Nature警示：塑料回收，源頭分類不可替代

全球塑料年產量已超過4.138億噸，但回收率僅約9%。塑料包裝廢棄物（PPW）的收集與分揀仍是實現循環(huán)利用的關鍵瓶頸。在源頭分類體系中，居民將塑料、金屬和飲料紙盒等可回收物分開投放，能有效捕獲大量廢棄物，但仍有相當比例的塑料因投放錯誤或居民不參與而殘留在混合生活垃圾中。作為替代方案，對混合垃圾進行集中“末端分揀”（post-sorting）被提出以提升捕獲率，但業(yè)界普遍擔憂此舉可能因污染增加而損害回收質量。由此，圍繞源頭分類與末端分揀的爭論持續(xù)存在，缺乏關于兩者間“數量-質量”權衡的量化證據。

根特大學Steven De Meester課題組基于對同一座材料回收設施（MRF）的樣品分析發(fā)現，源頭分類與末端分揀兩種路徑產出的塑料打包捆在目標聚合物純度上相近，但末端分揀打包捆含有更多污染物，包括鎘、鉛等受限制的金屬，同時具有更高的水分和污垢含量，并可能導致復雜揮發(fā)性有機化合物（VOCs）增加。這些來自非包裝物品的金屬和鹵素濃度升高，可能損害回收質量，并給機械和化學回收工藝帶來更多挑戰(zhàn)。研究指出，末端分揀可作為有用補充，但不應該取代源頭分類。相關論文以“Analysis of trade-offs of post-sorting plastic packaging”為題，發(fā)表在Nature上。

研究團隊對來自同一分揀線的四種塑料打包捆（LDPE、PE硬質、PP硬質和混合塑料）進行了詳細分析（圖1a）。結果顯示，就干基目標聚合物含量而言，源頭分類（PMD）與末端分揀（PoSo）樣品差異不大：例如LDPE打包捆中PE含量分別為67.0%和71.1%，PE硬質中PE含量分別為79.1%和80.6%，PP硬質中PP含量分別為85.9%和80.3%。然而，末端分揀的混合塑料打包捆中包含了15.7 wt%的部分塑料物品（如玩具、紡織品、廢棄電子電氣設備）和26.1 wt%的非目標材料（紙張、金屬、殘留物）。特別是紡織品（9.4 wt%）和WEEE（1.6 wt%）引入了塑料、金屬、硅膠、橡膠乃至電池和微芯片等成分（圖1b），可能干擾分揀并增加火災風險。綜合對比文獻值與本研究數據發(fā)現，源頭分類系統(tǒng)始終實現更高的聚合物純度和更低的非塑料污染，而末端分揀打包捆盡管純度和HDPE與PP相當，但LAMD持續(xù)偏高（圖1c）。在物品層面，末端分揀目標物品的LAMD普遍高于源頭分類，但牛奶瓶例外——末端分揀的牛奶瓶因收集和壓縮導致破裂，反而使內部殘留物釋放，LAMD低于源頭分類中完好的牛奶瓶（圖1d）。

圖1 | 聚合物組成及LAMD a, 分揀后塑料廢棄物打包捆的干重聚合物組成及相應的LAMD。對于LDPE、PE硬質、PP硬質和混合塑料打包捆，報告了來自源頭分類和末端分揀系統(tǒng)的聚合物占比（wt%，干基）。“其他”包括所有其他聚合物類型，例如聚苯乙烯、PVC和聚酰胺。混合末端分揀樣品的組成結合了通過傅里葉變換紅外光譜識別聚合物部分的結果和通過目視檢查獲得的非包裝部分（紡織品、紙張、WEEE、金屬、橡膠、玩具）的數據。非包裝部分總計占混合末端分揀樣品總重量的15.7 wt%。 b, 末端分揀混合塑料打包捆中非包裝塑料物品的示例（從上到下）：紡織品（鞋子、厚布料）、WEEE（游戲機）、金屬和玩具。 c, 比較打包捆組成的三元圖：右軸為目標聚合物（40-100%），左軸為非目標聚合物（0-60%），底軸為污染物（0-60%）。大符號代表本研究分析的打包捆，小符號代表文獻值。打包捆類別包括：HDPE打包捆（藍色圓點）、硬質PP打包捆（橙色方塊）、薄膜打包捆（主要為LDPE，紫色三角形）和混合塑料打包捆（美國-7，綠色十字；歐洲混合塑料，綠色菱形）。收集方案通過符號填充表示（PMD：填充；PoSo：空心）。 d, 從分揀打包捆（PE硬質、PP硬質和混合塑料）中PMD和PoSo目標物品的LAMD均值比較（n=5次測量）。灰色線表示LAMD相等水平，線上或線下方的點分別表示PMD或PoSo目標物品具有更高的LAMD。右上角插圖顯示了來自末端分揀（灰線上方）與源頭分類收集和分揀（灰線下方）的牛奶瓶（PE2）在LAMD上的視覺差異。

在附著水分和污垢水平方面，源頭分類混合塑料的最高值（12.8 wt%）仍低于末端分揀PE硬質的最低值（14.9 wt%）。末端分揀的LAMD從PE硬質的14.9 wt%遞增至混合塑料的26 wt%（圖1a）。對于揮發(fā)性有機化合物，LDPE和PP在末端分揀中表現出更高的VOC面積計數和化學物質多樣性，其中LDPE的VOCs在末端分揀中比源頭分類高出三倍，這主要歸因于其高表面積促進了交叉污染。PE硬質在源頭分類中反而顯示出更高的VOC水平，這與LAMD結果一致（圖2a）。從化學類別分布看，末端分揀的LDPE和PP硬質比源頭分類顯示出更廣泛的化學范圍，且含氮化合物（胺、酰胺等）在源頭分類樣品中基本不存在，卻在末端分揀中大量出現，這可能與殘留垃圾中富含蛋白質的有機物及高水分環(huán)境促進微生物活動有關。玩具、紡織品和CD盒等非包裝物品的VOC水平差異很大（圖2b），部分紡織品樣品的VOC面積高達2.3×10?，涉及70種化合物，而CD盒中檢測到溴，提示可能含有溴化阻燃劑。

圖2 | 分揀后塑料廢棄物及特定物品中的總VOC面積和多樣性 a, 分揀后塑料廢棄物流中的總VOC面積和VOC數量。 b, 選定非包裝塑料物品的總VOC面積和化合物計數。PE泡沫因樣品質量不足以進行VOC分析而被排除。

從殘渣垃圾中回收的塑料顯示出比源頭分類更高的痕量污染物濃度。雖然洗滌能降低金屬負荷，但末端分揀打包捆中仍保留較高的金屬水平，包括鎘和鉛等受限制元素（圖3a）。總金屬含量方面，末端分揀的混合塑料和LDPE打包捆顯著高于源頭分類對應樣品（圖3b）。未洗滌的PE硬質末端分揀樣品中鎘濃度（6.3 ppmw）是源頭分類樣品（0.4 ppmw）的15倍以上。鉛幾乎普遍存在（1.9-82.3 ppmw），在LDPE和混合塑料中最高，接近監(jiān)管閾值。圖3c直觀比較了兩種收集系統(tǒng)下未洗滌打包捆中多種金屬和鹵素的歸一化濃度，顯示末端分揀樣品在鉛、鎘、氯、氮等指標上普遍偏高。物品分析證實，玩具、紡織品和鞋子等非包裝塑料物品是特定金屬污染的重要來源（圖3d），其中鞋子的鉛含量高達913.4 ppmw，超出包裝限值52倍。花盆也顯示出較高的鉛和鎘濃度。氯含量在末端分揀流中也更高，未洗滌的末端分揀LDPE中氯達到2,433 ppmw，而源頭分類為1,600 ppmw。非包裝物品如水泡包裝（285,000 ppmw）和玩具（10,300 ppmw）貢獻了極高的氯負荷，反映其PVC組成。

圖3 | 分揀后及洗滌后塑料打包捆的金屬和鹵素組成 a, 洗滌前后塑料打包捆樣品（PE、PP、LDPE和混合塑料）中元素濃度的百分比變化。正值表示洗滌后濃度降低。砷（As）和溴（Br）因未檢出或僅在一個樣品中檢出而被排除。為改善視覺清晰度，去除了極端異常值；箱線圖顯示四分位距，須線為1.5倍四分位距。 b, 表格顯示未洗滌（UnW）和洗滌（W）樣品分揀打包捆的總金屬含量（TMC，wt%）。TMC計算為所測金屬平均濃度之和（1 ppm = 0.0001 wt%）。 c, 散點圖比較了來自源頭分類和末端分揀流的未洗滌分揀打包捆（LDPE、PE硬質、PP硬質和混合塑料）的金屬和鹵素濃度。對于混合末端分揀塑料打包捆，在分析前移除了非包裝塑料物品并進行單獨評估；此處顯示的打包捆樣品因此僅代表包裝塑料。數值經過內部歸一化，并按0-1標度報告，1表示最大濃度。檢測到的最大濃度（ppm）標示在散點圖上方。 d, 取樣物品圖片（從左到右：薯片袋、花盆、塑料袋、鞋子、水泡包裝），灰色三角形指示它們可能是哪些微量元素引入的來源。

研究通過聚類模型模擬了末端分揀比例從10%提高至75%對回收原料的影響。圖4a和4b展示了分別基于回收率和距離歐盟目標（EU27+3）以及基于人口獲得收集服務比例（美國）進行的k均值聚類結果。圖4c至4e顯示了各聚類在不同情景下可獲得回收原料相對于基線的指數增長，表明提高末端分揀比例在所有聚類中均持續(xù)增加塑料包裝回收量。圖4f匯總了EU27+3和美國在不同末端分揀情景下的總可獲得PPW原料數量及回收率。具體而言，對于EU27+3，在75%場景下，可從690萬噸未被源頭分離的PPW中額外回收約250萬噸，使回收原料從770萬噸增至930萬噸（圖4g）。美國情景下，回收原料可從130萬噸增至540萬噸（圖4h）。然而，實現該目標所需的資本支出巨大：EU27+3約需180億歐元，美國約需500億美元。研究強調，這些估算僅包含分揀基礎設施的CAPEX，未考慮收集、下游回收等額外系統(tǒng)成本及協(xié)同效益。

圖4 | EU27+3和美國子模型的建模結果 a,b, 散點圖顯示了基于塑料包裝回收率（%）與距離歐盟塑料包裝回收目標的距離（歐洲環(huán)境署報告）對EU27+3成員國（a）進行的k均值聚類，以及基于獲得收集服務的人口比例（%）對美國各州（b）進行的k均值聚類。 c-e, 相對于基線條件（基線=100）的可獲得回收原料的指數增長。圖中展示了四個EU27+3聚類的家庭原料（c）及商業(yè)和工業(yè)原料（d）以及四個美國聚類的原料（e）的增長軌跡。線條代表中位值，陰影區(qū)域表示90%概率區(qū)間（5th-95th百分位數）。100處的水平虛線表示基線。 f, 線圖顯示了在不同殘渣至末端分揀情景下，跨相應聚類匯總的EU27+3（藍色）和美國（紅色）的總可獲得PPW原料。實線表示可作為回收操作潛在原料的數量（kt/年）。虛線表示被收集和分揀的PPW占當年總產生PPW的百分比。總產生PPW假設等于同年投放市場的體積。平均值以誤差條表示標準差。 g,h, EU27+3（g）和美國（h）基線及75%殘渣分揀情景下PPW流的桑基圖。來自單獨收集和混合收集流的數量在兩種情景中相同，但送往末端分揀的混合收集份額不同（青色矩形：基線；橢圓：75%情景）。可獲得原料和殘渣廢棄物用矩形（基線）和橢圓（75%情景）表示。基線流以降低的不透明度（40%）顯示。

綜合比較八項質量指標（純度、碳含量、氯、氮、氧、總金屬含量、LAMD、VOCs）可以發(fā)現末端分揀打包捆雖然在目標聚合物純度上與源頭分類相近，但在LAMD、VOCs、痕量金屬和鹵素方面均表現出系統(tǒng)性更高的污染水平，且影響因聚合物而異（圖5a-d）：PP硬質在兩種系統(tǒng)中表現相當，但LDPE在末端分揀中表現更差（更高的LAMD、VOCs和氯），而PE硬質在VOC和氯方面反而略好于源頭分類。對于混合塑料打包捆，末端分揀樣品的純度、碳含量和VOCs均顯著劣于源頭分類樣品。

圖5 | 未洗滌分揀后塑料打包捆的質量與可回收性 a-d, PE硬質（a）、PP硬質（b）、LDPE（c）和混合塑料（d）打包捆的雷達圖。數值針對每個類別中的最大值進行內部歸一化。標度從0到1，分別表示最小值和最大值，增量為0.2。數值越低表示性能越好的指標被反轉（1-x），使得較高的值始終表示較好的性能。“純度”表示PE、PP和LDPE中主要組分的百分比（a-c），以及混合打包捆中聚烯烴（PO）含量（d）。“VOCs”表示總面積的合計。對于混合PMD，使用了洗滌后樣品的值（碳、氯、氮、氧和TMC），而PMD混合塑料的VOCs則基于目標物品的水平（d）。

總結與展望

總體而言，末端分揀可以提高塑料循環(huán)性，但始終伴隨著原料質量的下降。更高的回收率并不必然帶來更高的循環(huán)性——如果原料質量下滑。雖然兩種收集路徑的打包捆純度相似，但末端分揀的材料不太適合高質量的機械回收，增加捕獲量反而會將原料供應轉向質量較低的流。系統(tǒng)優(yōu)化應平衡早期材料捕獲與污染控制，限制非包裝物品的輸入，并保持對不同回收路徑的差異化考量。末端分揀應被視為一種有前景的補充策略，而非源頭分類的替代方案，尤其考慮到重金屬污染以及電池等破壞性物品的存在。