Как создать эффективную сеть мониторинга качества воды для малых сообществ

Почему малым общинам нужна специальная сеть мониторинга качества воды

Доступ к безопасной питьевой воде является одним из основных прав, однако многие небольшие общины изо всех сил пытаются поддерживать стабильное качество воды из-за ограниченных бюджетов, стареющей инфраструктуры и отсутствия технических знаний. Хорошо продуманная сеть мониторинга качества воды не должна быть дорогостоящей или сложной. Сосредоточив внимание на наиболее критических параметрах и используя современные, недорогие технологии, даже сельские города и небольшие муниципалитеты могут построить систему, которая защищает общественное здравоохранение и отвечает нормативным требованиям, не истощая свои финансы.

Мониторинг качества воды служит нескольким основным целям: он обнаруживает загрязняющие вещества до того, как они достигают потребителей, определяет источники загрязнения (например, сельскохозяйственный стоок или сбои в септической системе), проверяет, что процессы очистки работают должным образом, и предоставляет данные для поддержки соблюдения национальных стандартов питьевой воды. Для небольших общин ставки высоки. Одно событие загрязнения может отравить десятки людей, подорвать доверие к водоснабжению и привести к дорогостоящим чрезвычайным мерам. Упреждающая, экономически эффективная сеть мониторинга является лучшей страховкой от этих рисков.

Основы экономически эффективной сети

Разработка доступной сети мониторинга требует изменения мышления от «всегда и постоянно контролировать» к «контролировать правильные вещи в нужных местах с правильной частотой». Этот стратегический подход максимизирует ценность данных при минимизации затрат на оборудование, рабочую силу и эксплуатацию.

Определить приоритетные места с подходом, основанным на риске

Вместо того, чтобы окутывать всю систему водоснабжения датчиками, начните с картирования цепочки водоснабжения от источника до крана. Ключевые места для мониторинга включают:

• Точки забора воды — реки, озера или грунтовые воды, где загрязнение может сначала попасть в систему.
• Лечебные стоки установки — для подтверждения эффективности процессов очистки до поступления воды в распределительную сеть.
• Хранительные резервуары и резервуары — где качество воды может ухудшаться с течением времени из-за застоя или пробоин.
• Критические распределительные узлы — точки вблизи потребителей с высоким риском, таких как школы, больницы и старшие центры, или места с известными проблемами коррозии труб или биопленки.
• Умершие участки распределительной системы — где возраст воды и остаточные потери дезинфицирующего средства наиболее выражены.

Сосредоточив мониторинг на этих стратегических этапах, сообщество может получить репрезентативную картину общего качества воды с гораздо меньшим количеством датчиков, чем требовал бы общий подход.

Выберите параметры, которые имеют наибольшее значение

Не каждый загрязнитель должен постоянно контролироваться. Сосредоточьтесь на параметрах, которые:

• Показатели более широких проблем — такие как мутность (облачность), которая может сигнализировать о наличии патогенов, или остаточные хлоры, что указывает на эффективность дезинфекции.
• Общие местные проблемы — нитраты в районах с сельскохозяйственным стоком, тяжелые металлы вблизи старых промышленных объектов или бактерии кишечной палочки для общего санитарного качества.
• Регуляторно требуется — но может быть измерен в ряде, чтобы уменьшить лабораторные расходы.

Современные недорогие датчики способны непрерывно измерять pH, температуру, проводимость, растворенный кислород, мутность и остаточные количества хлора. Эти параметры вместе обеспечивают надежную систему раннего предупреждения для наиболее распространенных событий загрязнения.

Выбор правильной технологии при жестком бюджете

Рынок датчиков быстро эволюционировал. Доступные, долговечные и точные датчики теперь доступны за долю стоимости традиционных лабораторных инструментов. Однако «экономически эффективные» не означают «дешевые». Это означает получение наилучшей ценности для конкретных потребностей сообщества.

Критерии выбора датчиков

• Точность и надежность — Ищите датчики с документированными данными о производительности и долгосрочной стабильности. Дешевые датчики, которые быстро дрейфуют, потребуют частой перекалибровки, сводя на нет любую авансовую экономию.
• Простота обслуживания — Избегайте датчиков, которые нуждаются в еженедельной чистке или дорогих реагентах. Самоочищающиеся зонды и зонды с минимальными интервалами обслуживания идеально подходят для сообществ с ограниченным техническим персоналом.
• Наличие запасных частей — Выберите модели от производителей с местными дистрибьюторами или хорошей онлайн-поддержкой.
• Варианты связи — Большинство недорогих датчиков теперь включают беспроводную связь (Wi-Fi, LoRaWAN или сотовая связь). LoRaWAN особенно привлекателен для сельских районов, потому что он предлагает большие расстояния (мили) с очень низким энергопотреблением и без ежемесячных сборов, если используется общественный шлюз.

Такие организации, как FLT:0, программа мониторинга качества воды EPA США, предоставляют рекомендации по стандартам производительности датчиков и могут помочь сообществам оценить продукты.

Использование существующей инфраструктуры

Перед покупкой нового оборудования, инвентаризируйте существующие активы сообщества. Многие небольшие системы водоснабжения уже имеют:

• SCADA-системы, которые могут быть расширены для приема данных от новых датчиков.
• Укрытия на солнечных батареях на насосных станциях — идеально подходят для датчиков корпуса и беспроводного оборудования.
• Сотовые башни — даже в отдаленных районах часто есть покрытие, которое может обрабатывать данные датчиков с низкой пропускной способностью.

Используя эти ресурсы, сообщество может сократить расходы на развертывание на 30% до 50%.

Управление данными без взлома банка

Сбор данных — это только половина битвы; данные должны храниться, анализироваться и превращаться в практические идеи.Собственные программные платформы могут быть дорогими, но альтернативы с открытым исходным кодом теперь созрели и хорошо поддерживаются.

Открытые платформы данных

Такие инструменты, как ODK (Open Data Kit) и InfluxDB (хотя и не полностью бесплатны для корпоративного использования), имеют бесплатные уровни или выпуски сообщества, достаточные для большинства небольших сетей мониторинга. Для визуализации и панелей приборов Grafana предлагает мощные инструменты без каких-либо затрат для небольших развертываний. Типичная настройка включает в себя:

• Raspberry Pi или недорогой одноплатный компьютер в качестве локального сервера.
• База данных InfluxDB для данных временных рядов.
• Панели приборов Grafana отображаются на планшете или мониторе на водоочистной станции.
• Автоматические оповещения по электронной почте или SMS, когда показания превышают пороговые значения.

Весь этот стек может быть реализован за менее чем $500 в аппаратных средствах и без лицензионных сборов за программное обеспечение.

Обучение местного персонала

Вместо того, чтобы полагаться на внешних консультантов для текущего обслуживания, общины должны обучать двух или трех местных жителей - возможно, водопроводчика, городского клерка с техническим интересом или инженера в отставке - для выполнения основных задач:

• Калибровка и очистка датчиков в соответствии с графиками производителей.
• Анализ данных и генерация отчетов.
• Простая устранение неполадок в коммуникации или проблемах с питанием.

Продавцы часто проводят бесплатные обучающие вебинары, а такие организации, как Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) публикуют бесплатные руководства по недорогому мониторингу качества воды.

Преодоление общих вызовов

Даже при тщательном планировании небольшие общины сталкиваются с препятствиями, которые более крупные коммунальные службы могут легче преодолеть. Предвидение этих проблем на этапе проектирования предотвращает дорогостоящие изменения в будущем.

Поставка электроэнергии в отдаленных местах

Многие пункты мониторинга, особенно в источниках воды или резервуарах для хранения, могут быть отключены.

• Использование датчиков сверхнизкой мощности, которые работают на небольшой солнечной панели и перезаряжаемой батарее.
• Выберите LoRaWAN-коммуникацию, которая использует микроватты на передачу.
• Установка небольшой солнечной батареи (50-100 Вт) с батареей в облачные дни. Общая стоимость может быть ниже 300 долларов за участок.

Вандализм и воровство

Датчики и солнечные панели являются привлекательными целями в некоторых областях. Меры по смягчению последствий:

• Монтажное оборудование внутри запираемых (но вентилируемых) корпусов.
• Используйте незащищенные крепежи.
• Размещайте оборудование на коммунальных столбах или внутри огороженных насосных домов.
• Привлекайте к участию в программах информирования сообщества — соседи, которые знают, что мониторинг проводится для их собственного здоровья, с большей вероятностью сообщат о подозрительной деятельности.

Владение данными и конфиденциальность

Данные о качестве воды могут быть чувствительными; они могут выявить уязвимости инфраструктуры. Сообщества должны с самого начала установить четкое управление данными:

• Кто может просматривать данные (операторы, регуляторы, общественность?).
• Кто может изменять пороги или конфигурацию?
• Как долго хранятся данные.

Платформы с открытым исходным кодом позволяют мелкозернистый контроль доступа без дополнительных затрат.

Создание сети поддержки и финансирования сообщества

Сеть мониторинга будет успешной только в том случае, если сообщество осознает ее ценность и готово финансировать ее текущую деятельность.

Обращение к лицам, принимающим решения

Представим сеть как активную инвестицию, а не как расход. Выделите избегаемые затраты:

• Раннее обнаружение загрязнения может предотвратить рекомендации по кипяченой воде, которые стоят тысячи в бутилированной воде и теряют доход.
• Снижение платы за лабораторные испытания (внутренние датчики заменяют многие образцы захвата).
• Продлить срок службы активов, улавливая проблемы, прежде чем они повредят оборудование для обработки.

Сравните общую стоимость владения (датчики, установка, связь, программное обеспечение, обучение и рабочая сила) в течение пяти лет с стоимостью одного аварийного реагирования на событие загрязнения. В большинстве небольших систем сеть мониторинга оплачивает себя в течение двух-трех лет.

Источники финансирования

Многие малые общины не знают о грантах и займах под низкие проценты, которые можно получить для мониторинга качества воды:

• Государственный возобновляемый фонд питьевой воды (DWSRF) Агентства по охране окружающей среды США (EPA) предоставляет кредиты под низкие проценты для мониторинга улучшений.
• Программы развития сельского хозяйства и окружающей среды USDA предлагают гранты и кредиты для сельской водной инфраструктуры.
• Государственные гранты — во многих штатах существуют программы грантов на чистую воду или защиту источников воды, которые финансируют оборудование для мониторинга.
• Краудфандинг и местные фонды — экологические некоммерческие организации и местные предприятия могут внести свой вклад.