Градски канализационни системи

Канализационните системи са неразделна част от градските водни мрежи. В съвременния си вид те събират и транспортират битови, дъждовни и промишлени отпадни води от различни източници до пречиствателна станция за централизирано третиране и обезвреждане. Канализационните мрежи са една от най-критичните градски инфраструктури, тъй като тяхното изграждане, експлоатация и поддръжка изискват значителни инвестиции. Водоснабдителните предприятия по целия свят са изправени пред редица сериозни предизвикателства. Такива са динамичният характер на градовете, трудности поради терена, влошаване на тръбите, недостатъчен хидравличен капацитет, преливане и замърсяване, запушване на тръбите и проблеми с миризмата.

Текст: списание Инфрабилд

Въпреки че често се подценяват, канализационните системи са едно от изобретенията на човека, което има огромно въздействие по отношение на здравето и околната среда. Те предотвратяват болести и неприятни ситуации като събитието през 1858 г. в Лондон, заслужено наречено „голямата смрад“, тъй като в продължение на два месеца градът е бил измъчван от неприятната миризма на река Темза, в която се вливали отпадните води. Това било не само неприятно, но и създало притеснения за възникване на болести.

Събитието принудило Парламента да вземе бързо решение за изграждане на нова канализационна система в Лондон.За щастиетези времена са отдавна отминали. Днешните канализационни системи в населените места, поне в развития свят, са значително напреднали и решават много от санитарните проблеми. Заедно с това обаче пред тях стоя тнови предизвикателства, които диктуват развитие на иновативни решения в цялостния процес - от проектиране и изграждане на канализацията, през мониторинг и моделиране на активите и процесите, до пречистване на отпадните води. 

Роля, задачи, предизвикателства

Заедно с тоалетната, градската канализация предлага санитарна сигурност и удобства, за които обикновено не се сещаме в ежедневието си, но ги ползваме всеки ден. Градската канализационна система има за задача събирането, отвеждането, пречистването и обезвреждането на генерираните отпадъчни води. Тя е предназначена да поддържа хигиенична средата на населеното място, да опазва водите и да подпомага по-високото качество на живот. Работата ѝ има отношение към здравния статус на населението и равновесието в екосистемите.

Освен това играе ключова роля за прехода към „кръговаикономика“ като позволява повторно използване на водата във времена на нарастващ недостиг на този ресурс. Като основен елемент от инфраструктурата на населеното място и ключово удобства, от което населението се нуждае непрекъснато, градската канализационна система изисква внимателно планиране, мониторинг и постоянно обслужване. Необходимо е да се вземат сложни решения, избирайки подходящо санитарно решение, което е адаптирано към контекста на конкретната среда.

Управлението на отпадъчните води е свързано с много различни области - технически, социални, финансови, градоустройствени и т. н. и зависи от множество критерии - топография, геология, гъстота на населението, потребителско търсене, консумация на вода и др. Силно динамичният характер на тези системи по отношение както на потока, така и на състава на отпадните води добавя още предизвикателства.

Трябва да се гарантира, че предложените решения са съгласувани и адаптирани към различните контексти и ограничения на града, както и към динамиката в потребителското поведение на населението. Всеки конкретен случай е специфичен, но все пак има някои обединяващи фактори, като например типа канализационна система, а също и проблемите и съответните решения за справяне с тях. Затова ще направим преглед на типовете канализационни системи и ще осветим някои съвременни технологии и продукти, които помагат на градската канализация да работи по-надеждно и ефективно.

Смесена канализация

Мрежа, в която битовите, производствените и дъждовните отпадъчни води се събират и транспортират до пречиствателна станция в една обща тръбна система се нарича смесена канализация. Има и комбиниран тип канализационна мрежа, който е комбинация от смесена и разделна система в отделни райони на дадено населено място. Практиката на смесените и комбинирани канализационни системи може да създаде риск от преливания и където е възможно, тя се избягва, за сметка на разделните канализации.

Причината е, че когато вали интензивно, системата не може да поеме както повърхностните, така и отпадните води и това довежда до преливане на канализацията. Поради това много системи разделят дъждовната канализация от санитарната. При сухо време водите от комбинираните системи се стичат към пречиствателната станция за отпадни води, а не към реката. Когато обаче вали, увеличеният отток на водата, съчетан с отпадните води от сградите, е твърде голям за тръбата и резултатът е, че част от водите се изливат в река приемник.

С други думи, по време на изключително дъждовно време комбинираната канализация може да изхвърли сурови отпадни води и промишлени отпадъци в реки и други водни тела. Това може да доведе до замърсени водни обекти и екологични щети. Случаите на комбинирано преливане също могат да причинят твърде голям отток отпадни води, който да достигне до пречиствателните станции (ПОСВ). Когато това се случи, инсталацията не е в състояние да пречиства правилно. По време на изключително тежки метеорологични явления комбинираната канализация може дори да доведе до преливане на отпадни води в мазета и улици.

Санитарна канализация 

Тази канализационна система пренася отпадъчни води от домове и предприятия до пречиствателни станции за отпадни води. Тя се състоят от тръби, шахти, помпени и пречиствателни станции, които заедно поддържат качеството на водата, необходимо за опазване на общественото здраве, водните ресурси и природните екосистеми. Ето как работи: Когато пускате водата в тоалетната или миете чинии в кухненската мивка, водата се отвежда от вашия дом или бизнес сграда през сравнително малки тръби към главната канализация на улицата или към вашата септична система. 

Уличните канализационни тръби са по-големи, за да могат да пренасят събраните отпадни води до станция за пречистване на отпадни води. Там става третирането на водата, до показатели, при които тя може да бъде върната в околната среда. Обикновено санитарните канали използват гравитацията, за да отнасят отпадъчните води до желаното местоназначение. Понякога, в ниско разположени райони, се използват помпи, когато отпадните води трябва да достигнат до район, разположен на по-висока надморска височина. Санитарните канали са достъпни чрез шахти за рутинна поддръжка и ремонт.

Дъждовна канализация

Застроените площи трябва да бъдат дренирани, за да се отстрани оттичането на повърхностни води. Канализационната система, която пренася дъждовна вода и топящ се сняг от покриви, пътища и застроени площи и ги насочва към потоци, реки и други водни тела, е дъждовната канализация. Когато вали или когато снегът се топи, водата навлиза в дъждовната канализация през шахти и открити канавки. След това чрез тръби тази вода се отвежда от застроеното място, докато накрая се влива в потоци, реки и водни канали, без да е пречистена, в класическия вариант. Ето защо никога не трябва да се изхвърля какъвто и да е вид отпадък в този тип канализация.

Освен гореописания традиционен вариант, през последните години стана привлекателен нов модел на устойчиви градски дренажни системи, които третират дъждовната вода не като проблем, а като ценен ресурс. Такива системи направиха значителни крачки напоследък и стават все по-чест подход за управление на дъждовните води. Принципът им е да улавят, пречистват и използват отново дъждовната вода, за разлика от традиционната гледна точка, приемаща дъждовната вода в градската инфраструктура като неудобство. Трите най-големи градски предизвикателства, с които устойчивите дренажни системи се стремят да се справят, са наводненията, замърсяването и повторното използване.

Продукти за устойчива дренажна инфраструктура

Устойчивите дренажни системи използват различни техники и средства, за да смекчат последствията от урбанизацията, която засяга дренажа на повърхностните води. Такива средства са например пропускливи настилки, за отклоняване на повърхностния отток в инфилтрационни изкопи и канавки, предназначени за временно съхранение на по-големи обеми вода, което води до намаляване на пиковите потоци и постепенно инфилтриране в почвата.

Друг тип решения в устойчивото дрениране са покривните резервоари и зелените покриви. Те намаляват местните пикови потоци от дъждовна вода и действат като буфери за временно ѝ съхранение. Водата от тях постепенно се освобождава към мрежата, намалявайки риска от наводнения. По отношение на замърсяването, в случай че атмосферата е силно замърсена, дъждовната вода може да се замърси дори преди да достигне градските повърхности.

След като това стане, замърсителите се събират в оттока. Освен това, дъждовната вода събира и примеси от повърхността. За премахване на твърди примеси от дренажния отток се използват филтри за физическо пречистване, а при химично замърсяване ще са необходими сепаратори, които могат да отделят и неутрализират киселини, петролни и други замърсители. Така пречистен дъждовният поток не създава риск от запушване на системата или от замърсяване на водите, в които се влива.В допълнение, средствата за почистване могат да се поставят преди резервоара за съхранение на дъждовни води, които могат да се използват повторно, например за поливане.

Инженерни решения срещу преливане

Честите причини за преливания включват повредени или запушени канализационни линии.
В канализацията операторите често откриват препятствия за хидравличната проводимост, например запушвания от втвърдена мазнина, масло и грес, мокри кърпички и други отпадъци. Неправилното функциониране на помпени станции или прекъсване на електрозахранването, както и вливането на прекомерно количество дъждовна вода в канализационните линии по време на обилни валежи, води до преливания.

Те също се появяват, ако системата за събиране на отпадъчни води не се поддържа или няма достатъчно капацитет за събиране или съхраняване на потоци за пречистване. Има два начина за увеличаване на капацитета на системата за справяне с дъждовната вода: единият е да се увеличи капацитетът за съхранение, а другият е да се увеличи капацитетът на ПОСВ за преработка на повече отпадни и дъждовни води. Възможно е да се направи по-добра система, като се внедрят и двата подхода върху съществуваща комбинирана канализационна система. Дъждовната вода може да се съхранява в системата за съхранение и след края на дъждовната буря бавно да се освободи в пречиствателната станция.

Капацитетът за съхранение може да бъде увеличен чрез създаване на ретенционни резервоари. Те намаляват хидравличното натоварване на канализационен колектор след определен пункт посредством задържане на част от водното количество по време на дъжд и продължителното му изпускане в мрежата след спиране на дъжда. Това облекчава претоварването на съществуващи колектори или на нови линии при разширяване на урбанизирана територия.В зависимост от условията задържателните резервоари се проектират открити или закрити. Като част от конструкцията им се проектират аварийни преливници.

Предпазване от преливане с IoT, AI и дигитални близнаци

Използването на AI срещу преливане изисква значително ниво на цифровизация на канализационните активи. Като минимум ще са необходими сензори за потока или нивомери в много участъци от канализационната мрежа. Със сензори за потока или измервателни уреди AI ще може да види кои участъци нагоре по течението на канализационната мрежа имат най-голям поток и следователно да предвиди вероятните потоци на отпадъчни води в участъците надолу по течението и в ПСОВ.

Тези прогнози могат да бъдат подобрени с използването на хидравлични модели на канализационната система и прилагането на настройките за канализацията ще бъде подобрено, ако операторите или самият AI могат дистанционно да контролират тези настройки чрез SCADA системи. По-усъвършенстван AI може също да използва метеорологични доклади или радари за валежи, за да анализира пространствено валежите в реално време или да прогнозира бъдещи валежи.

Това ще му позволи да предвиди бъдещи потоци във всяка част от канализационната система и да направи избор, който намалява вероятността от преливания. IoT и облачните технологии могат да направят възможно да контролираме и задействаме активи като подвижни клапи, което улеснява ефективното контролиране на събития на преливане. За операторите например е трудно да предвидят колко поток ще идва от всяка от многото секции на тръбата, и следователно кои настройки са най-подходящи за клапите, помпените станции и хранилищата.

Използването на AI в това пространство би осигурило подкрепа за оперативни решения. По-широкото използване на интелигентна технология, включително сензори за ниво и налягане, позволява наблюдение в реално време на капацитета в рамките на канализационните системи. Това може да помогне за намаляване на преливане чрез идентифициране на проблемите, преди да възникнат, като например запушвания или неоткрити прекъсвания на помпените станции, така че компаниите да бъдат по-проактивни по отношение на поддръжката.

Стъпка напред е когато управляваните от данни подходи позволяват преглед на цялата система, за да се създаде дигитален близнак. Това е виртуално представяне на физическата среда с цел подобряване на реалното управление. Процесът може да вземе предвид входящите метеорологични и оперативни данни и да помогне на комуналните услуги да предскажат въздействията, да управляват по-добре и да увеличат максимално използва нето на съществуващата инфраструктура.

Това може да включва оптимизиране на пречистването надолу по веригата, което да помогне за по-широки цели, като намаляване на емисиите и възстановяване на ресурсите. Днес има множество компании, предлагащи услуги за цифровизация за водоснабдителни предприятия. В своя доклад за дигитална трансформация Международната асоциация по водите (IWA) посочва подход на дигитален близнак, който е приложен в Гьотеборг и Хелсингборг в Швеция. Това включва динамичен модел за хидравликата на тръбите и тунелите; концептуални хидромодули на каптажи; оптимизационни модули за контрол в реално време и модули за обработка на прогнози за дъжд.

Сензорите за дебит и ниво на водата в канализацията предоставят актуализации в реално време, а симулатор предоставя на оператора препоръчителна стратегия за контрол, която се актуализира на всеки час. Операторът може да сравни собствената си стратегия за управление на системата с препоръчителната в симулатора и да избере коя да приложи. В Хелсингборг системата е помогнала за намаляване на събитията на преливанията с 32%.