Введение
Система сбора сточных вод, состоящая из труб и туннелей, предназначенная также для сбора поверхностного стока. Комбинированная канализация – это тип гравитационной канализации с системой труб, туннелей, насосных станций и т.д., предназначенная для транспортировки сточных вод и городского ливневого стока совместно на очистные сооружения или место утилизации. Это означает, что во время дождей сточные воды разбавляются, что приводит к увеличению расхода на очистных сооружениях. Незагрязненный дождевой сток просто разбавляет сточные воды, однако ливневой сток может растворять или содержать в взвешенном состоянии практически любые вещества, с которыми он контактирует на крышах, улицах и складах. По мере стекания дождевой воды по крышам и земле, она может собирать различные загрязнители, включая частицы почвы и другие осадочные вещества, тяжелые металлы, органические соединения, отходы жизнедеятельности животных, а также масла и жиры. Комбинированные канализационные системы также могут принимать дренажные воды в сухую погоду от полива ландшафтов, водоотлива при строительстве, а также от промывки зданий и тротуаров. Комбинированные канализационные системы могут вызывать серьезные проблемы загрязнения воды во время событий комбинированного переполнения канализации (CSO), когда объединенный поток сточных вод и поверхностного стока превышает пропускную способность очистных сооружений или максимальную пропускную способность системы, транспортирующей объединенные потоки. В случаях, когда наблюдается исключительно интенсивный поверхностный сток (например, при сильных ливнях), нагрузка на отдельные притоки канализационной системы может привести к обратному току, в результате чего неочищенные сточные воды могут выходить из источников поступления, таких как туалеты, вызывая затопление жилых зданий токсичной смесью сточных вод, что влечет за собой значительные финансовые затраты на очистку и ремонт. Когда комбинированные канализационные системы испытывают такие повышенные нагрузки, системы аварийного сброса приводят к сбросу отходов, содержащих бытовые и промышленные стоки, в реки, ручьи или другие водоемы. Такие события часто приводят к негативным экологическим и социальным последствиям, включая закрытие пляжей, загрязнение морепродуктов, небезопасных для употребления, и загрязнение источников питьевой воды, делая их временно непригодными для питья и требующими кипячения перед использованием для купания или мытья посуды.
A combined sewer is a type of gravity sewer with a system of pipes, tunnels, pump stations etc. to transport sewage and urban runoff together to a sewage treatment plant or disposal site. This means that during rain events, the sewage gets diluted, resulting in higher flowrates at the treatment site. Uncontaminated stormwater simply dilutes sewage, but runoff may dissolve or suspend virtually anything it contacts on roofs, streets, and storage yards. As rainfall travels over roofs and the ground, it may pick up various contaminants including soil particles and other sediment, heavy metals, organic compounds, animal waste, and oil and grease. Combined sewers may also receive dry weather drainage from landscape irrigation, construction dewatering, and washing buildings and sidewalks. Combined sewers can cause serious water pollution problems during combined sewer overflow (CSO) events when combined sewage and surface runoff flows exceed the capacity of the sewage treatment plant, or of the maximum flow rate of the system which transmits the combined sources. In instances where exceptionally high surface runoff occurs (such as large rainstorms), the load on individual tributary branches of the sewer system may cause a back up to a point where raw sewage flows out of input sources such as toilets, causing inhabited buildings to be flooded with a toxic sewage runoff mixture, incurring massive financial burdens for cleanup and repair. When combined sewer systems experience these higher than normal throughputs, relief systems cause discharges containing human and industrial waste to flow into rivers, streams, or other bodies of water. Such events frequently cause both negative environmental and lifestyle consequences, including beach closures, contaminated shellfish unsafe for consumption, and contamination of drinking water sources, rendering them temporarily unsafe for drinking and requiring boiling before uses such as bathing or washing dishes.
Разработка
Самые ранние канализационные системы были спроектированы для отвода уличного стока из жилых районов в поверхностные водоемы без очистки. До XIX века было обычной практикой выливать содержимое ночных горшков и других емкостей с человеческими отходами на городские улицы, а также проводить убой животных на открытых уличных скотобойнях. Использование тягловых животных, таких как лошади, и прогон скота по городским улицам приводило к большому количеству экскрементов на улицах. До изобретения макадама в качестве мостового покрытия в XIX веке мостовые были преимущественно пористыми, позволяя осадкам просачиваться в грунт, а дождевая вода с крыш часто собиралась в резервуары. Открытые канализационные системы, состоящие из водосточных желобов и городских ручьев, были распространены по всему миру до XX века. В большинстве развитых стран в конце XIX и начале XX века были предприняты значительные усилия по закрытию ранее открытых канализационных каналов, преобразовав их в закрытые системы с трубами из чугуна, стали или бетона, а также с использованием каменной кладки и бетонных арок. Улицы и тротуары все чаще покрывались непроницаемыми материалами. Большинство систем сбора сточных вод в XIX и первой половине XX века использовали однотрубные системы, которые собирали как бытовые сточные воды, так и уличный сток с улиц и крыш (за исключением относительно чистой дождевой воды, которая сохранялась в бочках и цистернах для питья и хозяйственных нужд). Этот тип системы сбора называется "комбинированной канализационной системой". Объединение двух систем было обусловлено тем, что строительство одной системы обходилось дешевле. Большинство городов в то время не располагали очистными сооружениями, поэтому строительство отдельной системы "ливневой канализации" (британская терминология) или "дождевой канализации" (американская терминология) не давало ощутимых преимуществ для общественного здравоохранения. Более того, до появления автомобилей стоки, вероятно, были сильно загрязнены животными отходами. Кроме того, до середины-конца XIX века частое использование скотобоен приводило к образованию дополнительных отходов. Широкое распространение автомобилей вместо лошадей, мощение городских улиц и поверхностей, строительство муниципальных скотобоен и обеспечение централизованного водоснабжения в XX веке изменили состав и объем городского стока, сделав его первоначально более чистым, включая воду, которая ранее просачивалась в грунт, и дождевую воду с крыш, которая ранее сохранялась, после того как комбинированные канализационные системы уже получили широкое распространение. При проектировании комбинированные канализационные системы обычно рассчитывались на пропускную способность, достаточную для отвода трех… Как правило, невозможно очистить объем смешанных сточных вод и поверхностного стока, поступающего в комбинированную канализационную систему во время пиковых нагрузок, вызванных таянием снега или ливневыми осадками. Когда города строили очистные сооружения, они обычно проектировались для обработки только объема сточных вод, поступающего в сухую погоду. В систему сбора были установлены аварийные выпуски для отвода неочищенных сточных вод, смешанных с поверхностным стоком, во время дождей, чтобы защитить очистные сооружения от повреждений, вызванных пиковыми потоками, достигающими приемных сооружений.
Комбинированные переполнения канализации (CSO)
Эти рельефные сооружения, называемые "регуляторами ливневых стоков" (в американском английском) или "комбинированными переполнениями канализации" (в британском английском), строятся в системах комбинированной канализации для отвода потоков, превышающих пиковую расчетную пропускную способность очистных сооружений. Каждый ливень отличается по количеству и составу загрязняющих веществ, которые он приносит. Например, ливни, происходящие в конце лета после продолжительной засухи, содержат наибольшее количество загрязнителей. В канализацию с потоками воды попадают такие загрязнители, как масло, жир, фекальные колиформные бактерии из отходов домашних и диких животных, а также пестициды. В регионах с холодным климатом загрязняющие вещества от автомобилей, людей и животных накапливаются на твердых поверхностях и траве в течение зимы, а затем смываются в канализационные системы во время сильных весенних дождей.
Влияние на здоровье
Выбросы КНС во время сильных штормов могут вызывать серьезные проблемы загрязнения воды. Эти выбросы содержат бытовые и промышленные отходы и могут приводить к закрытию пляжей, ограничениям на употребление моллюсков и загрязнению источников питьевой воды. Загрязняющие вещества в выбросах КНС могут включать бактерии и другие патогены, токсичные химические вещества и мусор. Эти загрязнители также связаны с развитием устойчивости к антимикробным препаратам, что представляет серьезную угрозу для здоровья населения. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) опубликовало политику в 1994 году, требующую от муниципалитетов внести улучшения для сокращения или устранения проблем загрязнения, связанных с КНС. Эта политика реализуется посредством программы разрешений на ликвидацию выбросов загрязняющих веществ (NPDES). Политика определяла параметры качества воды для обеспечения безопасности экосистемы, допускала принятие мер, специфичных для конкретной местности, для наиболее эффективного контроля КНС, гарантировала, что контроль КНС не выходит за рамки бюджета муниципалитета, и предусматривала гибкость параметров качества воды в зависимости от местных условий. Политика контроля КНС требовала от всех муниципальных очистных сооружений внедрить "девять минимальных мер контроля" к 1 января 1997 года для уменьшения последствий переполнения канализационных систем путем внесения небольших улучшений в существующие процессы. В 2000 году Конгресс внес поправки в Закон о чистой воде, обязывающие муниципалитеты соблюдать политику EPA.
Сепарация канализации
Некоторые города США реализовали проекты по разделению канализационных сетей, построив вторую трубопроводную систему для всей территории или её части. Во многих из этих проектов городам удалось разделить лишь отдельные участки своих объединенных систем. Высокая стоимость или физические ограничения могут не позволить построить полностью разделенную систему. В 2011 году в Вашингтоне (округ Колумбия) была проведена разделение канализационных сетей в четырех небольших районах, что стоило 11 миллионов долларов. (В стоимость проекта также входили улучшения системы водоснабжения.)
Хранение CSO
Другим решением является строительство хранилища для ОГО, например, туннеля, способного накапливать сток из множества канализационных выпусков. Поскольку туннель может распределять пропускную способность между несколькими выпусками, это позволяет уменьшить общий объем необходимого хранения для заданного количества выпусков. В накопительных туннелях хранится смешанная сточная вода, но она не подвергается очистке. После окончания шторма стоки откачиваются из туннеля и направляются на очистные сооружения. Первый участок туннельной системы длиной 11 км был введен в эксплуатацию в 2018 году. Завершение остальных участков системы хранения запланировано на 2023 год. (В рамках общего проекта "Чистые реки", стоимость которого оценивается в 2,6 миллиарда долларов, предусмотрены и другие компоненты, такие как снижение объема ливневого стока.) Аналогичным проектом является туннель хранения ОГО в Южном Бостоне, завершенный в 2011 году. Индианаполис, штат Индиана, строит подземные хранилища в виде глубокого скального туннеля общей протяженностью 45 км и диаметром 5 м, который соединит две существующие очистные станции и обеспечит сбор сточных вод с различных объектов ОГО, расположенных вдоль рек Белая, Игл-Крик, Фолл-Крик, Погги и Плезант-Ран. Citizens Energy Group руководит работами по строительству первых этапов, включая Deep Rock Tunnel Connector – глубокий скальный туннель длиной 76 м, соединяющий очистные сооружения Belmont и Southport. Дополнительные туннели будут проложены под существующими водотоками в Индианаполисе. Планируемая стоимость проекта составляет 1,9 миллиарда долларов. Форт-Уэйн, штат Индиана, строит туннель длиной 7 км и диаметром 4 м стоимостью 180 миллионов долларов под 3RPORT (Туннель защиты и сокращения переполнения трех рек) для решения проблемы многочисленных выпусков ОГО в реки Сент-Мэри, Сент-Джозеф и Мауми. 3RPORT расположен на глубине около 49 м и, как ожидается, будет введен в эксплуатацию в 2023 году.
Расширение мощности очистки сточных вод
Некоторые города расширили свои базовые мощности по очистке сточных вод, чтобы справиться с частью или всем объемом комбинированных канализационных стоков (ККС). В 2002 году судебное разбирательство вынудило город Толедо (штат Огайо) удвоить свои мощности по очистке и построить накопительный резервуар для устранения большинства сбросов. Город также согласился изучить способы снижения притока ливневых вод в канализационную систему. (См. Снижение притока ливневых вод.)
Ретинентные бассейны
Другим решением являются резервуары для удержания и очистки или большие бетонные резервуары для хранения и очистки ливневой канализации. Эти подземные сооружения могут иметь различную емкость для хранения и очистки объемов ливневой канализации. Хотя каждое сооружение уникально, типичный принцип его работы следующий. Потоки из перегруженных канализационных сетей перекачиваются в бассейн, разделенный на отсеки. Первый отсек предназначен для улавливания и хранения начального стока, содержащего наибольшую концентрацию загрязняющих веществ. К ним относятся моторное масло, осадок, дорожная соль и химикаты для ухода за газонами (пестициды и удобрения), смываемые дождевой водой с дорог и газонов. Потоки из этого отсека хранятся и направляются на очистную станцию сточных вод, когда в перехватывающей канализации появляется свободная емкость после дождя. Второй отсек предназначен для очистки или проточного режима. Потоки дезинфицируются путем введения гипохлорита натрия, или отбеливателя, при поступлении в этот отсек. Затем для перемещения потоков к концу отсека требуется около 20–30 минут. За это время происходит гибель бактерий и осаждение крупных твердых частиц. В конце отсека оставшийся мусор удаляется с поверхности, а очищенные потоки сбрасываются в реку или озеро.
Зеленая инфраструктура
Инициативы по снижению негативного воздействия, состоящие исключительно из реконструкции канализационной системы, называют серой инфраструктурой, а такие методы, как проницаемое покрытие и сбор дождевой воды – зеленой инфраструктурой. Часто возникают разногласия между муниципальными службами канализации и экологическими организациями относительно планов развития серой и зеленой инфраструктуры. Отчет EPA от 2004 года, представленный Конгрессу по вопросу о комбинированных канализационных системах (CSO), содержит обзор доступных технологий для снижения негативного воздействия CSO в США и Европе. Управление в реальном времени (RTC) может быть как эвристическим, так и основанным на модели. Управление на основе модели теоретически более оптимально, но из-за простоты внедрения эвристическое управление применяется чаще. Получение достаточных доказательств пригодности RTC для снижения негативного воздействия CSO остается сложной задачей, хотя новые методы оценки эффективности могут сделать это возможным.
Великобритания
В Великобритании существует юридическое различие между ливневой канализацией и канализацией поверхностного стока. Подключение к ливневому выпуску (overflow sewer) согласно статье 106 Закона о водоснабжении и водоотведении не допускается. Обычно это трубопровод, который сбрасывает воду в водоем, ниже по течению от комбинированного канализационного перелива. Он принимает избыточный поток из комбинированной канализации. Канализация поверхностного стока предназначена для отвода дождевой воды; юридически существует право подключения дождевой воды к этой общественной канализации. Общеливневая канализация может сбрасывать воду в общественную канализацию поверхностного стока, но не наоборот, без юридического изменения статуса канализации водоснабжающей компанией.
История
Комбинированные канализационные системы были распространены, когда городские канализационные сети только начинали развиваться в конце XIX и начале XX веков. Известно, что аллигаторы попадают в комбинированные ливневые канализации на юго-востоке Соединенных Штатов. Видеосъемка, проведенная компанией по ремонту канализаций с помощью телекамеры, зафиксировала аллигатора в комбинированной ливневой канализации.