PVC給水與污水管道的生命周期評價(jià)及
不同管道材料相對可持續性分析
美國Uni-Bell PVC管道協(xié)會(huì ) Bruce Hollands
摘要：2017“PVC給水與污水管道的生命周期評價(jià)及不同管道材料相對可持續性分析”是首次依據100年生命周期的評價(jià)方法，對北美地下管道系統進(jìn)行全面的環(huán)境影響性評估。本文是根據生命周期評價(jià)（LCA）標準進(jìn)行的PVC管道研究。PVC管道LCA要符合相關(guān)要求，如生命周期評價(jià)標準（ISO 14040系列標準），環(huán)保產(chǎn)品聲明（EPD，ISO 14025標準），NSF獨立認證（滿(mǎn)足“PVC管材和管件可以耐常規給水和污水系統中的化學(xué)物質(zhì)，防止滲出或釋放到土壤和地表水中，PVC管道沒(méi)有任何已知的化學(xué)物質(zhì)從管材析出到給水系統中，產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中也不會(huì )產(chǎn)生已知的毒性影響”的要求）。此外，還要接受生命周期評價(jià)和輸配水系統國際專(zhuān)家小組的嚴格評估。PVC管道行業(yè)LCA分析及其他生命周期分析方法得到的結果顯示，PVC管道具有環(huán)境和經(jīng)濟雙重優(yōu)勢，可以滿(mǎn)足公共事業(yè)和市政水利基礎設施應用需求。LCA和本文研究結果表明，從生命周期和碳排放量角度來(lái)說(shuō)，PVC管道與其他材料管道相比，對環(huán)境影響更低，如材料自身能耗低、使用階段能耗更低、使用壽命更長(cháng)。對于工程師和市政決策者來(lái)說(shuō)，了解管道材料整個(gè)生命周期特性，利用最新、最全的數據評估生命周期內塑料管道對社區環(huán)境影響很重要。目前地下管道材料腐蝕和水質(zhì)問(wèn)題嚴重，本文將研究結果呈現給公眾和水行業(yè)，旨在強調當前國家基礎設施所面臨的重大問(wèn)題。
1 目的
本文全面介紹了PVC管道LCA評估數據，目的是將PVC管道LCA評估結果毫無(wú)保留地介紹給輸水、配水、生活污水和雨水排放行業(yè)。LCA和EPD支持2010年美國環(huán)境保護署（USEPA）清潔水和飲用水安全基礎設施可持續性政策，及2015年美國環(huán)境保護署關(guān)于氣候變化的國家水項目，以確保水資源基礎設施使用的長(cháng)期可持續性。本文基于可選管道產(chǎn)品的公開(kāi)可用信息，對可選管道進(jìn)行對比評估。
PVC管道LCA研究由可持續解決方案公司（SSC）牽頭，該公司是公認的環(huán)境影響和生命周期評價(jià)方面的專(zhuān)家。為了確保透明度，Uni-Bell PVC管道協(xié)會(huì )委托SSC對通用的水輸送和分配、污水和雨水收集用PVC管道進(jìn)行獨立的LCA評價(jià)。北美PVC管道LCA評價(jià)的完成和PVC管道EPD的發(fā)布，使得PVC管道生命周期影響和效益得以完全公開(kāi)。
LCA和EDP支持USEPA關(guān)于飲用水安全和氣候變化目標以實(shí)現給水系統長(cháng)期可持續性。數據來(lái)源于7家生產(chǎn)企業(yè)和21個(gè)生產(chǎn)車(chē)間，代表了美國和加拿大70%的管道制造能力。生命周期系統方法不僅關(guān)注管道材料、設計、安裝和可持續運行100年，還包括考察材料、生產(chǎn)、安裝、使用和壽命結束，探索設計、施工和可持續性等方面因素，解決耐久性、腐蝕、能源使用和其他問(wèn)題，分析各種因素對建筑應用、規范和標準的影響。從LCA/EPD結果和生命周期成本來(lái)看，PVC管道在水利公共基礎設施建設方面具有顯著(zhù)優(yōu)勢。
猶他州立大學(xué)的一份研究表明，鑄鐵管因腐蝕而失效是很普遍的問(wèn)題，75%的公共設施會(huì )受到腐蝕性土壤的侵蝕。根據2011年AWWA水調查基金會(huì )（WRF）的一份研究表明，最薄的DI管（代表有延展性的球墨鑄鐵管）在中等腐蝕性土壤中的預計使用壽命為11-14年。為了減少腐蝕，DI管至少要在內層附上水泥內襯和在外層覆蓋聚乙烯包覆層（包含抗菌劑和揮發(fā)性腐蝕抑制劑）。但這樣就增加了資源消耗、自身能耗和碳排放量。評估管道的可持續性時(shí)，必須了解和評估管道系統中所有材料的生命周期影響。
選擇管材時(shí)，考慮材料的本身腐蝕很重要。鐵質(zhì)管道在使用壽命范圍內，內部腐蝕的累積導致內表面粗糙，從而不斷增加輸水能源成本。PVC管道內表面光滑，輸水能耗穩定。因此，PVC管道在總體使用生命周期內更節約成本，且碳排放量更低。
在地震事件中，柔性管道（如PVC管）的失效率比剛性材料管道低。PVC管道能破碎和重復使用7-8次，提高使用壽命，降低環(huán)境影響。PVC管道工廠(chǎng)分布遍及北美，運輸距離短、自重輕，碳排放量比金屬管和混凝土管更低，在降低運輸成本的同時(shí)，滿(mǎn)足了各地管道的替換和應用。
2 功能單元的100年壽命
“PVC給水與污水管道的生命周期評價(jià)及不同管道材料可持續性對比分析”研究，聚焦于給水及污水基礎設施用PVC管道的環(huán)境影響、效益及可持續性的全面評估。為了量化PVC管道的環(huán)境影響，采用LCA方法對PVC管道生命周期各個(gè)階段的環(huán)境影響進(jìn)行了透徹地分析。根據目前整個(gè)水利系統的環(huán)保要求，本文綜合分析了PVC管道的環(huán)境影響，論證了PVC管道在給水和污水系統中對環(huán)境的重要貢獻。最近，許多行業(yè)研究證實(shí)了PVC管道壽命可超過(guò)100年。實(shí)際上，供水和污水行業(yè)也長(cháng)期致力于將地下管道系統的壽命基準提升至100年，因此結合兩者，LCA使用100英尺長(cháng)管道作為功能單元，壽命為100年。
另外，“PVC給水與污水管道的生命周期評價(jià)及不同管道材料相對可持續性分析”研究也非常注重PVC管道系統從“搖籃到墳墓”的整個(gè)生命周期過(guò)程。根據可選管道產(chǎn)品已知的公開(kāi)數據，整個(gè)研究涵蓋了這些產(chǎn)品的生命周期信息及其相關(guān)的對比評估。由于不同材料性能的差異性，因此對比它們對環(huán)境和能耗的影響以及效益比較復雜，且具有挑戰性。
由于過(guò)去只能安裝厚壁灰色鑄鐵管，所以并未考慮其環(huán)境影響。如今該管道已停產(chǎn)，因此需要輔助材料才能延長(cháng)其使用壽命。如果更換這些管道，要著(zhù)重考慮所選材料及其環(huán)境影響和生命周期成本。因缺乏其他管道材料公開(kāi)、準確的信息，限制了用戶(hù)對管道產(chǎn)品的選擇。例如，PVC管道壽命長(cháng)、耐腐蝕，無(wú)需添加其它材料來(lái)減少腐蝕及延長(cháng)使用壽命，而球墨鑄鐵管為了達到50年的使用壽命，需要附加如水泥內襯和外涂層等材料來(lái)抵御腐蝕，而這些附加材料同樣也會(huì )增加對環(huán)境的影響。
“生命周期成本和資產(chǎn)管理更換計劃”的整體概念與目的是在保持正常使用水平的情況下將生命周期成本降至最低。核算生命周期成本時(shí)，首先要考慮管道系統材料成本和材料預期壽命內腐蝕的影響。與PVC及其他管道材料相比，球墨鑄鐵管不僅初始成本高，而且腐蝕和內部水泥內襯的分解引起的管道使用性能下降，使其運行成本、維修成本和輸送成本相對更高，更換更頻繁。
PVC管道的環(huán)保聲明和北美PVC管道行業(yè)的LCA研究完全公開(kāi)提供了PVC管道的生命周期影響和效益。PVC管道完全按照ASTM、AWWA、AASHTO、CSA和 NSF國際標準和認證生產(chǎn)、安裝，確保產(chǎn)品達到質(zhì)量和安全性的最高標準。
3 生命周期評價(jià)內容
生命周期評價(jià)內容包括：
? 采用符合國際標準化組織ISO 14040系列標準的生命周期評價(jià)方法量化環(huán)境影響結果；
? PVC管道生命周期每個(gè)階段的相關(guān)影響研究；
? 評估使用現代技術(shù)生產(chǎn)的PVC管道產(chǎn)品的LCA；
? 管道使用階段特性和性能研究；
? 安裝方法研究；
? PVC回用料含量研究；
? 替換管道材料有效的環(huán)境影響數據研究，以充分了解管道系統的可持續性。
4 PVC管道LCA ISO標準方法的重要內容
根據國際標準化組織生命周期評估ISO 14040系列標準建立的生命周期清單（LCI）和生命周期影響評估(LCIA)標準，北美PVC管道行業(yè)LCA研究的重要內容包括：
? 環(huán)保產(chǎn)品聲明（EPD）中公開(kāi)發(fā)表的LCA研究結果，符合ISO 14025標準，并經(jīng)NSF組織根據“北美污水和雨水（重力）用管道系統產(chǎn)品分類(lèi)規則”的附錄進(jìn)行獨立驗證；
? 由獨立的行業(yè)和LCA專(zhuān)家組進(jìn)行評估，確定本研究符合國際LCA標準；
? LCA和EPD提供PVC管道整個(gè)生命周期的綜合環(huán)境影響；
? 出版的EPD補充了現有試驗及PVC管道的NSF認證，證實(shí)PVC管道對飲用水無(wú)毒，對健康無(wú)不利影響。
5 PVC管道可持續性和環(huán)境效益的重要發(fā)現
原材料是評估管道可持續性的首要考慮因素，包括如下：
5.1 PVC管道不能含有及析出鉛或其他有毒物質(zhì)
? 從1955年首次使用開(kāi)始到20世紀60年代的廣泛應用，PVC管道行業(yè)在提升性能的同時(shí)一直在開(kāi)發(fā)新的、更安全的材料。
? PVC管道不含DEHP或其他鄰苯二甲酸酯類(lèi)等增塑劑。
? PVC管道不含鉛。
? 球墨鑄鐵管生產(chǎn)會(huì )排放大量有毒物質(zhì)，如鉛、汞、錳、鋅、鉻化合物、三甲胺、二甲苯、甲醇和苯酚，被腐蝕的鐵管會(huì )破壞水質(zhì)。
? 鐵制飲水管中的細菌和菌膜是引發(fā)水傳播疾病的常見(jiàn)原因，同時(shí)也會(huì )腐蝕鐵管和水泥管。PVC管道不被細菌和菌膜腐蝕，也不會(huì )滋生細菌。
5.2 PVC高效回收利用
PVC產(chǎn)品通常是可回收的，尤其是應用于可回收基礎設施領(lǐng)域內，可完全回收。有研究表明：
? PVC管道可回收再生產(chǎn)高達8次，且機械性能沒(méi)有明顯降低。
? 如果管道中加入50%-60%的再生PVC，在管道生命周期中原材料的成本可降低50%。管道生命周期內回用料對環(huán)境影響微乎其微。環(huán)保建筑周刊（Environmental Building News）的一篇文章提到，根據綠色規范要求，鑄鐵管因其材料自身內耗高、污染嚴重而被更綠色環(huán)保的PVC排水管替代。
? 水泥行業(yè)是世界上第三大溫室氣體排放行業(yè)，水泥廠(chǎng)的二氧化碳排放超過(guò)全球總量的5%。生產(chǎn)混凝土管道所產(chǎn)生的溫室氣體排放量高于PVC管道，因此選擇管道材料要全面評估整個(gè)周期內的所有環(huán)節。
? PVC是惰性材料，不易分解，所以即便是管道到了使用壽命而被遺棄，對環(huán)境的影響也是非常小的。不過(guò)PVC管道是可完全回收的，所以使用壽命到了以后還可以挖掘出來(lái)回收，通過(guò)加工摻入到各種新的乙烯基產(chǎn)品中，包括壁板、窗、蓋板等其他產(chǎn)品，如此也降低了新產(chǎn)品生產(chǎn)對環(huán)境的影響。
5.3 PVC管道耐腐蝕、表面光滑，可長(cháng)期節省能源
? 管道使用過(guò)程中，壓力管道系統的輸水能耗是影響環(huán)境的一個(gè)重要的潛在因素，PVC管道內壁光滑有助于將這種環(huán)境影響最小化。另外，PVC具有耐腐蝕性，所以在整個(gè)管道系統設計使用壽命范圍內，相比有腐蝕傾向的管道材料，使用PVC管道減少了水泵的能源消耗且節約了運營(yíng)成本。
? 越來(lái)越多的公共事業(yè)單位和地方政府將溫室氣體減排目標作為長(cháng)期戰略的一部分。市政水處理和輸送系統需要大量能源用于水輸送，其中飲用水輸送和污水處理單位的能源消耗占到了市政能源消耗的30%-40%。因此，未來(lái)的管道系統應選擇一種自身環(huán)境影響低、管壁持續光滑管道，有助于公共事業(yè)單位和地方政府的能源消耗最小化（同樣可減少溫室氣體排放）。
? LCA對不同材料管道的使用壽命進(jìn)行了廣泛研究。根據報告、研究和發(fā)表的文獻，球墨鑄鐵管應選擇50年作為設計使用壽命。以前曾選擇100年，但這樣材料自身的能耗會(huì )更高，因為在這100年內至少需要替換一次管道，如果不替換，在后50年里，管道內層摩阻增加，供水壓力降低，摩擦力增加，將導致輸水成本增大；另一方面，50年更換的管道摩阻系數明顯小于100年的管道。如24英寸的鑄鐵管，50年換一次，能源消耗為144100MJ/100’/100年，100年更換一次（雖然在大多數情況下不現實(shí)），能源消耗為162300MJ/100’/100年（參見(jiàn)圖1、圖2）。
? 輸送量損失和輸送成本高不是因為鐵管與PVC管內徑不同，更多的是因為鐵管腐蝕、泄漏和結垢會(huì )導致管道不圓度增加和供水壓力下降。
? 現有公開(kāi)可用LCA文獻表明，與其他材料管道相比，PVC管道可以降低材料自身和使用階段的影響。
5.4 重力流輸水的PVC管道水力效率更高
? 與其他管道相比較，在相同的斜度下，重力流管道PVC材料具有更大的水力優(yōu)勢。換而言之，PVC管道鋪設坡度小于其他材料管道，仍能達到最低速度要求。由于其更好的水力效率，較小口徑的PVC管道可以取代其他材料稍大口徑的管道，具有相同或者更大的流通能力（參見(jiàn)圖3、圖4）。
5.5 PVC管道的認證和ISO標準
? LCA能更加綜合、公開(kāi)地分析產(chǎn)品整個(gè)壽命過(guò)程的環(huán)境影響，是一個(gè)比單一屬性要求（像回收成分含量）更好的環(huán)保性能指標。有些材料，例如金屬，回收時(shí)耗能大，且與原生金屬加工相比，再加工過(guò)程會(huì )釋放額外的有毒氣體。今后，致力于降低環(huán)境影響的采購方和水利系統設計者都會(huì )將驗證過(guò)的LCA結果和EPD認證作為環(huán)保性能的真實(shí)基準。
? 球墨鑄鐵管的SMaRT認證并不符合相關(guān)的ISO環(huán)境認證標準的公開(kāi)性要求。產(chǎn)品的環(huán)保信息沒(méi)有披露、認證沒(méi)有可比性、生命周期影響數據沒(méi)有提供，根據14025標準，SMaRT認證不適用于所有材料的管道。
? 球墨鑄鐵管道SMaRT認證缺乏公開(kāi)性，阻礙了消費者充分了解其產(chǎn)品可持續性的要求。未經(jīng)驗證就被推廣成“綠色”產(chǎn)品的行為，其實(shí)是一種“粉飾”。
5.6 PVC管道切實(shí)的環(huán)境效益
? 為了設計管道產(chǎn)品的生命周期而進(jìn)行可持續性評估時(shí)，評估管道系統中所有材料對生命周期的影響很重要。
? 腐蝕會(huì )導致管道內徑隨時(shí)間的增加而縮小，并影響管道的Hazen-William摩阻系數，而PVC管道不需要附加材料來(lái)解決耐腐蝕問(wèn)題。
? 球墨鑄鐵管需要添加其他材料減少內部和外部腐蝕，比如內部的水泥內襯和外部的聚乙烯保護層，不過(guò)NSF只認可水泥砂漿內襯。水泥內襯會(huì )因為偏轉和敲擊等行為腐蝕或脫落，并逐漸磨損殆盡，此時(shí)管道內的水將直接與沒(méi)有通過(guò)NSF安全認證的內壁接觸。陰極保護系統也是防止鑄鐵和球墨鑄鐵管腐蝕的方法，但使用不當會(huì )引起鑄鐵管的腐蝕。從另一個(gè)層面來(lái)講，和塑料管道相比，使用其他材料增加了產(chǎn)品的資源消耗、材料自身能耗和碳排放量。
? 鑄鐵、混凝土、陶土和玻璃纖維這些材料會(huì )遇到各種各樣的失效形式，比如腐蝕、脆性、系統連接性差和應變蠕變，使得這些材質(zhì)的管道預期壽命只有50年甚至更短，而PVC重力流管道不會(huì )被生活污水和氣體腐蝕，預期壽命達100-300年。因此，PVC管道不需要頻繁更換，可以使用超過(guò)100年，減少了這100年生命周期內的材料自身能耗、潛在的溫室效應和溫室氣體排放（參見(jiàn)圖5、圖6）。
5.7 PVC管道制造工藝清潔高效
PVC管道制造效率高，水和能源消耗少。廢料和回用料（再研磨）能立即直接用于再加工，幾乎沒(méi)有產(chǎn)生廢料。
? PVC管道擠出生產(chǎn)能耗較少，所以生產(chǎn)過(guò)程對產(chǎn)品的整個(gè)周期影響很??；
? 循環(huán)水節水技術(shù)的應用證明PVC行業(yè)持續改進(jìn)和提高效率的承諾。
鑄鐵廠(chǎng)能耗相對高，球墨鑄鐵管生產(chǎn)主要使用的材料是廢金屬、合金材料、沙和粘接金屬。
5.8 PVC管道碳排放量更低
將管道從生產(chǎn)地運輸到安裝地需要消耗能源，為滿(mǎn)足管道的替換和開(kāi)發(fā)的需求，美國和加拿大在全國各地都有PVC管道工廠(chǎng)，這樣既減少了運輸的影響又縮短了生產(chǎn)地和安裝地的距離。因此，由于運輸距離短和本身質(zhì)輕（每英尺是球墨鑄鐵管的1/4），每安裝一英尺的PVC管道，運輸產(chǎn)生的碳排放量比金屬管和混凝土管更低。
5.9 PVC管道成本低、安裝影響低
? PVC管道質(zhì)輕耐用，而安裝管道的設備負載更低、所需人員更少，因此減少了安裝的成本，同時(shí)減少了溫室氣體的排放和對環(huán)境的其他影響。
? 安裝給水和污水管道通常要用到施工裝備。相比PVC管道，安裝重量更大的球墨鑄鐵管和混凝土管需要更重的設備和更多的人員，安裝的時(shí)間更長(cháng)，產(chǎn)生的環(huán)境影響更大。實(shí)地研究發(fā)現，PVC管道的安裝時(shí)間比同尺寸的混凝土管道減少30%。
5.10 PVC管道的操作、維修和節能
? 配水系統需要較大容量的水泵輸水。在整個(gè)使用生命周期內，PVC管道輸送水所需的能量保持不變，而金屬管道內表面會(huì )因為腐蝕、泄漏和內部分解而逐漸粗糙，所需泵能相應變得更高。因此，相比起來(lái)，PVC管道在整個(gè)使用生命周期內都在節約成本和降低碳排放量（參見(jiàn)圖7）。
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