Nature警示：塑料回收，源头分类不可替代
全球塑料年产量已超过4.138亿吨，但回收率仅约9%。塑料包装废弃物（PPW）的收集与分拣仍是实现循环利用的关键瓶颈。在源头分类体系中，居民将塑料、金属和饮料纸盒等可回收物分开投放，能有效捕获大量废弃物，但仍有相当比例的塑料因投放错误或居民不参与而残留在混合生活垃圾中。作为替代方案，对混合垃圾进行集中“末端分拣”（post-sorting）被提出以提升捕获率，但业界普遍担忧此举可能因污染增加而损害回收质量。由此，围绕源头分类与末端分拣的争论持续存在，缺乏关于两者间“数量-质量”权衡的量化证据。
根特大学Steven De Meester课题组基于对同一座材料回收设施（MRF）的样品分析发现，源头分类与末端分拣两种路径产出的塑料打包捆在目标聚合物纯度上相近，但末端分拣打包捆含有更多污染物，包括镉、铅等受限制的金属，同时具有更高的水分和污垢含量，并可能导致复杂挥发性有机化合物（VOCs）增加。这些来自非包装物品的金属和卤素浓度升高，可能损害回收质量，并给机械和化学回收工艺带来更多挑战。研究指出，末端分拣可作为有用补充，但不应该取代源头分类。相关论文以“Analysis of trade-offs of post-sorting plastic packaging”为题，发表在Nature上。
研究团队对来自同一分拣线的四种塑料打包捆（LDPE、PE硬质、PP硬质和混合塑料）进行了详细分析（图1a）。结果显示，就干基目标聚合物含量而言，源头分类（PMD）与末端分拣（PoSo）样品差异不大：例如LDPE打包捆中PE含量分别为67.0%和71.1%，PE硬质中PE含量分别为79.1%和80.6%，PP硬质中PP含量分别为85.9%和80.3%。然而，末端分拣的混合塑料打包捆中包含了15.7 wt%的部分塑料物品（如玩具、纺织品、废弃电子电气设备）和26.1 wt%的非目标材料（纸张、金属、残留物）。特别是纺织品（9.4 wt%）和WEEE（1.6 wt%）引入了塑料、金属、硅胶、橡胶乃至电池和微芯片等成分（图1b），可能干扰分拣并增加火灾风险。综合对比文献值与本研究数据发现，源头分类系统始终实现更高的聚合物纯度和更低的非塑料污染，而末端分拣打包捆尽管纯度和HDPE与PP相当，但LAMD持续偏高（图1c）。在物品层面，末端分拣目标物品的LAMD普遍高于源头分类，但牛奶瓶例外——末端分拣的牛奶瓶因收集和压缩导致破裂，反而使内部残留物释放，LAMD低于源头分类中完好的牛奶瓶（图1d）。
图1 | 聚合物组成及LAMD a, 分拣后塑料废弃物打包捆的干重聚合物组成及相应的LAMD。对于LDPE、PE硬质、PP硬质和混合塑料打包捆，报告了来自源头分类和末端分拣系统的聚合物占比（wt%，干基）。“其他”包括所有其他聚合物类型，例如聚苯乙烯、PVC和聚酰胺。混合末端分拣样品的组成结合了通过傅里叶变换红外光谱识别聚合物部分的结果和通过目视检查获得的非包装部分（纺织品、纸张、WEEE、金属、橡胶、玩具）的数据。非包装部分总计占混合末端分拣样品总重量的15.7 wt%。 b, 末端分拣混合塑料打包捆中非包装塑料物品的示例（从上到下）：纺织品（鞋子、厚布料）、WEEE（游戏机）、金属和玩具。 c, 比较打包捆组成的三元图：右轴为目标聚合物（40-100%），左轴为非目标聚合物（0-60%），底轴为污染物（0-60%）。大符号代表本研究分析的打包捆，小符号代表文献值。打包捆类别包括：HDPE打包捆（蓝色圆点）、硬质PP打包捆（橙色方块）、薄膜打包捆（主要为LDPE，紫色三角形）和混合塑料打包捆（美国-7，绿色十字；欧洲混合塑料，绿色菱形）。收集方案通过符号填充表示（PMD：填充；PoSo：空心）。 d, 从分拣打包捆（PE硬质、PP硬质和混合塑料）中PMD和PoSo目标物品的LAMD均值比较（n=5次测量）。灰色线表示LAMD相等水平，线上或线下方的点分别表示PMD或PoSo目标物品具有更高的LAMD。右上角插图显示了来自末端分拣（灰线上方）与源头分类收集和分拣（灰线下方）的牛奶瓶（PE2）在LAMD上的视觉差异。
在附着水分和污垢水平方面，源头分类混合塑料的最高值（12.8 wt%）仍低于末端分拣PE硬质的最低值（14.9 wt%）。末端分拣的LAMD从PE硬质的14.9 wt%递增至混合塑料的26 wt%（图1a）。对于挥发性有机化合物，LDPE和PP在末端分拣中表现出更高的VOC面积计数和化学物质多样性，其中LDPE的VOCs在末端分拣中比源头分类高出三倍，这主要归因于其高表面积促进了交叉污染。PE硬质在源头分类中反而显示出更高的VOC水平，这与LAMD结果一致（图2a）。从化学类别分布看，末端分拣的LDPE和PP硬质比源头分类显示出更广泛的化学范围，且含氮化合物（胺、酰胺等）在源头分类样品中基本不存在，却在末端分拣中大量出现，这可能与残留垃圾中富含蛋白质的有机物及高水分环境促进微生物活动有关。玩具、纺织品和CD盒等非包装物品的VOC水平差异很大（图2b），部分纺织品样品的VOC面积高达2.3×10⁸，涉及70种化合物，而CD盒中检测到溴，提示可能含有溴化阻燃剂。
图2 | 分拣后塑料废弃物及特定物品中的总VOC面积和多样性 a, 分拣后塑料废弃物流中的总VOC面积和VOC数量。 b, 选定非包装塑料物品的总VOC面积和化合物计数。PE泡沫因样品质量不足以进行VOC分析而被排除。
从残渣垃圾中回收的塑料显示出比源头分类更高的痕量污染物浓度。虽然洗涤能降低金属负荷，但末端分拣打包捆中仍保留较高的金属水平，包括镉和铅等受限制元素（图3a）。总金属含量方面，末端分拣的混合塑料和LDPE打包捆显著高于源头分类对应样品（图3b）。未洗涤的PE硬质末端分拣样品中镉浓度（6.3 ppmw）是源头分类样品（0.4 ppmw）的15倍以上。铅几乎普遍存在（1.9-82.3 ppmw），在LDPE和混合塑料中最高，接近监管阈值。图3c直观比较了两种收集系统下未洗涤打包捆中多种金属和卤素的归一化浓度，显示末端分拣样品在铅、镉、氯、氮等指标上普遍偏高。物品分析证实，玩具、纺织品和鞋子等非包装塑料物品是特定金属污染的重要来源（图3d），其中鞋子的铅含量高达913.4 ppmw，超出包装限值52倍。花盆也显示出较高的铅和镉浓度。氯含量在末端分拣流中也更高，未洗涤的末端分拣LDPE中氯达到2,433 ppmw，而源头分类为1,600 ppmw。非包装物品如水泡包装（285,000 ppmw）和玩具（10,300 ppmw）贡献了极高的氯负荷，反映其PVC组成。
图3 | 分拣后及洗涤后塑料打包捆的金属和卤素组成 a, 洗涤前后塑料打包捆样品（PE、PP、LDPE和混合塑料）中元素浓度的百分比变化。正值表示洗涤后浓度降低。砷（As）和溴（Br）因未检出或仅在一个样品中检出而被排除。为改善视觉清晰度，去除了极端异常值；箱线图显示四分位距，须线为1.5倍四分位距。 b, 表格显示未洗涤（UnW）和洗涤（W）样品分拣打包捆的总金属含量（TMC，wt%）。TMC计算为所测金属平均浓度之和（1 ppm = 0.0001 wt%）。 c, 散点图比较了来自源头分类和末端分拣流的未洗涤分拣打包捆（LDPE、PE硬质、PP硬质和混合塑料）的金属和卤素浓度。对于混合末端分拣塑料打包捆，在分析前移除了非包装塑料物品并进行单独评估；此处显示的打包捆样品因此仅代表包装塑料。数值经过内部归一化，并按0-1标度报告，1表示最大浓度。检测到的最大浓度（ppm）标示在散点图上方。 d, 取样物品图片（从左到右：薯片袋、花盆、塑料袋、鞋子、水泡包装），灰色三角形指示它们可能是哪些微量元素引入的来源。
研究通过聚类模型模拟了末端分拣比例从10%提高至75%对回收原料的影响。图4a和4b展示了分别基于回收率和距离欧盟目标（EU27+3）以及基于人口获得收集服务比例（美国）进行的k均值聚类结果。图4c至4e显示了各聚类在不同情景下可获得回收原料相对于基线的指数增长，表明提高末端分拣比例在所有聚类中均持续增加塑料包装回收量。图4f汇总了EU27+3和美国在不同末端分拣情景下的总可获得PPW原料数量及回收率。具体而言，对于EU27+3，在75%场景下，可从690万吨未被源头分离的PPW中额外回收约250万吨，使回收原料从770万吨增至930万吨（图4g）。美国情景下，回收原料可从130万吨增至540万吨（图4h）。然而，实现该目标所需的资本支出巨大：EU27+3约需180亿欧元，美国约需500亿美元。研究强调，这些估算仅包含分拣基础设施的CAPEX，未考虑收集、下游回收等额外系统成本及协同效益。
图4 | EU27+3和美国子模型的建模结果 a,b, 散点图显示了基于塑料包装回收率（%）与距离欧盟塑料包装回收目标的距离（欧洲环境署报告）对EU27+3成员国（a）进行的k均值聚类，以及基于获得收集服务的人口比例（%）对美国各州（b）进行的k均值聚类。 c-e, 相对于基线条件（基线=100）的可获得回收原料的指数增长。图中展示了四个EU27+3聚类的家庭原料（c）及商业和工业原料（d）以及四个美国聚类的原料（e）的增长轨迹。线条代表中位值，阴影区域表示90%概率区间（5th-95th百分位数）。100处的水平虚线表示基线。 f, 线图显示了在不同残渣至末端分拣情景下，跨相应聚类汇总的EU27+3（蓝色）和美国（红色）的总可获得PPW原料。实线表示可作为回收操作潜在原料的数量（kt/年）。虚线表示被收集和分拣的PPW占当年总产生PPW的百分比。总产生PPW假设等于同年投放市场的体积。平均值以误差条表示标准差。 g,h, EU27+3（g）和美国（h）基线及75%残渣分拣情景下PPW流的桑基图。来自单独收集和混合收集流的数量在两种情景中相同，但送往末端分拣的混合收集份额不同（青色矩形：基线；椭圆：75%情景）。可获得原料和残渣废弃物用矩形（基线）和椭圆（75%情景）表示。基线流以降低的不透明度（40%）显示。
综合比较八项质量指标（纯度、碳含量、氯、氮、氧、总金属含量、LAMD、VOCs）可以发现末端分拣打包捆虽然在目标聚合物纯度上与源头分类相近，但在LAMD、VOCs、痕量金属和卤素方面均表现出系统性更高的污染水平，且影响因聚合物而异（图5a-d）：PP硬质在两种系统中表现相当，但LDPE在末端分拣中表现更差（更高的LAMD、VOCs和氯），而PE硬质在VOC和氯方面反而略好于源头分类。对于混合塑料打包捆，末端分拣样品的纯度、碳含量和VOCs均显著劣于源头分类样品。
图5 | 未洗涤分拣后塑料打包捆的质量与可回收性 a-d, PE硬质（a）、PP硬质（b）、LDPE（c）和混合塑料（d）打包捆的雷达图。数值针对每个类别中的最大值进行内部归一化。标度从0到1，分别表示最小值和最大值，增量为0.2。数值越低表示性能越好的指标被反转（1-x），使得较高的值始终表示较好的性能。“纯度”表示PE、PP和LDPE中主要组分的百分比（a-c），以及混合打包捆中聚烯烃（PO）含量（d）。“VOCs”表示总面积的合计。对于混合PMD，使用了洗涤后样品的值（碳、氯、氮、氧和TMC），而PMD混合塑料的VOCs则基于目标物品的水平（d）。
总结与展望
总体而言，末端分拣可以提高塑料循环性，但始终伴随着原料质量的下降。更高的回收率并不必然带来更高的循环性——如果原料质量下滑。虽然两种收集路径的打包捆纯度相似，但末端分拣的材料不太适合高质量的机械回收，增加捕获量反而会将原料供应转向质量较低的流。系统优化应平衡早期材料捕获与污染控制，限制非包装物品的输入，并保持对不同回收路径的差异化考量。末端分拣应被视为一种有前景的补充策略，而非源头分类的替代方案，尤其考虑到重金属污染以及电池等破坏性物品的存在。
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