韓石磊,張付申*

廢棄生物可降解塑料的處理方法與發(fā)展趨勢

韓石磊1,2,張付申1,2*

(1.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,固體廢棄物處理與資源化實(shí)驗(yàn)室,北京 100085；2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

生物可降解塑料近年來在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,廢棄后的生物可降解塑料(WBP)制品容易對環(huán)境造成污染,其回收處理與資源化利用是這類塑料規(guī)模化應(yīng)用的重要保障.本文介紹了WBP的主要處理方法,重點(diǎn)對機(jī)械回收、化學(xué)回收、生物處理、填埋、焚燒和升級利用進(jìn)行了闡述,進(jìn)一步分析了在回收處理過程中遇到的問題,預(yù)測了未來發(fā)展的趨勢,以期為WBP的綠色處理與資源高效再生循環(huán)提供指導(dǎo).

生物可降解塑料；化學(xué)回收；生物處理；升級利用；資源循環(huán)

近年來,世界各國相繼出臺了一系列關(guān)于一次性塑料制品的管理措施[1],加之對日益短缺石油資源的重視,生物可降解塑料的使用量逐年提高[2].據(jù)報(bào)道,2022年全球生物可降解塑料產(chǎn)能約126萬t,主要包括聚乳酸(PLA)、聚對苯二甲酸-己二酸丁二醇酯(PBAT)、淀粉基塑料、聚羥基脂肪酸酯(PHA)等[3].生物可降解塑料不僅可以緩解石油短缺的現(xiàn)狀,還可以降低對環(huán)境與人體健康的危害[4],目前已經(jīng)在日常生活[5-6]、農(nóng)業(yè)[7]、包裝、醫(yī)療[8-9]、汽車等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用.

1 生物可降解塑料的來源及特點(diǎn)

生物可降解塑料可根據(jù)其來源分為生物基可降解塑料和石化基生物可降解塑料,生物基可降解塑料主要是利用生物質(zhì)如淀粉、纖維素、木質(zhì)素、殼聚糖等作為主要原料生產(chǎn)生物可降解塑料[10].石化基生物可降解塑料是以煤、石油等化石能源為主要原料生產(chǎn)生物可降解塑料.如圖1所示,部分生物基塑料的原料來自生物質(zhì),但不一定能被生物降解,其生物降解性是根據(jù)降解的途徑以及降解速率確定的[11-12];還有部分生物可降解塑料是化石燃料基,但可以被生物降解.典型的例子是生物基聚對苯二甲酸己二醇酯(PET)來源于可再生資源,但不能被生物降解,相反聚己內(nèi)酯(PCL)是石油基塑料,但是可以完全被生物降解[13].常見的生物可降解塑料的合成方式、優(yōu)缺點(diǎn)和降解環(huán)境如表1所示.

傳統(tǒng)塑料的不可降解性破壞了生態(tài)平衡,并且由于缺乏有效的處理方法,大部分塑料廢棄物被焚燒,造成大量溫室氣體排放[14].生物可降解塑料雖然能有效改善傳統(tǒng)塑料存在的問題,但是,廢棄生物可降解塑料(WBP)制品如果不采取恰當(dāng)?shù)奶幚矸椒?同樣會(huì)對環(huán)境造成危害[15-16].生物可降解塑料可以在自然環(huán)境中通過光、熱、濕度和化學(xué)條件以及生物活性等環(huán)境因素影響,使聚合物發(fā)生鏈斷裂、化學(xué)轉(zhuǎn)換和物理變化[17],最終分解成CO2和H2O,一般認(rèn)為不需要進(jìn)行回收.實(shí)際上,生物可降解塑料通常用作一次性材料,并且成本高于傳統(tǒng)塑料.WBP只利用環(huán)境中的微生物進(jìn)行降解處理而不采取回收處理,將會(huì)導(dǎo)致更多的碳排放和資源浪費(fèi).因此,從資源利用和低碳排放的角度出發(fā),必須對WBP進(jìn)行回收處理[18].

另一方面,從循環(huán)經(jīng)濟(jì)的視角分析,WBP的循環(huán)利用同樣需要關(guān)注.圖2是WBP處理方案的循環(huán)與管理等級,可根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的處理方法[19-20].本文圍繞近年來國內(nèi)外WBP的處理研究,對其處理方法歸納總結(jié),分析了機(jī)械回收、化學(xué)處理、生物處理、填埋、焚燒、升級回收的優(yōu)缺點(diǎn),并結(jié)合目前的處理方法預(yù)測了WBP處理方法的發(fā)展趨勢,以期為WBP資源的高效回收利用提供參考.

圖1 生物可降解塑料的來源[21]

圖2 生物可降解塑料處理方案中的再生利用與管理級別[20]

表1 不同種類生物可降解塑料的特點(diǎn)

2 可降解塑料的處理方法

2.1 機(jī)械回收

機(jī)械回收是常見的一種WBP回收方法,優(yōu)點(diǎn)是投資少、技術(shù)參數(shù)可控、操作簡單[30],其流程包括回收、分類、研磨、再加工四個(gè)步驟[31-32].機(jī)械回收WBP可分為開環(huán)回收與閉環(huán)回收,閉環(huán)回收亦稱為初級回收,是對廢棄物的再處理與再利用,能夠回收高質(zhì)量產(chǎn)品.閉環(huán)回收要求原料清潔、無污染、類型單一;開環(huán)回收亦稱二次回收,需對回收的塑料再加工,其再加工的產(chǎn)品可作為原料用于其它領(lǐng)域.機(jī)械回收的機(jī)理是利用機(jī)械物理作用發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)以及機(jī)械力化學(xué)效應(yīng),回收廢舊生物可降解塑料.在強(qiáng)烈的多種機(jī)械力及摩擦熱的綜合作用下,WBP內(nèi)部分子鏈斷裂生成機(jī)械力活化原子基團(tuán),即自由基.網(wǎng)狀交聯(lián)大分子聚合物隨分子鏈的斷裂,形成更小的網(wǎng)狀交聯(lián)單元.交聯(lián)密度下降,產(chǎn)生低聚交聯(lián)的高聚物.從而實(shí)現(xiàn)塑料的再生回收和循環(huán)利用[33-34].

生物可降解塑料產(chǎn)品與傳統(tǒng)塑料制品在外觀與手感上相似,不易區(qū)分,因此WBP在回收過程中容易混入傳統(tǒng)塑料,而WBP的混入對塑料回收率以及產(chǎn)物的性能都會(huì)產(chǎn)生影響[35].機(jī)械熔融回收WBP和傳統(tǒng)塑料的混合物,其機(jī)械性能與單獨(dú)熔融回收的傳統(tǒng)塑料相比會(huì)下降,主要是因?yàn)閃BP與傳統(tǒng)塑料不能完全混熔[36-37].Aldas等[38]研究表明,WBP的混入會(huì)降低回收的聚對苯二甲酸己二醇酯(PET)機(jī)械性能,并且對其外觀也會(huì)產(chǎn)生影響.單一種類的WBP經(jīng)過多次機(jī)械處理,會(huì)導(dǎo)致其鏈斷裂過程中發(fā)生化學(xué)結(jié)晶,因此性能也有所下降.Akesson等[39]采用擠壓成型對聚羥基丁酸酯(PHB)多次再循環(huán)處理,通過測試聚合物結(jié)構(gòu)與熱機(jī)械性能評估其回收性,經(jīng)過兩次擠壓循環(huán)后,材料的物理性能顯著降低,第三次循環(huán)后,拉伸強(qiáng)度降低50%以上.為解決機(jī)械回收處理WBP性能下降的問題,有研究人員利用多次擠出的聚合物采用共混機(jī)械循環(huán)或添加擴(kuò)鏈劑的方法進(jìn)行改善,例如PLA的脆性可以與PBAT共混解決,熱塑性淀粉的吸濕性可以與親水性差的PBAT混合解決[40].Beltran等[31,41-42]將回收的PLA與原始聚合物共混并添加少量擴(kuò)鏈劑和有機(jī)填料用于改善回收的PLA性能,結(jié)果表明其有助于提高PLA的可回收性,并減小材料對環(huán)境的危害.

WBP中摻雜其它塑料會(huì)給機(jī)械回收帶來一定難度,因此需要開發(fā)出集分類與收集于一體的技術(shù),從而將WBP與其它種類的塑料進(jìn)行有效分離.目前,適用于傳統(tǒng)塑料的分類技術(shù)較為成熟,但分離WBP與傳統(tǒng)塑料的設(shè)備與方法并不多,近紅外光譜分選(NIR)是分離WBP與傳統(tǒng)塑料的常用技術(shù).美國的Nature Works公司用NIR有效分離了PLA與PET,有效降低后續(xù)回收工作的壓力[16,43].Wojnowska等[30]利用NIR測試PLA在混合廢塑料中的分離效果,結(jié)果表明NIR可以有效分離PLA,并且生物基塑料不會(huì)干擾傳統(tǒng)塑料的回收.Chen等[44]用NIR對塑料廢棄物進(jìn)行分選,通過對PLA的物理和光譜特性研究,確定了PLA可以從常規(guī)塑料中分離,并且PLA不影響常規(guī)塑料的檢測與分類過程.

生物可降解塑料的機(jī)械回收都是基于熱機(jī)械再加工,沒有過多成熟的工業(yè)設(shè)施,多數(shù)研究仍在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行.因此WBP機(jī)械處理的關(guān)鍵是解決回收塑料摻雜問題,完善閉環(huán)回收的工藝,從而保證回收產(chǎn)品的質(zhì)量.目前,機(jī)械回收的價(jià)格評估按1t處理量進(jìn)行計(jì)算,直接擠出成型的成本為88.64元,直接造粒的成本是105.08元,相對于用原材料直接生產(chǎn)生物可降解塑料,機(jī)械回收WBP的利潤相當(dāng)可觀[45].

機(jī)械回收生物可降解塑料的中試應(yīng)用是Soroudi等[46]以廢棄PLA為研究對象,測試了廢棄物的機(jī)械性能、流變性能、熱性能以及穩(wěn)定劑對廢棄PLA性能的影響,發(fā)現(xiàn)中試規(guī)模上廢棄物的機(jī)械循環(huán)最高可達(dá)7次,廢棄PLA再處理的冷卻過程中結(jié)晶度會(huì)隨著注射循環(huán)次數(shù)的增加而增加,這可以通過注射過程中鏈斷裂引起的鏈遷移率較高,穩(wěn)定劑的加入在冷卻過程中會(huì)抑制結(jié)晶.此外,PLA的大部分機(jī)械性能會(huì)迅速變?nèi)?導(dǎo)致無法用于聚合物的工業(yè)應(yīng)用,這種性能的下降可通過流變實(shí)驗(yàn)和分子量測試解釋.并且發(fā)現(xiàn)醌是一種有效穩(wěn)定劑,可以捕獲自由基并在加工溫度下隨著時(shí)間的推移保持PLA的鏈長.

2.2 化學(xué)回收

化學(xué)回收是通過化學(xué)反應(yīng)改變聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu),將WBP分解成低聚物或單體用于合成新材料,從而實(shí)現(xiàn)重新制作產(chǎn)品并且不會(huì)降級循環(huán)的目標(biāo)[47].化學(xué)回收WBP可根據(jù)反應(yīng)條件的不同分為醇解、水解、酶促降解、還原解聚、糖酵解等[47].表2是化學(xué)回收和機(jī)械回收的研究結(jié)果、實(shí)驗(yàn)方法、技術(shù)參數(shù)的匯總.

表2 機(jī)械回收和化學(xué)回收生物可降解塑料的研究方法、獲得的結(jié)論或最終產(chǎn)品[27-29]

2.2.1 醇解 根據(jù)試劑的不同,醇解可分為甲醇解聚與乙醇解聚,常用的是甲醇解聚.醇解適用于生物基生物可降解塑料和石油基非生物可降解塑料,如利用甲醇可以將聚乳酸(PLA)轉(zhuǎn)化為乳酸甲酯,同樣使用甲醇也可以對聚對苯二甲酸己二醇酯(PET)進(jìn)行解聚[48].醇解的機(jī)理是以甲醇或乙醇作為溶劑對高分子聚合物起到溶解-解聚的作用,同時(shí)作為反應(yīng)物起到酯交換作用,因此聚酯的降解反應(yīng)是在聚合物分子鏈的無規(guī)則斷裂和聚酯結(jié)構(gòu)中進(jìn)行酯交換反應(yīng)的雙重作用下發(fā)生[49].

不同種類的醇,可以通過酯交換反應(yīng)破壞PLA的酯鍵產(chǎn)生乳酸酯,同時(shí)還需要酯交換催化劑才能實(shí)現(xiàn)PLA在相對溫和的反應(yīng)條件下充分解聚[50-51].目前,大多數(shù)醇解研究聚焦在可控生產(chǎn)聚乳酸的催化劑.Leibfarth等[52]利用三氮雜環(huán)癸烯(TBD)催化劑,將廢棄PLA在室溫條件下轉(zhuǎn)化為乳酸酯,并且完全保留乳酸物種的化學(xué)成分.Liu等[53]將FeCl3作為催化劑,回收PLA甲醇解聚的乳酸甲酯,在最佳反應(yīng)條件下,PLA的轉(zhuǎn)化率達(dá)到96.0%,乳酸甲酯的回收率達(dá)到87.2%,并且FeCl3可以在給定條件下至少重復(fù)使用6次.Xie等[54]以PLA為研究對象,四甲基氟化銨(TMAF)作為催化劑,發(fā)現(xiàn)商用PLA顆?？梢酝耆患状冀饩?產(chǎn)率接近100%,并且TMAF可以重復(fù)使用.

為了進(jìn)一步提高醇解回收WBP的效率,實(shí)現(xiàn)對WBP的規(guī)模性回收,研究者對實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了諸多改進(jìn).Nim等[55]為提高醇解效率,開發(fā)了利用多種醇對廢棄PLA醇解的工藝,以1,3-丙二醇(PDO)、丙二醇(PG)和甘油(Gly)為原料,鈦酸四丁酯(TBT)為催化劑,采用微波反應(yīng)器進(jìn)行醇解反應(yīng),通過對產(chǎn)物的組成和結(jié)構(gòu)分析,其醇解產(chǎn)物主要是單乳酸鹽,表明此工藝在長鏈PLA的酯鍵裂解應(yīng)用具有較高效率.Lamberti等[56]為實(shí)現(xiàn)PLA的大規(guī)?；厥?采用醋酸鋅二水化合物(ZnAc)和4-(二甲胺基)吡啶(DMAP)酯交換催化劑進(jìn)行測試,最終將甲醇和乙醇轉(zhuǎn)化為增值產(chǎn)品乳酸甲酯與乳酸乙酯,結(jié)果表明該反應(yīng)分為兩步,第一步反應(yīng)活化能為73kJ/mol,第二步反應(yīng)活化能為40.16kJ/mol,當(dāng)兩種催化劑的比例相等時(shí),反應(yīng)會(huì)出現(xiàn)協(xié)同效應(yīng),會(huì)產(chǎn)生最高的反應(yīng)速率,由于這兩種催化劑的價(jià)格低廉,因此這種協(xié)同效應(yīng)有利于PLA的大規(guī)模回收.

2.2.2 水解 生物可降解塑料的水解是指脂肪族聚酯的解聚,主要由聚合物主鏈鍵類型決定其鍵斷裂動(dòng)力學(xué)[17],通常需要在高溫、高壓、添加酸催化劑的條件下處理[57].生物可降解塑料的水解機(jī)理是藻類、真菌、細(xì)菌等天然微生物利用現(xiàn)有的酶,催化聚合物的鏈發(fā)生斷裂,最終產(chǎn)生單體和低聚物的過程.水解主要通過表面侵蝕或整體侵蝕進(jìn)行.生物可降解塑料表面和內(nèi)部均會(huì)發(fā)生整體侵蝕,通過水在聚合物無定型區(qū)域的擴(kuò)散引發(fā)水解反應(yīng),低聚物緩慢擴(kuò)散到聚合物表面后逐漸溢出[58-59].表面侵蝕從聚合物表面開始,聚合物的體積減小,并且表面侵蝕速率遠(yuǎn)高于整體侵蝕,表面侵蝕是疏水聚合物、半結(jié)晶聚合物以及水解速率較快的聚合物發(fā)生降解的主要機(jī)制[60].

WBP水解處理的缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜、成本高、水解慢.目前,已有學(xué)者在探究生物可降解塑料在不同條件下的水解速率,從而總結(jié)出最佳的降解條件.Yagihashi等[61]采用控制變量法,對PLA的降解進(jìn)行探究,發(fā)現(xiàn)在堿性水熱條件下更有利于PLA的降解,結(jié)果表明PLA的降解反應(yīng)發(fā)生在顆粒表面,限速步驟是產(chǎn)物在表面的溶解反應(yīng).Bano等[18]采用水解法,對PBAT進(jìn)行了高效的環(huán)保回收,將PBAT加入到含有KOH的乙醇溶液中進(jìn)行水解實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)PBAT的降解率達(dá)到80%以上.對整個(gè)回收過程的碳排放進(jìn)行評估發(fā)現(xiàn),其碳排放量僅為生物降解的一半,并且剩下的反應(yīng)溶液可以多次循環(huán)利用,這種高效環(huán)保的水解方法可以為WBP的回收提供新的思路.

2.2.3 酶促降解 酶促降解是一種較為新穎的WBP回收方法,優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)條件溫和并且能耗較低,缺點(diǎn)是技術(shù)不夠成熟,對于結(jié)晶度高且分子間作用力大的聚合物PHA和PCL,需要較長的時(shí)間才能完成降解.此外,酶促降解所需的酶催化劑是一種蛋白質(zhì)催化劑,因此對降解的溫度要求較高.酶促降解主要是由酶促過程驅(qū)動(dòng),酶通過降低反應(yīng)的活化能,實(shí)現(xiàn)在不利條件下提升反應(yīng)速率[17].具體機(jī)理是酶促酯鍵水解,使聚合物骨架裂解,以3-羥基丁酸酯(PHB)降解為例,Lai等[62]研究了PHB解聚酶的結(jié)構(gòu)與S39A突變體和三聚體R-3-PHB底物的甲酯絡(luò)合.主酰胺基團(tuán)的S40和C250形成了氧陰離子空穴,裂縫位于PHB解聚酶的表面,通過幾種疏水殘基的疏水相互作用,有利于底物結(jié)合,13個(gè)疏水殘基位于縫隙周圍,有助于酶與PHB底物的結(jié)合,活性殘基作為親核試劑攻擊底物的酯鍵,聚合物骨架斷裂,解聚生成單體和低聚物,實(shí)現(xiàn)生物可降解塑料的降解.

國內(nèi)外學(xué)者通過探究酶催化劑在不同條件下對WBP降解情況的影響,總結(jié)出合適的降解條件,從而為酶促降解提供技術(shù)指導(dǎo).Zhang等[63]采用酶促降解法,以PBAT為研究對象,探究特定離子對聚酯薄膜酶降解的影響,在離子強(qiáng)度為10mmol/L,溫度50?C的條件下,陽離子和陰離子的質(zhì)量損失率分別為Na+>K+>Ca2+和Cl->SO42->NO3-,結(jié)果表明特定離子對PBAT膜的酶降解速率與酯鍵酶水解的速率有關(guān).Bi等[64]采用熔融縮聚法,合成聚丁二酸丁二醇酯(PBS),利用脂肪酶進(jìn)行酶促降解,發(fā)現(xiàn)酶促降解速率會(huì)隨共聚物中丁二醇與己二醇的比例而變化.因此PBS具有可調(diào)節(jié)的酶降解性,從而有望成為傳統(tǒng)塑料在農(nóng)業(yè)與包裝中的替代品.Feghali等[65]提出對環(huán)境無害的聚己內(nèi)酯(PCL)回收過程,采用酶促降解方法,在脂肪酶的作用下,PCL在60℃,干甲苯有機(jī)溶劑中酶解24h,發(fā)現(xiàn)干甲苯溶劑可以控制降解與聚合的過程.Sukkhum等[66]采用統(tǒng)計(jì)分析方法,優(yōu)化3L氣升發(fā)酵罐PLA降解酶的生產(chǎn)環(huán)境條件,發(fā)現(xiàn)Actinomadura keratinilytica NBRC 104111菌株T16-1產(chǎn)生的PLA降解酶具有將PLA降解為乳酸的潛力,其可用于PLA聚合物的循環(huán)利用.Wei等[67]采用酶促降解方法,以PCL為研究對象,發(fā)現(xiàn)在水環(huán)境中Amano脂肪酶對PCL的酶促水降解可以迅速產(chǎn)生大量微塑料顆粒,0.1g的PCL可以產(chǎn)生數(shù)百萬顆粒,平均粒徑為10μm,只有少數(shù)達(dá)到60 μm.生物可降解塑料具有降解的優(yōu)勢,但是也伴隨產(chǎn)生微塑料的風(fēng)險(xiǎn),因此有必要完善WBP的回收處理方法.

2.2.4 還原解聚 還原解聚一般采用催化方式進(jìn)行,其方法在均相催化條件下使用還原劑,使C-O鍵斷裂,從而將生物可降解塑料轉(zhuǎn)化成新化學(xué)原材料,主要適用于生物基生物可降解塑料[68].Feghali等[69]以氫硅烷作為還原劑,對聚醚、聚酯和聚碳酸酯幾種聚合物材料進(jìn)行還原解聚,此方法的優(yōu)點(diǎn)是,在室溫下選擇性的將傳統(tǒng)塑料與WBP轉(zhuǎn)為功能性化學(xué)物質(zhì)醇和酚.Eernandes等[70]采用還原解聚的方法,以Zn(OAc)2·2H2O為催化劑對PCL、PLA、PET、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)廢棄物進(jìn)行解聚,最終得到1,6-己二醇、1,2-丙二醇、對二甲苯和四氫呋喃增值產(chǎn)品,并且發(fā)現(xiàn)該催化劑至少可以重復(fù)循環(huán)使用7次.Alberti等[71]采用釕基催化劑(Ru-PNN)對PLA進(jìn)行加氫還原解聚,發(fā)現(xiàn)Ru-PNN可以將PLA解聚為丙二醇(PG).

2.2.5 糖酵解 糖酵解是塑料聚合物在酯交換催化劑的存在下,通過酯鍵斷裂并用羥基末端取代的過程,主要適用于石油基塑料PET[72].糖酵解的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)條件溫和、試劑和產(chǎn)品無毒、產(chǎn)品易于分離純化,缺點(diǎn)是在沒有催化劑加入的條件下,糖酵解反應(yīng)速率較低,但是加入催化劑會(huì)使催化劑難以從產(chǎn)物中分離,并且會(huì)產(chǎn)生副反應(yīng)與雜質(zhì)[73-74].糖酵解處理PET的機(jī)理是親核攻擊,PET的羰基向親電子試劑提供孤對電子,在過渡態(tài)形成新的極性鍵,羰基獲得暫時(shí)的正電荷,更強(qiáng)烈的吸附富電子親核試劑,從而發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生不同的產(chǎn)物[75].

目前,糖酵解回收WBP的文獻(xiàn)較少,多數(shù)研究主要集中在提高糖酵解的回收產(chǎn)率.Castro等[76]采用糖酵解的方法,以PET為研究對象,探究了南極念珠菌脂肪酶和腐質(zhì)霉角質(zhì)酶催化PET糖酵解的能力,發(fā)現(xiàn)糖酵解有利于積累更多酯化產(chǎn)物,此發(fā)現(xiàn)為WBP的回收提供了新方法.Zheng等[77]為降低生物可降解塑料的生產(chǎn)成本,為3-羥基丁酸酯(P3HB)的生產(chǎn)找到更便宜的碳源,即木糖和甘油,通過非氧化糖酵解(NOG)途徑可以明顯提高產(chǎn)品回收率,之后將磷酸酮醇酶引入,并將此過程設(shè)計(jì)成利用大腸桿菌完成,木糖的碳產(chǎn)率從19%提高到24%,甘油的碳產(chǎn)率從30%提高到43%.

化學(xué)回收WBP的方法多種多樣,然而成本問題阻礙了其發(fā)展,因此,不僅需要提高塑料回收產(chǎn)率,還需要降低回收的成本.Sriraam等[78]主要對塑料轉(zhuǎn)化為高能燃料進(jìn)行研究,塑料的利用不當(dāng),會(huì)導(dǎo)致最終流入垃圾填埋場,從而造成資源的浪費(fèi).通過對塑料進(jìn)行催化熱解生產(chǎn)汽油、柴油和減壓瓦斯油進(jìn)行了討論,介紹了使用催化劑生產(chǎn)熱解使用的能源,催化劑的使用降低了塑料轉(zhuǎn)化為燃料的活化能,同時(shí)也提高了產(chǎn)品的選擇性.對技術(shù)經(jīng)濟(jì)進(jìn)行分析,評估化學(xué)回收技術(shù)能否商業(yè)規(guī)模進(jìn)行,處理量按每天12t,工廠由一個(gè)反應(yīng)器組成.投資成本包括直接成本和間接成本,直接成本包括購買設(shè)備和安裝有關(guān)儀表儀器、管道、電氣、建筑、服務(wù)設(shè)施和征地費(fèi)用等,間接成本包括承包商費(fèi)用和其他開支,通過對購買設(shè)備成本進(jìn)行估算,這些固定資產(chǎn)花費(fèi)范圍從1萬$到超過100萬$.制造成本按每日處理12t計(jì)算,32%的成本是公用設(shè)施成本,26.4%是維護(hù)成本,原料和勞動(dòng)約占制造總成本的32%.可變生產(chǎn)成本中材料成本是5 ￠/kg,電費(fèi)為11.7 ￠/(kW·h),運(yùn)行維護(hù)成本約為每年總設(shè)備成本的3%,折舊率按10%.除此之外,在原料處理方面,收集、分類、洗滌、剪切、運(yùn)輸、電能、加熱氣體和冷卻水等都會(huì)影響燃料生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性.

2.3 生物處理

可以通過堆肥和厭氧消化的方法對WBP處理.堆肥是一種在高溫下控制的固態(tài)發(fā)酵,可以將廢棄物轉(zhuǎn)化為類似腐殖質(zhì)的物質(zhì).厭氧消化是在缺氧條件下將廢棄有機(jī)物分解,最終產(chǎn)物中的沼氣,可用于供熱與發(fā)電[79].

堆肥和厭氧消化的主要機(jī)理是聚酯中存在不穩(wěn)定的酯鍵,很容受到相應(yīng)酶的攻擊,從而發(fā)生解聚生成單體和低聚物,而單體通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞,由β-水解酶作用,最終在無氧或缺氧條件下產(chǎn)生CH4,在有氧條件下生CO2和H2O[59,80].表3列出了常見環(huán)境中的微生物以及所對應(yīng)的生物可降解塑料[81].

表3 可降解塑料的降解微生物[81,83-85]

2.3.1 堆肥 堆肥的優(yōu)點(diǎn)是可以在土壤中長期儲存碳,同時(shí)堆肥產(chǎn)物還可以用作土壤改良劑改善土壤結(jié)構(gòu),缺點(diǎn)是產(chǎn)物以二氧化碳的形式增加碳排放,加劇全球變暖[20].堆肥是WBP有效的回收處理方法,可以有效避免WBP進(jìn)入垃圾填埋場.但是,WBP與傳統(tǒng)塑料混合對堆肥處理的質(zhì)量與市場適應(yīng)性會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響.因此,在考慮產(chǎn)物的市場、用途、成本等問題的同時(shí),需要加強(qiáng)有機(jī)廢棄物的分揀與不可堆肥傳統(tǒng)塑料的回收[20].歐盟國家的有機(jī)回收由垃圾填埋場推動(dòng),要求成員國減少WBP進(jìn)入垃圾填埋場,并采取相應(yīng)措施鼓勵(lì)進(jìn)行WBP的單獨(dú)收集與處理[82].

生物可降解塑料可以利用微生物降解,但生物可降解塑料產(chǎn)品不一定都可以進(jìn)行堆肥處理[13],表4總結(jié)了WBP生物處理的方法與條件[20].

表4 廢棄生物可降解塑料的生物處理方法及適用塑料類型

WBP的堆肥生物降解受多種因素影響,不同的聚合物結(jié)構(gòu)和形態(tài)對降解的有效性具有重要作用,聚合物的高結(jié)晶度和界面的強(qiáng)氫鍵會(huì)抑制酶的攻擊,常見的溫度、pH值、分子量、水分、疏水性等也是影響堆肥降解的因素[89-90].Artham等[91]發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的聚合物鏈?zhǔn)姑鸽y以進(jìn)入主鏈,并且高結(jié)晶度的聚合物解聚速率會(huì)更低,環(huán)境中的溫度和水分含量也會(huì)影響聚合物降解速率.

堆肥中的微生物對生物可降解塑料的降解效果至關(guān)重要,利用合適的微生物可以有效提高降解的效率.Satti等[92]以PLA為研究對象,在堆肥條件下利用spS2菌屬產(chǎn)生的脂肪酶探究降解效果,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的脂肪酶能夠有效解聚PLA.Sakai等[93]發(fā)現(xiàn)在堆肥發(fā)酵罐中分離出來的芽孢桿菌,在60℃、pH值為5的條件下可以對PLLA進(jìn)行降解.Hu等[94]在堆肥聚脂薄膜中分離出100多株細(xì)菌,主要為放線菌和芽孢桿菌兩大類,其中菌株AHK119被證明具有顯著降解脂肪族-芳香族共聚酯膜的能力.Akbar等[95]從污泥樣品中分離出鏈霉菌AF-111,通過在優(yōu)化條件下制備出PBBV解聚酶,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)AF-111的解聚酶可以有效降解PHBV.

近年來,國內(nèi)外研究者在堆肥處理WBP研究方面取得較大進(jìn)展,探究了不同條件下WBP的降解效果和對環(huán)境影響.Sintim等[96]采用堆肥和土壤降解的方法,以PBAT和淀粉復(fù)合塑料、淀粉和聚酯復(fù)合塑料、PLA和PBAT復(fù)合塑料,三種不同種類塑料作為研究對象,發(fā)現(xiàn)溫度對堆肥和土壤降解都有影響,且PLA和PBAT復(fù)合塑料在堆肥處理中更容易降解.Markowicz等[97]采用堆肥處理方法,對12種不同種類的購物袋進(jìn)行實(shí)驗(yàn),研究了堆肥處理對WBP產(chǎn)生的影響,發(fā)現(xiàn)堆肥會(huì)產(chǎn)生微塑料和納米塑料形式的污染.研究者為了提高WBP的降解效果,通常采用添加高蛋白質(zhì)含量的物質(zhì)增加生物可降解塑料中可溶性糖的含量,例如PLA與玉米混合,玉米的存在會(huì)增強(qiáng)PLA在堆肥中的生物降解性,因此微生物可以有效地降解PLA[98-99].目前,可控堆肥可以調(diào)節(jié)合適的溫度、濕度、pH值條件,因此其降解效率優(yōu)于WBP在土壤和水環(huán)境中的降解效果[100].

堆肥處理WBP與其他幾種名處理方式相比,處理量更大,并且適用于多種廢棄塑料制品,因此,堆肥處理的花費(fèi)也至關(guān)重要,Kooduvalli等[101]將可堆肥降解的咖啡包裝袋作為研究對象,在當(dāng)?shù)毓I(yè)規(guī)模的堆肥設(shè)施進(jìn)行實(shí)驗(yàn),利用田納西大學(xué)斯維爾分?，F(xiàn)有的堆肥設(shè)施進(jìn)行生命周期評估,測試表明在堆肥條件下咖啡包裝46d內(nèi)完全降解,每年堆肥處理112500個(gè)咖啡包裝袋的花費(fèi)為176.29 $,與傳統(tǒng)的包裝堆肥處理花費(fèi)相比,每年可以降低44%的成本.同時(shí),廢棄物生命周期結(jié)束時(shí)還創(chuàng)造增值產(chǎn)品用于校園的花園和農(nóng)場.

Weng等[102]在中試規(guī)模堆肥條件下探究了聚羥基丁酸-共羥基戊酸酯(PHBV)的降解情況,PHBV的堆肥測試根據(jù)ISO 16929進(jìn)行,測試周期為12周,降解程度是根據(jù)總固體的質(zhì)量計(jì)算,數(shù)據(jù)顯示PHBV薄膜逐漸分解為小尺寸的殘留物,15d后薄膜出現(xiàn)多處空腔,然后被分解成碎片,經(jīng)過39d的降解后,很難在堆肥中找到薄膜,在測試最后沒有發(fā)現(xiàn)大于2mm的碎片,PHBV薄膜在中試規(guī)模和實(shí)驗(yàn)室的堆肥降解率分別為100%和81%.

2.3.2 厭氧消化 厭氧消化的優(yōu)點(diǎn)是可以利用可降解生物質(zhì)與有機(jī)廢棄物產(chǎn)生沼氣,作為清潔能源利用,并且厭氧消化嚴(yán)格限制了惡臭排放[103].

厭氧消化降解效果主要與生物可降解塑料的理化性質(zhì)和外部環(huán)境條件有關(guān)[86].生物可降解塑料理化性質(zhì)影響降解的因素主要包括分子量、表面積、玻璃化溫度、結(jié)晶度等;外部環(huán)境影響因素包括微生物、C/N、pH值、溫度等[104].各類影響因素對厭氧消化降解機(jī)理與實(shí)際效果見表5[86].

國內(nèi)外研究者對厭氧消化處理WBP進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn),獲得了厭氧消化所需要的數(shù)據(jù),從而為高效處理WBP提供數(shù)據(jù)支持.影響厭氧消化的一個(gè)重要參數(shù)是原料的C/N,大多數(shù)的生物可降解塑料含有碳卻沒有氮,為了解決上述問題,研究者將生物可降解塑料與蛋白質(zhì)的共消化碳氮比進(jìn)行調(diào)整. Cazaudehore[105]建議厭氧消化的碳氮比調(diào)為20:1至30:1,可以防止氨中毒,對于富含蛋白質(zhì)的廢棄物碳氮比調(diào)為6:1至16:1.Jin等[106]采用厭氧消化的方法,評價(jià)了10種常見生物可降解塑料在中溫和高溫條件下的厭氧降解性能,發(fā)現(xiàn)有4種生物可降解塑料在中溫條件下降解率為57.9%～84.6%.在高溫條件下有5種生物可降解塑料的降解率達(dá)到53%～95.7%,根據(jù)形態(tài)學(xué)與微觀結(jié)構(gòu)分析,生物可降解塑料的降解是通過表面侵蝕進(jìn)行的.中溫條件下厭氧菌目、擬桿菌目、梭菌目、SBR1031和協(xié)同菌目在發(fā)酵過程中起到重要作用,在高溫條件下,大部分的生物可降解塑料的水解、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷是由共熱菌與古菌起作用.Gadaleta等[107]采用厭氧消化和堆肥兩種處理方法,以生物基塑料薄膜醋酸纖維素(CA)為研究對象,通過評估改性CA和未改性CA對厭氧消化和堆肥處理工程中的影響,發(fā)現(xiàn)未改性CA的崩解率為73.82%,改性CA的崩解率為54.66%,結(jié)果表明厭氧消化有助于生物基塑料薄膜的崩解,好氧堆肥對改性CA崩解幾乎沒有效果.

表5 影響生物可降解塑料厭氧消化降解的因素[86-88]

微生物是厭氧消化降解生物可降解塑料的主要影響因素,但對于特定的生物可降解塑料的厭氧降解微生物尚未明確,目前只有部分生物可降解塑料擁有特異性降解微生物.其中,是PLA的特異性降解菌屬[108],PCL可以利用sp.在厭氧條件下降解,PHB和PHBV可以通過進(jìn)行降解處理[109]. Peng等[110]通過評估PBAT/PLA共混物分別在溫和熱降解、與食物垃圾共消化、好氧處理三種不同條件下的降解情況,發(fā)現(xiàn)厭氧消化處理沒有明顯的生物降解.Yagi等[86,111-112]利用變性梯度凝膠電泳(RT-PCR DGGE)檢測參與厭氧消化降解生物可降解塑料的微生物,結(jié)果表明在中溫條件下PLA被sp.和降解,PHB和PCL被降解.高溫條件下PCL、PLA、PHB同時(shí)被和兩種菌屬降解.

厭氧消化處理WBP的技術(shù)工程案例是Giovanni等[113]以兩種熱塑性醋酸纖維素基生物可降解塑料為研究對象,驗(yàn)證全規(guī)模工業(yè)工廠降解生物可降解塑料的能力,從而排除對工藝產(chǎn)出的任何負(fù)面影響.兩種塑料分別在厭氧消化、堆肥、厭氧消化聯(lián)合堆肥的處理模式下進(jìn)行降解處理,發(fā)現(xiàn)降解過程主要發(fā)生在厭氧消化期間,其中純熱塑性醋酸纖維素生物可降解塑料和復(fù)合醋酸纖維素分別實(shí)現(xiàn)36%和50%的降解,兩種塑料在堆肥中降解率不足20%,聯(lián)合處理降解率要高于厭氧消化,降解率為40%～58%,發(fā)現(xiàn)生物降解機(jī)理主要涉及纖維素基體的增塑劑損失和脫乙酰作用,纖維素主鏈僅部分降解,堆肥、厭氧消化和填料的存在都有利于降解和脫乙酰作用.表明了工業(yè)規(guī)模和實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的降解有很大不同,此項(xiàng)工作可以幫助管理者用可持續(xù)的方式處理生物可降解塑料的新型材料.

厭氧消化是常見有機(jī)廢棄物的處理方式,適合處理多種WBP,因此處理成本也是研究的重點(diǎn). Gadaleta等[114]以有機(jī)廢物、生物可降解塑料廢棄物、混合廢物為研究對象,探究適合的處理方法,每種處理的碳足跡通過生命周期評估(LCA)計(jì)算,廢物管理系統(tǒng)的總成本被用作經(jīng)濟(jì)參數(shù),通過經(jīng)濟(jì)評估表明,有機(jī)廢物、生物可降解塑料廢棄物、混合廢物的處理路線總成本分別為120.35,112.21,109.43 €/t.其中厭氧消化和堆肥占總費(fèi)用的44.1%～49.4%,部分費(fèi)用來自交通運(yùn)輸.

厭氧消化是一種非常有前景的WBP處理方法[115].然而,厭氧消化處理WBP的多數(shù)研究還處于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模,缺乏連續(xù)中試與工業(yè)規(guī)模處理的數(shù)據(jù)[116].目前,多數(shù)研究只關(guān)注WBP作為原料生產(chǎn)沼氣的回收率,下一步需要更深入的探究操作條件對微生物活性的影響,以及厭氧消化過程中涉及的降解機(jī)理,從而推動(dòng)厭氧消化應(yīng)用于WBP的大規(guī)模處理.

2.4 焚燒處理

廢棄生物可降解塑料都可以通過焚燒進(jìn)行處理,但焚燒最適合回收難度大和回收經(jīng)濟(jì)效益較低的各類塑料垃圾.焚燒機(jī)理本質(zhì)是焚燒過程中在無氧或近乎無氧的條件下,利用熱能破壞含碳高分子化合物元素間的化學(xué)鍵,使含碳化合物被破壞或者進(jìn)行化學(xué)重組.利用高溫高壓的燃燒氣流將WBP燃燒成灰渣、廢氣和余熱.主要是達(dá)到使WBP氧化分解,減容、去除毒性并回收能源的目的.

目前,多數(shù)商品塑料的熱值與煤炭相當(dāng),當(dāng)WBP可回收元素被去除后,進(jìn)行能量回收也是一種經(jīng)濟(jì)效益較高的回收處理方法.以纖維素與淀粉為原料制備的生物可降解塑料的熱值不如煤炭,但卻與木材的熱值相當(dāng),因此焚燒WBP的價(jià)值是可觀的[117-118].但并不是所有塑料廢棄物都適合焚燒處理,傳統(tǒng)的PVC、PET、PA塑料熱值低,并且PVC焚燒會(huì)產(chǎn)生氯氣或氯化氫氣體而腐蝕焚燒設(shè)備,因此不適合用于焚燒處理[119].生物可降解塑料焚燒方法與傳統(tǒng)塑料焚燒方法相同,其不同之處是生物可降解塑料主鏈上有機(jī)碳含量比傳統(tǒng)石油基塑料低,因此WBP更易充分燃燒,從而產(chǎn)生更少廢氣[20].

國內(nèi)外研究人員為對比不同塑料焚燒的污染物排放情況,利用數(shù)據(jù)庫與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析.Jang等[120]采用氣相色譜-質(zhì)譜法,對燃燒過程中排放的揮發(fā)性有機(jī)化合物進(jìn)行定性與定量分析,經(jīng)檢測PVC與PET分別排放10′10-6～115′10-6和6′10-6～22′10-6的VOCs,而PHA與PLA分別排放0.1′10-6～ 0.5′10-6和0.1′10-6～1.8′10-6,相比之下傳統(tǒng)塑料比生物可降解塑料焚燒排放的VOCs高出100倍以上.雖然焚燒生物可降解塑料所排放揮發(fā)性有機(jī)化合物較少,但不是WBP的最佳處理方法,因?yàn)閃BP不完全燃燒同樣會(huì)排放大量的VOCs.Zheng等[121]采用匯編數(shù)據(jù)的方式,統(tǒng)計(jì)了10種傳統(tǒng)塑料與5種生物可降解塑料的生命周期溫室氣體排放結(jié)果,研究表明2015年全球傳統(tǒng)塑料的溫室氣體排放量約為1.7億t,按照目前的排放趨勢,預(yù)估到2050年溫室氣體排放量將增至約6.5億t.如果應(yīng)用可再生能源、回收利用、需求管理等措施,可能會(huì)使2050年溫室氣體排放量保持在與2015年相當(dāng)?shù)乃?Choi等[122]采用生命周期評估的方式,在焚燒、填埋和回收三種不同的情況下,以40萬片300×250mm,厚度為0.06mm的薄膜為研究對象,測試了LDPE、PLA、PLA/PBAT共混包裝膜的碳足跡,發(fā)現(xiàn)填埋PLA對減少碳排放最有效,焚燒處理PLA/PBAT包裝膜的溫室氣體排放量最高.

傳統(tǒng)塑料與生物可降解塑料進(jìn)行焚燒處理都會(huì)產(chǎn)生有害氣體,研究人員通過對焚燒技術(shù)的不斷改進(jìn)減少有害物質(zhì)的排放,然而這些技術(shù)仍處于發(fā)展階段.目前,雖然焚燒仍有許多缺點(diǎn),但其不可或缺的優(yōu)勢使其具有廣闊的前景與經(jīng)濟(jì)效益,Geng等[45]通過對直接焚燒的塑料進(jìn)行成本分析,結(jié)果處理塑料需要123.73元/t,所帶來的經(jīng)濟(jì)效益為320.45元,因此有必要研究清潔焚燒技術(shù),從而消除或緩解對環(huán)境的污染[119].

2.5 填埋處置

填埋處置被認(rèn)為是廢棄物管理策略中的最后一種選擇,通常將惰性或非活性的垃圾在固化穩(wěn)定后進(jìn)行填埋處理[123],主要適用于難以回收處置和回收經(jīng)濟(jì)效益較低的各類廢棄塑料.填埋處置具有操作簡單且不用垃圾分類與預(yù)處理等優(yōu)點(diǎn),因此年近40%的廢舊塑料被運(yùn)送到垃圾填埋場[124].與傳統(tǒng)不可降解塑料相比,WBP的填埋處置會(huì)在生命周期最后階段(EOL)存在差異,傳統(tǒng)塑料在垃圾填埋場中基本不會(huì)降解,而WBP在垃圾填埋場的降解水平從0～85%不等[125].

填埋處置的機(jī)理和生物處理WBP的機(jī)理相似,填埋處置更為復(fù)雜,他包括多種連續(xù)或并行的生化反應(yīng)途徑,填埋從垃圾分層填埋、覆土、封場直到穩(wěn)定的整個(gè)過程,垃圾中的可降解部分在微生物的作用下,經(jīng)歷4個(gè)階段,好氧分解階段、厭氧分解不產(chǎn)甲烷階段、厭氧分解產(chǎn)甲烷階段、穩(wěn)定產(chǎn)氣階段,最主要的是利用微生物產(chǎn)生的酶去攻擊聚酯不穩(wěn)定的酯鍵,從而發(fā)生解聚生成單體和低聚物,單體通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞,最終在無氧或缺氧條件下產(chǎn)生CH4,在有氧條件下生CO2和H2O[80-81,126].

目前,關(guān)于WBP填埋處理的文獻(xiàn)并不多,部分研究只在實(shí)驗(yàn)研究階段,主要探究WBP填埋對環(huán)境的危害.Ishigaki等[127]采用垃圾填埋場模型反應(yīng)器,對聚羥基丁酸-羥基戊酸酯(PHBV)、聚己內(nèi)酯(PCL)薄膜、淀粉-聚乙烯醇(SPVA)、醋酸纖維素(CA)這4種商用生物可降解塑料的降解性能進(jìn)行探究,發(fā)現(xiàn)使用強(qiáng)制曝氣提供好氧條件可能會(huì)刺激微生物的生長;PCL無論在好氧條件還是厭氧條件下都會(huì)使薄膜破裂;PHBV在有氧條件下會(huì)發(fā)生降解,在厭氧條件下降解不充分;曝氣對于SPVA塑料與CA塑料的降解作用不大,原因可能是SPVA中的聚乙烯醇和CA塑料中的高取代CA抑制其降解作用.Boonmee等[128]在垃圾填埋場開展實(shí)驗(yàn),對PBAT、PHBV、PBS三種生物可降解塑料在垃圾填埋場的降解進(jìn)行研究,實(shí)驗(yàn)在61?C限氧條件下進(jìn)行90d,發(fā)現(xiàn)PHBV的降解率最高,幾乎被完全降解,而PBS的降解率是24.04%,PBAT降解率是18.26%,通過對實(shí)驗(yàn)前后三種生物可降解塑料降解程度分析,所有材料的熱穩(wěn)定性與分子結(jié)構(gòu)中碳含量百分比都會(huì)持續(xù)下降. Adamcova等[129]采用填埋處置方法,在垃圾填埋場對HDPE基購物袋、PE基購物袋、纖維素過濾紙和兩種可堆肥購物袋5種樣品的降解性進(jìn)行探究,發(fā)現(xiàn)生物降解塑料袋降解率超過99%,而高密度聚乙烯塑料袋未被分解,只是顏色發(fā)生變化.

WBP不適合進(jìn)行填埋處置,一方面使用生物可降解塑料的初衷是減少對垃圾的填埋,WBP進(jìn)入垃圾填埋場不僅會(huì)產(chǎn)生更多的滲濾液與甲烷,還導(dǎo)致地下水、地表水與周圍環(huán)境的污染[130],另一方面,垃圾填埋場產(chǎn)生的甲烷需要進(jìn)行回收用作能源,然而很多填埋場并沒有氣體收集系統(tǒng),導(dǎo)致排放了大量的甲烷,從而加劇了全球變暖[43].因此將WBP進(jìn)行分類處理至關(guān)重要,以避免生物可降解塑料產(chǎn)品進(jìn)入垃圾填埋場.關(guān)于填埋處置的價(jià)格,Baldasano等[131]進(jìn)行了分析,為避免產(chǎn)生滲濾液的排放,對廢舊塑料進(jìn)行包裹處理,通過成本模型計(jì)算,以每年10萬t處理量、使用年限15年、填埋深度為20m為條件要求,塑料處理成本約為31.63€/t.

填埋處置WBP的相關(guān)技術(shù)工程的案例是Chidambarampadmavathy等[132]認(rèn)為生物可降解塑料同樣可以通過填埋處置產(chǎn)生甲烷,并且再將甲烷用于生產(chǎn)PHB,為了評估嗜甲烷菌生產(chǎn)PHB,研究人員基于澳大利亞垃圾填埋場的廢物管理進(jìn)行了案例研究.澳大利亞每年生產(chǎn)48萬t固體廢物,其中40%被填埋,為了有效的將甲烷用于PHB的生產(chǎn),必須考慮以下相關(guān)因素,每個(gè)填埋場平均壽命為30年,甲烷的收集時(shí)間為30～50年,甲烷的排放會(huì)因氣候和年限而不同.設(shè)計(jì)完善的填埋場氣體收集系統(tǒng)最多可收集95%的甲烷.使用約1.13g的甲烷可以產(chǎn)生0.5～0.6g的PHB,對于平均每年處置5000t的小型垃圾填埋場,每年可回收163t甲烷,使用相應(yīng)的模型計(jì)算,最終能夠可以產(chǎn)生71t的PHB.并且利用甲烷作為碳源合成PHB的工藝,按每年生產(chǎn)500t的PHB工廠計(jì)算,生產(chǎn)1kg的PHB成本約為10.5A.

2.6 生物可降解塑料的升級回收

WBP可以通過完全礦化解決環(huán)境污染問題,但是會(huì)造成資源的極大浪費(fèi)[133],并且隨著生物可降解塑料市場的擴(kuò)大,WBP的量越來越大,因此有必要探究更加高效、環(huán)保、便捷的回收方法,從而為實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)提供參考[134].

傳統(tǒng)塑料可以通過升級回收進(jìn)行資源循環(huán)利用,WBP也可采用升級回收,通過酶與微生物可以實(shí)現(xiàn)WBP的生物技術(shù)再生與再利用.Ellis等[135]采用生物技術(shù),提出利用塑料廢棄物為基質(zhì),生產(chǎn)新的聚合物或附加值產(chǎn)品,但是此回收技術(shù)仍還處于發(fā)展研究階段.目前,國內(nèi)外研究人員對生物可降解塑料的升級回收可以利用微生物與催化劑完成. GARCíA等[136]采用熱化學(xué)與微生物相結(jié)合的方法,對PLA進(jìn)行升級回收,將PLA進(jìn)行堿性熱水解處理后,利用工程E.coli菌株DC1001獲得光學(xué)純度等于或高于99%的乳酸發(fā)酵液.Lee等[137]利用貝殼廢料(SSC)為催化劑,將其用于生物可降解秸稈(BDS)的熱催化轉(zhuǎn)化,實(shí)現(xiàn)回收生物可降解塑料單體,結(jié)果表明SSC/BDS質(zhì)量比為0.5時(shí),BDS的乳酸回收率最高,使用SSC為催化劑時(shí),乳酸回收率比非催化的BDS轉(zhuǎn)化率高130倍.Eang等[138]以PLA的化學(xué)回收產(chǎn)物為添加劑,開發(fā)出具有超疏水性能的聚乳酸基納米纖維,該材料表現(xiàn)出較高的油水分離性能,并且可以重復(fù)使用10次以上,從而實(shí)現(xiàn)PLA的升級利用.Xie等[139]利用新型催化劑四甲基氟化銨(TMAF),催化PLA的選擇性甲醇分解制備乳酸甲酯(ML),其性能穩(wěn)定并且產(chǎn)率較高.Thakur等[140]采用熔融紡絲法,對PLA廢塑料進(jìn)行熔融回收制備生物降解聚乳酸纖維,其產(chǎn)物在結(jié)構(gòu)性能、力學(xué)性能、熱性能等方面都有較好的表現(xiàn).

為了進(jìn)一步降低WBP的回收成本,研究人員開發(fā)了簡單的升級回收工藝流程.Shao等[141]提出關(guān)于PLA升級回收的路徑,可以將PLA廢料在48h內(nèi)轉(zhuǎn)化為新的3D打印材料,PLA的酯鍵通過氨解進(jìn)行斷裂,得到的單體化合物用甲基丙烯酸酐衍生化,引入雙鍵并由此獲得可交聯(lián)單體,之后與共聚物和引發(fā)劑結(jié)合,可以生產(chǎn)光固化樹脂,從而將其用于3D打印機(jī).Pantelic等[142]采用生物轉(zhuǎn)化的方法,以生物可降解聚乙烯醇/熱塑性淀粉(PVA/TPS)食品包裝膜為原料,利用Ralstoniaeutropha H16、鏈霉菌屬JS520、枯草芽孢桿菌ATCC6633三種生物,將PVA/TPS轉(zhuǎn)化為高市場價(jià)值的生物色素與聚羥基丁酸酯(PHB),這種低能耗、低碳的PVA/TPS再生循環(huán)模式,推動(dòng)了生物可降解塑料循環(huán)利用的進(jìn)展.Abu-thabit等[143]采用兩步法,以塑料和木質(zhì)纖維素廢料為原料生產(chǎn)PHA.第一步,將PE、PP、PS、PET、木質(zhì)纖維素大分子解聚并轉(zhuǎn)化為更小的單體.第二步,將這些單體用于后續(xù)的生物升級循環(huán),通過發(fā)酵過程生產(chǎn)PHA,此種處理方法降低了PHA的生產(chǎn)成本,并有助于解決塑料污染的問題.

Roux等[144]利用廢棄PET升級回收制備聚呋喃甲酸乙二醇酯(PEF)和聚對苯二甲酸丙二醇酯(PTT),通過SuperPro Designer軟件中開發(fā)了3種廢物進(jìn)料中生產(chǎn)PEF和PTT的工藝,并通過貼現(xiàn)累積現(xiàn)金流(DCCF)分析評估了其經(jīng)濟(jì)可行性,結(jié)果通過該工藝生產(chǎn)的PEF和PTT最低售價(jià)為每公斤3.13 $,3種工藝的回收率分別為42%、50%和55%,并且還表明,增加回收可以將生物可降解塑料的最低價(jià)格降至1.61$/kg.

2.7 自然條件下生物可降解塑料的降解

傳統(tǒng)的聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)等塑料在自然環(huán)境中難以分解,對環(huán)境造成污染.而生物可降解塑料在自然環(huán)境中的降解過程主要涉及生物降解、光解和化學(xué)降解,這3種降解方式是同時(shí)存在且相互協(xié)同的,生物降解通常發(fā)生在光降解之后.

在自然條件下WBP的降解主要包括4個(gè)步驟,(1)自然環(huán)境的光照和風(fēng)化使塑料碎片化,降低聚合物的分子量,這種現(xiàn)象也被稱為聚合物的老化分解.(2)生物劣化,微生物在聚合物的表面或內(nèi)部生長使聚合物的機(jī)械、化學(xué)和物理性能發(fā)生改變.(3)生物裂解,通過微生物的作用將聚合物轉(zhuǎn)化為低聚物和單體.(4)同化,微生物從聚合物的裂解中獲得所需的碳、能量和營養(yǎng)源,并將塑料中的碳轉(zhuǎn)化為CO2和CH4等產(chǎn)物[145].影響WBP在自然環(huán)境中降解的因素包括化學(xué)結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度、聚合物鏈等,通常鏈較短、無定形部分較多、聚合物的原料簡單等更容易被微生物降解,此外,WBP所處的環(huán)境也是生物降解的關(guān)鍵因素,主要包括pH值、溫度、水分、含氧量等[146].

自然土壤環(huán)境中含有大量的微生物,這使得WBP的降解效果更好.Rudnik等[147]對PLA在真實(shí)土壤環(huán)境中的生物降解進(jìn)行11個(gè)月實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)對照組的纖維素被完全降解,PLA也在一定程度上發(fā)生部分分解,降解過程與實(shí)際條件下的溫度和實(shí)驗(yàn)持續(xù)的時(shí)間有密切關(guān)系.Boyandin等[148]對PHA薄膜在土壤環(huán)境中的降解進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)發(fā)揮降解作用的主要是伯克霍爾德菌屬、芽孢桿菌屬、銅分枝桿菌屬、諾卡菌屬等為代表的細(xì)菌以及頂孢菌屬、貢氏菌屬、擬青霉屬、青霉屬、木霉屬等,并且降解程度與pH值有關(guān),在合適的土壤環(huán)境中PHA超過98%被降解.海洋和水生系統(tǒng)中同樣存在大量的塑料垃圾,造成水環(huán)境的污染,從而對水生動(dòng)植物造成危害.WBP是環(huán)境中可被微生物降解的聚合物,Maurizio等[149]為了解在海洋中的降解情況,對6處不同位置中的WBP進(jìn)行實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)與富營養(yǎng)化的環(huán)境相比,海洋中上層位置處的降解效率最高,并且在水和沉積物的界面處也可以實(shí)現(xiàn)生物可降解塑料的降解.Thellen等[150]為了比較WBP在實(shí)驗(yàn)條件下和實(shí)際海洋環(huán)境中的降解情況,對PHB和PHBV在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下的海水中生物降解進(jìn)行實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)兩種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)環(huán)境中失重率相同,但是動(dòng)態(tài)條件下的失重比靜態(tài)條件下要小,這是因?yàn)閯?dòng)態(tài)環(huán)境中海水溫度不斷變化以及營養(yǎng)供應(yīng)受限.

生物可降解塑料的成本高于傳統(tǒng)塑料,并且生物可降解塑料通常用作一次性材料,WBP利用環(huán)境的微生物進(jìn)行降解,不僅造成資源的浪費(fèi)同時(shí)會(huì)造成碳排放.因此,對于易于回收的WBP盡量采取回收措施.常見不同處理方法適用的生物可降解塑料種類如表6所示[151].

表6 不同處理方法適用的生物可降解塑料種類[151,155-156]

2.8 廢棄生物可降解塑料處理方法的發(fā)展趨勢

目前,WBP的處理方法都有局限性,傳統(tǒng)的焚燒與填埋處理對環(huán)境危害較大,已經(jīng)被越來越多的國家淘汰[119].基于已有的研究,對當(dāng)前處理方法的優(yōu)缺點(diǎn)對比分析如表7所示[152].并非所有的WBP都可以被降解,每種生物可降解塑料都有獨(dú)特的加工條件與性質(zhì),因此不能使用通用的廢棄物管理方案進(jìn)行處理[153].WBP還具有異質(zhì)性、低市場量、來源廣泛等特點(diǎn),使其在處理上難度加大[154].

歐洲許多國家主要通過機(jī)械回收和堆肥的方法處理WBP.這些國家的廢棄物管理系統(tǒng)主要包括:源分離、收集、運(yùn)輸、分類、再利用、再循環(huán)、能源回收、處理和處置[159].與傳統(tǒng)塑料相同,不同類型的生物可降解塑料需要單獨(dú)回收,在建立完善的特定塑料類型回收流的情況下,生物可降解塑料可以與傳統(tǒng)塑料一起回收.目前,歐洲廢棄物處理等級中排名較高的處理方法是堆肥,當(dāng)傳統(tǒng)塑料與WBP混合時(shí),機(jī)械回收的成本較高,而通過堆肥可以避免WBP進(jìn)入焚燒或垃圾填埋場,并且可以促進(jìn)其單獨(dú)收集,從而獲得更有價(jià)值的堆肥產(chǎn)品[160].

表7 不同生物可降解塑料處理方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較[152,157-158]

目前,國內(nèi)對WBP的處理方法的研究報(bào)道并不多見,結(jié)合我國的國情與政策導(dǎo)向趨勢,未來生物可降解塑料勢必在國內(nèi)大規(guī)模推廣應(yīng)用.大量的WBP會(huì)使后續(xù)處理的壓力驟增,而單一的處理方法存在諸多弊端,因此需要采用多種方法協(xié)同處理.將機(jī)械回收、化學(xué)回收、升級回收、堆肥、焚燒以上處理設(shè)集中在恰當(dāng)?shù)奶幚淼貐^(qū),以便于WBP的運(yùn)輸和集中處理.首先,機(jī)械回收操作簡單,可將塑料進(jìn)行分類.清潔的塑料可以熔融后循環(huán)使用,也可以通過化學(xué)回收和升級回收的方法進(jìn)行原料回收,從而實(shí)現(xiàn)資源的高效循環(huán)利用.其次,針對分選后不易重復(fù)利用的WBP,采用堆肥的方法處理,其產(chǎn)物可供植物生長,而植物可以提取纖維素、糖類、淀粉、油類等作為制備生物可降解塑料的原料.最后,對于難分離且不易回收的WBP進(jìn)行焚燒發(fā)電,實(shí)現(xiàn)能源的回收.此流程主要通過快速的WBP分類系統(tǒng),將WBP分為清潔塑料、不易重復(fù)使用塑料、難以分離塑料,可以快速精準(zhǔn)的確定處理方法,將以上幾種回收方法相結(jié)合,從而實(shí)現(xiàn)WBP的綠色處理與資源的高效再生循環(huán)(圖3).

圖3 生物可降解塑料的處理方法與運(yùn)行模式

將回收的WBP經(jīng)過處理后生成應(yīng)用價(jià)值更高的產(chǎn)品一直是研究的難點(diǎn),并非所有的生物可降解塑料都可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)回收,并且回收過程中會(huì)消耗能源,排放污染物,大部分WBP再生產(chǎn)品質(zhì)量較差,因此只能降低應(yīng)用場景.目前,多數(shù)WBP處理技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,不能大規(guī)模推廣應(yīng)用.針對WBP的處理還需進(jìn)一步的研究與探索,同時(shí)將WBP管理與其它措施相結(jié)合,改進(jìn)生物可降解塑料的生產(chǎn)過程,創(chuàng)造生命周期更長的產(chǎn)品,從而形成完善且系統(tǒng)的WBP處理流程,對生物可降解塑料產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)都有重要意義.

3 總結(jié)

隨著近年來國內(nèi)外關(guān)于生物可降解塑料政策的逐步完善,公眾環(huán)保意識的提高,生物可降解塑料的市場需求不斷擴(kuò)大,其產(chǎn)能逐年提高,并且廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、包裝、汽車等領(lǐng)域.高產(chǎn)量的生物可降解塑料必然會(huì)導(dǎo)致大量WBP的產(chǎn)生.為避免WBP對環(huán)境造成危害,研究人員相繼研發(fā)出機(jī)械回收處理、化學(xué)處理、生物處理、焚燒、填埋、升級回收處理等多種處理方法,為WBP的綠色處理與資源化利用提供了思路和參考.

目前,傳統(tǒng)塑料的處理方法相對成熟且應(yīng)用廣泛,但WBP的處理研究相對較少,多數(shù)處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,沒有投入實(shí)際生產(chǎn).WBP處理面臨的問題與困難包括:(1)回收原料中包含多種塑料廢棄物與雜質(zhì),需要對其進(jìn)行分選和雜質(zhì)的去除,使得處理成本升高.(2)多次機(jī)械回收的塑料性能會(huì)有所下降,需要添加有機(jī)填料或擴(kuò)鏈劑進(jìn)行改善,或者利用性能互補(bǔ)的塑料進(jìn)行混合提高產(chǎn)品性能.(3)焚燒與填埋對環(huán)境危害較大,需要更環(huán)保、綠色、經(jīng)濟(jì)、可循環(huán)的處理技術(shù).(4)升級回收的局限性是只能針對部分塑料進(jìn)行處理,并且運(yùn)行成本較高.對于WBP,目前尚未形成完整且系統(tǒng)的處理流程,因此需要將多種回收處理方法進(jìn)行結(jié)合,快速精準(zhǔn)地確定WBP的處理方法,從而實(shí)現(xiàn)WBP的資源化利用.

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HAN Shi-lei1,2, ZHANG Fu-Shen1,2*

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Biodegradable plastics have been widely applied in many fields in recent years. Waste biodegradable plastics (WBP) products may easily cause environmental pollution, thus the disposal and resource utilization of WBP are important guarantees for large-scale application of this type of plastics. This paper summarized the main disposal approaches of WBP, especially focused on mechanical recycling, chemical recycling, biological treatment, landfill, incineration and upgrade utilization. Furthermore, the problems encountered in the treatment process of WBP were systematically analyzed, and the future development trend of WBP recycling was predicted. The main purpose is, to provide guidance for the green and efficient treatment of WBP.

biodegradable plastics；chemical recovery；biological treatment；upgrade utilization；resource recycling

X705

A

1000-6923(2023)12-6445-20

韓石磊,張付申.廢棄生物可降解塑料的處理方法與發(fā)展趨勢 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2023,43(12):6445-6464.

Han S L, Zhang F S.Disposal methods and development tendencies of waste biodegradable plastics [J]. China Environmental Science, 2023,43(12):6445-6464.

2023-05-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51778606);中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心碳達(dá)峰碳中和生態(tài)環(huán)境技術(shù)專項(xiàng)(RCEES-TDZ-2021-31)

* 責(zé)任作者, 研究員, fszhang@rcees.ac.cn

韓石磊(1995-),男,河北滄州人,中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心碩士研究生,主要從事固體廢棄物資源化研究.hanshilei21@mails. ucas.ac.cn.