211service.com
En bys kamp for at løse sit spildevandsproblem med sensorer
Amerikas aldrende kloakker har brug for 1 billion dollars i reparationer, men embedsmænd i South Bend, Indiana, har en plan for at gøre dem klogere.
Lucy Hewett
28. april 2021I byen South Bend, Indiana, strømmer spildevand fra folks køkkener, håndvaske, vaskemaskiner og toiletter gennem 35 kloakledninger i nabolaget. På gode dage, lige før hver linje slutter, leder et lodret gasspjæld kloakvandet ind i et interceptorrør, som fører det til et renseanlæg, hvor faste forurenende stoffer og bakterier filtreres fra.
Som i mange amerikanske byer er disse rør kombineret med stormafløb - deraf udtrykket kombineret kloak , et design, der blev populært som en omkostningsbesparende foranstaltning i 1880'erne. Så på dårlige dage, hvor kraftig regn eller snesmeltning overvælder kapaciteten af interceptoren, går kloakvandet direkte ud i St. Joseph-floden. Dette er dårligt af mange grunde . Bakterier i fækalt stof gør floder usikre til svømning eller sejlads. Antibiotika-resistente bakterier fra hospitalsaffald slippes ud i naturen for at formere sig. Lægemidler, pesticider, plastik, tungmetaller og hormoner kommer ind i økosystemet. Måske værst af alt, tilstrømningen af næringsrigt organisk affald kan sætte skub i den løbske vækst af alger. Dette kan fylde floder og søer med giftigt slam, bringe dyreliv og drikkevandsforsyninger i fare.
Denne historie var en del af vores maj 2021-udgave
- Se resten af problemet
- Abonner
I teorien er Lov om rent vand af 1972 forbød byer (og andre forurenere) at sende deres affald direkte i floder. Men i praksis blev de ved med det. Environmental Protection Agency anslår, at mellem 23.000 og 75.000 sådanne overløbshændelser finder sted hvert år i USA. De er også et stort problem i Europa, hvor omkring 650.000 finder sted årligt, de fleste i ældre byer. Startende i midten af 1990'erne, det amerikanske justitsministerium sagsøgte byer herunder Atlanta, Los Angeles, Honolulu, Boston, Miami, Cincinnati og Toledo på vegne af EPA for overtrædelser af Clean Water Act. Den søgte samtykkedekreter - hvor lokale regeringer accepterer bindende vilkår for at forhindre strengere straffe - i mange flere kommuner.
I hele Amerika dumpes hvert år kombinerede kloakker 850 milliarder gallons råt spildevand ind i vandveje - omtrent den samme mængde vand, som Mississippi-floden årligt fører ind i Den Mexicanske Golf.
EPA havde advaret byen South Bend i årevis om dens sædvanlige forureningsproblem. I 2008, det hidtil værste år for storm- og spildevandsoverløb i dette århundrede, strømmede 2 milliarder gallons ubehandlet spildevand forbi interceptorrøret og ind i St. Joseph-floden.
Endelig, i 2011, tre dage før Pete Buttigieg tiltrådte som borgmester, tvang agenturet South Bend ind i et samtykkedekret, der i sidste ende krævede kloakopgraderinger for 863 millioner dollars. Regningen steg, med finansiering, til omkring $10.000 pr. beboer i en by i Rustbælte, hvor husstandens medianindkomst er under $40.000.
To tredjedele af Amerikas 800.000 miles af kloakker er over 60 år gamle; restaurering af disse rør kan koste mere end $1 billion.
South Bends historie om overvældet infrastruktur er desværre alt for almindelig. I sommeren 2011, omkring 250 miles mod øst, var en million acres af overfladen af Lake Erie, den fjerdestørste af de amerikanske og canadiske store søer, blevet dækket af en algeopblomstring forårsaget af kombineret kloakoverløb (sammen med landbrugs- og industriafstrømning) fra Toledo, Cleveland og andre byer. New York Times rapporteret koncentrationer af mikrocystin, et levertoksin, [i søen], der var 1.200 gange Verdenssundhedsorganisationens grænser, hvilket pletter drikkevandet for 2,8 millioner forbrugere.
To tredjedele af Amerikas 800.000 miles af kloakker er over 60 år gamle; restaurering af disse rør kan koste mere end $1 billion, ifølge American Water Works Association. American Society of Civil Engineers anslår, at forsyningsselskaber brugte 3 milliarder dollars i 2019 på at udskifte rør, hvilket var 81 milliarder dollars mindre, end gruppen regnede med, de skulle have brugt.
Kieran Fahey er ansvarlig for South Bends kloakkontrolplan.
LUCY HEWETT
Præsident Bidens for nylig annoncerede infrastrukturplan på 2 billioner dollars kan gå et stykke vej mod at lindre situationen, hvis den bliver lov. Som i øjeblikket skrevet, forslaget omfatter 56 mia i tilskud og billige lån til statslige og lokale myndigheder for at opgradere og modernisere drikkevands-, spildevands- og regnvandssystemer.
Når først pengeproblemet er løst, er der dog stadig spørgsmålet om, hvordan man præcist skal gøre opgraderingerne. En måde at eliminere overløb på ville være at adskille de kombinerede rør ved at skabe et helt nyt netværk af separate kloakker og stormafløb. (Dette ses generelt som uoverkommeligt dyrt.) En anden mulighed er at bygge ny infrastruktur for at øge overløbskapaciteten. Det er den tilgang, der tages i London, hvor en enorm tunnel på 4 milliarder pund (5,5 milliarder dollars) bliver gravet under Themsen, beregnet til at transportere spildevand fra 34 punkter, hvor det almindeligvis løber over til et renseanlæg 16 miles mod øst, begyndende i 2025.
Begge disse metoder falder ind under kategorien at lave større huller til at sætte større rør i. For byer, der er pengefattige, er den slags udgifter ofte uden for rækkevidde. Sådan var tilfældet i South Bend, som gik ind på en tredje rute: at gøre sine kloakker smartere.
I 2008 begyndte byen at installere et netværk af enheder, der målte spildevandsdybde og -flow på snesevis af punkter i dens kloakker. Derefter implementerede den i 2011 et realtidsstyringssystem med ventiler, der automatisk åbner og lukker som svar på sensordataene. Det var ikke det første sådan system; Quebec City havde oprettet et netværk i 1999. København, Berlin og Genova, blandt andre europæiske byer, begyndte også at installere overvågnings- og kontrolsystemer i realtid i slutningen af 1990'erne. Men South Bend er blandt pionererne.
De fleste byer i USA har et eller andet aspekt af kontrol i deres kloaksystem, siger Branko Kerkez, der forsker i smart-vand-systemer som professor i civil- og miljøteknik ved University of Michigan. South Bend blev plakatbarnet, fordi de virkelig operationaliserer det … de over-
instrumenterede [kloakken], så de kunne se, hvordan det hele ændrer sig i realtid.
Kieran Fahey, en høj og skægget irer, er ansvarlig for byens spildevandskontrolplan. Før han tog jobbet i 2015 – han fulgte efter sin kone, der havde fået job på University of Notre Dame – havde Fahey arbejdet for Irlands Environmental Protection Agency. Han var fyren på den anden side af skrivebordet, der fortalte lokalsamfundene, hvad de skulle gøre for at overholde reglerne for rent vand. I South Bend skal han finde ud af, om der er en måde at forhindre byen i at gå i stykker, mens han overholder EPA's mandat.
Vi forsøger at finde det søde sted, siger han. Forsøger ikke at korsfæste samfundet økonomisk, men forsøger også at sikre, at floden også bliver taget hånd om.
Siden sensorerne gik ind, er kloakoverløbet pr. tomme regn faldet fra 42,8 millioner gallons i 2008 til 6,9 millioner i 2020. Hvis det lykkes for Fahey, kan disse sensorer hjælpe med at reducere overløbene til nul.
South Bends sensornetværk er en efterkommer af kontrolbestræbelser, der går tilbage til 1960'erne. Forskellen kommer ned til dens størrelse og omfang: den sigter mod at kontrollere overløb over 600 miles af underjordiske rør.
Michael Lemmon studerer agentbaserede sensoraktuatornetværk ved Notre Dame.
LUCY HEWETTIndtil sensornetværket blev etableret, plejede et par byarbejdere i South Bend at køre rundt en gang om ugen, løfte brønddæksler op og kigge ned uden at bruge andet end deres øjne til at vurdere, hvor hurtigt kloakvandet flød. Hvis de så gunk tilstoppe en gasslange, hev de den ud med en krog. Under en storm skulle en byarbejder køre tværs over byen for at lukke en overløbsventil. Dette virkede til en vis grad for langvarige storme - men ikke for korte, intense regnskyl, som nogle gange forårsagede overløb, før nogen kunne gribe ind.
Skiftet til et mere systematisk, detaljeret og hurtigere system til indsamling af data tog år. Det blev sat i gang af Michael Lemmon, en professor ved Notre Dame, hvis campus ligger i byens nordlige udkant. I 2001 fik han et tilskud fra Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) for at se, hvad der kunne gøres med radioaktiverede mikrocontrollere i kreditkortstørrelse. Efter angrebene den 11. september blev projektet kommanderet for at se, om små sensorer kunne hjælpe med at finde Al Qaeda-krigere, der gemmer sig i huler.
Jeg var virkelig ikke særlig glad for at arbejde på disse militære applikationer, selvom det var vigtigt at gøre, siger Lemmon. Jeg tænkte på nogle andre måder, vi kunne se på sensorer.
I 2003 indså Lemmon og en gruppe andre ingeniører og forskere ved Notre Dame, at de måske kunne bruge dem til at gøre noget ved South Bends rutinemæssige kloakoverløb. I 2004 førte forskningsindsatsen til dannelsen af en virksomhed kaldet EmNet . Luis Montestruque, en iværksætterorienteret elektroingeniør, der havde arbejdet sammen med Lemmon på DARPA-projektet, mens han afsluttede sin doktorgrad, blev virksomhedens præsident.
EmNet pitchede sin idé til Gary Gilot, dengang South Bends direktør for offentlige arbejder. Gilot er en blødmælt, bedstefarsfigur, som altid er fascineret af nye ideer. (Som Fahey udtrykker det: Hvis du sagde: 'Jeg vil måle hvert træ i South Bend, fordi jeg føler, at det er i stand til at hjælpe os med klimaændringer,' ville Gary sige: 'Lad os gå videre og gøre det.')
Gilot var fascineret; At kigge ned i åbne brønde midt i trafikken for at se, om en kloakledning flyder over, virkede allerede bagvendt for ham. I 2005 gav han EmNet en sektion af kloak langs en bygade som en test for at se, om realtidsovervågning af spildevandsstrømme kunne fungere.
Der var problemer fra starten. Miljøet i kloakker er mildest talt uindbydende. For høj luftfugtighed tynger luften. Svovlsyre dannes altid. Temperatursvingninger er uophørlige og alvorlige, da varmt spildevand fra brusere og vaskemaskiner blandes med opsamlet regnvand. Metan og svovlbrinte, både meget brandfarlige og potentielt eksplosive gasser, er også konstante farer.
Den første enhed, vi installerede, var denne elektroniske tavle, siger Montestruque. Da vi åbnede strømboksen, var den væk – gået i opløsning. Så barskt er miljøet.
Da vi åbnede strømboksen, var den væk... opløst. Så barskt er miljøet.
Beskyttelse af elektronisk udstyr blev udfordringen. Hyldevarer til at måle vandflow og dybde, som EmNet besluttede at bruge til at sænke sine installationsomkostninger, var hårde nok til at modstå forholdene. Men de er modtagelige for funktionsfejl. Nogle sensorer skal, for at indsamle flowinformation baseret på trykaflæsninger, hænge i kloakvandet; de er tilbøjelige til at være mere nøjagtige, men en klud vildfarent toiletpapir kunne vikle sig rundt om dem og kaste en læsning af.
Til sidst satte EmNet, hvad det kalder noder, op på undersiden af brønddæksler. Hver node inkluderer en sensor, en mikroprocessor, en radio, en antenne og et lithium-ion-batteri. Sensorerne blev udsat for brusende spildevand, mens processoren, radioen og batteriet var anbragt inde i en eksplosionssikker boks – både for at beskytte mod korrosion og for at forhindre elektronikken eller batteriet i at antænde kloakgasser. Fastgørelse af knudepunkterne til brønddæksler betød, at vedligeholdelsespersonalet nemt kunne få adgang til dem.
På grund af dataene fra den indledende pilotsektion gav Gilot grønt lys til at udvide systemet og betalte EmNet $6 millioner for at installere sensorer i hele byen. Det gik officielt online i 2008, og EmNet fortsatte med at installere noder gennem 2010-150 i alt. Sensorerne hjalp ikke kun med at forhindre overløb i tilfælde af en storm, men tjente også til at opdage forhindringer i kloakledninger, der ellers kunne have ført til backups i boligkældre.
At forhindre et spildevandsoverløb kræver både ressourcer og viden. Før sensorerne kom i brug, skulle de hydrauliske modeller, som administratorer som Gilot brugte, antage ensartet nedbør over hele byen. Men regn kan være kraftig på den ene side af South Bend og let på en anden - hvilket betyder, at mens nogle kloakledninger i nabolaget er fyldt op, oplever andre næsten ikke noget flow.
Med sensorerne i brug var Gilots afdeling i stand til at fastslå, at placering af ni nye gasspjældrør i nabokloaker kunne reducere overløb drastisk. Fra og med 2010 begyndte EmNet at udstyre disse nye rør med mikroprocessor-udstyrede ventiler, der automatisk åbner og lukker som svar på realtidsberegninger, der måler kapaciteten af den interceptor-linje, de føder ind i.
Kieran Fahey med en sensor, der bruges til at måle vandtryk og flow i South Bends kloakker.
LUCY HEWETTI tider med kraftig nedbør vil ventilerne langs kloakker, hvor strømmen af regn- og spildevand er høj, automatisk åbne; hvor flowet er lavt, forbliver ventilerne lukkede. Dette skaber mere plads i interceptorrøret til de kloakker, der har brug for det. I det væsentlige havde Gilot og Montestruque lavet kilometer og miles af kloakrør gennem hele byen til en provisorisk lagertank: fordi kloakker med lavt flow ikke er i risiko for at løbe over, kan ubehandlet vand sidde i disse ledninger – ikke flyde ind i flod, ikke bakker ind i folks kældre, og ikke hogging plads på renseanlægget.
Vi fangede 23 % mere flow i vådt vejr bare ved at bruge det samme kloaksystem, som vi havde, men med smart overvågnings- og kontrolteknologi, siger Gilot.
Lastbalancering er ikke altid ligetil. Hvis der er kraftig regn i én del af en by, men ikke en anden, kan beregningen være forholdsvis nem – men hvad skal et system gøre, når det regner overalt? Selvom regnen er koncentreret i ét område, er det aldrig sikkert, om stormen flytter sig eller bliver på samme sted. Og selvfølgelig er der ingen, der ønsker, at et kloakrør brister af for stort tryk, især i et befolket område.
Montestruques løsning var en agent-baseret model, hvor ventiler ved overløbsomledningspunkter køber kapacitet fra interceptorrøret. Interceptorrørets diameter varierer, når det går gennem byen, hvilket komplicerer opgaven med at finde ud af dets kapacitet til at transportere affald til behandlingsanlægget på ethvert givet tidspunkt. Den markedsbaserede tilgang har den fordel, at den er beregningsmæssigt enklere end at forsøge fuldt ud at modellere den komplicerede væskedynamik i hele kloaksystemet.
Alligevel, som Kerkez fra University of Michigan påpeger, kan en smart række af sensorer og målere ikke skrue tiden tilbage på et aldrende kloaksystem. Alt har et bristepunkt, siger han. Hvad realtidskontrol har potentialet til at gøre, er at skubbe grænserne for det brydende punkt yderligere ud. Men der er ingen fejlsikker løsning.
Selv med de forbedringer, som Gilot havde foretaget, løb kloakkerne stadig over for ofte til EPA's smag - derfor 2011-godkendelsesdekretet. Da Fahey ankom til South Bend, arvede han et optimeret kloaksystem, som ikke desto mindre skubbede sine grænser.
For at stoppe overløb bad EPA byen om at bygge syv underjordiske tanke til at opbevare overskydende regnvand og spildevand. Mange byer med kombinerede kloaksystemer bruger denne tilgang. Tankene kunne rumme op til 8,7 millioner gallons; når en stor storm passerer forbi, kan urenset vand pumpes fra tankene ind i interceptorrøret og til renseanlægget. De kampvogne, som Fahey overvejede, var dyre. Desuden var deres foreslåede placeringer baseret på gamle regnvandsmodeller, der forudsagde, hvor overløb måtte ske. To store, populære parker med modne træer skulle ofres.
Samfundet var lidt oppe i armene med det, der blev foreslået, siger Fahey. Det var bare ikke muligt i South Bend. Samtidig putter vi spildevand i åen, og det er egentlig heller ikke tilladt.
En aften i 2016 mødtes Fahey med Montestruque til øl på en lokal gastropub. Fahey var nysgerrig efter at se, om byen kunne finde måder at presse flere gevinster ud af sit sensorbelastede kloaksystem. De to indså, at de samme sensordata, som de havde brugt til realtidsstyring af deres eksisterende kloakinfrastruktur, også kunne hjælpe dem med at planlægge fremtiden. Vi sagde: 'Hør, med alle disse data, vi har, burde vi være i stand til at komme med en hyperpræcis repræsentation af, hvordan systemet opfører sig,' husker Montestruque.
EmNet-grundlæggeren Luis Montestruque (til højre) og den første medarbejder Tim Ruggaber ved bredden af St. John-floden.
LUCY HEWETTVed design af et kloaksystem eller planlægning af infrastrukturopgraderinger bruger ingeniører modeller og gør visse antagelser. De beregner, hvad de tror kan ske, baseret på hvad-hvis-scenarier styret af snesevis af variabler: mængden af nedbør på et år, for eksempel, eller mængden af vand, der vil blive i kloaksystemet i modsætning til at flyde over i en flod. Men i løbet af den tid, byen har haft et smart-kloaksystem, er der faldet enhver form for regn, man kan forestille sig, på South Bend. Og fordi sensorerne har set dette ske hele tiden, kan byen se på dataene for at se, hvordan kloakkerne vil reagere. I stedet for at forsøge at forudsige, hvad der kunne ske, er vi i stand til at sige, hvad der skete, og derfor hvad der vil ske igen, siger Fahey.
Du vil aldrig løse et problem med kun smart infrastruktur.'
Det var et kommunalt internet of things-projekt. Med EmNets hjælp analyserede Fahey sensoraflæsningerne og fandt ud af, at EPA-planen, der kræver syv tanke til en pris af $863 millioner, kunne strømlines til en fire-tank plan, der kun ville koste $276 millioner. En del af årsagen til den store forskel i omkostninger kommer tilbage til disse modeller. I enhver kloakmodel, siger Fahey, vil ingeniører tilføje en smule ekstra for at tage højde for en utæt tank, en knækkende linje, en storm en gang i et århundrede. Til sidst bliver der lagt så meget margin på, at det endelige design er langt mere infrastrukturtungt end nødvendigt. Designere af kloaknetværk forudser i vid udstrækning, at klimaændringer vil gøre deres liv hårdere ved at øge hyppigheden af intense storme. Ideen med at bruge dataene er at forstå, hvordan storme har en tendens til at påvirke strømmen af vand gennem det komplicerede system af rør i et bynetværk.
Forskellen mellem hvad-hvis-er og hvad-der-skede er dollars. Det er det store, siger Fahey. Du er i stand til at spare alle disse penge ved at designe specifikt til dine behov, i modsætning til hvad du tror, du måske har brug for.
I løbet af de sidste mange år har byen South Bend hashgjort sit nye infrastrukturforslag med embedsmænd ved EPA, som stadig mangler at give det føderal godkendelse. Ud over de fire lagertanke kræver planen også grøn infrastruktur, som regnhaver, og et løfte om at øge kapaciteten af byens spildevandsrensningsanlæg fra dets nuværende 77 millioner gallons om dagen til 100 millioner gallons om dagen.
EmNet installerer i mellemtiden sensorsystemer i andre byer. Fra dette år havde den projekter i gang i Grand Rapids, Michigan; Dayton, Ohio; og Buffalo, New York. Dets hidtil største projekt, efter dets arbejde i South Bend, involverede implementering af et lignende system i Kansas City, Missouri, som også følte belastningen af et EPA-godkendelsesdekret. Kloakledninger i Kansas City er tæt på 160 år gamle, og den lokale regering kæmpede for at forhindre overløb i Missouri-floden. Nu er Kansas Citys kloakker udstyret med 300 sensorer, som byens ledere forventer vil spare byen for omkring 1 milliard dollars i infrastrukturomkostninger. Og ligesom South Bend forsøger byen nu at genforhandle sin aftale med EPA.
En automatisk kloakventilaktuator, der justerer flowet til renseanlægget.
LUCY HEWETTEfterhånden som befolkningen vokser, kan smarte sensorer købe byer tid, indtil der kræves større rør, større rør og større huller. Det er selvfølgelig ikke en perfekt løsning. For det første betyder introduktion af netværksbaserede realtidskontroller også nye sårbarheder over for softwarefejl og hacking. Du vil aldrig løse et problem med kun smart infrastruktur, siger Fahey.
Alligevel, da Fahey gik langs bredden af St. Joseph-floden sidste vinter, mens sneen knasede under hans fødder, var en tanke altid til stede i hans sind. I tidligere år på sådan en dag, med let sne og en vis smeltning, ville et par tusinde liter ubehandlet spildevand løbe ud i floden. Det ville have været let at se, hvor Fahey stod. Men den eftermiddag var floden rolig. Det så rent ud. Og kloakkerne nedenfor hastede slet ikke.
Rettelse: Denne artikel sagde oprindeligt, at Notre Dame er nær den sydlige grænse af byen South Bend. Det er faktisk tæt på den nordlige grænse. Vi beklager fejlen.