Table of Contents

Перелив канализационных стоков является серьезной экологической проблемой, которая влияет на качество воды, экосистемы и здоровье населения. Они возникают, когда пропускная способность канализационных систем превышается, часто во время сильных осадков или штормов, в результате чего неочищенные сточные воды разливаются в близлежащие водоемы. Хотя многие считают эти события редкими, они происходят гораздо чаще, чем большинство из них осознают, особенно в старых городах со стареющей инфраструктурой. Понимание полного объема проблемы и наиболее эффективных решений имеет важное значение для защиты водных путей и общин.

Что такое канализационные потоки?

Перелив канализационных стоков происходит, когда объем сточных вод превышает пропускную способность канализационной системы. Есть два основных типа: комбинированные переливы канализационных стоков (КСО) и санитарные переливы канализационных стоков (ССО). Комбинированные системы переносят как ливневые, так и сточные воды в единую трубу. Во время сильного дождя поток может превышать пропускную способность очистной станции, поэтому смесь ливневых и неочищенных стоков сбрасывается непосредственно в реки, озера или прибрежные воды. Санитарные канализационные системы предназначены для переноса только стоков, но они могут переполняться из-за засорений, разрывов труб или чрезмерного проникновения грунтовых вод или ливневых вод через трещинные трубы. Оба типа представляют серьезную опасность для окружающей среды и здоровья человека.

Только в Соединенных Штатах, по оценкам Агентства по охране окружающей среды (EPA), ежегодно насчитывается от 23 000 до 75 000 SSO, и около 860 миллиардов галлонов неочищенных сточных вод и ливневых вод ежегодно выделяются из CSO. Эти цифры подчеркивают масштаб проблемы и неотложную необходимость смягчения последствий.

Воздействие на окружающую среду перетоков канализационных стоков

Выброс неочищенных или частично очищенных сточных вод создает сложную смесь загрязняющих веществ в водоемы, последствия которой распространяются через экосистемы и сообщества.

Загрязнение воды

Загрязнители, такие как бактерии, вирусы, питательные вещества, тяжелые металлы и химические вещества, загрязняют водные объекты, нанося вред водной жизни и делая воду небезопасной для отдыха и питья. Патогены, такие как E. coli, Giardia и энтеровирусы, могут выживать в течение нескольких дней или недель в окружающей среде, вызывая рекомендации по плаванию и закрытие ракообразных кроватей. Питательные вещества, такие как азот и фосфор из сточных вод, приводят к взрывному росту водорослей, что приводит к вредному цветению водорослей, которые производят токсины и создают мертвые зоны, где уровень кислорода падает слишком низко для выживания рыбы и других организмов.

Вред экосистемам

Избыток питательных веществ и загрязняющих веществ может нарушить местные экосистемы несколькими способами. Цветение водорослей блокирует попадание солнечного света на подводные растения и может производить токсины, которые убивают рыбу и загрязняют питьевые воды. Когда водоросли умирают, разложение потребляет кислород, создавая гипоксические или аноксичные условия - так называемые «мертвые зоны», наблюдаемые в таких местах, как Мексиканский залив и Чесапикский залив. Кроме того, осадочные породы, мусор и мусор из переполненных мест обитания, а химические загрязнители, такие как фармацевтические препараты и продукты личной гигиены, могут мешать эндокринным системам рыб и других диких животных.

Риски для общественного здравоохранения

Воздействие загрязненной воды может вызвать заболевания у людей при непосредственном контакте, попадании внутрь или вдыхании аэрозольных патогенов. Симптомы варьируются от желудочно-кишечных заболеваний и кожных высыпаний до более тяжелых состояний, таких как гепатит и лептоспироз. Особенно уязвимы дети, пожилые люди и лица с ослабленным иммунитетом. Наводнение от переполнения канализации также может загрязнять подвалы и дома неочищенными сточными водами, создавая длительную плесень и опасности для здоровья, которые требуют профессиональной реабилитации.

Экономические издержки

Экономические потери от перетока канализационных систем значительны. Сообщества сталкиваются с затратами на очистку, очистку воды, потерю доходов от туризма, снижение стоимости недвижимости и судебные разбирательства. Муниципалитеты в соответствии с постановлениями EPA часто тратят миллионы или даже миллиарды долларов на модернизацию инфраструктуры. Например, город Индианаполис выделил более 2 миллиардов долларов на долгосрочные планы контроля для сокращения ОГО. Отрасли рекреационного рыболовства и моллюсков страдают от закрытия, которое может опустошить местную экономику.

Причины перелива канализационных стоков

Хотя наиболее распространенным триггером являются сильные дожди, несколько других факторов способствуют переполнению канализации. Понимание этих причин является первым шагом в разработке эффективных стратегий смягчения последствий.

Инфильтрация и приток (I&I)

Подземные воды могут поступать в канализационные трубы через трещины, рыхлые суставы и дефектные люки - известные как инфильтрация. Приток происходит, когда ливневая вода поступает в систему через прямые соединения, такие как отводы крыши, насосы отстойника или уличные стоки, которые неправильно связаны с санитарными канализационными системами. I & I может удвоить или утроить поток во время влажной погоды, подавляющие трубы и очистные сооружения.

Засорение и отказ трубопровода

Смазка, масло и мусор - особенно несмываемые предметы, такие как салфетки и средства женской гигиены - могут накапливаться и вызывать закупорки. Корни деревьев также вторгаются в трубные соединения, создавая препятствия, которые приводят к резервным копиям и переполнениям. Старение инфраструктуры с трещинами или обвалами труб еще больше снижает емкость системы и увеличивает вероятность переполнения.

Недостаточная проектная мощность

Многие канализационные системы были построены десятилетия назад и предназначены для небольших популяций и различных моделей осадков. Городское развитие добавляет непроницаемые поверхности, такие как дороги и парковки, которые увеличивают стоки ливневых вод, в то время как изменение климата приносит более интенсивные и частые штормы. Системы, которые когда-то были адекватными, теперь регулярно превышают свои проектные возможности.

Отключения электроэнергии и сбой оборудования

Насосные станции и очистные сооружения полагаются на электричество. Во время штормов отключения электроэнергии могут привести к выходу из строя насосов, что приводит к резервным копиям и переливам. Неисправности оборудования, такие как сломанные клапаны или забитые экраны, также могут вызвать разряды даже в сухую погоду.

Стратегии по сокращению оттока канализационных стоков

Смягчение перетоков канализационных систем требует сочетания улучшений инфраструктуры, изменений политики и участия общин. Ни одно решение не работает везде; лучший подход адаптирован к местным условиям, бюджетам и нормативным требованиям.

Серая инфраструктура модернизируется

Традиционные "серые" улучшения инфраструктуры направлены на повышение пропускной способности и надежности труб, резервуаров для хранения и очистных сооружений.

  • Увеличение размера трубы для обработки более высоких потоков, хотя это дорого и разрушительно в населенных районах.
  • Строительство больших туннелей хранения, которые удерживают комбинированные сточные воды во время штормов, пока их не удастся обработать. Такие города, как Чикаго, Портленд и Лондон, вложили значительные средства в системы глубоких туннелей, которые значительно сократили объемы переполнения.
  • Модернизация очистных сооружений для обработки более высоких потоков влажной погоды, часто путем добавления первичной мощности обработки, которая может управлять пиковыми потоками.
  • Установка систем управления в реальном времени с автоматизированными затворами, клапанами и насосами, которые оптимизируют хранение и маршрутизацию потока по всей канализационной сети. Умные датчики могут прогнозировать приближение штормов и упреждающе снижать уровень воды в трубах для создания емкости хранения.
  • Разделение комбинированных канализационных систем на отдельные ливневые и санитарные системы является окончательным решением, но является непомерно дорогим для многих городов с обширными комбинированными системами.

Зеленая инфраструктура

Зеленая инфраструктура использует естественные процессы для поглощения и управления ливневыми водами, где она падает, уменьшая количество воды, поступающей в канализацию. Этот подход не только помогает смягчить переполнение, но и обеспечивает дополнительные преимущества, такие как улучшение качества воздуха, сокращение городских тепловых островов и повышение эстетики. Ключевые практики включают:

  • Дождевые сады и биосвалы — посаженные впадины, которые захватывают стоки и позволяют им проникать в землю. Их можно устанавливать вдоль улиц, на парковках или в жилых дворах.
  • Прозрачные тротуары — бетон, асфальт или брусчатка, которые позволяют воде проходить через поверхность и в подстилку, где она может проникать или медленно высвобождаться.
  • Зеленые крыши — растительные крыши, которые поглощают осадки, уменьшают стоки и обеспечивают изоляцию.Обширные зеленые крыши с мелкой почвой лёгкие и подходят для многих коммерческих зданий.
  • Бочки и цистерны для дождя — захватывают дождевую воду из водосбросов для последующего использования в ирригации, уменьшая объем ливневой воды, поступающей в канализационную систему.
  • Городские навесы деревьев — деревья перехватывают осадки и проточной воды, а их корневые системы помогают почве поглощать больше воды. Стратегическая посадка деревьев в общественных местах может сделать измеримую разницу.

EPA имеет обширные рекомендации по зеленой инфраструктуре для контроля ОГО, которую многие муниципалитеты используют для дополнения инвестиций в серую инфраструктуру.

Улучшения в эксплуатации и техническом обслуживании

Регулярные проверки и профилактическое обслуживание могут предотвратить многие переливы.

  • Очистка труб с струями воды высокого давления или механическими резцами для удаления жира, корней и мусора.
  • Реабилитация труб с использованием без траншейных технологий, таких как вытравленная труба (CIPP), которая может запечатывать трещины и соединения без раскопок.
  • Реабилитация скважин — уплотнение крышек и рам для предотвращения притока ливневых вод.
  • Графики профилактического обслуживания , основанные на оценке риска, с более частой уборкой в районах, подверженных закупоркам.
  • Использование проверок видеонаблюдения для выявления дефектов до того, как они вызовут сбои.

Политика и регулирование

В Соединенных Штатах Закон о чистой воде требует от муниципалитетов с комбинированными канализационными системами реализации долгосрочных планов контроля (LTCPs), которые определяют, как они будут сокращать ОГО. EPA выпускает национальные системы ликвидации выбросов загрязняющих веществ (NPDES) разрешения, которые устанавливают ограничения на перелив и требования к мониторингу. Постановления о согласии, которые являются юридически обязательными соглашениями между муниципалитетами и EPA, были мощными инструментами для убедительных инвестиций. Аналогичные нормативные рамки существуют в Европе в соответствии с Директивой по очистке городских сточных вод. Меры политики также могут включать:

  • Сборы за коммунальные услуги Stormwater, которые взимают с владельцев недвижимости на основе их непроницаемой поверхности, создавая финансирование для зеленой инфраструктуры и предоставляя стимулы для управления ливневыми водами на месте.
  • Строительные кодексы, которые требуют новых разработок для включения удержания и инфильтрации ливневых вод.
  • Программы финансирования на государственном и федеральном уровнях, такие как Государственный возобновляемый фонд чистой воды EPA, который предоставляет кредиты под низкие проценты для проектов канализационной инфраструктуры.

Узнайте больше о федеральных правилах на странице политики контроля ОГО EPA .

Государственное образование и участие общин

Меры, принимаемые на уровне общин, имеют важное значение, поскольку многие перетоки вызваны или усугубляются повседневной деятельностью. Просветительские кампании могут помочь жителям понять их роль в предотвращении перетоков канализационных систем:

  • Правильное удаление жиров, масел и жира (FOG) — не выливать их в слив.
  • Смывка только «Три Пс» — моча, какашки и туалетная бумага. Одноразовые салфетки, даже те, которые помечены как «смывающие», не должны смываться, потому что они не разрушаются быстро и не вызывают засорения.
  • Отключение водосбросов от санитарных канализации и направление стока крыши на газоны или дождевые бочки.
  • Поддержание септических систем , если имущество не подключено к общественной канализации.
  • Сообщение о запахах канализации, резервных копиях или переполненных люках незамедлительно в местные коммунальные службы.

Многие города предлагают скидки или бесплатную установку бочек с дождем и отключение от водоотвода. Группы общин могут принимать дождевые сады или участвовать в очистке потоков. Сильные программы информирования общественности помогают создать поддержку увеличения ставок, необходимых для финансирования улучшений инфраструктуры. Фонд исследований воды опубликовал тематические исследования успешных программ вовлечения сообщества для сокращения ОГО.

Умный мониторинг и анализ данных

Достижения в области сенсорных технологий и анализа данных обеспечивают новые способы управления канализационными системами. Мониторинг потока, осадков, качества воды и условий труб в режиме реального времени позволяет коммунальным службам обнаруживать развивающиеся проблемы, прежде чем они вызовут переполнение. Алгоритмы машинного обучения могут прогнозировать потребности в обслуживании и оптимизировать операции клапанов и насосов для максимального использования хранилища. Некоторые системы теперь используют метеорологические радары и прогнозы для предварительного размещения емкости хранения, уменьшая объем переполнения во время штормов. Умный мониторинг также предоставляет данные для отчетности о соответствии и для связи с общественностью во время событий переполнения, таких как оповещения в режиме реального времени для пляжных консультаций.

Например, в городе Саут-Бенд, штат Индиана, была развернута интеллектуальная сеть сточных вод с использованием датчиков и средств управления, которые сократили объем ОГО на 23% за пятилетний период, сэкономив миллионы капитальных затрат. Аналогичные проекты реализуются в десятках городов, используя исследования EPA по инфраструктуре умной воды .

Тематические исследования в области смягчения

Милуоки, Висконсин

Столичный канализационный район Милуоки (MMSD) является национальным лидером в сокращении выбросов ОГО. Благодаря сочетанию глубоководных туннельных хранилищ (система «Глубокий тоннель», которая содержит до 521 миллиона галлонов), проектов зеленой инфраструктуры и контроля в режиме реального времени, MMSD сократил объем ОГО на 75% с 1990-х годов. Район также управляет комплексной программой государственного образования и инвестировал в возобновляемую энергию из биогаза, генерируемого во время обработки. Результаты показывают, что устойчивые инвестиции и инновации могут существенно уменьшить переполнение даже в большой, унаследованной комбинированной системе.

Филадельфия, Пенсильвания

Программа «Зеленый город» в Филадельфии, «Чистые воды», возможно, является самым амбициозным планом зеленой инфраструктуры в Соединенных Штатах. Вместо того, чтобы строить массивные туннели для хранения, город тратит более 2 миллиардов долларов на установку зеленой инфраструктуры по всему городу, включая дождевые сады, траншеи ливневых вод, пористые тротуары и зеленые крыши, для управления стоком от 10 000 акров непроницаемого покрытия. План предусматривает сокращение объема ОГО на 85% к 2036 году, а также предоставляет социальные и экономические выгоды, такие как увеличение зеленых насаждений, рабочих мест и более высокой стоимости недвижимости. Программа финансируется за счет сбора за ливневую воду на основе непроницаемой области, что также стимулирует частных владельцев устанавливать свои собственные зеленые функции.

Заключение

Понимание причин и последствий перелива канализационных стоков имеет решающее значение для защиты нашей окружающей среды и общественного здравоохранения. Благодаря улучшению инфраструктуры, устойчивой практике и участию общин мы можем значительно сократить возникновение этих событий и защитить наши водные ресурсы для будущих поколений. Задача сложна и требует значительных инвестиций, но опыт таких городов, как Милуоки и Филадельфия, показывает, что прогресс достижим. Каждый человек может внести свой вклад, утилизируя отходы должным образом, уменьшая стоки ливневых вод из своей собственности и поддерживая политику и финансирование устойчивой инфраструктуры. От этого зависит здоровье наших рек, озер и прибрежных вод.