Uvođenje „pametnih komponenti” u instalacije kanalizacije „pametnih gradova budućnosti”

1. UVOD

Koncept pametnih gradova budućnosti omogućuje prikupljanje, prenos, obradu i analiziranje podataka o vodovodnoj i kanalizacionoj mreži putem informativnih i komunikacijskih tehnologija. U okviru strategije razvoja pametnih gradova potrebno je osmisliti i isprojektovati mrežu „pametnih elemenata” na instalacijama vodovoda i kanalizacije koji bi pomoću određenih senzora prikupljali potrebne podatke o protoku, kvalitetu, brzini, pritisku i ostalim potrebnim komponentama pitke, tehnološke i otpadne vode. Ovakav pristup je neophodan zbog povećanog stepena urbanizacije u čijim uslovima će obezbediti poboljšanje kvaliteta života. Radom su obrađena merna mesta (njihov broj i lokacija), vrste podataka koji su potrebni (tipovi senzora), potencijalni korisnici, kao i konstrukcija i instalacioni uslovi pametnih elemenata. Opisani su benefiti ovog pristupa i interakcija sa ostalim sistemima pametnih gradova.

1.1 Vodovod i kanalizacija u pametnim gradovima

Industrija vode i otpadnih voda, kao i mnoge druge, trenutno prolazi kroz proces transformacije korišćenjem ICT-a i stvaranjem podataka u realnom vremenu. Cilj je povećanje operativne i menadžerske efikasnosti, smanjenje troškova i emisije ugljenika, kao i povećanje energetske efikasnosti i smanjenja zagađenja kroz pametno online merenje ključnih parametara vode.

U Evropi postoji 3,500,000 km mreža distributivne vodovodne mreže (EUREAU, 2009). Vodoprivredna preduzeća suočavaju se sa brojnim izazovima. U narednih 10 – 30 godina moraju biti rehabilitovani veliki delovi mreža za distribuciju vode što zahteva hitne intervencije i optimizaciju ovih investicija. U mnogim zemljama postoji potreba za poboljšanjem kvaliteta vode a često evropska direktiva o pitkoj vodi nije ispunjena u pogledu mikrobioloških i hemijskih parametara, što predstavlja pretnju ljudskom zdravlju.

Na kraju, treba efikasnije koristiti resurse za proizvodnju i distribuciju vode. Većinom distributivnih vodovodnih mreža se ne upravlja aktivno u realnom vremenu, nego se koristi reaktivan pristup proizvodnji, upravlja se pritiscima u crpnim stanicama po unapred zadatim grafikonima, kvalitet vode proverava uzorkovanjem, a reaguje se na osnovu rezultata laboratorijskih analiza, žalbi kupaca i signala zdravstvenih ustanova ovlašćenih za kontrolu kvaliteta.

Kontinuirana merenja nisu uobičajna praksa, optimizacija je nemoguća bez njih i zbog toga se gube ogromni resursi:

• curenje i gubici vode (gubici vode u rasponu od 5 – 50% ukupne proizvedene vode, izvor EU);
• ekonomično gazdovanje imovinom i proizvodnja vode;
• optimalno upravljanje pritiscima (potencijal štednje je 10 – 15% potrošnje energije za distribuciju i dodatne uštede: smanjen broj curenja kao rezultat smanjivanja nepotrebno visokih pritisaka i prolaznih uticaji koji su uzrok curenja ).

Evropsko partnerstvo za inovacije na vodama (EIP Water) prepoznalo je ove izazove i utvrdilo sledeće prioritete rada vezane za probleme na distributivnoj vodovodnoj mreži:

1. Tematski prioriteti

– tretman vode i otpadnih voda uključujući obnovu resursa
– voda i njena veza sa energijom

2. Prioriteti ukrštanja sa drugim tehnologijama:

– sistemi za praćenje procesa i donošenje odluka uz korišćenje povratne sprege
– pametne tehnologije.

SmartWater4Europe doprinosi uvođenju EIP vode ubrzanjem inovacija, prioritetno u oblastima koje doprinose rešavanju društvenih izazova, poboljšanju konkurentnosti Evrope i doprinose stvaranju radnih mesta i ekonomskom rastu. Osim toga, ponudu i potražnju treba povezati, kao uzrok i posledicu, samo se na takav način može ubrzati prihvatanje inovacija i uvođenje tržišta.

Tržište SmartWater4Europe se brzo razvija i to ne samo u Evropi, očekuje se da će pametno merenje vode generisati kumulativne investicije od 7,8 milijardi dolara do 2020. godine, a njegova snaga leži u sposobnosti da ponudi vodovodnim preduzećima puteve prema operativnijim upravlja- njem troškovima i smanjenju zaga- đenja, uz istovremeno poboljšanje upravljanja uslugama i snabdevanjem.

2. Primena „pametnog merenja” (Smart meteringa) u kanalizaciji

2.1. Koncept ranog otktivanja i prevencije zagađivača

Inteligentni sistemi u kanalizacionoj mreži predstavljaju napredne sisteme za upravljanje otpadnim vodama i praćenja zagađivača od strane lokalnih vlasti, vodovodnih preduzeća i korporacija. Pristup uvođenja „pametnih koponentni“ u kanalizacionu infrastrukturu menja način na koji opštine i kompanije razmišljaju o upravljanju otpadnim vodama. Umesto da se reaguje na kontaminaciju, prikupljanje potrebnih podataka u realnom vremenu i njihovo čuvanje i obrada nam omogućuju kreiranje jedinstvenog proaktivnog rešenja koje sprečava akcidentne događaje, odnosno pojavu zagađenja. Pametna merenja u kanalizaciji nam omogućuju upravljanje otpadnim vodama i kreiranje inteligentnog, sveobuhvatnog sistema koji poboljšava kvalitet otpadnih voda, smanjenje troškova održavanja i stvaranje novog prihoda.

Sistem menadžmenta kvaliteta otpadne vode se razvio iz potrebe koja je postojala u industriji za kompletnim rešenjem od početka do kraja procesa koje bi moglo automatizovati procese, minimizirati zahteve za radnom snagom i maksimizirati efikasnost. Korisnicima je potrebno konsolidovati bazu podataka, smanjiti zagađenje, identifikovati izvor kontaminacije i zagađivače.

// Sveobuhvatno rešenje kontrole kvaliteta optadne vode nudi sistem za praćenje i upravljanje kanalizacijom širom čitavog grada, predviđa događaje zagađenja i radikalno smanjuje troškove.

Pružajući kompletan pregled, sistem koristi pametne jedinice koje se šire i strateški postavljaju širom naselja. Softver prati podatke, nudeći potpunu i preciznu up-to-minutnu sliku, automatski, brzo i efikasno reagujući u realnom vremenu. Rana detekcija je od presudnog značaja za sprečavanje zagađenja i uštedu troškova prečišćavanja. Proaktivna, preventivna tehnologija blokira zagađivače a postoje i neposredne posledice, odmah se generišu prihodi od onih koji su odgovorni za kontaminaciju.

Sistem online kontrole kvaliteta pruža pogled ptičje perspektive na ceo grad i predstavlja potpunu kartu onoga što se dešava na terenu u bilo kom trenutku, u realnom vemenu. Podaci se čuvaju jer nema potrebe za brisanjem kritičnih informacija, pošto podaci koji su potrebni za kvalitet otpadnih voda, plaćanje i ažuriranje osoblja na terenu dolaze direktno do korisnika.

Inovativne, samoaktivirajuće „Smart” jedinice nadgledaju kvalitet otpadnih voda u realnom vremenu i omogućavaju automatsko uzorkovanje i upravljanje procesima, kako bi se sprečio akcidentni događaji zagađenja. Senzori su postavljeni na strateške tačke za praćenje izvora zagađenja, širom grada, od udaljenih lokacija direktno do centra. Instalacija je brza i jednostavna bez infrastrukturnih zahteva. Sistem se može instalirati tako da efikasno funkcioniše godinama, neprekidno prenoseći informacije bez potrebnih izvora energije.
Jedinice smeštene u šahtovima otpadnih voda locirane su visoko u zaštitnom kućištu, zaštićene od bilo kakvog oštećenja i neovlašćenog pristupa, uz održavanje njihove osetljivosti na najmanju promjenu nivoa pH. Antena emituje signal koji se šalje neprekidno, i aktivira se samo kada registruje zagađenje.

// Ovaj potpuno automatizovani sistem dramatično smanjuje potro- šnju resursa, bez troškova električne energije i bez radne snage i potrebe za održavanjem ili praćenjem.

2.2 Elementi pametne kanalizacije

Primarni cilj „Smart metering”-a u kanalizacionoj mreži je efikasno upravljanje otpadnim vodama i kontrola zagađivača, što podrazumeva značajno umanjenje nečistoće lokalnih otpadnih voda i isporuka što čistije reciklirane vode. Da bi se ovo postiglo potreban je sistem za upravljanje otpadnim vodama čije su komponente prikazane na sledećoj slici [4].

1. Osmatranje, uzimanje uzoraka i analiza – Smart Sensor System (sistem sa pametnim senzorima), podrazumeva monitoring stepena toksičnosti vode, otkrivanje akcidentnog događaja zagađenja u trenutku kada se dogodi (u realnom vremenu), i uzimanje toksičnog uzorka za analizu.
2. Prikupljanje podataka i analiza – analizira se tačna kompozicija mrlje zagađivača, sa granularnom preciznošću, u najranijoj fazi kontaminacije vode kako bi se pomoglo brzom otkrivanju izvora toksičnosti.
3. Identifikacija zagađivača – prati se hemijski trag prema specifičnim izvorima zagađenja i šalje odgovornom licu za pojavu zagađenja
4. Izvršenje-pravna regulativa – automatsko izračunavanje kazni prema lokalnoj regulativi, formiranje zvaničnih obaveštenja i slanje kaznene naknade preduzeću ili licu koje je izazvalo zagađenje.

2.3. Novi trendovi u koncepciji kanalisanja kao proizvod uvođenja „smart” komponenti

Uz povećanu zakonsku regulativu o zaštiti životne sredine i potrebu za unapređenjem usluga za korisnike, projektovanje se navodi na uvođenje „pametnih” komponenti, usmerenih na prikuljanje i analizu podatake, kako bi poboljšali sistemi odvođenja i prečišćavanja otpadnih voda. Tradicionalno, sistemi otpadnih voda su delovali „pasivno” sa sistemskim modeliranjem i dugoročnim ciljevima zasnovanim na već istorijskim podacima, kao što su padavine, nivoi vode i podaci o potrošnji i broju stanovnika. Međutim, sada postoji sve veći pomak koji se odnosi na online modele koji se mogu unaprediti kroz vreme i tako obezbede zdravije i pravilnije funkcionisanje sistema otpadnih voda. Pametan sistem otpadnih voda obezbeđuje rešenja za poboljšanje kvaliteta vode, povećanje energetske efekasnosti, smanjenje prekomerne količine otpadnih voda, industrijskih zagađivača i povećanje ukupne efikasnosti sistema.

Postoje dva uobičajena tipa sistema kanalisanja otpadnih voda: separatni – sa odvojenom sanitarnom kanalizacijom (FK-fekalna kanalizacija) koja sakuplja samo upotrebljene fekalne otpadne i kišnom kanalizacijom (KK) koja prikuplja površinske vode, sa jedna strane, a sa druge kombinovani sistem-opšte kanalizacione sisteme (OK), koji se sastoje od jedne cevi osmišljene za prikupljanje i prenoše- nje otpadnih voda u domaćinstvima, industrijskih otpadnih voda i kišnih voda u postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda.

// Preterane količine otpadnih voda u oba ova sistema predstavljaju pretnju pozdravlje ljudi, životnu sredinu i rezultuju visokim troškovima održavanja tokom procesa transporta otpadnih voda, a posebno je u smislu resursa zahtevno prečišćavanje jer je potrebno obezbediti radnu snagu, upravljanje sistemom, remediaciju, fakturisanje i kompenzaciju.

Preopterećene kanalizacione mreže uzrokuje zapušenja, prekide u oticanju operativne i strujne kvarove. Opšti sistem kanalizacije (OK) nije projektovan tako da sakuplja velike količine kišne vode, čime se mogu izazvati izlivanja kod korisnika i poplave, kao i izlivanje zagađene vode u okolno tlo, kao i zagađenje podzemne vode. Suprotno od toga, separatni sistem je projektovan tako da sistem kišne kanalizacije (KK) može da prelije ili propusti veće količine kišne vode u vodotoke ili zelenu površinu [5].

Odgovarajući menadžment i uprav- ljanje su neophodni kako bi se smanjilo nekontrolisano ispuštanje u životnu sredinu i sprečila zagađenja. Investiranje u pametne, data-uprav- ljačke tehnologije može pomoći u smanjenju rizika od zagađenja tako što će obezbediti predviđene kapacitete, održati postojeću infrastrukturu, smanjiti količinu otpadnih voda u kanalizaciji, povećati prenosnu moć i tretman kišne vode i obavestiti javnost u slučaju akcidenta.

// Tehnologije „pametne otpadne vode“ mogu da spreče i zaustave izlivanje, i ako je to neizbežno, odrede prioritete unutar sistema.

Ova rešenja proizilaze iz dostupnosti podataka o protoku, nivou, kvalitetu vode i vremenskim inervalima između naregularnosti koje su uočene kako bi se predvideli i pružili ažurirani podaci o problemima na mreži kao što su zagušenja, poplave i pucanje cevi.
Pomoću ovih informacija korisnici mogu uočiti probleme pre nego što se pojave, smanjujući količinu zagađene vode koja se izliva u okolinu.

Na primer, korišćenjem pametnih CSO (Combined System Overflow) rešenja, inženjeri na mreži mogu odlučiti o najboljem načinu za odvajanje fekalne i kišne kanalizacije, kao i koju zapreminu dotoka da zadrže u retenzijama zavisno od koncentracije zagađivača.

// Da bi se anulirao ili bar smanjio uticaj prelivanja kanalizacionog sistema, moraju se koristiti podaci dugoročnih osmatranja ili simulacioni modeli.

Senzori deluju kao sistem za kontrolu koji može da pomogne u prevenciji neželjnih događaja upućivanjem alarma upravljačima sistema, čime se smanjuje vreme reagovanja.

Postoje dva uobičajena tipa uređaja za nadgledanje događaja za prelive: Single Purpose / BasicAlarmni uređaji (SP / BAD) i True Real-tme monitori (TRM). SP / BADs koji obezbeđuju alarmne notifikacije i smanjuju šanse za prelivanjem iz sistema.

Iako su SP / BAD obično plasirani po nižoj ceni, TRM sistemi su napredniji i ispunjavaju projektne zahteve. Ova rešenja obezbeđuju osmatranje udaljenih lokacija u realnom vremenu, dvosmernu komunikaciju između menadžera sistema i sektora održavanja, podatke o nivou i protoku sa generisanjem izveštaja. Ovakvi alati omogućavaju korisnicima ne samo da zabeleže događaje u slučaju prelaže- nja zadatih vrednosti, već i predviđa- nje i izbegavanje alarmne situacije (danima ili nedeljama unapred). Ovi uređaji mogu dalje pomoći u preusmeravanju sredstava korisnika na područja sistema gde mu je to najviše potrebno.

// Drugi primeri inteligentnih rešenja za otpadne vode integrišu informatiku iz SCADA i GIS sistema simulirajući padavine i oticaj pod različitim uslovima.

Na primer, rešenja za hidrauličko modeliranje dozvoljavaju operateru da modelira slivove. Ovo pruža tačnu predstavu o terenu pomoću jednačina površina i mapiranja površinske topografije, nivoa vode, i podataka o sistemskoj infrastrukturi. Takvi alati dozvoljavaju korisniku da istražuju sve načine za kontrolu sistema i pruža prave informacije u svakom trenutku. Pored toga, pametne kanalizacione mreže mogu poslati alarmne poruke preko različitih medija, kao što je internet ili aplikacije za pametne telefone.

Pre usvajanja projekta pametne mreže za otpadne vode, mora se izraditi „studija opravdanosti“ zasnovana na uticajima svih pojedinačnih elemenata, kao što su finansijske uštede, uticaj na životnu sredinu i usluge klijenata. Važno je razmotriti koji su aspekti optimizovani.

Na primer, prilikom ispitivanja troškova-benefit analize prevencije zagađenja, u jednačini mora figurisati više parametara, ne samo radna snaga koja se koristi u remediaciji, ali i troškovi javnih odnosa, izveštavanje autoriteta, sporovi i kompenzacije.

// Cilj projekta Smart Water Netvorks je ubrzati razvoj pametnih mreža vode i otpadnih voda širom sveta. Više tehničkih izveštaja o pametnim otpadnim vodama biće dostupno uskoro članovima SWAN-a, zajedno sa studijama slučajeva praktičnih referenci.

Nov način upravljanja otpadnim vodama je rešenje u okviru jedinstvenog sistema za upravljanje alarmnim sistemima kao deo SWAN interactve arhitekture (www.swan-tool.com).

Osim toga, SWAN ubrzava razvoj pametnih otpadnih voda, na čiju temu se organizuju brojne radionice, istraživačke studije i seminari. Integracija SWAN principa u projektovanje sistema za kanalisanje i prečišćavanje otpadnih vode je takođe povezana sa mnogim drugim granama industrije i njihova implementacija otvara vrata neophodnosti komunikacije između različitih tehnoloških grana.

2.4. Kanalizacija kao element „kružne ekonomije”

// Kružna ekonomija predstavlja nov pristup koji integriše ekonomiju i sistem upravljanja otpadom.

Trenutni ekonomski model većine (ako ne i svih) država i kompanija podrazumeva korišćenje resursa naše planete kako bi se proizvelo što više proizvoda od kojih će najveći deo, nažalost, završiti kao otpad. U slučaju Srbije – otpad na deponiji. Ovakav koncept korišćenja i upotrebe resursa se u teoriji naziva linearnim. Malo je reći da je ovo neodrživo sa aspekta životne sredine, već se radi o pristupu koji je i ekonomski neisplativ.

// Kružna ekonomija može biti odgovor na narastajuće potrebe čovečanstva uz poštovanje granica koje naša planeta poseduje: dakle, održivi razvoj u svom najboljem izdanju.

Koncept je zamišljen tako da vodi obnovi ekosistema, uz veliki broj inovacija i sa značajnim uticajem na navike društva u celini. Kružna ekonomija u kanalizaciji nije usmerena na problematiku dobijanja i korišćenja vode, ali i u širem smislu na prečišćavanje otpadnih voda sa produkcijom mulja.

Osnovni princip cirkularne ekomonije u postrojenjima za prečišćavanje optadnih voda je ponovno iskorišćenje prečišćene vode i materijalno i energetsko korišćenje mulja. U osnovne principe ovog procesa možemo da svrstamo uštedu vode, korišćenje toplotne energije iz otpadnih voda i korišćeje energije mulja kao i njegove mase.

3. Zaključak

SWAN tehnologije olakšavaju planiranje sistema, pojednostavljuju svakodnevne operacije i održavanje, i poboljšavaju upravljanje mrežnim gubicima vode i njegovim kvalitetom. Ove tehnologije se neprestano razvijaju i obezbeđuju održiva rešenja za hidrotehničke objekte.
Pored toga, softver i alati za veštačku inteligenciju (BI) omogućavaju komunalnom preduzeću da koriste podatke iz više diskretnih sistema. Prikupljeni podaci se onda koriste za izračunavanje ključnih indikatora učinka (KPI-Key Performas Indicator) koji pružaju tačne i objektivne informacije u vezi karakeristika vode. Sposobnost da se prezentuju na različite načine takođe omogućava korisnicima da komuniciraju sa različitim vrstama korisnika.

// Benefiti ovakvog pristupa su merljivi sa aspekta ukupnog utroška energije, resursa i sirovina. Ali ne samo toga, već i zadovoljstva korisnika i menadžera uključenih u pametnu proizvodnju pitke vode – vodovod i pametno upravljanje nusproduktima ovakve proizvodnje – kanalizacija.

Autor teksta: Denisa Đorđević, dipl.inž.građ. „PIPELIFE SERBIA”