关于塑料废物管理多维决策方法的研究

《Environmental Impact Assessment Review》：Research on multi-dimensional decision-making method of plastic waste management

塑料垃圾管理需综合环境、经济与风险评价，本研究对比热解、机械回收、填埋和焚烧四种方法，发现机械回收最优，具最低环境损害（-16.02E-11至-31.80E-12）、24.55%收益及1.50污染风险。敏感性分析显示电力成本对全球变暖潜力影响最大（-12.98%至11.19%）。研究填补了传统生命周期评估忽视经济与市场维度的空白，为系统性评估塑料管理方案提供理论支持。

　　

赵书杰|蔡莉莉|谭全音|李金辉|秦玉飞

清华大学环境学院，中国北京100084

摘要

近年来，塑料废物持续增加，对环境造成了长期损害。为了减少塑料处理过程对环境的直接污染，从环境、经济和风险的角度定量评估塑料废物管理方法对于选择最佳处理方案至关重要。然而，标准的生命周期评估（LCA）无法同时从生产者和市场的角度考虑这些问题。本研究采用了结合LCA、经济分析和风险评估的多目标评估框架，对四种塑料废物管理方法——热解、机械回收、填埋和焚烧进行了研究。结果表明，机械回收是最佳选择，其环境影响最小（人类健康：-16.02E-11，生态系统：-13.18E-10，资源稀缺：-31.80E-12），盈利能力适中（24.55%），污染风险低（1.50%），且总体效益最优。同时，敏感性分析显示电力成本（-12.98至11.19%）对机械回收技术的全球变暖潜力影响最大。本研究对不同塑料废物管理方法的环境影响、经济性和风险水平的评估为实际废物管理系统提供了理论支持，其结果可作为选择和优化各种塑料废物管理方法的参考依据。

引言

尽管社会福利有所提高，塑料的生产仍在持续增加（Yang等人，2025年）。预计到2025年，全球塑料废物量将达到2.25亿吨，塑料污染将进一步加剧（Jones，2025年）。令人担忧的是，目前全球80%的人口生活在无法有效管理塑料废物的国家，仅2025年就有约7200万吨塑料废物将污染自然环境（Jones，2025年）。包装材料是塑料废物的主要来源，占塑料产量的大约33%。

塑料制品的生产主要依赖于化石燃料，尤其是原油和天然气（Zhao等人，2023年）。根据Vollmer等人（2020年）的研究，塑料生产目前占全球石油消费量的4%至6%，预计到2050年这一比例将上升至20%（Ellen MacArthur基金会，2017年）。值得注意的是，83%的现有塑料无法被其他材料替代（Costa等人，2022年）。对塑料的依赖不仅耗尽了有限资源，还导致了大量的温室气体排放（Cucina，2023年）。

由于塑料具有抗降解性，如果管理不当，塑料残留物会严重污染生态环境（Li等人，2021年）。塑料污染造成的经济损失高达每年1.5万亿美元（Zhao等人，2025年）。目前的回收率远远落后于需求；全球只有约9%的塑料得到了有效回收，而在中国，尽管回收率（31%，约1900万吨）位居世界首位，仍有70%的塑料废物被焚烧或填埋（Xayachak等人，2023年）。2010年至2020年间，中国回收了1.7亿吨塑料废物，相当于节省了5.1亿吨原油，并减少了6120万吨碳排放，占同期全球塑料废物利用总量的45%。尽管中国在塑料废物回收率方面处于领先地位，但仍存在改进空间（中国国家资源回收协会，2024年）。

塑料废物的管理方法包括填埋、焚烧、机械回收和化学处理，这些方法都需要能源和化学投入。因此，废物管理的经济可行性取决于这些因素（Zhang等人，2024年）。然而，进行全面评估对于评估不同废物管理过程的环境可持续性至关重要（Tariq等人，2024年）。生命周期评估（LCA）用于确定产品或系统从开始到结束的环境影响，涵盖从原材料采购到处置或回收的整个过程（Zhao等人，2019年；Zhou等人，2024年）。许多研究利用LCA来评估塑料废物管理的环境影响。

Neo等人（2021年）使用LCA研究了印度尼西亚和印度的塑料废物处理情况。研究发现，印度的塑料废物环境影响相对较低，这归因于印度较高的回收率。在技术层面，多项研究表明，再利用和回收比最终处理方式（如堆肥、填埋或焚烧）具有更大的环境优势（Gómez和Escobar，2022年），特别是热解的影响明显低于焚烧（Somoza-Tornos等人，2020年）。然而，这些技术的效果并非绝对。Schwarz等人（2021年）指出，回收效果取决于聚合物类型，这一发现挑战了固定回收优先级的假设。此外，许多研究仅关注特定产品或阶段，例如特定单体的环境影响（Gracida-Alvarez等人，2019年），而不是整体系统的比较。此外，许多研究基于理想化条件下的理论模型（Meys等人，2020年），可能无法完全反映现实世界的复杂性。虽然单独的环境评估很有价值，但迫切需要综合框架。Volk等人（2021年）的研究表明，结合机械回收和化学回收的混合系统可以提升整体效益，这表明需要多维度评估来协调环境、经济和技术标准，以制定稳健和可持续的废物管理策略。

尽管在分析塑料废物环境影响方面已经做出了大量努力，但仍存在两个主要研究空白：（1）以往的研究主要关注热解产物的进一步处理（例如蒸汽裂解生成烯烃或芳香烃），而大多数研究仍将中间化学品的生产视为分析终点（Gracida-Alvarez等人，2023年；Uekert等人，2023年；Ghosh等人，2024年）。目前缺乏关于这些中间化学品进一步加工成多种最终产品（如食品级聚合物、纤维或工程塑料）的多维度资源管理绩效的全面评估，这对于评估基于热解的循环经济和可持续性至关重要。此外，这些研究基于假设模型模拟，可能无法准确反映实际情况。因此，有必要对塑料废物热解进行全面的LCA评估，整合现有企业的实际操作数据。（2）从商业和市场角度来看，单独的LCA仅提供环境视角，不足以进行全面的可持续性评估。当考虑这些技术的成本和严格的环境标准时，单独的LCA无法评估回收技术的经济和环境可持续性。全面的评估可以通过综合评估废物管理技术在环境影响、经济可行性和污染风险三个维度上的优缺点来解决这些局限。

为了填补这些研究空白，本研究旨在：（1）通过LCA比较各种废物管理方法的环境影响；（2）建立全面的成本效益分析，评估不同废物管理方法的经济优势，并考察关键材料成本的影响；（3）研究每种废物管理方法相关的污染风险水平；（4）采用结合LCA、经济分析和风险评估的多目标评估框架。理论上，这有助于将废物管理方法从孤立评估提升到系统量化，实现可持续性权衡的系统性分析。实际上，它为政策制定者和实践者提供了可操作的见解，帮助他们识别关键的经济和环境影响因素，并支持在生态影响、成本效益和污染风险缓解方面取得平衡的技术投资。

方法框架

为了优化能源节约和减少排放，对塑料废物管理进行全面的评估，包括环境、经济和污染指标是必要的。然而，传统的LCA往往无法满足生产者和其他关键市场利益相关者（如投资者、下游制造商和政策制定者）的复杂需求，因为它忽略了不同处理技术相关的关键经济和监管因素

中期环境影响

（1）碳排放。

如图2所示，GWP代表了最重要的中期环境影响（MPI）。为了更直观地描述温室气体对气候变化的综合影响，本研究使用碳排放作为衡量指标。因此，我们对四种塑料废物处理技术的碳排放进行了单独分析。其中，填埋产生的碳排放最高，为261.39公斤CO₂当量/吨，其次是热解

与其他研究的比较

本研究中的塑料废物热解碳排放（202.79公斤CO₂当量）低于Xayachak等人（2022年）报告的数值（361.9公斤CO₂当量）。这一差异主要是由于本研究未考虑塑料废物的运输成本。此外，该研究是在试点规模下进行的，缺乏广泛的环境控制措施，这通常会导致较高的环境影响，但在中期碳排放较低。

结论

塑料废物管理是一个复杂的挑战，需要对其环境、经济和社会影响进行全面评估。本研究采用多目标框架，结合LCA、经济分析和风险评估，表明没有任何一种方法——热解、机械回收、填埋或焚烧——在所有标准上都表现出色。然而，机械回收是最平衡和可持续的选择：它具有适度的经济效益

CRediT作者贡献声明

赵书杰：方法论、数据整理；正式分析、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。蔡莉莉：资源获取、可视化、审稿与编辑。李金辉：撰写、审稿与编辑。秦玉飞：资源提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金 [资助编号 72274105]的支持。