Ludzie w krajach rozwiniętych odkręcają kran i bezpieczny przepływ wody pitnej, co jest dramatyczną korzyścią dla zdrowia, którą zwykle uważają za pewnik. To samozadowolenie zostało dramatycznie zakłócone w zeszłym roku, kiedy dzieci z Flint w stanie Michigan zaczęły uzyskiwać pozytywny wynik testu na zatrucie ołowiem, a źródło było związane z wodą z kranu. Ale Flint nie powinien nikogo zaskakiwać; w rzeczywistości specjaliści z branży wodociągowej od lat alarmują. Zbudowano większość infrastruktury wodnej w rozwiniętym świecie 70 do 100 lat temu i zbliża się do końca okresu użytkowania. American Water Works Association twierdzi, że wkroczyliśmy w „erę wymiany”, w której musimy odbudować „systemy wodno-kanalizacyjne przekazane nam przez wcześniejsze pokolenia”. Większość rur, w zależności od materiałów i środowiska, w którym się znajdują, ma żywotność od 60 do 95 lat. Mechaniczne i elektryczne elementy oczyszczalni mogą służyć od 15 do 25 lat. Bez szybkich ulepszeń prawdopodobnie zaobserwujemy pogarszającą się jakość wody, z większą liczbą przypadków zatrucia ołowiem lub arsenem oraz skażenia bakteryjnego i wirusowego, a także rosnącą liczbą wycieków zakłócających dostawę wody i prowadzących do kosztownych napraw awaryjnych.

W 2013 roku Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Budownictwa nadał amerykańskiemu systemowi wody pitnej ocenę D. W całych Stanach Zjednoczonych rocznie pęka 240,000 32 wodociągów, czyli mniej więcej jedna co dwie minuty. Każdego roku ponad 41 miliardy metrów sześciennych (400 miliardów jardów sześciennych) uzdatnionej wody jest tracone z powodu wycieków na całym świecie — wystarczająca ilość wody, aby obsłużyć prawie XNUMX milionów ludzi, według Banku Światowego. I chociaż woda pitna w Stanach Zjednoczonych jest ogólnie całkiem bezpieczna, zanieczyszczenie bakteriami lub wirusami regularnie powoduje choroby. W latach 2011–2012 naród widział 32 epidemie chorób związanych z wodą pitną, które spowodowały 431 zachorowań i 14 zgonów, zgodnie z jej Centers for Disease Control and Prevention.

Przewiduje się, że modernizacja ponad 1 miliona mil (1.6 miliona kilometrów) rur do wody pitnej w USA – wraz z inną infrastrukturą wodną – oraz rozbudowa systemów w celu zaspokojenia potrzeb rosnącej populacji ma kosztować ponad 1 bilion USD w ciągu najbliższych 25 lat, według AWWA. Chociaż wymagane inwestycje finansowe są oszałamiające, odkładanie modernizacji może oznaczać pogorszenie jakości wody z nieszczelnych rur lub przestarzałych urządzeń do uzdatniania, przerwy w świadczeniu usług, a nawet wyższe koszty: zapobieganie wyciekom jest znacznie tańsze niż późniejsze usuwanie szkód spowodowanych przez wodę w spleśniałych budynkach lub wyboczone drogi.

Aby przeprowadzić ukierunkowaną selekcję, nowe technologie — czujniki, inteligentne liczniki i platformy zarządzania danymi — pomagają podmiotom zarządzającym zasobami wodnymi podejmować świadome decyzje dotyczące przydzielania cennych środków i wyprzedzania problemów.

„Nauczamy o zarządzaniu aktywami. Nie tylko wymieniaj x procent rur rocznie” – mówi Tommy Holmes, dyrektor ds. legislacyjnych AWWA. „Przeprowadź analizę swojego systemu i wybierz, które 2% rur należy wymienić, zamiast skupiać się tylko na obszarze geograficznym. Najpierw chcesz wymienić rury na skraju awarii.

Arsenał techniczny

W podejmowaniu tych strategicznych decyzji pomagają wodomierze, które stają się zaawansowane technologicznie. Miasta zaczynają instalować inteligentne liczniki w domach klientów i firmach do pomiaru zużycia wody. Ponieważ zaawansowana infrastruktura liczników (znana w branży jako AMI) może przesyłać dane o zużywanej wodzie za pośrednictwem technologii bezprzewodowej do centrali w czasie rzeczywistym, może ona „powiedzieć znacznie więcej niż tylko zużycie wody”, mówi Ken Thompson, zastępca dyrektora ds. inteligentnych roztwory wodne dla CH2M, globalna firma inżynierska z siedzibą w Kolorado, która pomaga gminom planować modernizacje infrastruktury wodnej, wybierać technologie i integrować sprzęt w jeden system zarządzania. Thompson twierdzi, że mierniki AMI mogą wykrywać nieszczelności na posesji klienta, wykrywając nietypowe wzorce użytkowania. Mogą również namierzyć przerwy w rurociągach pod ulicą, które powodują zasysanie i odprowadzanie wody z domów mieszkańców. „Jeśli zauważysz klaster z problemem przepływu wstecznego, prawdopodobnie na tej ulicy nastąpiła przerwa w rurociągu”, mówi Thompson. Korzystając z tych danych, menedżerowie mogą obliczyć lokalizację przerwy i szybko ją naprawić, zanim uszkodzi pobliskie domy i drogi.

Czujniki to kolejny kluczowy element nowoczesnej infrastruktury wodnej, służący do wykrywania zarówno wycieków, jak i zanieczyszczeń. Woda przepływa bezpośrednio nad czujnikiem, który jest przeznaczony do pomiaru określonych właściwości chemicznych wody. Czujnik jest umieszczony w cylindrycznej obudowie, zwykle wykonanej z metalu lub tworzywa sztucznego o długości od 8 do 12 cali, którą można wkręcić bezpośrednio w rurę. Cylinder zawiera również elektronikę do gromadzenia danych i komunikacji. W swoich systemach gospodarki wodnej CH2M zazwyczaj wykorzystuje trzy rodzaje czujników, mówi Thompson. Woda pitna ma standardowy profil chemiczny, więc czujniki są zaprojektowane do wykrywania odchyleń, a nie do badania poszczególnych zanieczyszczeń. Jeśli czujniki sygnalizują aberrację, ostrzegają zarządzających wodą, aby przetestowali wodę w celu ustalenia przyczyny zmiany i tego, czy jest ona szkodliwa dla zdrowia publicznego.

„Istnieją setki tysięcy związków”, mówi Thompson. „Nie możesz patrzeć na wszystko”.

Czujniki, z których korzystają klienci CH2M, zwykle kosztują kilka tysięcy dolarów każdy, mówi Thompson. Większe narzędzie, takie jak to, które obsługuje Dallas w Teksasie, może wykorzystywać od 10 do 20 czujników, mówi, podczas gdy naprawdę małe, obsługujące kilka tysięcy osób, „może ujść na sucho z jednym lub dwoma”.

Na McMaster University w Hamilton w Ontario naukowcy pracują nad innym podejściem do technologii czujników wody — znacznie tańszym. Gay Yuyitung, dyrektor wykonawczy biura łącznikowego McMaster Industry Liaison Office, mówi, że naukowcy uniwersyteccy pracują nad wyprodukowaniem czujników, które kosztują około 10 USD.

RNaukowcy osiągają ten dramatyczny spadek cen, miniaturyzując czujniki (do wielkości mniej więcej ziarna sezamu) oraz stosując tanie materiały i metody produkcji. "Jego jak wytwarzanie czujników za pomocą drukarki atramentowej, w przeciwieństwie do wysoce wyspecjalizowanej produkcji”, mówi Yuyitung. „Ograniczają komponenty, aby można je było tanio produkować masowo”.

McMaster profesor inżynierii Jamal Deen i jego zespół, w tym koledzy z wydziału inżynierii Raja Ghosh i Ravi Selvaganapathy, opracowali czujniki chemiczne, które mogą wykrywać chlor i pH w wodzie pitnej. Oprócz podstawowego materiału mogą stosować różne interfejsy chemiczne, dzięki czemu czujniki mogą testować różne problemy związane z zanieczyszczeniem. W przyszłości ta innowacja w czujnikach może ułatwić dostęp do tych technologii, szczególnie dla małych zakładów wodociągowych. W Stanach Zjednoczonych 84.5% miejskich systemów wodociągowych obsługuje mniej niż 3,300 osób.

Ponieważ czujniki są tanie i mogą komunikować się bezprzewodowo, mogą być również wykorzystywane do zapewnienia bezpiecznej wody pitnej w małych, odległych społecznościach, które nie są jeszcze podłączone do miejskiego systemu uzdatniania wody, takich jak społeczności Rdzennych Narodów na północy Kanady lub wiejskie wioski w Indiach. Nowa infrastruktura wodna jest potrzebna do zaspokojenia potrzeb rosnącej populacji na całym świecie, ale nawet zanim zostanie zbudowana, społeczności mogą korzystać z technologii mierzących jakość ich wody. Ludzie żyjący poza siecią wodociągową mogą używać czujników do testowania jeziora, strumienia lub studni, aby ustalić, czy, powiedzmy, naturalnie występujący arsen wzbogacony w ich wodociągi, czy też krowy miały niedawną przerwę w łazience w górę rzeki.

systemy zarządzania

Oprogramowanie oferuje kolejne narzędzie technologiczne do nadawania priorytetu aktualizacjom miejskiej infrastruktury wodociągowej. Dwóch dużych graczy jest CityNext firmy Microsoft i Inteligentne miasta IBM, które analizują dane z inteligentnych liczników, czujników i innych źródeł w celu zlokalizowania pojawiających się wycieków i zanieczyszczeń.

System parków hrabstwa Miami-Dade, który zużywa ponad 300 milionów galonów (1.14 miliarda litrów) wody rocznie, wykorzystuje platformę IBM do wykrywania nieprawidłowości w zużyciu wody i wysyłania kierowników parków do sprawdzenia. „Oszczędzamy dosłownie miesiące na szukaniu i reagowaniu na te naprawy, które są potrzebne”, mówi Jack Kardys, dyrektor Departamentu Parków, Rekreacji i Otwartej Przestrzeni w Miami-Dade County. Departament przewiduje od 7 do 12 procent oszczędności na rocznych rachunkach za wodę w wysokości 4 mln USD.

CH2M zapewnia również przedsiębiorstwom wodociągowym platformę zarządzania systemami, która pomaga operatorom w proaktywnym rozwiązywaniu problemów, a nie reaktywności, mówi Thompson. W 2013 r. dzięki funduszom US Environmental Protection Agency firma CH2M zainstalowała systemy nadzoru i reagowania w Filadelfii, Nowym Jorku, Dallas i San Francisco. Chociaż systemy zostały opracowane w celu ochrony wody pitnej przed nieczystą zabawą, miasta wykorzystują je do codziennego zarządzania jakością wody, mówi Thompson. CH2M zrealizował około tuzina dużych systemów wodnych w USA i tysiące systemów różnej wielkości na całym świecie, mówi.

Prawdziwą siłą platform danych jest zgromadzenie w jednym miejscu różnych strumieni informacji — natężenia przepływu wody, stanu infrastruktury, jakości wody — które wcześniej były gromadzone w silosie.

Michael Sullivan, kierownik sprzedaży w IBM Smarter Water Management, mówi, że takie systemy mogłyby znacznie szybciej zidentyfikować potencjalne zagrożenie ze strony Flinta. „Część problemu z Flintem polegała na tym, że nie było prawdziwej widoczności”, mówi. „Istniały kieszenie informacji, ale problem pojawił się dopiero znacznie dalej”.

„Traktowanie obywateli jak czujnik”, jak to ujął Sullivan, jest szczególnie popularne w krajach rozwijających się.Platformy danych, takie jak IBM i CH2M, mogą również zawierać inne istotne informacje, takie jak materiał i wiek rur w określonym obszarze oraz przewidywana długość życia w lokalnych środowiskach. Mogą również zgłaszać problemy w czasie zbliżonym do rzeczywistego, gdy klient dzwoni w sprawie wycieków lub zmiany jakości wody w określonym obszarze przekraczającej próg odniesienia.

Poleganie na wzroku klientów w terenie nie jest niczym nowym. 1993 Cryptosporidium parvum Wybuch w Milwaukee, który zachorował 400,000 XNUMX osób, został początkowo oznaczony, gdy lokalna apteka zadzwoniła do urzędników zdrowia publicznego, mówiąc, że nie może utrzymać Imodium na stanie, mówi Thompson.

Informacje zwrotne od ludzi są szczególnie ważne w przypadku systemów, które nie mają jeszcze inteligentnych liczników ani czujników. „Traktowanie obywateli jak czujnik”, jak to ujął Sullivan, jest szczególnie popularne w krajach rozwijających się. W Afryce Południowej testowano sponsorowaną przez IBM aplikację o nazwie Obserwatorzy wody To pozwoliło im zgłaszać problemy, takie jak wycieki, zanieczyszczenia lub utrudnienia w strumieniu za pośrednictwem telefonów komórkowych, mówi Sullivan.

Pytanie o finansowanie

Podczas gdy inteligentna technologia może pomóc przedsiębiorstwom wodociągowym w podejmowaniu bardziej rozsądnych decyzji o tym, gdzie wydać pieniądze na inwestycje kapitałowe, co potencjalnie pozwala zaoszczędzić pieniądze, wciąż pozostaje pytanie, skąd wziąć bilion dolarów, który według AWWA będziemy musieli naprawić słaba infrastruktura wody pitnej w USA następne ćwierć wieku.

W USA rządy federalne, stanowe i lokalne wydały 109 mld USD na infrastrukturę wodną (w tym wodociągi i oczyszczalnie ścieków oraz uzdatnianie i dostarczanie wody pitnej) w 2014 r., według Biura Budżetowego Kongresu. Tylko jedna trzecia tej kwoty — około 36 miliardów dolarów — została przeznaczona na inwestycje kapitałowe, takie jak nowe rury lub zmodernizowane urządzenia do uzdatniania wody pitnej.

Takie dolary pochodzą głównie z lokalnych opłat za wodę, zwolnionych z podatku obligacji komunalnych oraz z Państwowego Funduszu Odnawialnego Czystej Wody EPA, który przeznaczył 863 miliony dolarów w formie dotacji stanom na dostawy wody pitnej w roku podatkowym 2016. Kongres stworzył nowy program niskooprocentowanych pożyczek w 2014 r., ale jeszcze nie przeznaczył na niego pieniędzy.

Te pule pieniędzy nie wystarczą. Aby osiągnąć 1 bilion dolarów inwestycji, Stany Zjednoczone będą musiały wydawać średnio 400 miliardów dolarów rocznie. 36 miliardów dolarów na inwestycje kapitałowe to zdecydowanie za mało.

Ostatecznie klienci będą prawdopodobnie musieli płacić więcej za wodę, aby z kolei przedsiębiorstwa użyteczności publicznej miały fundusze potrzebne do wymiany starzejącej się infrastruktury. Według międzynarodowej firmy świadczącej profesjonalne usługi, inwestycje prywatne za pośrednictwem partnerstw publiczno-prywatnych są prawdopodobną ścieżką dla gmin zmagających się z trudnościami EY, pomimo dwóch istotnych przeszkód. Przedsiębiorstwa zazwyczaj unikają inwestycji w infrastrukturę wodną, ​​ponieważ sektor wodny jest mocno uregulowany i konserwatywny w kwestii zmian, ponieważ stawką jest zdrowie ludzi. A obrońcy praw człowieka od dawna obawiają się, że zaangażowanie korporacji w dostarczanie wody doprowadzi do zbyt wysokich cen dla biednych ludzi, co jest sytuacją nie do utrzymania, gdy woda ma kluczowe znaczenie dla życia. Niemniej jednak, trend w kierunku prywatnych inwestycji w dostawę wody posunął się naprzód 22 marca, w Światowy Dzień Wody, kiedy podczas Szczytu Wody w Białym Domu ogłoszono, że ponad 150 firm przeznaczyło 4 miliardy dolarów prywatnych pieniędzy na poprawę amerykańskiej infrastruktury wodnej.

Ostatecznie klienci prawdopodobnie będą musieli zapłać więcej za wodę więc przedsiębiorstwa użyteczności publicznej mają z kolei fundusze potrzebne do zastąpienia starzejącej się infrastruktury. Według AWWA większość Amerykanów płaci mniej niż 3.75 dolara za każde 1,000 galonów wody dostarczonej do ich kranów. Tommy Holmes, dyrektor legislacyjny AWWA, mówi, że zdecydowanie nie docenia bezpiecznej wody pitnej. „Ludzie uważają, że ponieważ woda jest naturalnie występującą rzeczą, która spada z nieba, nie powinna być droga” – mówi. „Ale Matka Natura nie zbiera wody, nie uzdatnia jej i nie dostarcza rurami. Ludzie tak robią i trzeba im zapłacić”.