风能行业面临着重大的可持续性挑战

《Environmental Science & Technology》：The Wind Energy Industry Faces Significant Sustainability Challenges

风力涡轮机叶片退役引发的环境污染问题日益严峻，现有处理方法（填埋、焚烧、机械/热/化学回收）均存在有害物质释放风险。本文提出需同步优化污染物控制指标与回收效率，建立全生命周期监管体系，并通过技术创新减少复合材料中的有害添加剂。

　　

在过去十年中，风能已成为全球电力系统的支柱，但其成功故事掩盖了一个日益严峻的环境难题。随着风力涡轮机接近使用寿命的终点，该行业面临着大量废弃涡轮机叶片（WTBs）的处理问题，预计到2050年将有超过4300万吨的叶片需要处置。(1)根据全球风能理事会（GWEC）的数据，全球风能装机容量从2001年的24吉瓦增加到2024年的1136吉瓦，增长了近50倍，同时保持了7%的年增长率。(2)尽管技术创新推动了材料回收解决方案的发展，但一个关键问题仍未得到充分解决：即在叶片处理过程中释放的环境污染物。

WTBs主要由复合材料构成，包括箱形梁（翼梁帽和剪切腹板）以及空气动力学外壳。翼梁帽是固体纤维增强聚合物（FRP）层压板，而剪切腹板和外壳通常是FRP-芯-FRP夹层结构，芯材为聚合物泡沫或轻木。制造这些组件仍然依赖于催化剂、固化剂、阻燃剂和增塑剂。虽然这些物质在功能上是不可替代的，但它们在生命周期结束时的处理过程中会释放污染物。由于缺乏针对叶片的具体法规，这些化学物质仍然在使用中，尤其是在含有已被淘汰化合物的旧设备中。这种嵌入化学物质的问题使得生命周期结束时的管理变得更加复杂，并加剧了处置风险。先前的研究表明，FRP废弃物（包括WTBs）中的添加剂可以通过回收过程持续存在，并对环境造成长期危害。(3)然而，大多数关于WTBs处理方法的评估并未将这些化学物质及其可能产生的二次污染物作为评估的重点。(4)相反，现有的比较通常围绕回收率、成本或能源-气候指标进行，例如通过生命周期评估（LCA）或技术成熟度水平（TRLs）等工具。(5)在这里，我们重新关注二次污染问题，总结了与叶片材料相关的主要污染物类别，并将其与最可能发生释放的处理途径联系起来（图1）。目前的治疗策略包括填埋、焚烧、机械回收、热回收和化学回收（图1）。(6)如果控制措施不足，每种方法都可能产生有害污染物，从而对人类健康和生态系统构成风险（表1）。(4)

图1

图1. WTB处理方法示意图。(a) WTB处理方法的代表性方案，分为体积减少（填埋和焚烧，紫色）和资源回收（机械、热回收和化学回收，绿色）。每种方法的优点和局限性都有标注。(b) 与每种处理方法相关的污染物排放，分为新兴污染物（EPs）、挥发性有机化合物（VOCs）、颗粒物（PM）和酸性气体（AGs）。缩写说明：PAEs，邻苯二甲酸酯；BFRs，溴化阻燃剂；BPA，双酚A；PAHs，多环芳烃；PCDD/Fs，多氯二苯并-p-二氧英和呋喃；AcOH，乙酸；MPs，微塑料；PM_2.5，细颗粒物；SO₂，二氧化硫；NO_{x，氮氧化物；HCl/HBr，氢氯酸/氢溴酸。}

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表1. WTB处理过程中的污染物及其可能的排放途径。

污染物	方法	风险商数（RfD）
PAEs	填埋、机械回收	2 × 10–2 mg kg–1
BFRs	填埋、机械回收	1 × 10–4 mg kg–1
PAHs	热回收	3 × 10–4 mg kg–1
BPA	热回收、化学回收	5 × 10–2 mg kg–1
PCDD/Fs	焚烧	7 × 10–10 mg kg–1
苯酚	热回收、化学回收	0.3 mg kg–1
甲醛	焚烧	0.2 mg kg–1
一氧化碳（CO）	焚烧	10 mg/m3
氢氯酸（HCl）	热回收、化学回收	7 mg/m3
乙酸（AcOH）	化学回收	25 mg/m3
微塑料	填埋、机械回收	–
PM2.5	机械回收	–

^a

缩写在图1中有定义。

^b

PAEs的风险商数以邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（DEHP）为代表，这是一种在PVC泡沫中常见的邻苯二甲酸酯，在风险评估中被广泛研究。

^c

BFRs的风险商数以2,2′,4,4′-四溴二苯醚（BDE-47）为代表，这是一种在风险评估中常用的代表化合物。

^d

PAHs的风险商数以苯并[a]芘（BaP）为代表，这是风险评估中最常用的参考化合物。

^e

PCDD/Fs的风险商数以2,3,7,8-四氯二苯并-p-二氧英（2,3,7,8-TCDD）为代表，这是风险评估中最常用的参考化合物。

^f

一氧化碳（CO）的参考值来自美国环保署（EPA）的《国家环境空气质量标准》（NAAQS）中规定的8小时平均暴露值。

^g

氢氯酸（HCl）的参考值对应于职业安全与健康管理局（OSHA）规定的允许暴露限值上限（PEL-C）。

^h

乙酸的参考值对应于OSHA规定的8小时时间加权平均（TWA）暴露值。

ⁱ

目前尚未为微塑料建立官方的风险商数；目前的参考依据是世界卫生组织（WHO）和欧洲化学品管理局（ECHA）的建议。

^j

目前尚未为PM_{2.5建立官方的风险商数；当前的参考依据是WHO的空气质量指南和NAAQS。}

填埋可能导致嵌入的有害成分随时间渗出，对土壤和人类健康造成持续风险。例如，Yousef等人报告了填埋过程中产生的细颗粒物（9.07千克PM_2.5当量）和人体毒性指标（致癌性和非致癌性毒性分别为37.44千克和449.43千克1,4-DCB当量）。(7)

焚烧可以减少体积，但会将负担转移到烟气排放和灰烬管理上。在燃烧和减排条件不足的情况下，焚烧可能会产生高毒性的副产品，如多氯二苯并-p-二氧英和呋喃（PCDD/Fs），然而关于WTB焚烧过程中关键污染物的排放数据仍然有限，这阻碍了不同处理途径之间的比较。(4)机械减容和再利用可以分散叶片碎片和空气中的微塑料。(8)值得注意的是，在操作控制下，灰尘和微塑料的定量排放因子仍然缺乏。热处理方法可以回收能量和纤维，但如果减排措施不足，可能会释放有毒有机物。(9)Li等人确定550°C是一个转折温度，在此温度下，缩聚作用变得明显，焦油中有毒的含氮多环芳烃（N-PAHs）的含量显著增加。(10)化学回收在纤维/单体回收方面具有很大潜力；然而，大多数工艺仍处于商业化前阶段，且溶剂和尾气流并未得到持续监测。(9)Lahive等人报告的基于乙酰解的解聚方法虽然回收率很高，但仍会产生需要控制的副产品。(11)总体而言，关于二次污染的定量证据在各种处理途径之间仍然不均衡，且往往无法直接比较。因此，以回收率为优先的评估方式掩盖了污染物的实际排放情况；评估必须将回收目标与明确的污染物控制效果结合起来。

这种矛盾暴露了清洁能源转型中的一个结构性盲点：对下游环境影响的关注不足。从技术上讲，这些二次污染物可以通过适当的治疗过程得到控制。对于焚烧，优先控制措施包括针对新兴污染物（EPs）和酸性气体（AGs）：快速冷却、干法或半干法洗涤以及活性炭注入和袋式过滤器过滤。对于热处理，主要挑战在于焦油和可冷凝有机物的处理：前端冷却和冷凝、雾消除、催化裂解或重整，然后通过催化或再生热氧化来稳定挥发性有机化合物（VOCs）。(12)对于机械处理，优先控制措施是封闭环境和局部排气通风，以在源头捕获灰尘，随后进行预分离（例如旋风分离）和袋式过滤器过滤，通常还需要注入活性炭以同时捕获含有EPs的细颗粒物。(13)对于化学回收，管道末端控制应结合闭环溶剂捕获和回收（例如冷却冷凝加蒸馏），并处理酸性介质时进行尾气洗涤。(11)鉴于EPs在液体流中频繁出现，应在排放前将其去除，通常使用活性炭或聚合物吸附剂。然而，这些风险不仅仅是技术上的；它们反映了监管上的空白，这威胁到了气候策略的完整性。为了填补这一空白，迫切需要三项协调的进展：

• 推进环保制造技术。大多数生命周期结束时的有害排放源自上游的材料选择。随着风能需求的增加，对生产投入和过程排放的严格监管至关重要。此外，可回收的热塑性塑料、无卤泡沫和低毒性的固化系统可以降低嵌入风险，并实现循环利用。例如，虽然聚氯乙烯（PVC）或聚氨酯（PU）最初被用作泡沫芯材，但现在已被相对更清洁的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）所取代。尽管完全消除有害化学物质是不现实的，但减少其在叶片制造中的使用可以大幅减轻生命周期结束时的污染负担。
• 以污染物最小化为目标的创新处理方法。在开发WTB处理技术时，环境风险必须作为主要基准。如上所述，许多方法都是针对回收率、成本或碳足迹进行优化的，而往往忽视了污染物的毒性、持久性或生态系统层面的影响。因此，更加全面的处理方法，特别是那些明确关注二次污染物的方法，至关重要。我们建议制定可审计的KPI作为试点和规模扩大的标准。首先，应量化主要流程中的二次污染物（尾气、可冷凝物质如焦油，以及固体如灰尘、灰烬或纤维残留物），并将其统一为每吨处理量的排放因子。例如，热解实验表明条件对排放有显著影响。引入25%的二氧化碳（CO₂可将NO_{x排放量减少约26%，同时将氰化氢（HCN）排放量增加至原来的4.3倍，这表明只有结合操作条件才能准确解释排放因子。(10)其次，对于基于溶剂的处理方法，应记录溶剂的再生和回收情况以便再利用，并记录溶剂损失。至少，项目应报告溶剂回收率（百分比）和按处理量（例如每吨处理的千克数）标准化的溶剂损失。(14)第三，应使用标准化的浸出或提取协议（例如BCR/ISO操作定义的程序）来评估浸出情况，以支持再利用和处置决策，并在干质量基础上报告结果，同时明确关键测试条件（提取剂化学性质和pH值、液固比、摇动时间和温度设置）。(15)}
• 通过法规建立生命周期责任机制。短期内，在结构创新进行的同时，当前的叶片处置现实要求临时性的监管保障。监管机构应要求处理设施编制排放清单，并对关键污染物（特别是受监管的优先污染物，如PCDD/Fs）进行监测和独立审计。现有的监管先例，如最佳可用技术（BAT），提供了可操作的参考。在短期内使用焚烧的情况下，许可证可以要求采用符合BAT的减排措施，并定期测量PCDD/Fs和其他无意产生的持久性有机污染物（POPs）。(16)从长远来看，WTB管理应纳入更广泛的复合材料废物治理框架中，其中混合材料结构和遗留添加剂使得环境友好型管理变得复杂。主要的风能市场可以通过将二次污染物清单和统一的报告要求纳入具有约束力的国家规则和运营许可证中来引领这一进程，从而使不同处理途径和设施的处理结果具有可比性（图1b）。随着监管的完善，可以通过扩展生产者责任来制度化生命周期责任机制，使材料选择和生命周期结束时的设计与下游环境绩效相一致。同时，可以建立与《巴塞尔公约》对齐的国际框架，以加强混合聚合物和复合材料废物的跨境转移监管。最终，这些步骤将促成一个支持更安全材料和减少污染的生命周期治理体系。

总之，低碳转型的完整性不仅取决于清洁能源的生成，还取决于负责任的材料管理。在叶片处理过程中，如果控制不当，释放的有害物质可能会成为不可估量的负担，侵蚀公众信任和未来的收益。如果没有积极的监管和减少污染的处理创新，不作为的成本将超过可再生能源部署带来的好处。