En bys kamp for å løse kloakkproblemet med sensorer

Amerikas aldrende kloakk trenger 1 billion dollar i reparasjoner, men tjenestemenn i South Bend, Indiana, har en plan for å gjøre dem smartere.





lyd bøy elv

Lucy Hewett

  • Andrew Zaleski arkivside
28. april 2021

I byen South Bend, Indiana, renner avløpsvann fra folks kjøkken, vasker, vaskemaskiner og toaletter gjennom 35 kloakkledninger i nabolaget. På gode dager, rett før hver linje slutter, leder et vertikalt gassrør kloakken over i et avskjæringsrør, som fører det til et renseanlegg hvor faste forurensninger og bakterier filtreres ut.

Som i mange amerikanske byer, er disse rørene kombinert med stormavløp - derav begrepet kombinert kloakk , et design som ble populært som et kostnadsbesparende tiltak på 1880-tallet. Så på dårlige dager, når kraftig regn eller snøsmelting overvelder kapasiteten til avskjæreren, går kloakken rett ut i St. Joseph-elven. Dette er dårlig av mange grunner . Bakterier i avføring gjør elver utrygge for bading eller båtliv. Antibiotikaresistente bakterier fra sykehusavfall slippes ut i naturen for å formere seg. Legemidler, plantevernmidler, plast, tungmetaller og hormoner kommer inn i økosystemet. Kanskje det verste av alt er at tilstrømningen av næringsrikt organisk avfall kan gi næring til den løpende veksten av alger. Dette kan fylle elver og innsjøer med giftig slam, sette dyrelivet og drikkevannsforsyninger i fare.



Byer-spørsmålet

Denne historien var en del av mai 2021-utgaven vår

  • Se resten av saken
  • Abonnere

I teorien er Lov om rent vann fra 1972 forbød byer (og andre forurensere) å sende avfallet direkte i elvene. Men i praksis holdt de på med det. Environmental Protection Agency anslår at mellom 23 000 og 75 000 slike overløpshendelser finner sted hvert år i USA. De er også et stort problem i Europa, hvor rundt 650 000 finner sted årlig, de fleste i eldre byer. Fra midten av 1990-tallet, det amerikanske justisdepartementet saksøkte byer inkludert Atlanta, Los Angeles, Honolulu, Boston, Miami, Cincinnati og Toledo på vegne av EPA for brudd på Clean Water Act. Den søkte samtykkedekreter - der lokale myndigheter godtar bindende vilkår for å forhindre strengere straffer - i mange flere kommuner.

Over hele Amerika dumper kombinerte kloakk hvert år 850 milliarder liter rå kloakk inn i vannveier - omtrent samme mengde vann som Mississippi-elven årlig fører inn i Mexicogulfen.



EPA hadde advart byen South Bend i årevis om det vanlige forurensningsproblemet. I 2008, det verste året for overløp av storm og avløpsvann så langt dette århundret, strømmet 2 milliarder liter ubehandlet kloakk forbi interceptorrøret og inn i St. Joseph River.

Til slutt, i 2011, tre dager før Pete Buttigieg tiltrådte som ordfører, tvang byrået South Bend inn i et samtykkedekret, og krevde til slutt 863 millioner dollar i kloakkoppgraderinger. Regningen summerte seg, med finansiering, til rundt $10.000 per innbygger i en Rust Belt-by der medianinntekten for husholdningen er under $40.000.

To tredjedeler av USAs 800 000 miles med kloakk er over 60 år gamle; Å gjenopprette disse rørene kan koste mer enn 1 billion dollar.



South Bends historie om overveldet infrastruktur er dessverre altfor vanlig. Sommeren 2011, omtrent 250 miles mot øst, hadde en million dekar av overflaten til Lake Erie, den fjerde største av de amerikanske og kanadiske store innsjøene, blitt dekket av en algeoppblomstring forårsaket av kombinert kloakkoverløp (sammen med landbruks- og industriavrenning) fra Toledo, Cleveland og andre byer. New York Times rapportert konsentrasjoner av mikrocystin, et levertoksin, [i innsjøen] som var 1200 ganger Verdens helseorganisasjons grenser, og forurenset drikkevannet for 2,8 millioner forbrukere.

To tredjedeler av USAs 800 000 miles med kloakk er over 60 år gamle; Å gjenopprette disse rørene kan koste mer enn 1 billion dollar, ifølge American Water Works Association. American Society of Civil Engineers anslår at verktøy brukte 3 milliarder dollar i 2019 på å erstatte rør, som var 81 milliarder dollar mindre enn gruppen regnet med at de burde ha brukt.

Kieran Fahey er ansvarlig for South Bends kloakkkontrollplan.



LUCY HEWETT

President Bidens nylig annonserte infrastrukturplan på 2 billioner dollar kan gå et stykke mot å lindre situasjonen, hvis den blir lov. Som nå skrevet, forslaget inkluderer 56 milliarder dollar i tilskudd og lavkostlån til statlige og lokale myndigheter for å oppgradere og modernisere drikkevann, avløpsvann og overvannssystemer.

Når pengeproblemet er løst, er det imidlertid fortsatt spørsmålet om hvordan man skal gjøre oppgraderingene. En måte å eliminere overløp på ville være å skille de kombinerte rørene ved å lage et helt nytt nettverk av separate kloakk og stormavløp. (Dette blir generelt sett på som uoverkommelig dyrt.) Et annet alternativ er å bygge ny infrastruktur for å øke overløpskapasiteten. Det er tilnærmingen som blir tatt i London, hvor en enorm tunnel på 4 milliarder pund (5,5 milliarder dollar) blir gravd under Themsen, beregnet på å frakte kloakk fra 34 punkter der det vanligvis renner over til et renseanlegg 16 mil mot øst, som begynner i 2025.

Begge disse metodene faller inn i kategorien for å lage større hull for å sette større rør. For byer med kontanter er den typen utgifter ofte utenfor rekkevidde. Slik var tilfellet i South Bend, som la ut på en tredje rute: å gjøre kloakken smartere.

I 2008 begynte byen å installere et nettverk av enheter som målte kloakkdybde og strømning på dusinvis av punkter i kloakken. Så, i 2011, implementerte den et sanntidskontrollsystem, med ventiler som automatisk åpnes og lukkes som svar på sensordataene. Det var ikke det første slike system; Quebec City hadde satt i et nettverk i 1999. København, Berlin og Genova, blant andre europeiske byer, begynte også å installere sanntids overvåkings- og kontrollsystemer på slutten av 1990-tallet. Men South Bend er blant pionerene.

De fleste byer i USA har noen aspekter av kontroll i kloakksystemet, sier Branko Kerkez, som forsker på smartvannsystemer som professor i sivil- og miljøteknikk ved University of Michigan. South Bend ble plakatbarnet fordi de virkelig operasjonaliserer det … de over-
instrumenterte [kloakken] slik at de kunne se hvordan det hele endres i sanntid.

Kieran Fahey, en høy og skjeggete irer, er ansvarlig for byens kloakkkontrollplan. Før han tok jobben i 2015 – han fulgte sin kone, som hadde fått jobb ved University of Notre Dame – hadde Fahey jobbet for Irlands Environmental Protection Agency. Han var fyren på den andre siden av skrivebordet, og fortalte lokalsamfunn hva de skulle gjøre for å overholde regelverket for rent vann. I South Bend må han finne ut om det er en måte å forhindre at byen går i stykker mens han overholder EPAs mandat.

Vi prøver å finne sweet spot, sier han. Prøver å ikke korsfeste samfunnet økonomisk, men prøver også å sørge for at elven også blir tatt vare på.

Siden sensorene gikk inn, har kloakkoverløpet per tomme regn falt fra 42,8 millioner gallon i 2008 til 6,9 millioner i 2020. Hvis Fahey lykkes, kan disse sensorene bidra til å kutte overløp til null.

South Bends sensornettverk er en etterkommer av kontrolltiltak som dateres tilbake til 1960-tallet. Forskjellen kommer ned til dens store størrelse og omfang: den har som mål å kontrollere overløp over 600 miles med underjordiske rør.

Michael Lemmon studerer agentbaserte sensoraktuatornettverk ved Notre Dame.

LUCY HEWETT

Inntil sensornettverket ble satt på plass, pleide et par byarbeidere i South Bend å kjøre rundt en gang i uken, løfte opp kumlokk og kikke ned, uten å bruke annet enn øynene for å anslå hvor raskt kloakken strømmet. Hvis de så gunk tette en gasslange, heiste de den ut med en krok. Under en storm måtte en byarbeider kjøre over byen for å stenge en overløpsventil. Dette fungerte til en viss grad for langvarige stormer - men ikke for korte, intense regn, som noen ganger førte til overløp før noen kunne iverksette tiltak.

Skiftet til et mer systematisk, detaljert og raskere system for innsamling av data tok årevis. Det ble satt i gang av Michael Lemmon, en professor ved Notre Dame, hvis campus ligger i byens nordlige kant. I 2001 fikk han et stipend fra Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) for å se hva som kunne gjøres med radioaktiverte mikrokontrollere i kredittkortstørrelse. Etter 11. september-angrepene ble prosjektet kommandert for å se om små sensorer kunne hjelpe å finne Al Qaida-krigere som gjemt seg i huler.

Jeg var virkelig ikke veldig fornøyd med å jobbe med disse militære søknadene, selv om det var viktig å gjøre det, sier Lemmon. Jeg tenkte på noen andre måter vi kunne se på sensorer på.

I 2003 innså Lemmon og en gruppe medingeniører og forskere ved Notre Dame at de kanskje kunne bruke dem til å gjøre noe med South Bends rutinemessige kloakkoverløp. I 2004 førte forskningsinnsatsen til dannelsen av et selskap kalt EmNet . Luis Montestruque, en entreprenørielt tenkende elektroingeniør som hadde jobbet med Lemmon på DARPA-prosjektet mens han fullførte doktorgraden, ble selskapets president.

EmNet presenterte ideen sin til Gary Gilot, den gang South Bends direktør for offentlige arbeider. Gilot er en myk, bestefarsfigur, evig fascinert av nye ideer. (Som Fahey sier det: Hvis du sa: 'Jeg vil måle hvert tre i South Bend fordi jeg føler at det er i stand til å hjelpe oss med klimaendringer,' ville Gary sagt: 'La oss gå videre og gjøre det.')

Gilot var fascinert; Det virket bakvendt for ham å se nedover åpne kummer midt i trafikken for å se om en kloakk er overfylt. I 2005 ga han EmNet en del av kloakk langs en bygate som en test, for å se om sanntidsovervåking av kloakkstrømmer kunne fungere.

Det var problemer fra første stund. Miljøet i kloakk er mildt sagt lite innbydende. For høy luftfuktighet tynger luften. Svovelsyre dannes alltid. Temperatursvingninger er ustanselige og alvorlige, ettersom varmt avløpsvann fra dusjer og vaskemaskiner blander seg med oppsamlet regnvann. Metan og hydrogensulfid, både svært brannfarlige og potensielt eksplosive gasser, er også konstante farer.

Den første enheten vi installerte var dette elektroniske styret, sier Montestruque. Da vi åpnet strømboksen, var den borte – oppløst. Så tøft er miljøet.

Da vi åpnet strømboksen, var den borte— oppløst. Så tøft er miljøet.

Beskyttelse av elektronisk utstyr ble utfordringen. Hyllevare for å måle vannstrøm og dybde, som EmNet bestemte seg for å bruke for å redusere installasjonskostnadene, var tøffe nok til å tåle forholdene. Men de er utsatt for funksjonsfeil. Noen sensorer, for å samle inn strømningsinformasjon basert på trykkavlesninger, må henge i kloakken; de har en tendens til å være mer nøyaktige, men en haug med feilaktig toalettpapir kan vikle seg rundt dem og kaste av seg en lesning.

Etter hvert satte EmNet opp det det kaller noder på undersiden av kumlokk. Hver node inkluderer en sensor, en mikroprosessor, en radio, en antenne og et litiumionbatteri. Sensorene ble utsatt for brusende avløpsvann mens prosessoren, radioen og batteriet var plassert inne i en eksplosjonssikker boks – både for å beskytte mot korrosjon og for å holde elektronikken eller batteriet fra å antenne kloakkgasser. Å feste nodene til kumlokk betydde at vedlikeholdsmannskaper enkelt kunne få tilgang til dem.

På grunn av dataene fra den første pilotseksjonen ga Gilot klarsignal til å utvide systemet, og betalte EmNet 6 millioner dollar for å installere sensorer over hele byen. Det ble offisielt online i 2008, og EmNet fortsatte å installere noder gjennom 2010—150 totalt. Sensorene hjalp ikke bare med å forhindre overløp i tilfelle storm, men tjente også til å oppdage hindringer i kloakkledninger som ellers kunne ha ført til sikkerhetskopiering i boligkjellere.

Å hindre kloakkoverløp krever både ressurser og kunnskap. Før sensorene ble tatt i bruk, måtte de hydrauliske modellene som administratorer som Gilot brukte, anta jevn nedbør over hele byen. Men regn kan være tungt på den ene siden av South Bend og lett på en annen – noe som betyr at mens noen av kloakkledningene i nabolaget er fulle, opplever andre knapt noen flyt.

Med sensorene i bruk, var Gilots avdeling i stand til å fastslå at å plassere ni nye gassrør i nabolagskloakk kan redusere overløp drastisk. Fra og med 2010 begynte EmNet å utstyre disse nye rørene med mikroprosessorutstyrte ventiler som automatisk åpnes og lukkes som svar på sanntidsberegninger som måler kapasiteten til interceptorlinjen de mates inn i.

Kieran med sensor

Kieran Fahey med en sensor som brukes til å måle vanntrykk og strømning i South Bends kloakk.

LUCY HEWETT

I tider med mye nedbør vil ventilene langs kloakk hvor strømmen av overvann og avløpsvann er høy automatisk åpne seg; der strømmen er lav, forblir ventilene stengt. Dette skaper mer plass i avskjæringsrøret for kloakken som trenger det. I hovedsak hadde Gilot og Montestruque gjort milevis med kloakkrør over hele byen til en provisorisk lagringstank: fordi kloakken med lav strømning ikke er i fare for å renne over, kan ubehandlet vann sitte i disse linjene – ikke flomme inn i elv, ikke rygge inn i folks kjellere, og ikke hogging plass på renseanlegget.

Vi fanget 23 % mer flyt i vått vær bare ved å bruke det samme kloakksystemet vi hadde, men med smart overvåkings- og kontrollteknologi, sier Gilot.

Lastbalansering er ikke alltid enkelt. Hvis det er kraftig regn i én del av en by, men ikke en annen, kan beregningen være relativt enkel – men hva skal et system gjøre når det regner overalt? Selv om regnet er konsentrert i ett område, er det aldri sikkert om stormen vil bevege seg eller forbli på samme sted. Og selvfølgelig vil ingen at et kloakkrør skal sprekke av for høyt trykk, spesielt i et befolket område.

Montestruques løsning var en agentbasert modell der ventiler ved overløpsavledningspunkter kjøper kapasitet fra interceptorrøret. Interceptorrørets diameter varierer når det går gjennom byen, noe som kompliserer oppgaven med å finne ut dets kapasitet til å frakte avfall til renseanlegget til enhver tid. Den markedsbaserte tilnærmingen har fordelen av å være beregningsmessig enklere enn å prøve å fullstendig modellere den kompliserte væskedynamikken i hele kloakksystemet.

Likevel, som Kerkez fra University of Michigan påpeker, kan en smart rekke sensorer og målere ikke skru klokken tilbake på et aldrende kloakksystem. Alt har et bristepunkt, sier han. Det sanntidskontroll har potensialet til å gjøre, er å flytte grensene for det bruddpunktet ytterligere. Men det er ingen feilsikker løsning.

Selv med forbedringene som Gilot hadde gjort, rant kloakken fortsatt over for ofte etter EPAs smak – derav samtykkedekretet fra 2011. Da Fahey ankom South Bend, arvet han et optimalisert kloakksystem som likevel presset sine grenser.

For å stoppe overløp, ba EPA byen om å bygge syv underjordiske tanker for å lagre overflødig overvann og avløpsvann. Mange byer med kombinerte kloakksystemer bruker denne tilnærmingen. Tankene kunne inneholde opptil 8,7 millioner gallon; når en stor storm passerer, kan ubehandlet vann pumpes fra tankene inn i interceptorrøret og til renseanlegget. Tankene Fahey vurderte var dyre. Dessuten var deres foreslåtte plasseringer basert på gamle overvannsmodeller som forutså hvor overløp måtte skje. To store, populære parker med modne trær måtte ofres.

Samfunnet var på en måte opp i armene med det som ble foreslått, sier Fahey. Det var bare ikke gjennomførbart i South Bend. Samtidig setter vi kloakk i elva, og det er egentlig ikke tillatt heller.

En kveld i 2016 møtte Fahey Montestruque for øl på en lokal gastropub. Fahey var nysgjerrig på å se om byen kunne finne måter å presse flere gevinster ut av det sensorbelastede kloakksystemet. De to innså at de samme sensordataene de hadde brukt for sanntidskontroll av deres eksisterende kloakkinfrastruktur også kunne hjelpe dem med å planlegge for fremtiden. Vi sa: 'Hør, med alle disse dataene vi har, burde vi være i stand til å komme opp med en hypernøyaktig representasjon av hvordan systemet oppfører seg,' husker Montestruque.

Emnet på St John

EmNet-gründer Luis Montestruque (til høyre) og første ansatte Tim Ruggaber ved bredden av St. John-elven.

LUCY HEWETT

Ved utforming av et kloakksystem eller planlegging for oppgradering av infrastruktur, bruker ingeniører modeller og gjør visse antakelser. De beregner hva de tror kan skje basert på hva-hvis-scenarier styrt av dusinvis av variabler: mengden nedbør i løpet av et år, for eksempel, eller mengden vann som vil forbli i kloakksystemet i motsetning til å renne over i en elv. Men i løpet av tiden byen har hatt et smart-kloakksystem, har alle slags nedbørsmengder som kan tenkes falt på South Bend. Og fordi sensorene har sett dette skje hele tiden, kan byen se på dataene for å se hvordan kloakken vil reagere. I stedet for å prøve å forutsi hva som kan skje, er vi i stand til å si hva som skjedde, og derfor hva som vil skje igjen, sier Fahey.

Du vil aldri løse et problem med bare smart infrastruktur.'

Det var et kommunalt internett-prosjekt. Med EmNets hjelp analyserte Fahey sensoravlesningene og fant ut at EPA-planen som krever syv stridsvogner til en pris av 863 millioner dollar kunne strømlinjeformes til en plan med fire tanker som bare ville koste 276 millioner dollar. Noe av årsaken til den store forskjellen i kostnad kommer tilbake til disse modellene. I enhver kloakkmodell, sier Fahey, vil ingeniører legge til litt ekstra for å gjøre rede for en lekker tank, en sprekkledning, en storm som en gang i et århundre. Etter hvert legges det til så mye margin at det endelige designet er langt mer infrastrukturtungt enn nødvendig. Designere av kloakknettverk forventer i stor grad at klimaendringer kommer til å gjøre livene deres tøffere ved å øke hyppigheten av intense stormer. Ideen med å bruke dataene er å bedre forstå hvordan stormer har en tendens til å påvirke vannstrømmen gjennom det kompliserte rørsystemet i et urbant nettverk.

Forskjellen mellom hva-hvis og hva-hendte er dollar. Det er det store, sier Fahey. Du kan spare alle disse pengene ved å designe spesifikt etter dine behov, i motsetning til det du tror du trenger.

I løpet av de siste årene har byen South Bend hashe ut sitt nye infrastrukturforslag med tjenestemenn ved EPA, som fortsatt trenger å gi den føderal godkjenning. I tillegg til de fire lagringstankene, krever planen også grønn infrastruktur, som regnhager, og et løfte om å øke kapasiteten til byens renseanlegg for avløpsvann fra dagens 77 millioner gallons per dag til 100 millioner gallons per dag.

EmNet, i mellomtiden, installerer sensorsystemer i andre byer. Fra og med i år hadde den prosjekter på gang i Grand Rapids, Michigan; Dayton, Ohio; og Buffalo, New York. Det største prosjektet så langt, etter arbeidet i South Bend, innebar implementering av et lignende system i Kansas City, Missouri, som også følte belastningen av et EPA-samtykkedekret. Kloakkledninger i Kansas City er nærmere 160 år gamle, og de lokale myndighetene slet med å forhindre overløp til Missouri-elven. Nå er Kansas Citys kloakk utstyrt med 300 sensorer, som byledere forventer vil spare byen for rundt 1 milliard dollar i infrastrukturkostnader. Og, i likhet med South Bend, prøver byen nå å reforhandle avtalen med EPA.

En automatisk avløpsventilaktuator som justerer strømmen til renseanlegget.

LUCY HEWETT

Etter hvert som befolkningen vokser, kan smarte sensorer kjøpe byer tid til det kreves større rør, større rør og større hull. Det er ikke en perfekt løsning, selvfølgelig. For det første betyr å introdusere nettverksbaserte sanntidskontroller også nye sårbarheter for programvarefeil og hacking. Du vil aldri løse et problem med bare smart infrastruktur, sier Fahey.

Likevel, mens Fahey gikk langs bredden av St. Joseph-elven sist vinter, mens snøen knasende under føttene hans, var en tanke alltid til stede i hodet hans. Tidligere år på en slik dag, med lett snø og noe smelting, ville noen tusen liter ubehandlet kloakk sølt ut i elva. Det ville vært lett å se fra hvor Fahey sto. Men den ettermiddagen var elven rolig. Det så rent ut. Og kloakken nedenfor hastet ikke i det hele tatt.

Korreksjon: Denne artikkelen sa opprinnelig at Notre Dame ligger nær den sørlige grensen til byen South Bend. Det er faktisk nær den nordlige grensen. Vi beklager feilen.