農(nóng)業(yè)殘膜回收及加工再處理技術

趙 巖，楊崇山，劉向新，溫浩軍

（1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子832000；2.新疆農(nóng)墾科學院機械裝備研究所；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室）

0 引言

由于農(nóng)膜覆蓋技術帶來的增溫、抑制雜草、增加產(chǎn)量等益處，農(nóng)膜用量迅速增加[1]。在發(fā)達國家，農(nóng)膜的使用量占農(nóng)用塑料總量的50%以上，歐盟每年約有61.5萬t廢舊農(nóng)膜產(chǎn)生[2]，約占所有農(nóng)業(yè)塑料生產(chǎn)的60%[3]。在中國，總量每年以15%的速度持續(xù)增加[4]。據(jù)中國塑料加工工業(yè)協(xié)會農(nóng)用薄膜專用委員會統(tǒng)計，2019年我國農(nóng)膜覆蓋面積在0.187億hm2左右，地膜的年銷售量約160萬t，2019年國家統(tǒng)計局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，實際農(nóng)用塑料薄膜使用量達到240.8萬t[5]。

農(nóng)膜使用量與日俱增，而回收體系并不完善，全國農(nóng)膜整體回收率不足67%[6]。2016年，農(nóng)業(yè)環(huán)保部門對甘肅部分區(qū)域進行抽樣調(diào)查，結(jié)果顯示，參與抽樣調(diào)查的地塊都有不同數(shù)量的廢舊地膜，殘膜含量多達5~14 kg/667m2[7]。殘膜污染問題已經(jīng)嚴重影響到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境，加強殘膜清理工作刻不容緩[6-8]。殘膜回收再利用技術的應用研究成為行業(yè)關注熱點，因此，對現(xiàn)有技術進行歸納梳理，有利于推進農(nóng)田殘膜污染治理工作進展。

1 農(nóng)膜回收再處理技術

1.1 再生造粒技術

再生造粒基本原理是通過物理變化，即在不改變塑料物理特性的情況下，融化擠壓成型獲得二次母粒進行重新加工[9]。這種加工工藝可以用來制作安全帽、行李箱等產(chǎn)品。主要加工工藝包括濕法造粒和干法造粒兩種。濕法造粒時，塑料制品在破碎后清洗時由于本身密度較小而浮在水面，一些沙子等雜質(zhì)因為密度較大而沉入水底，從而能夠有效地清除雜質(zhì)[10]。干法造粒由于沒有重復進行清洗和脫水，一般用于生產(chǎn)對產(chǎn)品特性要求不是很高的低檔塑料制品。

1.2 油化回收技術

塑料產(chǎn)品主要是由石油加工合成的一種高分子化合物。理論上可以通過切除或切斷高分子中的某些化學鍵和原子團使其重新得到類似于油分子的化合物，具有和油分子相似的物理特性和化學特性。相關實驗證明，這種類似油分子的產(chǎn)品能夠作為燃料使用，可用作燃油鍋爐用油，實現(xiàn)能量回收的目的，并且轉(zhuǎn)化率達到75%~80%。目前，該技術受到處理難度大、技術要求高、投資成本高、所獲利潤低等條件的限制[11]，很難推廣應用。

1.3 化學回收技術

化學回收是通過分解聚合物結(jié)構以獲得原單體或其它有價值的化學品的過程[11]。Hamad等人利用解聚（甲醇解、糖酵解和水解）、部分氧化（氣化）和裂解過程來實現(xiàn)化學回收目的[12]。熱解（熱催化）也能用于聚烯烴和其它加成聚合物回收，Panda等對加成聚合物塑料進行熱解后，得到液體和氣體產(chǎn)物，收集后可被用作燃料使用，但分離操作的成本往往太高[13]，并且殘留的30%固體殘渣沒有任何價值，如果處置不當會嚴重危害環(huán)境。

1.4 溶解技術

塑料雖然能夠在自然環(huán)境下保持相當長時間的穩(wěn)定性，但是遇到合適的溶解介質(zhì)時也會溶解。不同研究人員提出的溶解介質(zhì)包括二甲苯、醇和水的混合物以及有機溶劑等[14-16]，人們利用塑料的這一特性，通過添加各種顏料制成了各色建筑涂料。通過有機溶劑溶解聚苯乙烯能夠制成樹脂膠，含有笨系的溶劑能夠溶解PS，但該技術的關鍵步驟是對廢棄塑料進行嚴格的分類，在分類過程中如果雜質(zhì)含量過多，會直接影響涂料和粘結(jié)劑的性能。

1.5 光降解和微生物降解技術

可降解薄膜一般分為生物可降解薄膜和光降解薄膜，生物可降解薄膜主要缺陷是價格昂貴，并且破裂呈不可預測趨勢，破解后交聯(lián)的聚乙烯微片仍長時間留在土壤中。用石油基成分制造的光降解薄膜降解成二氧化碳和水的能力受到質(zhì)疑，在太陽輻射較少的區(qū)域，降解速度也較慢?？山到廪r(nóng)膜目前僅處于試用階段，且未建立降解程度的評價制度。

1.6 塑料合金化

塑料合金化是指收集到的廢舊塑料在回收利用過程中與其它塑料混合或是加入某些添加劑，以加強不同聚合物之間的結(jié)合，提高原有塑料的物理特性[17]。其關鍵技術在于提高各個階段共混物的相容性，改善共混物界面應力傳遞不良和機械性能差等問題[18]。在制作塑料合金過程中，由于回收的聚丙烯（PP）與樹脂二者不相容，某些關鍵結(jié)構無法與樹脂結(jié)合為新的結(jié)構，導致共混物的性能較差，所以需要一定的增容改造技術[19]。

1.7 改性再生利用

塑料改性是指廢舊聚乙烯通過高能量輻射、硅烷偶聯(lián)劑、紫外線法進行交聯(lián)，大幅度提高其物理性能、化學性能和力學性能的一種回收聚乙烯的方法。交聯(lián)改性后，其耐候性大大提高，應力開裂現(xiàn)象變得微乎其微，溫度等級可以增加到90℃，短路溫度可達130~250℃[20]，其產(chǎn)品廣泛應用于電線管、熱水器和熱收縮管等。

1.8 塑料枕木

塑料枕木價格較低，是木軌枕、普通軌枕價格的1/2。除此之外，相較于傳統(tǒng)枕木，塑料枕木還具有諸多優(yōu)勢，其生產(chǎn)周期短，使用壽命長，易加工粗糙表面以防止其橫向移動，具有良好的抗壓抗震性能，同時對環(huán)境的適應性更強，在高溫高濕的條件下也不會出現(xiàn)木質(zhì)枕木那樣的腐爛情況。

1.9 木塑材料

木塑材料在加工過程中添加木粉或植物纖維進行填充，然后經(jīng)過注塑機擠出成型，相對于木材來說具有明顯的優(yōu)勢，在某些行業(yè)中可用來替代木材。廣泛用于包裝、建筑、制造業(yè)等領域，也可以作為生產(chǎn)板材、家具的材料。

1.10 建工材料

通過聚烯烴改性將廢棄農(nóng)膜做成筑墻磚體，大大改善了環(huán)境污染局面。Sullivan等通過試驗證明把廢舊聚丙烯、廢橡膠、一些無機填料混合后通過擠壓成型得到了可用于建筑業(yè)的筑墻磚體，因為含有許多揮發(fā)性成分，可以揮發(fā)為模壓發(fā)泡磚結(jié)構，具有密度小、重量輕、隔音等特點，并且容易加工[21]。

1.11 廢聚乙烯改性瀝青

廢舊農(nóng)膜經(jīng)過粉碎造粒后在高溫高速攪拌下混合瀝青成為改性瀝青。在試驗過程中，通過觀察改性瀝青在低溫和高溫情況下塑性開裂和變化情況[17]，針對PE改性瀝青相容性差的問題，可以加入不同增溶劑進行改善，相較于普通的瀝青，廢聚乙烯改性瀝青具有較強的熱穩(wěn)定性和較好的可塑性[22]。

2 廢棄塑料管理的生命周期評價

隨著經(jīng)濟發(fā)展，廢舊農(nóng)膜引發(fā)的環(huán)境問題愈發(fā)嚴重。在實際生產(chǎn)過程中生命周期評價（LCA）方法在研究特定產(chǎn)品或過程的環(huán)境影響方面的使用頻率越來越高。Siracusa等研究了食品包裝中多層聚合物薄膜在產(chǎn)品整個生命周期中的環(huán)境影響，認為與薄膜轉(zhuǎn)化工藝相比，以原材料生產(chǎn)塑料顆粒對環(huán)境影響最大。Rigamonti等評估了不同的廢舊塑料管理方案，包括再生利用、能量回收和焚燒。根據(jù)評估結(jié)果，作者發(fā)現(xiàn)當電力生產(chǎn)以煤和混合燃料產(chǎn)生的熱量作為基礎時，塑料焚燒產(chǎn)生電力成為首選方案。

3 我國農(nóng)膜回收利用現(xiàn)狀及建議

3.1 我國農(nóng)膜回收利用現(xiàn)狀

3.1.1 廢舊塑料開發(fā)利用程度嚴重不足

根據(jù)中國塑料加工工業(yè)協(xié)會農(nóng)用薄膜專業(yè)委員會公布，2015年全國塑料制品的產(chǎn)量為7 560萬t，廢棄量在3 000~4 000萬t之間，約占總量的一半，回收利用量僅為1800萬t，這就意味著每年約有2 000萬t的廢棄塑料被掩埋、焚燒或隨意丟棄。據(jù)有關部門統(tǒng)計，我國廢棄塑料的年增長量至少為200萬t，而再生利用量只占到了總量的1/5。

3.1.2 缺少先進適用的農(nóng)膜回收技術和裝備

治理農(nóng)田殘膜污染是個系統(tǒng)工程，涉及法律法規(guī)、補貼政策、地膜減量化應用、可降解地膜應用、PE地膜機械化回收和回收的殘膜資源化利用等系列問題。地膜機械化回收的核心問題是先進適用的殘膜回收機械。自80年代中后期至今，全國研制的農(nóng)田殘膜回收機達到100余種，陳學庚院士團隊在2014~2016年間研發(fā)出的農(nóng)田殘膜回收新機具也達到13種。雖然成績突出，但存在局限性，不能完全解決PE地膜回收問題。

3.1.3 我國農(nóng)膜回收處理存在制約條件

我國回收造粒機生產(chǎn)企業(yè)主要集中在華北、華中、華南等地。設備相對落后，技術水平較低，管理經(jīng)驗不足，先進的生產(chǎn)工藝和大型設備普及困難，產(chǎn)品技術含量較低，企業(yè)數(shù)量較少，以小型私人企業(yè)為主。據(jù)中國機械信息網(wǎng)統(tǒng)計，塑料機械行業(yè)中資產(chǎn)超過千萬的企業(yè)占23%，地方小企業(yè)占34%，私人經(jīng)營的小作坊占4%。

3.2 我國農(nóng)膜回收再利用的發(fā)展建議

3.2.1 構建農(nóng)膜應用、回收和資源化利用技術體系

根據(jù)目前我國地膜應用現(xiàn)狀可以判斷，要根本解決殘膜污染問題，必須進一步推進我國農(nóng)田地膜機械化回收技術的應用，實現(xiàn)殘膜的資源化利用。要從系統(tǒng)工程和全產(chǎn)業(yè)鏈的角度來考慮，將農(nóng)膜、農(nóng)機、農(nóng)藝相結(jié)合，采用耐候型地膜和合適的農(nóng)藝，為機械化回收創(chuàng)造良好條件，保證機械回收的殘膜含雜率低，為資源化利用創(chuàng)造條件，構建農(nóng)膜應用、回收和資源化利用技術體系。

3.2.2 拓寬回收農(nóng)膜的資源化利用渠道

從實際生產(chǎn)效果看，本文介紹的技術都是適合我國國情的加工處理方法，提升我國農(nóng)膜資源化利用水平需拓寬回收農(nóng)膜資源化利用渠道，擴大回收企業(yè)規(guī)模，加大相關技術研發(fā)力度，縮短回收利用的工藝路線。另一方面也需加強塑料制品開發(fā)力度，充分發(fā)揮回收物的材料特點，結(jié)合當?shù)亟?jīng)濟產(chǎn)業(yè)特點，開發(fā)農(nóng)業(yè)、工業(yè)、市政建設等領域的低成本替代產(chǎn)品，形成良好的殘膜回收資源化利用產(chǎn)業(yè)鏈。