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PVC给水与污水管道的生命周期评价及 不同管道材料相对可持续性分析

文章出处:PE管、PE管材厂家山东武峰科润塑胶有限公司 发表时间:2019-08-12
2017“PVC给水与污水管道的生命周期评价及不同管道材料相对可持续性分析”是首次依据100年生命周期的评价方法,对北美地下管道系统进行全面的环境影响性评估。本文是根据生命周期评价(LCA)标准进行的PVC管道研究。PVC管道LCA要符合相关要求,如生命周期评价标准(ISO 14040系列标准),环保产品声明(EPD,ISO 14025标准),NSF独立认证(满足“PVC管材和管件可以耐常规给水和污水系统中的化学物质,防止渗出或释放到土壤和地表水中,PVC管道没有任何已知的化学物质从管材析出到给水系统中,产品生产过程中也不会产生已知的毒性影响”的要求)。此外,还要接受生命周期评价和输配水系统国际专家小组的严格评估。PVC管道行业LCA分析及其他生命周期分析方法得到的结果显示,PVC管道具有环境和经济双重优势,可以满足公共事业和市政水利基础设施应用需求。LCA和本文研究结果表明,从生命周期和碳排放量角度来说,PVC管道与其他材料管道相比,对环境影响更低,如材料自身能耗低、使用阶段能耗更低、使用寿命更长。对于工程师和市政决策者来说,了解管道材料整个生命周期特性,利用最新、最全的数据评估生命周期内塑料管道对社区环境影响很重要。目前地下管道材料腐蚀和水质问题严重,本文将研究结果呈现给公众和水行业,旨在强调当前国家基础设施所面临的重大问题。
 
 
1 目的
 
本文全面介绍了PVC管道LCA评估数据,目的是将PVC管道LCA评估结果毫无保留地介绍给输水、配水、生活污水和雨水排放行业。LCA和EPD支持2010年美国环境保护署(USEPA)清洁水和饮用水安全基础设施可持续性政策,及2015年美国环境保护署关于气候变化的国家水项目,以确保水资源基础设施使用的长期可持续性。本文基于可选管道产品的公开可用信息,对可选管道进行对比评估。
 
PVC管道LCA研究由可持续解决方案公司(SSC)牵头,该公司是公认的环境影响和生命周期评价方面的专家。为了确保透明度,Uni-Bell PVC管道协会委托SSC对通用的水输送和分配、污水和雨水收集用PVC管道进行独立的LCA评价。北美PVC管道LCA评价的完成和PVC管道EPD的发布,使得PVC管道生命周期影响和效益得以完全公开。
 
LCA和EDP支持USEPA关于饮用水安全和气候变化目标以实现给水系统长期可持续性。数据来源于7家生产企业和21个生产车间,代表了美国和加拿大70%的管道制造能力。生命周期系统方法不仅关注管道材料、设计、安装和可持续运行100年,还包括考察材料、生产、安装、使用和寿命结束,探索设计、施工和可持续性等方面因素,解决耐久性、腐蚀、能源使用和其他问题,分析各种因素对建筑应用、规范和标准的影响。从LCA/EPD结果和生命周期成本来看,PVC管道在水利公共基础设施建设方面具有显著优势。
 
犹他州立大学的一份研究表明,铸铁管因腐蚀而失效是很普遍的问题,75%的公共设施会受到腐蚀性土壤的侵蚀。根据2011年AWWA水调查基金会(WRF)的一份研究表明,最薄的DI管(代表有延展性的球墨铸铁管)在中等腐蚀性土壤中的预计使用寿命为11-14年。为了减少腐蚀,DI管至少要在内层附上水泥内衬和在外层覆盖聚乙烯包覆层(包含抗菌剂和挥发性腐蚀抑制剂)。但这样就增加了资源消耗、自身能耗和碳排放量。评估管道的可持续性时,必须了解和评估管道系统中所有材料的生命周期影响。
 
选择管材时,考虑材料的本身腐蚀很重要。铁质管道在使用寿命范围内,内部腐蚀的累积导致内表面粗糙,从而不断增加输水能源成本。PVC管道内表面光滑,输水能耗稳定。因此,PVC管道在总体使用生命周期内更节约成本,且碳排放量更低。
 
在地震事件中,柔性管道(如PVC管)的失效率比刚性材料管道低。PVC管道能破碎和重复使用7-8次,提高使用寿命,降低环境影响。PVC管道工厂分布遍及北美,运输距离短、自重轻,碳排放量比金属管和混凝土管更低,在降低运输成本的同时,满足了各地管道的替换和应用。
 
 
2 功能单元的100年寿命
 
“PVC给水与污水管道的生命周期评价及不同管道材料可持续性对比分析”研究,聚焦于给水及污水基础设施用PVC管道的环境影响、效益及可持续性的全面评估。为了量化PVC管道的环境影响,采用LCA方法对PVC管道生命周期各个阶段的环境影响进行了透彻地分析。根据目前整个水利系统的环保要求,本文综合分析了PVC管道的环境影响,论证了PVC管道在给水和污水系统中对环境的重要贡献。最近,许多行业研究证实了PVC管道寿命可超过100年。实际上,供水和污水行业也长期致力于将地下管道系统的寿命基准提升至100年,因此结合两者,LCA使用100英尺长管道作为功能单元,寿命为100年。
 
另外,“PVC给水与污水管道的生命周期评价及不同管道材料相对可持续性分析”研究也非常注重PVC管道系统从“摇篮到坟墓”的整个生命周期过程。根据可选管道产品已知的公开数据,整个研究涵盖了这些产品的生命周期信息及其相关的对比评估。由于不同材料性能的差异性,因此对比它们对环境和能耗的影响以及效益比较复杂,且具有挑战性。
 
由于过去只能安装厚壁灰色铸铁管,所以并未考虑其环境影响。如今该管道已停产,因此需要辅助材料才能延长其使用寿命。如果更换这些管道,要着重考虑所选材料及其环境影响和生命周期成本。因缺乏其他管道材料公开、准确的信息,限制了用户对管道产品的选择。例如,PVC管道寿命长、耐腐蚀,无需添加其它材料来减少腐蚀及延长使用寿命,而球墨铸铁管为了达到50年的使用寿命,需要附加如水泥内衬和外涂层等材料来抵御腐蚀,而这些附加材料同样也会增加对环境的影响。
 
“生命周期成本和资产管理更换计划”的整体概念与目的是在保持正常使用水平的情况下将生命周期成本降至最低。核算生命周期成本时,首先要考虑管道系统材料成本和材料预期寿命内腐蚀的影响。与PVC及其他管道材料相比,球墨铸铁管不仅初始成本高,而且腐蚀和内部水泥内衬的分解引起的管道使用性能下降,使其运行成本、维修成本和输送成本相对更高,更换更频繁。
 
PVC管道的环保声明和北美PVC管道行业的LCA研究完全公开提供了PVC管道的生命周期影响和效益。PVC管道完全按照ASTM、AWWA、AASHTO、CSA和 NSF国际标准和认证生产、安装,确保产品达到质量和安全性的最高标准。
 
 
3 生命周期评价内容
 
生命周期评价内容包括:
 
• 采用符合国际标准化组织ISO 14040系列标准的生命周期评价方法量化环境影响结果;
 
• PVC管道生命周期每个阶段的相关影响研究;
 
• 评估使用现代技术生产的PVC管道产品的LCA;
 
• 管道使用阶段特性和性能研究;
 
• 安装方法研究;
 
• PVC回用料含量研究;
 
• 替换管道材料有效的环境影响数据研究,以充分了解管道系统的可持续性。
 
4 PVC管道LCA ISO标准方法的重要内容
 
根据国际标准化组织生命周期评估ISO 14040系列标准建立的生命周期清单(LCI)和生命周期影响评估(LCIA)标准,北美PVC管道行业LCA研究的重要内容包括:
 
• 环保产品声明(EPD)中公开发表的LCA研究结果,符合ISO 14025标准,并经NSF组织根据“北美污水和雨水(重力)用管道系统产品分类规则”的附录进行独立验证;
 
• 由独立的行业和LCA专家组进行评估,确定本研究符合国际LCA标准;
 
• LCA和EPD提供PVC管道整个生命周期的综合环境影响;
 
• 出版的EPD补充了现有试验及PVC管道的NSF认证,证实PVC管道对饮用水无毒,对健康无不利影响。
 
 
5 PVC管道可持续性和环境效益的重要发现
 
原材料是评估管道可持续性的首要考虑因素,包括如下:
 
5.1 PVC管道不能含有及析出铅或其他有毒物质
 
• 从1955年首次使用开始到20世纪60年代的广泛应用,PVC管道行业在提升性能的同时一直在开发新的、更安全的材料。
 
• PVC管道不含DEHP或其他邻苯二甲酸酯类等增塑剂。
 
• PVC管道不含铅。
 
• 球墨铸铁管生产会排放大量有毒物质,如铅、汞、锰、锌、铬化合物、三甲胺、二甲苯、甲醇和苯酚,被腐蚀的铁管会破坏水质。
 
• 铁制饮水管中的细菌和菌膜是引发水传播疾病的常见原因,同时也会腐蚀铁管和水泥管。PVC管道不被细菌和菌膜腐蚀,也不会滋生细菌。
 
5.2 PVC高效回收利用
 
PVC产品通常是可回收的,尤其是应用于可回收基础设施领域内,可完全回收。有研究表明:
 
• PVC管道可回收再生产高达8次,且机械性能没有明显降低。
 
• 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%。管道生命周期内回用料对环境影响微乎其微。环保建筑周刊(Environmental Building News)的一篇文章提到,根据绿色规范要求,铸铁管因其材料自身内耗高、污染严重而被更绿色环保的PVC排水管替代。
 
• 水泥行业是世界上第三大温室气体排放行业,水泥厂的二氧化碳排放超过全球总量的5%。生产混凝土管道所产生的温室气体排放量高于PVC管道,因此选择管道材料要全面评估整个周期内的所有环节。
 
• PVC是惰性材料,不易分解,所以即便是管道到了使用寿命而被遗弃,对环境的影响也是非常小的。不过PVC管道是可完全回收的,所以使用寿命到了以后还可以挖掘出来回收,通过加工掺入到各种新的乙烯基产品中,包括壁板、窗、盖板等其他产品,如此也降低了新产品生产对环境的影响。
 
5.3 PVC管道耐腐蚀、表面光滑,可长期节省能源
 
• 管道使用过程中,压力管道系统的输水能耗是影响环境的一个重要的潜在因素,PVC管道内壁光滑有助于将这种环境影响最小化。另外,PVC具有耐腐蚀性,所以在整个管道系统设计使用寿命范围内,相比有腐蚀倾向的管道材料,使用PVC管道减少了水泵的能源消耗且节约了运营成本。
 
• 越来越多的公共事业单位和地方政府将温室气体减排目标作为长期战略的一部分。市政水处理和输送系统需要大量能源用于水输送,其中饮用水输送和污水处理单位的能源消耗占到了市政能源消耗的30%-40%。因此,未来的管道系统应选择一种自身环境影响低、管壁持续光滑管道,有助于公共事业单位和地方政府的能源消耗最小化(同样可减少温室气体排放)。
 
• LCA对不同材料管道的使用寿命进行了广泛研究。根据报告、研究和发表的文献,球墨铸铁管应选择50年作为设计使用寿命。以前曾选择100年,但这样材料自身的能耗会更高,因为在这100年内至少需要替换一次管道,如果不替换,在后50年里,管道内层摩阻增加,供水压力降低,摩擦力增加,将导致输水成本增大;另一方面,50年更换的管道摩阻系数明显小于100年的管道。如24英寸的铸铁管,50年换一次,能源消耗为144100MJ/100’/100年,100年更换一次(虽然在大多数情况下不现实),能源消耗为162300MJ/100’/100年(参见图1、图2)。
 
 
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• 输送量损失和输送成本高不是因为铁管与PVC管内径不同,更多的是因为铁管腐蚀、泄漏和结垢会导致管道不圆度增加和供水压力下降。
 
• 现有公开可用LCA文献表明,与其他材料管道相比,PVC管道可以降低材料自身和使用阶段的影响。
 
5.4 重力流输水的PVC管道水力效率更高
 
• 与其他管道相比较,在相同的斜度下,重力流管道PVC材料具有更大的水力优势。换而言之,PVC管道铺设坡度小于其他材料管道,仍能达到最低速度要求。由于其更好的水力效率,较小口径的PVC管道可以取代其他材料稍大口径的管道,具有相同或者更大的流通能力(参见图3、图4)。
 
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5.5 PVC管道的认证和ISO标准
 
• LCA能更加综合、公开地分析产品整个寿命过程的环境影响,是一个比单一属性要求(像回收成分含量)更好的环保性能指标。有些材料,例如金属,回收时耗能大,且与原生金属加工相比,再加工过程会释放额外的有毒气体。今后,致力于降低环境影响的采购方和水利系统设计者都会将验证过的LCA结果和EPD认证作为环保性能的真实基准。
 
• 球墨铸铁管的SMaRT认证并不符合相关的ISO环境认证标准的公开性要求。产品的环保信息没有披露、认证没有可比性、生命周期影响数据没有提供,根据14025标准,SMaRT认证不适用于所有材料的管道。
 
• 球墨铸铁管道SMaRT认证缺乏公开性,阻碍了消费者充分了解其产品可持续性的要求。未经验证就被推广成“绿色”产品的行为,其实是一种“粉饰”。
 
5.6 PVC管道切实的环境效益
 
• 为了设计管道产品的生命周期而进行可持续性评估时,评估管道系统中所有材料对生命周期的影响很重要。
 
• 腐蚀会导致管道内径随时间的增加而缩小,并影响管道的Hazen-William摩阻系数,而PVC管道不需要附加材料来解决耐腐蚀问题。
 
• 球墨铸铁管需要添加其他材料减少内部和外部腐蚀,比如内部的水泥内衬和外部的聚乙烯保护层,不过NSF只认可水泥砂浆内衬。水泥内衬会因为偏转和敲击等行为腐蚀或脱落,并逐渐磨损殆尽,此时管道内的水将直接与没有通过NSF安全认证的内壁接触。阴极保护系统也是防止铸铁和球墨铸铁管腐蚀的方法,但使用不当会引起铸铁管的腐蚀。从另一个层面来讲,和塑料管道相比,使用其他材料增加了产品的资源消耗、材料自身能耗和碳排放量。
 
• 铸铁、混凝土、陶土和玻璃纤维这些材料会遇到各种各样的失效形式,比如腐蚀、脆性、系统连接性差和应变蠕变,使得这些材质的管道预期寿命只有50年甚至更短,而PVC重力流管道不会被生活污水和气体腐蚀,预期寿命达100-300年。因此,PVC管道不需要频繁更换,可以使用超过100年,减少了这100年生命周期内的材料自身能耗、潜在的温室效应和温室气体排放(参见图5、图6)。
 
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5.7 PVC管道制造工艺清洁高效
 
PVC管道制造效率高,水和能源消耗少。废料和回用料(再研磨)能立即直接用于再加工,几乎没有产生废料。
 
• PVC管道挤出生产能耗较少,所以生产过程对产品的整个周期影响很小;
 
• 循环水节水技术的应用证明PVC行业持续改进和提高效率的承诺。
 
铸铁厂能耗相对高,球墨铸铁管生产主要使用的材料是废金属、合金材料、沙和粘接金属。
 
5.8 PVC管道碳排放量更低
 
将管道从生产地运输到安装地需要消耗能源,为满足管道的替换和开发的需求,美国和加拿大在全国各地都有PVC管道工厂,这样既减少了运输的影响又缩短了生产地和安装地的距离。因此,由于运输距离短和本身质轻(每英尺是球墨铸铁管的1/4),每安装一英尺的PVC管道,运输产生的碳排放量比金属管和混凝土管更低。
 
5.9 PVC管道成本低、安装影响低
 
• PVC管道质轻耐用,而安装管道的设备负载更低、所需人员更少,因此减少了安装的成本,同时减少了温室气体的排放和对环境的其他影响。
 
• 安装给水和污水管道通常要用到施工装备。相比PVC管道,安装重量更大的球墨铸铁管和混凝土管需要更重的设备和更多的人员,安装的时间更长,产生的环境影响更大。实地研究发现,PVC管道的安装时间比同尺寸的混凝土管道减少30%。
 
5.10 PVC管道的操作、维修和节能
 
• 配水系统需要较大容量的水泵输水。在整个使用生命周期内,PVC管道输送水所需的能量保持不变,而金属管道内表面会因为腐蚀、泄漏和内部分解而逐渐粗糙,所需泵能相应变得更高。因此,相比起来,PVC管道在整个使用生命周期内都在节约成本和降低碳排放量(参见图7)。
 
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• 8”DR25的管道,PVC给水管成本比球墨铸铁管低近60%。
 
• 与铁管和混凝土管相比,PVC管不会被腐蚀。管道腐蚀会增加管道失效、漏水的风险,降低给水设施的长期可持续性。
 
• 管道的耐久性和耐腐蚀性极大地影响生命周期内对环境的影响,其中腐蚀影响了75%的水利设施。在中等腐蚀性土壤中,球墨铸铁管只能维持11-14年的使用寿命,在100年的周期内要多次更换,因此带来的环境影响是PVC管道的7倍。
 
• 地震引起地表移动导致的故障与管道材料的刚度成正比。柔韧性材料管道,如PVC管道,在地震中故障率比刚性材料管道低得多。
 
6 总结
 
根据生命周期评价结果和不同管道材料的文献综述,PVC管道可在各种水利设施项目中应用,并且在整个使用寿命期限内具有成本优势,因此它比其它材料管道更具有竞争优势。此外,PVC管道的主要性能,如耐腐蚀、高耐久性、抗震性等,有利于水利设施的长期可持续性应用。