Le combat d'une ville pour résoudre son problème d'égouts avec des capteurs

Les égouts vieillissants des États-Unis ont besoin de 1 billion de dollars en réparations, mais les responsables de South Bend, dans l'Indiana, ont un plan pour les rendre plus intelligents.





son coude rivière

Lucy Hewett

  • Andrew Zaleski page d'archives
28 avril 2021

Dans la ville de South Bend, dans l'Indiana, les eaux usées des cuisines, des éviers, des machines à laver et des toilettes s'écoulent dans 35 conduites d'égout de quartier. Les bons jours, juste avant la fin de chaque ligne, un tuyau d'étranglement vertical dévie les eaux usées dans un tube intercepteur, qui les transporte vers une station d'épuration où les polluants solides et les bactéries sont filtrés.

Comme dans de nombreuses villes américaines, ces tuyaux sont combinés avec des égouts pluviaux, d'où le terme égout unitaire , une conception qui est devenue populaire comme mesure de réduction des coûts dans les années 1880. Ainsi, les mauvais jours, lorsque de fortes pluies ou la fonte des neiges dépassent la capacité de l'intercepteur, les eaux usées se déversent directement dans la rivière Saint-Joseph. C'est mauvais pour plusieurs raisons . Les bactéries présentes dans les matières fécales rendent les rivières impropres à la baignade ou à la navigation de plaisance. Les bactéries résistantes aux antibiotiques provenant des déchets hospitaliers sont rejetées dans la nature pour se multiplier. Les produits pharmaceutiques, les pesticides, les plastiques, les métaux lourds et les hormones pénètrent dans l'écosystème. Peut-être le pire de tout, l'afflux de détritus organiques riches en nutriments peut alimenter la croissance galopante des algues. Cela peut remplir les rivières et les lacs de boues toxiques, mettant en danger la faune et l'approvisionnement en eau potable.



Le problème des villes

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mai 2021

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En théorie, le Loi de 1972 sur l'assainissement de l'eau interdit aux villes (et autres pollueurs) d'envoyer leurs déchets directement dans les rivières. Mais dans la pratique, ils ont continué à le faire. L'Environmental Protection Agency estime qu'entre 23 000 et 75 000 incidents de débordement de ce type se produisent chaque année aux États-Unis. Ils constituent également un problème majeur en Europe, où quelque 650 000 ont lieu chaque année, la plupart dans des villes plus anciennes. À partir du milieu des années 1990, le ministère américain de la Justice villes poursuivies notamment Atlanta, Los Angeles, Honolulu, Boston, Miami, Cincinnati et Toledo au nom de l'EPA pour violation de la Clean Water Act. Il a demandé des décrets de consentement - où les gouvernements locaux acceptent des conditions contraignantes pour éviter des sanctions plus sévères - dans de nombreuses autres municipalités.

À travers l'Amérique chaque année, la décharge des égouts unitaires 850 milliards de gallons d'eaux usées brutes dans les voies navigables - à peu près la même quantité d'eau que le fleuve Mississippi transporte chaque année dans le golfe du Mexique.



L'EPA avait averti la ville de South Bend pendant des années de son problème de pollution habituel. En 2008, sa pire année pour les tempêtes et les débordements d'eaux usées depuis ce siècle, 2 milliards de gallons d'eaux usées non traitées ont traversé le tube intercepteur et se sont déversés dans la rivière Saint-Joseph.

Enfin, en 2011, trois jours avant que Pete Buttigieg ne prenne ses fonctions de maire, l'agence a forcé South Bend à un décret de consentement, exigeant finalement 863 millions de dollars de rénovations d'égouts. La facture s'élevait, avec le financement, à environ 10 000 $ par habitant dans une ville de Rust Belt où le revenu médian des ménages est inférieur à 40 000 $.

Les deux tiers des 800 000 miles d'égouts américains ont plus de 60 ans ; la restauration de ces canalisations pourrait coûter plus de 1 000 milliards de dollars.



L'histoire d'infrastructures débordées de South Bend n'est malheureusement que trop courante. À l'été 2011, à environ 250 milles à l'est, un million d'acres de la surface du lac Érié, le quatrième plus grand des Grands Lacs américains et canadiens, avaient été recouverts d'une prolifération d'algues causé par des débordements d'égouts combinés (ainsi que le ruissellement agricole et industriel) de Toledo, Cleveland et d'autres villes. Le New York Times signalé des concentrations de microcystine, une toxine hépatique, [dans le lac] qui étaient 1 200 fois supérieures aux limites de l'Organisation mondiale de la santé, contaminant l'eau potable de 2,8 millions de consommateurs.

Les deux tiers des 800 000 miles d'égouts américains ont plus de 60 ans ; la restauration de ces conduites pourrait coûter plus d'un billion de dollars, selon l'American Water Works Association. L'American Society of Civil Engineers estime que les services publics ont dépensé 3 milliards de dollars en 2019 pour remplacer les tuyaux, soit 81 milliards de dollars de moins que ce que le groupe pensait devoir dépenser.

Kieran Fahey est responsable du plan de contrôle des égouts de South Bend.



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Le plan d'infrastructure de 2 billions de dollars récemment annoncé par le président Biden pourrait contribuer à atténuer la situation, s'il devient loi. Dans sa forme actuelle, la proposition comprend 56 milliards de dollars en subventions et en prêts à faible coût aux États et aux gouvernements locaux pour améliorer et moderniser les systèmes d'eau potable, d'eaux usées et d'eaux pluviales.

Une fois le problème d'argent résolu, il reste cependant la question de savoir comment procéder exactement pour effectuer les mises à niveau. Une façon d'éliminer les débordements serait de séparer les tuyaux combinés en créant un tout nouveau réseau d'égouts et de collecteurs d'eaux pluviales séparés. (Ceci est généralement perçu comme étant d'un coût prohibitif.) Une autre option consiste à construire de nouvelles infrastructures pour augmenter la capacité de débordement. C'est l'approche adoptée à Londres, où un énorme tunnel de 4 milliards de livres sterling (5,5 milliards de dollars) est creusé sous la Tamise, destiné à transporter les eaux usées de 34 points où elles débordent généralement vers une usine de traitement à 16 miles à l'est, à partir de 2025.

Ces deux méthodes entrent dans la catégorie des trous plus grands dans lesquels placer des tuyaux plus gros. Pour les villes à court d'argent, ce type de dépenses est souvent hors de portée. Ce fut le cas à South Bend, qui s'est engagé dans une troisième voie : rendre ses égouts plus intelligents.

En 2008, la ville a commencé à installer un réseau d'appareils qui mesuraient la profondeur et le débit des eaux usées à des dizaines de points dans ses égouts. Puis, en 2011, il a mis en place un système de contrôle en temps réel, avec des vannes qui s'ouvrent et se ferment automatiquement en réponse aux données des capteurs. Ce n'était pas le premier système de ce type; La ville de Québec avait mis en place un réseau en 1999. Copenhague, Berlin et Gênes, entre autres villes européennes, ont également commencé à installer des systèmes de surveillance et de contrôle en temps réel à la fin des années 1990. Mais South Bend fait partie des pionniers.

La plupart des villes des États-Unis ont un certain aspect de contrôle dans leur système d'égouts, explique Branko Kerkez, qui étudie les systèmes d'eau intelligents en tant que professeur de génie civil et environnemental à l'Université du Michigan. South Bend est devenu l'enfant de l'affiche parce qu'ils l'opérationnalisent vraiment… ils sur-
instrumenté [l'égout] afin qu'ils puissent voir comment tout cela change en temps réel.

Kieran Fahey, un Irlandais grand et barbu, est responsable du plan de contrôle des eaux usées de la ville. Avant de prendre le poste en 2015 - il a suivi sa femme, qui avait obtenu un emploi à l'Université de Notre Dame - Fahey avait travaillé pour l'Agence irlandaise de protection de l'environnement. Il était le gars de l'autre côté du bureau, disant aux communautés ce qu'il fallait faire pour se conformer aux réglementations sur l'eau potable. À South Bend, il doit déterminer s'il existe un moyen d'empêcher la ville de faire faillite tout en se conformant au mandat de l'EPA.

Nous essayons de trouver le sweet spot, dit-il. Essayer de ne pas crucifier la communauté économiquement, mais aussi essayer de s'assurer que la rivière est également prise en charge.

Depuis que les capteurs sont entrés, le débordement d'égout par pouce de pluie est passé de 42,8 millions de gallons en 2008 à 6,9 millions en 2020. Si Fahey réussit, ces capteurs pourraient aider à réduire les débordements à zéro.

Le réseau de capteurs de South Bend est un descendant des efforts de contrôle remontant aux années 1960. La différence se résume à sa taille et à sa portée : il vise à contrôler les débordements sur 600 miles de conduites souterraines.

Michael Lemmon étudie les réseaux d'actionneurs de capteurs à base d'agents à Notre Dame.

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Jusqu'à ce que le réseau de capteurs soit mis en place, deux employés de la ville de South Bend roulaient une fois par semaine, soulevaient les plaques d'égout et regardaient vers le bas, n'utilisant que leurs yeux pour estimer la vitesse à laquelle les eaux usées coulaient. S'ils voyaient de la crasse obstruer une conduite d'accélérateur, ils la hissaient avec un crochet. Lors d'une tempête, un employé de la ville devait traverser la ville pour fermer une soupape de trop-plein. Cela a fonctionné, dans une certaine mesure, pour les tempêtes prolongées, mais pas pour les pluies courtes et intenses, qui ont parfois provoqué des débordements avant que quiconque ne puisse agir.

Le passage à un système plus systématique, détaillé et plus rapide de collecte de données a pris des années. Il a été lancé par Michael Lemmon, professeur à Notre-Dame, dont le campus se trouve à la périphérie nord de la ville. En 2001, il a obtenu une subvention de la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) pour voir ce qui pouvait être fait avec des microcontrôleurs radio de la taille d'une carte de crédit. Après les attentats du 11 septembre, le projet a été réquisitionné pour voir si de petits capteurs pouvaient aider à trouver des combattants d'Al-Qaïda cachés dans des grottes.

Je n'étais vraiment pas très heureux de travailler sur ces applications militaires, même si c'était important de le faire, dit Lemmon. Je pensais à d'autres façons de regarder les capteurs.

En 2003, Lemmon et un groupe d'ingénieurs et de chercheurs de Notre-Dame ont réalisé qu'ils pourraient peut-être les utiliser pour faire quelque chose contre les débordements d'égouts de routine de South Bend. En 2004, l'effort de recherche a conduit à la création d'une société appelée EmNet . Luis Montestruque, un ingénieur électricien à l'esprit d'entreprise qui avait travaillé avec Lemmon sur le projet DARPA tout en terminant son doctorat, est devenu le président de l'entreprise.

EmNet a présenté son idée à Gary Gilot, alors directeur des travaux publics de South Bend. Gilot est une figure de grand-père à la voix douce, toujours fascinée par les nouvelles idées. (Comme le dit Fahey : si vous disiez : « Je veux mesurer chaque arbre de South Bend parce que j'ai l'impression qu'il peut nous aider à lutter contre le changement climatique », dirait Gary, « Allons-y, faisons-le. »)

Gilot était intrigué ; regarder des trous d'homme ouverts au milieu de la circulation pour voir si une conduite d'égout déborde lui semblait déjà rétrograde. En 2005, il a donné à EmNet une section d'égout le long d'une rue de la ville comme test, pour voir si la surveillance en temps réel des flux d'eaux usées pouvait fonctionner.

Il y a eu des problèmes dès le départ. L'environnement dans les égouts est pour le moins peu attrayant. Une humidité excessive alourdit l'air. L'acide sulfurique se forme toujours. Les variations de température sont incessantes et sévères, car les eaux usées chaudes des douches et des machines à laver se mélangent à l'eau de pluie captée. Le méthane et le sulfure d'hydrogène, deux gaz hautement inflammables et potentiellement explosifs, sont également des dangers constants.

Le premier appareil que nous avons installé était cette carte électronique, dit Montestruque. Lorsque nous avons ouvert le boîtier d'alimentation, il avait disparu - désintégré. C'est dire à quel point l'environnement est rude.

Lorsque nous avons ouvert le boîtier d'alimentation, il n'y en avait plus... désintégré. C'est dire à quel point l'environnement est rude.

La protection des équipements électroniques est devenue le défi. Les appareils prêts à l'emploi pour mesurer le débit et la profondeur de l'eau, qu'EmNet a décidé d'utiliser pour réduire ses coûts d'installation, étaient suffisamment robustes pour résister aux conditions. Mais ils sont susceptibles de dysfonctionnement. Certains capteurs, afin de collecter des informations de débit basées sur des lectures de pression, doivent être suspendus dans les eaux usées ; ils ont tendance à être plus précis, mais une liasse de papier toilette errant pourrait s'enrouler autour d'eux, perturbant une lecture.

Finalement, EmNet a mis en place ce qu'il appelle des nœuds sous les plaques d'égout. Chaque nœud comprend un capteur, un microprocesseur, une radio, une antenne et une batterie lithium-ion. Les capteurs ont été exposés à des eaux usées précipitées tandis que le processeur, la radio et la batterie étaient logés dans un boîtier antidéflagrant, à la fois pour protéger contre la corrosion et pour empêcher l'électronique ou la batterie d'enflammer les gaz d'égout. La fixation des nœuds aux plaques d'égout permettait aux équipes de maintenance d'y accéder facilement.

Sur la base des données de la section pilote initiale, Gilot a donné le feu vert pour étendre le système, en payant à EmNet 6 millions de dollars pour installer des capteurs dans toute la ville. Il a été officiellement mis en ligne en 2008 et EmNet a continué à installer des nœuds jusqu'en 2010, soit 150 au total. Les capteurs ont non seulement aidé à prévenir les débordements en cas d'orage, mais ont également servi à détecter les obstructions dans les conduites d'égout qui, autrement, auraient pu entraîner des refoulements dans les sous-sols résidentiels.

Prévenir un débordement des eaux usées nécessite à la fois des ressources et des connaissances. Avant l'utilisation des capteurs, les modèles hydrauliques utilisés par des administrateurs comme Gilot devaient supposer des précipitations uniformes dans toute la ville. Mais la pluie peut être abondante d'un côté de South Bend et légère de l'autre, ce qui signifie que si certaines conduites d'égout du quartier débordent, d'autres ne connaissent pratiquement aucun débit.

Avec les capteurs utilisés, le département de Gilot a pu déterminer que l'installation de neuf nouveaux tuyaux d'étranglement dans les égouts du quartier pourrait réduire considérablement les débordements. À partir de 2010, EmNet a commencé à équiper ces nouvelles conduites de vannes équipées d'un microprocesseur qui s'ouvrent et se ferment automatiquement en réponse à des calculs en temps réel mesurant la capacité de la ligne d'interception dans laquelle elles alimentent.

Kieran avec capteur

Kieran Fahey avec un capteur utilisé pour mesurer la pression et le débit de l'eau dans les égouts de South Bend.

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En période de fortes pluies, les vannes le long des égouts où le débit des eaux pluviales et des eaux usées est élevé s'ouvriront automatiquement ; lorsque le débit est faible, les vannes restent fermées. Cela crée plus de place dans le tuyau d'interception pour les égouts qui en ont besoin. Essentiellement, Gilot et Montestruque avaient fait des kilomètres et des kilomètres de conduites d'égout à travers la ville dans un réservoir de stockage de fortune : parce que les égouts à faible débit ne risquent pas de déborder, l'eau non traitée peut rester dans ces conduites - sans inonder le rivière, ne reculant pas dans les sous-sols des gens et ne monopolisant pas l'espace à la station d'épuration.

Nous avons capté 23 % de débit supplémentaire par temps de pluie simplement en utilisant le même système d'égout que nous avions, mais avec une technologie de surveillance et de contrôle intelligente, explique Gilot.

L'équilibrage de charge n'est pas toujours simple. S'il y a de fortes pluies dans une partie d'une ville mais pas dans une autre, le calcul peut être relativement simple, mais que doit faire un système lorsqu'il pleut partout ? Même si la pluie est concentrée dans une zone, il n'est jamais certain que la tempête se déplace ou reste au même endroit. Et bien sûr, personne ne veut qu'un tuyau d'égout éclate à cause d'une pression excessive, surtout dans une zone peuplée.

La solution de Montestruque était un modèle à base d'agents dans lequel les vannes aux points de déviation de débordement achètent la capacité du tube intercepteur. Le diamètre du tube intercepteur varie au fur et à mesure qu'il traverse la ville, ce qui complique la tâche de déterminer sa capacité à transporter les déchets vers la station d'épuration à un moment donné. L'approche basée sur le marché a l'avantage d'être plus simple sur le plan informatique que d'essayer de modéliser entièrement la dynamique complexe des fluides dans tout le réseau d'égouts.

Pourtant, comme le souligne Kerkez de l'Université du Michigan, une gamme intelligente de capteurs et de jauges ne peut pas revenir en arrière sur un système d'égout vieillissant. Tout a un point de rupture, dit-il. Ce que le contrôle en temps réel a le potentiel de faire, c'est de repousser encore plus loin les limites de ce point de rupture. Mais il n'y a pas de solution infaillible.

Même avec les améliorations apportées par Gilot, les égouts débordaient encore trop souvent au goût de l'EPA, d'où le décret de consentement de 2011. Lorsque Fahey est arrivé à South Bend, il a hérité d'un réseau d'égouts optimisé qui repoussait néanmoins ses limites.

Pour arrêter les débordements, l'EPA demandait à la ville de construire sept réservoirs souterrains pour stocker les eaux pluviales et les eaux usées en excès. De nombreuses villes dotées de systèmes d'égouts combinés utilisent cette approche. Les réservoirs pouvaient contenir jusqu'à 8,7 millions de gallons; une fois qu'un gros orage est passé, l'eau non traitée peut être pompée des réservoirs dans le tuyau d'interception et vers la station d'épuration. Les chars que Fahey envisageait étaient chers. De plus, leurs emplacements proposés étaient basés sur d'anciens modèles d'eaux pluviales prédisant où les débordements devaient se produire. Deux grands parcs populaires avec des arbres matures devraient être sacrifiés.

La communauté était en quelque sorte en colère contre ce qui était proposé, dit Fahey. Ce n'était tout simplement pas faisable à South Bend. En même temps, nous déversons des eaux usées dans la rivière, et ce n'est pas vraiment permis non plus.

Un soir en 2016, Fahey a rencontré Montestruque pour des bières dans un gastropub local. Fahey était curieux de voir si la ville pouvait trouver des moyens de tirer davantage de bénéfices de son système d'égouts chargé de capteurs. Les deux ont réalisé que les mêmes données de capteur qu'ils utilisaient pour le contrôle en temps réel de leur infrastructure d'égouts existante pouvaient également les aider à planifier l'avenir. Nous avons dit : « Écoutez, avec toutes ces données dont nous disposons, nous devrions être en mesure de proposer une représentation hyper précise du comportement du système », se souvient Montestruque.

Emnet sur le St John

Le fondateur d'EmNet Luis Montestruque (à droite) et le premier employé Tim Ruggaber sur les rives du fleuve Saint-Jean.

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Lors de la conception d'un réseau d'égouts ou de la planification des mises à niveau des infrastructures, les ingénieurs utilisent des modèles et font certaines hypothèses. Ils calculent ce qu'ils pensent pouvoir se produire en se basant sur des scénarios hypothétiques régis par des dizaines de variables : la quantité de précipitations en un an, par exemple, ou la quantité d'eau qui restera dans le système d'égouts au lieu de déborder dans une rivière. Mais pendant la période où la ville a eu un système d'égout intelligent, toutes sortes de précipitations imaginables sont tombées sur South Bend. Et parce que les capteurs ont observé cela depuis le début, la ville peut consulter les données pour voir comment les égouts réagiront. Au lieu d'essayer de prédire ce qui pourrait arriver, nous sommes en mesure de dire ce qui s'est passé, et donc ce qui se reproduira, dit Fahey.

Vous ne résoudrez jamais un problème uniquement avec une infrastructure intelligente.

Il s'agissait d'un projet d'Internet des objets à l'échelle municipale. Avec l'aide d'EmNet, Fahey a analysé les lectures des capteurs et a découvert que le plan de l'EPA appelant à sept réservoirs pour un coût de 863 millions de dollars pourrait être rationalisé en un plan à quatre réservoirs qui ne coûterait que 276 millions de dollars. Une partie de la raison de la grande différence de coût revient à ces modèles. Dans tout modèle d'égout, dit Fahey, les ingénieurs ajouteront un peu plus pour tenir compte d'un réservoir qui fuit, d'une ligne de fissuration, d'une tempête qui ne se produit qu'une fois par siècle. Finalement, tellement de marge est ajoutée que la conception finale est beaucoup plus lourde en infrastructure que nécessaire. Les concepteurs de réseaux d'égouts anticipent largement que le changement climatique va leur rendre la vie plus difficile en augmentant la fréquence des tempêtes intenses. L'idée d'utiliser les données est de mieux comprendre comment les tempêtes ont tendance à affecter l'écoulement de l'eau à travers le système complexe de canalisations d'un réseau urbain.

La différence entre les hypothèses et ce qui s'est passé est en dollars. C'est le gros problème, dit Fahey. Vous pouvez économiser tous ces dollars en concevant spécifiquement selon vos besoins, par opposition à ce dont vous pensez avoir besoin.

Au cours des dernières années, la ville de South Bend a élaboré sa nouvelle proposition d'infrastructure avec les responsables de l'EPA, qui doivent encore lui donner l'approbation fédérale. En plus des quatre réservoirs de stockage, le plan prévoit également des infrastructures vertes, comme des jardins pluviaux, et une promesse d'augmenter la capacité de l'usine de traitement des eaux usées de la ville de ses 77 millions de gallons par jour actuels à 100 millions de gallons par jour.

EmNet, quant à lui, installe des systèmes de capteurs dans d'autres villes. Depuis cette année, des projets sont en cours à Grand Rapids, Michigan ; Dayton, Ohio; et Buffalo, New York. Son plus grand projet à ce jour, après son travail à South Bend, consistait à mettre en œuvre un système similaire à Kansas City, Missouri, qui ressentait également la pression d'un décret de consentement de l'EPA. Les canalisations d'égout de Kansas City ont près de 160 ans et le gouvernement local avait du mal à empêcher les débordements dans le fleuve Missouri. Désormais, les égouts de Kansas City sont équipés de 300 capteurs, ce qui, selon les responsables de la ville, permettra à la ville d'économiser environ 1 milliard de dollars en coûts d'infrastructure. Et, comme South Bend, la ville tente maintenant de renégocier son accord avec l'EPA.

Un actionneur de vanne d'égout automatique qui ajuste le débit vers la station d'épuration.

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À mesure que la population augmente, les capteurs intelligents peuvent faire gagner du temps aux villes jusqu'à ce que de plus gros tuyaux, de plus gros tubes et de plus gros trous soient nécessaires. Ce n'est pas une solution parfaite, bien sûr. D'une part, l'introduction de contrôles en réseau en temps réel signifie également de nouvelles vulnérabilités aux problèmes logiciels et au piratage. Vous ne résoudrez jamais un problème avec juste une infrastructure intelligente, dit Fahey.

Pourtant, alors que Fahey marchait sur les rives de la rivière Saint-Joseph l'hiver dernier, la neige crissant sous ses pieds, une pensée était toujours présente dans son esprit. Au cours des années précédentes, un tel jour, avec de la neige légère et un peu de fonte, quelques milliers de gallons d'eaux usées non traitées se déversaient dans la rivière. Il aurait été facile de voir d'où se tenait Fahey. Mais cet après-midi-là, la rivière était calme. Il avait l'air propre. Et les égouts en dessous ne se précipitaient pas du tout.

Correction: Cet article disait à l'origine que Notre-Dame se trouve près de la limite sud de la ville de South Bend. C'est, en fait, près de la limite nord. Nous regrettons l'erreur.