关键词：废塑料、废塑料填埋、废塑料价值、废塑料管理、美国
要点提示：
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摘要
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介绍
塑料的广泛应用导致了其在垃圾填埋场和自然环境中的积累，因此需要方法来提高废塑料的回收率，减少废塑料流入自然环境和填埋场。
为了应对这一全球性挑战，国际社会动员了大量资源来实现塑料循环经济，比如终止废塑料联盟、艾伦麦克阿瑟基金会和世界野生动物基金会等。这些组织将企业、项目合作伙伴和支持者聚集在一起，重新思考塑料的未来。
为了加速塑料回收技术的创新，美国一些机构已经启动计划，包括美国能源署的塑料创新挑战、美国国家科学基金会的新兴前沿研究和创新计划。新技术将促进塑料回收和再生行业的发展，其供应链可以反向决定废塑料的地理空间数据可用性。
废塑料在美国国家层面文献中已有所 道，此类研究为废塑料数量提供重要依据。然而，相关文献中还有一处关键数据是空白的：特定类型废塑料的位置以及数量。
这类数据可以告诉立法者在哪里制定新政策影响最大，告诉非营利组织在哪里以及如何更好地帮助政府进行塑料清理和回收，告诉企业在哪里投资选址和技术发展，以及整个研究领域在区域范围内实施新技术可能产生的潜在影响。
表1 文中的塑料类型和废塑料描述
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方法
2.1 废塑料成分
多数废塑料成分研究是在2010年后进行的，只有4个州的研究是在2010年之前，约76%的研究是在2014-2019年间完成的。我们对比了几个州(如佛罗里达州、伊利诺伊州和马萨诸塞州)较早和较近期的估值，发现其中差异可以忽略不计或很小(在1%以内)。因此，我们假设废塑料成分在过去10年里保持一致。我们认识到，在州内不同地点(例如，城市和农村)的废塑料成分可能有所不同，建议按照州平均值补偿差异。根据几个州(科罗拉多、伊利诺斯、康涅狄格、宾夕法尼亚和马里兰)的可用数据显示差异很小(1-2%)。
图1 美国各地区废塑料的组成 (a)按材料类型，(b)按树脂类型。百分比说明了每个地区城市固体废物中塑料所占比例
2.2 废塑料数量和地理分布
2019年美国填埋和焚烧的废塑料估值分两个步骤。首先，计算出每个地点的废塑料数量如下:
其中Mt是设施 t 接收的废塑料量，以吨为单位（PET 瓶或容器 [PET bc]；HDPE 瓶或容器 [HDPE bc]；混合塑料包装 #3–#7[MP]；PS/EPS 产品；薄膜，包装或袋子 [FWB]；耐用塑料产品 [DP]；或其他/复合塑料 [RC])。MSWt是设施 t 收到的 城市固体废物MSW，以吨为单位，Pms是材料类别m在s状态下MSW在废物的比例。
其次，步骤 1 的结果和表 S1（SI 附录）中描述的树脂分布数据，估算按树脂类型划分的废塑料量，如下所示。需要注意的是，PS/EPS 在废塑料总量中的占比源自废物成分研究，鉴于该材料类别已经按树脂类型划分，因此无需进一步计算。
2.3 废塑料的市场价值和能源价值
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结果与讨论
3.1 废塑料成分
图1显示了各州每种塑料材料或树脂类别所占城市固体废物的平均百分比。图S1 (SI附录)显示了划定的区域。一些产品类别，如混合塑料包装#3-#7和PS/EPS产品，在成分方面没有表现很大的区域差异，而其他类别，如薄膜/包装/塑料袋和其他/复合塑料，仅表现出1-2%的区域差异(图1a)。
在塑料制品中，薄膜/包装/塑料袋是主要类别，平均占全国城市固体废物的5.8%。一些州(如佛罗里达、爱荷华、北卡罗来纳和弗吉尼亚)的数据表明，超过8%的城市固体废物是这些。而加州、科罗拉多州、密歇根州和俄亥俄州的城市固体废物比例最低(不到总量的4%)。
薄膜、包装和塑料袋主要由LDPE/LLDPE组成，这使其成为所有地区的主要树脂类型(图1b)。低密度聚乙烯(LDPE) /低密度聚乙烯(LLDPE)也存在于混合塑料包装#3-#7、耐用产品和其他复合产品中。PP和HDPE是紧随其后的两大类树脂。PP大量存在于#3-#7混合塑料包装、耐用塑料产品和其他复合材料产品中。HDPE存在于塑料包装、塑料袋、耐用产品和其他复合材料中。PET是第二大类别，主要存在于塑料包装废物中，少量存在于复合物品和耐用产品中。
3.２ 废塑料的数量和地理分布
表2 2019年美国城市固体废物中的废塑料。列出了2019年填埋、焚烧和回收的数量，以及所占比例。
表2展示了2019年美国国内管理的废塑料数量。2019年，填埋、焚烧和回收处理的废塑料约为4400万吨。如前所述，这个数字约占当年城市固体废物总量的13.7%。容器和包装约占2019年废塑料总量70%，耐用产品占24%，非耐用产品占7%。参考数据，2019年美国树脂总产量5500万吨，当年总销售额和专用量约为5600万吨。
研究表明，2019年大量废塑料被填埋，约占废塑料总量的86%，约9%废塑料被焚烧，仅5%被回收。2019年，LDPE/LLDPE塑料约占废塑料总量的34%。
图2 2019年美国各州废塑料填埋情况（按树脂类型和区域划分）。饼状图的大小代表塑料填埋的数量，单位为kt。用不同颜色表示树脂类型占填埋塑料总量的百分比。
图2是2019年填埋废塑料按塑料类型和州来区分的示意图。很大程度上，各州填埋的废塑料总量与2019年人口数量相关。加州、德克萨斯州和佛罗里达州是美国人口最多的三个州，也是废物填埋量最大的三个州(2019年为200万吨)。排名差异主要影响因素是各州之间的废物输入和输出，其他处理方案(即焚烧)和回收率。
例如，纽约是全国人口第四多的州，但它的废物和人口在图2中并不相关，因为纽约市并不在本州内处理所有的废物。相反，南卡罗莱纳按人口排名第23位，但在图2中被列为更高的位置，图2显示了废物输入(例如，纽约市的一些废物)。宾夕法尼亚州、弗吉尼亚州、密歇根州和俄亥俄州是美国最大的城市固体废物输入地区；他们每年都能接收超过2000万吨的城市固体废物)。
图3 2019年美国废塑料填埋量。蓝点代表垃圾填埋场位置，点的大小对应处置废塑料量(kt)。
图3展示了2019年垃圾填埋场处置的废塑料量，图S2 (SI附录)按照县级汇总了这些信息。图S3-S9 (SI附录)按树脂类型展示废塑料填埋量。垃圾填埋场通常位于人口密集区附近，从而保持较低的运输成本。
地方层面的垃圾填埋场分布与州层面相似，遵循人口动态:人口多的地区就会出现大量的垃圾填埋场。在很多情况下，这些地点代表了废塑料的产生地点，因为大多数废物都是在其产生地点附近的设施中处理。然而，在某些情况下，废物被填埋到更远的地方。例如，纽约市将废物送到纽约州中部和宾夕法尼亚州的垃圾填埋场，也有远至弗吉尼亚州和南卡罗来纳州;这座城市产生的大量废物无法在附近单独处理。此外，农村地区的垃圾填埋场倾倒费通常比城市附近的低。
3.3 废塑料的市场价值和能源价值
据估计，2019年美国垃圾填埋场的塑料材料对经济造成显著损失(表3)。这些材料的市场价格随着需求、材料纯度(通常混合塑料价格较低)、加工成本、食品污染和不可回收材料的影响而变化。
2019年消费后塑料价格约29-705美元/吨。消费后HDPE和PVC价格范围较大，因为这类材料市场价值有高有低。例如，无色HDPE比有色HDPE更好，因为它可以用于任何颜色的产品。PVC废料价格因质量、加工工艺而不同。LDPE/LLDPE价格也取决于废料的纯度，即透明材料与有色材料的比率。PS作为消费后废料价值非常低，因为从回收设施中分拣出来的PS没有强大的买方市场，而且它的熔化温度较高，增加了回收成本。2019年，垃圾填埋场塑料材料的市场价值约45-99亿美元之间，平均为72亿美元。
隐含能量是与聚合物制造相关的能量，从原料提取到精炼和石油化工生产聚合。隐含能量因聚合物类型而异，它是能量消耗和制造效率的一个指标。如表3所示，塑料的平均隐含能量约为100 MJ/kg。作为参考，其他常用材料的隐含能量如下:铝210 MJ/kg、钢26.5 MJ/kg、铜58 MJ/kg、玻璃10.5 MJ/kg、铅27 MJ/kg、纸45 MJ/kg。2019年美国填埋废塑料的平均总隐含能量约为3.4 EJ，相当于工业部门能量消耗的12%。在产品中使用废塑料而不是原始塑料，为节能和节能创造了机会。
表3 2019年废塑料的市场价值和能量价值。2019年，塑料填埋对美国经济造成了重大损失:平均市值72亿美元，平均3.4 EJ作为隐含能源，约1.5 EJ作为一种能源。
废塑料的能量值也因类而异，PET和PVC表现出较高的能量值，约是其他树脂的一半。低密度聚乙烯(LDPE) /低密度聚乙烯(LLDPE)和聚丙烯(PP)表现出最大的(焚烧)能量值，主要由各自的高填埋量驱动。2019年美国填埋废塑料的(焚烧)能量值约为1.5EJ，相当于交通部门能量消耗的5%或工业部门能源消耗的5.5%。
废塑料填埋不仅意味着这种资源的市场和能源价值浪费，而且还需支付社区处理费用。2019年，美国垃圾填埋场平均成本为61美元/吨；因此，该年的废塑料处理支出约为23亿美元。垃圾填埋场处理费用最高的是太平洋各州，平均为80美元/吨，最低的是中南部地区(阿肯色州、路易斯安那州、新墨西哥州、俄克拉荷马州和德克萨斯州)，平均为45美元/吨。
3.4 与其他研究的对比
3.5 从填埋场中分流废塑料的途径
为了实现文中确定的废塑料技术和经济价值，需要将它们从城市固体废物流中分离出来。但这将增加废物管理成本。盈利能力，主要取决于从城市固体废物流中的分离成本，以及被分离物料的市场价格。如果市场价格高于分离材料成本，那么这样做是有利可图的，PET和HDPE瓶及容器就是这样。相反，如果市场价格低于分离材料的成本，则表明目前是没有利润的，比如混合塑料瓶和3-7号容器，它们的价格较低。
认识到这一点，新技术发展，包括一些目前处于研究或试点阶段的技术。例如，先进分选和拆解技术(如近红外光谱、塑料包装上的荧光编码标签和相应的检测单元，基于密度的分选过程，如机械分选、泡沫浮选或静电分选)可以回收瓶级PET和HDPE以外的聚合物，从而增加回收材料作为再生原料的可用性。
此外，除了机械回收外，辅助回收技术的出现可能使新的回收再生成为可能。这些方法包括基于溶剂的回收，该技术可以通过添加反溶剂或其他方法，在溶解和沉淀的基础上回收纯聚合物。热裂解方法，如热解和气化，如今正在扩大规模，以处理混合废塑料，并将塑料解构成单品重新引入石化企业。最后，除了热解和气化之外的化学回收技术正在大规模复苏，其目的是将聚合物解构为单体，可以闭环或开环回收等。
3.6 多学科分析的作用
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结论
研究表明，美国有大量废塑料被填埋，比经常提到的还多，这意味着2019年美国经济遭受巨大的市场和能量损失。多数情况下，废塑料填埋的地理分布遵循人口动态：人口多的地区会出现大量的填埋废塑料。这些地点代表了废塑料的产生地点，因为大多数垃圾都是在其产生地点附近的设施中处理的。
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