211service.com
En stads kamp för att lösa sitt avloppsproblem med sensorer
Amerikas åldrande avlopp behöver 1 biljon dollar i reparationer, men tjänstemän i South Bend, Indiana, har en plan för att göra dem smartare.
Lucy Hewett
28 april 2021I staden South Bend, Indiana, rinner avloppsvatten från människors kök, handfat, tvättmaskiner och toaletter genom 35 avloppsledningar i grannskapet. Under bra dagar, precis innan varje ledning slutar, leder ett vertikalt gasrör avloppet till ett avloppsrör som leder det till ett reningsverk där fasta föroreningar och bakterier filtreras bort.
Som i många amerikanska städer kombineras dessa rör med stormavlopp - därav termen kombinerat avlopp , en design som blev populär som en kostnadsbesparande åtgärd på 1880-talet. Så på dåliga dagar, när kraftiga regn eller snösmältning överväldigar kapaciteten hos interceptorn, går avloppsvattnet rakt ut i St. Joseph River. Detta är dåligt av många anledningar . Bakterier i fekalt material gör floder osäkra för simning eller båtliv. Antibiotikaresistenta bakterier från sjukhusavfall släpps ut i naturen för att föröka sig. Läkemedel, bekämpningsmedel, plast, tungmetaller och hormoner kommer in i ekosystemet. Det kanske värsta av allt är att inflödet av näringsrikt organiskt skräp kan underblåsa den skenande tillväxten av alger. Detta kan fylla floder och sjöar med giftigt slam, äventyra vilda djur och dricksvatten.
Den här historien var en del av vårt majnummer 2021
- Se resten av frågan
- Prenumerera
I teorin är 1972 års lag om rent vatten förbjöd städer (och andra förorenare) att skicka sitt avfall direkt i floder. Men i praktiken höll de på med det. Environmental Protection Agency uppskattar att mellan 23 000 och 75 000 sådana översvämningsincidenter äger rum varje år i USA. De är också ett stort problem i Europa, där cirka 650 000 äger rum årligen, de flesta i äldre städer. Med början i mitten av 1990-talet, USA:s justitiedepartementet stämde städer inklusive Atlanta, Los Angeles, Honolulu, Boston, Miami, Cincinnati och Toledo på uppdrag av EPA för brott mot Clean Water Act. Den sökte samtyckesdekret – där lokala myndigheter går med på bindande villkor för att förhindra hårdare straff – i många fler kommuner.
Över hela Amerika dumpar kombinerade avlopp varje år 850 miljarder liter råavloppsvatten in i vattenvägar - ungefär samma mängd vatten som Mississippifloden årligen leder in i Mexikanska golfen.
EPA hade varnat staden South Bend i flera år om dess vanliga föroreningsproblem. År 2008, dess värsta år för översvämning av storm och avloppsvatten hittills detta århundrade, rann 2 miljarder liter orenat avloppsvatten förbi interceptorröret och in i St. Joseph River.
Slutligen, 2011, tre dagar innan Pete Buttigieg tillträdde som borgmästare, tvingade byrån South Bend till ett samtyckesdekret, som slutligen krävde 863 miljoner dollar i avloppsuppgraderingar. Notan ökade, med finansiering, till cirka 10 000 USD per invånare i en stad i Rustbältet där hushållets medianinkomst är under 40 000 USD.
Två tredjedelar av USA:s 800 000 miles av avlopp är över 60 år gamla; Att återställa dessa rör kan kosta mer än 1 biljon dollar.
South Bends historia om överväldigad infrastruktur är tyvärr alltför vanlig. Sommaren 2011, cirka 250 miles österut, hade en miljon hektar av ytan av Lake Erie, den fjärde största av USA:s och kanadensiska stora sjöarna, täckts av en algblomning orsakas av kombinerade avloppsvatten (tillsammans med jordbruks- och industriavrinning) från Toledo, Cleveland och andra städer. The New York Times rapporterad koncentrationer av mikrocystin, ett levertoxin, [i sjön] som var 1 200 gånger Världshälsoorganisationens gränser, vilket försämrade dricksvattnet för 2,8 miljoner konsumenter.
Två tredjedelar av USA:s 800 000 miles av avlopp är över 60 år gamla; Att återställa dessa rör kan kosta mer än 1 biljon dollar, enligt American Water Works Association. American Society of Civil Engineers uppskattar att energibolagen spenderade 3 miljarder USD 2019 för att byta ut rör, vilket var 81 miljarder USD mindre än vad gruppen trodde att de borde ha spenderat.
Kieran Fahey är ansvarig för South Bends avloppskontrollplan.
LUCY HEWETT
President Bidens nyligen tillkännagivna infrastrukturplan på 2 biljoner dollar kan bidra till att lindra situationen, om den blir lag. Som nu skrivet, förslaget inkluderar 56 miljarder dollar i bidrag och lågkostnadslån till statliga och lokala myndigheter för att uppgradera och modernisera dricksvatten-, avlopps- och dagvattensystem.
När pengarna har åtgärdats, men det finns fortfarande frågan om hur man ska gå tillväga för att göra uppgraderingarna. Ett sätt att eliminera bräddavlopp skulle vara att separera de kombinerade rören genom att skapa ett helt nytt nätverk av separata avlopp och stormbrunnar. (Detta ses i allmänhet som oöverkomligt dyrt.) Ett annat alternativ är att bygga ny infrastruktur för att öka bräddkapaciteten. Det är tillvägagångssättet i London, där en enorm tunnel på 4 miljarder pund (5,5 miljarder dollar) grävs under Themsen, avsedd att transportera avloppsvatten från 34 punkter där det vanligtvis svämmar över till ett reningsverk 16 miles österut, med början i 2025.
Båda dessa metoder faller inom kategorin att göra större hål för att lägga större rör. För städer som inte har några pengar är den typen av utgifter ofta utom räckhåll. Så var fallet i South Bend, som gick in på en tredje väg: att göra sina avlopp smartare.
2008 började staden installera ett nätverk av enheter som mätte avloppsdjup och flöde på dussintals punkter i dess avlopp. Sedan, 2011, implementerade den ett kontrollsystem i realtid, med ventiler som automatiskt öppnas och stänger som svar på sensordata. Det var inte det första sådana systemet; Quebec City hade lagt upp ett nätverk 1999. Köpenhamn, Berlin och Genua, bland andra europeiska städer, började också installera övervaknings- och kontrollsystem i realtid i slutet av 1990-talet. Men South Bend är bland pionjärerna.
De flesta städer i USA har någon aspekt av kontroll i sina avloppssystem, säger Branko Kerkez, som forskar om smarta vattensystem som professor i civil- och miljöteknik vid University of Michigan. South Bend blev affischbarnet eftersom de verkligen operationaliserar det ... de över-
instrumenterade [avloppet] så att de kunde se hur det hela förändras i realtid.
Kieran Fahey, en lång och skäggig irländare, är ansvarig för stadens kontrollplan för avloppsvatten. Innan han tog jobbet 2015 – han följde efter sin fru, som hade fått jobb vid University of Notre Dame – hade Fahey arbetat för Irlands miljöskyddsmyndighet. Han var killen på andra sidan skrivbordet som berättade för samhällen vad de skulle göra för att följa bestämmelserna om rent vatten. I South Bend måste han ta reda på om det finns ett sätt att hindra staden från att gå sönder samtidigt som han följer EPA:s mandat.
Vi försöker hitta den söta platsen, säger han. Försöker att inte korsfästa samhället ekonomiskt, men försöker också se till att floden tas om hand också.
Sedan sensorerna gick in har avloppsbrädden per tum regn sjunkit från 42,8 miljoner gallon 2008 till 6,9 miljoner 2020. Om Fahey lyckas kan dessa sensorer hjälpa till att minska brädden till noll.
South Bends sensornätverk är en ättling till kontrollinsatser som går tillbaka till 1960-talet. Skillnaden beror på dess storlek och omfattning: den syftar till att kontrollera översvämningar över 600 miles av underjordiska rör.
Michael Lemmon studerar agentbaserade sensormanöverdonsnätverk vid Notre Dame.
LUCY HEWETTTills sensornätverket kom på plats brukade ett par stadsarbetare i South Bend köra runt en gång i veckan, lyfta upp brunnslock och titta ner, utan att använda annat än sina ögon för att uppskatta hur snabbt avloppsvattnet rann. Om de såg gunk som täppte till en gasslang, lyfte de ut den med en krok. Under en storm måste en stadsarbetare köra tvärs över staden för att stänga en överströmningsventil. Detta fungerade i viss mån för långvariga stormar - men inte för korta, intensiva regn, som ibland orsakade översvämningar innan någon kunde vidta åtgärder.
Övergången till ett mer systematiskt, detaljerat och snabbare system för insamling av data tog år. Det sattes igång av Michael Lemmon, professor vid Notre Dame, vars campus ligger i stadens norra utkant. 2001 fick han ett anslag från Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) för att se vad som kunde göras med radioaktiverade mikrokontroller i kreditkortsstorlek. Efter attackerna den 11 september beordrades projektet för att se om små sensorer kunde hjälpa till att hitta Al Qaida-krigare som gömde sig i grottor.
Jag var verkligen inte särskilt nöjd med att arbeta med de här militära ansökningarna, även om det var viktigt att göra, säger Lemmon. Jag funderade på några andra sätt att se på sensorer.
2003 insåg Lemmon och en grupp andra ingenjörer och forskare vid Notre Dame att de kanske skulle kunna använda dem för att göra något åt South Bends rutinmässiga avloppsspill. 2004 ledde forskningssatsningen till bildandet av ett företag som heter EmNet . Luis Montestruque, en entreprenöriellt sinnad elektriker som hade arbetat med Lemmon på DARPA-projektet medan han avslutade sin doktorsexamen, blev företagets president.
EmNet presenterade sin idé för Gary Gilot, då South Bends chef för offentliga arbeten. Gilot är en mjuk, farfarslig figur, ständigt fascinerad av nya idéer. (Som Fahey uttrycker det: Om du sa: 'Jag vill mäta varje träd i South Bend för att jag känner att det kan hjälpa oss med klimatförändringarna', skulle Gary säga: 'Låt oss gå vidare och göra det.')
Gilot var fascinerad; Att titta ner i öppna brunnar mitt i trafiken för att se om en avloppsledning svämmar över verkade redan bakåtsträvande för honom. 2005 gav han EmNet en sektion av avlopp längs en stadsgata som ett test, för att se om realtidsövervakning av avloppsflöden kunde fungera.
Det var problem redan från början. Miljön i avlopp är minst sagt föga inbjudande. Överdriven luftfuktighet tynger ner luften. Svavelsyra bildas alltid. Temperatursvängningar är oupphörliga och allvarliga, eftersom hett avloppsvatten från duschar och tvättmaskiner blandas med infångat regnvatten. Metan och vätesulfid, både mycket brandfarliga och potentiellt explosiva gaser, är också konstanta faror.
Den första enheten som vi installerade var den här elektroniska kortet, säger Montestruque. När vi öppnade elboxen var den borta – sönderfallen. Så hård är miljön.
När vi öppnade elboxen var den borta... upplöstes. Så hård är miljön.
Att skydda elektronisk utrustning blev utmaningen. Hyllan för att mäta vattenflöde och djup, som EmNet bestämde sig för att använda för att sänka sina installationskostnader, var tillräckligt tuffa för att klara förhållandena. Men de är känsliga för funktionsfel. Vissa sensorer måste hänga i avloppet för att kunna samla in flödesinformation baserad på tryckavläsningar; de tenderar att vara mer exakta, men en bunt vilseledande toalettpapper kan lindas runt dem och kasta av sig en läsning.
Så småningom satte EmNet upp vad det kallar noder på undersidan av brunnslock. Varje nod inkluderar en sensor, en mikroprocessor, en radio, en antenn och ett litiumjonbatteri. Sensorerna utsattes för forsande avloppsvatten medan processorn, radion och batteriet var inrymt i en explosionssäker låda – både för att skydda mot korrosion och för att hålla elektroniken eller batteriet från att antända avloppsgaser. Att fästa noderna till brunnslock innebar att underhållspersonalen lätt kunde komma åt dem.
På grundval av data från den första pilotsektionen gav Gilot klartecken för att utöka systemet och betalade EmNet 6 miljoner dollar för att installera sensorer över hela staden. Det gick officiellt online 2008, och EmNet fortsatte att installera noder under 2010—150 totalt. Sensorerna hjälpte inte bara till att förhindra översvämningar i händelse av en storm utan tjänade också till att upptäcka hinder i avloppsledningar som annars kunde ha lett till backup i bostadskällare.
Att förhindra ett avloppsspill kräver både resurser och kunskap. Innan sensorerna togs i bruk, var de hydrauliska modellerna som administratörer som Gilot använde tvungna att anta enhetlig nederbörd över hela staden. Men regn kan vara tungt på ena sidan av South Bend och lätt på en annan – vilket betyder att medan vissa avloppsledningar i grannskapet är fulla, upplever andra knappt något flöde.
Med sensorerna i bruk kunde Gilots avdelning fastställa att placering av nio nya gasrör i grannavlopp drastiskt kunde minska brädden. Från och med 2010 började EmNet utrusta dessa nya rör med mikroprocessorutrustade ventiler som automatiskt öppnas och stänger som svar på realtidsberäkningar som mäter kapaciteten hos interceptorlinjen de matas in i.
Kieran Fahey med en sensor som används för att mäta vattentryck och flöde i South Bends avlopp.
LUCY HEWETTI tider av kraftigt regn öppnas ventilerna längs avloppsledningar där flödet av dagvatten och avloppsvatten är högt automatiskt; där flödet är lågt förblir ventilerna stängda. Detta skapar mer utrymme i interceptorröret för de avlopp som behöver det. I huvudsak hade Gilot och Montestruque gjort mil och mil av avloppsrör genom hela staden till en provisorisk lagringstank: eftersom avloppen med lågt flöde inte riskerar att svämma över, kan orenat vatten sitta i dessa ledningar – inte svämma över i floden, att inte backa in i folks källare och inte trampa utrymme vid reningsverket.
Vi fångade 23 % mer flöde i vått väder bara genom att använda samma avloppssystem som vi hade, men med smart övervaknings- och kontrollteknik, säger Gilot.
Lastbalansering är inte alltid okomplicerad. Om det är kraftigt regn i en del av en stad men inte i en annan, kan beräkningen vara relativt enkel – men vad ska ett system göra när det regnar överallt? Även om regnet är koncentrerat till ett område är det aldrig säkert om stormen rör sig eller stannar på samma plats. Och naturligtvis vill ingen att ett avloppsrör ska brista av för högt tryck, särskilt i ett befolkat område.
Montestruques lösning var en agentbaserad modell där ventiler vid bräddavledningspunkter köper kapacitet från interceptorröret. Interceptorrörets diameter varierar när det går genom staden, vilket komplicerar uppgiften att ta reda på dess förmåga att transportera avfall till reningsverket när som helst. Det marknadsbaserade tillvägagångssättet har fördelen att det är beräkningsmässigt enklare än att helt försöka modellera den komplicerade vätskedynamiken i hela avloppssystemet.
Ändå, som Kerkez vid University of Michigan påpekar, kan en smart samling sensorer och mätare inte vrida tillbaka klockan på ett åldrande avloppssystem. Allt har en brytpunkt, säger han. Vad realtidskontroll har potential att göra är att tänja på gränserna för den brytpunkten ytterligare. Men det finns ingen felsäker lösning.
Även med de förbättringar som Gilot hade gjort, svämmade avloppen fortfarande över för ofta för EPA:s smak - därav 2011 års samtyckesdekret. När Fahey anlände till South Bend ärvde han ett optimerat avloppssystem som ändå tänjde på sina gränser.
För att stoppa översvämningar bad EPA staden att bygga sju underjordiska tankar för att lagra överskott av dagvatten och avloppsvatten. Många städer med kombinerade avloppssystem använder detta tillvägagångssätt. Tankarna kunde rymma upp till 8,7 miljoner gallon; när en stor storm väl passerar kan orenat vatten pumpas från tankarna in i interceptorröret och till reningsverket. Tankarna som Fahey funderade på var dyra. Dessutom var deras föreslagna platser baserade på gamla dagvattenmodeller som förutspådde var översvämningar skulle hända. Två stora populära parker med uppvuxna träd skulle behöva offras.
Gemenskapen var typ upp i armarna med vad som föreslogs, säger Fahey. Det var helt enkelt inte genomförbart i South Bend. Samtidigt släpper vi avloppsvatten i floden, och det är inte heller tillåtet.
En kväll 2016 träffade Fahey Montestruque för öl på en lokal gastropub. Fahey var nyfiken på att se om staden kunde hitta sätt att pressa ut mer vinster ur sitt sensorbelastade avloppssystem. De två insåg att samma sensordata som de hade använt för realtidskontroll av sin befintliga avloppsinfrastruktur också kunde hjälpa dem att planera för framtiden. Vi sa: 'Lyssna, med all denna data vi har borde vi kunna komma med en hyperexakt representation av hur systemet beter sig', minns Montestruque.
EmNet-grundaren Luis Montestruque (höger) och förste anställde Tim Ruggaber vid stranden av floden St. John.
LUCY HEWETTVid utformning av ett avloppssystem eller planering av infrastrukturuppgraderingar använder ingenjörer modeller och gör vissa antaganden. De beräknar vad de tror kan hända baserat på vad-om-scenarier som styrs av dussintals variabler: mängden nederbörd på ett år, till exempel, eller mängden vatten som kommer att stanna i avloppssystemet i motsats till att svämma över i en flod. Men under den tid som staden har haft ett smart avloppssystem har alla typer av regn som kan tänkas falla på South Bend. Och eftersom sensorerna har sett detta hända hela tiden, kan staden titta på data för att se hur avloppen kommer att reagera. Istället för att försöka förutsäga vad som kan hända, kan vi säga vad som hände, och därför vad som kommer att hända igen, säger Fahey.
Du kommer aldrig att lösa ett problem med bara smart infrastruktur.'
Det var ett kommunalt internet of things-projekt. Med EmNets hjälp analyserade Fahey sensoravläsningarna och fann att EPA-planen som kräver sju tankar till en kostnad av 863 miljoner dollar kunde strömlinjeformas till en plan med fyra tankar som bara skulle kosta 276 miljoner dollar. En del av anledningen till den stora skillnaden i kostnad kommer tillbaka till dessa modeller. I alla avloppsmodeller, säger Fahey, kommer ingenjörer att lägga till lite extra för att ta hänsyn till en läckande tank, en sprickbildning, en storm som inträffar en gång i århundradet. Så småningom läggs så mycket marginal på att den slutliga designen är mycket mer infrastrukturtung än nödvändigt. Konstruktörer av avloppsnätverk förutser allmänt att klimatförändringarna kommer att göra deras liv tuffare genom att öka frekvensen av intensiva stormar. Tanken med att använda data är att bättre förstå hur stormar tenderar att påverka flödet av vatten genom det komplicerade rörsystemet i ett stadsnät.
Skillnaden mellan vad-om och vad-hände är dollar. Det är det stora, säger Fahey. Du kan spara alla dessa pengar genom att designa specifikt efter dina behov, i motsats till vad du tror att du kan behöva.
Under de senaste åren har staden South Bend hashlagt sitt nya infrastrukturförslag med tjänstemän vid EPA, som fortfarande behöver ge det federalt godkännande. Utöver de fyra lagringstanken, kräver planen också grön infrastruktur, som regnträdgårdar, och ett löfte om att öka kapaciteten på stadens reningsverk från dess nuvarande 77 miljoner liter per dag till 100 miljoner liter per dag.
EmNet, under tiden, installerar sensorsystem i andra städer. Från och med i år hade det projekt på gång i Grand Rapids, Michigan; Dayton, Ohio; och Buffalo, New York. Dess största projekt hittills, efter sitt arbete i South Bend, involverade implementering av ett liknande system i Kansas City, Missouri, som också kände påfrestningen av ett EPA-medgivandedekret. Avloppsledningar i Kansas City är nära 160 år gamla, och den lokala regeringen kämpade för att förhindra översvämningar i Missourifloden. Nu är Kansas Citys avlopp utrustade med 300 sensorer, vilket stadschefer förväntar sig kommer att spara staden cirka 1 miljard dollar i infrastrukturkostnader. Och, precis som South Bend, försöker staden nu omförhandla sitt avtal med EPA.
Ett automatiskt avloppsventilställdon som justerar flödet till reningsverket.
LUCY HEWETTNär befolkningen växer kan smarta sensorer köpa städer tid tills större rör, större rör och större hål kommer att krävas. Det är naturligtvis ingen perfekt lösning. För det första innebär införandet av nätverksanslutna realtidskontroller också nya sårbarheter för mjukvarufel och hacking. Du kommer aldrig att lösa ett problem med bara smart infrastruktur, säger Fahey.
Ändå, när Fahey gick längs floden St. Joseph i vintras, med snön knasande under hans fötter, fanns en tanke alltid närvarande i hans sinne. Tidigare år en sådan dag, med lätt snö och viss smältning, skulle några tusen liter orenat avloppsvatten spilla ut i floden. Det skulle ha varit lätt att se var Fahey stod. Men den eftermiddagen var floden lugn. Det såg rent ut. Och avloppen nedanför hastade inte alls.
Korrektion: Den här artikeln sa ursprungligen att Notre Dame ligger nära den södra gränsen till staden South Bend. Det är faktiskt nära den norra gränsen. Vi beklagar felet.