Una città lotta per risolvere il problema delle acque reflue con i sensori

Le vecchie fogne americane hanno bisogno di 1 trilione di dollari in riparazioni, ma i funzionari di South Bend, nell'Indiana, hanno un piano per renderle più intelligenti.





fiume dell

Lucy Hewett

  • Andrea Zaleski pagina di archivio
28 aprile 2021

Nella città di South Bend, nell'Indiana, le acque reflue delle cucine, dei lavelli, delle lavatrici e dei servizi igienici delle persone scorrono attraverso 35 linee fognarie del quartiere. Nelle belle giornate, appena prima della fine di ogni linea, un tubo di strozzatura verticale devia il liquame in un tubo di intercettazione, che lo porta a un impianto di trattamento dove vengono filtrati gli inquinanti solidi e i batteri.

Come in molte città americane, quei tubi sono combinati con scarichi temporaleschi, da cui il termine fognatura combinata , un design che divenne popolare come misura di risparmio sui costi negli anni '80 dell'Ottocento. Quindi nelle giornate brutte, quando forti piogge o lo scioglimento della neve superano la capacità dell'intercettore, le acque reflue vanno direttamente nel fiume St. Joseph. Questo è male per molte ragioni . I batteri nella materia fecale rendono i fiumi pericolosi per il nuoto o la navigazione. I batteri resistenti agli antibiotici provenienti dai rifiuti ospedalieri vengono rilasciati in natura per moltiplicarsi. Prodotti farmaceutici, pesticidi, plastica, metalli pesanti e ormoni entrano nell'ecosistema. Forse la cosa peggiore di tutte, l'afflusso di detriti organici ricchi di sostanze nutritive può alimentare la crescita incontrollata delle alghe. Questo può riempire fiumi e laghi di fanghi tossici, mettendo in pericolo la fauna selvatica e le riserve di acqua potabile.



La questione delle città

Questa storia faceva parte del nostro numero di maggio 2021

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In teoria, il 1972 Legge sull'acqua pulita proibito alle città (e ad altri inquinatori) di inviare i propri rifiuti direttamente nei fiumi. Ma in pratica hanno continuato a farlo. L'Environmental Protection Agency stima che ogni anno negli Stati Uniti si verificano tra 23.000 e 75.000 incidenti di questo tipo. Sono anche un grave problema in Europa, dove circa 650.000 si svolgono ogni anno, la maggior parte nelle città più antiche. A partire dalla metà degli anni '90, il Dipartimento di Giustizia degli Stati Uniti città citate in giudizio tra cui Atlanta, Los Angeles, Honolulu, Boston, Miami, Cincinnati e Toledo per conto dell'EPA per violazioni del Clean Water Act. Ha cercato decreti di consenso - in cui i governi locali accettano termini vincolanti per evitare sanzioni più severe - in molti più comuni.

In tutta l'America ogni anno, discariche combinate 850 miliardi di galloni di liquame grezzo nei corsi d'acqua, circa la stessa quantità d'acqua che il fiume Mississippi trasporta ogni anno nel Golfo del Messico.



L'EPA aveva avvertito per anni la città di South Bend del suo problema di inquinamento abituale. Nel 2008, il suo anno peggiore per la tempesta e il trabocco delle acque reflue finora in questo secolo, 2 miliardi di galloni di liquami non trattati sono passati oltre il tubo di intercettazione e nel fiume St. Joseph.

Infine, nel 2011, tre giorni prima che Pete Buttigieg assumesse la carica di sindaco, l'agenzia ha costretto South Bend a un decreto di consenso, chiedendo alla fine 863 milioni di dollari di ammodernamento delle fognature. Il conto ammontava, con il finanziamento, a circa $ 10.000 per residente in una città di Rust Belt dove il reddito familiare medio è inferiore a $ 40.000.

Due terzi delle 800.000 miglia di fognature americane hanno più di 60 anni; il ripristino di quei tubi potrebbe costare più di $ 1 trilione.



La storia di South Bend di infrastrutture sopraffatte è, sfortunatamente, fin troppo comune. Nell'estate del 2011, a circa 250 miglia a est, un milione di acri della superficie del Lago Erie, il quarto più grande dei Grandi Laghi degli Stati Uniti e del Canada, era stato coperto da un fioritura algale causato da straripamenti di fognature combinate (insieme al deflusso agricolo e industriale) da Toledo, Cleveland e altre città. Il New York Times segnalato concentrazioni di microcistina, una tossina epatica, [nel lago] che erano 1.200 volte i limiti dell'Organizzazione Mondiale della Sanità, contaminando l'acqua potabile per 2,8 milioni di consumatori.

Due terzi delle 800.000 miglia di fognature americane hanno più di 60 anni; il ripristino di quei tubi potrebbe costare più di $ 1 trilione, secondo l'American Water Works Association. L'American Society of Civil Engineers stima che le utility abbiano speso 3 miliardi di dollari nel 2019 per sostituire i tubi, 81 miliardi di dollari in meno rispetto a quanto il gruppo avrebbe dovuto spendere.

Kieran Fahey è responsabile del piano di controllo delle fognature di South Bend.



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Il piano infrastrutturale da 2 trilioni di dollari recentemente annunciato dal presidente Biden potrebbe aiutare in qualche modo ad alleviare la situazione, se diventa legge. Come attualmente scritto, la proposta include $ 56 miliardi in sovvenzioni e prestiti a basso costo a governi statali e locali per aggiornare e modernizzare i sistemi di acqua potabile, acque reflue e acque piovane.

Una volta risolto il problema dei soldi, tuttavia, rimane ancora la questione di come procedere esattamente per effettuare gli aggiornamenti. Un modo per eliminare gli straripamenti sarebbe quello di separare i tubi combinati creando una rete completamente nuova di fognature e drenaggi separati. (Questo è generalmente visto come proibitivo.) Un'altra opzione è quella di costruire una nuova infrastruttura per aumentare la capacità di overflow. Questo è l'approccio adottato a Londra, dove viene scavato un enorme tunnel da 4 miliardi di sterline (5,5 miliardi di dollari) sotto il fiume Tamigi, destinato a trasportare le acque reflue da 34 punti dove comunemente trabocca a un impianto di trattamento 16 miglia a est, a partire da 2025.

Entrambi questi metodi rientrano nella categoria della realizzazione di fori più grandi in cui inserire tubi più grandi. Per le città a corto di liquidità, questo tipo di spesa è spesso fuori portata. Tale è stato il caso di South Bend, che ha intrapreso un terzo percorso: rendere più intelligenti le sue fogne.

Nel 2008, la città ha iniziato a installare una rete di dispositivi che misuravano la profondità e il flusso delle acque reflue in dozzine di punti nelle sue fogne. Poi, nel 2011, ha implementato un sistema di controllo in tempo reale, con valvole che si aprono e si chiudono automaticamente in risposta ai dati del sensore. Non era il primo sistema del genere; Quebec City aveva creato una rete nel 1999. Anche Copenaghen, Berlino e Genova, tra le altre città europee, hanno iniziato a installare sistemi di monitoraggio e controllo in tempo reale alla fine degli anni '90. Ma South Bend è tra i pionieri.

La maggior parte delle città negli Stati Uniti ha qualche aspetto di controllo nel proprio sistema fognario, afferma Branko Kerkez, che ricerca sistemi idrici intelligenti come professore di ingegneria civile e ambientale presso l'Università del Michigan. South Bend è diventato il figlio del poster perché lo hanno davvero reso operativo ... hanno superato-
strumentato [la fogna] in modo che potessero vedere come cambia l'intera cosa in tempo reale.

Kieran Fahey, un irlandese alto e barbuto, è responsabile del piano di controllo delle acque reflue della città. Prima di accettare il lavoro nel 2015 - ha seguito sua moglie, che aveva ottenuto un lavoro presso l'Università di Notre Dame - Fahey aveva lavorato per l'Agenzia irlandese per la protezione ambientale. Era il ragazzo dall'altra parte della scrivania, che diceva alle comunità cosa fare per conformarsi alle normative sull'acqua pulita. A South Bend, deve capire se c'è un modo per impedire alla città di andare in rovina rispettando il mandato dell'EPA.

Stiamo cercando di trovare il punto debole, dice. Cercando di non crocifiggere la comunità economicamente, ma anche cercando di fare in modo che anche il fiume sia curato.

Da quando i sensori sono entrati, lo straripamento della fogna per pollice di pioggia è sceso da 42,8 milioni di galloni nel 2008 a 6,9 milioni nel 2020. Se Fahey avrà successo, quei sensori potrebbero aiutare a ridurre a zero gli straripamenti.

La rete di sensori di South Bend è un discendente di sforzi di controllo risalenti agli anni '60. La differenza sta nelle sue dimensioni e portata: mira a controllare gli straripamenti di oltre 600 miglia di tubi sotterranei.

Michael Lemmon studia le reti di attuatori di sensori basati su agenti a Notre Dame.

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Fino a quando la rete di sensori non è stata installata, una coppia di lavoratori cittadini a South Bend andavano in giro una volta alla settimana, sollevavano i tombini e scrutavano in basso, usando nient'altro che i loro occhi per stimare la velocità con cui scorrevano le acque reflue. Se vedevano della sporcizia ostruire una linea dell'acceleratore, la sollevavano con un gancio. Durante un temporale, un lavoratore cittadino dovrebbe attraversare la città in auto per chiudere una valvola di troppopieno. Ciò ha funzionato, in una certa misura, per tempeste prolungate, ma non per piogge brevi e intense, che a volte causavano straripamenti prima che qualcuno potesse agire.

Il passaggio a un sistema più sistematico, dettagliato e veloce per la raccolta dei dati ha richiesto anni. È stato messo in moto da Michael Lemmon, un professore a Notre Dame, il cui campus si trova all'estremità settentrionale della città. Nel 2001, ha ottenuto una sovvenzione dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) per vedere cosa si poteva fare con microcontrollori radio-abilitati delle dimensioni di una carta di credito. Dopo gli attacchi dell'11 settembre, il progetto è stato requisito per vedere se piccoli sensori potessero aiutare a trovare i combattenti di Al Qaeda nascosti nelle caverne.

Non ero davvero molto felice di lavorare su queste applicazioni militari, anche se era importante farlo, dice Lemmon. Stavo pensando ad altri modi in cui potremmo guardare i sensori.

Nel 2003, Lemmon e un gruppo di colleghi ingegneri e ricercatori di Notre Dame si sono resi conto che avrebbero potuto usarli per fare qualcosa contro gli straripamenti di routine delle fogne di South Bend. Nel 2004 lo sforzo di ricerca ha portato alla costituzione di una società denominata Rete Em . Luis Montestruque, un ingegnere elettrico dalla mentalità imprenditoriale che aveva lavorato con Lemmon al progetto DARPA mentre terminava il suo dottorato, è diventato il presidente dell'azienda.

EmNet ha presentato la sua idea a Gary Gilot, allora direttore dei lavori pubblici di South Bend. Gilot è una figura pacata, da nonno, perennemente affascinata dalle nuove idee. (Come dice Fahey: se dicessi: 'Voglio misurare ogni albero di South Bend perché sento che è in grado di aiutarci con il cambiamento climatico', Gary direbbe: 'Andiamo avanti e facciamolo'.)

Gilot era incuriosito; scrutare i tombini aperti in mezzo al traffico per vedere se una linea fognaria sta straripando gli sembrava già arretrato. Nel 2005, ha fornito a EmNet una sezione di fognatura lungo una strada cittadina come prova, per vedere se il monitoraggio in tempo reale dei flussi delle acque reflue poteva funzionare.

Ci sono stati problemi fin dall'inizio. L'ambiente nelle fogne è poco invitante, per non dire altro. L'umidità eccessiva appesantisce l'aria. Si forma sempre acido solforico. Gli sbalzi di temperatura sono incessanti e gravi, poiché le acque reflue calde di docce e lavatrici si mescolano con l'acqua piovana catturata. Anche il metano e l'idrogeno solforato, gas altamente infiammabili e potenzialmente esplosivi, sono rischi costanti.

Il primo dispositivo che abbiamo installato è stata questa scheda elettronica, afferma Montestruque. Quando abbiamo aperto la scatola di alimentazione, era sparita, disintegrata. Ecco quanto è duro l'ambiente.

Quando abbiamo aperto la scatola di alimentazione, non c'era più... disintegrato. Ecco quanto è duro l'ambiente.

La protezione delle apparecchiature elettroniche è diventata la sfida. I dispositivi standard per misurare la portata e la profondità dell'acqua, che EmNet ha deciso di utilizzare per ridurre i costi di installazione, erano abbastanza resistenti per resistere alle condizioni. Ma sono suscettibili di malfunzionamento. Alcuni sensori, per raccogliere informazioni sulla portata in base alle letture della pressione, devono essere appesi nella fognatura; tendono ad essere più precisi, ma un batuffolo di carta igienica errante potrebbe avvolgerli, rovinando una lettura.

Alla fine EmNet ha installato quelli che chiama nodi sul lato inferiore dei tombini. Ogni nodo include un sensore, un microprocessore, una radio, un'antenna e una batteria agli ioni di litio. I sensori sono stati esposti alle acque reflue impetuose mentre il processore, la radio e la batteria sono stati alloggiati all'interno di una scatola a prova di esplosione, sia per proteggere dalla corrosione che per impedire all'elettronica o alla batteria di accendere gas di fogna. Attaccare i nodi ai tombini significava che le squadre di manutenzione potevano accedervi facilmente.

Sulla base dei dati della sezione pilota iniziale, Gilot ha dato il via libera all'espansione del sistema, pagando a EmNet 6 milioni di dollari per l'installazione di sensori in tutta la città. È diventato ufficialmente online nel 2008 ed EmNet ha continuato a installare nodi fino al 2010, 150 in tutto. I sensori non solo hanno aiutato a prevenire gli straripamenti in caso di tempesta, ma sono anche serviti a rilevare le ostruzioni nelle linee fognarie che avrebbero potuto altrimenti portare a rinforzi negli scantinati residenziali.

Prevenire un trabocco delle acque reflue richiede sia risorse che conoscenze. Prima che i sensori entrassero in uso, i modelli idraulici utilizzati da amministratori come Gilot dovevano presumere precipitazioni uniformi in tutta la città. Ma la pioggia può essere forte su un lato di South Bend e leggera su un altro, il che significa che mentre alcune linee fognarie del quartiere sono piene, altre non subiscono quasi nessun flusso.

Con i sensori in uso, il dipartimento di Gilot è stato in grado di determinare che il posizionamento di nove nuovi tubi dell'acceleratore nelle fogne di quartiere potrebbe ridurre drasticamente gli straripamenti. A partire dal 2010, EmNet ha iniziato a dotare questi nuovi tubi di valvole dotate di microprocessore che si aprono e si chiudono automaticamente in risposta a calcoli in tempo reale che misurano la capacità della linea di intercettazione in cui alimentano.

Kieran con sensore

Kieran Fahey con un sensore utilizzato per misurare la pressione e il flusso dell'acqua nelle fogne di South Bend.

LUCIA HEWET

In caso di forti precipitazioni, le valvole lungo le fognature dove il flusso delle acque piovane e delle acque reflue è elevato si apriranno automaticamente; dove il flusso è basso, le valvole rimangono chiuse. Questo crea più spazio nel tubo di intercettazione per le fogne che ne hanno bisogno. In sostanza, Gilot e Montestruque avevano trasformato le miglia e le miglia di condotte fognarie in tutta la città in un serbatoio di stoccaggio improvvisato: poiché le fognature con bassa portata non sono a rischio di straripamento, l'acqua non trattata può rimanere in quelle linee, non allagando nel fiume, non indietreggiare negli scantinati delle persone e non occupare spazio nell'impianto di trattamento.

Abbiamo catturato il 23% in più di flusso di pioggia semplicemente utilizzando lo stesso sistema fognario che avevamo, ma con una tecnologia di monitoraggio e controllo intelligente, afferma Gilot.

Il bilanciamento del carico non è sempre semplice. Se c'è una forte pioggia in una parte della città ma non in un'altra, il calcolo potrebbe essere relativamente facile, ma cosa dovrebbe fare un sistema quando piove ovunque? Anche se la pioggia è concentrata in una zona, non è mai certo se la tempesta si sposterà o rimarrà nello stesso posto. E, naturalmente, nessuno vuole che un tubo fognario scoppi per eccessiva pressione, soprattutto in una zona popolata.

La soluzione di Montestruque era un modello basato su agenti in cui le valvole nei punti di deviazione del troppopieno acquistano capacità dal tubo intercettore. Il diametro del tubo intercettore varia man mano che attraversa la città, il che complica il compito di determinare la sua capacità di trasportare i rifiuti all'impianto di trattamento in un dato momento. L'approccio basato sul mercato ha il vantaggio di essere computazionalmente più semplice rispetto al tentativo di modellare completamente la complicata dinamica dei fluidi in tutto il sistema fognario.

Tuttavia, come sottolinea Kerkez dell'Università del Michigan, una serie intelligente di sensori e indicatori non può far tornare indietro l'orologio su un sistema fognario invecchiato. Tutto ha un punto di rottura, dice. Ciò che il controllo in tempo reale ha il potenziale per fare è spingere ulteriormente i confini di quel punto di rottura. Ma non esiste una soluzione sicura.

Anche con i miglioramenti apportati da Gilot, le fogne traboccavano ancora troppo spesso per i gusti dell'EPA, da qui il decreto di autorizzazione del 2011. Quando Fahey è arrivato a South Bend, ha ereditato un sistema fognario ottimizzato che comunque stava spingendo i suoi limiti.

Per fermare gli straripamenti, l'EPA ha chiesto alla città di costruire sette serbatoi sotterranei per immagazzinare l'acqua piovana e le acque reflue in eccesso. Molte città con sistemi fognari combinati utilizzano questo approccio. I serbatoi potrebbero contenere fino a 8,7 milioni di galloni; una volta passato un grande temporale, l'acqua non trattata può essere pompata dai serbatoi nel tubo di intercettazione e all'impianto di trattamento. I carri armati che Fahey stava contemplando erano costosi. Inoltre, le posizioni proposte si basavano su vecchi modelli di acque piovane che prevedevano dove avrebbero dovuto verificarsi gli straripamenti. Bisognerebbe sacrificare due grandi parchi popolari con alberi secolari.

La comunità era piuttosto in armi con ciò che veniva proposto, dice Fahey. Semplicemente non era fattibile a South Bend. Allo stesso tempo, stiamo gettando le acque reflue nel fiume, e nemmeno questo è davvero consentito.

Una sera del 2016, Fahey ha incontrato Montestruque per una birra in un gastropub locale. Fahey era curioso di vedere se la città fosse riuscita a trovare il modo di spremere maggiori guadagni dal suo sistema fognario carico di sensori. I due si sono resi conto che gli stessi dati dei sensori che avevano utilizzato per il controllo in tempo reale della loro infrastruttura fognaria esistente potevano anche aiutarli a pianificare il futuro. Abbiamo detto: 'Ascolta, con tutti questi dati che abbiamo, dovremmo essere in grado di fornire una rappresentazione iperaccurata di come si comporta il sistema', ricorda Montestruque.

Emnet sul San Giovanni

Il fondatore di EmNet Luis Montestruque (a destra) e il primo dipendente Tim Ruggaber sulle rive del fiume St. John.

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Nella progettazione di un sistema fognario o nella pianificazione degli aggiornamenti dell'infrastruttura, gli ingegneri utilizzano modelli e formulano determinate ipotesi. Calcolano ciò che pensano possa accadere in base a scenari ipotetici governati da dozzine di variabili: la quantità di pioggia in un anno, ad esempio, o la quantità di acqua che rimarrà nel sistema fognario invece di traboccare in un fiume. Ma durante il periodo in cui la città ha avuto un sistema fognario intelligente, ogni tipo di pioggia immaginabile è caduta su South Bend. E poiché i sensori hanno sempre osservato che ciò accadeva, la città può guardare ai dati per vedere come reagiranno le fogne. Invece di cercare di prevedere cosa potrebbe accadere, siamo in grado di dire cosa è successo e quindi cosa accadrà di nuovo, afferma Fahey.

Non risolverai mai un problema solo con un'infrastruttura intelligente.'

Era un progetto Internet delle cose su scala municipale. Con l'aiuto di EmNet, Fahey ha analizzato le letture dei sensori e ha scoperto che il piano EPA che prevede sette serbatoi al costo di 863 milioni di dollari potrebbe essere semplificato a un piano a quattro serbatoi che costerebbe solo 276 milioni di dollari. Parte del motivo della grande differenza di costo è riconducibile a quei modelli. In qualsiasi modello di fogna, dice Fahey, gli ingegneri aggiungeranno qualcosa in più per tenere conto di un serbatoio che perde, una linea di crepe, una tempesta che capita una volta in un secolo. Alla fine, viene aggiunto così tanto margine che il progetto finale è molto più infrastrutturale del necessario. I progettisti di reti fognarie prevedono ampiamente che il cambiamento climatico renderà le loro vite più difficili aumentando la frequenza delle intense tempeste. L'idea di utilizzare i dati è di capire meglio come le tempeste tendano a influenzare il flusso dell'acqua attraverso il complicato sistema di tubazioni in una rete urbana.

La differenza tra i what-if e ciò che è successo sono i dollari. Questa è la cosa più importante, dice Fahey. Puoi risparmiare tutti quei dollari progettando specificamente per le tue esigenze, al contrario di ciò che pensi di aver bisogno.

Negli ultimi anni, la città di South Bend ha presentato la sua nuova proposta infrastrutturale con i funzionari dell'EPA, che devono ancora darle l'approvazione federale. Oltre ai quattro serbatoi di stoccaggio, il piano prevede anche infrastrutture verdi, come i giardini pluviali, e la promessa di aumentare la capacità dell'impianto di trattamento delle acque reflue della città dagli attuali 77 milioni di galloni al giorno a 100 milioni di galloni al giorno.

EmNet, nel frattempo, sta installando sistemi di sensori in altre città. A partire da quest'anno, aveva progetti in corso a Grand Rapids, nel Michigan; Dayton, Ohio; e Buffalo, New York. Il suo progetto più grande finora, dopo il suo lavoro a South Bend, ha comportato l'implementazione di un sistema simile a Kansas City, Missouri, che stava anche subendo la tensione di un decreto di consenso dell'EPA. Le linee fognarie di Kansas City hanno quasi 160 anni e il governo locale stava lottando per prevenire gli straripamenti nel fiume Missouri. Ora le fogne di Kansas City sono dotate di 300 sensori, che i gestori della città prevedono faranno risparmiare alla città circa 1 miliardo di dollari in costi infrastrutturali. E, come South Bend, la città sta ora cercando di rinegoziare il suo accordo con l'EPA.

Un attuatore automatico della valvola fognaria che regola il flusso all'impianto di trattamento.

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Con la crescita della popolazione, i sensori intelligenti possono far guadagnare alle città tempo fino a quando non saranno necessari tubi più grandi, tubi più grandi e fori più grandi. Non è una soluzione perfetta, ovviamente. Per prima cosa, l'introduzione di controlli in tempo reale in rete significa anche nuove vulnerabilità a problemi tecnici e hacking del software. Non risolverai mai un problema solo con un'infrastruttura intelligente, afferma Fahey.

Tuttavia, mentre Fahey percorreva le rive del fiume St. Joseph lo scorso inverno, con la neve che scricchiolava sotto i suoi piedi, un pensiero era sempre presente nella sua mente. Negli anni precedenti in un giorno del genere, con neve leggera e un po' di scioglimento, alcune migliaia di galloni di liquami non trattati si sarebbero riversati nel fiume. Sarebbe stato facile vedere da dove si trovava Fahey. Ma quel pomeriggio il fiume era calmo. Sembrava pulito. E le fogne sottostanti non correvano affatto.

Correzione: Questo articolo originariamente diceva che Notre Dame si trova vicino al confine meridionale della città di South Bend. È, infatti, vicino al confine settentrionale. Ci scusiamo per l'errore.