智利循环制造与塑料回收的半定量系统动力学模型

《Waste Management》：A semi-quantitative system dynamics model of circular manufacturing and plastic recovery in Chile

　　

•识别了影响智利塑料回收与循环制造的关键因素。•运用参与式建模过程与行业专家协作。•绘制了影响再利用、质量和生产力的各因素及其反馈回路。•工艺参数化、基础设施与维护是关键的杠杆因素。•确定了最大化材料回收与再利用的关键政策与行动。

**引言**

传统塑料生产遵循以开采原生石化资源、制造产品、消费产品并最终处置为主的线性模式。这种方法在整个产品生命周期中需要投入大量能源和原材料，同时产生显著的环境外部性（Cabernard 等人，2022）。由于大多数传统塑料具有高度持久性，它们在环境中可存续数十年甚至数百年，导致陆生和海洋生态系统中垃圾的累积（Geyer 等人，2017）。与此同时，一次性塑料制品的处置代表着对宝贵材料的巨大浪费，而这些材料本可以被回收并重新引入生产系统（Stubbins 等人，2021）。因此，线性塑料经济既通过长期污染和资源耗竭产生环境影响，又因未能将材料价值保留在经济体系内而造成经济损失。

尽管传统塑料存在环境隐忧，这些材料对于建筑、采矿和农业等战略行业的发展仍然不可或缺（Hofmann 等人，2023）。它们独特的耐用性、化学抗性、轻质和多用途性使其适用于许多替代材料无法提供可比技术性能和经济效益的领域（Rosenboom 等人，2022；Hao 等人，2024）。在建筑领域，塑料材料被广泛用作供水、排水和卫生系统的平滑管及波纹管，以及用于防水和加固土木基础设施的土工膜和土工织物，包括水库、垃圾填埋场、道路和其他工程设施。在采矿行业，平滑塑料管和波纹塑料管在苛刻的工况下用于水和矿浆的输送，而土工膜和土工织物因其优异的机械强度和化学抗性，在尾矿库、堆浸堆浸场和围护系统中发挥着至关重要的作用（Lupo，2010；Lupo 和 Morrison，2007）。在农业领域，塑料网和编织材料被广泛用于作物保护、遮阳、围栏和灌溉支撑，从而提高资源效率和农业生产率（Maraveas，2020）。这些应用充分展示了塑料在支撑基础设施建设、资源开采和粮食生产中的基础性作用。因此，挑战不在于将这些领域的塑料彻底淘汰，而在于向既保留其功能优势又减少原生资源开采、废物产生和环境影响的循环生产和消费系统转型。

用于建筑、采矿和农业的塑料产品主要由具有优异机械性能和高度可回收性的聚合物制造而成，如高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）、原生树脂和添加剂（de Silva 等人，2025）。循环机会不仅存在于产品使用寿命结束时，也存在于制造阶段，即通过回收工业废料实现。在塑料制造中，废料指的是生产过程中不符合技术规格而被淘汰出主要制造流程的材料（La Matta 等人，2026）。由于这类材料通常未暴露于使用阶段带来的污染，可以方便地收集、粉碎并重新在厂内加工制造新产品，从而减少原材料消耗和生产成本（Ragaert 等人，2017）。在服务寿命结束后，平滑管和波纹塑料管、土工膜、土工织物、塑料网及编织材料等产品可以通过选择性收集系统进行回收，随后经过分拣、清洗、破碎和机械回收加工，生产回收HDPE和PP颗粒，用于制造新的建筑材料、排水系统、农产品及其他工业应用（Li 等人，2024）。这些方法共同帮助将材料价值保留在生产周期内，减少对聚合物的依赖，并支持向更具循环性和资源效率的塑料经济转型。

在制造阶段，由于生产过程中产生废料而导致大量聚合物材料价值流失，这凸显了在产品到达市场之前提高资源效率的必要性（Circle Economy，2026）。循环制造方法不再将废料视为不可避免的副产品，而是将其视为一种有价值的二次资源，应首先通过工艺优化、质量控制、设备现代化和产品设计的改进来将其最小化；当废料的产生不可避免时，则应通过闭环回收系统将其重新纳入生产（Shahbazi 等人，2016）。这一双重策略既减少了原生HDPE、PP、树脂和添加剂的消耗，同时降低了生产成本、能源需求和温室气体排放（Circle Economy，2026）。艾伦·麦克阿瑟基金会强调，循环塑料经济最大的机遇在于上游环节，即通过改进产品和工艺设计来预防废物的产生，而非在废物产生后再进行管理（EMF，2022）。尽管如此，通过内部回收维持不可避免的制造废料的价值仍是一项重要的补充策略，使材料无需额外开采原生资源即可保持在生产使用中（Circle Economy，2026；Klotz 等人，2023）。因此，最大化塑料制造的循环性需要将废料预防与不可避免的生产废料的回收再利用相结合，从而在整个制造过程中以尽可能高的价值保留材料，减少对原生聚合物的依赖。本文后续部分，"scrap"（废料）一词在循环塑料的语境中泛指作为可回收材料来源的废物流。

尽管日益增长的文献已识别出影响向循环塑料经济转型的技术、经济、监管、组织和市场相关因素（Ximenis 等人，2026），但这些因素通常被孤立地或以线性的因果关系来研究。全球塑料产量的大幅增长——2023年达到约4.14亿吨（Plastics Europe，2024）——以及市场变化和日益严格的法规，包括欧盟对可回收性和再生含量要求的提高（European Union，2025），凸显了需要一个系统框架来整合和协调影响塑料行业循环性的多重因素。现有研究日益认识到，塑料的循环性是一个复杂的社会技术系统，其中生产过程、材料流、法规、技术能力、市场需求、利益相关者协作和消费者行为通过多重反馈机制相互作用（文献引用待补充）。多位学者呼吁采用系统思维方法来更好地理解这些相互依赖性，识别杠杆点，并支持更有效的循环经济（CE）干预措施（Brooks 和 Havas，2025；Ali 等人，2026；Robinson，2022）。同样，近期关于塑料的综述强调，大多数研究集中在寿命终点管理和回收技术上，而对制造过程中所做的决策——如工艺设计、质量管理、废料产生和内部材料循环——如何影响塑料生产系统的整体循环表现的关注则少得多（King 和 Locock，2022）。这一差距对工业塑料制造尤为关键，因为减少和再利用生产废料需要在技术、运营、组织和政策维度上进行协调一致的变革。因此，需要一个系统视角来捕捉这些因素之间的反馈和相互作用，并识别能够同时改善制造效率和循环性的高杠杆干预措施（Gajanayake 和 Iyer-Raniga，2025）。

本研究旨在开发一个系统动力学视角，以更好地理解智利一家塑料制造公司中循环经济（CE）实践的采用情况。所得模型——以下称为循环塑料（CP）系统——通过涉及公司专家的参与式系统动力学过程开发而成。该模型捕捉了影响循环策略实施的技术、组织、经济和运营因素之间的复杂相互作用，特别关注减少制造废料并增加其在塑料生产过程中的内部再利用。为达成研究目标，提出了以下研究问题：

RQ1. 哪些因素影响了智利一家塑料制造公司中CP实践的实施？
RQ2. 这些因素如何相互作用并塑造CP系统的动态？
RQ3. CP系统中哪些杠杆点通过正向级联效应加速循环实践采用方面的潜力最大？
RQ4. 哪些干预情景预计会对CP系统绩效产生最大的正向影响？

本文其余部分按以下顺序组织。首先，我们介绍了智利一家塑料制造公司中CP的背景，特别关注聚合物废料的产生、减少和内部再利用。其次，我们描述了用于开发和评估CP系统的复杂动力学方法，旨在捕捉影响废料减少和再利用的技术、运营、组织和经济因素之间的相互作用。然后，我们应用了一系列半定量结构分析技术来识别CP系统的杠杆点，即有针对性的干预预期在减少废料产生、增加其内部循环和降低原生聚合物消耗方面能产生最大级联效应的领域（Meadows，2009）。最后，我们评估了不同的干预情景，以识别在提高塑料制造的资源效率和循环性方面最具潜力的策略，提供实际见解，这些见解也可能适用于寻求通过预防、回收和再利用制造废料来最大化聚合物材料价值的其他制造公司和工业环境。

**章节摘要**

**智利塑料行业**

智利塑料行业在供应关键生产部门的材料方面发挥着战略作用，包括建筑、采矿、农业、包装和基础设施。与全球趋势类似，该行业主要以热塑性聚合物为基础，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚苯乙烯（PS），其中PE和PP由于其多功能性和耐用性，占据了塑料消费的最大份额。

**方法**

本节介绍了用于识别和分析影响塑料回收优化的关键运营和质量因素之间相互作用的混合方法参与式系统动力学建模过程。研究方法论包括若干步骤，如图1所示，包括通过结合文献综述和从业者知识的迭代过程来识别和定义CP系统中的关键因素。

**结果**

本节呈现了方法论中所述的数据收集和分析过程的结果。首先是对关键因素的识别和分类，随后是通过CP系统因素图对其两两交互作用进行描述，最后是CP系统模型的结构分析和QNM模拟的结果。

**讨论**

通过整合因素识别（RQ1）、CP系统映射（RQ2）和结构分析，本研究提供了对CP系统底层杠杆结构的全面理解。分析确定了影响所研究的智利制造工厂中循环塑料实施的关键杠杆点（RQ3），以及改进CP系统绩效潜力最大的干预情景（RQ4）。这些见解源于综合……

**结论**

本研究通过提供智利塑料行业中塑料回收的系统视角，为日益增长的循环制造文献做出了贡献。通过整合利益相关者知识、影响映射、结构分析和因果回路建模，本研究识别出回收厂基础设施、生产周期参数化以及维护不足是影响材料再利用的主要杠杆因素。结果表明，塑料……

**CRediT作者贡献声明**

Karina D. Véliz：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，监督指导，项目管理，调查研究，资金获取，概念构思。Jeffrey P. Walters：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，验证，监督指导，软件，方法论，调查研究，形式化分析。Richard Rojas：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，方法论，调查研究，数据管理。

**利益冲突声明**

作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。

**致谢**

我们衷心感谢18位慷慨奉献时间和专业知识的人士，他们帮助我们更好地理解塑料制造中循环经济（CE）绩效的相互关联和多维度驱动因素。如果没有他们宝贵的见解、经验和贡献，本研究将无法实现。他们愿意分享知识的意愿极大地丰富了我们的研究，并帮助塑造了本文呈现的研究成果。本研究获得了……

Karina D. Véliz | Jeffrey P. Walters | Richard Rojas