VIABILIDADE AMBIENTAL DE SISTEMAS ALTERNATIVOS DE ÁGUA UTILIZANDO ANÁLISE DE CICLO DE VIDA

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1 VIABILIDADE AMBIENTAL DE SISTEMAS ALTERNATIVOS DE ÁGUA UTILIZANDO ANÁLISE DE CICLO DE VIDA Aa Kelly Marioski (1) ; Eedir Ghisi (1) ; Abel Silva Vieira (1) ; Thauaa Medes (2) ; Daiel Lihares Bittecourt (2). (1) Departameto de Egeharia Civil Uiversidade Federal de Sata Cataria, Brasil, aak@labeee.ufsc.br, eedir@labeee.ufsc.br, sv.abel@gmail.com (2) Departameto de Egeharia Saitária e Ambietal Uiversidade Federal de Sata Cataria, Brasil; lbdaiel@gmail.com, thauaamedes@gmail.com Resumo O objetivo deste artigo é avaliar, por meio dos coceitos da aálise do ciclo de vida, a viabilidade ambietal da utilização de água pluvial e reuso de água ciza em edificações resideciais. Estas estratégias vêm sedo estudadas e utilizadas em edificações, mas existem poucos estudos sobre avaliação ambietal da implatação das mesmas. O trabalho foi desevolvido através de levatametos i loco e de iformações obtidas da literatura. Foram selecioadas vite residêcias localizadas a região da Grade Floriaópolis-SC para se estimar os usos fiais de água as mesmas. Através dos usos fiais de água, estimaram-se os poteciais de ecoomia de água potável ao se utilizar água pluvial e água ciza. Por meio de revisão da literatura e também de especificações técicas de fabricates, levatou-se a eergia embutida a produção dos equipametos e tubulações usados os sistemas de aproveitameto de água pluvial e de reuso de água ciza. A viabilidade ambietal destas estratégias foi avaliada através de um idicador que relacioa a eergia embutida, a ecoomia de água potável e o cosumo de eergia da cocessioária de água e esgoto durate a vida útil do sistema. Os resultados idicaram que o aproveitameto de água pluvial e reuso de água ciza apresetam viabilidade ambietal similar. A escolha dos compoetes demostrou ser a variável com maior ifluêcia sobre a viabilidade ambietal das estratégias aalisadas. Palavras-chave: Aálise de ciclo de vida, aproveitameto de água pluvial, reuso de água ciza, edificações resideciais, viabilidade ambietal. Abstract This paper aims to assess the evirometal feasibility of raiwater use ad greywater reuse i households by applyig the cocepts of Life Cycle Aalysis (LCA). Notwithstadig recet studies about the evirometal performace of plumbig systems i buildigs, there is a lack of iformatio o the subject. This work was developed usig both data collected o site ad from the literature. The water ed-uses of twety houses located i the metropolita area of Floriaópolis-SC were estimated. By assessig their water ed-uses, the potetial for potable water savigs by usig raiwater ad reusig greywater was estimated. Data from the literature ad maufacturers techical specificatios were used to estimate the embodied eergy i maufacturig processes of equipmets ad pipes used i raiwater harvestig system ad greywater system. The evirometal feasibility of usig raiwater ad reusig greywater was assessed by meas of a LCA idex. Such a idex takes ito accout the embodied eergy ad the potable water savigs of alterative water systems. Results idicate that raiwater ad greywater systems give rise to similar evirometal beefits. The compoets of the systems have the greatest ifluece o the evirometal feasibility of the systems assessed. Keywords: Life Cycle Assessmet, raiwater harvestig, greywater, residetial buildigs, evirometal feasibility. 1963

2 1. INTRODUÇÃO Como forma de ameizar os problemas de dispoibilidade de água potável, o uso racioal da água através da utilização de fotes alterativas de água (água pluvial e água ciza) tem sido estudado por muitos pesquisadores de diferetes países. No exterior, o uso de água pluvial em residêcias vem sedo amplamete explorado, demostrado elevado potecial de ecoomia da água potável (FEWKES, 1999; HERRMANN; SCHMIDA, 1999; ZHANG et al., 2009; JONES; HUNT, 2010; RAHMAN et al., 2012). Com relação ao Brasil, o aproveitameto de água pluvial o setor residecial apreseta potecial de ecoomia de água potável etre 48% e 100% (GHISI, 2006). No estado de Sata Cataria, este potecial varia de 34% a 92% (GHISI et al., 2006). O reuso de água ciza também apreseta elevado potecial para ecoomia de água potável (CHRISTOVA-BOAL et al., 1996; AL-JAYYOUSI, 2003; MARCH et al., 2004; GHISI; OLIVEIRA, 2007). Apesar da ampla diversidade de estudos sobre a ecoomia de água potável através da adoção de sistemas alterativos de água, existem poucos estudos sobre a viabilidade ambietal desses sistemas. O objetivo desse artigo é avaliar a viabilidade ambietal de sistemas alterativos de água utilizado aálise do ciclo de vida em vite residêcias a Grade Floriaópolis-SC. 2. MÉTODO 2.1. Defiição do escopo Avaliou-se a viabilidade ambietal de sistemas alterativos de água uso de água pluvial e reuso de água ciza utilizado pricípios da Aálise do Ciclo de Vida (ACV). Não se cosiderou a combiação das tecologias estudadas devido à iviabilidade técica e fiaceira para o padrão das edificações estudadas. Também, descosiderou-se a eergia cosumida as fases de operação e disposição fial dos sistemas avaliados. Comparou-se os sistemas resideciais cosiderado a mesma uidade fucioal, sedo esta igual à eergia cosumida para abastecer água e coletar e tratar esgoto durate 20 aos. Este período correspode à vida útil de sistemas hidráulicos prediais (DIAS et al., 2007). Para estimativa de usos fiais de água foram selecioadas vite residêcias uifamiliares térreas situadas em Palhoça, Grade Floriaópolis. A área média costruída e de cobertura das residêcias é igual a 62 e 80 m², respectivamete. Para represetar de modo geral as residêcias aalisadas a pesquisa, defiiu-se uma residêcia modelo com área costruída e área de cobertura igual à média das áreas ecotradas as residêcias estudadas Usos fiais de água A fim de se determiar o potecial de ecoomia de água potável e redução de efluetes domésticos com a adoção de estratégias de uso racioal de água, determiaram-se os usos fiais de água as edificações estudadas. Realizou-se a estimava dos usos fiais de água através de aplicação de questioários juto aos moradores das residêcias para determiar a frequêcia e o tempo de utilização dos aparelhos saitários. Com estes dados e com medições de vazão dos aparelhos, estimou-se o cosumo de cada aparelho saitário. 1964

3 Comparou-se o cosumo total estimado com o cosumo real da edificação obtido através das faturas da cocessioária de água. Quado o cosumo total estimado apresetou variação superior a 20% em relação ao cosumo real faturado, cosiderou-se a estimativa iválida. Neste caso, repetiram-se as etrevistas e medição das vazões Potecial de ecoomia de água potável e redução de esgoto das estratégias O potecial de ecoomia de água potável e a redução de esgoto foram estimados com base os dados de usos fiais de água. Cosiderou-se que os usos fiais de água que ão demadam água potável poderiam ser abastecidos com fotes alterativas de água Aproveitameto de água pluvial Para estimar o potecial de ecoomia de água potável obtido por meio do aproveitameto de água pluvial, utilizou-se o programa computacioal Netuo versão 3.0 (GHISI et al., 2011). O programa determia o potecial de ecoomia de água para diferetes volumes de reservação. Assim, determia-se o volume ideal do reservatório iferior de água pluvial variado-se o volume de reservação de 0 a 10m³ em itervalos de 0,5m³. Quado o percetual de ecoomia etre dois volumes cosecutivos for iferior a 0,9%, é adotado o meor volume etre os dois. Como dado de etrada para simulação, cosiderou-se a demada de água pluvial, expressa a forma percetual, igual ao cosumo de água em equipametos saitários que ão demadam água potável, icluido: bacia saitária, taque e toreira extera. Outros dados de etrada icluem: demada de água per capita, volume do reservatório superior, área de captação de água pluvial (área de cobertura igual a 80 m²), coeficiete de escoameto superficial (0,8), úmero de moradores (3 habitates) e dados diários de precipitação de Floriaópolis o período etre 2000 e O aproveitameto de água pluvial ão apreseta potecial de redução de efluetes domésticos, pois apeas substitui a utilização de água potável por pluvial, ão alterado a quatidade de esgoto gerado Reuso de água ciza Determiou-se o potecial de ecoomia de água potável e redução de efluetes obtidos com o reuso de água ciza por meio da oferta e da demada de água ciza. Cosiderou-se que os efluetes do chuveiro e da toreira do lavatório seriam tratados em um sistema de wetlad horizotal (filtro de zoa de raízes). Posteriormete, reutilizar-se-ia o efluete tratado para descarga de bacias saitárias. Através da Equação 1, determiou-se a oferta de água ciza cosiderado 10% de perdas o sistema de tratameto devido à evapotraspiração. O = ( 1 p ES [Eq. 1] água_ ciza ) i= 1 produtor O água ciza p ES produtor é a oferta de água ciza (m³/mês); é a perda de água por evapotraspiração o tratameto (adimesioal); é o volume de água ciza produzido em equipametos saitários (m³/mês). Por meio da Equação 2, determiou-se a demada de água ciza. D água _ ciza = EScosumidor [Eq. 2] i=

4 D água ciza ES cosumidor é a demada de água ciza (m³/mês); é o potecial de cosumo de água ciza em equipametos saitários (m³/mês). Quado a oferta de água ciza superou sua demada, cosiderou-se o potecial de ecoomia de água potável (E água ) com o reuso de água ciza igual à demada; em casos opostos, assumiu-se o potecial de ecoomia de água potável igual à oferta. Calculou-se o potecial de redução de efluetes cosiderado o potecial de ecoomia de água potável com o reuso de água ciza e as perdas o sistema de tratameto (Equação 3). E esg = E + água p ES produtor i=1 [Eq. 3] P esg E esg E água p ES produtor P esg é o potecial de redução de efluetes domésticos com o reuso de água ciza (adimesioal); é o potecial de ecoomia de água potável com o reuso de água ciza (m³/mês); é a perda de água por evapotraspiração o tratameto (adimesioal); é o volume de água ciza produzido em equipametos saitários (m³/mês); é o volume total de esgoto produzido sem a adoção de iiciativas (m³/mês). 2.4 Cofiguração dos sistemas e eergia embutida Os sistemas de aproveitameto de água pluvial aalisados são compostos por: reservatórios superior e iferior em polietileo; tubulações em policloreto de viila (PVC); motobombas; dispositivos e acessórios em polietileo (dispositivo de descarte de sólidos, desviador para as primeiras águas de chuva, cojuto flutuate de sucção, bomba dosadora de cloro, freio d'água, sifão extravasor, válvula soleóide e bóia de ível). Mais iformações sobre a cofiguração do sistema pluvial são descritas por Adrade et al. (2010). O volume do reservatório superior será igual ao volume comercial imediatamete superior à demada diária de água pluvial, equato o volume do reservatório iferior apoiado foi idicado pelo programa Netuo, coforme descrito o item Os sistemas de reuso de água ciza aalisados são compostos por: reservatórios superior e iferior em polietileo; tubulações de esgoto em PVC para recolhimeto da água ciza e tubulações de água e caixa receptora em PVC; cocreto armado e brita para costrução de wetlad horizotal; motobombas e acessórios em polietileo (cojuto flutuate de sucção, freio d'água, sifão extravasor, válvula soleóide, bóia de ível e bomba dosadora de cloro). Projetou-se a wetlad horizotal de acordo com dimesioameto proposto por Paulo et al. (2009). Cosiderou-se a altura útil adotada para a camada filtrate igual a 40 cm, a altura livre de borda igual a 10 cm e o meio filtrate composto por brita o 2. Assumiu-se a desidade do cocreto armado igual a kg/m³. Adotou-se o volume de reservatórios dispoíveis o mercado para o dimesioameto do reservatório iferior apoiado e do reservatório superior. Determiou-se que o volume de ambos os reservatórios é igual ao volume comercial imediatamete superior à demada diária de água ciza. Estimou-se a eergia embutida os pricipais compoetes das duas estratégias estudadas a fim de comparar a eergia embutida a fase de produção dos compoetes de cada sistema. Para este fim, utilizou-se a Equação 4. Obteve-se a eergia embutida e a massa dos compoetes e equipametos dos sistemas avaliados por meio de revisão da literatura e especificações técica (TAVARES, 2006; SCHNEIDER, 2010; FORTLEV, 2012). 1966

5 EE sist M EE EE sist = i= 1 ( M EE) i [Eq. 4] é a eergia embutida total durate a vida útil do sistema (MJ/vida útil); é a massa do compoete ou equipameto do sistema (kg/compoete); é a eergia embutida o material predomiate o compoete ou equipameto (MJ/kg). é o úmero de compoetes ou equipametos istalados ao logo da vida útil do sistema (compoete/vida útil). 2.5 Viabilidade ambietal Avaliou-se a viabilidade ambietal de cada estratégia cosiderado sua respectiva eergia embutida para o abastecimeto de água e o tratameto de esgoto (Equação 5). Com base o idicador de viabilidade ambietal, idetificou-se a estratégia com maior beefício ambietal meor cosumo de eergia durate a vida útil do sistema. I redução = EE D E EE ) + ( P E EE )) [Eq. 5] sist (( água água água esg esg esg I redução EE sist D água E água EE água P esg E esg EE esg é o idicador de viabilidade ambietal (MJ/vida útil); é a eergia embutida total durate a vida útil do sistema (MJ/vida útil); é a demada de água potável sem iterveções (m³/vida útil); é o potecial de ecoomia de água potável através de determiada estratégia (adimesioal); é o cosumo de eergia para o tratameto e a distribuição de água (MJ/m³); é a produção de efluetes domésticos sem iterveções (m³/vida útil); é o potecial de redução de esgoto através de determiada estratégia (adimesioal); é o cosumo de eergia para a coleta e o tratameto de esgoto (MJ/m³). O cosumo de eergia os sistemas públicos de água e esgoto de Floriaópolis é igual a 0,52 e 0,67 kwh/m³ (1,87 e 2,41 MJ/m³), respectivamete (SNIS, 2011). 3. RESULTADOS 3.1. Usos fiais de água Os resultados obtidos a estimativa dos usos fiais de água as residêcias avaliadas idicaram que o cosumo médio mesal estimado (11,1 m³/mês) apresetou valor próximo ao cosumo médio medido pela cocessioária (11,4 m³/mês); os volumes diferiram 2,6%. O úmero de ocupates por residêcia variou de dois a cico, sedo que o úmero médio de moradores foi de três pessoas. O cosumo médio de água per capita verificado foi de 128,3 litros/dia. A Figura 1 apreseta os usos fiais médios, máximos e míimos das residêcias estudadas. Com base os usos fiais médios apresetados a Figura 1, observou-se que o chuveiro foi o aparelho resposável pelo maior cosumo de água: 30% do cosumo total. Os usos fiais ão potáveis (descargas de bacias saitárias, taque e toreira extera) totalizaram 33% dos usos fiais médios de água das residêcias. O total máximo de usos fiais ão potáveis obtido a pesquisa foi de 50%, e o míimo de 9%. 1967

6 Chuveiro Pia Bacia saitária Lavadora de roupas Taque Toreira extera Lavatório 3% 7% 5% 11% 23% 21% 30% 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60% 65% 70% Figura 1 Usos fiais de água médios, máximos e míimos obtidos para a amostra de residêcias Potecial de ecoomia de água potável e redução de esgoto das estratégias O potecial de ecoomia de água potável das estratégias aplicadas a residêcia modelo foi estimado com base os resultados dos usos fiais médios. A Tabela 1 apreseta as variáveis de etrada utilizadas a simulação o programa Netuo para o dimesioameto do reservatório iferior do sistema de água pluvial. Tabela 1 Resultados utilizados as variáveis de etrada da simulação o programa Netuo. Dados de etrada Residêcia modelo Demada de água potável fixa (litros per capita/dia) 128,3 Número de moradores (pessoas) 3 Percetual de água potável a ser substituída por pluvial (%) 33 Reservatório superior (litros) 250 O potecial de ecoomia de água potável obtido com o aproveitameto de água pluvial idicado pelo programa Netuo foi de 31% do cosumo mesal total de água (Figura 2), equivalete a 3,5m³/mês, utilizado-se o volume ideal do reservatório iferior igual a litros. Com um reservatório de litros, ateder-se-ia completamete a demada de água pluvial, igual a 33% da demada total. Potecial de ecoomia de água potável (%) Volume do reservatório iferior (litros) Figura 2 Volume do reservatório iferior de água pluvial e potecial de ecoomia de água potável. O potecial de redução de efluetes domésticos com o aproveitameto de água pluvial é ulo. Para o reuso de água ciza, o potecial de ecoomia de água potável verificado por meio das Equações 1 e 2 foi igual a 21% (2,3m³/mês); equato o potecial de redução de esgoto foi igual a 24%, pois cosiderou-se o uso de água ciza para abastecer a descarga da bacia saitária, bem como o volume evaporado o sistema de tratameto. Para ateder a demada diária de água ciza de 79,8 litros/dia, adotou-se o volume de 100 litros para os reservatórios iferior e superior. Este volume é igual ao volume do reservatório comercial imediatamete superior à demada diária de água ciza. 1968

7 3.3. Eergia embutida As Tabelas 2 e 3 apresetam respectivamete a estimativa de eergia embutida os compoetes do sistema de aproveitameto de água pluvial e do sistema de reuso de água ciza, dimesioados para a residêcia modelo. Essas tabelas apresetam também a eergia embutida em mauteções e trocas de compoetes e o percetual de eergia de cada compoete em relação à eergia embutida o sistema. Tabela 2 - Eergia embutida o sistema de aproveitameto de água pluvial estudado. EE o Compoete do Peso Peso total EE Percetual Qtd Uid. material sistema/material (kg/u) (kg) (%) (MJ/kg) (MJ) Reservatório iferior de água pluvial litros 1 u 55,0 55, ,0 44 Reservatório superior de água pluvial litros 1 u 6,0 6, ,0 5 Tubulações - 25mm 15 m 3,9 58, ,0 40 Motobomba (1/4CV) 2 u 7,0 14, ,0 4 Dispositivos e acessórios 1 u 9,2 9, ,0 7 Eergia embutida iicial 11783,0 100 Eergia embutida em trocas de equipametos ao logo da vida útil (20 aos) Motobomba (1/4CV) 2 u 7,0 14, ,0 75 Válvula soleóide e bóia de ível 1 u 1,5 1, ,5 25 Eergia embutida em trocas/mauteções 576,5 100 Eergia embutida os compoetes do sistema de água pluvial 12359,5 - Compoete do sistema/material Tabela 3 - Eergia embutida o sistema de reuso de água ciza estudado. Qtd Uid. Peso (kg/u) Peso total (kg) EE (MJ/kg) EE o material (MJ) Percetual (%) Reservatório iferior de água ciza litros 1 u 3,8 3,8 95,0 361,0 3 Reservatório superior de água ciza litros 1 u 3,8 3,8 95,0 361,0 3 Tubulações - 25mm 17 m 3,9 66,3 80,0 5304,0 44 Tubulações esgoto - 40mm 15 m 0,4 6,0 80,0 480,0 4 Motobomba (1/4CV) 2 u 7,0 14,0 31,0 434,0 4 Acessórios 1 u - 6,0 95,0 570,0 5 Caixa receptora em PVC 1 u 1,5 1,5 80,0 120,0 1 Cocreto armado 1392,5 kg 1392,5 1392,5 3,1 4316,8 35 Brita 739,2 kg 739,2 739,2 0,2 110,9 1 Eergia embutida iicial 12057,6 100 Eergia embutida em trocas de equipametos ao logo da vida útil Motobomba (1/4CV) 2 u 7,0 14, ,0 75 Válvula soleóide e bóia de ível 1 u 1,5 1, ,5 25 Eergia embutida em trocas/mauteções 576,5 100 Eergia embutida os compoetes do sistema de reuso de água ciza 12634,1 -- Da aálise das Tabelas 2 e 3, verifica-se que a eergia embutida total estimada para o sistema de reuso de água ciza foi apeas 2% maior que a eergia estimada para o sistema de aproveitameto de água pluvial. Além disso, costatou-se que o reservatório iferior de água pluvial apresetou maior parcela de eergia embutida o sistema de aproveitameto de água 1969

8 pluvial; equato que tubulações em PVC represetaram os ites com maior eergia embutida o sistema de reuso de água ciza Viabilidade ambietal A viabilidade ambietal das estratégias foi avaliada por meio do idicador proposto, que demostra o sistema com meor cosumo de eergia durate a vida útil. A Tabela 4 apreseta a redução de esgoto, a ecoomia de água, a eergia embutida os compoetes e a viabilidade ambietal (cosumo de eergia total) de cada estratégia durate a vida útil dos sistemas (20 aos). Estratégias de uso racioal de água Aproveitameto de água pluvial Tabela 4 Resultados relativos à viabilidade ambietal as estratégias avaliadas. Redução de esgoto (m³/vida útil) - Ecoomia de água potável (m³/vida útil) Eergia embutida os compoetes do sistema (MJ/vida útil) Idicador de viabilidade ambietal (MJ/vida útil) 848, , ,7 Reuso de água ciza 639,4 559, ,1 9976,7 Com base os resultados apresetados a Tabela 4, as estratégias cosideradas apresetaram aproximadamete a mesma viabilidade ambietal para o período aalisado. A eergia embutida os compoetes do sistema de reuso de água ciza superou em 274,6 MJ a eergia embutida para o aproveitameto de água pluvial. Em 20 aos, a redução do cosumo de eergia para o sistema público de água e esgoto com a istalação do sistema de aproveitameto de água pluvial a residêcia modelo foi igual a 1587,8 MJ (12,85% de sua eergia embutida); com a istalação do sistema de reuso de água ciza, reduziu-se 2657,4 MJ (21,0% da eergia embutida). Assim, a escolha dos compoetes demostrou ter grade ifluêcia sobre a viabilidade ambietal dos sistemas. 4. CONCLUSÕES Este artigo teve como objetivo comparar a viabilidade ambietal do aproveitameto de água pluvial com o reuso de água ciza. A implemetação dos sistemas de aproveitameto de água pluvial e reuso de água ciza estudados a residêcia modelo apresetaram potecial de redução do cosumo de água potável de 31 e 21%, respectivamete. Cosiderado a redução de efluetes domésticos, somete o reuso de água ciza apreseta beefícios ambietais, pois a redução de efluete com o uso de água pluvial é ula. O sistema de reuso de água ciza apresetou potecial de redução de efluetes igual a 24%. Com relação à viabilidade ambietal, as estratégias apresetam resultados similares para o período estudado. O resultado do estudo demostra que a escolha de estratégias para o uso racioal de água deve ser criteriosa. A eergia ecoomizada os sistemas públicos de água e esgoto com a istalação dos sistemas de aproveitameto de água pluvial e reuso de água ciza correspode a 12,85% e 21,0% da eergia embutida em seus compoetes, respectivamete. Assim, cocluiu-se que a escolha dos compoetes ifluecia sigificativamete a viabilidade ambietal dos sistemas aalisados, pois a maior parcela da eergia icorporada os sistemas é associada à produção de seus compoetes. 1970

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