地球人丟棄的塑料垃圾,都去哪了?

2021-01-09 澎湃新聞

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今年5月1日開始,最新制定的《北京市生活垃圾管理條例》正式啟用,嚴格的垃圾分類舉措將重新定義這座城市的街頭巷尾。

北京新型標準垃圾分類箱 | 2020年4月22日,新型垃圾分類箱亮相西城區金融街。圖源@VCG

垃圾是「被放錯位置的資源」。廚餘垃圾和剩飯剩菜等有機垃圾可以用來生產肥料或者沼氣,金屬、玻璃、塑料、廢紙、布料、大木材、廢輪胎等垃圾可以回收,重新加工成產品。即便是看似無用的建築垃圾,人們也可以用填海造陸的方式讓它發揮一些餘溫。

垃圾分類從娃娃抓起 | 圖源@VCG

在所有的垃圾中,有一大類垃圾非常特殊:合成高分子化合物,簡稱高聚物。它們是一大類相對純粹的人類造物,是現代有機合成工業將許多簡單有機物組合而成的物質。人們根據彈性、塑性等性能差異,又將這類物質劃分為三種用途不同的材料:塑料、橡膠和合成纖維。

當代海岸垃圾一景 | 塑料製品,橡膠製品(如膠皮管等)和合成纖維製品(如漁網、纜繩)等是當代海洋「塑料汙染」的主要來源。這裡的「塑料汙染」與「廢塑料回收」,在對「塑料」的定義上有區別,後者不包括廢橡膠。圖源@VCG

儘管在自然界也有許多天然的高分子有機物,如松香等由樹木分泌的天然樹脂,但它們的分子更輕、結構更簡單,通常作為工業合成塑料、橡膠和合成纖維的原料。換言之,經過人類有機合成工業製造的高聚物,在自然界中幾乎沒有類似物質。

琥珀裡的鳥化石,鳥足清晰可見 | 琥珀是古代天然樹脂轉化形成的寶石。這塊琥珀標本產自緬甸,形成於大約9900萬年前的白堊紀中晚期,裡面包裹著一隻幾乎完整的雛鳥,極為罕見。圖源@VCG

正是憑藉在自然界中的獨特性和在人類生活中廣泛的應用,高聚物製品具有十分特別的地位:一方面是在20世紀之前的世界裡幾乎不存在,另一方面則是在20世紀50年代後出現爆炸式增長,充斥在每個現代人的周圍,這給了它們轉變為人類文明紀念碑的機會。

它們將佔領全球的每個角落,在地質歷史中留下自己的印記,並最終轉變為一種出人意料的物質。

但就像所有偉大的故事都有一個平凡的開頭一樣,這趟專屬於塑料/橡膠/合成纖維的華麗變身之旅,也始於那輛早已默默消失在巷口的垃圾車。

堆積如山的塑料垃圾 | 圖源@VCG

01

踏上旅程:塑料去哪兒?

由於近年來國內的垃圾分類實在不理想,塑料垃圾(本節所指的塑料垃圾不包括廢舊輪胎)在離開我們的視野後,通常仍與其他垃圾混合在一起,即便是北京也不例外。人們必須用機械和人工的方式進行分揀後,才能分別送往垃圾填埋場、焚燒站或回收企業[1-2]。大城市尚且如此,欠發達地區的情況可想而知。

2009至2013年,我國廢塑料垃圾的回收率為23%-29%(發改委算法,為廢塑料回收量/塑料總消費量)[3-4]。如果考慮到一些塑料製品的使用年限長,不會在短期內被人們丟棄,那麼按照國際通行算法,這一數據將變成41%-47%(國際通行算法,為廢塑料回收量/廢塑料產生量)[4]。

2009-2013年中國內地廢塑料回收率 | 以2013年為例,當年我國消費塑料5879萬噸,產生廢塑料3292萬噸,通過垃圾分類回收了1366萬噸廢塑料,按照兩種算法得到的廢塑料回收率,分別為1366/5879≈42%(國際通行),或1366/3292≈23%(發改委算法)。製圖@陳隨/星球科學評論

但考慮到垃圾分類在中國還是一個新鮮事物,發達國家是否就做的更好呢?

在德國,2013年產生廢塑料共計568萬噸,其中有57%被焚燒,42%被分類回收。乍一看,這個比例似乎與中國在一個水平(按國際標準計算),但這裡面也有一半以上作為「廢塑料資源」出口到其他國家(如中國),真正自行處理加工的廢塑料,只佔到19%,其中僅有1%作為原料進行再利用[4]。

在美國,2013年廢塑料產生量為2300萬噸,分類回收了270萬噸,毛回收率佔到10%左右。而根據2012年數據,有215萬噸分類好的廢塑料出口到其他國家(其中出口中國169萬噸,為歷史峰值,佔79%),本土加工利用廢塑料的比例僅為2%[4]。

青島海關工作人員查驗進口「洋垃圾」 | 2013年10月15日,4000餘噸「洋垃圾」因實際類別與報關信息不符,從黃島退運出境。圖源@VCG。

如果要給「廢塑料去哪兒了」找一個國家作答案,那便是中國。2018年「洋垃圾」進口禁令之前,中國每年進口超過700萬噸塑料垃圾[5-6]。其中,絕大多數來源於歐美發達國家。根據聯合國商品貿易統計資料庫,自1992年以來,中國一共回收處理了1.06億噸廢塑料,佔全球同期回收廢塑料總量的45.1%以上[7-8],為世界做出不可磨滅的貢獻。

由於多年為全世界處理廢塑料,中國早已培養出一個胃口驚人的廢塑料處理行業,對廢塑料的實際回收利用水平明顯高於美國和歐盟[4]。2018年1月1日「洋垃圾」進口禁令生效之後,這個全球最大規模的廢塑料處理行業竟出現供不應求——2019年全年處理廢塑料僅為1890萬噸,分類回收工作遇到的瓶頸,直接制約了廢塑料處理的能力。

近年來我國廢塑料加工量變化圖 | 2018年後,我國廢塑料加工行業出現供不應求。製圖@陳隨/星球科學評論,數據綜合出自文獻[4,7,9-10]

塑料回收利用率在全球範圍內偏低的另一面,自然是居高不下的焚燒率、填埋率和遺棄率。2019年,中國產生廢塑料6300萬噸,其中有7%遭到遺棄,32%被填埋在垃圾場——這意味著,有39%進入了自然界[9]。

2019年中國廢塑料的各種處理方式佔比 | 填埋和遺棄的廢塑料都進入自然界,佔總量的39%。製圖@陳隨/星球科學評論,數據引自文獻[9]

有學者做過估算,從1950年至2015年,人類已經生產出共計83億噸的塑料,其中有25億噸仍然在人們的生活中發揮作用(比如每個人家裡都會有的一些「祖傳老電器」),有7億噸被扔進焚化爐燒成一縷黑煙,通過回收的方式重新進入人們生活的廢塑料僅有5億噸,剩下的46億噸則以填埋和遺棄的方式,流失在自然界的各個角落[11]。

1950至2015年全球塑料的產量及塑料的命運 | 人類生產的所有塑料可達83億噸,其中有49億噸被遺棄/填埋到自然界。圖源@Hannah Ritchie & Max Roser / Ourworldindata.org,文獻[11-12]

5億噸被回收的塑料經過二次利用後,又會有相當一部分被遺棄或焚燒。於是,最終被焚燒的廢塑料達到8億噸,而遺棄或填埋的廢塑料達到49億噸——這意味著,人類生產的所有塑料製品,有近59%留在了自然界。

在當代,廢塑料的處置情況僅比歷史總體情況好一點:有55%的廢塑料被遺棄或填埋,25%被焚燒,20%得到回收利用[12]。

1980年至2015年全球廢塑料處置比例變化圖 | 儘管回收和焚燒佔比越來越大,但填埋和遺棄仍是當代最主要的廢塑料處置方式。圖源@Hannah Ritchie & Max Roser / Ourworldindata.org,文獻[12]

就這樣,因為人類自己的漫不經心和亂扔垃圾,性質穩定的塑料垃圾正在以一種出人意料的方式「佔領」地球,將自己變成這顆星球歷史的一部分。

菲律賓馬尼拉附近的一處大型垃圾填埋場 | 在可預見的未來,垃圾填埋仍將是一種重要的垃圾處理方式。注意圖片中下部渺小的人影。圖源@VCG

在時光的輕撫下,這些被人們拋棄在自然界的塑料垃圾將存在多久?

02

旅程中:塑料有多難分解?

全球海洋和陸地上的塑料汙染早已不是新聞,至少49億噸的塑料已經成為這顆星球的一部分,參與到地球所有的生態系統裡。其中可降解塑料的比例能夠忽略不計——因為即便是可降解塑料佔全球產能25%的中國,2018年的生物降解塑料產量僅有65萬噸,還不到中國當年塑料產量的1%[13-14]。而其中可以完全降解的塑料,僅有不足10萬噸。

對於已經廣泛分布在自然界中的難降解塑料,它們大多被人類工程師有意設計成經久耐用的結構,分解速度慢到令人髮指。在海洋等環境中,塑料可以在紫外線、溫度、水流、砂石和微生物的共同作用下,逐漸遭受物理破壞、化學分解和生物降解作用。

塑料在海洋中的變化示意圖 | 「微塑料」是直徑小於4.75mm的塑料顆粒,「納米塑料」是直徑小於0.1微米的塑料顆粒。圖源@Cj Beegle-Krause/文獻[15]

物理破壞,能將塑料破碎成大小不一的碎塊,從大塊塑料轉變為小塊塑料、微塑料甚至納米塑料;化學分解可以將塑料轉變為其他物質,有助於它們破碎甚至消失;生物降解對於塑料的最終消失至關重要,總有一些奇怪的微生物以塑料為食物,它們或許是未來幫助人們處理塑料垃圾問題的關鍵之一。

塑料分解所需要的時間也很重要。如果你關注環境話題,相信一定通過不同途徑了解到許多關於塑料分解的時間數據,它們通常是數年到數百年不等,如下圖所示。

常見塑料被完全生物降解所需的時間 | 只是,它的數據仍有較大商榷餘地。圖源@statista.com

但實際情況卻是,塑料對於自然來說還是一種非常年輕的物質,類似上圖的數據其實並不具有很大的參考價值,人們對於塑料在真實環境裡的分解速率還缺乏明確的認識。在僅有的一些研究中,人們只是將塑料樣品表面厚度、直徑的減少作為「分解」的參考指標,強調一大塊塑料的體積損失和質量損失,並未深究它到底變成什麼[16-18]。

從廢塑料殘留質量的角度,有研究者效仿放射性物質的半衰期,建立起一個「質量半衰期」的塑料分解速率概念,如下表所示[17]。

不同材質和形態的塑料在不同環境中的質量半衰期 | 使用計算機模擬得出,其中地表和海面具有紫外線和較大熱量等有利於分解的因素。「超過2500年」表示在計算中未觀測到明顯的降解,需要的時間可能很長。數據來源@文獻[17]

由此可見,不同塑料在不同的環境中有截然不同的保存時間。一個漂在海面的PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)礦泉水瓶,可能兩年半後就能在紫外線、微生物和海浪的共同作用下損失一半的質量。

漂浮在海面的塑料垃圾 | 海洋表面是塑料分解很快的環境,類似圖中右側的水泡可能兩年多就能損失過半。圖源@NOAA

但是,一個埋在地下的HDPE(高密度聚乙烯)水管,可能需要5000年以上才能損失一半的質量。還有一些PS(聚苯乙烯)塑料製品,不排除要數千甚至數萬年後才能損失一半的質量。

一處實驗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,毫無分解跡象,這是因為隔絕了陽光和高溫,也沒有海洋的波浪拍打和鹽分作用,分解速率很慢。圖源@文獻[19]

籠統地說,塑料可以在海面留存成百上千年,在土地裡留存成千上萬年,也不排除數萬年之久,這是現階段人們對塑料留存時間的初步認識。更多的細節,比如沉積到深海沉積物中的微塑料會存續多長時間,目前還是未知數。而且質量的損失不等於化學意義上的完全分解——它們也有可能只是碎成了微塑料,並且人們對微塑料留存在自然界時間更不了解。

雖然不是永恆,但對於人的壽命、國家的興亡、王朝的更迭來說,勝似永恆。

但有沒有一種可能,讓塑料存續得更久?

還記得前文裡的琥珀嗎?目前已知最古老的琥珀,形成於3.2億年的石炭紀[20]。琥珀由樹木分泌的天然樹脂形成,其有機質結構遠比塑料簡單。但是,在適當的環境中,固態樹脂卻能在地層裡保存數億年,在經過一系列化學改造後,轉變為琥珀,為人們打開一扇通往古代的大門。

樹幹上的樹脂塊 | 從固態樹脂到琥珀,中間經過了複雜的機械磨損、氧化破壞、有機化學反應、生物降解作用等變化,但終究有很多樹脂挺了過來,變成琥珀。圖源@VCG

塑料垃圾,在某種意義上會有著與天然樹脂類似的命運,它們不會一直停留在海面或者地表一動不動,而是會逐漸停止運動,沉到泥沙中去,最後轉變為地層中的物質。

這就為塑料轉變成人類文明的紀念碑,提供了可能性。

03

永恆的塑料:人類文明的紀念碑

塑料碎片已經實現了字面意義的「無處不在」:從天上的雲中水滴到地下的石油鑽井,從數千米高的高山之巔到幾千米深的大海之淵,從赤道地區的偏遠島嶼到兩極和高原的冰層,從馬裡亞納海溝的深海動物到夏夜路邊攤上的小海鮮,大大小小的塑料碎片分布在你我不曾注意的地方,甚至也分布在你我體內,為人類世地球送上最獨特的點綴[21-30]。

如前文所述,在不同的環境中,受塑料材質、紫外線強弱、溫度高低、微生物種類多寡及活動是否活躍等因素影響,塑料在自然界的存續時間大為不同,短則數年數十年,長則數千數萬年。但在一些地質過程的幫助下,塑料可能在地球上保存更久。

飄散到極地或者高山的微塑料,可能會比其他環境的微塑料保存得更好。當微塑料隨著雨雪落到冰面上以後[30],它們會被逐漸凍結在冰裡。冰層會遏制大多數微生物的生命活動,也能漸漸隔絕氧氣和紫外線,有利於塑料的保存。如果轉變為冰川內的塑料,則能夠在冰川的生命周期裡一直保存——它可能是數十萬至數千萬年。

南極海岸的塑料垃圾 | 宏觀塑料垃圾早已分布在南極洲各處,微塑料自然不會少。圖源@VCG

在陸地上,數十億噸計的塑料被埋在地下的垃圾坑裡,可以保存至少成千上萬年。但地下垃圾場並非一成不變,它們可能被後世的人們意外挖出,可能發生滑坡,也可能被河流侵蝕。最後,一部分填埋塑料可能在一段時間後,重新歸於江河湖海。

美國加州的玻璃海灘是垃圾填埋場遭受破壞的結果 | 這裡曾經有過一個垃圾填埋場,後來填埋場受到破壞,許多玻璃流落海邊,被海水打磨成圓潤的玻璃塊,在俄羅斯也有一處類似的玻璃海灘景觀。圖源@VCG

如果埋藏地點未遭破壞,配合上地表一直緩緩下沉,最終讓含有塑料的砂土深埋地下轉變為巖石,那麼天然樹脂轉變為琥珀的過程也有可能出現。這個過程可短可長,短則幾十上百年,長則超過數十萬年。

在一些地質過程活躍的地區,一些塑料經過幾十年已經與周圍的砂粒粘為一體,成為學術意義上成立、但超過人們平常認識的巖石,只不過此類巖石並不穩定,隨後還會發生其他變化[31]。

塑料保存在巖石中的實物證據 | 一些特殊情況下,泥沙在幾十年間就可以發生膠結,轉化為巖石,但它並不穩定,會繼續發生其他變化。塑料的樣品被圈出。這處海灘位於巴西南澳格蘭德州。圖源@文獻[32]

就像天然樹脂一樣,即使一些塑料已經保存在巖石中,它們也會發生複雜的化學變化,形成我們無法預知的模樣。也許它們會保留一點塑料的外觀,也許會變成碳化的顆粒,就像這片遠古的樹葉,曾經複雜的生命物質如今僅剩黑色的碳膜。

有機物發生碳化的植物化石 | 有機物在地層裡逐漸分解,逐漸失去碳以外的大多數化學元素,變成碳膜。圖源VCG

即便巖石裡的塑料消失,但它的形狀可以繼續存在,會有其他的礦物充填這個空間,變成一個「帶有形狀信息的化石」,例如下圖就是菊石的生物遺骸消失後,黃鐵礦充填在遺骸存在過的空間裡,長出菊石的形狀和精細結構。換言之,後世的某處砂巖地層裡,或許可以發現一串(塑料)珍珠耳墜形狀的「黃鐵礦充填物」,也許可以將它命名為「黃鐵礦化耳墜化石」,作為人類世的一種「技術化石」,成為人類文明的紀念碑。

黃鐵礦化的菊石化石 | 菊石是一種生活在海洋的古生物,主要生存在中生代(距今2.5億年~0.66億年前)。這類金光閃閃的菊石化石很受收藏家的歡迎。圖源@fossilera.com

海底則是這顆星球上規模最大的微塑料埋藏地——垃圾填埋場裡埋著的,主要是大塊塑料。雖然海水裡也漂浮著許多塑料,但微塑料最終會大部分沉到在幽深的海底(及湖底),與淤泥混合在一起[22,31]。

海底是塑料的主要匯聚地 | 雖然海水中也懸浮著很多塑料,但他們最終也有很大一部分會沉降到海底。圖源@grida.no

即便是地球上最深的馬裡亞納海溝,也早在1998年就發現了塑料垃圾。近年來研究也進一步表明,此處的淤泥中存在數量驚人的微塑料[33-34]。

1998年,深潛器在馬裡亞納海溝10898米深處發現的一攤塑料垃圾 | 圖源@JAMSTEC

總有一天,這些海底或湖底的淤泥,將會一如億萬年前的淤泥,變成富含有機物的泥巖。微塑料也會藉此機會混進深海/深湖泥巖裡,將旅途進行到底。它們的終極命運並不會與周圍的生物殘渣存在什麼不同——都會遭受微生物降解、都會遭受氧化破壞、都會在高溫高壓的作用下釋放出一些物質、都會殘留下一些東西。這些釋放出來的物質,被我們叫作石油和天然氣[35]。

阿拉斯加北坡中上三疊統Shublik組巖石露頭 | 這些黑色的深水泥巖就是當地產生油氣的烴源巖,也是頁巖氣的蘊藏地層。圖源@文獻[36]

殊途終將同歸。

千百萬年前乃至更古老時代的生物殘骸,將石油和天然氣饋贈給當代地球,人們將它們加工成塑料;千百萬年以後,保存在地層裡的塑料將有可能重新轉變為石油或天然氣,完成一個精彩的超級輪迴[19,37-38]。

在實驗室裡,人們早已可以利用特定的催化劑,在高溫高壓條件下,使塑料分解成簡單的烴類,生產出柴油、汽油甚至更簡單的甲烷、乙烯[39-43]。,類似的過程一樣可以在自然環境中出現,只是需要的時間十分漫長。

將塑料轉化為燃料油 | 只需要一些催化劑,特定的溫度和壓力條件,就能將廢塑料重新轉化為烴類物質,如汽油和柴油。圖源@北卡羅來納大學威爾明頓分校。文獻[44]

也許,數百萬年或數千萬年後,這顆星球上的石油資源裡,會有一部分來源於今日人類排放到大自然裡的數十億噸塑料,和未來將會繼續排放的N億噸塑料。

而只有到了那時,塑料的旅程才算真正結束。

源於石油,歸於石油,這是專屬於塑料垃圾的終極旅程。而在這個旅程裡,它也留下了一些「技術化石」,作為記錄人類文明的永恆紀念碑。

Plastiglomerate,一種當代形成的全新巖石 | 這個單詞來源於塑料(plastic)和礫巖(conglomerate),用來描述在自然火場中融化的塑料將一些砂石、貝殼或其他生物硬體,及其他人造物質粘合起來的產物,也許可以翻譯為「塑化礫巖」。它質地比較堅硬,也許可以作為「技術化石」,在自然界裡存在很久。圖源@文獻[45]

該如何評價塑料的終極旅程,和它給人們留下的文明豐碑?

從石油到塑料,人類的工業文明將自然造物轉變為工業造物,創造出一種自然界不曾擁有的物質形態,創造出古人不曾享有的便捷材料和便利生活。這是塑料旅程的前半段,輝煌並且榮耀。

石油化工的力量點亮暗夜 | 石油化工業是塑料的起點,也是現代生活的起點。圖源@VCG

從塑料原材料到微塑料垃圾,人類的無序活動為世界加入了一種新的物質,卻沒有很好地處置它們,使之散布全球,成為「人類世地球」的一部分,保留在這個時代形成的地質記錄裡,默默記載下人類活動後果。它們就像一座座豐碑,定格下這個時代的剪影。這是塑料旅程的後半段,蒼白並且沉默。

白色垃圾汙染海洋 | 在石油化工裝置轟鳴作響的同時,白色汙染也早已蔓延到每個角落。圖源@VCG

從微塑料到地層中的分散高分子有機質,再到未來將要形成的石油和天然氣,自然的偉力終將接手一切,用漫長的時光來消弭人類無序活動引發的種種後果。這是塑料旅程的終點,波瀾不驚,但卻也有幾分精彩的回味。

這樣的旅程應該對人們有所啟迪。增加可降解塑料的產能、增加塑料無害化分解途徑的研究、增加廢塑料制油的產能、增加塑料回收利用的力量,都是人們應該從中學到的東西。

但人改變自己的意識和行為同樣需要一個過程。如果一定要在現在找出一個第一步,嚴格的垃圾分類措施,或許是改變未來的一個小小起點。

分類家庭生活垃圾,從我做起 | 「再也不能如此豪放地扔垃圾了……」 圖源@VCG

末了,是時候問自己一聲了:

家裡的分類垃圾桶,都準備好了嗎?

| END |

策劃撰稿 | 雲舞空城

視覺設計 | 陳隨

圖片編輯 | 謝禹涵

內容審校 | 王昆,鞏向傑

封面來源 | VCG

【本文參考文獻】可滑動查看

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原標題:《地球人丟棄的塑料垃圾,都去哪了?》

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