地球人丢弃的塑料垃圾,都去哪了?
2020-04-30 10:42

地球人丢弃的塑料垃圾,都去哪了?

本文经微信公众号“星球科学评论”授权转载,作者:云舞空城,视觉设计:陈随,图片编辑:谢禹涵。星球科学评论,星球研究所旗下品牌,科学、探索、好奇。头图来自:pixabay


今年5月1日开始,最新制定的《北京市生活垃圾管理条例》正式启用,严格的垃圾分类举措将重新定义这座城市的街头巷尾。也许,类似去年上海市垃圾分类时的全网狂欢场面将再度出现,不知又有多少类似于“你是什么垃圾”的段子被网友们制造出来。


垃圾是“被放错位置的资源”。厨余垃圾和剩饭剩菜等有机垃圾可以用来生产肥料或者沼气,金属、玻璃、塑料、废纸、布料、大木材、废轮胎等垃圾可以回收,重新加工成产品。即便是看似无用的建筑垃圾,人们也可以用填海造陆的方式让它发挥一些余温。


在所有的垃圾中,有一大类垃圾非常特殊:合成高分子化合物,简称高聚物。它们是一大类相对纯粹的人类造物,是现代有机合成工业将许多简单有机物组合而成的物质。人们根据弹性、塑性等性能差异,又将这类物质划分为三种用途不同的材料:塑料、橡胶和合成纤维


尽管在自然界也有许多天然的高分子有机物,如松香等由树木分泌的天然树脂,但它们的分子更轻、结构更简单,通常作为工业合成塑料、橡胶和合成纤维的原料。换言之,经过人类有机合成工业制造的高聚物,在自然界中几乎没有类似物质。


正是凭借在自然界中的独特性和在人类生活中广泛的应用,高聚物制品具有十分特别的地位:一方面是在20世纪之前的世界里几乎不存在,另一方面则是在20世纪50年代后出现爆炸式增长,充斥在每个现代人的周围,这给了它们转变为人类文明纪念碑的机会


它们将占领全球的每个角落,在地质历史中留下自己的印记,并最终转变为一种出人意料的物质。


但就像所有伟大的故事都有一个平凡的开头一样,这趟专属于塑料/橡胶/合成纤维的华丽变身之旅,也始于那辆早已默默消失在巷口的垃圾车。


踏上旅程:塑料去哪儿?


由于近年来国内的垃圾分类实在不理想,塑料垃圾(本节所指的塑料垃圾不包括废旧轮胎)在离开我们的视野后,通常仍与其他垃圾混合在一起,即便是北京也不例外。人们必须用机械和人工的方式进行分拣后,才能分别送往垃圾填埋场、焚烧站或回收企业[1-2]。大城市尚且如此,欠发达地区的情况可想而知。


2009年至2013年,我国废塑料垃圾的回收率为23%~29%(发改委算法,为废塑料回收量/塑料总消费量)[3-4]。如果考虑到一些塑料制品的使用年限长,不会在短期内被人们丢弃,那么按照国际通行算法,这一数据将变成41%~47%(国际通行算法,为废塑料回收量/废塑料产生量)[4]


2009~2013年中国内地废塑料回收率 | 以2013年为例,当年我国消费塑料5879万吨,产生废塑料3292万吨,通过垃圾分类回收了1366万吨废塑料,按照两种算法得到的废塑料回收率,分别为1366/5879≈42%(国际通行),或1366/3292≈23%(发改委算法)。制图@陈随/星球科学评论


但考虑到垃圾分类在中国还是一个新鲜事物,发达国家是否就做的更好呢?


在德国,2013年产生废塑料共计568万吨,其中有57%被焚烧,42%被分类回收。乍一看,这个比例似乎与中国在一个水平(按国际标准计算),但这里面也有一半以上作为“废塑料资源”出口到其他国家(如中国),真正自行处理加工的废塑料,只占到19%,其中仅有1%作为原料进行再利用[4]


在美国,2013年废塑料产生量为2300万吨,分类回收了270万吨,毛回收率占到10%左右。而根据2012年数据,有215万吨分类好的废塑料出口到其他国家(其中出口中国169万吨,为历史峰值,占79%),本土加工利用废塑料的比例仅为2%[4]


如果要给“废塑料去哪儿了”找一个国家作答案,那便是中国。2018年“洋垃圾”进口禁令之前,中国每年进口超过700万吨塑料垃圾[5-6]。其中,绝大多数来源于欧美发达国家。根据联合国商品贸易统计数据库,自1992年以来,中国一共回收处理了1.06亿吨废塑料,占全球同期回收废塑料总量的45.1%以上[7-8],为世界做出不可磨灭的贡献。


中国内地进口废塑料的主要来源 |  图源@文献【5】


由于多年为全世界处理废塑料,中国早已培养出一个胃口惊人的废塑料处理行业,对废塑料的实际回收利用水平明显高于美国和欧盟[4]。2018年1月1日“洋垃圾”进口禁令生效之后,这个全球最大规模的废塑料处理行业竟出现供不应求——2019年全年处理废塑料仅为1890万吨,分类回收工作遇到的瓶颈,直接制约了废塑料处理的能力。


近年来我国废塑料加工量变化图 | 2018年后,我国废塑料加工行业出现供不应求。制图@陈随/星球科学评论,数据综合出自文献[4,7,9-10]


塑料回收利用率在全球范围内偏低的另一面,自然是居高不下的焚烧率、填埋率和遗弃率。2019年,中国产生废塑料6300万吨,其中有7%遭到遗弃,32%被填埋在垃圾场——这意味着,有39%进入了自然界[9]


2019年中国废塑料的各种处理方式占比 | 填埋和遗弃的废塑料都进入自然界,占总量的39%。制图@陈随/星球科学评论,数据引自文献[9]


有学者做过估算,从1950年至2015年,人类已经生产出共计83亿吨的塑料,其中有25亿吨仍然在人们的生活中发挥作用(比如每个人家里都会有的一些“祖传老电器”)有7亿吨被扔进焚化炉烧成一缕黑烟,通过回收的方式重新进入人们生活的废塑料仅有5亿吨,剩下的46亿吨则以填埋和遗弃的方式,流失在自然界的各个角落[11]


1950至2015年全球塑料的产量及塑料的命运 | 人类生产的所有塑料可达83亿吨,其中有49亿吨被遗弃/填埋到自然界。图源@Hannah Ritchie & Max Roser / Ourworldindata.org,文献[11-12]


5亿吨被回收的塑料经过二次利用后,又会有相当一部分被遗弃或焚烧。于是,最终被焚烧的废塑料达到8亿吨,而遗弃或填埋的废塑料达到49亿吨——这意味着,人类生产的所有塑料制品,有近59%留在了自然界。


在当代,废塑料的处置情况仅比历史总体情况好一点:有55%的废塑料被遗弃或填埋,25%被焚烧,20%得到回收利用[12]


1980年至2015年全球废塑料处置比例变化图 | 尽管回收和焚烧占比越来越大,但填埋和遗弃仍是当代最主要的废塑料处置方式。图源@Hannah Ritchie & Max Roser / Ourworldindata.org,文献[12]


就这样,因为人类自己的漫不经心和乱扔垃圾,性质稳定的塑料垃圾正在以一种出人意料的方式“占领”地球,将自己变成这颗星球历史的一部分。


在时光的轻抚下,这些被人们抛弃在自然界的塑料垃圾将存在多久?


旅程中:塑料有多难分解?


全球海洋和陆地上的塑料污染早已不是新闻,至少49亿吨的塑料已经成为这颗星球的一部分,参与到地球所有的生态系统里。其中可降解塑料的比例能够忽略不计——因为即便是可降解塑料占全球产能25%的中国,2018年的生物降解塑料产量仅有65万吨,还不到中国当年塑料产量的1%[13-14]。而其中可以完全降解的塑料,仅有不足10万吨。


对于已经广泛分布在自然界中的难降解塑料,它们大多被人类工程师有意设计成经久耐用的结构,分解速度慢到令人发指。在海洋等环境中,塑料可以在紫外线、温度、水流、砂石和微生物的共同作用下,逐渐遭受物理破坏、化学分解和生物降解作用。


塑料在海洋中的变化示意图 | “微塑料”是直径小于4.75mm的塑料颗粒,“纳米塑料”是直径小于0.1微米的塑料颗粒。图源@Cj Beegle-Krause/文献[15]


物理破坏,能将塑料破碎成大小不一的碎块,从大块塑料转变为小块塑料、微塑料甚至纳米塑料;化学分解可以将塑料转变为其他物质,有助于它们破碎甚至消失;生物降解对于塑料的最终消失至关重要,总有一些奇怪的微生物以塑料为食物,它们或许是未来帮助人们处理塑料垃圾问题的关键之一。


塑料分解所需要的时间也很重要。如果你关注环境话题,相信一定通过不同途径了解到许多关于塑料分解的时间数据,它们通常是数年到数百年不等,如下图所示。


常见塑料被完全生物降解所需的时间 | 只是,它的数据仍有较大商榷余地。图源@statista.com


但实际情况却是,塑料对于自然来说还是一种非常年轻的物质,类似上图的数据其实并不具有很大的参考价值,人们对于塑料在真实环境里的分解速率还缺乏明确的认识。在仅有的一些研究中,人们只是将塑料样品表面厚度、直径的减少作为“分解”的参考指标,强调一大块塑料的体积损失和质量损失,并未深究它到底变成什么[16-18]


从废塑料残留质量的角度,有研究者效仿放射性物质的半衰期,建立起一个“质量半衰期”的塑料分解速率概念,如下表所示[17]


不同材质和形态的塑料在不同环境中的质量半衰期 | 使用计算机模拟得出,其中地表和海面具有紫外线和较大热量等有利于分解的因素。“超过2500年”表示在计算中未观测到明显的降解,需要的时间可能很长。数据来源@文献[17]


由此可见,不同塑料在不同的环境中有截然不同的保存时间。一个漂在海面的PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)矿泉水瓶,可能两年半后就能在紫外线、微生物和海浪的共同作用下损失一半的质量。


漂浮在海面的塑料垃圾 | 海洋表面是塑料分解很快的环境,类似图中右侧的水泡可能两年多就能损失过半。图源@NOAA


但是,一个埋在地下的HDPE(高密度聚乙烯)水管,可能需要5000年以上才能损失一半的质量。还有一些PS(聚苯乙烯)塑料制品,不排除要数千甚至数万年后才能损失一半的质量。


一处实验塑料在地下分解速率的微型垃圾填埋坑 | 最早的塑料是在30年前埋下的,但仍然保存完好,毫无分解迹象,这是因为隔绝了阳光和高温,也没有海洋的波浪拍打和盐分作用,分解速率很慢。图源@文献[19]


笼统地说,塑料可以在海面留存成百上千年,在土地里留存成千上万年,也不排除数万年之久,这是现阶段人们对塑料留存时间的初步认识。更多的细节,比如沉积到深海沉积物中的微塑料会存续多长时间,目前还是未知数。而且质量的损失不等于化学意义上的完全分解——它们也有可能只是碎成了微塑料,并且人们对微塑料留存在自然界时间更不了解。


虽然不是永恒,但对于人的寿命、国家的兴亡、王朝的更迭来说,胜似永恒。


但有没有一种可能,让塑料存续得更久?


还记得前文里的琥珀吗?目前已知最古老的琥珀,形成于3.2亿年的石炭纪[20]。琥珀由树木分泌的天然树脂形成,其有机质结构远比塑料简单。但是,在适当的环境中,固态树脂却能在地层里保存数亿年,在经过一系列化学改造后,转变为琥珀,为人们打开一扇通往古代的大门。


塑料垃圾,在某种意义上会有着与天然树脂类似的命运,它们不会一直停留在海面或者地表一动不动,而是会逐渐停止运动,沉到泥沙中去,最后转变为地层中的物质。


这就为塑料转变成人类文明的纪念碑,提供了可能性。


永恒的塑料:人类文明的纪念碑


塑料碎片已经实现了字面意义的“无处不在”:从天上的云中水滴到地下的石油钻井,从数千米高的高山之巅到几千米深的大海之渊,从赤道地区的偏远岛屿到两极和高原的冰层,从马里亚纳海沟的深海动物到夏夜路边摊上的小海鲜,大大小小的塑料碎片分布在你我不曾注意的地方,甚至也分布在你我体内,为人类世地球送上最独特的点缀[21-30]


如前文所述,在不同的环境中,受塑料材质、紫外线强弱、温度高低、微生物种类多寡及活动是否活跃等因素影响,塑料在自然界的存续时间大为不同,短则数年数十年,长则数千数万年。但在一些地质过程的帮助下,塑料可能在地球上保存更久。


飘散到极地或者高山的微塑料,可能会比其他环境的微塑料保存得更好。当微塑料随着雨雪落到冰面上以后[30],它们会被逐渐冻结在冰里。冰层会遏制大多数微生物的生命活动,也能渐渐隔绝氧气和紫外线,有利于塑料的保存。如果转变为冰川内的塑料,则能够在冰川的生命周期里一直保存——它可能是数十万至数千万年。


在陆地上,数十亿吨计的塑料被埋在地下的垃圾坑里,可以保存至少成千上万年。但地下垃圾场并非一成不变,它们可能被后世的人们意外挖出,可能发生滑坡,也可能被河流侵蚀。最后,一部分填埋塑料可能在一段时间后,重新归于江河湖海。


如果埋藏地点未遭破坏,配合上地表一直缓缓下沉,最终让含有塑料的砂土深埋地下转变为岩石,那么天然树脂转变为琥珀的过程也有可能出现。这个过程可短可长,短则几十上百年,长则超过数十万年。


在一些地质过程活跃的地区,一些塑料经过几十年已经与周围的砂粒粘为一体,成为学术意义上成立、但超过人们平常认识的岩石,只不过此类岩石并不稳定,随后还会发生其他变化[31]


塑料保存在岩石中的实物证据 | 一些特殊情况下,泥沙在几十年间就可以发生胶结,转化为岩石,但它并不稳定,会继续发生其他变化。塑料的样品被圈出。这处海滩位于巴西南澳格兰德州。图源@文献[32]


就像天然树脂一样,即使一些塑料已经保存在岩石中,它们也会发生复杂的化学变化,形成我们无法预知的模样。也许它们会保留一点塑料的外观,也许会变成碳化的颗粒,就像这片远古的树叶,曾经复杂的生命物质如今仅剩黑色的碳膜。


即便岩石里的塑料消失,但它的形状可以继续存在,会有其他的矿物充填这个空间,变成一个“带有形状信息的化石”,例如下图就是菊石的生物遗骸消失后,黄铁矿充填在遗骸存在过的空间里,长出菊石的形状和精细结构。换言之,后世的某处砂岩地层里,或许可以发现一串(塑料)珍珠耳坠形状的“黄铁矿充填物”,也许可以将它命名为“黄铁矿化耳坠化石”,作为人类世的一种“技术化石”,成为人类文明的纪念碑。


黄铁矿化的菊石化石 | 菊石是一种生活在海洋的古生物,主要生存在中生代(距今2.5亿年~0.66亿年前)。这类金光闪闪的菊石化石很受收藏家的欢迎。图源@fossilera.com


海底则是这颗星球上规模最大的微塑料埋藏地——垃圾填埋场里埋着的,主要是大块塑料。虽然海水里也漂浮着许多塑料,但微塑料最终会大部分沉到在幽深的海底(及湖底),与淤泥混合在一起[22,31]


海底是塑料的主要汇聚地 | 虽然海水中也悬浮着很多塑料,但他们最终也有很大一部分会沉降到海底。图源@grida.no


即便是地球上最深的马里亚纳海沟,也早在1998年就发现了塑料垃圾。近年来研究也进一步表明,此处的淤泥中存在数量惊人的微塑料[33-34]


1998年,深潜器在马里亚纳海沟10898米深处发现的一摊塑料垃圾 | 图源@JAMSTEC


总有一天,这些海底或湖底的淤泥,将会一如亿万年前的淤泥,变成富含有机物的泥岩。微塑料也会借此机会混进深海/深湖泥岩里,将旅途进行到底。它们的终极命运并不会与周围的生物残渣存在什么不同——都会遭受微生物降解、都会遭受氧化破坏、都会在高温高压的作用下释放出一些物质、都会残留下一些东西。这些释放出来的物质,被我们叫作石油和天然气[35]


阿拉斯加北坡中上三叠统Shublik组岩石露头 | 这些黑色的深水泥岩就是当地产生油气的烃源岩,也是页岩气的蕴藏地层。图源@文献[36]


殊途终将同归。


千百万年前乃至更古老时代的生物残骸,将石油和天然气馈赠给当代地球,人们将它们加工成塑料;千百万年以后,保存在地层里的塑料将有可能重新转变为石油或天然气,完成一个精彩的超级轮回[19,37-38]


在实验室里,人们早已可以利用特定的催化剂,在高温高压条件下,使塑料分解成简单的烃类,生产出柴油、汽油甚至更简单的甲烷、乙烯[39-43]。,类似的过程一样可以在自然环境中出现,只是需要的时间十分漫长。


将塑料转化为燃料油 | 只需要一些催化剂,特定的温度和压力条件,就能将废塑料重新转化为烃类物质,如汽油和柴油。图源@北卡罗来纳大学威尔明顿分校。文献[44]


也许,数百万年或数千万年后,这颗星球上的石油资源里,会有一部分来源于今日人类排放到大自然里的数十亿吨塑料,和未来将会继续排放的N亿吨塑料。


而只有到了那时,塑料的旅程才算真正结束。


源于石油,归于石油,这是专属于塑料垃圾的终极旅程。而在这个旅程里,它也留下了一些“技术化石”,作为记录人类文明的永恒纪念碑。


Plastiglomerate,一种当代形成的全新岩石 | 这个单词来源于塑料(plastic)和砾岩(conglomerate),用来描述在自然火场中融化的塑料将一些砂石、贝壳或其他生物硬体,及其他人造物质粘合起来的产物,也许可以翻译为“塑化砾岩”。它质地比较坚硬,也许可以作为“技术化石”,在自然界里存在很久。图源@文献[45]


该如何评价塑料的终极旅程,和它给人们留下的文明丰碑?


从石油到塑料,人类的工业文明将自然造物转变为工业造物,创造出一种自然界不曾拥有的物质形态,创造出古人不曾享有的便捷材料和便利生活。这是塑料旅程的前半段,辉煌并且荣耀。


从塑料原材料到微塑料垃圾,人类的无序活动为世界加入了一种新的物质,却没有很好地处置它们,使之散布全球,成为“人类世地球”的一部分,保留在这个时代形成的地质记录里,默默记载下人类活动后果。它们就像一座座丰碑,定格下这个时代的剪影。这是塑料旅程的后半段,苍白并且沉默。


从微塑料到地层中的分散高分子有机质,再到未来将要形成的石油和天然气,自然的伟力终将接手一切,用漫长的时光来消弭人类无序活动引发的种种后果。这是塑料旅程的终点,波澜不惊,但却也有几分精彩的回味。


这样的旅程应该对人们有所启迪。增加可降解塑料的产能、增加塑料无害化分解途径的研究、增加废塑料制油的产能、增加塑料回收利用的力量,都是人们应该从中学到的东西。


但人改变自己的意识和行为同样需要一个过程。如果一定要在现在找出一个第一步,严格的垃圾分类措施,或许是改变未来的一个小小起点。


末了,是时候问自己一声了:


家里的分类垃圾桶,都准备好了吗?


本文参考文献:

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