nèi)，可采用灰色分析模型進行預測。

表2 廢PET 飲料瓶產(chǎn)生量數(shù)據(jù)校驗結果與相對殘差Table 2 Data verification and relative residuals of waste PET drinking bottle production

采用式（3）構建2014—2019 年廢PET 飲料瓶產(chǎn)生量X的累加數(shù)列Yt，根據(jù)式（4）構建關于Yt的白化方程，并采用1stOpt 求解其中的參數(shù)a、u，得出a=0.019 8，u=464.24。以2014 年廢PET 飲料瓶產(chǎn)生量為初值（x1=415，t1=2014）帶入白化方程，得到2014—2025 年的預測值累加數(shù)列，采用式（6）對該累加數(shù)列進行累減運算，得到廢PET 飲料瓶產(chǎn)生量的模擬值，并根據(jù)式（7）計算2015—2019 年模擬值與實際值的相對殘差（表2）。由表2 可見，模擬值與實際值相對殘差均小于0.1，模型達到較高要求，即灰色分析模型可以有效預測廢PET 飲料瓶產(chǎn)生量，預測結果符合統(tǒng)計學要求。

通過以上計算，得到2020—2025 年我國廢PET飲料瓶產(chǎn)生量預測值如圖3 所示。由圖3 可知，2020—2025 年我國廢PET 飲料瓶年產(chǎn)生量為370 萬～409 萬t。

圖3 2020—2025 年我國廢PET 飲料瓶產(chǎn)生量預測值Fig.3 Forecasted production of waste PET drinking bottles in China in 2020-2025

2.2 單個PET 飲料瓶質(zhì)量

圖4 顯示了調(diào)查的3.3×1010個PET 飲料瓶的質(zhì)量及占比信息：碳酸飲料的單個PET 瓶質(zhì)量為18～45.7 g，其中，20～30 g 占比最高，為53.52%；非碳酸飲料的單個PET 瓶質(zhì)量為22～46 g，其中，20～30 g 占比最高，為13.29%；包裝飲用水的單個PET 瓶質(zhì)量為9.4～76 g，其中，20 g 以下占比最高，為21.74%。按式（8）得到單個PET 飲料瓶的平均質(zhì)量為23 g。

圖4 調(diào)查中不同類型PET 飲料瓶質(zhì)量及占比Fig.4 Quality and weight of different types of PET drinking bottles in the survey

2.3 我國廢PET 飲料瓶回收率

2.3.1典型場地中廢PET 飲料瓶總量

（1）餐廚垃圾處理廠

《2020 年中國餐廚垃圾處理產(chǎn)業(yè)分析報告》[20]顯示，2018 年和2019 年中國餐廚垃圾產(chǎn)生量分別為10 760.91 萬、11 280.94 萬t，平均為11 020.93 萬t。根據(jù)樣本實測，每個質(zhì)量級為3 t 的餐廚垃圾運輸車含有10～15 個PET 飲料瓶，按式（9）測算餐廚垃圾中PET 飲料瓶平均為10 562 t。根據(jù)2.1 節(jié)計算結果，我國廢PET 飲料瓶年產(chǎn)生量為415.5 萬t，則餐廚垃圾處理廠中的PET 飲料瓶在我國廢PET 飲料瓶總量中占比約為0.25%。

（2）垃圾填埋場

據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，2018 年和2019 年我國生活垃圾填埋處置量分別為11 706.0 萬、10 948.0 萬t，平均為11 327 萬t。根據(jù)樣本實測，1 t 填埋垃圾中含有15～35 個PET 飲料瓶，按式（10）測算填埋垃圾中PET 飲料瓶平均為65 130 t。則垃圾填埋場中的PET飲料瓶在我國廢PET 飲料瓶總量中占比約為1.57%。

（3）焚燒發(fā)電廠

國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2018 年和2019 年我國城市生活垃圾焚燒處理量分別為10 184.9 萬、12 174.2萬t，平均為11 179.55 萬t。根據(jù)對垃圾吊車每t 抓手的PET 飲料瓶的實測，1 t 垃圾中含有20～38 個PET飲料瓶，按式（11）測算焚燒垃圾中的PET 飲料瓶平均為74 568 t。則焚燒發(fā)電廠中的PET 飲料瓶在我國PET 飲料瓶總量中占比約為1.80%。

其中，垃圾填埋場和焚燒發(fā)電廠中的測算比例符合Chen 等[21]預測的“十三五”時期我國廢PET塑料總體填埋和焚燒所占比例(1.4%和1.7%)趨勢。

（4）海灘

參考NOWPAP（Northwest Pacific Action Plan）的統(tǒng)計方法，將采集的海洋垃圾按材料分成5類[22]，結果如表3 所示。

表3 海洋垃圾分類[22]Table 3 Classification of marine garbage

對垃圾進行測量和稱重（干質(zhì)量），統(tǒng)計不同種類垃圾的數(shù)量和質(zhì)量，根據(jù)調(diào)查面積計算其數(shù)量密度或質(zhì)量密度，估算海洋垃圾中PET 飲料瓶的占比。受地域影響，不同海灘的一般塑料類垃圾數(shù)量密度為0.02～3.6 個/m2，質(zhì)量密度為0.4～110 g/m2，其中，PET 飲料瓶數(shù)量密度為0～0.025 個/m2。海灘面積以我國灘涂面積為21 709 km2[23]計，則海灘垃圾中的PET 飲料瓶在我國廢PET 飲料瓶總量中的比例遠低于1%。

2.3.2我國PET 飲料瓶回收率

通過定量和定性分析，測算出典型場地中PET 飲料瓶總量，進一步得出餐廚垃圾處理廠、垃圾填埋場、焚燒發(fā)電廠及海灘的PET 飲料瓶在我國廢PET 飲料瓶總量中的比例，平均分別為0.25%、1.57%、1.80%、＜1%（以1%計），逆向測算出目前我國PET 飲料瓶回收率約為95.4%，回收量接近400 萬t。

3 結論

（1）基于PET 瓶裝飲料的產(chǎn)量和PET 瓶消費量的正相關性，建立了飲料總產(chǎn)量-PET 瓶裝的飲料產(chǎn)量-廢PET 飲料瓶產(chǎn)生量（PET 飲料瓶消費量）間的數(shù)量響應關系，基于灰色模型，預測2020—2025 年我國廢PET 飲料瓶的年產(chǎn)生量為370 萬～409 萬t。

（2）采用問卷調(diào)查方式對國內(nèi)包裝飲用水、碳酸飲料、非碳酸飲料三大類飲品的主要供應企業(yè)及市場上90%以上規(guī)格種類的PET 飲料瓶進行統(tǒng)計，通過加權平均法計算出單個PET 飲料瓶的平均質(zhì)量為23 g，并以此作為PET 飲料瓶回收率測算參數(shù)。

（3）根據(jù)我國PET 飲料瓶回收現(xiàn)狀和物質(zhì)代謝分析，形成了以回收利用體系、餐廚垃圾處理廠、垃圾填埋場、垃圾焚燒發(fā)電廠、海灘等地為主要流向的廢PET 飲料瓶物質(zhì)代謝流向框架；現(xiàn)場實測表明，流向餐廚垃圾處理廠、垃圾填埋場、垃圾焚燒發(fā)電廠、海灘等地的廢PET 飲料瓶所占比例平均分別為0.25%、1.57%、1.80%、＜1%，推測出現(xiàn)階段我國廢PET 飲料瓶的回收率超過95%，已處于較高的水平。