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典型雨水收集處理系統(tǒng)的生命周期評價

2020-08-26 04:18丁亞楠王建國湯露露
四川環(huán)境 2020年4期
關鍵詞:環(huán)境影響生命周期屋頂

丁亞楠, 王建國, 湯露露

(南京國環(huán)科技股份有限公司,南京 210000)

引 言

雨水的收集與利用現(xiàn)已成為水資源開發(fā)的一個主要研究方向。2014年國家住建部在頒布的《海綿城市建設技術指南—低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構建》中提出了圍繞低影響開發(fā)(LID)理念建設海綿城市的方針,讓城市具有雨洪調節(jié)能力[1]。LID起源于20世紀90年代末,由美國馬里蘭州首次實施,它是一種雨洪管理和面源污染的處理技術。它通過源頭分散的小型控制設施來維持和保護場地自然水文功能,并且能有效緩解由于不透水面積增加所造成的洪峰流量增加、徑流系數(shù)增大以及面源污染負荷加重等城市雨水管理問題[2]。LID主要通過生物滯留設施、屋頂綠化、植被淺溝和雨水利用等措施來維持開發(fā)前原有水文條件,同時達到控制徑流污染,減少污染排放,最終實現(xiàn)開發(fā)區(qū)域可持續(xù)水循環(huán)的目的[3]。常用的LID措施包括雨水花園、透水路面、屋頂綠化、生物滯留池、人工濕地和雨水收集池等[4]。雖然雨水通過LID措施后可作為非常規(guī)水資源大大緩解缺水壓力,但在工藝前期建造、中期運行以及后續(xù)拆除改造等過程中不可避免會產(chǎn)生如CO2、SO2、NOX等溫室氣體及固體廢棄物,造成后續(xù)一系列的環(huán)境污染問題。

生命周期評價(LCA)是一種用來評估產(chǎn)品或工藝從“搖籃到墳墓”全過程中所產(chǎn)生環(huán)境影響的手段,是從區(qū)域、國家乃至全球的廣度和可持續(xù)發(fā)展的高度來觀察問題的一種定量分析方法[5]。國外學者對雨水開發(fā)利用的研究起步較早,對雨水收集系統(tǒng)的研究主要從整個城市水循環(huán)的角度開展,并且將研究運用到城市、社區(qū)市政建設中。Bhatt.等人[6]利用生命周期評價透水路面和個人工雨水收集池,通過出水水質和容積體積來衡量四種低影響開發(fā)技術的環(huán)境效益。結果顯示,透水路面所產(chǎn)生的環(huán)境正效益比人工雨水收集池高出300%。Petit-Boix.等人[7]利用生命周期模型和水文模擬分別模擬了美國和西班牙城市社區(qū)的典型雨水收集系統(tǒng),并提出了城市水需求模式的新思路。Marinoski.等人[8]運用生命周期方法研究巴西獨棟居民采用混合雨水-灰水系統(tǒng)的低影響開發(fā)技術,比較了分散式混合雨水-灰水系統(tǒng)和傳統(tǒng)集中式水系統(tǒng)對環(huán)境的影響,得到在運作階段節(jié)省能源是減少影響的關鍵的結論。相比國外發(fā)達地區(qū)成熟的雨水收集利用技術,國內總體起步較晚。李軼等人[9]將多目標模型納入到了生命周期評價方法中,以24h系統(tǒng)收集量最大、雨水徑流流量控制率最大、經(jīng)濟成本最小和環(huán)境影響最小四個因素為目標,依托非優(yōu)勢排序遺傳算法,計算出適宜北京的雨水收集系統(tǒng)的最優(yōu)解。李伏貞等人[10]從實際工程角度出發(fā),采用層次分析法和生命周期評價的思想,對我國透水路面的技術(透水性、耐久性)-經(jīng)濟(一次性造價、運行維護費用)評價指標進行定量分析。

本文根據(jù)《海綿城市建設技術指南—低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構建》的要求,采用生命周期的思想對三種典型雨水收集處理系統(tǒng)(雨水花園、透水路面、綠色屋頂)的環(huán)境影響進行全面的評價,定量計算出雨水收集處理系統(tǒng)在建設、維護、報廢拆除各階段對環(huán)境產(chǎn)生的直接和間接影響。并結合各自的雨水收集效率,區(qū)分不同雨水收集系統(tǒng)在不同階段污染物的排放量,進一步比較各自的可持續(xù)性,從環(huán)境影響的角度為海綿城市建設中如何選擇合適的雨水收集系統(tǒng)提供參考。

1 研究方法

1.1 確定評價目標與范圍

本研究的目標范圍始于3種雨水收集系統(tǒng)的建設施工階段,經(jīng)過運行使用階段,截止到報廢拆階段。各階段的物質輸入輸出以及系統(tǒng)邊界如圖1所示。為了能夠橫向比選3種工藝,需要將前期收集的各輸入、輸出物質均換算為統(tǒng)一功能單位下的數(shù)據(jù)。目前國內外結合雨水收集系統(tǒng)普遍使用的功能單位為某種雨水收集系統(tǒng)服務的匯流面積、通過類比分析國內外雨水收集系統(tǒng)所設定的功能單位,并結合本研究所收集的清單數(shù)據(jù),確定匯流面積取1×104m2所收集的雨水量作為功能單位。其中建筑物占地約5×103m2,綠化面積3×103m2,鋪裝地面和道路面積約2×103m2。

圖1 雨水收集處理系統(tǒng)生命周期評價系統(tǒng)邊界Fig.1 Boundary of rainwater collection and treatment system

1.2 清單分析

清單分析是根據(jù)研究目標建立產(chǎn)品系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)的過程,是LCA的核心部分。首先收集3種雨水處理系統(tǒng)在3個研究階段內所對應的能量、物耗以及向環(huán)境所排放的污染物(如廢氣、廢水、固體廢物及其它環(huán)境釋放物)等數(shù)據(jù)。然后在所定義的功能單位下對原始數(shù)據(jù)進行量化,最終借助LCA軟件完成環(huán)境影響核算。國內外常用的LCA軟件主要有SimaPro、TEAM、GaBi等,本研究選擇GaBi 6.0軟件來構建LCA框架模型,通過軟件內置的Ecoinvent數(shù)據(jù)庫中與中國相對應的背景值計算最終的環(huán)境影響結果。由于目前國內對于雨水收集系統(tǒng)實際運用數(shù)據(jù)有限,且大部分沿用傳統(tǒng)設計方案,對于雨水收集系統(tǒng)工程實例數(shù)據(jù)較為缺乏,本研究的原始數(shù)據(jù)主要來源于雨水收集項目設計手冊及大量的文獻資料[11~24],參考文獻的年份跨度為2008~2019年。過程中存在數(shù)據(jù)假設如下:

(1)雨水收集處理系統(tǒng)在建成投入使用后,運行階段基本無外加能量消耗;

(2)與建設施工和報廢拆除階段的能耗相比,雨水收集利用系統(tǒng)在運行維護階段的能耗可忽略不計[25];

(3)污染物減排量根據(jù)進出水的污染物濃度以及雨水系統(tǒng)年收集的雨水量進行計算;

(4)3種雨水處理系統(tǒng)使用年限按30年計算[26];

(5)當雨水系統(tǒng)達到使用年限后,大多數(shù)工藝需要考慮拆除部分設施便于后續(xù)升級改造。拆除一般是指把原有雨水收集處理系統(tǒng)位于地下一米以上的部分全部拆除,所消耗的材料主要是大塊填充料和地表覆蓋物(再生纖維和礦棉等)。拆除階段的能量消耗按照建設施工階段能量消耗的90%來計算,若拆除廢料質量不明確時,廢料質量可以按照建設階段原材料質量的80%來計算[27]。

將所收集的所有數(shù)據(jù)換算成功能單位為匯流面積1×104m2所收集的雨水量下的物質能源消耗,具體見表1所示。

表1 3種工藝主要物質清單分析Tab.1 List of main material of three technologies

續(xù)表1

2 結果討論

2.1 雨水收集處理系統(tǒng)結果分析

基于清單分析得到詳細數(shù)據(jù),利用GaBi6.0對3種雨水收集處理系統(tǒng)進行影響評價。影響評價是對清單分析中所識別的環(huán)境負荷進行定性或定量的描述和評價,從而確定工藝系統(tǒng)的資源、能源消耗及其對環(huán)境的影響,主要由分類、特征化和量化3個步驟構成。本研究選取國外普遍采用的CML baseline2001評價方法中最具代表性的11個環(huán)境影響指標進行評價,分別為非生物資源耗竭(Abiotic Depletion,ADP)、酸化(Acidification Potential,AP)、富營養(yǎng)化(Eutrophication Potential,EP)、海洋生態(tài)毒性(Marine Aquatic Ecotoxicity,MAETP)、淡水水生生態(tài)毒性(Freshwater Aquatic Ecotoxicity,F(xiàn)AETP)、陸地生態(tài)毒性(Terrestric Ecotoxicity Potential,TETP)、人體毒性(Human Toxicity Potential,HTP)、全球變暖(Global Warming Potential,GWP)、臭氧層損耗(Ozone Layer Depletion Potential,ODP)、光化學氧化(Photochem Ozone Creation Potential,POCP)[28]。3種雨水收集處理系統(tǒng)特征化及歸一化結果如表2所示。

表2 3種雨水收集處理系統(tǒng)特征化與歸一化結果Tab.2 Characteristic and standardized values of three rainwater collection and treatment systems

2.1.1 特征化結果

值得關注的是,雨水花園通過一段時間的運行后對降雨徑流中的N、P等營養(yǎng)物質的去除能力高于另兩種系統(tǒng),表現(xiàn)在所產(chǎn)生的富營養(yǎng)化潛勢影響更小,原因主要在于雨水花園更好地利用了過濾和生物凈化作用,從而使營養(yǎng)物質去除效果更佳。從總體上看,透水路面在所選取的11個環(huán)境指標上的表現(xiàn)均劣于雨水花園以及綠色屋頂,透水路面全生命過程中所消耗能量分別是雨水花園和綠色屋頂?shù)?倍和468倍,具有較高的環(huán)境負荷。造成其高環(huán)境負荷的關鍵因子主要來自于建設施工階段中各種機械設備消耗的煤、油以及電力。不難發(fā)現(xiàn),3種雨水收集系統(tǒng)所產(chǎn)生主要環(huán)境影響主要集中在化石類的非生物資源消耗、溫室效應以及海洋毒性3方面。這是由于雨水收集系統(tǒng)在各階段都會產(chǎn)生一定量的溫室氣體如CO2、CH4等,對于雨水中的重金屬離子的去除率普遍較低,進而造成重金屬離子的富集,導致毒性指標的升高。

2.1.2 歸一化結果

所謂的歸一化是將特征化得到的各個環(huán)境影響指標數(shù)值除以歸一化因子后統(tǒng)一轉換為相同指標下的值,使得各類環(huán)境影響評價指標之間具有可比性[28],本研究采用的標準化因子為CML2001的世界年人均值(CML2001-Nov.09)。結果顯示雨水收集處理系統(tǒng)對ADP fossil、MAETP、GWP、HTP以及AP 5個環(huán)境指標貢獻較高,其中ADP fossil相較于其余環(huán)境指標占有絕對大的比重。透水路面的ADP fossil是雨水花園的22萬倍,主要原因為在于建造所用的瀝青以及壓實路面過程中壓路機等機械設備使用,造成大量的化石能源消耗,和更多溫室氣體、氮氧化物的排放,進而直接導致AP、GWP、POCP指標值的升高。從原油中提煉得到的聚乙烯、聚丙烯也造成綠色屋頂ADP fossil較高原因。相較于以上兩種工藝,雨水花園在運行過程中不涉及能源的消耗,所用原材料更為環(huán)保,進而直接體現(xiàn)在各種環(huán)境指標上的更優(yōu)化。

2.2 不同階段下生命周期評價結果分析

3種雨水收集系統(tǒng)在建造階段排放量最大的污染物均為CO2,見表1。透水路面在建造施工階段使用的大量透水材料如瀝青、粗砂等,導致后續(xù)固體廢棄物填埋量的增加。3種系統(tǒng)在運行維護階段都表現(xiàn)出對污染物良好的減排效益,減排量依次為COD、TN和TP。報廢拆除階段排放量最大的污染物仍為CO2,其中綠色屋頂排放的CO2量僅為雨水花園和透水路面的26.7%和9.8%。整體上看,綠色屋頂污染物的排放小于另外兩種收集系統(tǒng)。

為了進一步分析各階段污染物排放情況,將雨水花園和透水路面污染物總排放量與綠色屋頂污染物總排放量作比,見圖2。綠色屋頂在全生命周期當中污染物的排放最少,尤其是煙塵與固體廢棄物兩種污染物,主要原因在于其原材料更加簡單環(huán)保。而透水路面由于所使用的原材料瀝青在生產(chǎn)過程中需要經(jīng)過高溫提煉,造成了SO2、CO和煙塵的大量排放,而雨水花園的污染物排放量則介于綠色屋頂和透水路面之間。

圖2 雨水花園、透水路面污染物總排放量與綠色屋頂污染物總排放量的比值Fig.2 Ratio of pollutant emissions from rain garden, water permeable pavement and green roof

3 結 論

綜上所述,綠色屋頂產(chǎn)生的污染物排放最小,進一步提升可持續(xù)性的關鍵在于延長綠色屋頂?shù)氖褂脡勖?。雨水花園綜合環(huán)境影響最低,水體污染物減排效應最為顯著。透水路面對環(huán)境造成的影響較大,需要對路面材料進行改進。雨水收集系統(tǒng)在前端使用瀝青等原材料,這些原材料在生產(chǎn)過程中會造成溫室氣體、CO、SO2等污染物的大量排放,因此在前期設計時需從建造工藝在過程中的產(chǎn)污角度出發(fā),通過更換環(huán)保材料、改進工藝使得化石能源的消耗進一步減少,進一步控制污染物的排放,保證雨水收集系統(tǒng)對環(huán)境所造成負面影響達最小。本文主從生命周期角度出發(fā),對3種雨水收集系統(tǒng)在整個建造、運行、報廢過程中的環(huán)境影響進行了全面的分析,但分析數(shù)據(jù)來源為文獻調研,后續(xù)研究建議在充分調研當下3種雨水收集系統(tǒng)具體數(shù)據(jù)基礎上進行平行論證分析。此外,針對于雨水收集系統(tǒng)在海綿城市建設中對降雨的調蓄、徑流總量削減起到的重要作用,未來研究可以從城市雨洪管理角度出發(fā),將暴雨管理模型與生命周期評價相結合,在環(huán)境影響最小的情況下,針對降雨量不同的城市選擇最合適的城市的雨水收集系統(tǒng)組合,對未來“海綿城市”建設有著重要的意義。

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