中國濕巾代謝分析及環境影響評估

張宇婷,胡宇鵬, VORADA KOSAJAN,溫宗國

中國濕巾代謝分析及環境影響評估

張宇婷,胡宇鵬, VORADA KOSAJAN,溫宗國*

(清華大學環境學院,清華大學工業節能與綠色發展評價中心,北京 100084)

為評估濕巾塑料消耗及污染現狀,比較不同材質濕巾環境影響表現,開展了中國濕巾“生產—使用—廢棄處置”全過程物質流分析,通過市場調研獲知濕巾材質分布,開展全國消費者問卷調查獲知廢棄濕巾流向.對不同材質濕巾開展全生命周期環境影響評價,系統比較評估其環境影響.結果表明,“70%聚酯纖維+30%粘膠纖維”混合材質濕巾是中國最為常見的濕巾類型,2019年中國濕巾用塑量達41萬t,經消費者使用丟棄后約有18.9%直接泄露進入自然環境.在焚燒、填埋處置方式中,全粘膠纖維濕巾全生命周期綜合環境影響比全聚酯纖維濕巾低38%,前者水污染突出但資源消耗、毒性風險優勢明顯;在直接泄露方式中,全粘膠纖維濕巾可避免聚酯纖維泄露后崩解為微塑料纖維的環境風險.

濕巾；聚酯纖維；粘膠纖維；物質流分析；環境影響

濕巾是生活中常見的個人護理產品,根據用途劃分可以分為通用型、嬰兒專用、女性衛生專用、卸妝用、居家清潔用、廚房用、廁用等.中國濕巾市場增長迅速,市場規模年增速維持在20%以上,2019年市場規模達219.9億元,且受新冠疫情影響,濕巾銷售量將進一步擴大[1].

水刺無紡布是濕巾的主要組成成分,其纖維原料分為石油基纖維和生物基纖維兩大類.以全國非織造科技信息中心發布的數據口徑統計,2019年中國水刺無紡布產量共95.5萬t,其中濕巾消耗63.25萬t[2].其主要原料聚酯纖維可引發塑料消耗及污染.此外,濕巾單片重量小、使用場景分散,可能通過各類途徑導致塑料泄露進自然環境.研究發現,歐洲污水處理廠附近河道沉淀物中的微塑料纖維與濕巾塑料纖維成分一致,是被極大低估的白色塑料纖維來源[3]. 2019年,歐盟在《有關限制某些塑料制品使用的指令(EU)2019/904》[4]中將“濕巾”列為管控對象.相比之下,中國《關于進一步加強塑料污染治理的意見》等政策中尚未對濕巾予以充分關注,對濕巾含塑及其環境影響的社會認知明顯不足.

為科學認知濕巾塑料污染潛力,有必要識別濕巾中含塑材質的使用量及廢棄流向.濕巾材質類別眾多,缺乏規范統計,較難獲知材質分布.部分濕巾被直接丟棄進入環境,此類未進入正規處理體系的方式取決于消費者丟棄行為,其比例難以統計.目前尚無關注以上基礎數據的研究,需加以突破.現有研究中,已證明濕巾具有導致微塑料泄露的風險,通過抽檢測樣證明在海洋沉積物[3]和魚體[5]中發現了以微塑料形式存在的廢纖維.關于濕巾環境影響管理和可持續發展的研究中,有研究針對某個護理產品企業[6]或品牌[7]進行可持續性評估,但尚無濕巾產品的全生命周期環境影響研究. 全生命周期分析(LCA)可定量化評估環境影響,已被廣泛用于計算塑料包裝物[8]、煤制天然氣[9]、生活垃圾處理[10]等產品、技術或過程的全生命周期環境影響.基于此,本研究首次揭示了濕巾代謝情況,并開展環境影響核算比較.

本研究進行了中國濕巾生產、消費、廢棄處置的全過程物質流分析(MFA),基于行業調研和消費者丟棄行為調查明確了濕巾塑料消耗量及泄露量.開展了不同材質濕巾產品的全生命周期環境影響評估(LCA),基于纖維生產廠商實地調研獲知生產參數,進行生物基濕巾、含塑濕巾環境影響比較評估,明確濕巾環境影響來源,為濕巾環境風險管控措施提出建議.

1 研究方法

1.1 物質流分析

物質流分析(MFA),是一種在區域范圍內,對某種物質進行代謝研究的核算方法學.MFA追蹤物質從自然界開采進入人類經濟體系中,并經過經濟活動在不同時段和區域中流動,最后回到自然環境的全生命周期過程[11].為全面評估中國濕巾產品物質代謝流動,本研究以濕巾材質為考慮因素,選擇不同材質類別濕巾作為代謝對象;系統邊界為中國地區范圍內濕巾從原料生產到廢棄處置的全過程,分為濕巾生產階段和濕巾廢棄處置階段.

生產階段.基于行業調研,聚酯纖維和粘膠再生纖維素纖維(以下簡稱粘膠纖維)是濕巾生產所用水刺無紡布的主要原料.其中,市場主流濕巾產品以“30%粘膠纖維+70%聚酯纖維”無紡布為主,另外還存在其他材質配比濕巾.由于成本較高,全降解濕巾(即“100%粘膠纖維”)尚未形成市場規模.由于缺少準確行業統計數據,本研究對國內龍頭濕巾品牌商及無紡布生產商等進行座談調研,獲知市場上90%以上的濕巾含塑,并估算濕巾產品市場分布(表1).

廢棄處置階段.濕巾產品經消費者使用后進入廢棄處置階段.進入環衛體系后,將被填埋或焚燒;若直接丟棄,將泄漏進自然環境.本研究中的“環境泄露”,是指塑料制品在生命周期末端沒有得到妥善處理,無序排放進入自然環境,例如土壤、海洋等自然環境的過程.由于濕巾單片重量小,使用場景多,廢棄地點分散,可能存在較高的泄露風險.為此本研究在全國開展了2461份消費者問卷調查,用于調查消費者在使用濕巾后的丟棄行為.調查結果顯示,濕巾產品使用后平均有18.9%概率直接泄露進入環境.

表1 濕巾產品市場分布

1.2 研究情景構建

基于全生命周期理論思想,本研究綜合考量不同材質濕巾的生產和處置方式,構建濕巾全生命周期研究情景.

根據濕巾物質代謝分析,共選擇3種具有代表性的材質類別濕巾和3種廢棄處置去向,設置了9個情景進行比較分析(表2).在濕巾類型中,選取“三七濕巾”、“全塑濕巾”及“全降解濕巾”三類濕巾為對象,開展比較不同材質濕巾的環境影響.其中“三七濕巾”是我國目前最常見的濕巾類型;“全塑濕巾”價格較低,在低端市場有所運用,代表完全不可降解濕巾;“全降解濕巾”是100%生物基產品,具有可完全自然降解的特性,可能是一種有前景的環保產品.在處置方式中,考慮了填埋、焚燒和直接泄露3種廢棄處置方式,實現對濕巾廢棄處置去向的全覆蓋,并命名填埋及焚燒為“傳統處置方式”.

表2 濕巾全產業鏈情景設置描述

1.3 全生命周期環境影響評價

LCA方法學適用于分析產品環境特征并支撐決策[12],具有成熟的國際標準.ISO14000系列中明確了LCA確定目標、確定系統邊界、清單分析的基本框架[13],提出LCA的結果解釋原則[14]并進行案例展示[15].

依據國際標準,本研究確定系統邊界為一張濕巾生產—消費者使用—廢棄處置的全過程(圖1).其中,生產環節追溯至原生資源的開采(如聚酯纖維制造中的石油開采、粘膠纖維制造中的樹木砍伐),廢棄處置環節包括焚燒、填埋及直接泄露進環境,在該范圍內的所有生產工藝環節、廢棄處置環節等均納入系統邊界.在不影響科學性的前提下,劃定系統邊界時確立部分規則:(1)濕巾行業中存在多個運輸階段,如原材料運輸、濕巾產品銷售運輸、濕巾廢棄后收集轉運等.這些運輸存在環境影響風險,但由于與研究關注的濕巾材質及處置方式下的環境影響比較無直接關聯,因此統一未將運輸環節納入系統邊界;(2)大多數情況下,生產設備、廠房、生活設施等可以忽略,如粘膠纖維生產廠使用的紡絲機、烘干機等機器的生產環節未納入系統邊界,所有生產廠房的建設及生活設施消耗均未納入系統邊界;(3)在選定環境影響類型范圍內的已知排放數據不應忽略,但對非重點污染管控企業無集中監測的污染物可以忽略.

圖1 濕巾全生命周期評價系統邊界

功能單元是產品系統提供功能(使用價值)的度量單位.本研究在進行不同材質濕巾比較時,以“一張濕巾”作為功能單元.一張濕巾的平均重量由行業調研獲取.

對應濕巾生產工藝流程,介紹各環節所需數據項及數據來源(表3).數據來源主要為現場調研、消費者問卷調查、已有研究報告及Gabi數據庫[16].對福建某粘膠纖維生產廠、江西某無紡布生產廠、福建某濕巾生產廠開展了實地調研,收集工廠運營記錄及排放監測數據,獲取生產技術參數及投入產出情況.

按照“環境污染、資源消耗與毒性影響”的總體分類原則,結合濕巾全生命周期環境影響特點,選擇納入9項特征化環境影響指標(表4).由于不同材質濕巾生產環節涉及石油、木材、水資源等消耗,選擇納入FD、FC指標;全產業鏈存在污染排放,包括生產工業廢水排放、煙氣排放,濕巾廢棄進入最終填埋、焚燒時也存在焚燒煙氣排放或填埋滲濾液排放,均會導致水體污染和大氣污染,納入GWP、PMF、POF、AP作為大氣污染表征指標,FE作為水污染表征指標;各環節污染物排放具有引發人體毒性和生態毒性的風險,納入HT、TE指標分別表征.

表3 濕巾全生命周期評價數據項及數據來源

表4 環境影響類型指標及釋義

國際通用的環境影響評估模型眾多,如IMPACT2002+、Eco-indicator 99、CML模型等[17].本研究選用基于以上模型發展而來的ReCiPe模型進行量化分析,ReCiPe模型分為中點(Mid-point)和終點(End-point)兩個層面,可包含以上主要特征化環境影響類型指標[18].為開展各環境影響指標的比較分析,選取ReCiPe模型標準化指數進行歸一,基于環境基準值計算不同環境影響類型的相對大小以消除量綱影響;為獲得LCA評價的總體環境影響,進行環境影響加權獲得綜合環境影響指標.

2 結果與討論

2.1 濕巾物質流分析

依據濕巾物質代謝分析,獲取濕巾材質分布及廢棄流向.廢棄濕巾產品平均有18.9%概率直接泄露進入自然環境;其余 81.1%濕巾產品將進入市政環衛體系,根據不同城市的環衛基礎設施布局情況分別進入焚燒廠與垃圾填埋場(選用2019年全國平均水平53%焚燒,47%填埋19).模擬中國濕巾市場物質代謝流動,2019年濕巾用塑量(按聚酯纖維用量計算)約41萬t,濕巾廢棄導致了7.8萬t聚酯纖維直接泄露進入環境,該數值接近當年中國不可降解快遞膠帶(按聚丙烯用量統計)全部用量.

2.2 濕巾傳統處置方式環境影響評估

2.2.1 市場主流濕巾生產環境影響來源 采用選定的評價方法及指標,本研究首先以我國市場中最為常見的“三七濕巾”為關注對象,追溯其生產過程的生命周期環境影響來源(圖3).

圖2 2019年中國濕巾物質代謝流動圖(萬t)

無紡布生產階段的環境影響貢獻僅占全部生產環節總排放的0.04%～18.31%,濕巾產品生產階段的環境影響貢獻僅占全部生產環節總排放的0.02%～7.17%.在這兩個階段中,電耗均為環境影響貢獻最大的因素,在無紡布生產和濕巾產品生產的環境影響指標中平均占比分別為83.4%和83.0%.粘膠纖維生產和聚酯纖維生產兩個環節是主要的環境影響來源,二者的環境影響貢獻共占“三七濕巾”全部生產環節總排放的80.1%～99.8%.二者在不同類型的環境影響指標中貢獻程度不同.聚酯纖維生產貢獻了絕大部分的人體毒性(HT)指標、光化學效應(POF)指標和全球變暖(GWP)指標,尤其是在人體毒性(HT)指標中,占到了全部生產環節總排放的75%,這是由于聚酯纖維生產上游的石油煉制和熱裂解存在汞和芳烴等有毒污染物排放風險,源自天然的粘膠纖維可有效避免此類健康損害.但在水體富營養化(FE)指標中,粘膠纖維生產貢獻98%.這是由于粘膠纖維的上游種樹存在農藥化肥的施用以及粘膠生產工藝中存在酸性廢水排放.聚酯纖維生產貢獻了80%的化石能源消耗(FD),以及52%的水資源消耗(FC).

綜上,一張“三七濕巾”的環境影響來源于不同環節,無紡布生產和濕巾產品生產僅為物理過程,影響較小.粘膠纖維和聚酯纖維生產更值得關注,證明了材質選擇的重要性.水污染多源自粘膠纖維生產;資源消耗和毒性風險多源自聚酯纖維生產.進一步追溯粘膠纖維生產的具體階段,水污染主要源自其木漿生產階段的化肥、農藥使用.

圖3 一張“三七濕巾”的主要生產階段環境影響貢獻

2.2.2 不同材質濕巾環境影響比較分析 以“一張濕巾”為功能單元,比較不同材質濕巾的全生命周期環境影響. 對應本研究設定的主要情景,研究了三類濕巾的填埋、焚燒6類情景(圖4).

在全球變暖指標(GWP)上,各情景在生產階段差異較小.隨著濕巾產品中粘膠比例的增加,濕巾生產階段在全球變暖指標上的環境排放會略有增加.這是由于漿粕是粘膠纖維的主要原材料,其生產過程需進行樹木種植和砍伐,該過程會引發溫室氣體(GHG)排放風險;而含塑濕巾水刺無紡布生產的溫室氣體排放,主要源自聚酯纖維的上游化石原料開采.關注末端處置環節,可發現S7相比其他情景有顯著貢獻,這是因為生物基產品在填埋過程中可能產生溫室氣體(如甲烷),而化石基材料由于其極為穩定、不可降解的特征,在填埋期間的溫室氣體排放可以忽略.綜合來看,不同材質配比濕巾的溫室氣體排放來源不同,但都具有一定的溫室效應風險.

圖4 不同材質濕巾廢棄處置情景下的環境影響指標

在酸化(AP) 指標上,“全降解濕巾”最為突出,達到“三七濕巾”的1.7倍,這是由于粘膠生產工藝中使用酸性物質.考慮末端處理, S2、S5和S8均有較為顯著的減排效益,這是由于在焚燒發電中,傳統塑料熱值更高,焚燒后可替代火力發電,從而降低酸化影響.

在水體富營養化(FE)指標上,“全降解濕巾”尤其突出,達到“三七濕巾”的3.2倍.該結論與粘膠纖維生產工藝有關,在漿粕制造及其上游環節需消耗化肥農藥,增加水體營養負荷;在紡絲階段消耗了硫酸、硫酸鋅等化學藥劑,對水體環境造成一定風險.

在化石能源消耗(FD)指標上,“全降解濕巾”具有明顯優勢.傳統含塑濕巾中聚酯纖維多源自石油開采加工,是典型的化石能源消耗;而粘膠纖維源自自然界,屬于可再生資源.“全降解濕巾”在生產環節中的電耗、輔助原料等也會導致部分化石能源消耗,但總體消耗比“三七濕巾”低54%,比“全塑濕巾”低62%,可有效節約原生資源.考慮末端處理,焚燒處理可有效降低FD指標,是由于焚燒發電替代火力發電而帶來的節約能源效益.

在人體毒性(HT)指標上,“全降解濕巾”體現出極大優勢.生物基產品上游種植階段也可能存在人體毒性影響,但與其他材質相比,“全降解濕巾”生產可比“三七濕巾”減少52%的人體毒性風險,比“全塑濕巾”減少58%.化石基塑料產品的主要原材料源自石油煉制和熱裂解,再經過加工制成聚酯纖維等塑料產品.在熱裂解過程會產生多種大氣污染物及粉塵,包括對人體毒健康有影響的汞和芳烴等污染物,同時也會向水體排放硫化物、重金屬離子砷、汞及有機化合物等,導致含塑濕巾人體毒性風險較高.考慮末端處置階段,焚燒會通過替代火力發電從而避免人體毒害,填埋手段無明顯表現.“全降解濕巾”的推廣可減少塑料產品生產從而削減人體毒性負面影響.

在陸地生態毒性(TE)指標上,“全降解濕巾”可比“三七濕巾”減少47%的陸地生態毒性風險,比“全塑濕巾”減少33%.在焚燒、填埋的無害化傳統處置方式下,生態毒性主要集中在生產環節,但生物基材質仍體現出明顯優勢.若考慮直接泄露進環境的非傳統廢棄流向,含塑濕巾分解為微塑料形式將帶來更大的生態毒性風險.

此外對6類情景進行綜合加權,“全降解濕巾”表現最為良好(S7、S8),“全塑濕巾”表現最差(S4、S5),前者加權綜合環境影響指標平均比后者低38%;兩類不同處置方式相比,焚燒總是優于填埋(S2

2.3 濕巾泄露方式環境影響評述

除焚燒、填埋外,還有18.9%廢棄濕巾泄露進入環境.海洋、陸地塑料泄露已成為重要環境問題,備受國際關注.有研究指出大太平洋垃圾帶(GPGP)中在160萬km2海域內至少漂浮著79萬t塑料[20],其中塑料微粒占比很高[21].陸地環境塑料泄露尚缺乏系統評估.農用地膜破碎、有機肥施用、污水灌溉、污泥農用、大氣沉降以及地表徑流等是土壤塑料的主要來源途徑[22],而農作物可以通過裂縫進入模式吸收亞微米級別塑料,進而影響食物鏈安全[23].微塑料具有生物積累和威脅生態系統健康的潛力[24],并最終影響人體健康也被不斷證實[25].

在微塑料中,合成纖維占比極大.聚酯纖維在使用后隨清洗和污水處理管道輸送,最終大量進入海洋[26].滲透到極地地區的微塑料中90%以上是合成纖維,聚酯纖維又占合成纖維總量的73%[27-28].含塑濕巾泄露后便是以微纖維形式對不同生態體系產生持續危害,同時存在食物鏈富集作用進入人體的風險.此外,根據本研究開展的2461份消費者濕巾丟棄行為調研,中國東南沿海、長江沿線、生態敏感脆弱地帶濕巾泄露風險均較高,進一步表明含塑濕巾直接泄露后潛在環境影響突出.

2.4 濕巾塑料污染防治對策

濕巾含塑、使用場景多、泄露風險高,是值得引起關注的塑料制品.目前,中國已發布實施的《關于進一步加強塑料污染治理的意見》及配套《國家禁止、限制生產、銷售和使用的塑料制品目錄》中,均未對濕巾給予足夠關注,存在政策關注點的調整必要和空間.可考慮分階段、分地區依次落實低端含塑量高的濕巾制品的禁止或限制工作,并充分考慮成本可行性,有序推進原料替代.除生產端調整外,消費端轉變也十分重要.進一步加強濕巾含塑的科學認知宣傳,如在濕巾包裝成分表中注明無紡布原材料,并引導消費者丟棄行為轉變以降低濕巾直接泄露率.生產端推進材料替代、消費端推廣綠色生活方式、廢棄端規范處置方式共同發力,減小濕巾塑料污染.

3 結論

3.1 濕巾是重要的擦拭品產品,其在中國生產、消費使用及廢棄處置的全流程物質代謝流動可揭示該產品的環境影響規律.目前90%以上濕巾產品含塑,泄漏到環境中難降解.2019年,濕巾用塑量(按聚酯纖維用量計算)約41萬t,導致了7.8萬t聚酯纖維直接泄露進入環境.

3.2 在焚燒、填埋傳統處置方式下,“全降解濕巾”(100%粘膠纖維)的加權綜合環境影響指標比“全塑濕巾”(100%聚酯纖維)低38%.其中,生物基濕巾與含塑濕巾在大氣污染中表現各有優劣,生物基濕巾水污染影響突出,含塑濕巾在資源消耗和毒性風險中影響突出.

3.3 在直接泄露方式下,含塑濕巾泄露會以微纖維形式帶來較大的環境風險,采用生物基可降解材質替代是實現含塑濕巾污染控制的解決方案之一.

3.4 濕巾塑料污染防治需生產端、消費端等全產業鏈不同階段合作推進.

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Material metabolism analysis and environmental impact assessment of wet wipes in China.

ZHANG Yu-ting, HU Yu-peng, VORADA KOSAJAN, WEN Zong-guo*

(School of Environment, Tsinghua University, Industrial Energy Saving and Green Development Assessment Center, Beijing 100084, China)., 2021,41(11)：5438～5445

In order to evaluate the current status of plastic consumption and pollution of wet wipes and compare the environmental impact performance of wet wipes of different materials, this study carried out the material flow analysis of China’s wet wipes from production to final disposal. The primary data of materials of wet wipes was gained through field research and the flow direction of waste wet wipes was found out by conducting a national consumer questionnaire. The study evaluated and compared the life cycle environmental impacts of different types of wet wipes. The results showed that “70% polyester fiber + 30% viscose fiber” mixed wet wipe is the most common type of wet wipe in China. In 2019, the amount of plastic used in wet wipes in China reached 0.41million tons, and about 18.9% of them leaked directly into the natural environment after being discarded by consumers. In the incineration and landfill scenario, the comprehensive environmental impacts of “100% viscose fiber” wet wipes throughout the life cycle were 38% lower than “100% polyester fiber” wet wipes. The former had prominent water pollution while had obvious advantages of resource consumption and toxicity risk. In the direct leakage scenario, “100% viscose fiber” wet wipes can avoid various risks caused by polyester fibers disintegrating into microplastic fibers.

wet wipes；polyester；viscose fiber；material flow analysis；environmental impact

X820.3

A

1000-6923(2021)11-5438-08

張宇婷(1996-),女,內蒙古巴彥淖爾人,清華大學博士研究生,主要從事環境政策管理研究.發表論文4篇.

2021-03-12

國家杰出青年科學基金(71825006)

* 責任作者, 教授, wenzg@tsinghua.edu.cn