Optimizing rainwater harvesting systems in urban areas

Abstract

El aprovechamiento de agua de lluvia, a pesar de ser una antigua técnica para recoger escorrentía para uso doméstico, agricultura y gestión ambiental, no tiene una amplia aplicación. Potencialmente, los sistemas de aprovechamiento de agua de lluvia (RWH) pueden jugar un papel clave en el abastecimiento de la demanda de agua urbana como una alternativa a las tecnologías convencionales de tratamiento de agua como son la desalinización y otras tecnologías costosas Esta tesis doctoral pretende encontrar las configuraciones de RWH más eficientes, primero cuantificando el consumo de recursos e impactos ambientales asociados con RWH en áreas urbanas, y, después, estudiando las diferentes configuraciones para abastecimiento doméstico considerando condiciones climáticas mediterráneas y desérticas. La investigación está motivada por el incremento en la necesidad de encontrar medidas correctoras y preventivas que ayuden a gestionar los problemas de abastecimiento de agua, especialmente considerando los efectos del cambio climático en el área mediterránea y los del abastecimiento de agua en las zonas áridas. En línea con este planteamiento, la hipótesis se basa en el hecho de que el agua pluvial es agua blanda y, por lo tanto, requiere menos detergente y aditivos suavizantes. De ahí que represente un sustituto ventajoso para el agua utilizada en lavandería, especialmente en lugares donde el agua de grifo presenta altos niveles de dureza, así como cuando la disponibilidad de agua es limitada. Para analizar las diferentes configuraciones de RWH, se aplicaron las siguientes metodologías: análisis de exergía y análisis de eficiencia exergética para determinar el consumo de recursos y eficiencia; análisis de ciclo de vida (LCA) para identificar los impactos ambientales; análisis de coste de ciclo de vida (LCC) para encontrar la viabilidad económica, y análisis envolvente de datos (DEA) para identificar la frontera de mejores-prácticas hacia la sostenibilidad. En general, los resultados evidencian que configuraciones en clúster son más eficientes en el uso de recursos que las individuales, en términos exergéticos y económicos. Se encontró que los impactos ambientales son inversamente proporcionales al incremento en el abastecimiento de agua de lluvia. Los escenarios de mejores prácticas son mayoritariamente dependientes al área de recogida. Asimismo, los ahorros en el consumo de aditivos de lavandería resultan en una mejor conducta ambiental y económica en zonas con alta dureza en agua de grifo.

Rainwater harvesting, though is an ancient technique to collect run-off rainwater for domestic water supply, agriculture and environmental management, it is not widely applied. Rainwater harvesting (RWH) systems could potentially play a key role in helping cities meet their water demand, as an alternative to conventional water treatment technologies such as desalination and other costly technologies. This doctoral thesis aims to find the most efficient configuration of RWH, first by quantifying the resource consumption and environmental impacts associated to RWH in urban areas and then studying different configurations for domestic water supply considering Mediterranean and desert climate conditions. The query is motivated by the increasing necessity to find preventive and corrective measures that help cope with water supply problems, especially considering climate change effects in the Mediterranean area and water supply problems in arid areas. Along with this, the hypothesis is based on the fact that rainwater is soft water, thus, requires less detergent and softener additives. Therefore, it represents an advantageous substitute for water used for laundry, especially where tap water presents high levels of water hardness and also whenever water availability is limited. To analyze the different RWH configurations, the following methodologies were applied: exergy analysis and exergetic efficiency analysis to find resource consumption and efficiency; life cycle assessment (LCA) to identify environmental impacts; life cycle costing (LCC) to find economic feasibility and; data envelopment analysis (DEA) to identify best-practice frontier towards sustainability. The results evidence that generally cluster configurations are more resource efficient than those in individual configurations, in exergetic and economic aspects. Environmental impacts were found to be inversely proportional to the increase in rainwater supply. Best-practice scenarios were found mostly dependent on the area of rainwater collection. Furthermore, savings from laundry additive consumption result in much improved economic and environmental performances in areas with hard tap water.