The development of tools and methods for the evaluation of the physical integrity of sewage networks : a focus on physicochemical and hydrological approaches

Abstract

Abstract

The deterioration of sewage systems can lead to the intrusion of extraneous water, affecting the capacity, performance, and environmental sustainability of the infrastructure. Consequently, accurately assessing extraneous water in sewage networks is crucial for achieving sustainable urban water management. This thesis explored methods for identifying and quantifying extraneous water in a sewage system through the analysis of stable isotope of oxygen (δ18O) and hydrogen (δ2H), electric conductivity (EC), chemical oxygen demand (COD), turbidity and temperature at a selected sampling point. The study validated the stable isotopes method for quantifying infiltration. Inflow and infiltration (I&I) were estimated over selected 24-hour periods in March, April, May, and September, during both low and high groundwater levels under dry and wet weather conditions. During dry weather, the contribution of sewage and groundwater to the total flow was analyzed using δ18O, EC, COD, turbidity, and continuous temperature monitoring, followed by the simulation of the network’s hydraulic and temperature profile. In the wet period, contributions from sewage, groundwater, and surface runoff were estimated using pairs of tracers (δ18O & EC and δ18O & COD). Finally, spatiotemporal analysis was performed to estimate I&I on a regional scale, encompassing 50 sampling points as well as the wastewater treatment plant. Overall, the contribution of extraneous water fluctuated both spatially and temporally, influenced by factors such as land use, geological conditions and seasonal changes. By addressing challenges in detection and quantification, this study offers valuable insights for improving the management and maintenance of sewer networks, ultimately helping to develop more targeted and efficient strategies for mitigating I&I and ensuring the sustainability of wastewater systems.

Tiivistelmä

Jätevesiverkostojen kunto heikkenee iän myötä ja voi johtaa vuotovesiin viemäristössä, mikä vaikuttaa jätevesi-infrastruktuurin kapasiteettiin, suorituskykyyn ja kasvattaa ympäristöriskejä. Siksi ulkoisten vesien tarkka arviointi jätevesiverkostoissa on tärkeää kestävän kaupunkivesien hallinnassa. Tämä opinnäytetyö tutki menetelmiä ulkoisen veden tunnistamiseksi ja kvantifioimiseksi jätevesiverkostossa analysoimalla hapen (δ18O) ja vedyn (δ2H) stabiileja isotooppeja, sähkönjohtavuutta (EC), kemiallista hapenkulutusta (COD), sameutta ja lämpötilaa valitussa verkostopisteessä. Tutkimus vahvisti stabiilien isotooppien menetelmää pohjaveden infiltraation määrittämiseksi. Pintavalunta ja infiltraatio (I&I) arvioitiin valituilla 24 tunnin jaksoilla maaliskuussa, huhtikuussa, toukokuussa ja syyskuussa sekä matalien ja korkeiden pohjavesitasojen aikana, kuivissa ja sateisissa sääolosuhteissa. Kuivalla säällä jäteveden ja pohjaveden osuus kokonaisvirtaamasta analysoitiin käyttämällä hapen isotooppeja, sähkönjohtavuutta, kemiallista hapenkulutusta, sameutta ja jatkuvaa lämpötilan seurantaa. Seurantaa tarkennettiin tutkitun verkoston hydraulisen ja lämpötilaprofiilin mallinnuksella. Sateisella kaudella jäteveden, pohjaveden ja pintavalunnan osuudet arvioitiin käyttämällä merkkiainepareja. Tutkimusta laajennettiin ajallisesti ja paikallisesti kattavaksi analyysiksi I&I:n arviointiin kaupunkitasolla, joka kattoi 50 näytepistettä sekä jätevedenpuhdistamon. Kaiken kaikkiaan ulkoisen veden osuus vaihteli sekä ajallisesti että paikallisesti, johon vaikutti niin maankäyttö, geologiset olosuhteet ja kausivaihtelut. Lisäksi juomaveden lähde määritti käytettäviä laadullisia muuttujia. Tämän tutkimuksen avulla voidaan parantaa jätevesiverkostojen hallinnointia ja ylläpitoa. Työ auttaa kehittämään kohdennetumpia ja tehokkaampia strategioita I&I:n tunnistamiseksi ja vähentämiseksi jätevesijärjestelmien toiminnan ylläpitämiseksi.

<div lang="en" class="abs"> <p class="abs_header">Original papers</p> <ol type="I"> <li> <p>Heiderscheidt, E., Tesfamariam, A., Marttila, H., Postila, H., Zilio, S., &amp; Rossi, P. M. (2022). Stable water isotopes as a tool for assessing groundwater infiltration in sewage networks in cold climate conditions. Journal of Environmental Management, 302, 114107. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.114107 <a href="https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.114107">https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.114107</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021122262970">Self-archived version</a></p> </li> <li> <p>Tesfamariam, A. T., Heiderscheidt, E., Sunela, M., Pitk&auml;nen, A., Rantala, L., &amp; Rossi, P. M. (2024). The estimation of infiltration and inflow in a sewage network by combining continuous monitoring of hydrological parameters, flow and temperature with stable isotopes of oxygen and hydrogen. Water Research, 255, 121505. https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121505 <a href="https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121505">https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121505</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202404152710">Self-archived version</a></p> </li> <li> <p>Tesfamariam, A. T., Heiderscheidt, E., &amp; Rossi, P. M. (2025). Spatiotemporal quantification of inflow and infiltration through a multi-parametric analysis of wastewater characteristics. Manuscript in preparation. </p> </li> </ol> </div>

<div lang="fi" class="abs"> <p class="abs_header">Osajulkaisut</p> <ol type="I"> <li> <p>Heiderscheidt, E., Tesfamariam, A., Marttila, H., Postila, H., Zilio, S., &amp; Rossi, P. M. (2022). Stable water isotopes as a tool for assessing groundwater infiltration in sewage networks in cold climate conditions. Journal of Environmental Management, 302, 114107. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.114107 <a href="https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.114107">https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.114107</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021122262970">Rinnakkaistallennettu versio</a></p> </li> <li> <p>Tesfamariam, A. T., Heiderscheidt, E., Sunela, M., Pitk&auml;nen, A., Rantala, L., &amp; Rossi, P. M. (2024). The estimation of infiltration and inflow in a sewage network by combining continuous monitoring of hydrological parameters, flow and temperature with stable isotopes of oxygen and hydrogen. Water Research, 255, 121505. https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121505 <a href="https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121505">https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121505</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202404152710">Rinnakkaistallennettu versio</a></p> </li> <li> <p>Tesfamariam, A. T., Heiderscheidt, E., &amp; Rossi, P. M. (2025). Spatiotemporal quantification of inflow and infiltration through a multi-parametric analysis of wastewater characteristics. Manuscript in preparation. </p> </li> </ol> </div>