Комбинированная канализация — это тип самотечной канализации с системой труб, туннелей, насосных станций и т. д. для совместной транспортировки нечистот и городских стоков на очистные сооружения или на свалку. Это означает, что во время дождя сточные воды разбавляются, что приводит к увеличению расхода на участке очистки. Незагрязненные ливневые воды просто разбавляют сточные воды, но сточные воды могут растворять или приостанавливать практически все, с чем они контактируют, на крышах, улицах и складских площадках. [1] : 296 Когда осадки проходят по крышам и земле, они могут собирать различные загрязнения, включая частицы почвы и другие отложения , тяжелые металлы, органические соединения , отходы животного происхождения, а также масла и жиры . В комбинированную канализационную систему могут также поступать дренажи в сухую погоду от орошения ландшафтов , дренажа строительных конструкций и мытья зданий и тротуаров .
Комбинированные канализационные коллекторы могут вызвать серьезные проблемы с загрязнением воды во время событий перелива комбинированных канализационных стоков ( CSO ), когда комбинированные потоки сточных вод и поверхностных стоков превышают мощность очистных сооружений или максимальный расход системы, которая передает комбинированные источники. В случаях, когда происходит исключительно высокий поверхностный сток (например, сильные ливни), нагрузка на отдельные притоки канализационной системы может вызвать резервное копирование до такой степени, что неочищенные сточные воды вытекают из источников поступления, таких как туалеты, вызывая затопление жилых зданий. быть затоплен токсичной смесью сточных вод, что повлечет за собой огромные финансовые затраты на очистку и ремонт. Когда пропускная способность комбинированных канализационных систем превышает нормальную, системы оказания помощи 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 образа жизни, включая закрытие пляжей, загрязнение моллюсков, небезопасных для употребления в пищу, а также загрязнение источников питьевой воды, что делает их временно небезопасными для питья и требует кипячения перед использованием, например, для купания или мытья посуды. [2]
Смягчение последствий переливов комбинированной канализации включает в себя разделение канализационных стоков, хранение CSO, расширение мощностей по очистке сточных вод, накопительных бассейнов , сооружений для фильтрации и дезинфекции, сокращение потоков ливневых вод, зеленую инфраструктуру и системы поддержки принятия решений в режиме реального времени .
Этот тип конструкции самотечной канализации в настоящее время все реже используется при строительстве новых канализационных систем. Современные конструкции канализационных систем исключают поверхностный сток за счет строительства канализационных коллекторов , но во многих старых городах и поселках продолжают использоваться ранее построенные комбинированные канализационные системы. [3]
Первые канализационные системы были предназначены для отвода уличных стоков из населенных пунктов в поверхностные водные пути без очистки. До 19-го века было обычным делом выбрасывать на улицы городов и городских улиц мусорные контейнеры с человеческими отходами, например, ночные горшки , а также забивать животных на открытых уличных « драках ». Использование тягловых животных, таких как лошади, и выпас скота по улицам города означало, что большинство из них содержало большое количество экскрементов. До появления щебня в качестве материала для дорожного покрытия в 19 веке системы мощения были в основном пористыми, так что осадки могли впитываться, а не стекать, а дождевая вода с крыш городов часто сохранялась в резервуарах для дождевой воды. Открытые канализационные коллекторы, состоящие из желобов и городских русел, были распространены во всем мире до 20 века.
В большинстве развитых стран в конце 19 - начале 20 веков были предприняты большие усилия по перекрытию ранее открытых канализационных сетей, преобразованию их в закрытые системы с чугунными, стальными или бетонными трубами, каменной кладкой и бетонными арками, а улицы и пешеходные дорожки все чаще покрывались непроницаемой брусчаткой. В большинстве систем сбора сточных вод 19-го и начала-середины 20-го века использовались однотрубные системы, которые собирали как сточные воды, так и городские стоки с улиц и крыш (в той степени, что относительно чистая дождевая вода с крыш не сохранялась в бочках и цистернах для питья и мытья). .) Этот тип коллекторной системы называется «комбинированной канализационной системой». Обоснованием объединения этих двух систем было то, что дешевле было бы построить только одну систему. [4] : 8 В большинстве городов в то время не было очистных сооружений, поэтому не было очевидных преимуществ для общественного здравоохранения в строительстве отдельной системы «поверхностной канализации» (терминология Великобритании) или « ливневой канализации » (терминология США). [2] : стр. 2–3 Более того, до появления автомобилей сточные воды обычно были сильно загрязнены отходами животного происхождения. Кроме того, до середины-конца 19 века частое использование руин приводило к увеличению отходов. Повсеместная замена лошадей автомобилями, мощение городских улиц и площадей, строительство муниципальных скотобоен и обеспечение водопроводной водой в ХХ веке изменили характер и объем городских стоков, которые изначально стали более чистыми, включая воду, которая раньше впитывалась и Ранее экономия дождевой воды с крыш после комбинированной канализации уже получила широкое распространение.
При строительстве комбинированные канализационные системы обычно рассчитывались на пропуск в три [2] : стр. 2–4, что в 160 раз превышает средний поток сточных вод в сухую погоду. [5] : 136 Как правило, невозможно обрабатывать объем смешанных сточных вод и поверхностного стока, протекающих в комбинированной канализации во время пиковых значений стока, вызванных таянием снегов или конвективными осадками . Поскольку в городах строились очистные сооружения, эти станции обычно строились для очистки только того объема сточных вод, которые стекают в засушливую погоду. В системе сбора были установлены рельефные сооружения для обхода неочищенных сточных вод, смешанных с поверхностными стоками во время влажной погоды, защищающие очистные сооружения от повреждений, вызванных попаданием пиковых потоков на головные сооружения . [6]
Эти рельефные сооружения, называемые «регуляторами ливневых вод» (в американском английском или «переливами комбинированной канализации» в британском английском ), строятся в комбинированных канализационных системах для отвода потоков, превышающих пиковый расчетный расход очистных сооружений. [6] Комбинированные канализационные коллекторы построены с секциями управления, устанавливающими зависимости между ступенями сброса или перепадом давления и расходом, которые можно либо спрогнозировать, либо откалибровать для отвода потоков, превышающих мощность очистных сооружений. Прыгающий водослив может использоваться в качестве регулирующего устройства, позволяющего типичным расходам сточных вод в сухую погоду попадать в коллектор-отстойник к очистным сооружениям, но заставляя большую часть более высоких расходов перескакивать через перехватчик в отводной выпуск. Альтернативно, размер отверстия может быть таким, чтобы соответствовать проектной производительности очистных сооружений и вызывать накопление избыточного потока над отверстием до тех пор, пока он не превысит боковую переливную плотину, ведущую к отводному выпуску. [5] : 112–114.
Статистика CSO может сбивать с толку, поскольку этот термин может описывать либо количество событий, либо количество мест рельефных структур, в которых такие события могут произойти. Событие CSO, как этот термин используется в американском английском, происходит, когда смешанные сточные воды и ливневые воды перепускаются из секции управления объединенной канализационной системой в реку, ручей, озеро или океан через спроектированный отводной водосток, но без очистки. Частота и продолжительность переливов варьируются как от системы к системе, так и от водостока к водостку в пределах одной объединенной канализационной системы. Некоторые водосбросы CSO сбрасываются нечасто, тогда как другие активируются каждый раз, когда идет дождь. [2] : стр. 2–3, 2–4.
Компонент ливневых вод вносит загрязняющие вещества в CSO; но основная часть загрязнения - это первый неприятный смыв накопленной биопленки и санитарных твердых частиц, смываемых с влажного периметра комбинированной канализации в сухую погоду во время пиковой турбулентности потока . [7] Каждый шторм отличается количеством и типом загрязняющих веществ, которые он вносит. Например, штормы, возникающие в конце лета, когда дождей не было какое-то время, содержат больше всего загрязняющих веществ. Загрязнители, такие как масло, жир, фекальные колиформные микроорганизмы из отходов домашних животных и дикой природы, а также пестициды, смываются в канализационную систему. В регионах с холодным климатом загрязняющие вещества от автомобилей, людей и животных также накапливаются зимой на твердых поверхностях и траве, 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 канализации тем , что последние вызваны засорами, повреждениями или расходами канализационной системы, превышающими пропускную способность канализационных систем (а не пропускную способность очистных сооружений ) . в канализационной системе, а не в вспомогательных сооружениях ОГО. Отсутствие водоотвода часто приводит к тому, что канализационные стоки затопляют жилые постройки и/или перетекают через проезжую часть дорог, не достигая естественных дренажных каналов. Переливы канализации могут вызвать больший риск для здоровья и ущерб окружающей среде, чем ОГО, если они происходят в сухую погоду, когда нет стока осадков, разбавляющих и смывающих загрязняющие вещества из сточных вод.
Около 860 населенных пунктов в США имеют комбинированные канализационные системы, обслуживающие около 40 миллионов человек. [8] Загрязнители от сбросов CSO могут включать бактерии и другие болезнетворные микроорганизмы , токсичные химические вещества и мусор. Эти загрязнители также связаны с устойчивостью к противомикробным препаратам , что представляет собой серьезную проблему для общественного здравоохранения. [9] Агентство по охране окружающей среды США (EPA) в 1994 году издало политику, требующую от муниципалитетов внесения улучшений для уменьшения или устранения проблем загрязнения, связанных с ОГО. [10] Эта политика реализуется через программу разрешений Национальной системы ликвидации выбросов загрязняющих веществ (NPDES) . В этой политике определены параметры качества воды для обеспечения безопасности экосистемы; это позволило осуществлять действия, специфичные для конкретного объекта, для контроля ОГО наиболее практичным для сообщества способом; он удостоверился, что контроль со стороны ОГО не выходит за рамки бюджета сообщества; и позволили гибко регулировать параметры качества воды в зависимости от конкретных условий участка. Политика контроля CSO требовала, чтобы к 1 января 1997 года все государственные очистные сооружения имели «девять минимальных мер контроля», чтобы уменьшить последствия перелива сточных вод путем внесения небольших улучшений в существующие процессы. [11] В 2000 году Конгресс внес поправки в Закон о чистой воде , требуя от муниципалитетов соблюдения политики Агентства по охране окружающей среды. [12]
Смягчение последствий переливов комбинированной канализации включает в себя разделение канализационных стоков, хранение CSO, расширение мощностей по очистке сточных вод, накопительных бассейнов , сооружений для фильтрации и дезинфекции, сокращение потоков ливневых вод, зеленую инфраструктуру и системы поддержки принятия решений в режиме реального времени . Например, в городах с переливами комбинированной канализации используются 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 издало Директиву по очистке городских сточных вод, требующую принятия мер по ограничению загрязнения в результате переливов комбинированной канализации. [14] В 2009 году Канадский совет министров окружающей среды принял общеканадскую стратегию управления муниципальными сточными водами, включая национальные стандарты для (1) удаления плавающего материала из переливов комбинированной канализации, (2) предотвращения переливов комбинированной канализации во время сухая погода и (3) предотвращение застройки или реконструкции, приводящей к увеличению частоты переливов комбинированной канализации. [15]
Реабилитация комбинированных канализационных систем для смягчения последствий ОГО требует обширных сетей мониторинга, которые становятся все более распространенными по мере снижения затрат на датчики и связь. [16] Эти сети мониторинга могут выявить узкие места, вызывающие основную проблему CSO, или помочь в калибровке гидродинамических или гидрологических моделей , чтобы обеспечить экономически эффективное смягчение последствий CSO.
Муниципалитеты в США реализуют проекты по смягчению последствий ОГО с 1990-х годов. Например, до 1990 года количество неочищенных сточных вод, сбрасываемых ежегодно в озера, реки и ручьи на юго-востоке Мичигана , оценивалось в более чем 30 миллиардов галлонов США (110 000 000 м 3 ) в год. В 2005 году, благодаря введению в эксплуатацию почти 1 миллиарда долларов из запланированных инвестиций CSO в 2,4 миллиарда долларов, неочищенные сбросы были сокращены более чем на 20 миллиардов галлонов США (76 000 000 м 3 ) в год. Эти инвестиции, которые привели к сокращению количества CSO на 85 процентов, включали в себя модернизацию многочисленных канализационных систем, хранилищ и очистных сооружений CSO, а также модернизацию очистных сооружений, построенных местными и региональными властями. [17]
Подобные проекты реализуются во многих других регионах США (см., например, Пьюджет-Саунд в Вашингтоне). [18] Такие города, как Питтсбург , Сиэтл , Филадельфия и Нью-Йорк , сосредотачивают внимание на этих проектах отчасти потому, что они находятся под действием федеральных указов о согласии на решение проблем ОГО. Как авансовые штрафы, так и предусмотренные штрафы используются Агентством по охране окружающей среды и агентствами штата для обеспечения реализации инициатив по смягчению воздействия ОГО и эффективности их графиков. Муниципальные департаменты канализации, инженерно-проектные фирмы и экологические организации предлагают различные подходы к потенциальным решениям.
В некоторых городах США реализованы 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 созданию полностью отдельной системы. [19] В 2011 году в Вашингтоне, округ Колумбия , были разделены канализационные сети в четырех небольших кварталах, что обошлось в 11 миллионов долларов. (В стоимость проекта также включена модернизация системы трубопроводов питьевой воды .) [20] [21]
Другое решение — построить хранилище CSO, например туннель, в котором можно хранить потоки из многих канализационных соединений. Поскольку туннель может распределять емкость между несколькими отводами, это может уменьшить общий объем хранилища, который необходимо предоставить для определенного количества отводов. Туннели-хранилища хранят комбинированные сточные воды, но не очищают их. После окончания шторма стоки откачиваются из тоннеля и направляются на очистные сооружения. [17] Одной из основных проблем, связанных с хранением CSO, является продолжительность времени, в течение которого он хранится до его выпуска. Без тщательного управления этим периодом хранения вода в хранилище ЦСО рискует стать зараженной. [ нужны разъяснения ] [ нужна ссылка ]
Вашингтон, округ Колумбия , рассматривает создание подземных хранилищ в качестве своей основной стратегии по решению проблем ОГО. В 2011 году город начал строительство системы из четырех глубоких туннелей-хранилищ, 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 ). [22] Первый сегмент туннельной системы длиной 7 миль (11 км) был введен в эксплуатацию в 2018 году. Остальные сегменты системы хранения планируется завершить в 2023 году. [23] (Общая программа города «Чистые реки» проект, стоимость которого оценивается в 2,6 миллиарда долларов, включает в себя и другие компоненты, такие как сокращение потоков ливневых вод.) [24] Туннель для хранения CSO в Южном Бостоне представляет собой аналогичный проект, завершенный в 2011 году.
Индианаполис , штат Индиана, строит подземное хранилище в виде системы глубоких каменных туннелей длиной 28 миль (45 км) и диаметром 18 футов (5,5 м), которая соединит две существующие станции очистки сточных вод и обеспечит сбор сточных вод из различные объекты ОГО, расположенные вдоль рек Уайт-Ривер , Игл-Крик, Фолл-Крик , Поуг-Ран и Плезант-Ран. [25] Citizens Energy Group управляет усилиями по строительству первых этапов работ, которые включают в себя соединительный туннель Deep Rock глубиной 250 футов (76 м) между станциями очистки сточных вод Бельмонта и станциями очистки сточных вод Саутпорта. Дополнительные туннели разветвятся под существующими водотоками, расположенными в Индианаполисе. Планируемая стоимость проекта составит 1,9 миллиарда долларов. [26]
Форт-Уэйн , штат Индиана, строит туннель длиной 4,5 мили (7,2 км) и диаметром 14 футов (4,3 м) стоимостью 180 миллионов долларов под 3RPORT [27] (Туннель для защиты трех рек и уменьшения переполнения) для защиты бесчисленных организаций гражданского общества, которые выходят из берегов. в реки Св. Марии , Св. Джозефа 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 базовые мощности по очистке сточных вод, чтобы обрабатывать часть или весь объем CSO. В 2002 году судебный процесс вынудил город Толедо, штат Огайо , удвоить свои очистные мощности и построить водохранилище, чтобы устранить большинство переливов. Город также согласился изучить способы уменьшения попадания ливневых вод в канализационную систему. ( См. «Уменьшение потоков ливневых вод».) [28]
Еще одним решением являются резервуары для сбора и очистки сточных вод или большие бетонные резервуары , в которых хранятся и очищаются комбинированные сточные воды. Эти подземные сооружения могут иметь емкость для хранения и очистки от 2 миллионов галлонов США (7600 м 3 ) до 120 миллионов галлонов США (450 000 м 3 ) объединенных сточных вод. Хотя каждый объект уникален, типичная работа объекта выглядит следующим образом. Потоки из перегруженной канализации перекачиваются в бассейн, разделенный на отсеки. Первый смывной отсек улавливает и хранит потоки с наибольшим уровнем загрязняющих веществ из первой части шторма. Эти загрязнители включают моторное масло , отложения, дорожную соль и химикаты для газонов (пестициды и удобрения ), которые собираются ливневыми водами, когда они стекают с дорог и газонов. Потоки из этого отсека накапливаются и направляются на очистные сооружения при наличии емкости в канализации-перехватчике после ливневки. Второй отсек представляет собой очистной или проточный отсек. Потоки обеззараживают путем введения гипохлорита натрия или хлорной извести по мере их поступления в этот отсек. Затем требуется около 20–30 минут, чтобы потоки переместились в конец отсека. За это время бактерии погибают и оседают крупные твердые материалы. В конце отсека весь оставшийся санитарный мусор снимается сверху, а очищенные стоки сбрасываются в реку или озеро. [17]
В городе Детройт , штат Мичиган, используется система из девяти резервуаров для хранения CSO и установок для проверки/дезинфекции, которые принадлежат и управляются Управлением водных ресурсов Великих озер . Эти бассейны расположены на месте первоначальных выпусков комбинированной канализации, расположенных вдоль рек Детройт и Руж в пределах столичного Детройта. Эти сооружения обычно рассчитаны на удержание двухдюймовых ливневых стоков с возможностью дезинфекции переливов во время экстремальных дождей в сырую погоду.
Установки досмотра и дезинфекции обрабатывают ОГО, не складируя его. В них, называемых «проточными», используются тонкие сетки для удаления твердых частиц и санитарного мусора из объединенных сточных вод. В потоки вводят гипохлорит натрия для дезинфекции и смешивают их по мере прохождения через ряд тонких сит для удаления мусора. Тонкие сита имеют отверстия размером от 4 до 6 мм, или чуть меньше четверти дюйма. Поток направляется через установку со скоростью, обеспечивающей достаточное количество времени для уничтожения бактерий гипохлоритом натрия. Все материалы, удаленные сетками, затем отправляются на очистные сооружения через коллектор-перехватчик. [29]
Сообщества могут применять методы застройки с низким уровнем воздействия , чтобы уменьшить поток ливневых вод в систему сбора. Это включает в себя:
Инициативы ОГО по смягчению последствий, которые состоят исключительно из реконструкции канализационной системы, называются «серой инфраструктурой», а такие методы, как проницаемое покрытие и сбор дождевой воды, называются « зеленой инфраструктурой» . Между муниципальной службой канализации и ее экологически активными организациями часто возникает конфликт между серыми и зелеными инфраструктурными планами. [ нужна цитата ]
В отчете Агентства по охране окружающей среды Конгрессу об ОГО за 2004 г. представлен обзор доступных технологий для смягчения воздействия ОГО. [2] : Гл. 8
Последние технологические достижения в области обнаружения и контроля позволили внедрить системы поддержки принятия решений в реальном времени (RT-DSS) для смягчения последствий CSO. Благодаря использованию технологий Интернета вещей и облачных вычислений теперь события CSO можно смягчить за счет динамической корректировки уставок для подвижных ворот, насосных станций и других приводных устройств в канализационных и ливневых системах управления водными ресурсами. Подобная технология, называемая адаптивным управлением дорожным движением , используется для управления потоком транспортных средств через светофоры. Системы RT-DSS используют временную и пространственную изменчивость штормов, а также различное время концентрации из-за разнообразного землепользования по всей канализационной сети для координации и оптимизации средств управления. Максимизируя хранение и транспортировку, RT-DSS может минимизировать переполнение, используя существующую инфраструктуру. Успешные внедрения RT-DSS были осуществлены на территории США [30] [31] [32] и Европы. [33]
Управление в реальном времени (RTC) может быть эвристическим или основанным на модели. Управление на основе моделей теоретически более оптимально, [34] , но из-за простоты реализации чаще применяется эвристическое управление. Получение достаточных доказательств того, что RTC является подходящим вариантом для смягчения последствий CSO, остается проблематичным, хотя новые методы работы могут сделать это возможным. [35]
В Великобритании существует юридическая разница между ливневой канализацией и канализацией поверхностных вод. Согласно статье 106 Закона о водном хозяйстве право подключения к ливневой канализации отсутствует. [36]
Обычно это трубопровод, ведущий в водоток после перелива комбинированной канализации. Забирает излишек стока из комбинированной канализации. Поверхностная канализация отводит дождевую воду; по закону существует право подключения дождевой воды к этой общественной канализации. Общественная ливневая канализация может сбрасывать воду в общественные поверхностные воды, но не наоборот, без юридического изменения статуса канализации водной компанией.
_01.jpg/1280px-Kalteysen_St._Barbara_Altarpiece_(detail)_01.jpg)
Комбинированные канализационные системы были обычным явлением, когда впервые были разработаны городские канализационные системы, в конце 19 - начале 20 веков. [3]
Образ канализации повторяется в европейской культуре, поскольку они часто использовались в качестве укрытий или путей бегства презираемыми или преследуемыми, в том числе партизанами и борцами сопротивления во Второй мировой войне . Во время Сталинградской битвы в канализации вспыхнули бои . Единственные выжившие после Варшавского восстания и Варшавского гетто совершили последний побег через городскую канализацию. Некоторые отмечают, что гравюры с воображаемыми тюрьмами Пиранези были вдохновлены Большой Клоакой , одной из первых канализационных труб в мире.
Тема путешествия, сокрытия или даже проживания в комбинированных канализационных коллекторах является распространенным сюжетом в средствах массовой информации. Известными примерами канализационного жилища являются « Черепашки-ниндзя» , « Оно » Стивена Кинга , « Отверженные» , «Третий человек» , «Ледихок» , «Мимик» , «Призрак оперы» , «Красавица и чудовище » и «Радио будущего реактивного самолета» . В центре романа Тодда Штрассера « Y2K-9: Собака, которая спасла мир» собака, предотвращающая террористические угрозы с помощью электронных средств саботажа американских очистных сооружений.
Хорошо известная городская легенда «Канализационный аллигатор» — это легенда о гигантских аллигаторах или крокодилах , обитающих в объединенных канализационных коллекторах, особенно в крупных мегаполисах. Две общественные скульптуры в Нью-Йорке изображают аллигатора, тащащего несчастную жертву в канализационный люк . [38]
Известно, что аллигаторы попадают в комбинированную ливневую канализацию на юго-востоке США. Система замкнутого телевидения, работающая в компании по ремонту канализации, засняла на пленку аллигатора в комбинированной ливневой канализации. [39]