Development of tools for an efficient water use and reuse

Abstract

Esta tese propõe e analisa diferentes técnicas que visam contribuir com o aumento do conhecimento sobre o uso da água e a reutilização. Inicialmente, é proposto um sistema de apoio à decisão (DSS) que identifica o nível do potencial de reutilização de água, considerando características relacionadas com a falta de água. O DSS proposto utiliza um sistema de inferência fuzzy (FIS) para a tomada de decisão multicritério e foi concebido com base nas informações de um data-set composto por 155 regiões para agricultura e 183 cidades para ambientes urbanos. A fim de verificar se as características levantadas seriam adequadas para compor o FIS, as informações fornecidas pelo data-set foram correlacionadas o nível de reutilização da água. Observou-se que os fatores ambientais, como a gravidade da seca e disponibilidade de hídrica, e os fatores estruturais, tais como o índice de exploração de água (WEI), usos da água, a densidade populacional e taxa de tratamento de águas residuais, são bem correlacionados com a reutilização agrícola e urbana. Dadas as características ambientais e estruturais, o FIS proposto é capaz de identificar se a amostra estudada tem potencial de reutilização ou não, com 96\% de precisão no caso de reutilização urbana e 90\%, no caso de reutilização agrícola. A análise do potencial de reúso de água indicou que actualmente o potencial urbano é menor que o agrícola. Para incentivar o reúso urbano, também são propostas neste trabalho, técnicas para estimar a quantidade e a qualidade da água residual cinzenta em domicílios. Para estimar o uso da água (quantidade), foi desenvolvido um novo método que utiliza sinais de caudal e pressão para identificar qual o dispositivo hidráulico que estava em uso (i.e. torneira, autoclismo, chuveiro). Para simular uma casa de banho e uma cozinha uma instalação experimental foi construída. A primeira fase dos experimentos tiveram como objectivo identificar as assinaturas dos dispositivos hidráulicos e, para tanto, o mesmo comprimento de tubo foi utilizado. Considerou-se cinco classes para identificação de dispositivos hidráulicos: torneira da cozinha (C1), torneira do lavatório (C2), torneira do bidé (C3), chuveiro (C4) e autoclismo (C5). GDX e SVM foram os classificadores usados para identificar o padrão dos sinais. As características foram extraídas no domínio do tempo e frequência e um selector de características (feature selector) foi usado seleccionar as features mais representativas do sinal visando uma melhor classificação. A fusão por Majority vote dos resultados de classificação do SVM no domínio do tempo apresentou os melhores acertos: 92\% para C1, 94\% para C2, 94\% para C3, 100\% para C4 e 100\% para C5. Este resultado indicou que cada dispositivo tem uma assinatura específica que pode ser reconhecida pelos classificadores. Numa segunda fase os tubos foram instalados com diferentes comprimentos de forma a identificar as diferenças nos acertos. Os resultados utilizando classificador SVM indicaram que as diferenças de pressão melhoraram os acertos na classificação em 4\%. Composição de sinais proveniente do uso simultâneo de dois dispositivos também foi analisada. Os resultados também foram bons para sinais de pressão no domínio do tempo: 99\% para torneira da cozinha e torneira do lavatório, 97\% para torneira da cozinha e torneira do bidé, 99\% para torneira da cozinha e chuveiro e 100\% para torneira da cozinha e autoclismo. A expectativa futura é completar o sistema de identificação com composições de uso dos dispositivos e testar o algoritmo em um ambiente real. Os dados fornecidos pelo sistema de aquisição desenvolvido neste trabalho também foi útil para o cálculo de perdas de carga e estudos sobre coeficiente de simultaneidade. Os resultados indicaram que os dados fornecidos pela instalação experimental são adequados para esse tipo de estudo pois os valores encontrados são compatíveis com os apresentados pelos fabricantes e pela literatura. Em relação a qualidade da água para reutilização, foi apresentado neste trabalho métodos de recolha e de análise de água residual domiciliária. Os estudos apresentados neste trabalho indicaram que os fluxos de cozinha e lavandaria apresentam maior concentração de poluentes do que os do lavatório e do banho. Este resultado está de acordo com muitos estudos nesta área. A carga poluente, a taxa de remoção dos tratamentos e a limitação das normas de reutilização de água foi utilizada para estimar qual água residual seria mais adequada para reutilização em domicílios. Considerando-se as quatro casas analisadas, estima-se que a implementação do sistema de reúso em autoclismos é viável e pode contribuir para poupar cerca de 15\% de água potável. Além disso, a reparação dos vazamentos identificados resultaria na poupança de mais 35\% do volume. Estes valores indicam que a promoção da eficiência no uso da água e reúso traria benefícios significativos para a poupança de água em edifícios.

This thesis proposes and analyzes different techniques which aim to provide better and more reliable information about water use and reuse. Initially, this thesis proposes a decision support system (DSS), which identifies the potential level of water reuse considering features that appear to be relative with water shortages. The proposed DSS uses a fuzzy inference system (FIS) for multi-criteria decision making and was designed based on the information from a data-set composed of 155 regions for agriculture and 183 cities for urban environments. In order to identify the suitable factors to compose the FIS, the information provided by data-set was correlated with the water reuse level. It was observed that the environmental factors, such as drought severity and water availability, and structural factors, such as the water exploitation index (WEI), water uses, population density, and waste-water treatment rate, are satisfactorily correlated with agricultural and urban reuse. Given the environmental and structural features, the proposed FIS is very reliable in identifying whether the studied sample has reuse potential or not, with 96\% accuracy in urban reuse and 90\% in agricultural reuse. The potential water reuse analysis indicated that there is less demand for urban water reuse than for agricultural water reuse. In order to improve the urban reuse, this work also proposes techniques to estimate the quality and quantity of a household's gray water streams. To estimate water use (quantity), a new method was developed that uses flow rate and pressure signals to identify which fixture was in use (e.g. tap, toilet flush, shower, etc.). In order to simulate a bathroom and kitchen, an experimental facility was constructed. The intention of the first phase of experiments was to identify the electronic signatures of each fixture. Five classes for fixtures identification were being monitored: kitchen tap (C1), washbasin tap (C2), Bidet tap (C3), shower (C4) and toilet flush (C5). GDX and SVM were both used to identify the best classifier for the data. The features characteristics were extracted in both the time and the frequency domains and a feature selector was used to select representative features from the signals in order to improve the process of classification. The fusion by majority vote of the SVM classification results in the time domain presented the best accuracies: 92\% for C1, 94\% for C2, 94\% for C3, 100\% for C4 and 100\% for C5. This result indicated that each feature has a specific signature that can be recognized by the classifiers. In the second experimental phase different pipe lengths were used. The results using the SVM classifier indicated that differences in pressure improve the classification accuracies in 4\%.. Signals composition with kitchen tap signals was also analyzed in order to test signal accuracy with two fixtures in use. The results were also good for pressure signals in the time domain: 99\% for kitchen tap and washbasin tap, 97\% for kitchen tap and bidet tap, 99\% for kitchen tap and shower and 100\% for kitchen tap and toilet flush. The future expectation is to complete the identification system with fixtures composition and test the algorithm in a real building. The data provide by the acquisition system developed in this work was also used for head losses and the coefficient of simultaneity studies. The results indicated that the data provided by the experimental facility are suitable for these studies because they are compatible with those presented by manufacturers and literature. To estimate the water quality for reuse, some methods were presented in this work for household stream collection and analysis. The studies presented in this work indicated that the kitchen and laundry streams present a greater concentration of pollutants than the washbasin or the bath. This result is in accordance with many studies in this field. The pollutant charge, the treatment removal rate and the water reuse standards limitation was used to estimate which streams are more suitable for reuse in households. Considering the four houses analyzed, it is estimated that the implementation of the toilet flushing reuse system is feasible and could contribute to save about 15\% of drinking water. Furthermore, the reparation of the leakage presented in two households could save up to 35\% of the volume. These values indicated that significant amounts of water could be saved if water use efficiency and reuse techniques are implemented in buildings.