211service.com
De strijd van een stad om het rioolprobleem op te lossen met sensoren
De verouderde riolen van Amerika hebben $ 1 biljoen aan reparaties nodig, maar ambtenaren in South Bend, Indiana, hebben een plan om ze slimmer te maken.
Lucy Hewett
28 april 2021In de stad South Bend, Indiana, stroomt afvalwater van de keukens, gootstenen, wasmachines en toiletten van mensen door 35 rioolleidingen in de buurt. Op goede dagen, net voordat elke leiding eindigt, leidt een verticale smoorpijp het afvalwater om in een opvangbuis, die het naar een zuiveringsinstallatie voert waar vaste verontreinigende stoffen en bacteriën worden uitgefilterd.
Zoals in veel Amerikaanse steden worden die leidingen gecombineerd met regenafvoeren - vandaar de term: gemengd riool , een ontwerp dat in de jaren 1880 populair werd als kostenbesparende maatregel. Dus op slechte dagen, wanneer zware regenval of smeltende sneeuw de capaciteit van de interceptor overweldigt, gaat het afvalwater rechtstreeks de St. Joseph-rivier in. Dit is slecht om vele redenen . Bacteriën in de ontlasting maken rivieren onveilig om in te zwemmen of te varen. Antibioticaresistente bacteriën uit ziekenhuisafval worden in het wild vrijgelaten om zich te vermenigvuldigen. Geneesmiddelen, pesticiden, kunststoffen, zware metalen en hormonen komen in het ecosysteem terecht. Misschien wel het ergste van alles is dat de toestroom van voedselrijk organisch afval de op hol geslagen algengroei kan aanwakkeren. Dit kan rivieren en meren vullen met giftig slib, waardoor de natuur en de drinkwatervoorziening in gevaar komen.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van mei 2021
- Zie de rest van het nummer
- Abonneren
In theorie zou de 1972 Schoon Water Act verboden steden (en andere vervuilers) om hun afval rechtstreeks in rivieren te lozen. Maar in de praktijk bleven ze dat doen. De Environmental Protection Agency schat dat er in de Verenigde Staten jaarlijks tussen de 23.000 en 75.000 dergelijke overloopincidenten plaatsvinden. Ze zijn ook een groot probleem in Europa, waar jaarlijks zo'n 650.000 plaatsvinden, de meeste in oudere steden. Vanaf het midden van de jaren negentig heeft het Amerikaanse ministerie van Justitie aangeklaagde steden waaronder Atlanta, Los Angeles, Honolulu, Boston, Miami, Cincinnati en Toledo namens de EPA wegens schendingen van de Clean Water Act. Het zocht in veel meer gemeenten toestemmingsdecreten - waarbij lokale overheden bindende voorwaarden overeenkomen om zwaardere straffen te voorkomen.
Elk jaar in heel Amerika dumpen gecombineerde riolen 850 miljard gallons ongezuiverd rioolwater in waterwegen - ongeveer dezelfde hoeveelheid water die de rivier de Mississippi jaarlijks in de Golf van Mexico voert.
De EPA had de stad South Bend jarenlang gewaarschuwd voor het gebruikelijke vervuilingsprobleem. In 2008, het slechtste jaar voor storm- en afvalwateroverstroming tot nu toe deze eeuw, stroomde 2 miljard gallons onbehandeld rioolwater langs de interceptorbuis en in de St. Joseph-rivier.
Uiteindelijk, in 2011, drie dagen voordat Pete Buttigieg aantrad als burgemeester, dwong het bureau South Bend tot een toestemmingsdecreet en eiste uiteindelijk $ 863 miljoen aan rioolverbeteringen. De rekening kwam, met financiering, op tot ongeveer $ 10.000 per inwoner in een Rust Belt-stad waar het mediane gezinsinkomen lager is dan $ 40.000.
Tweederde van Amerika's 800.000 mijl aan riolen is meer dan 60 jaar oud; het herstellen van die leidingen zou meer dan $ 1 biljoen kunnen kosten.
Het verhaal van South Bend over overweldigde infrastructuur komt helaas maar al te vaak voor. In de zomer van 2011 was ongeveer 250 mijl naar het oosten een miljoen acres van het oppervlak van Lake Erie, het op drie na grootste van de Amerikaanse en Canadese Grote Meren, bedekt met een algenbloei veroorzaakt door gecombineerde riooloverstorten (samen met agrarische en industriële afvoer) van Toledo, Cleveland en andere steden. The New York Times gemeld concentraties van microcystine, een levertoxine, [in het meer] die 1200 keer hoger waren dan de limiet van de Wereldgezondheidsorganisatie, waardoor het drinkwater voor 2,8 miljoen consumenten werd aangetast.
Tweederde van Amerika's 800.000 mijl aan riolen is meer dan 60 jaar oud; het herstellen van die leidingen zou volgens de American Water Works Association meer dan $ 1 biljoen kunnen kosten. De American Society of Civil Engineers schat dat nutsbedrijven in 2019 $ 3 miljard besteedden aan het vervangen van leidingen, wat $ 81 miljard minder was dan de groep dacht dat ze hadden moeten uitgeven.
Kieran Fahey is verantwoordelijk voor het rioolbeheerplan van South Bend.
LUCY HEWETT
Het onlangs aangekondigde infrastructuurplan van president Biden van $ 2 biljoen zou de situatie enigszins kunnen verlichten, als het wet wordt. Zoals momenteel geschreven, het voorstel inclusief $ 56 miljard in subsidies en goedkope leningen aan staats- en lokale overheden om drinkwater-, afvalwater- en regenwatersystemen te upgraden en te moderniseren.
Zodra het geldprobleem is opgelost, is er echter nog steeds de vraag hoe u de upgrades precies moet uitvoeren. Een manier om overstorten te elimineren zou zijn om de gecombineerde leidingen te scheiden door een heel nieuw netwerk van gescheiden riolen en regenafvoeren te creëren. (Dit wordt over het algemeen als onbetaalbaar beschouwd.) Een andere optie is om nieuwe infrastructuur te bouwen om de overloopcapaciteit te vergroten. Dat is de benadering die wordt gevolgd in Londen, waar een enorme tunnel van £ 4 miljard ($ 5,5 miljard) wordt gegraven onder de rivier de Theems, bedoeld om afvalwater te vervoeren van 34 punten waar het gewoonlijk overstroomt naar een zuiveringsinstallatie 25 mijl naar het oosten, te beginnen in 2025.
Beide methoden vallen in de categorie van het maken van grotere gaten waarin grotere pijpen kunnen worden geplaatst. Voor steden die krap bij kas zitten, zijn dat soort kosten vaak onbereikbaar. Dat was het geval in South Bend, dat een derde route insloeg: het slimmer maken van de riolen.
In 2008 begon de stad met het installeren van een netwerk van apparaten die de riooldiepte en -stroom op tientallen punten in de riolen konden meten. Vervolgens implementeerde het in 2011 een realtime besturingssysteem, met kleppen die automatisch openen en sluiten als reactie op de sensorgegevens. Het was niet het eerste dergelijke systeem; Quebec City had in 1999 een netwerk aangelegd. Kopenhagen, Berlijn en Genua, naast andere Europese steden, begonnen eind jaren negentig ook met het installeren van realtime monitoring- en controlesystemen. Maar South Bend is een van de pioniers.
De meeste steden in de VS hebben een bepaald aspect van controle in hun rioleringssysteem, zegt Branko Kerkez, die onderzoek doet naar slimme watersystemen als hoogleraar civiele en milieutechniek aan de Universiteit van Michigan. South Bend werd het uithangbord omdat ze het echt operationaliseren …
geïnstrumenteerd [het riool] zodat ze konden zien hoe de hele zaak in realtime verandert.
Kieran Fahey, een lange en bebaarde Ier, heeft de leiding over het rioleringsplan van de stad. Voordat hij in 2015 aan de slag ging – hij volgde zijn vrouw, die een baan had gekregen aan de Universiteit van Notre Dame – had Fahey voor de Ierse Environmental Protection Agency gewerkt. Hij was de man aan de andere kant van het bureau en vertelde de gemeenschappen wat ze moesten doen om te voldoen aan de regels voor schoon water. In South Bend moet hij uitzoeken of er een manier is om te voorkomen dat de stad failliet gaat, terwijl hij toch voldoet aan het mandaat van de EPA.
We proberen de goede plek te vinden, zegt hij. Proberen om de gemeenschap niet economisch te kruisigen, maar ook proberen ervoor te zorgen dat er ook voor de rivier wordt gezorgd.
Sinds de sensoren erin zijn gegaan, is de riooloverstort per inch regen gedaald van 42,8 miljoen gallons in 2008 tot 6,9 miljoen in 2020. Als Fahey daarin slaagt, kunnen die sensoren helpen om de overstorten tot nul terug te brengen.
Het sensornetwerk van South Bend is een afstammeling van controle-inspanningen die teruggaan tot de jaren zestig. Het verschil komt neer op zijn enorme omvang en reikwijdte: het is bedoeld om overlopen van meer dan 600 mijl aan ondergrondse leidingen te beheersen.
Michael Lemmon bestudeert agent-gebaseerde sensor-actuatornetwerken in de Notre Dame.
LUCY HEWETTTotdat het sensornetwerk was aangelegd, reden een paar stadswerkers in South Bend één keer per week rond, tilden putdeksels op en tuurden naar beneden, waarbij ze alleen maar hun ogen gebruikten om in te schatten hoe snel het riool stroomde. Als ze zagen dat smurrie een gasleiding verstopte, hesen ze het eruit met een haak. Tijdens een storm zou een stadswerker dwars door de stad moeten rijden om een overloopklep te sluiten. Dit werkte tot op zekere hoogte voor langdurige stormen, maar niet voor korte, intense regenbuien, die soms overstromen veroorzaakten voordat iemand actie kon ondernemen.
De verschuiving naar een meer systematisch, gedetailleerd en sneller systeem voor het verzamelen van gegevens duurde jaren. Het werd in gang gezet door Michael Lemmon, een professor aan de Notre Dame, wiens campus aan de noordelijke rand van de stad ligt. In 2001 kreeg hij een beurs van de Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) om te zien wat er gedaan kon worden met radiogestuurde microcontrollers op creditcardformaat. Na de aanslagen van 11 september werd het project gevorderd om te zien of kleine sensoren zouden kunnen helpen bij het vinden van Al Qaeda-strijders die zich in grotten verbergen.
Ik was echt niet erg gelukkig met het werken aan deze militaire toepassingen, ook al was het belangrijk om te doen, zegt Lemmon. Ik zat te denken aan andere manieren om naar sensoren te kijken.
In 2003 realiseerden Lemmon en een groep collega-ingenieurs en onderzoekers van de Notre Dame zich dat ze ze misschien konden gebruiken om iets te doen aan de routinematige riooloverstorten in South Bend. In 2004 leidde de onderzoeksinspanning tot de oprichting van een bedrijf genaamd EmNet . Luis Montestruque, een ondernemende elektrotechnisch ingenieur die met Lemmon aan het DARPA-project had gewerkt terwijl hij zijn doctoraat afrondde, werd de president van het bedrijf.
EmNet presenteerde zijn idee aan Gary Gilot, de toenmalige directeur van openbare werken van South Bend. Gilot is een zachtaardige, grootvaderlijke figuur, eeuwig gefascineerd door nieuwe ideeën. (Zoals Fahey het zegt: als je zei: 'Ik wil elke boom in South Bend opmeten omdat ik het gevoel heb dat het ons kan helpen bij klimaatverandering', zou Gary zeggen: 'Laten we het doen.')
Gilot was geïntrigeerd; in het midden van het verkeer door geopende mangaten turen om te zien of een rioolleiding overloopt, leek hem al achterlijk. In 2005 gaf hij EmNet als test een stuk riool langs een stadsstraat om te kijken of realtime monitoring van rioolstromen zou kunnen werken.
Vanaf het begin waren er problemen. De omgeving in riolen is op zijn zachtst gezegd onaantrekkelijk. Een te hoge luchtvochtigheid belast de lucht. Zwavelzuur vormt zich altijd. Temperatuurschommelingen zijn onophoudelijk en ernstig, aangezien heet afvalwater van douches en wasmachines zich vermengt met opgevangen regenwater. Methaan en waterstofsulfide, zowel licht ontvlambare als potentieel explosieve gassen, zijn ook constante gevaren.
Het eerste apparaat dat we installeerden, was dit elektronische bord, zegt Montestruque. Toen we de powerbox openmaakten, was hij weg - gedesintegreerd. Zo hard is de omgeving.
Toen we de powerbox openmaakten, was hij weg... uiteengevallen. Zo hard is de omgeving.
Het beschermen van elektronische apparatuur werd de uitdaging. Kant-en-klare apparaten om de waterstroom en diepte te meten, die EmNet besloot te gebruiken om de installatiekosten te verlagen, waren sterk genoeg om de omstandigheden te weerstaan. Maar ze zijn gevoelig voor storingen. Sommige sensoren moeten, om stromingsinformatie te verzamelen op basis van drukmetingen, in het riool hangen; ze zijn meestal nauwkeuriger, maar er kan een prop dwalend toiletpapier omheen worden gewikkeld, waardoor een meting wordt weggegooid.
Uiteindelijk zette EmNet zogenaamde nodes aan de onderkant van putdeksels op. Elk knooppunt bevat een sensor, een microprocessor, een radio, een antenne en een lithium-ionbatterij. De sensoren werden blootgesteld aan stromend afvalwater, terwijl de processor, radio en batterij in een explosieveilige doos waren ondergebracht - zowel om te beschermen tegen corrosie als om te voorkomen dat de elektronica of de batterij rioolgassen zou ontsteken. Door de knooppunten aan putdeksels te bevestigen, konden onderhoudsploegen er gemakkelijk bij.
Op basis van de gegevens van het eerste proefgedeelte gaf Gilot groen licht om het systeem uit te breiden en betaalde EmNet $ 6 miljoen om sensoren in de hele stad te installeren. Het ging officieel online in 2008 en EmNet ging door met het installeren van nodes tot 2010—150 in totaal. De sensoren hielpen niet alleen overstorten bij storm te voorkomen, maar dienden ook om obstructies in rioolleidingen te detecteren die anders zouden hebben geleid tot back-ups in woonkelders.
Het voorkomen van een riooloverstort vereist zowel middelen als kennis. Voordat de sensoren in gebruik kwamen, moesten de hydraulische modellen die bestuurders als Gilot gebruikten, uitgaan van uniforme regenval over de hele stad. Maar de regen kan aan de ene kant van South Bend zwaar zijn en aan de andere kant licht, wat betekent dat terwijl sommige rioolleidingen in de buurt vol zitten, andere nauwelijks stroming ervaren.
Met de sensoren in gebruik kon de afdeling van Gilot vaststellen dat het plaatsen van negen nieuwe smoorbuizen in wijkriolen het overstorten drastisch kon verminderen. Vanaf 2010 begon EmNet deze nieuwe leidingen uit te rusten met kleppen met microprocessor die automatisch openen en sluiten als reactie op realtime berekeningen die de capaciteit van de interceptorleiding meten die ze voeden.
Kieran Fahey met een sensor die wordt gebruikt om de waterdruk en -stroming in de riolen van South Bend te meten.
LUCY HEWETTBij hevige regenval gaan de kleppen langs rioleringen waar de afvoer van hemel- en afvalwater hoog is automatisch open; waar de doorstroming laag is, blijven de kleppen gesloten. Hierdoor ontstaat er meer ruimte in de opvangleiding voor de riolen die dat nodig hebben. In wezen hadden Gilot en Montestruque de kilometerslange rioolbuizen door de hele stad tot een geïmproviseerde opslagtank gemaakt: omdat de riolen met een laag debiet niet het risico lopen over te lopen, kan onbehandeld water in die leidingen zitten - niet in de rivier, niet achteruitlopen in de kelders van mensen, en geen ruimte in beslag nemen bij de zuiveringsinstallatie.
We hebben 23% meer waterstroom opgevangen door hetzelfde rioolsysteem te gebruiken dat we hadden, maar met slimme monitoring- en controletechnologie, zegt Gilot.
Loadbalancing is niet altijd eenvoudig. Als het in het ene deel van een stad hevig regent en in het andere niet, is de berekening misschien relatief eenvoudig, maar wat moet een systeem doen als het overal regent? Zelfs als de regen zich in één gebied concentreert, is het nooit zeker of de storm zal bewegen of op dezelfde plaats zal blijven. En natuurlijk wil niemand dat een rioolleiding barst door te hoge druk, zeker niet in een dichtbevolkt gebied.
De oplossing van Montestruque was een op agenten gebaseerd model waarin kleppen op overloopomleidingspunten capaciteit kopen van de interceptorbuis. De diameter van de interceptorbuis varieert naarmate deze door de stad gaat, wat de taak bemoeilijkt om de capaciteit te bepalen om op elk moment afval naar de verwerkingsinstallatie te vervoeren. De marktgebaseerde benadering heeft het voordeel dat het rekenkundig eenvoudiger is dan het proberen om de gecompliceerde vloeistofdynamica in het hele rioolstelsel volledig te modelleren.
Toch, zoals Kerkez van de Universiteit van Michigan opmerkt, kan een slimme reeks sensoren en meters de klok niet terugdraaien op een verouderend rioolstelsel. Alles heeft een breekpunt, zegt hij. Wat realtime controle de potentie heeft, is de grenzen van dat breekpunt verder te verleggen. Maar er is geen faalveilige oplossing.
Zelfs met de verbeteringen die Gilot had aangebracht, liepen de riolen nog steeds te vaak over naar de zin van de EPA - vandaar het instemmingsbesluit van 2011. Toen Fahey in South Bend aankwam, erfde hij een geoptimaliseerd rioleringssysteem dat niettemin zijn grenzen verlegde.
Om overstromen te stoppen, vroeg de EPA de stad om zeven ondergrondse tanks te bouwen om overtollig regenwater en afvalwater op te slaan. Veel steden met gemengde riolering gebruiken deze aanpak. De tanks konden tot 8,7 miljoen gallons bevatten; zodra een grote storm voorbij trekt, kan onbehandeld water uit de tanks in de interceptorleiding en naar de zuiveringsinstallatie worden gepompt. De tanks die Fahey overwoog waren duur. Bovendien waren hun voorgestelde locaties gebaseerd op oude regenwatermodellen die voorspelden waar overstorten zouden plaatsvinden. Twee grote, populaire parken met volwassen bomen zouden moeten worden opgeofferd.
De gemeenschap was een beetje in de war met wat werd voorgesteld, zegt Fahey. Het was gewoon niet haalbaar in South Bend. Tegelijkertijd lozen we rioolwater in de rivier en dat mag ook niet.
Op een avond in 2016 ontmoette Fahey Montestruque voor bier in een lokale gastropub. Fahey was benieuwd of de stad manieren kon vinden om meer winst uit het met sensoren beladen rioleringssysteem te persen. De twee realiseerden zich dat dezelfde sensorgegevens die ze hadden gebruikt voor realtime controle van hun bestaande rioolinfrastructuur, hen ook konden helpen bij het plannen van de toekomst. We zeiden: 'Luister, met al deze gegevens die we hebben, zouden we in staat moeten zijn om een hypernauwkeurige weergave te maken van hoe het systeem zich gedraagt', herinnert Montestruque zich.
EmNet-oprichter Luis Montestruque (rechts) en eerste werknemer Tim Ruggaber aan de oevers van de St. John-rivier.
LUCY HEWETTBij het ontwerpen van een rioleringssysteem of het plannen van infrastructuurverbeteringen gebruiken ingenieurs modellen en maken ze bepaalde aannames. Ze berekenen wat ze denken dat er kan gebeuren op basis van wat-als-scenario's die worden beheerst door tientallen variabelen: de hoeveelheid neerslag in een jaar bijvoorbeeld, of de hoeveelheid water die in het riool blijft, in plaats van in een rivier te stromen. Maar in de tijd dat de stad een slim rioleringssysteem had, is er op South Bend elke denkbare regenval gevallen. En omdat de sensoren dit al die tijd in de gaten houden, kan de stad naar de gegevens kijken om te zien hoe de riolen zullen reageren. In plaats van te proberen te voorspellen wat er zou kunnen gebeuren, zijn we in staat om te zeggen wat er is gebeurd, en dus wat er weer zal gebeuren, zegt Fahey.
Met alleen slimme infrastructuur los je nooit een probleem op.'
Het was een internet of things-project op gemeentelijk niveau. Met de hulp van EmNet analyseerde Fahey de sensormetingen en ontdekte dat het EPA-plan dat zeven tanks voor een bedrag van $ 863 miljoen opriep, kon worden gestroomlijnd tot een plan met vier tanks dat slechts $ 276 miljoen zou kosten. Een deel van de reden voor het grote verschil in kosten is terug te voeren op die modellen. In elk rioolmodel, zegt Fahey, zullen ingenieurs een beetje extra toevoegen om rekening te houden met een lekkende tank, een krakende leiding, een storm die eens in de eeuw voorkomt. Uiteindelijk komt er zoveel marge bij dat het uiteindelijke ontwerp veel infrastructuurzwaarder is dan nodig is. Ontwerpers van rioleringsnetwerken anticiperen algemeen dat klimaatverandering hun leven moeilijker zal maken door de frequentie van intense stormen te verhogen. Het idee om de gegevens te gebruiken, is om beter te begrijpen hoe stormen de waterstroom door het gecompliceerde systeem van leidingen in een stedelijk netwerk beïnvloeden.
Het verschil tussen wat-als en wat-wat-is gebeurd, is dollars. Dat is het belangrijkste, zegt Fahey. U kunt al die dollars besparen door specifiek te ontwerpen voor uw behoeften, in tegenstelling tot wat u denkt nodig te hebben.
In de afgelopen jaren heeft de stad South Bend haar nieuwe infrastructuurvoorstel uitgeplozen met functionarissen van de EPA, die het nog steeds federale goedkeuring moeten geven. Naast de vier opslagtanks vraagt het plan ook om groene infrastructuur, zoals regentuinen, en een belofte om de capaciteit van de afvalwaterzuiveringsinstallatie van de stad te vergroten van de huidige 77 miljoen gallons per dag naar 100 miljoen gallons per dag.
EmNet installeert ondertussen sensorsystemen in andere steden. Vanaf dit jaar waren er projecten aan de gang in Grand Rapids, Michigan; Dayton, Ohio; en Buffalo, New York. Het grootste project tot nu toe, na het werk in South Bend, betrof de implementatie van een soortgelijk systeem in Kansas City, Missouri, dat ook de druk voelde van een EPA-toestemmingsbesluit. Rioolleidingen in Kansas City zijn bijna 160 jaar oud en de lokale overheid worstelde om te voorkomen dat de rivier de Missouri overstroomt. Nu zijn de riolen van Kansas City uitgerust met 300 sensoren, waarvan stadsmanagers verwachten dat ze de stad ongeveer $ 1 miljard aan infrastructuurkosten zullen besparen. En net als South Bend probeert de stad nu opnieuw te onderhandelen over haar deal met de EPA.
Een automatische rioolklepactuator die de stroom naar de zuiveringsinstallatie aanpast.
LUCY HEWETTNaarmate de bevolking groeit, kunnen slimme sensoren steden tijd winnen totdat grotere leidingen, grotere buizen en grotere gaten nodig zijn. Het is natuurlijk geen perfecte oplossing. Om te beginnen betekent de introductie van genetwerkte, realtime controles ook nieuwe kwetsbaarheden voor softwareproblemen en hacking. Met alleen een slimme infrastructuur los je nooit een probleem op, zegt Fahey.
Maar toen Fahey afgelopen winter langs de oevers van de St. Joseph-rivier liep, met krakende sneeuw onder zijn voeten, was er altijd een gedachte in zijn geest. In voorgaande jaren zou op zo'n dag, met lichte sneeuw en wat smeltend water, een paar duizend liter onbehandeld rioolwater in de rivier terechtkomen. Het zou gemakkelijk zijn geweest om te zien waar Fahey stond. Maar die middag was de rivier kalm. Het zag er schoon uit. En de riolen beneden waren helemaal niet gehaast.
Correctie: Dit artikel zei oorspronkelijk dat de Notre Dame nabij de zuidelijke grens van de stad South Bend ligt. Het is in feite vlakbij de noordelijke grens. We betreuren de fout.