211service.com
La lucha de una ciudad para resolver su problema de alcantarillado con sensores
Las antiguas alcantarillas de Estados Unidos necesitan $1 billón en reparaciones, pero los funcionarios de South Bend, Indiana, tienen un plan para hacerlas más inteligentes.
lucy hewett
28 de abril de 2021En la ciudad de South Bend, Indiana, las aguas residuales de las cocinas, fregaderos, lavadoras e inodoros de las personas fluyen a través de 35 líneas de alcantarillado del vecindario. En días buenos, justo antes de que termine cada línea, una tubería de estrangulación vertical desvía las aguas residuales hacia un tubo interceptor, que las lleva a una planta de tratamiento donde se filtran los contaminantes sólidos y las bacterias.
Como en muchas ciudades estadounidenses, esas tuberías se combinan con desagües pluviales, de ahí el término alcantarillado combinado , un diseño que se hizo popular como medida de ahorro en la década de 1880. Entonces, en los días malos, cuando las fuertes lluvias o el deshielo superan la capacidad del interceptor, las aguas residuales van directamente al río St. Joseph. Esto es malo por muchas razones . Las bacterias en la materia fecal hacen que los ríos no sean seguros para nadar o navegar. Las bacterias resistentes a los antibióticos de los desechos hospitalarios se liberan en la naturaleza para que se multipliquen. Los productos farmacéuticos, los pesticidas, los plásticos, los metales pesados y las hormonas ingresan al ecosistema. Quizás lo peor de todo es que la entrada de detritos orgánicos ricos en nutrientes puede impulsar el crecimiento descontrolado de algas. Esto puede llenar ríos y lagos con lodos tóxicos, poniendo en peligro la vida silvestre y los suministros de agua potable.
Esta historia fue parte de nuestra edición de mayo de 2021
- Ver el resto del número
- Suscribir
En teoría, el Ley de Agua Limpia de 1972 prohibió a las ciudades (ya otros contaminadores) enviar sus desechos directamente a los ríos. Pero en la práctica, siguieron haciéndolo. La Agencia de Protección Ambiental estima que entre 23.000 y 75.000 de estos incidentes de desbordamiento ocurren cada año en los Estados Unidos. También son un problema importante en Europa, donde se realizan unas 650.000 al año, la mayoría en ciudades más antiguas. A partir de mediados de la década de 1990, el Departamento de Justicia de EE. ciudades demandadas incluidos Atlanta, Los Ángeles, Honolulu, Boston, Miami, Cincinnati y Toledo en nombre de la EPA por violaciones de la Ley de Agua Limpia. Buscó decretos de consentimiento, donde los gobiernos locales acuerdan términos vinculantes para evitar sanciones más duras, en muchos más municipios.
En todo Estados Unidos cada año, las alcantarillas combinadas descargan 850 mil millones de galones de aguas residuales sin tratar en las vías fluviales, aproximadamente la misma cantidad de agua que el río Mississippi lleva anualmente al Golfo de México.
La EPA había advertido a la ciudad de South Bend durante años sobre su problema habitual de contaminación. En 2008, su peor año de tormentas y desbordamiento de aguas residuales en lo que va del siglo, 2 mil millones de galones de aguas residuales sin tratar fluyeron más allá del tubo interceptor y hacia el río St. Joseph.
Finalmente, en 2011, tres días antes de que Pete Buttigieg asumiera el cargo de alcalde, la agencia obligó a South Bend a aprobar un decreto de consentimiento, exigiendo en última instancia $863 millones en mejoras de alcantarillado. El proyecto de ley sumó, con financiamiento, alrededor de $ 10,000 por residente en una ciudad de Rust Belt donde el ingreso familiar promedio es inferior a $ 40,000.
Dos tercios de las 800,000 millas de alcantarillado de Estados Unidos tienen más de 60 años; restaurar esas tuberías podría costar más de $ 1 billón.
La historia de infraestructura abrumada de South Bend es, desafortunadamente, demasiado común. En el verano de 2011, a unas 250 millas al este, un millón de acres de la superficie del lago Erie, el cuarto más grande de los Grandes Lagos de EE. UU. y Canadá, se había cubierto con una Floraciones de Algas causado por desbordamientos de alcantarillado combinado (junto con la escorrentía agrícola e industrial) de Toledo, Cleveland y otras ciudades. Los New York Times reportado concentraciones de microcistina, una toxina hepática, [en el lago] que eran 1.200 veces superiores a los límites de la Organización Mundial de la Salud, contaminando el agua potable de 2,8 millones de consumidores.
Dos tercios de las 800,000 millas de alcantarillado de Estados Unidos tienen más de 60 años; restaurar esas tuberías podría costar más de un billón de dólares, según la Asociación Estadounidense de Obras Hidráulicas. La Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles estima que las empresas de servicios públicos gastaron $ 3 mil millones en 2019 en el reemplazo de tuberías, que fue $ 81 mil millones menos de lo que el grupo calculó que deberían haber gastado.
Kieran Fahey está a cargo del plan de control de alcantarillado de South Bend.
lucy hewett
El plan de infraestructura de $ 2 billones anunciado recientemente por el presidente Biden podría ayudar a aliviar la situación, si se convierte en ley. Tal como está redactada actualmente, la propuesta incluye $ 56 mil millones en subvenciones y préstamos de bajo costo a los gobiernos estatales y locales para mejorar y modernizar los sistemas de agua potable, aguas residuales y aguas pluviales.
Sin embargo, una vez que se resuelve el problema del dinero, aún queda la cuestión de cómo hacer exactamente las actualizaciones. Una forma de eliminar los desbordamientos sería separar las tuberías combinadas creando una red completamente nueva de alcantarillas y desagües pluviales separados. (Esto generalmente se considera prohibitivamente costoso). Otra opción es construir una nueva infraestructura para aumentar la capacidad de desbordamiento. Ese es el enfoque que se está adoptando en Londres, donde se está excavando un enorme túnel de 4.000 millones de libras esterlinas (5.500 millones de dólares) bajo el río Támesis, destinado a transportar aguas residuales desde 34 puntos donde comúnmente se desbordan a una planta de tratamiento 16 millas al este, comenzando en 2025.
Ambos métodos entran en la categoría de hacer agujeros más grandes para colocar tuberías más grandes. Para las ciudades con problemas de liquidez, ese tipo de gasto a menudo está fuera del alcance. Tal fue el caso de South Bend, que se embarcó en una tercera ruta: hacer sus alcantarillas más inteligentes.
En 2008, la ciudad comenzó a instalar una red de dispositivos que midieron la profundidad y el flujo de las aguas residuales en docenas de puntos a lo largo de sus alcantarillas. Luego, en 2011, implementó un sistema de control en tiempo real, con válvulas que se abren y cierran automáticamente en respuesta a los datos del sensor. No fue el primer sistema de este tipo; La ciudad de Quebec había instalado una red en 1999. Copenhague, Berlín y Génova, entre otras ciudades europeas, también comenzaron a instalar sistemas de monitoreo y control en tiempo real a fines de la década de 1990. Pero South Bend está entre los pioneros.
La mayoría de las ciudades de EE. UU. tienen algún aspecto de control en su sistema de alcantarillado, dice Branko Kerkez, quien investiga sistemas de agua inteligente como profesor de ingeniería civil y ambiental en la Universidad de Michigan. South Bend se convirtió en el niño del cartel porque realmente lo operacionalizaron...
instrumentaron [la alcantarilla] para que pudieran ver cómo cambia todo en tiempo real.
Kieran Fahey, un irlandés alto y barbudo, está a cargo del plan de control de aguas residuales de la ciudad. Antes de aceptar el trabajo en 2015, siguió a su esposa, que había conseguido un trabajo en la Universidad de Notre Dame, Fahey había trabajado para la Agencia de Protección Ambiental de Irlanda. Era el tipo al otro lado del escritorio, que les decía a las comunidades qué hacer para cumplir con las regulaciones de agua limpia. En South Bend, tiene que averiguar si hay una manera de evitar que la ciudad arruine mientras cumple con el mandato de la EPA.
Estamos tratando de encontrar el punto óptimo, dice. Tratando de no crucificar económicamente a la comunidad, pero también tratando de asegurarme de que el río también se cuide.
Desde que se instalaron los sensores, el desbordamiento de alcantarillado por pulgada de lluvia se redujo de 42,8 millones de galones en 2008 a 6,9 millones en 2020. Si Fahey tiene éxito, esos sensores podrían ayudar a reducir los desbordamientos a cero.
La red de sensores de South Bend es descendiente de los esfuerzos de control que se remontan a la década de 1960. La diferencia se reduce a su gran tamaño y alcance: su objetivo es controlar los desbordamientos de más de 600 millas de tuberías subterráneas.
Michael Lemmon estudia redes de actuadores de sensores basadas en agentes en Notre Dame.
lucy hewettHasta que se instaló la red de sensores, un par de trabajadores de la ciudad de South Bend solían conducir una vez por semana, levantar las tapas de las alcantarillas y mirar hacia abajo, usando nada más que sus ojos para estimar qué tan rápido fluían las aguas residuales. Si veían suciedad obstruyendo una línea del acelerador, la levantaban con un gancho. Durante una tormenta, un trabajador de la ciudad tendría que cruzar la ciudad para cerrar una válvula de desbordamiento. Esto funcionó, hasta cierto punto, para tormentas prolongadas, pero no para lluvias breves e intensas, que a veces provocaban desbordamientos antes de que nadie pudiera actuar.
El cambio a un sistema más sistemático, detallado y rápido para recopilar datos tomó años. Fue puesto en marcha por Michael Lemmon, profesor de Notre Dame, cuyo campus se encuentra en el extremo norte de la ciudad. En 2001, obtuvo una subvención de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) para ver qué se podía hacer con microcontroladores habilitados por radio del tamaño de una tarjeta de crédito. Después de los ataques del 11 de septiembre, se requisó el proyecto para ver si pequeños sensores podían ayudar a encontrar combatientes de Al Qaeda escondidos en cuevas.
Realmente no estaba muy contento de trabajar en estas aplicaciones militares, aunque era importante hacerlo, dice Lemmon. Estaba pensando en otras formas en que podríamos ver los sensores.
En 2003, Lemmon y un grupo de colegas ingenieros e investigadores de Notre Dame se dieron cuenta de que podrían usarlos para hacer algo con respecto a los desbordamientos de alcantarillado de rutina de South Bend. En 2004, el esfuerzo de investigación condujo a la formación de una empresa llamada EmNet . Luis Montestruque, un ingeniero eléctrico con mentalidad empresarial que había trabajado con Lemmon en el proyecto DARPA mientras terminaba su doctorado, se convirtió en presidente de la empresa.
EmNet le presentó su idea a Gary Gilot, entonces director de obras públicas de South Bend. Gilot es una figura de abuelo de voz suave, eternamente fascinado por las nuevas ideas. (Como dice Fahey: si dijeras: 'Quiero medir cada árbol en South Bend porque siento que puede ayudarnos con el cambio climático', Gary diría: 'Hagámoslo').
Gilot estaba intrigado; mirar por las alcantarillas abiertas en medio del tráfico para ver si una línea de alcantarillado se está desbordando ya le parecía al revés. En 2005, le dio a EmNet una sección de alcantarillado a lo largo de una calle de la ciudad como prueba, para ver si el monitoreo en tiempo real de los flujos de aguas residuales podría funcionar.
Hubo problemas desde el principio. El ambiente en las alcantarillas es poco atractivo, por decir lo menos. La humedad excesiva pesa el aire. Siempre se está formando ácido sulfúrico. Los cambios de temperatura son incesantes y severos, ya que las aguas residuales calientes de las duchas y las lavadoras se mezclan con el agua de lluvia capturada. El metano y el sulfuro de hidrógeno, ambos gases altamente inflamables y potencialmente explosivos, también son peligros constantes.
El primer dispositivo que instalamos fue esta placa electrónica, dice Montestruque. Cuando abrimos la caja de energía, ya no estaba, se desintegró. Así de duro es el ambiente.
Cuando abrimos la caja de energía, ya no estaba— desintegrado Así de duro es el ambiente.
Proteger los equipos electrónicos se convirtió en el desafío. Los dispositivos listos para usar para medir el flujo y la profundidad del agua, que EmNet decidió usar para reducir sus costos de instalación, eran lo suficientemente resistentes para soportar las condiciones. Pero son susceptibles de mal funcionamiento. Algunos sensores, para recopilar información de flujo en función de las lecturas de presión, deben colgarse en las aguas residuales; tienden a ser más precisos, pero una bola de papel higiénico errante podría enredarlos y arrojar una lectura.
Eventualmente, EmNet instaló lo que llama nodos en la parte inferior de las tapas de las alcantarillas. Cada nodo incluye un sensor, un microprocesador, una radio, una antena y una batería de iones de litio. Los sensores se expusieron a corrientes de agua residual, mientras que el procesador, la radio y la batería se alojaron dentro de una caja a prueba de explosiones, tanto para protegerlos contra la corrosión como para evitar que los componentes electrónicos o la batería encendieran los gases del alcantarillado. La conexión de los nodos a las tapas de las alcantarillas significó que los equipos de mantenimiento pudieran acceder a ellos fácilmente.
Sobre la base de los datos de la sección piloto inicial, Gilot dio el visto bueno para expandir el sistema, pagando a EmNet $6 millones para instalar sensores en toda la ciudad. Se puso oficialmente en línea en 2008 y EmNet continuó instalando nodos hasta 2010: 150 en total. Los sensores no solo ayudaron a evitar desbordamientos en caso de tormenta, sino que también sirvieron para detectar obstrucciones en las líneas de alcantarillado que, de lo contrario, podrían haber provocado atascos en los sótanos residenciales.
La prevención de un desbordamiento de aguas residuales requiere recursos y conocimientos. Antes de que se usaran los sensores, los modelos hidráulicos que usaban los administradores como Gilot tenían que asumir lluvias uniformes en toda la ciudad. Pero la lluvia puede ser fuerte en un lado de South Bend y ligera en el otro, lo que significa que mientras algunas líneas de alcantarillado del vecindario están llenas, otras apenas experimentan flujo.
Con los sensores en uso, el departamento de Gilot pudo determinar que la colocación de nueve nuevos tubos reguladores en las alcantarillas del vecindario podría reducir drásticamente los desbordamientos. A partir de 2010, EmNet comenzó a equipar estas nuevas tuberías con válvulas equipadas con microprocesadores que se abren y cierran automáticamente en respuesta a cálculos en tiempo real que miden la capacidad de la línea interceptora a la que alimentan.
Kieran Fahey con un sensor utilizado para medir la presión y el flujo del agua en las alcantarillas de South Bend.
lucy hewettEn tiempos de fuertes lluvias, las válvulas a lo largo de las alcantarillas donde el flujo de aguas pluviales y aguas residuales es alto se abrirán automáticamente; donde el flujo es bajo, las válvulas permanecen cerradas. Esto crea más espacio en la tubería interceptora para las alcantarillas que lo necesitan. En esencia, Gilot y Montestruque habían convertido los kilómetros y kilómetros de tuberías de alcantarillado a lo largo de la ciudad en un tanque de almacenamiento improvisado: debido a que las alcantarillas con bajo flujo no corren el riesgo de desbordarse, el agua sin tratar puede acumularse en esas líneas, sin inundar el agua. río, no retroceder a los sótanos de las personas y no acaparar espacio en la planta de tratamiento.
Capturamos un 23 % más de flujo en clima húmedo simplemente usando el mismo sistema de alcantarillado que teníamos, pero con tecnología de control y monitoreo inteligente, dice Gilot.
El equilibrio de carga no siempre es sencillo. Si llueve mucho en una parte de la ciudad pero no en otra, el cálculo puede ser relativamente fácil, pero ¿qué debe hacer un sistema cuando llueve en todas partes? Incluso si la lluvia se concentra en un área, nunca es seguro si la tormenta se moverá o permanecerá en el mismo lugar. Y, por supuesto, nadie quiere que una tubería de alcantarillado reviente por una presión excesiva, especialmente en un área poblada.
La solución de Montestruque fue un modelo basado en agentes en el que las válvulas en los puntos de desvío de desbordamiento compran capacidad del tubo interceptor. El diámetro del tubo interceptor varía a su paso por la ciudad, lo que complica la tarea de conocer su capacidad para llevar los residuos a la planta de tratamiento en un momento dado. El enfoque basado en el mercado tiene la ventaja de ser computacionalmente más simple que tratar de modelar completamente la complicada dinámica de fluidos en todo el sistema de alcantarillado.
Aún así, como señala Kerkez de la Universidad de Michigan, una matriz inteligente de sensores y medidores no puede hacer retroceder el reloj en un sistema de alcantarillado envejecido. Todo tiene un punto de quiebre, dice. Lo que el control en tiempo real tiene el potencial de hacer es ampliar aún más los límites de ese punto de ruptura. Pero no hay una solución a prueba de fallas.
Incluso con las mejoras que había realizado Gilot, las alcantarillas todavía se desbordaban con demasiada frecuencia para el gusto de la EPA, de ahí el decreto de consentimiento de 2011. Cuando Fahey llegó a South Bend, heredó un sistema de alcantarillado optimizado que, sin embargo, estaba llegando al límite.
Para detener los desbordamientos, la EPA le pidió a la ciudad que construyera siete tanques subterráneos para almacenar el exceso de aguas pluviales y aguas residuales. Muchas ciudades con sistemas de alcantarillado combinado utilizan este enfoque. Los tanques podían contener hasta 8,7 millones de galones; una vez que pasa una gran tormenta, el agua sin tratar se puede bombear desde los tanques hacia la tubería interceptora y hacia la planta de tratamiento. Los tanques que contemplaba Fahey eran caros. Además, sus ubicaciones propuestas se basaron en modelos antiguos de aguas pluviales que predecían dónde se producirían los desbordamientos. Se tendrían que sacrificar dos parques grandes y populares con árboles maduros.
La comunidad estaba un poco en armas con lo que se proponía, dice Fahey. Simplemente no era factible en South Bend. Al mismo tiempo, estamos vertiendo aguas residuales en el río, y eso tampoco está permitido.
Una noche de 2016, Fahey se reunió con Montestruque para tomar unas cervezas en un gastropub local. Fahey tenía curiosidad por ver si la ciudad podía encontrar formas de obtener más ganancias de su sistema de alcantarillado cargado de sensores. Los dos se dieron cuenta de que los mismos datos de sensores que habían estado usando para el control en tiempo real de su infraestructura de alcantarillado existente también podrían ayudarlos a planificar para el futuro. Dijimos: 'Escucha, con todos estos datos que tenemos, deberíamos poder llegar a una representación hiperprecisa de cómo se comporta el sistema', recuerda Montestruque.
El fundador de EmNet, Luis Montestruque (derecha) y el primer empleado, Tim Ruggaber, a orillas del río St. John.
lucy hewettAl diseñar un sistema de alcantarillado o planificar mejoras de infraestructura, los ingenieros usan modelos y hacen ciertas suposiciones. Calculan lo que creen que podría pasar basándose en escenarios hipotéticos regidos por docenas de variables: la cantidad de lluvia en un año, por ejemplo, o la cantidad de agua que permanecerá en el sistema de alcantarillado en lugar de desbordarse en un río. Pero durante el tiempo que la ciudad ha tenido un sistema de alcantarillado inteligente, todo tipo de lluvia imaginable ha caído sobre South Bend. Y debido a que los sensores han estado observando esto todo el tiempo, la ciudad puede mirar los datos para ver cómo reaccionarán las alcantarillas. En lugar de tratar de predecir lo que podría suceder, podemos decir qué sucedió y, por lo tanto, qué sucederá nuevamente, dice Fahey.
Nunca resolverá un problema solo con una infraestructura inteligente”.
Era un proyecto de internet de las cosas a escala municipal. Con la ayuda de EmNet, Fahey analizó las lecturas del sensor y descubrió que el plan de la EPA que pedía siete tanques a un costo de $863 millones podría simplificarse a un plan de cuatro tanques que costaría solo $276 millones. Parte de la razón de la gran diferencia en el costo se remonta a esos modelos. En cualquier modelo de alcantarillado, dice Fahey, los ingenieros agregarán un poco más para tener en cuenta un tanque con fugas, una línea agrietada, una tormenta única en un siglo. Eventualmente, se agrega tanto margen que el diseño final es mucho más pesado en infraestructura de lo necesario. Los diseñadores de redes de alcantarillado anticipan ampliamente que el cambio climático les hará la vida más difícil al aumentar la frecuencia de tormentas intensas. La idea de usar los datos es comprender mejor cómo las tormentas tienden a afectar el flujo de agua a través del complicado sistema de tuberías en una red urbana.
La diferencia entre el qué pasaría si y el qué pasó es dólares. Eso es lo importante, dice Fahey. Puede ahorrar todos esos dólares diseñando específicamente para sus necesidades, en lugar de lo que cree que podría necesitar.
En los últimos años, la ciudad de South Bend ha estado discutiendo su nueva propuesta de infraestructura con los funcionarios de la EPA, que aún necesitan la aprobación federal. Además de los cuatro tanques de almacenamiento, el plan también requiere infraestructura verde, como jardines de lluvia, y la promesa de aumentar la capacidad de la planta de tratamiento de aguas residuales de la ciudad de sus actuales 77 millones de galones por día a 100 millones de galones por día.
Mientras tanto, EmNet está instalando sistemas de sensores en otras ciudades. A partir de este año tenía proyectos en marcha en Grand Rapids, Michigan; Dayton, Ohio; y Búfalo, Nueva York. Su mayor proyecto hasta el momento, después de su trabajo en South Bend, involucró la implementación de un sistema similar en Kansas City, Missouri, que también estaba sintiendo la presión de un decreto de consentimiento de la EPA. Las líneas de alcantarillado en Kansas City tienen cerca de 160 años y el gobierno local estaba luchando para evitar desbordamientos en el río Missouri. Ahora, las alcantarillas de Kansas City están equipadas con 300 sensores, que los administradores de la ciudad esperan que ahorren a la ciudad alrededor de $ 1 mil millones en costos de infraestructura. Y, al igual que South Bend, la ciudad ahora está tratando de renegociar su trato con la EPA.
Un actuador de válvula de alcantarillado automático que ajusta el flujo a la planta de tratamiento.
lucy hewettA medida que crece la población, los sensores inteligentes pueden ganar tiempo en las ciudades hasta que se requieran tuberías más grandes, tubos más grandes y agujeros más grandes. No es una solución perfecta, por supuesto. Por un lado, la introducción de controles en tiempo real en red también significa nuevas vulnerabilidades a fallas de software y piratería. Nunca resolverá un problema solo con una infraestructura inteligente, dice Fahey.
Aún así, mientras Fahey caminaba por las orillas del río St. Joseph el invierno pasado, con la nieve crujiendo bajo sus pies, un pensamiento estaba siempre presente en su mente. En años anteriores, en un día así, con nieve ligera y algo de deshielo, se derramaban al río unos cuantos miles de galones de aguas residuales sin tratar. Habría sido fácil verlo desde donde estaba Fahey. Pero esa tarde, el río estaba en calma. Parecía limpio. Y las alcantarillas de abajo no se apresuraban en absoluto.
Corrección: Este artículo decía originalmente que Notre Dame está cerca del límite sur de la ciudad de South Bend. Está, de hecho, cerca del límite norte. Lamentamos el error.