典型雨水收集处理系统的生命周期评价

丁亚楠， 王建国， 汤露露

(南京国环科技股份有限公司，南京 210000)

引 言

雨水的收集与利用现已成为水资源开发的一个主要研究方向。2014年国家住建部在颁布的《海绵城市建设技术指南—低影响开发雨水系统构建》中提出了围绕低影响开发(LID)理念建设海绵城市的方针，让城市具有雨洪调节能力[1]。LID起源于20世纪90年代末，由美国马里兰州首次实施，它是一种雨洪管理和面源污染的处理技术。它通过源头分散的小型控制设施来维持和保护场地自然水文功能，并且能有效缓解由于不透水面积增加所造成的洪峰流量增加、径流系数增大以及面源污染负荷加重等城市雨水管理问题[2]。LID主要通过生物滞留设施、屋顶绿化、植被浅沟和雨水利用等措施来维持开发前原有水文条件，同时达到控制径流污染，减少污染排放，最终实现开发区域可持续水循环的目的[3]。常用的LID措施包括雨水花园、透水路面、屋顶绿化、生物滞留池、人工湿地和雨水收集池等[4]。虽然雨水通过LID措施后可作为非常规水资源大大缓解缺水压力，但在工艺前期建造、中期运行以及后续拆除改造等过程中不可避免会产生如CO2、SO2、NOX等温室气体及固体废弃物，造成后续一系列的环境污染问题。

生命周期评价(LCA)是一种用来评估产品或工艺从“摇篮到坟墓”全过程中所产生环境影响的手段，是从区域、国家乃至全球的广度和可持续发展的高度来观察问题的一种定量分析方法[5]。国外学者对雨水开发利用的研究起步较早，对雨水收集系统的研究主要从整个城市水循环的角度开展，并且将研究运用到城市、社区市政建设中。Bhatt.等人[6]利用生命周期评价透水路面和个人工雨水收集池，通过出水水质和容积体积来衡量四种低影响开发技术的环境效益。结果显示，透水路面所产生的环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拟分别模拟了美国和西班牙城市社区的典型雨水收集系统，并提出了城市水需求模式的新思路。Marinoski.等人[8]运用生命周期方法研究巴西独栋居民采用混合雨水-灰水系统的低影响开发技术，比较了分散式混合雨水-灰水系统和传统集中式水系统对环境的影响，得到在运作阶段节省能源是减少影响的关键的结论。相比国外发达地区成熟的雨水收集利用技术，国内总体起步较晚。李轶等人[9]将多目标模型纳入到了生命周期评价方法中，以24h系统收集量最大、雨水径流流量控制率最大、经济成本最小和环境影响最小四个因素为目标，依托非优势排序遗传算法，计算出适宜北京的雨水收集系统的最优解。李伏贞等人[10]从实际工程角度出发，采用层次分析法和生命周期评价的思想，对我国透水路面的技术(透水性、耐久性)-经济(一次性造价、运行维护费用)评价指标进行定量分析。

本文根据《海绵城市建设技术指南—低影响开发雨水系统构建》的要求，采用生命周期的思想对三种典型雨水收集处理系统(雨水花园、透水路面、绿色屋顶)的环境影响进行全面的评价，定量计算出雨水收集处理系统在建设、维护、报废拆除各阶段对环境产生的直接和间接影响。并结合各自的雨水收集效率，区分不同雨水收集系统在不同阶段污染物的排放量，进一步比较各自的可持续性，从环境影响的角度为海绵城市建设中如何选择合适的雨水收集系统提供参考。

1 研究方法

1.1 确定评价目标与范围

本研究的目标范围始于3种雨水收集系统的建设施工阶段，经过运行使用阶段，截止到报废拆阶段。各阶段的物质输入输出以及系统边界如图1所示。为了能够横向比选3种工艺，需要将前期收集的各输入、输出物质均换算为统一功能单位下的数据。目前国内外结合雨水收集系统普遍使用的功能单位为某种雨水收集系统服务的汇流面积、通过类比分析国内外雨水收集系统所设定的功能单位，并结合本研究所收集的清单数据，确定汇流面积取1×104m2所收集的雨水量作为功能单位。其中建筑物占地约5×103m2，绿化面积3×103m2，铺装地面和道路面积约2×103m2。

图1 雨水收集处理系统生命周期评价系统边界Fig.1 Boundary of rainwater collection and treatment system

1.2 清单分析

清单分析是根据研究目标建立产品系统输入输出数据的过程，是LCA的核心部分。首先收集3种雨水处理系统在3个研究阶段内所对应的能量、物耗以及向环境所排放的污染物(如废气、废水、固体废物及其它环境释放物)等数据。然后在所定义的功能单位下对原始数据进行量化，最终借助LCA软件完成环境影响核算。国内外常用的LCA软件主要有SimaPro、TEAM、GaBi等，本研究选择GaBi 6.0软件来构建LCA框架模型，通过软件内置的Ecoinvent数据库中与中国相对应的背景值计算最终的环境影响结果。由于目前国内对于雨水收集系统实际运用数据有限，且大部分沿用传统设计方案，对于雨水收集系统工程实例数据较为缺乏，本研究的原始数据主要来源于雨水收集项目设计手册及大量的文献资料[11～24]，参考文献的年份跨度为2008～2019年。过程中存在数据假设如下：

(1)雨水收集处理系统在建成投入使用后，运行阶段基本无外加能量消耗；

(2)与建设施工和报废拆除阶段的能耗相比，雨水收集利用系统在运行维护阶段的能耗可忽略不计[25]；

(3)污染物减排量根据进出水的污染物浓度以及雨水系统年收集的雨水量进行计算；

(4)3种雨水处理系统使用年限按30年计算[26]；

(5)当雨水系统达到使用年限后，大多数工艺需要考虑拆除部分设施便于后续升级改造。拆除一般是指把原有雨水收集处理系统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块填充料和地表覆盖物(再生纤维和矿棉等)。拆除阶段的能量消耗按照建设施工阶段能量消耗的90%来计算，若拆除废料质量不明确时，废料质量可以按照建设阶段原材料质量的80%来计算[27]。

将所收集的所有数据换算成功能单位为汇流面积1×104m2所收集的雨水量下的物质能源消耗，具体见表1所示。

表1 3种工艺主要物质清单分析Tab.1 List of main material of three technologies

续表1

2 结果讨论

2.1 雨水收集处理系统结果分析

基于清单分析得到详细数据，利用GaBi6.0对3种雨水收集处理系统进行影响评价。影响评价是对清单分析中所识别的环境负荷进行定性或定量的描述和评价，从而确定工艺系统的资源、能源消耗及其对环境的影响，主要由分类、特征化和量化3个步骤构成。本研究选取国外普遍采用的CML baseline2001评价方法中最具代表性的11个环境影响指标进行评价，分别为非生物资源耗竭(Abiotic Depletion，ADP)、酸化(Acidification Potential，AP)、富营养化(Eutrophication Potential，EP)、海洋生态毒性(Marine Aquatic Ecotoxicity，MAETP)、淡水水生生态毒性(Freshwater Aquatic Ecotoxicity，FAETP)、陆地生态毒性(Terrestric Ecotoxicity Potential，TETP)、人体毒性(Human Toxicity Potential，HTP)、全球变暖(Global Warming Potential，GWP)、臭氧层损耗(Ozone Layer Depletion Potential，ODP)、光化学氧化(Photochem Ozone Creation Potential，POCP)[28]。3种雨水收集处理系统特征化及归一化结果如表2所示。

表2 3种雨水收集处理系统特征化与归一化结果Tab.2 Characteristic and standardized values of three rainwater collection and treatment systems

2.1.1 特征化结果

值得关注的是，雨水花园通过一段时间的运行后对降雨径流中的N、P等营养物质的去除能力高于另两种系统，表现在所产生的富营养化潜势影响更小，原因主要在于雨水花园更好地利用了过滤和生物净化作用，从而使营养物质去除效果更佳。从总体上看，透水路面在所选取的11个环境指标上的表现均劣于雨水花园以及绿色屋顶，透水路面全生命过程中所消耗能量分别是雨水花园和绿色屋顶的2倍和468倍，具有较高的环境负荷。造成其高环境负荷的关键因子主要来自于建设施工阶段中各种机械设备消耗的煤、油以及电力。不难发现，3种雨水收集系统所产生主要环境影响主要集中在化石类的非生物资源消耗、温室效应以及海洋毒性3方面。这是由于雨水收集系统在各阶段都会产生一定量的温室气体如CO2、CH4等，对于雨水中的重金属离子的去除率普遍较低，进而造成重金属离子的富集，导致毒性指标的升高。

2.1.2 归一化结果

所谓的归一化是将特征化得到的各个环境影响指标数值除以归一化因子后统一转换为相同指标下的值，使得各类环境影响评价指标之间具有可比性[28]，本研究采用的标准化因子为CML2001的世界年人均值(CML2001-Nov.09)。结果显示雨水收集处理系统对ADP fossil、MAETP、GWP、HTP以及AP 5个环境指标贡献较高，其中ADP fossil相较于其余环境指标占有绝对大的比重。透水路面的ADP fossil是雨水花园的22万倍，主要原因为在于建造所用的沥青以及压实路面过程中压路机等机械设备使用，造成大量的化石能源消耗，和更多温室气体、氮氧化物的排放，进而直接导致AP、GWP、POCP指标值的升高。从原油中提炼得到的聚乙烯、聚丙烯也造成绿色屋顶ADP fossil较高原因。相较于以上两种工艺，雨水花园在运行过程中不涉及能源的消耗，所用原材料更为环保，进而直接体现在各种环境指标上的更优化。

2.2 不同阶段下生命周期评价结果分析

3种雨水收集系统在建造阶段排放量最大的污染物均为CO2，见表1。透水路面在建造施工阶段使用的大量透水材料如沥青、粗砂等，导致后续固体废弃物填埋量的增加。3种系统在运行维护阶段都表现出对污染物良好的减排效益，减排量依次为COD、TN和TP。报废拆除阶段排放量最大的污染物仍为CO2，其中绿色屋顶排放的CO2量仅为雨水花园和透水路面的26.7%和9.8%。整体上看，绿色屋顶污染物的排放小于另外两种收集系统。

为了进一步分析各阶段污染物排放情况，将雨水花园和透水路面污染物总排放量与绿色屋顶污染物总排放量作比，见图2。绿色屋顶在全生命周期当中污染物的排放最少，尤其是烟尘与固体废弃物两种污染物，主要原因在于其原材料更加简单环保。而透水路面由于所使用的原材料沥青在生产过程中需要经过高温提炼，造成了SO2、CO和烟尘的大量排放，而雨水花园的污染物排放量则介于绿色屋顶和透水路面之间。

图2 雨水花园、透水路面污染物总排放量与绿色屋顶污染物总排放量的比值Fig.2 Ratio of pollutant emissions from rain garden, water permeable pavement and green roof

3 结 论

综上所述，绿色屋顶产生的污染物排放最小，进一步提升可持续性的关键在于延长绿色屋顶的使用寿命。雨水花园综合环境影响最低，水体污染物减排效应最为显著。透水路面对环境造成的影响较大，需要对路面材料进行改进。雨水收集系统在前端使用沥青等原材料，这些原材料在生产过程中会造成温室气体、CO、SO2等污染物的大量排放，因此在前期设计时需从建造工艺在过程中的产污角度出发，通过更换环保材料、改进工艺使得化石能源的消耗进一步减少，进一步控制污染物的排放，保证雨水收集系统对环境所造成负面影响达最小。本文主从生命周期角度出发，对3种雨水收集系统在整个建造、运行、报废过程中的环境影响进行了全面的分析，但分析数据来源为文献调研，后续研究建议在充分调研当下3种雨水收集系统具体数据基础上进行平行论证分析。此外，针对于雨水收集系统在海绵城市建设中对降雨的调蓄、径流总量削减起到的重要作用，未来研究可以从城市雨洪管理角度出发，将暴雨管理模型与生命周期评价相结合，在环境影响最小的情况下，针对降雨量不同的城市选择最合适的城市的雨水收集系统组合，对未来“海绵城市”建设有着重要的意义。