Объединенная канализация — это тип гравитационной канализации с системой труб, туннелей, насосных станций и т. д. для транспортировки сточных вод и городских стоков вместе на очистные сооружения или полигон. Это означает, что во время дождей сточные воды разбавляются, что приводит к более высоким расходам на участке очистки. Незагрязненные ливневые воды просто разбавляют сточные воды, но стоки могут растворять или приостанавливать практически все, с чем они контактируют на крышах, улицах и складских дворах. [1] : 296 Когда дождевые капли проходят по крышам и земле, они могут собирать различные загрязняющие вещества, включая частицы почвы и другие отложения , тяжелые металлы, органические соединения , отходы животного происхождения, а также масло и смазку . Объединенные канализации также могут получать дренаж в сухую погоду от ландшафтного орошения , осушения строительства и мытья зданий и тротуаров .
Объединенные канализационные системы могут вызывать серьезные проблемы с загрязнением воды во время событий переполнения объединенной канализации ( CSO ), когда объединенные потоки сточных вод и поверхностного стока превышают пропускную способность очистных сооружений или максимальную скорость потока системы, которая передает объединенные источники. В случаях, когда происходит исключительно высокий поверхностный сток (например, сильные ливни), нагрузка на отдельные притоки канализационной системы может привести к затору до точки, когда неочищенные сточные воды вытекают из входных источников, таких как туалеты, в результате чего жилые здания затапливаются токсичной смесью сточных вод и стока, что влечет за собой огромные финансовые затраты на очистку и ремонт. Когда объединенные канализационные системы испытывают эти более высокие, чем обычно, пропускные способности, системы сброса приводят к тому, что сбросы, содержащие человеческие и промышленные отходы, попадают в реки, ручьи или другие водоемы. Такие события часто вызывают как негативные последствия для окружающей среды, так и последствия для образа жизни, включая закрытие пляжей, загрязнение моллюсков, небезопасных для употребления, и загрязнение источников питьевой воды, что делает их временно непригодными для питья и требует кипячения перед использованием, таким как купание или мытье посуды. [2]
Смягчение последствий перелива комбинированной канализации включает разделение канализации, хранение отходов бытового потребления, расширение мощностей по очистке сточных вод, создание отстойников , установок по очистке и дезинфекции, сокращение ливневых стоков, зеленую инфраструктуру и системы поддержки принятия решений в режиме реального времени .
Этот тип конструкции гравитационной канализации в настоящее время используется реже при строительстве новых канализационных систем. Современные конструкции канализации исключают поверхностный сток, строя вместо этого санитарные канализационные сети , но многие старые города и поселки продолжают эксплуатировать ранее построенные комбинированные канализационные системы. [3]
Самые ранние канализационные системы были спроектированы для отвода уличных стоков из жилых районов в поверхностные водоемы без очистки. До 19-го века было обычным делом выбрасывать человеческие отходы, например, ночные горшки , на городские улицы и убивать животных на открытых уличных « бойнях ». Использование тягловых животных, таких как лошади, и выпас скота по городским улицам означало, что большинство из них содержало большое количество экскрементов. До развития щебня в качестве дорожного покрытия в 19-м веке, системы дорожного покрытия были в основном пористыми, так что осадки могли впитываться, а не стекать, а дождевая вода с городских крыш часто сохранялась в резервуарах для дождевой воды. Открытые канализационные системы, состоящие из желобов и городских русел, были распространены во всем мире до 20-го века.
В большинстве развитых стран в конце 19-го и начале 20-го веков были предприняты большие усилия для того, чтобы закрыть ранее открытые канализации, превратив их в закрытые системы с чугунными, стальными или бетонными трубами, каменной кладкой и бетонными арками, в то время как улицы и пешеходные дорожки все чаще покрывались непроницаемыми системами мощения. Большинство систем сбора сточных вод 19-го и начала-середины 20-го века использовали однотрубные системы, которые собирали как сточные воды, так и городские стоки с улиц и крыш (в той степени, в которой относительно чистая дождевая вода с крыш не сохранялась в бочках и цистернах для питья и мытья). Этот тип системы сбора называется «комбинированной канализационной системой». Обоснованием для объединения двух было то, что было бы дешевле построить только одну систему. [4] : 8 В то время в большинстве городов не было очистных сооружений, поэтому не было никаких предполагаемых преимуществ для общественного здравоохранения в строительстве отдельной системы «поверхностной канализации» (терминология Великобритании) или « ливневой канализации » (терминология США). [2] : стр. 2–3 Более того, до эпохи автомобилей стоки, как правило, были сильно загрязнены отходами жизнедеятельности животных. Кроме того, до середины-конца 19-го века частое использование шатаний приводило к образованию большего количества отходов. Повсеместная замена лошадей автомобильным транспортом, мощение городских улиц и поверхностей, строительство муниципальных скотобоен и обеспечение водопроводной водой в 20-м веке изменили характер и объем городских стоков, которые изначально стали чище, включая воду, которая раньше впитывалась, и ранее сохранявшуюся дождевую воду с крыш после того, как общесплавная канализация уже была широко распространена.
При строительстве комбинированные канализационные системы обычно были рассчитаны на пропускную способность от трех [2] : стр. 2–4 до 160 раз больше среднего расхода сточных вод в сухую погоду. [5] : 136 Обычно невозможно очистить объем смешанных сточных вод и поверхностного стока, протекающего в комбинированной канализации во время пиковых стоков, вызванных таянием снега или конвективными осадками . Поскольку города строили очистные сооружения, эти сооружения обычно строились для очистки только объема сточных вод, протекающих в сухую погоду. В системе сбора были установлены разгрузочные сооружения для обхода неочищенных сточных вод, смешанных с поверхностным стоком во время влажной погоды, защищая очистные сооружения от повреждений, вызванных пиковыми расходами, достигающими головных сооружений . [6]
Эти разгрузочные сооружения, называемые «регуляторами штормовых вод» (в американском английском — или «переливами комбинированных канализаций» в британском английском ), строятся в системах комбинированной канализации для отвода потоков, превышающих пиковый расчетный расход очистных сооружений. [6] Комбинированные канализационные системы строятся с контрольными секциями, устанавливающими отношения «ступень-выпуск» или «перепад давления-выпуск», которые могут быть либо предсказаны, либо откалиброваны для отвода потоков, превышающих пропускную способность очистных сооружений. Прыгающий водослив может использоваться в качестве регулирующего устройства, позволяя типичным расходам сточных вод в сухую погоду попадать в коллектор-перехватчик на очистные сооружения, но заставляя большую часть более высоких расходов перепрыгивать через перехватчик в отводной водосброс. В качестве альтернативы, отверстие может быть рассчитано на расчетную пропускную способность очистных сооружений и вызывать накопление избыточного потока над отверстием, пока он не перельется через боковой переливной водослив на отводной водосброс. [5] : 112–114
Статистика CSO может быть запутанной, поскольку этот термин может описывать либо количество событий, либо количество мест расположения рельефных структур, в которых такие события могут происходить. Событие CSO, как этот термин используется в американском английском, происходит, когда смешанные сточные воды и ливневые воды обходят секцию управления объединенной канализационной системы в реку, ручей, озеро или океан через спроектированный отводной водосброс , но без очистки. Частота и продолжительность перелива варьируются как от системы к системе, так и от водосброса к водосбросу в пределах одной объединенной канализационной системы. Некоторые водосбросы CSO сбрасываются нечасто, в то время как другие активируются каждый раз, когда идет дождь. [2] : стр. 2–3, 2–4
Компонент ливневой воды вносит загрязняющие вещества в CSO; но основная фракция загрязнения - это первый смываемый скопившийся биопленочный и санитарный твердый осадок, смываемый с увлажненного периметра комбинированных канализаций в сухую погоду во время пиковой турбулентности потока . [8] Каждый шторм отличается по количеству и типу загрязняющих веществ, которые он вносит. Например, штормы, которые случаются в конце лета, когда некоторое время не было дождей, содержат больше всего загрязняющих веществ. Загрязняющие вещества, такие как масло, жир, фекальные колиформы из отходов домашних животных и диких животных, а также пестициды, смываются в канализационную систему. В районах с холодной погодой загрязняющие вещества от автомобилей, людей и животных также скапливаются на твердых поверхностях и траве зимой, а затем смываются в канализационные системы во время сильных весенних дождей.
Сбросы CSO во время сильных штормов могут вызвать серьезные проблемы с загрязнением воды. Сбросы содержат человеческие и промышленные отходы и могут привести к закрытию пляжей, ограничению потребления моллюсков и загрязнению источников питьевой воды. [2]
CSO отличаются от переливов бытовых канализаций тем, что последние вызваны засорами канализационной системы, повреждениями или потоками, превышающими пропускную способность канализации (а не пропускную способность очистных сооружений). [2] : Гл.4 Переливы бытовых канализаций могут происходить в любой низкой точке канализационной системы, а не в разгрузочных сооружениях CSO. Отсутствие отводного отверстия часто приводит к тому, что переливы бытовых канализаций затапливают жилые строения и/или протекают по проезжей части дорог, прежде чем достигнут естественных дренажных каналов. Переливы бытовых канализаций могут вызывать больший риск для здоровья и наносить больший ущерб окружающей среде, чем CSO, если они происходят в сухую погоду, когда нет стока осадков для разбавления и смывания загрязняющих веществ из сточных вод.
Около 860 общин в США имеют объединенные канализационные системы, обслуживающие около 40 миллионов человек. [9] Загрязнители из сбросов CSO могут включать бактерии и другие патогены , токсичные химикаты и мусор. Эти загрязнители также связаны с устойчивостью к противомикробным препаратам , что представляет серьезную проблему для общественного здравоохранения. [10] Агентство по охране окружающей среды США (EPA) в 1994 году выпустило политику, требующую от муниципалитетов внести улучшения для сокращения или устранения проблем загрязнения, связанных с CSO. [11] Политика реализуется через программу разрешений Национальной системы ликвидации сбросов загрязняющих веществ (NPDES) . Политика определила параметры качества воды для безопасности экосистемы; она допускает действия, которые являются специфичными для конкретного участка, для контроля CSO наиболее практичным способом для сообщества; она гарантирует, что контроль CSO не выходит за рамки бюджета сообщества; и допускает гибкость параметров качества воды в зависимости от конкретных условий участка. Политика контроля CSO требовала, чтобы все государственные очистные сооружения имели «девять минимальных средств контроля» к 1 января 1997 года, чтобы уменьшить последствия перелива сточных вод путем внесения небольших улучшений в существующие процессы. [12] В 2000 году Конгресс внес поправки в Закон о чистой воде , чтобы потребовать от муниципалитетов соблюдения политики Агентства по охране окружающей среды. [13]
Смягчение последствий перелива комбинированной канализации включает разделение канализации, хранение CSO, расширение мощностей по очистке сточных вод, отстойники , фильтрационные и дезинфицирующие сооружения, сокращение потоков ливневых вод, зеленую инфраструктуру и системы поддержки принятия решений в режиме реального времени . Например, города с переливами комбинированной канализации используют один или несколько инженерных подходов для сокращения сбросов неочищенных сточных вод, в том числе:
Агентство по охране окружающей среды Соединенного Королевства выявило неудовлетворительные периодические сбросы и выпустило Директиву по очистке городских сточных вод, требующую принятия мер по ограничению загрязнения от переливов объединенной канализации. [15] В 2009 году Совет министров охраны окружающей среды Канады принял общеканадскую Стратегию по управлению городскими сточными водами, включающую национальные стандарты для (1) удаления плавающих материалов из переливов объединенной канализации, (2) предотвращения переливов объединенной канализации в сухую погоду и (3) предотвращения увеличения частоты переливов объединенной канализации в результате застройки или реконструкции. [16]
Реконструкция комбинированных канализационных систем для смягчения последствий CSO требует обширных сетей мониторинга, которые становятся все более распространенными по мере снижения затрат на датчики и связь. [17] Эти сети мониторинга могут определять узкие места, вызывающие основную проблему CSO, или помогать в калибровке гидродинамических или гидрологических моделей для обеспечения экономически эффективного смягчения последствий CSO.
Муниципалитеты в США реализуют проекты по снижению CSO с 1990-х годов. Например, до 1990 года количество неочищенных объединенных сточных вод, ежегодно сбрасываемых в озера, реки и ручьи на юго-востоке Мичигана, оценивалось более чем в 30 миллиардов галлонов США (110 000 000 м 3 ) в год. В 2005 году, когда было введено в эксплуатацию около 1 миллиарда долларов из запланированных 2,4 миллиарда долларов инвестиций в CSO, неочищенные сбросы были сокращены более чем на 20 миллиардов галлонов США (76 000 000 м 3 ) в год. Эти инвестиции, которые привели к 85-процентному сокращению CSO, включали многочисленные канализационные разделения, хранилища и очистные сооружения CSO, а также усовершенствования очистных сооружений сточных вод, построенные местными и региональными органами власти. [18]
Многие другие регионы США реализуют аналогичные проекты (см., например, залив Пьюджет-Саунд в Вашингтоне). [19] Такие города, как Питтсбург , Сиэтл , Филадельфия и Нью-Йорк, сосредоточены на этих проектах отчасти потому, что они находятся под федеральным соглашением о решении своих проблем CSO. Как авансовые штрафы, так и оговоренные штрафы используются Агентством по охране окружающей среды и государственными агентствами для обеспечения инициатив по смягчению CSO и эффективности их графиков. Департаменты канализации муниципалитетов, инженерные и проектные фирмы и экологические организации предлагают различные подходы к потенциальным решениям.
Некоторые города США реализовали проекты по разделению канализации — строительство второй системы трубопроводов для всего сообщества или его части. Во многих из этих проектов города смогли разделить только части своих объединенных систем. Высокие затраты или физические ограничения могут помешать строительству полностью отдельной системы. [20] В 2011 году Вашингтон, округ Колумбия , разделил свои канализации в четырех небольших районах за 11 миллионов долларов. (Стоимость проекта также включала усовершенствования системы трубопроводов питьевой воды .) [21] [22]
Другое решение — построить хранилище CSO, например, туннель, который может хранить стоки из многих канализационных соединений. Поскольку туннель может делить емкость между несколькими отводами, он может уменьшить общий объем хранения, который должен быть предоставлен для определенного количества отводов. Туннели хранения хранят объединенные сточные воды, но не очищают их. Когда шторм заканчивается, потоки откачиваются из туннеля и отправляются на очистные сооружения сточных вод. [18] Одной из главных проблем с хранилищем CSO является продолжительность времени хранения перед сбросом. Без тщательного управления этим периодом хранения вода в хранилище CSO рискует стать септической. [ необходимо разъяснение ] [ необходима цитата ]
Вашингтон, округ Колумбия , строит подземные хранилища в качестве своей основной стратегии по решению проблемы CSO. В 2011 году город начал строительство системы из четырех глубоких туннелей для хранения, прилегающих к реке Анакостия , что позволит сократить переливы в реку на 98 процентов и на 96 процентов в масштабах всей системы. Система будет включать более 18 миль (29 км) туннелей с емкостью хранения 157 миллионов галлонов США (590 000 м 3 ). [23] Первый сегмент системы туннелей, длиной 7 миль (11 км), был введен в эксплуатацию в 2018 году. Остальные сегменты системы хранения планируется завершить в 2023 году. [24] (Общий городской проект «Чистые реки», прогнозируемая стоимость которого составляет 2,6 миллиарда долларов, включает другие компоненты, такие как сокращение потоков ливневых вод.) [25] Туннель для хранения CSO в Южном Бостоне — это аналогичный проект, завершенный в 2011 году.
Индианаполис , штат Индиана, строит подземное хранилище в виде системы глубоких скальных туннелей длиной 28 миль (45 км) и диаметром 18 футов (5,5 м), которая соединит два существующих завода по очистке сточных вод и обеспечит сбор сточных вод с различных участков CSO, расположенных вдоль реки Уайт , ручья Игл-Крик, ручья Фолл-Крик , Поуг-Ран и Плезант-Ран. [26] Citizens Energy Group управляет усилиями по строительству первых этапов работ, которые включают в себя 250-футовый (76 м) глубокий соединительный туннель Deep Rock между заводом по очистке сточных вод Белмонт и заводом по очистке сточных вод Саутпорт. Дополнительные туннели будут ответвляться под существующими водотоками, расположенными в Индианаполисе. Планируемая стоимость проекта составит 1,9 млрд долларов. [27]
Форт-Уэйн , штат Индиана, строит туннель длиной 4,5 мили (7,2 км), диаметром 14 футов (4,3 м) и стоимостью 180 млн долларов под 3RPORT [28] (Тоннель защиты и снижения перелива трех рек) для решения проблемы многочисленных CSO, которые впадают в реки Сент-Мэрис , Сент- Джозеф и Моми . 3RPORT находится примерно на 160 футов (49 м) ниже уровня земли и, как ожидается, будет введен в эксплуатацию в 2023 году.
Некоторые города расширили свои основные мощности по очистке сточных вод, чтобы справиться с частью или всем объемом CSO. В 2002 году судебные разбирательства заставили город Толедо, штат Огайо , удвоить свои мощности по очистке и построить водохранилище, чтобы устранить большую часть переливов. Город также согласился изучить способы сокращения потоков ливневых вод в канализационную систему. ( См. Сокращение потоков ливневых вод.) [29]
Другим решением являются резервуары для сбора и очистки сточных вод или большие бетонные резервуары , в которых хранятся и обрабатываются смешанные сточные воды. Эти подземные сооружения могут иметь емкость для хранения и обработки от 2 миллионов галлонов США (7600 м 3 ) до 120 миллионов галлонов США (450 000 м 3 ) смешанных сточных вод. Хотя каждое сооружение уникально, типичная эксплуатация сооружения выглядит следующим образом. Потоки из перегруженных канализаций перекачиваются в бассейн, который разделен на отсеки. Первый отсек для смыва улавливает и хранит потоки с самым высоким уровнем загрязняющих веществ из первой части шторма. К этим загрязняющим веществам относятся моторное масло , осадок, дорожная соль и химикаты для газонов (пестициды и удобрения ), которые подхватываются ливневыми водами, когда они стекают с дорог и газонов. Потоки из этого отсека хранятся и отправляются на очистные сооружения сточных вод, когда в коллекторе-перехватчике есть емкость после шторма. Второй отсек представляет собой отсек обработки или проточный отсек. Потоки дезинфицируются путем введения гипохлорита натрия или отбеливателя, когда они попадают в этот отсек. Затем требуется около 20-30 минут, чтобы потоки переместились в конец отсека. За это время бактерии погибают, а крупные твердые частицы оседают. В конце отсека любой оставшийся санитарный мусор снимается сверху, а очищенные потоки сбрасываются в реку или озеро. [18]
Город Детройт , штат Мичиган, использует систему из девяти удерживающих бассейнов CSO и объектов экранирования/дезинфекции, которые принадлежат и эксплуатируются Управлением водных ресурсов Великих озер . Эти бассейны расположены на оригинальных объединенных канализационных выходах, расположенных вдоль рек Детройт и Руж в пределах агломерации Детройт. Эти объекты, как правило, рассчитаны на два дюйма ливневых стоков с возможностью дезинфекции переливов во время экстремальных дождей в сырую погоду.
Фильтрующие и дезинфицирующие установки обрабатывают CSO, не храня его. Называемые «проточными» установками, они используют тонкие сетки для удаления твердых частиц и санитарного мусора из объединенных сточных вод. Потоки вводятся с гипохлоритом натрия для дезинфекции и смешиваются, проходя через ряд тонких сеток для удаления мусора. Тонкие сетки имеют отверстия размером от 4 до 6 мм, или чуть меньше четверти дюйма. Поток направляется через установку со скоростью, которая обеспечивает достаточно времени для того, чтобы гипохлорит натрия убил бактерии. Все материалы, удаленные сетками, затем отправляются на очистные сооружения через коллектор-перехватчик. [30]
Сообщества могут применять методы развития с низким воздействием для сокращения потоков ливневых вод в систему сбора. Это включает:
Инициативы CSO по смягчению последствий, которые состоят исключительно из реконструкции канализационной системы, называются серой инфраструктурой, в то время как такие методы, как проницаемое покрытие и сбор дождевой воды, называются зеленой инфраструктурой . Часто между канализационным управлением муниципалитета и его экологически активными организациями возникают конфликты между серыми и зелеными инфраструктурными планами. [ необходима цитата ]
В отчете Агентства по охране окружающей среды Конгрессу за 2004 год по ОГО представлен обзор доступных технологий по смягчению воздействия ОГО. [2] : Гл. 8
Недавние технологические достижения в области обнаружения и управления позволили внедрить системы поддержки принятия решений в реальном времени (RT-DSS) для смягчения последствий CSO. Благодаря использованию технологий Интернета вещей и облачных вычислений события CSO теперь можно смягчить путем динамической регулировки уставок для подвижных ворот, насосных станций и других приводимых в действие активов в канализационных системах и системах управления ливневыми водами. Похожая технология, называемая адаптивным управлением движением , используется для управления потоком транспортных средств через светофоры. Системы RT-DSS используют преимущества временной и пространственной изменчивости шторма, а также изменяющееся время концентрации из-за различного использования земель по всей канализационной сети для координации и оптимизации активов управления. Максимизируя хранение и транспортировку, RT-DSS способны минимизировать переливы, используя существующую инфраструктуру. Успешные внедрения RT-DSS были выполнены по всей территории Соединенных Штатов [31] [32] [33] и Европы. [34]
Управление в реальном времени (RTC) может быть эвристическим или основанным на модели. Управление на основе модели теоретически более оптимально, [35] но из-за простоты реализации эвристический контроль применяется чаще. Получение достаточных доказательств того, что RTC является подходящим вариантом для смягчения последствий CSO, остается проблематичным, хотя новые методы производительности могут сделать это возможным. [36]
В Великобритании существует юридическое различие между ливневой канализацией и канализацией поверхностных вод. В соответствии с разделом 106 Закона о водном хозяйстве нет права на подключение к ливневой канализации. [37]
Обычно это трубопровод, который сбрасывает воду в водоток ниже по течению от перелива комбинированной канализации. Он принимает избыточный поток из комбинированной канализации. Поверхностная канализация транспортирует дождевую воду; юридически существует право подключения дождевой воды к этой общественной канализации. Общественная ливневая канализация может сбрасывать воду в общественную поверхностную воду, но не наоборот, без юридического изменения статуса канализации компанией водоснабжения.
_01.jpg/1280px-Kalteysen_St._Barbara_Altarpiece_(detail)_01.jpg)
Комбинированные канализационные системы были распространены, когда впервые появились городские канализационные системы, в конце 19-го и начале 20-го веков. [3]
Образ канализации повторяется в европейской культуре, поскольку они часто использовались в качестве укрытий или путей побега презираемыми или преследуемыми, включая партизан и бойцов сопротивления во Второй мировой войне . Бои в канализации вспыхнули во время Сталинградской битвы . Единственные выжившие после Варшавского восстания и Варшавского гетто совершили свой последний побег через городскую канализацию. Некоторые отмечают, что гравюры воображаемых тюрем Пиранези были вдохновлены Cloaca Maxima , одной из самых ранних в мире канализаций.
Тема путешествия, сокрытия или даже проживания в объединенных канализационных системах является распространенным сюжетным приемом в средствах массовой информации. Известными примерами проживания в канализации являются « Черепашки-ниндзя» , «Оно » Стивена Кинга , «Отверженные» , «Третий человек » , «Леди-ястреб» , «Мутанты» , «Призрак оперы» , «Красавица и чудовище » и «Радио будущего Jet Set» . Роман Тодда Штрассера «Y2K-9: Собака, которая спасла мир» посвящен собаке, которая предотвращает террористические угрозы электронного саботажа американских очистных сооружений.
Известная городская легенда , канализационный аллигатор , — это гигантские аллигаторы или крокодилы, живущие в объединенных канализационных системах, особенно в крупных мегаполисах. Две общественные скульптуры в Нью-Йорке изображают аллигатора, тащащего несчастную жертву в люк . [39]
Известно, что аллигаторы забираются в ливневую канализацию на юго-востоке США. Система видеонаблюдения компании по ремонту канализации засняла на пленку аллигатора в ливневой канализации. [40]