陈冠益教授团队：废弃生物降解塑料不同处置技术碳排放分析

李建园 ¹   孙昱楠 ^1*   黄佳乐 ¹  陈奇晶 ¹   贾悦 ¹   高豫乐 ¹   程占军 ^2,3   颜蓓蓓 ^2,3  陈冠益 ^1,2,3

（ 1.天津商业大学 环境能源+X创新实验室/机械工程学院/生物技术与食品科学学院,天津 300134；2.天津大学 环境科学与工程学院,天津 300072；3.天津市生物质废物利用重点实验室,天津市生物质燃气/油技术工程研究中心,天津市有机废物安全处置与能源利用工程研究中心,天津 300072 )

2020年9月22日，习近平总书记在第七十五届联合国大会上提出“双碳”目标，明确表示推进经济社会发展全面绿色转型。塑料行业作为国民经济重要支柱行业，其行业碳排放问题也吸引了众多关注。2022年，我国塑料产量高达7772万吨，传统塑料的过度使用与不当处置带来了化石能源枯竭、全球气候变暖等诸多问题。我国已于2008年下发《国务院办公厅关于限制生产销售使用塑料购物袋的通知》，传统塑料逐渐被替代。而生物降解塑料因其环境友好性引起国内外学者广泛关注。

图1 2020年全球生物降解塑料产量情况

生物降解塑料（聚乳酸（PLA）为例），主要以可再生资源（如玉米、甘蔗等农作物）为原料，被广泛应用于包装、餐具、农业薄膜和医药用品等领域。2021年，全球生物降解塑料年表观消费量约为120万吨，我国已达15万吨以上，开始从示范性向大规模工业化过渡。图1为全球生物降解塑料产量情况，其中PLA产量较大、应用较广泛且发展迅速。

随着生物降解塑料产量不断增加，其废弃物处置也引起各界重视。Kosheleva, Tseng和Bandini等致力于通过预处理等手段提高工业堆肥、厌氧发酵等技术处置效率。Abraham等分析表明，厌氧发酵因环境污染程度较低且可以产生甲烷等可再生能源，被认为是有效处理废弃生物降解塑料的技术之一。Maga等对废弃生物降解塑料的化学回收等热处置技术进行了生命周期评价，认为聚乳酸产品的回收利用可以提高其在生命周期内的环保性能。Hermann等单独评估了生物降解材料废弃物堆肥技术的碳足迹和能量足迹情况。在当前全球资源短缺的情况下，如何充分发挥生物降解塑料的生物质特性，实现资源或能源回收利用（如化学回收、工业堆肥和厌氧发酵），引起全球研究者广泛关注。《“十四五”循环经济发展规划》中也特别指出要深入评估各类塑料替代品全生命周期资源环境影响，生物降解塑料作为最具潜力替代品，其废弃物资源或能源化处置的环境影响评估也具有重要意义。

表1 废弃生物降解塑料的不同处置技术

本研究从运行能耗间接碳排放、塑料分解直接碳排放以及资源或能源回收碳补偿3个方面，采用排放因子和质量平衡法对比分析废弃生物降解塑料在6种处置技术下的碳排放情况，以期从助力“双碳”目标角度，为废弃生物降解塑料处置技术的选择提供理论参考。

生物降解塑料因其环境友好性引起广泛关注，但在废物处置过程中的碳排放情况尚不明晰，且随着处置技术的不断研发与应用，不同处置技术的碳排放差异也值得探究。本研究基于排放因子法和质量平衡法，从运行能耗间接碳排放、塑料分解直接碳排放和资源回收碳补偿三个方面对6种主要处置技术进行了对比分析。结果表明：处置1t废弃生物降解塑料，净碳排放大小为填埋处置>焚烧处置>化学回收>工业堆肥>厌氧发酵>机械回收。机械回收和厌氧发酵因可实现塑料产品和沼气的资源回收，净碳排放分别为-842.33、-341.55 kg CO _2eq ，展现出较好的碳减排潜力。其中机械回收的间接碳排放、直接碳排放和碳补偿分别是其他处置技术的0.62~22.96、0.13~0.52和0.93~1.58倍；厌氧发酵分别是0.09~2.11、0.26~1.93和0.59~0.85倍。这表明机械回收相比于厌氧发酵，产生了更多的能源消耗和更高的碳补偿效果。但仍存在废弃物分拣困难、回收效率低、回收产品性能差等难题，从降碳潜力出发厌氧发酵更具发展前景。此外，降低运行能耗、助力资源回收、充分发挥碳补偿潜力是实现废弃生物降解塑料处置阶段碳减排的主要措施。本研究以期从助力“双碳”角度，为废弃生物降解塑料处置技术的选择提供参考。

基于调研，本研究选定填埋、焚烧、机械回收、化学回收、工业堆肥和厌氧发酵6种主要处置技术进行对比分析（其中填埋处置虽正被逐步替代，但目前仍有约39%被填埋或直接丢弃到环境中）。不同处置技术情况如图2所示。图2为系统边界，始于塑料垃圾收集止于废弃物输出或能量回收。在不同处置技术下，前期废弃塑料收集和运输所产生的碳排放差异可忽略不计。为方便数据计算及对比分析，设置核算中的废弃生物降解塑料处置量为1 t。

图2 系统边界

本研究相关数据调研来自CPCD中国产品全生命周期温室气体排放系数库、国家数据统计局、中国塑料工业年鉴、中国塑料加工工业协会、中国报告大厅、《2019年IPCC国家温室气体清单指南》以及相关论文。详细参数如表2示。

表2 生命周期清单分析的相关参数

1）间接碳排放。

间接碳排放主要关注不同处置技术运行能耗所产生的碳排放。填埋处置过程主要为破碎、填埋和压实，该过程的电力和燃油消耗导致间接碳排放。焚烧处置过程主要为破碎、进料和焚烧，碳排放主要来自破碎、进料和焚烧过程产生的电力和燃油消耗。机械回收过程主要分为前处理、挤出和造粒，化学回收过程主要分为前处理、熔融和聚合，两者前处理过程相同，主要包括分拣、破碎、清洗和干燥等过程。间接碳排放主要来自破碎机、搓洗机、造粒机和注塑机等设备运行所产生的电力、天然气等能源消耗。工业堆肥和厌氧发酵等生物处置过程主要分为前处理、破碎、堆肥或发酵，碳排放主要来自分拣、破碎设备和加热保温设备运行产生的电力、天然气等能源消耗。间接碳排放计算涉及的主要参数见表2，忽略设备不同参数的能源消耗差异。

电力消耗的碳排放计算详见公式(1)；柴油消耗的碳排放计算详见公式(2)；天然气消耗的碳排放计算详见公式(3)，按1 m ³ 天然气=36.44 MJ换算为1.46~1.66 MJ/kg。

2）直接碳排放。

在填埋处置中，生物降解塑料最终可完全降解为CO ₂ 和H ₂ O。因此，该场景下废弃生物降解塑料分解的直接碳排放，根据公式(4)进行核算。

在焚烧处置中，废弃生物降解塑料在高温下完全燃烧产生CO ₂ 等气体排放。焚烧过程的碳排放因子采用化学计量法进行计算，直接碳排放计算详见公式(5)。

在机械回收处置中，理想状态下认为废弃生物降解塑料可被完全机械回收，碳元素随之回收。但相关研究表明机械回收目前较难完成100%回收，设定回收过程损耗比例为12%~15%。塑料分解的直接碳排放主要来自过程损耗的填埋排放，根据公式(6)进行核算。

在化学回收处置中，生物降解塑料化学回收率为60~80%，且因化学回收可能存在化学试剂污染对填埋土地造成危害，本研究设定未被回收部分直接进行焚烧处置。化学回收处置中，塑料分解的直接碳排放主要来源为未完全回收的焚烧排放，具体计算详见公式(7)。

废弃生物降解塑料的堆肥率理想情况下为70%~82%，且堆肥过程中CO ₂ 的逸出率约为37.1%。未完全降解的废弃塑料设定为直接进行填埋处置。塑料分解的直接碳排放来源于CO ₂ 的逸散排放和未完全堆肥降解的填埋排放，核算详见公式(8)。

废弃生物降解塑料在55℃下高温发酵的理想发酵率为70%~80%。未完全发酵的废弃塑料设定为直接进行填埋处置。塑料分解的直接碳排放主要来源于未完全发酵的填埋排放，核算详见公式(9)。

3）碳补偿。

焚烧过程热量回收，假设将废弃生物降解塑料焚烧产生的全部热能用热电联产技术进行发电。目前，各发电厂的能量转换效率通常为40%~65%。按照标准煤热值为2.9260×10 ⁷ J/kg，生物降解塑料（以PLA为例）热值为1.6986×10 ⁷ J/kg，折标准煤系数为0.5805 kg标准煤/kg。焚烧过程碳补偿计算详见公式(10)。

机械回收过程为塑料原料回收，回收过程的转换效率为85%~88%。根据相关研究，生产1 kg塑料原料（以PLA为例）的碳排放为1.2~1.9 kg CO _2eq 。机械回收过程碳补偿计算详见公式(11)。

化学回收过程回收塑料单体或原料，假设生产1 kg塑料单体（以乳酸为例）的碳排放为1.2~1.7 kg CO _2eq 。化学回收过程碳补偿计算详见公式(12)。

工业堆肥过程回收肥料（主要为碳肥）。单位碳肥制造排放因子参考CPCD数据库相关肥料制造排放因子（以元素C计），取值1.39 kg/kg CO _2eq 。该过程的碳补偿量计算详见公式(13)。

厌氧发酵过程回收沼气[主要为甲烷（CH ₄ ）]，假设产生沼气可用热电联产技术加以高效利用，其中CH4浓度会影响可回收利用的电能，本研究单位CH4体积产电量取2.30 kW·h/m ³ 。根据相关研究，CH ₄ 转化率取52%~83%，且CH ₄ 的密度为0.717 kg/m ³ 。该过程的碳补偿量计算详见公式(14)和(15)。

图3为1t废弃生物降解塑料在不同处置技术下的净碳排放情况。6种处置技术的净碳排放大小排序为：填埋处置（1887.67 kg CO _2eq ）>焚烧处置（499.80 kg CO _2eq ）>化学回收（-44.17 kg CO _2eq ）>工业堆肥（-215.40 kg CO _2eq ）>厌氧发酵（-341.55 kg CO _2eq ）>机械回收（-842.33 kg CO _2eq ）。其中厌氧发酵和机械回收处置技术展现出较好的碳减排潜力。然而，从运行能耗间接碳排放的角度看，填埋处置展现出最低的间接碳排放（10.83 kg CO _2eq ），机械回收则展现出相对较高的间接碳排放（248.70 kg CO _2eq ）。从资源回收碳补偿的角度看，焚烧处置（-1439.21 kg CO _2eq ）展现出最高的碳补偿效果，显著高于厌氧发酵处置（-845.79 kg CO _2eq ）。这表明评估不同处置技术的净碳排放情况应全面综合考虑资源回收情况、运行能耗以及碳补偿潜力。

图3 不同处置技术碳排放总量

不同废物处置技术的间接碳排放对比情况如图4所示。填埋处置技术过程简单、设备要求低，使其运行能耗相对最低，间接碳排放仅约为10.83 kg CO _2eq 。其次，厌氧发酵处置1t废弃生物降解塑料的间接碳排放约为22.84 kg CO _2eq ，为其他四种废物处置技术运行能耗的5.72%~43.68%，同样展现出相对较小的间接碳排放。这可能是由于厌氧发酵过程的运行能耗主要来自系统的保温和搅拌，相对低于除填埋的其他四种废物处置技术。工业堆肥的间接碳排放略高厌氧发酵，这可能是由于废弃生物降解塑料所需的堆肥温度通常高于厌氧发酵温度，导致较高的能耗。机械、化学回收处置展现出相对最高的间接碳排放，主要是由于回收过程条件要求更为苛刻，电力、柴油等能源消耗更大。其中化学回收的间接碳排放高于机械回收约60.42%，这是由于化学回收需要经过更复杂、能耗更高的塑料熔融和重新聚合等过程。此外，目前所有处置过程消耗的能源大多来源于化石能源，为降低运行过程的碳排放和其他环境污染，可以积极使用太阳能、风能和生物质能等非化石能源。

图4 不同处置技术运行能耗的碳排放

如图5所示，1t废弃生物降解塑料在6种处置技术下分解所产生的碳排放差异也较为明显。其中废弃生物降解塑料机械回收的直接碳排放主要来自回收过程的少量损耗，展现出相对低的直接碳排放为249.72 kg CO _2eq 。化学回收的直接碳排放高于机械回收约123.40%，这主要是由于塑料化学回收工艺更复杂，其回收率相对低于机械回收。此外，化学回收还可能存在回收技术复杂、难度大且化学试剂严重二次污染等问题。厌氧发酵处置过程存在沼气能源回收，表现出相对低的碳排放，约为481.39 kg CO _2eq 。工业堆肥的直接碳排放约为970.63 kg CO _2eq ，比厌氧发酵高约101.63%。分析其原因：首先受其堆肥率直接影响，其次可能由于废弃生物降解塑料中的C元素在堆肥过程没有很好地被固定到肥料中，仍有部分以CO2的形式逸散到环境中。但工业化的厌氧发酵处置技术并不成熟，可能存在运行周期长、处置规模较小等问题。填埋、焚烧处置的直接碳排放则最高，为1887.67 kg CO _2eq 。综上，为降低废弃生物降解塑料分解直接产生的碳排放，应积极推动能源与资源化利用技术发展，加强过程中污染物控制、产物调控和效率提升并优化废弃生物降解塑料分类管理方案。

图5 不同处置技术下废弃生物降解塑料分解的碳排放

如图6所示，1t废弃生物降解塑料在不同处置技术下的碳补偿存在一定差异。图7为不同处置技术下废弃生物降解塑料的物质流，差异较为显著。机械回收处置达到了-1340.75 kg CO _2eq 的碳补偿，资源回收高达44.34%，CO ₂ 排放比例仅约6.80%。化学回收处置在特定条件下回收塑料产品，达到了35.94%的资源回收率，展现出约-1001 kg CO _2eq 的碳补偿。由于化学回收处置中塑料产品回收率相对低，导致其碳补偿略低于机械回收，但同时其回收的塑料产品性能显著优于机械回收。厌氧发酵处置的能源回收率达38.02%，而碳补偿较低（-845.79 kg CO _2eq ）。分析其原因：废物生物降解塑料厌氧发酵产沼气仍处于发展中，首先其CH ₄ 转化率有待提高，其次CH ₄ 热电联产技术并不成熟、能量转化效率较低。工业堆肥处置下，废弃生物降解塑料的资源（即肥料）回收率达到24.69%，表现出一定的碳补偿（-1238.32 kg CO _2eq ）。但值得注意的是，废物生物降解塑料堆肥所得的肥料含碳量较高，或需与氮肥、磷肥等混合才能达到使用效果。如图6所示，焚烧处置中利用热电联产发电，展现出了最高的碳补偿，为-1439.21 kg CO _2eq 。然而，图7结果显示焚烧处置的CO ₂ 排放比例与填埋处置相同，高达51.14%，造成了严重的全球变暖及生物质资源浪费。综上，评估不同处置技术的碳补偿潜力时应综合考虑资源回收利用情况。

图6 不同处置技术下资源或能源回收的碳补偿

图7 不同处置技术下废弃生物降解塑料的物质流

本研究基于质量平衡和排放因子法，从运行能耗间接碳排放、塑料分解直接碳排放和资源回收碳补偿3个方面分析了废弃生物降解塑料在6种处置技术下的碳排放差异，并综合分析了净碳排放情况，得到以下结论：

1）从碳排放核算结果分析，填埋处置的间接碳排放最低，1t废弃生物降解塑料约为10.83 kg CO _2eq ；其次是厌氧发酵，仅为其他四种处置技术的5.72%~43.68%。从直接碳排放来看，填埋处置≥焚烧处置>工业堆肥>化学回收>厌氧发酵>机械回收，机械回收、厌氧发酵和化学回收表现出比较明显的优势。

2）从资源回收率及其碳补偿情况分析，焚烧处置展现出了最低的回收率（约为0%）和最高的碳补偿（约为-1439.21 kg CO _2eq ）；而厌氧发酵处置展现出38.02%的高回收率和-845.79 kg CO _2eq 的碳补偿。资源回收及其产品的充分利用对于废弃生物降解塑料的减碳应用至关重要。

3）从净碳排放分析，处置1t废弃生物降解塑料的碳排放大小为填埋处置（1887.67 kg CO _2eq ）>焚烧处置（499.80 kg CO _2eq ）>化学回收（-44.17 kg CO _2eq ）>工业堆肥（-215.40 kg CO _2eq ）>厌氧发酵（-341.55 kg CO _2eq ）>机械回收（-842.33 kg CO _2eq ）。其中机械回收处置表现出较好的碳减排潜力，其次是厌氧发酵处置。但机械回收仍存在废弃物分拣困难、回收效率低、回收产品性能差等难题，从降碳潜力出发厌氧发酵更具发展前景。