張 鑫，全淑苗
(北京航天石化技術裝備工程有限公司，北京 100176)
摘 要：探討了廢舊農膜回收再利用技術，指出了各技術的優(yōu)缺點、適用性及其發(fā)展應用前景，提出了組合回收再利用技術以加快推進我國的農膜回收再利用并防止農膜殘留污染。
關 鍵 詞：廢舊農膜；農膜政策；回收再利用技術
0 前言
農用塑料薄膜(下文簡稱為“農膜”)覆蓋技術于20世紀70年代由日本引入中國，被稱為農業(yè)技術史上的一次“白色革命”。農膜的增溫保墑提產作用，對保障我國糧食安全和農產品有效供給及農業(yè)發(fā)展作出了重大貢獻。農膜主要是由石油加工合成的一種高分子有機化合物，由母體化合物和添加劑組成，母體化合物主要有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯等。農膜本質上是一種膜塑料，在塑料薄膜行業(yè)的地位舉足輕重，發(fā)展迅速，占比將近1/3。我國對農膜的需求日益增加，農膜產量及使用量逐年遞增，廢舊農膜量也隨之增多。隨著覆膜技術的普及，殘留在土壤中的廢舊農膜對土壤結構、農業(yè)生產、生態(tài)環(huán)境、作物品質和人類健康產生不可忽視的危害，嚴重制約我國農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。為了全面推進廢舊農膜污染治理，中國印發(fā)了多個政策以提高新農膜產品品質和促進廢舊農膜回收再利用。本文在對我國廢舊農膜使用現(xiàn)狀概述的基礎上詳細分析了農膜政策導向，提出大力發(fā)展廢舊農膜回收再利用技術才能解決廢舊農膜的“出路”問題。而且展開論述了再生利用技術、溶解技術、焚燒技術和熱解技術等現(xiàn)有回收再利用技術，并指出單一回收再利用技術有其優(yōu)越性的同時也有一定的局限性，為了取長補短以實現(xiàn)各類廢舊農膜的高效回收，需有機地融合多種回收再利用技術。
1 農膜使用現(xiàn)狀及廢舊農膜回收
1. 1 農膜使用現(xiàn)狀
中國是傳統(tǒng)的農業(yè)大國，農膜的產量和銷量巨大，居世界首位。根據統(tǒng)計數(shù)據顯示，2012年我國塑料薄膜產量為9703kt，其中農用薄膜產量為1600kt，占塑料薄膜的16.5%，說明農業(yè)薄膜是塑料薄膜行業(yè)的一大重要分支。2011-2017年中國農膜產量和銷量如圖1所示[1]，可以看出，農膜產量逐漸遞增，從2011年的1570kt增大至2017年的2690kt，增比71.3%。農膜銷量基本呈現(xiàn)增大的趨勢，從2011年的1480kt增大至2230kt，增比50.7%。
圖 1 2011 -2017 年中國農膜的產量和銷量
農膜根據用途主要可分為地膜和棚膜，兩者用量比約為1.2：1[2]。2010-2019年中國農膜使用量和地膜使用量如圖2所示[3]。從圖2可以看到，農膜使用量呈先增多后減少的趨勢，在2015年達到最大值2604kt。地膜使用量的變化趨勢與農膜使用量相同，且占農膜使用量的54%~57%。為了滿足我國與日俱增的糧食生產需求，農膜在過去幾十年間被廣泛使用，但其長期大量使用卻缺乏有效及時的回收處置從而導致“白色污染”日益加劇，因此自2015年后農膜使用量逐漸減少。如2019年中國農膜使用量為2408kt，較2018年的2467kt同比下降2. 39%。龐大的農膜使用量也在一定程度上反映了廢舊農膜的堆積量，其不僅僅占據了大面積的可利用土地和嚴重浪費了物質資源，而且對環(huán)境也造成了不可挽回的破壞。我國農膜主要有棚膜和地膜，目前仍以地膜為主。圖3為1993-2020年地膜使用量和地膜覆蓋面積[4]。可以看到，在2016年以前，地膜使用量逐漸增多，在2016年以后逐漸減少。而地膜覆蓋面積總體呈現(xiàn)增大的趨勢，從1993年的591億m2增大至2020年的1730億m2，這一方面說明地膜使用量的增多，另一方面也說明了中國現(xiàn)代農業(yè)的蓬勃發(fā)展。
圖 2 2010 -2019 年中國農膜和地膜使用量
圖 3 1993 -2020 年中國地膜使用量和覆蓋面積
1. 2 廢舊農膜回收
中國是農膜使用大國，每年的廢舊農膜量巨大。廢舊農膜是膜塑料的一種，具有塑料的不易分解特性。廢舊農膜廢棄于田間，不僅造成土地資源和能源資源的浪費，也破壞了生態(tài)環(huán)境和降低了農產品產量及品質。由于我國超薄地膜的大量使用以及廢舊農膜回收再利用技術和機制的欠缺，2015年全國廢舊農膜回收利用率不足2/3，因此，我們必須積極開展廢舊農膜回收行動。
開展廢舊農膜回收行動，一方面是提高廢舊農膜的回收率，減少廢舊農膜的廢棄量；另一方面是提高農膜品質和農藝措施，從源頭減少廢舊農膜產量?；谶@兩方面，目前中國廢舊農膜污染防治技術主要有3種：一是產品替代技術。隨著科學技術的不斷進步和“白色污染”的日益嚴重，對農膜的要求越來越高，各類可降解農膜不斷涌現(xiàn)，采用可降解農膜替代不可降解農膜是發(fā)展的必然趨勢?？山到廪r膜主要有生物可降解農膜、光降解農膜和紙農膜等，生物可降解農膜使用范圍最廣。生物可降解農膜是指以生物降解材料為主要原料制備的、用于農作物種植時土壤表面覆蓋的、具有生物降解性能的薄膜。其降解原理是農膜中摻入可降解的生物質，使得大塊農膜容易降解為小塊農膜。但必須說明的是，這種可降解并非是真正、完全的降解，被降解成小塊的農膜依舊殘舊在土壤中，難以被土壤完全同化吸收。因此，需研制雙降解農膜，如光-生物可降解農膜，以確保能及時、完全的降解。而雙降解農膜的生產工藝復雜、成本高，如何簡化生產工藝、降低成本是未來雙降解農膜推廣應用的瓶頸。二是農藝減控技術。主要是通過改進農藝措施減少農膜使用量，推廣先進科學的農藝措施，如合理布局作物、合理輪作等，但需要說明的是農藝措施改進的程度有限。三是廢舊農膜回收再利用技術。采用機械(人工)將廢舊農膜從土壤中清除回收，然后根據實際情況采用適宜的再利用技術實現(xiàn)資源循環(huán)，解決“最后一公里”問題。但廢舊農膜回收存在分布廣、雜質含量高、拾撿難度大、回收成本高等痛點，仍需國家政府大力扶持廢舊農膜回收行動。目前，廢舊農膜回收再利用技術主要有再生利用技術、溶解技術、焚燒技術和熱解技術等，大力發(fā)展這些技術是解決廢舊農膜“出路”問題的最終途徑。
2 農膜相關政策
無論是基于未來的經濟規(guī)劃還是全球性的環(huán)境保護工作，我們都需制定一系列嚴謹?shù)囊?guī)章制度以促進人民對廢舊農膜回收利用的認識和完善廢舊農膜的再生回收循環(huán)流程。黨中央國務院高度重視農膜污染治理工作，致力于治理“白色污染”，提高農膜回收率，完善廢舊農膜回收處理制度[5]。表1為中國關于農膜的相關政策及標準?？梢钥闯?，隨著中國對農膜行業(yè)的逐漸重視，相關政策及標準逐步構建了覆蓋農膜生產、銷售、使用、回收、再利用等全生命周期的全程監(jiān)管體系，在源頭減量、科學使用和高效回收利用等方面我國都在積極推進落實。同時，由于我國農膜行業(yè)存在區(qū)域性，干旱、降雨量少且地廣的地區(qū)，如甘肅省，其農膜使用量遠大于其他地區(qū)，導致該地區(qū)廢舊農膜污染問題更為嚴重。因此，在符合國家政策及標準的前提下，部分地區(qū)也出臺了地方條例及標準以推進地方農業(yè)綠色發(fā)展，詳見表2?？梢钥闯觯瑹o論是國家層面的政策，還是地方層面的條例，都旨在加強政策扶持、項目引導、科技支撐、宣傳發(fā)動，以全面推進廢舊農膜污染治理。相信在政府的大力扶持下，廢舊農膜污染治理必將進一步得到穩(wěn)定的發(fā)展。但是，農田廢舊農膜污染治理是個系統(tǒng)工程，涉及法律法規(guī)、地膜減量化應用、可降解地膜應用、地膜機械化回收、廢舊農膜回收再利用等一系列棘手問題，核心問題是廢舊農膜的回收再利用。但必須強調的是，農膜的品質是否佳、使用是否合理、回收是否高效等都會影響廢舊農膜的回收再利用途徑。政府只有在高效把控農膜生產、銷售、使用、回收等過程的前提下，大力扶持研發(fā)廢舊農膜回收再利用技術，才能解決廢舊農膜的“出路”問題。
表 1 中國關于農膜的相關政策及標準
表2 地方關于農膜的相關條例及標準
3 廢舊農膜回收再利用技術
廢舊農膜回收再利用技術是指將廢舊的農膜經過一定的技術轉化為其他的資源，完成“產品-廢棄物-再生資源-產品”或“產品-廢棄物-再生資源”的反饋式循環(huán)經濟模式。在我國，廢舊農膜回收再利用技術主要有再生利用技術、溶解技術、焚燒技術、熱解技術等[6]。其中，再生利用技術和溶解技術屬于“產品-廢棄物-再生資源-產品”模式，為物理回收。焚燒技術和熱解技術屬于“產品-廢棄物-再生資源”模式，分別為能量回收和化學回收。
3. 1 再生利用技術
廢舊農膜的再生利用技術分為簡單再生技術和改性再生技術[7]。再生利用技術目前已有較為成熟的工藝路線，是許多國家作為再生利用的主要方法[8]。相比于簡單再生技術，改性再生技術的運行成本更高、技術難度更大，因此目前選用范圍更窄，但改性再生技術的再生制品品質更高、原料適應性更強，是廢舊農膜資源化再利用的一大發(fā)展方向。簡單再生技術和改性再生技術的優(yōu)缺點如表3所示。
表3 簡單再生技術和改性再生技術的優(yōu)缺點
3. 1. 1 簡單再生技術
簡單再生技術，又稱再生造粒技術，是將廢舊農膜重新加熱塑化、切粒而加以利用，其基本原理是將廢舊農膜經清洗、破碎后送入高溫熔融裝置，廢舊農膜隨之被熔化，后經擠壓切粒，獲得二次母粒。二次母?？芍苯釉偕赊r膜或加工成各種模塑制品，如塑料木材和柵欄等。該技術的特點是未改變其化學性質，只是改變了物理外觀形狀，不經過任何改性，故該技術又稱直接再生利用技術。工藝簡單、成本低廉，是目前最方便和最經濟的資源化再利用技術。但該技術最大的問題：一是再生料制品的力學性能下降幅度大，品質較低，二是對廢舊農膜品質要求高，不適用于所有廢舊農膜。根據工藝的不同，可分為干法造粒和濕法造粒，兩者的工藝流程和優(yōu)缺點詳見表4。簡單再生技術主要用于回收那些易清洗和挑選的一次性廢舊農膜。由于再生利用的制品性能欠佳，一般只能用于品質檔次較低的塑料制品。
表4 干法造粒和濕法造粒的工藝流程及優(yōu)缺點
3. 1. 2 改性再生技術
為了改善再生料的基本力學性能 ，滿足再生制品的品質需求，需對廢舊農膜進行各種改性再利用。改性再生是將再生料經過物理或化學方法改性后再加工成型。廢舊農膜的主要化學成分是合成樹脂，在實際加工生產過程中根據用途、標準的不同適量添加填料、潤滑劑等，而不同用途的農膜產品，其適用的改性再生技術也有一定的差異。根據廢舊農膜的用途和回收目的，改性再生技術可分為物理改性再生和化學改性再生。物理改性包括填充改性、增韌改性和共混改性等，化學改性技術是通過接枝、共聚等方法在分子鏈中引入其他鏈節(jié)或功能基團，或通過交聯(lián)劑等進行交聯(lián)等改性使廢舊農膜具有較高的抗沖擊性能、優(yōu)良的耐熱性和抗老化性等，如交聯(lián)改性。物理改性再生技術與化學改性再生技術顯著不同，廢舊農膜經物理改性再生技術后仍屬于塑料產品，但化學改性再生技術是改變物質的化學分子鏈，使其轉變?yōu)槠渌猛镜沫h(huán)保型材料。改性再生技術的優(yōu)點是再生制品的力學性能得到改善和提高，再生制品的品質高。缺點是工藝路線較復雜，有 的需特定的機械設備。
物理改性再生技術有：(1)填充改性。是在廢舊農膜中加入填料，目的是降低再生料的成本及提高再生料的強度。填充改性僅適用于對外觀和力學性能有要求的再生料。填充料主要有無機粒子、木粉、滑石粉等。(2)增韌改性。是在廢舊農膜中添加彈性體以提高廢舊農膜的耐沖擊性，原理是分散相彈性體粒子對裂紋端點起“鈍化”作用，并使應力分布在粒子周圍，應力分散達到了抑制裂紋發(fā)展的目的。彈性體種類較多，較為理想的有丁苯橡膠和丁基橡膠。(3)共混改性。是指將兩種及以上共聚物經混合制成宏觀均勻材料的過程。主要方法有熔融共混、溶液共混和乳液共混。熔融共混是指聚合物組分加熱到熔融狀態(tài)后進行的共混。溶液共混是指將聚合物組分溶解于溶劑后進行的共混。乳液共混是指將兩種及以上聚合物乳液攪拌混合均勻后加入絮凝劑，使異種聚合物沉析。物理改性再生技術，其對廢舊農膜的種類、品質要求較低，通過改變廢舊農膜的熔點、拉伸強度、沖擊強度等物理性質將廢舊農膜改造成房屋建筑門窗塑料產品配件或能源材料等。中國經濟實力的大幅提高推動了土木建筑工程建設行業(yè)的發(fā)展，因此建筑材料塑料產品使用量龐大，通過合理的物理改性再生技術將廢舊農膜改性為需求大的建筑材料，是實現(xiàn)資源的可持續(xù)循環(huán)利用的一大途徑。
化學改性再生技術有交聯(lián)改性，是為了改善再生料的形態(tài)穩(wěn)定性、耐蠕變性及環(huán)境應力開裂性，通過交聯(lián)，廢舊農膜的結晶度下降，被掩蓋的韌性又重新表現(xiàn)出來。交聯(lián)改性分為化學交聯(lián)和輻射交聯(lián)?；瘜W交聯(lián)通常在材料的軟化點之上使材料充分塑化后加入交聯(lián)劑，使材料分子交聯(lián)。輻射交聯(lián)是利用輻射源的各種高能射線，將加有交聯(lián)劑的材料輻照交聯(lián)。廢舊農膜再生料主要采用化學交聯(lián)法，交聯(lián)劑有有機 過氧化物等。目前較為成熟的化學改性再生技術是將廢舊塑料轉變?yōu)樗鄩A水劑、化工原料等以提高資源利用率。
3. 2 溶解技術
溶解技術是指利用廢棄農膜的溶解性能，采用特定的有機溶劑選擇性的溶解特定種類的廢舊農膜，溶解后的廢舊農膜可以制成各種涂料或黏結劑。典型廢舊農膜種類與有機溶劑的對應關系如表5所示。以聚苯乙烯為例進行說明，先將廢聚苯乙烯泡沫塑料溶于二甲苯中制成透明防水涂料和黏結劑；隨后在其中又加入不同顏料，制成各色建筑涂料。該技術設備要求較低，操作也較為簡單，但選擇性溶劑耗量大，需對塑料進行嚴格分類。
表5 典型廢舊農膜種類與有機溶劑的對應關系
3. 3 焚燒技術
由于廢舊農膜的熱值較高(約10278~10833kcal/kg[6] )，焚燒處理可獲得廢舊農膜的熱能進行能量回收[9]。焚燒可大幅減少塑料的堆積量，可使廢塑料減容90%~95%，利用該技術可實現(xiàn)廢舊農膜的減量化，但資源化利用程度低。許多發(fā)達國家都已建立了焚燒處理工廠，如在美國已經建立了200余座廢塑料能量回收工廠，在日本和德國該工藝方案正在獲得效益。中國尚未有專門的廢塑料焚化爐，廢塑料往往是和市政垃圾一同燃燒，如深圳引進的日本三菱重工馬丁爐排垃圾焚燒爐以及上海浦東引進的法國垃圾焚燒設備。但由于廢舊農膜還含有少量鹵素元素，燃燒時會產生有害物質，造成二次污染，減少污染物的排放是該技術突破的重點方向。
3. 4 熱解技術
塑料是由石油作原料合成的高分子化合物，熱解技術是將廢舊農膜置于無氧或低氧的密封容器中加熱，使其受熱解聚為低分子化合物進而生成目標產品。由于減量化、無害化、資源化程度高，該技術發(fā)展較快，應用較多的是高溫熱裂解和催化裂解。該技術根據最終產品的不同主要可分為兩種，一種是為了得到燃料油(汽油、柴油、石腦油等)，另一種是為了得到化工原料(如苯乙烯、乙烯、丙烯等)。雖然都是將廢舊農膜轉化為低分子物質，但兩者的工藝路線不同，對聚烯烴類廢舊農膜而言，制備燃料油是較為簡單的工藝 。目前，我國暫無針對廢舊農膜開發(fā)熱解技術，但廢舊農膜是廢塑料的一種，而廢塑料熱解技術發(fā)展較快。2021年12月，工信部印發(fā)《“十四五”工業(yè)綠色 發(fā)展規(guī)劃》，提出要鼓勵開展廢塑料化學循環(huán)利用，推進低值廢塑料熱裂解等技術推廣應用。2014年，深圳綠色環(huán)?？萍加邢薰狙邪l(fā)的廢塑料裂解工藝技術和成套設備，成為國內第一家實現(xiàn)產業(yè)化的企業(yè)。目前，該公司已在蘭州、深圳等多地建立了17個廢塑料制油基地，已形成年處理廢塑料25kt、生產汽柴油20kt的能力。杭州電子科技大學俞天明團隊2015年在衢州試驗基地建成了日處理廢塑料100t，出油率為65%~70%的示范裝置。塑料油的出處是目前廢塑料化學循環(huán)利用行業(yè)的痛點，因此Axens集團開發(fā)了Rewind® Mix技術，該技術是一種可以將任何廢塑料熱解油轉化為乙烯裝置進料的技術，且通過乙烯裝置就可以繼續(xù)生產塑料產品，實現(xiàn)“廢塑料-塑料油-乙烯-塑料”循環(huán)。熱解技術是廢塑料化學循環(huán)的重要技術之一，但目前熱解工藝不可避免的存在設備和管道易結焦堵塞、運行不穩(wěn)定等“卡脖子”問題，解決該問題是發(fā)展該技術的重中之重。
綜上所述，中國廢舊農膜回收再利用技術各有優(yōu)缺點，詳見表6。如何揚己之長的同時避己之短是全面發(fā)展回收再利用技術的重要途徑。組合回收技術是把各種物理回收技術和化學回收技術有機地融合在一起，如針對分選可行、品質較佳的廢舊農膜選擇物理回收技術，根據實際情況選擇再生利用技術或溶解技術。而針對不易分選、品質較差、低殘值廢舊農膜選擇能量回收技術或化學回收技術，根據實際情況選擇焚燒技術或熱解技術。
表6 廢舊農膜回收再利用技術的優(yōu)缺點
4 結論
(1)針對廢舊農膜環(huán)境污染及資源浪費問題，中國政策兩手抓“農膜質量”和“廢舊農膜回收再利用”以全面發(fā)展廢舊農膜回收再利用行業(yè)；
(2)目前，有多種廢舊農膜回收再利用技術，包括物理回收再利用技術和化學回收再利用技術，各類技術都 有其優(yōu)越性和適用性。由于中國廢舊農膜的種類和來源不同、品質差異性大，單一回收再利用技術不能滿足廢舊農膜高效回收，一般需要采用組合回收再利用技術，相互取長補短，使得各類廢舊農膜都得到高效回收。但相比單一回收再利用技術，組合回收再利用技術的工藝更加復雜、成本更高，適合于大型廢舊農膜回收公司；
(3)廢舊農膜的回收再利用，可真正實現(xiàn)“農膜-廢舊農膜-再生資源-農膜”或“農膜-廢舊農膜-再生資源”的農膜循環(huán)經濟閉環(huán)式產業(yè)鏈，推動產業(yè)綠色低碳循環(huán)發(fā)展新模式，助力國家“雙碳”目標的實現(xiàn)。
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