Characterization of Sediment Accumulation, Erosion and Transport Processes in Combined Sewer Pipes

Abstract

[Resumen] El análisis de los procesos de acumulación, erosión y transporte de sedimentos en tuberías de saneamiento unitario es esencial en los sistemas de drenaje urbano. Estos sedimentos representan la mayor fuente de contaminación dentro de los sistemas de saneamiento hacia el medio receptor. El propósito de esta tesis es estudiar en detalle estos procesos para poder plantear soluciones óptimas que den lugar a un desarrollo urbano sostenible. Para ello, se ha ensayado la eficiencia de autolimpieza y de ausencia de obstrucciones por sólidos gruesos en tuberías de saneamiento unitario con geometrías ovoides en comparación con tuberías circulares. Además, como gran elemento diferenciador, se ha puesto en marcha una Plataforma Científica que permite ensayar diferentes conducciones con agua residual urbana. En este modelo se han desarrollado nuevas técnicas y metodologías para medir con mayor precisión la acumulación y transporte de sedimentos en tuberías, así como para analizar sus propiedades fisicoquímicas. Asimismo, se han realizado ensayos en modelos a escala reducida para caracterizar la concentración y el tamaño de partículas en suspensión a través de sensores acústicos. Como resultado, se ha obtenido un gran conjunto de datos que podrá utilizarse para el desarrollo de estrategias avanzadas de diseño, operación y mantenimiento de sistemas de saneamiento unitario.

[Resumo] O estudo da acumulación, erosión e transporte de sedimentos en tubaxes de saneamento unitario é esencial dentro de calquera sistema de drenaxe urbana. Estes sedimentos representan a maior fonte de contaminación dentro dos sistemas de saneamento cara o medio receptor. O propósito de esta tese é estudar en detalle estes procesos para poder expor solucións óptimas que dean lugar a un desenvolvemento urbano sostible. Para iso, ensaiouse a eficiencia de autolimpeza e de ausencia de obstrucións por sólidos grosos en tubaxes de saneamento unitario con xeometrías ovoides en comparación con tubaxes circulares. Ademais, como gran elemento diferencial, púxose en marcha unha Plataforma Científica que permite ensaiar diferentes conducións con auga residual urbana. Neste modelo desenvolvéronse novas técnicas e metodoloxías para medir con maior precisión a acumulación e o transporte de sedimentos en tubaxes, así como para analizar as súas propiedades fisicoquímicas. Así mesmo, realizáronse ensaios en modelos a escala reducida para caracterizar a concentración e o tamaño de partículas en suspensión a través de sensores acústicos. Como resultado, obtívose un gran conxunto de datos que poderá utilizarse para o desenvolvemento de estratexias avanzadas de deseño, operación e conservación de sistemas de saneamento unitario.

[Abstract] The analysis of the sediment accumulation, erosion and transport processes in combined sewers is a key issue within urban drainage systems. Sewer sediments represent the main source of pollution in sewer systems to the receiving environment. This thesis aims to study in detail these phenomena to propose optimal solutions that lead to sustainable urban development. To this end, the self-cleansing efficiency and the absence of blockages by gross solids in egg-shaped pipes were tested in comparison with circular sewer pipes. In addition, as a major differentiating element, a Flume Test Facility was set up to perform in-sewer deposition, erosion and transport experiments with various pipes by supplying urban wastewater. In this facility, new techniques and methodologies were developed to increase the accuracy in the measurement of the accumulation and transport of in-sewer sediments, as well as to analyse their physicochemical properties. Furthermore, experiments were also performed on small-scale models to characterise the concentration and size of suspended particles by using acoustic sensors. As a result, a large dataset was obtained to develop advanced strategies for the design, operation and maintenance of combined sewer systems.