La vecchia rete fognaria americana ha bisogno di 1 trilione di dollari per essere ammodernata, ma i funzionari di South Bend, nell’Indiana, hanno un piano per renderla più intelligente.
di Andrew Zaleski
Nella città di South Bend, nell’Indiana, le acque reflue delle cucine, dei lavelli, delle lavatrici e dei servizi igienici fluiscono attraverso 35 linee fognarie di quartiere. Nelle belle giornate, alla fine di ogni tubatura, una struttura a farfalla devia il liquame in una conduttura di intercettazione, che lo trasporta in un impianto di trattamento dove vengono filtrati gli inquinanti solidi e i batteri.
Come in molte città americane, questi tubi sono combinati con gli scarichi dei tombini, da cui il termine “fognatura combinata“, uno schema che divenne popolare come misura di risparmio sui costi negli anni 1980. Quindi, nelle brutte giornate, quando le forti piogge o lo scioglimento della neve travolgono la capacità dell’intercettore, le acque reflue finiscono direttamente nel fiume St. Joseph. Una situazione dannosa per molte ragioni.
I batteri nella materia fecale rendono i fiumi insicuri per nuotare o andare in barca. I batteri resistenti agli antibiotici provenienti dai rifiuti ospedalieri vengono rilasciati in natura per moltiplicarsi. Prodotti farmaceutici, pesticidi, plastica, metalli pesanti e ormoni entrano nell’ecosistema. Forse la cosa peggiore è che l’afflusso di detriti organici ricchi di sostanze nutritive è in grado di alimentare la crescita incontrollata delle alghe. In questo modo si possono riempire fiumi e laghi con fanghi tossici, mettendo in pericolo la fauna selvatica e le riserve di acqua potabile.
In teoria, il Clean Water Act del 1972 proibiva alle città (e ad altri inquinatori) di inviare i propri rifiuti direttamente nei fiumi. Ma in pratica, è rimasto tutto come prima. L’Environmental Protection Agency stima che tra 23.000 e 75.000 di questi incidenti legati ai cosiddetti superflussi si verificano ogni anno negli Stati Uniti. Sono anche un grave problema in Europa, dove ogni anno coinvolgono circa 650.000 persone, la maggior parte nelle città più vecchie. A partire dalla metà degli anni 1990, il Dipartimento di Giustizia degli Stati Uniti ha citato in giudizio città come Atlanta, Los Angeles, Honolulu, Boston, Miami, Cincinnati e Toledo per conto dell’EPA per violazioni del Clean Water Act.
In tutta l’America ogni anno, le fognature combinate scaricano 3.200 miliardi di litri di acque reflue grezze nei corsi d’acqua, circa la stessa quantità di acqua che il fiume Mississippi trasporta ogni anno nel Golfo del Messico. L’EPA aveva messo in guardia per anni la città di South Bend del suo abituale problema di inquinamento. Nel 2008, l’anno peggiore di questo secolo per le piogge e le acque reflue, 7,5 miliardi di litri di acque reflue non trattate sono fluite oltre le tubature di intercettazione, per finire nel fiume St. Joseph.
Infine, nel 2011, tre giorni prima che Pete Buttigieg entrasse in carica come sindaco, l’agenzia con un decreto consensuale ha richiesto a South Bend di investire 863 milioni di dollari di ammodernamento delle fognature. Il conto è salito con l’onere finanziario di circa 10.000 dollari per residente in una città di Rust Belt dove il reddito familiare medio è inferiore a 40.000 dollari.
La storia di South Bend di crisi infrastrutturali è, purtroppo, fin troppo comune. Nell’estate del 2011, a circa 400 km a est, un milione di acri della superficie del Lago Erie, il quarto per estensione dei Grandi Laghi statunitensi e canadesi, è stato ricoperto da una fioritura algale causata da traboccamenti di fognature combinate (con deflusso agricolo e industriale) da Toledo, Cleveland e altre città.
Il “New York Times” ha riportato la presenza di “concentrazioni di microcistina, una tossina del fegato, nel lago che erano 1.200 volte i limiti dell’Organizzazione Mondiale della Sanità, con relativa contaminazione dell’acqua potabile per 2,8 milioni di consumatori”.
Due terzi dei quasi 1.300 km di fognature americane hanno più di 60 anni; il ripristino delle tubature potrebbe costare più di mille miliardi di dollari, secondo l’American Water Works Association. L’American Society of Civil Engineers stima che le utility abbiano speso 3 miliardi di dollari nel 2019 per sostituire i tubi, ovvero 81 miliardi di dollari in meno di quanto il gruppo immaginava di dover spendere.
Il piano infrastrutturale da 2 trilioni di dollari annunciato di recente dal presidente Biden potrebbe in qualche modo alleviare la situazione, se diventasse legge. Come attualmente scritto, la proposta include 56 miliardi di dollari in sovvenzioni e prestiti a basso costo ai governi statali e locali per “aggiornare e modernizzare l’acqua potabile, le acque reflue e i sistemi di acque piovane”.
Una volta risolto il problema dei soldi, tuttavia, rimane ancora la questione di come procedere esattamente per effettuare gli aggiornamenti. Un modo per eliminare i trabocchi sarebbe quello di separare i tubi combinati creando una rete scorporata di fognature e canali di scolo (ma il costo appare proibitivo). Un’altra opzione è costruire una nuova infrastruttura per aumentare la capacità di sostenere i superflussi. Questo è l’approccio adottato a Londra, dove viene scavato un enorme tunnel da 4 miliardi di sterline (5,5 miliardi di dollari) sotto il Tamigi, destinato a trasportare le acque reflue da 34 punti in cui trabocca comunemente a un impianto di trattamento 16 miglia a est, a partire dal 2025.
Entrambi questi metodi prevedono la realizzazione di tubature sempre più grandi. La spesa è fuori portata di città come South Bend, che ha intrapreso una terza strada: rendere più intelligenti le proprie fognature. Nel 2008, la città ha iniziato a installare una rete di dispositivi che misuravano la profondità e il flusso delle acque reflue in dozzine di punti nelle sue fognature. Poi, nel 2011, ha implementato un sistema di controllo in tempo reale, con valvole che si aprono e si chiudono automaticamente in risposta ai dati del sensore.
Non era il primo sistema del genere; Quebec City aveva creato una rete di questo tipo nel 1999. Copenaghen, Berlino e Genova, tra le altre città europee, avevano iniziato a installare sistemi di monitoraggio e controllo in tempo reale alla fine degli anni 1990. Ma South Bend è stata tra i pionieri. “La maggior parte delle città negli Stati Uniti ha introdotto qualche forma di controllo simile nel proprio sistema fognario”, afferma Branko Kerkez, professore di ingegneria civile e ambientale dell’Università del Michigan che svolge ricerche sui sistemi idrici intelligenti.
Kieran Fahey, un irlandese alto e barbuto, è responsabile del piano di controllo delle acque reflue della città. Prima di accettare il lavoro nel 2015, Fahey aveva lavorato per l’ Environmental Protection Agency irlandese. Era colui che diceva alle comunità cosa fare per conformarsi alle normative sull’acqua pulita. A South Bend, si trova nella difficile situazione di capire se c’è un modo per impedire alla città di andare in rovina per rispettare il mandato dell’EPA.
“Stiamo cercando di trovare il punto debole”, dice, “evitando allo stesso tempo di non crocifiggere economicamente la comunità e di assicurarci che il fiume sia pulito”. Da quando i sensori sono entrati in funzione, il trabocco delle fognature per millimetri di pioggia è sceso da 162 milioni di litri nel 2008 a 626 milioni nel 2020. Se Fahey riesce, quei sensori potrebbero aiutare a ridurre i trabocchi a zero.
Breve storia del sistema fognario di South Bend
La rete di sensori discende alle politiche cittadine degli anni 1960. La differenza è legata alla sua vastità e portata, in quanto ora mira a controllare gli straripamenti di quasi 1.000 km di tubi sotterranei. Fino a quando la rete di sensori non è stata messa in atto, un paio di dipendenti comunali di South Bend erano soliti andare in giro una volta alla settimana, sollevare i tombini e guardare in basso, usando nient’altro che i loro occhi per stimare la velocità con cui scorrevano le acque reflue.
Se vedevano sporcizia intasare una linea dell’acceleratore, la sollevavano con un gancio. Durante un temporale, un dipendente comunale attraversava la città per chiudere una valvola per il superflusso. Questo ha funzionato, in una certa misura, in caso di eventi temporaleschi prolungati, ma non per piogge brevi e intense, che a volte hanno causato straripamenti prima che qualcuno potesse agire.
Il passaggio a qualcosa di più sistematico, dettagliato e veloce per la raccolta dei dati ha richiesto anni. È stato messo in moto da Michael Lemmon, professore all’Università di Notre Dame, il cui campus si trova all’estremità settentrionale della città. Nel 2001, ha ottenuto una sovvenzione dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) per vedere cosa si poteva fare con microcontrollori radio-abilitati delle dimensioni di una carta di credito.
Dopo gli attacchi dell’11 settembre, il progetto è stato utilizzato a livello statale per vedere se piccoli sensori potessero aiutare a trovare i combattenti di Al Qaeda nascosti nelle caverne.”Non ero davvero molto contento di lavorare su queste applicazioni militari, anche se era importante farlo”, dice Lemmon. “Stavo pensando ad altri modi per sfruttare i sensori”.
Nel 2003, Lemmon e un gruppo di colleghi ingegneri e ricercatori a Notre Dame si sono resi conto che avrebbero potuto usarli per fare qualcosa contro i continui trabocchi di South Bend. Nel 2004, la ricerca ha portato alla formazione di un’azienda chiamata EmNet. Luis Montestruque, un ingegnere elettronico dalla mentalità imprenditoriale che aveva lavorato con Lemmon al progetto DARPA mentre terminava il suo dottorato, è diventato il presidente dell’azienda.
EmNet ha presentato la sua idea a Gary Gilot, allora direttore dei lavori pubblici di South Bend. Gilot è una figura pacata, da nonno, perennemente affascinata dalle nuove idee. Nel 2005, ha dato l’incarico a EmNet di aggiornare un tratto di fognatura lungo una strada cittadina come test, per vedere se il monitoraggio in tempo reale dei flussi di acque reflue poteva funzionare.
Ci sono stati problemi fin dall’inizio. L’ambiente nelle fogne non è di certo invitante. L’eccessiva umidità appesantisce l’aria. L’acido solforico è sempre presente. Gli sbalzi di temperatura sono incessanti e severi, poiché l’acqua calda di scarico delle docce e delle lavatrici si mescola con l’acqua piovana catturata. Anche metano e idrogeno solforato, entrambi gas altamente infiammabili e potenzialmente esplosivi, sono pericoli costanti. “Il primo dispositivo che abbiamo installato è stata una scheda elettronica”, afferma Montestruque. “Quando abbiamo aperto la scatola di alimentazione, era sparita, disintegrata. L’ambiente è ad alto rischio”.
La protezione delle apparecchiature elettroniche è diventata la sfida. I dispositivi standard per misurare il flusso e la profondità dell’acqua, che EmNet ha deciso di utilizzare per ridurre i costi di installazione, erano in grado resistere alle condizioni avverse. Ma i malfunzionamenti non mancavano. Alcuni sensori, per raccogliere informazioni sul flusso in base alle letture di pressione, devono essere sospesi nelle acque reflue; la loro precisione è superiore, ma basta un rotolo di carta igienica errante che li avvolge, per annullare una lettura.
Alla fine EmNet ha predisposto quelli che chiama nodi sul lato inferiore dei tombini. Ogni nodo include un sensore, un microprocessore, una radio, un’antenna e una batteria agli ioni di litio. I sensori sono stati esposti a acque reflue impetuose mentre il processore, la radio e la batteria erano alloggiati in una scatola a prova di esplosione, sia per proteggersi dalla corrosione sia per impedire che l’elettronica o la batteria facessero da miccia ai gas di fogna. Il collegamento dei nodi ai tombini significava che gli addetti alla manutenzione potevano accedervi facilmente.
Sulla base dei dati del tratto pilota iniziale, Gilot ha dato il via libera all’espansione del sistema, corrispondendo a EmNet 6 milioni di dollari per installare sensori in tutta la città. L’azienda ha continuato ad allacciare i nodi fino al 2010, 150 in tutto. I sensori non solo hanno aiutato a prevenire i trabocchi in caso di tempesta, ma sono anche serviti a rilevare ostruzioni nelle linee fognarie che altrimenti avrebbero potuto portare ad allagamenti negli scantinati residenziali.
La distribuzione della pioggia cambia continuamente
Prevenire un trabocco delle acque reflue richiede risorse e conoscenze. Prima che i sensori entrassero in uso, i modelli idraulici utilizzati da amministratori come Gilot dovevano ipotizzare piogge uniformi in tutta la città. Ma la pioggia può essere forte su un lato di South Bend e leggera su un altro, il che significa che mentre alcune condutture fognarie del quartiere sono piene, altre non subiscono quasi alcun flusso.
Con i sensori in uso, il dipartimento di Gilot è stato in grado di determinare che il posizionamento di nove nuovi tubi acceleratori nelle fognature del quartiere avrebbero potuto ridurre drasticamente i trabocchi. A partire dal 2010, EmNet ha iniziato a dotare questi nuovi tubi di valvole dotate di microprocessore che si aprono e si chiudono automaticamente in risposta a calcoli in tempo reale che misurano la capacità della linea di intercettazione alimentata.
In periodi di forti piogge, le valvole lungo le fognature dove il flusso di acqua piovana e acque reflue è elevato si aprono automaticamente; dove il flusso è basso, le valvole rimangono chiuse. Questo crea più spazio nel tubo intercettore per le fogne che ne hanno bisogno. In sostanza, Gilot e Montestruque avevano trasformato km e km di condutture fognarie in tutta la città in un serbatoio di stoccaggio improvvisato. Poiché le fogne a basso flusso non sono a rischio di traboccamento, l’acqua non trattata può trattenersi in quelle linee, senza sfociare nel fiume e senza fare retromarcia negli scantinati delle persone, non occupando allo stesso tempo spazio nell’impianto di trattamento.
“Abbiamo catturato il 23 per cento in più di flusso in caso di pioggia utilizzando lo stesso sistema fognario che avevamo, ma con una tecnologia di monitoraggio e controllo intelligente”, afferma Gilot. Il bilanciamento del carico non è sempre semplice. Se piove in una parte della città ma non in un’altra, il calcolo potrebbe essere relativamente semplice, ma cosa dovrebbe fare un sistema quando piove dappertutto? Anche se la pioggia è concentrata in una zona, non è mai certo se il temporale si sposterà o rimarrà nello stesso posto. E, naturalmente, nessuno vuole che un tubo fognario scoppi a causa di una pressione eccessiva, soprattutto in un’area popolata.
La soluzione di Montestruque è stata un modello basato su agenti in cui le valvole nei punti di deviazione del trabocco “acquistano” capacità del tubo intercettore, il cui diametro varia mentre attraversa la città, rendendo difficile capire quanti rifiuti è in grado di trasportare all’impianto di trattamento in un dato momento. L’approccio basato sul mercato ha il vantaggio di essere più semplice dal punto di vista computazionale rispetto al tentativo di modellare completamente la complessa dinamica dei fluidi in tutto il sistema fognario.
Tuttavia, come sottolinea Kerkez dell’Università del Michigan, una serie intelligente di sensori e indicatori non può riportare indietro l’orologio su un sistema fognario obsoleto. “Tutto ha un punto di rottura”, dice. “I sistemi di controllo in tempo reale hanno il potenziale per spingere ulteriormente i confini di quel punto di rottura. Ma non esiste una soluzione sicura”.
Anche con i miglioramenti apportati da Gilot, le fognature traboccavano ancora troppo spesso per i gusti dell’EPA, da cui il decreto consensuale del 2011. Quando Fahey è arrivato a South Bend, ha ereditato un sistema fognario ottimizzato che tuttavia era al limite. Per fermare gli straripamenti, l’EPA ha chiesto alla città di costruire sette serbatoi sotterranei per immagazzinare l’acqua piovana e le acque reflue in eccesso. Molte città con sistemi fognari combinati utilizzano questo approccio.
I serbatoi potevano contenere fino a 33 milioni di litri; al passaggio di un forte temporale, l’acqua non trattata può essere pompata dai serbatoi nel tubo intercettore e all’impianto di trattamento. I serbatoi ipotizzati da Fahey erano costosi. Inoltre, le loro proposte si basavano su vecchi modelli di acque piovane che predicevano dove dovevano verificarsi gli straripamenti. Due grandi parchi popolari con alberi maturi avrebbero dovuto essere sacrificati.
“La comunità era decisamente ostile a queste iniziative”, dice Fahey. “Semplicemente non era fattibile a South Bend. Allo stesso tempo, anche immettere le acque reflue nel fiume non è consentito”. Una sera del 2016, Fahey ha incontrato Montestruque per una birra in un pub locale. Fahey era curioso di vedere se la città riusciva a trovare il modo per spremere ulteriori guadagni dal suo sistema fognario carico di sensori. I due si sono resi conto che gli stessi dati dei sensori che avevano utilizzato per il controllo in tempo reale della loro infrastruttura fognaria esistente potevano anche aiutarli a pianificare il futuro.
Nella progettazione di un sistema fognario o nella pianificazione di aggiornamenti delle infrastrutture, gli ingegneri utilizzano modelli e formulano determinate ipotesi. Calcolano ciò che pensano potrebbe accadere in base a scenari what-if governati da dozzine di variabili: la quantità di pioggia in un anno, per esempio, o la quantità di acqua che rimarrà nel sistema fognario invece che traboccare in un fiume.
Ma nel periodo in cui la città ha avuto un sistema fognario intelligente, i sensori hanno osservato ciò che accade con diversi tipi di pioggia e si possono prendere in considerazione i dati per capire come reagiranno le fogne. “Invece di cercare di prevedere cosa potrebbe accadere, siamo in grado di dire cosa è successo, e quindi cosa accadrà di nuovo”, dice Fahey.
Con l’aiuto di EmNet, Fahey ha analizzato le letture dei sensori e ha scoperto che il piano EPA che prevede sette serbatoi per un costo di 863 milioni di dollari potrebbe essere semplificato in un piano a quattro serbatoi che costerebbe solo 276 milioni di dollari. Parte del motivo della grande differenza di costo risale ai modelli.
Gli ingegneri, dice Fahey, aggiungeranno sempre qualcosa per tenere conto di un serbatoio che perde, una linea che si rompe, un temporale eccezionale. Alla fine, viene aggiunto così tanto margine che il progetto finale è molto più pesante di infrastrutture del necessario. I progettisti di reti fognarie prevedono ampiamente che il cambiamento climatico renderà le loro vite più difficili aumentando la frequenza delle precipitazioni intense.
Negli ultimi anni, la città di South Bend ha discusso la sua nuova proposta di infrastruttura con i funzionari dell’EPA, che devono ancora dargli l’approvazione federale. Oltre ai quattro serbatoi di stoccaggio, il piano prevede anche infrastrutture verdi, come i giardini pluviali, e la promessa di aumentare la capacità dell’impianto di trattamento delle acque reflue della città dai suoi attuali 290 milioni di litri al giorno a 380 milioni.
EmNet, nel frattempo, sta installando sistemi di sensori in altre città. A partire da quest’anno, aveva progetti in corso a Grand Rapids, nel Michigan, a Dayton, in Ohio e a Buffalo, nello stato di New York. Il suo più grande progetto fino ad ora, dopo il suo lavoro a South Bend, prevedeva l’implementazione di un sistema simile a Kansas City,in Missouri, che aveva subito un decreto consensuale dell’EPA.
Le linee fognarie a Kansas City hanno quasi 160 anni e il governo locale stava lottando per impedire gli straripamenti nel fiume Missouri. Ora le fogne di Kansas City sono dotate di 300 sensori, che i gestori della città prevedono faranno risparmiare alla città circa 1 miliardo di dollari di costi infrastrutturali. E, come South Bend, la città sta ora cercando di rinegoziare il suo accordo con l’EPA.
Man mano che la popolazione cresce, i sensori intelligenti possono far guadagnare tempo alle città finché non saranno necessarie tubature più grandi. Non è una soluzione perfetta, ovviamente. Per prima cosa, l’introduzione di controlli in rete in tempo reale significa anche nuove vulnerabilità a problemi di software e hacking. “Non si risolverà mai un problema solo con un’infrastruttura intelligente”, afferma Fahey.
Eppure, mentre Fahey camminava sulle rive del fiume St. Joseph lo scorso inverno, con la neve che scricchiolava sotto i suoi piedi, un pensiero era sempre presente nella sua mente. Negli anni precedenti in una giornata del genere, con neve leggera in via di scioglimento, alcune migliaia di litri di acque reflue non trattate si sarebbero riversate nel fiume. Sarebbe stato facile vedere da dove si trovava Fahey. Ma quel pomeriggio il fiume era calmo. Sembrava pulito. E le fogne sottostanti non ribollivano.
Immagine di : Lucy Hewett
