农业残膜回收及加工再处理技术

赵 岩，杨崇山，刘向新，温浩军

（1.石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子832000；2.新疆农垦科学院机械装备研究所；3.农业农村部西北农业装备重点实验室）

0 引言

由于农膜覆盖技术带来的增温、抑制杂草、增加产量等益处，农膜用量迅速增加[1]。在发达国家，农膜的使用量占农用塑料总量的50%以上，欧盟每年约有61.5万t废旧农膜产生[2]，约占所有农业塑料生产的60%[3]。在中国，总量每年以15%的速度持续增加[4]。据中国塑料加工工业协会农用薄膜专用委员会统计，2019年我国农膜覆盖面积在0.187亿hm2左右，地膜的年销售量约160万t，2019年国家统计局统计数据显示，实际农用塑料薄膜使用量达到240.8万t[5]。

农膜使用量与日俱增，而回收体系并不完善，全国农膜整体回收率不足67%[6]。2016年，农业环保部门对甘肃部分区域进行抽样调查，结果显示，参与抽样调查的地块都有不同数量的废旧地膜，残膜含量多达5~14 kg/667m2[7]。残膜污染问题已经严重影响到农业生产和生态环境，加强残膜清理工作刻不容缓[6-8]。残膜回收再利用技术的应用研究成为行业关注热点，因此，对现有技术进行归纳梳理，有利于推进农田残膜污染治理工作进展。

1 农膜回收再处理技术

1.1 再生造粒技术

再生造粒基本原理是通过物理变化，即在不改变塑料物理特性的情况下，融化挤压成型获得二次母粒进行重新加工[9]。这种加工工艺可以用来制作安全帽、行李箱等产品。主要加工工艺包括湿法造粒和干法造粒两种。湿法造粒时，塑料制品在破碎后清洗时由于本身密度较小而浮在水面，一些沙子等杂质因为密度较大而沉入水底，从而能够有效地清除杂质[10]。干法造粒由于没有重复进行清洗和脱水，一般用于生产对产品特性要求不是很高的低档塑料制品。

1.2 油化回收技术

塑料产品主要是由石油加工合成的一种高分子化合物。理论上可以通过切除或切断高分子中的某些化学键和原子团使其重新得到类似于油分子的化合物，具有和油分子相似的物理特性和化学特性。相关实验证明，这种类似油分子的产品能够作为燃料使用，可用作燃油锅炉用油，实现能量回收的目的，并且转化率达到75%~80%。目前，该技术受到处理难度大、技术要求高、投资成本高、所获利润低等条件的限制[11]，很难推广应用。

1.3 化学回收技术

化学回收是通过分解聚合物结构以获得原单体或其它有价值的化学品的过程[11]。Hamad等人利用解聚（甲醇解、糖酵解和水解）、部分氧化（气化）和裂解过程来实现化学回收目的[12]。热解（热催化）也能用于聚烯烃和其它加成聚合物回收，Panda等对加成聚合物塑料进行热解后，得到液体和气体产物，收集后可被用作燃料使用，但分离操作的成本往往太高[13]，并且残留的30%固体残渣没有任何价值，如果处置不当会严重危害环境。

1.4 溶解技术

塑料虽然能够在自然环境下保持相当长时间的稳定性，但是遇到合适的溶解介质时也会溶解。不同研究人员提出的溶解介质包括二甲苯、醇和水的混合物以及有机溶剂等[14-16]，人们利用塑料的这一特性，通过添加各种颜料制成了各色建筑涂料。通过有机溶剂溶解聚苯乙烯能够制成树脂胶，含有笨系的溶剂能够溶解PS，但该技术的关键步骤是对废弃塑料进行严格的分类，在分类过程中如果杂质含量过多，会直接影响涂料和粘结剂的性能。

1.5 光降解和微生物降解技术

可降解薄膜一般分为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价格昂贵，并且破裂呈不可预测趋势，破解后交联的聚乙烯微片仍长时间留在土壤中。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质疑，在太阳辐射较少的区域，降解速度也较慢。可降解农膜目前仅处于试用阶段，且未建立降解程度的评价制度。

1.6 塑料合金化

塑料合金化是指收集到的废旧塑料在回收利用过程中与其它塑料混合或是加入某些添加剂，以加强不同聚合物之间的结合，提高原有塑料的物理特性[17]。其关键技术在于提高各个阶段共混物的相容性，改善共混物界面应力传递不良和机械性能差等问题[18]。在制作塑料合金过程中，由于回收的聚丙烯（PP）与树脂二者不相容，某些关键结构无法与树脂结合为新的结构，导致共混物的性能较差，所以需要一定的增容改造技术[19]。

1.7 改性再生利用

塑料改性是指废旧聚乙烯通过高能量辐射、硅烷偶联剂、紫外线法进行交联，大幅度提高其物理性能、化学性能和力学性能的一种回收聚乙烯的方法。交联改性后，其耐候性大大提高，应力开裂现象变得微乎其微，温度等级可以增加到90℃，短路温度可达130~250℃[20]，其产品广泛应用于电线管、热水器和热收缩管等。

1.8 塑料枕木

塑料枕木价格较低，是木轨枕、普通轨枕价格的1/2。除此之外，相较于传统枕木，塑料枕木还具有诸多优势，其生产周期短，使用寿命长，易加工粗糙表面以防止其横向移动，具有良好的抗压抗震性能，同时对环境的适应性更强，在高温高湿的条件下也不会出现木质枕木那样的腐烂情况。

1.9 木塑材料

木塑材料在加工过程中添加木粉或植物纤维进行填充，然后经过注塑机挤出成型，相对于木材来说具有明显的优势，在某些行业中可用来替代木材。广泛用于包装、建筑、制造业等领域，也可以作为生产板材、家具的材料。

1.10 建工材料

通过聚烯烃改性将废弃农膜做成筑墙砖体，大大改善了环境污染局面。Sullivan等通过试验证明把废旧聚丙烯、废橡胶、一些无机填料混合后通过挤压成型得到了可用于建筑业的筑墙砖体，因为含有许多挥发性成分，可以挥发为模压发泡砖结构，具有密度小、重量轻、隔音等特点，并且容易加工[21]。

1.11 废聚乙烯改性沥青

废旧农膜经过粉碎造粒后在高温高速搅拌下混合沥青成为改性沥青。在试验过程中，通过观察改性沥青在低温和高温情况下塑性开裂和变化情况[17]，针对PE改性沥青相容性差的问题，可以加入不同增溶剂进行改善，相较于普通的沥青，废聚乙烯改性沥青具有较强的热稳定性和较好的可塑性[22]。

2 废弃塑料管理的生命周期评价

随着经济发展，废旧农膜引发的环境问题愈发严重。在实际生产过程中生命周期评价（LCA）方法在研究特定产品或过程的环境影响方面的使用频率越来越高。Siracusa等研究了食品包装中多层聚合物薄膜在产品整个生命周期中的环境影响，认为与薄膜转化工艺相比，以原材料生产塑料颗粒对环境影响最大。Rigamonti等评估了不同的废旧塑料管理方案，包括再生利用、能量回收和焚烧。根据评估结果，作者发现当电力生产以煤和混合燃料产生的热量作为基础时，塑料焚烧产生电力成为首选方案。

3 我国农膜回收利用现状及建议

3.1 我国农膜回收利用现状

3.1.1 废旧塑料开发利用程度严重不足

根据中国塑料加工工业协会农用薄膜专业委员会公布，2015年全国塑料制品的产量为7 560万t，废弃量在3 000~4 000万t之间，约占总量的一半，回收利用量仅为1800万t，这就意味着每年约有2 000万t的废弃塑料被掩埋、焚烧或随意丢弃。据有关部门统计，我国废弃塑料的年增长量至少为200万t，而再生利用量只占到了总量的1/5。

3.1.2 缺少先进适用的农膜回收技术和装备

治理农田残膜污染是个系统工程，涉及法律法规、补贴政策、地膜减量化应用、可降解地膜应用、PE地膜机械化回收和回收的残膜资源化利用等系列问题。地膜机械化回收的核心问题是先进适用的残膜回收机械。自80年代中后期至今，全国研制的农田残膜回收机达到100余种，陈学庚院士团队在2014~2016年间研发出的农田残膜回收新机具也达到13种。虽然成绩突出，但存在局限性，不能完全解决PE地膜回收问题。

3.1.3 我国农膜回收处理存在制约条件

我国回收造粒机生产企业主要集中在华北、华中、华南等地。设备相对落后，技术水平较低，管理经验不足，先进的生产工艺和大型设备普及困难，产品技术含量较低，企业数量较少，以小型私人企业为主。据中国机械信息网统计，塑料机械行业中资产超过千万的企业占23%，地方小企业占34%，私人经营的小作坊占4%。

3.2 我国农膜回收再利用的发展建议

3.2.1 构建农膜应用、回收和资源化利用技术体系

根据目前我国地膜应用现状可以判断，要根本解决残膜污染问题，必须进一步推进我国农田地膜机械化回收技术的应用，实现残膜的资源化利用。要从系统工程和全产业链的角度来考虑，将农膜、农机、农艺相结合，采用耐候型地膜和合适的农艺，为机械化回收创造良好条件，保证机械回收的残膜含杂率低，为资源化利用创造条件，构建农膜应用、回收和资源化利用技术体系。

3.2.2 拓宽回收农膜的资源化利用渠道

从实际生产效果看，本文介绍的技术都是适合我国国情的加工处理方法，提升我国农膜资源化利用水平需拓宽回收农膜资源化利用渠道，扩大回收企业规模，加大相关技术研发力度，缩短回收利用的工艺路线。另一方面也需加强塑料制品开发力度，充分发挥回收物的材料特点，结合当地经济产业特点，开发农业、工业、市政建设等领域的低成本替代产品，形成良好的残膜回收资源化利用产业链。