Método de transporte de aguas residuales desde su fuente hasta una planta de tratamiento de aguas residuales.
Esquema de un sistema de alcantarillado por vacíoUn inodoro de vacío en la rotonda de Lau Fau Shan en Hong KongUn sistema de alcantarillado por vacío portátil en la parte inferior de un vagón de tren, que sirve al inodoro y al lavabo de vacío dentro del tren.
Las primeras alcantarillas de vacío se instalaron en Europa en 1882. El ingeniero holandés Charles Liernur aplicó por primera vez el drenaje de presión negativa a las alcantarillas en la segunda mitad del siglo XIX. [2] [ fuente no primaria necesaria ] Las implementaciones técnicas de los sistemas de alcantarillado por vacío comenzaron en 1959 en Suecia. [ cita requerida ]
Históricamente, las alcantarillas de vacío han sido un producto de nicho , utilizado solo en trenes , aviones y áreas planas con suelos arenosos y niveles freáticos altos . Las alcantarillas de gravedad se utilizaron para la mayoría de las aplicaciones, porque aunque las alcantarillas de vacío eran más baratas de instalar, eran más caras de mantener. En el siglo XX, la tecnología de alcantarillado de vacío ha mejorado significativamente: los sensores de localización de fallas han reducido los costos de operación y mantenimiento , y algunos operadores ahora consideran que las alcantarillas de vacío pueden ser más baratas de operar que las alcantarillas de gravedad convencionales. [3]
Elementos básicos
Los componentes principales de un sistema de alcantarillado por vacío son cámaras de recolección y partes de válvulas de vacío, alcantarillas, una estación de vacío central y componentes de monitoreo y control.
Algunos sistemas de vacío tienen inodoros de vacío que están conectados directamente a una línea de vacío, lo que requiere menos agua para la descarga (menos de un cuarto de litro por descarga). [4] Otros utilizan el drenaje por gravedad estándar para la primera fase de recolección; las aguas residuales fluyen por gravedad desde cada casa, como en un sistema estándar. Se descargan en un sumidero de recolección que puede recoger las aguas residuales de 2 a 6 casas y está ubicado en un área pública.
La tecnología de vacío se basa en la presión diferencial del aire. Las bombas de vacío de paletas rotativas generan una presión de funcionamiento de -0,4 a -0,6 bar en la estación de vacío, que es además el único elemento del sistema de alcantarillado por vacío que debe recibir suministro eléctrico.
En el interior de las cámaras de recogida se instalan válvulas de interfaz que funcionan neumáticamente. Una vez que se alcanza un determinado nivel de llenado en el interior de este sumidero, la válvula de interfaz se abre. El impulso para abrir la válvula se transmite mediante una unidad de control controlada mecánicamente neumáticamente. No se necesita electricidad para abrir o cerrar la válvula. La energía la proporciona el propio vacío.
Una estación de vacío para una residencia de estudiantes en Noruega , que proporciona succión para todos los inodoros de vacío del dormitorio.
Mientras la válvula está abierta, la presión diferencial resultante entre la atmósfera y el vacío se convierte en la fuerza motriz y transporta las aguas residuales y el aire hacia la estación de vacío. Además de estas cámaras de recolección, no son necesarios otros pozos de registro, ni para cambios de dirección, ni para inspección o conexión de ramales. Las altas velocidades de flujo mantienen el sistema libre de obstrucciones y sedimentaciones.
Los sistemas de gran tamaño con numerosas cámaras colectoras se benefician de la provisión de un sistema de monitoreo para el monitoreo remoto de las válvulas de vacío y los pozos colectores. Dichos sistemas permiten una resolución de problemas mucho más rápida y un mantenimiento preventivo más sencillo de las cámaras colectoras y las válvulas. Sin embargo, los sistemas de monitoreo son sistemas opcionales y no son necesarios para el funcionamiento de los sistemas de alcantarillado por vacío.
Estación de vacío en Hooper, Utah
Los sistemas de alcantarillado por vacío se consideran libres de infiltraciones y explosiones, lo que permite su uso incluso en áreas protegidas del agua. Por este motivo, las líneas de alcantarillado por vacío pueden incluso tenderse en la misma zanja que las líneas de agua potable (según las directrices locales).
Para garantizar un transporte fiable, la línea de alcantarillado por vacío se coloca en un perfil de dientes de sierra (longitudinal). [5] Todas las alcantarillas por vacío se llenan de aire a una presión de -0,4 a -0,6 bar. El aspecto más importante para un funcionamiento fiable es la relación aire-líquido. Cuando un sistema está bien diseñado, las alcantarillas contienen solo cantidades muy pequeñas de aguas residuales. La relación aire-líquido normalmente se mantiene mediante la recolección simultánea de líquido y aire o unidades de control que ajustan sus tiempos de apertura según la presión en el sistema.
Las alcantarillas se pueden colocar en terrenos planos y algunas partes pueden fluir cuesta arriba (dentro de ciertos límites). Un perfil en dientes de sierra mantiene las líneas de alcantarillado poco profundas; [5] en climas libres de heladas, la profundidad de la zanja puede ser de aproximadamente 1,0 a 1,2 m. Por el contrario, las alcantarillas por gravedad necesitan una pendiente descendente monótona de al menos 0,5 a 1,0%, lo que puede significar que se necesitan zanjas costosas y estaciones de bombeo.
Una vez que las aguas residuales llegan al tanque de recolección de vacío en la estación de vacío, se bombean hasta el punto de descarga, que puede ser un alcantarillado por gravedad o la estación de tratamiento. Como el tiempo de permanencia de las aguas residuales dentro del sistema es muy corto y se mezclan continuamente con aire, las aguas residuales se mantienen frescas y se evita cualquier ensuciamiento dentro del sistema (menos H2S ) .
Ventajas
Interrupción mínima de las alcantarillas de vacío
Sistema cerrado, controlado mecánicamente y neumático con una estación de aspiración central. La energía eléctrica solo se necesita en esta estación central.
Sin sedimentación gracias a las altas velocidades de autolimpieza.
No es necesario enrollar ni realizar mantenimiento a las líneas de alcantarillado.
No se requieren pozos de registro
Por lo general, se necesita una única estación de bombeo de vacío en lugar de las múltiples estaciones que se encuentran en las redes de gravedad y baja presión. Esto libera terreno, reduce los costos de energía y reduce los costos operativos.
Los costos de inversión se pueden reducir hasta en un 50% debido a la simple excavación de zanjas a poca profundidad, cerca de la superficie
Las tuberías flexibles permiten superar o superar obstáculos.
tiempo de instalación reducido
Tuberías de alcantarillado de diámetro pequeño de materiales HDPE, PVC; ahorro de costos de material
Aireación de las aguas residuales, se puede evitar una menor formación de H2S , con sus peligros para los trabajadores y los habitantes, así como la corrosión de las tuberías; las aguas residuales se mantienen frescas.
Sin olores a lo largo de las alcantarillas de vacío cerradas
No hay fugas de aguas residuales (el vacío evita la exfiltración), lo que no solo es un beneficio ecológico y de salud pública, sino que también hace que las reparaciones de las tuberías sean más fáciles y más higiénicas para los trabajadores de reparación [6].
Las alcantarillas pueden colocarse en la misma zanja que otras tuberías principales, también con agua potable o aguas pluviales, así como en áreas de protección del agua.
Menor costo de mantenimiento a largo plazo debido a zanjas poco profundas y fácil identificación de problemas [7]
En combinación con los inodoros de vacío, se crean corrientes de desechos concentradas, lo que hace posible utilizar diferentes técnicas de tratamiento de aguas residuales, como el tratamiento anaeróbico.
Desventajas
Señal que indica una alcantarilla de vacío enterrada en Alemania .
Los sistemas de vacío no son capaces de transportar aguas residuales a distancias muy largas, pero pueden bombearlas largas distancias desde la estación de vacío hasta la siguiente planta de tratamiento de aguas residuales o el alcantarillado de gravedad principal.
Los sistemas de alcantarillado por vacío solo son capaces de recolectar aguas residuales dentro de un sistema separado (no para la recolección de aguas pluviales)
Las líneas sólo pueden alcanzar una longitud máxima de 3-4 km si se colocan en una zona plana (restricciones del sistema debido a pérdidas de carga (3-4,5 m) (fricción y estática))
Los sistemas deben diseñarse con la ayuda de un fabricante experimentado (los conceptos suelen ser gratuitos)
Se requiere energía externa en la estación de vacío central; se necesita una fuente de alimentación de emergencia, como un generador de respaldo, en caso de cortes de energía. [8]
Pueden producirse olores cerca de la estación de vacío, puede ser necesario un biofiltro
La integridad de las uniones de las tuberías es primordial
La grasa puede obstruir el tubo del sensor (si se configura incorrectamente), por lo que se requiere una limpieza de mantenimiento preventiva.
Las válvulas de vacío pueden quedarse atascadas en posición abierta, lo que provoca caídas de presión en todo el sistema. Sin embargo, un sistema de monitoreo puede ayudar a identificar válvulas atascadas en posición abierta de inmediato.
Aplicaciones
Los sistemas de alcantarillado por vacío pueden ser el sistema preferido en el caso de circunstancias particulares, tales como:
Transporte
Inodoro con vacío en un tren
Los trenes, aviones, autobuses y muchos barcos con tuberías suelen tener sistemas de vacío con inodoros de vacío. El menor consumo de agua (menos de un cuarto de litro por descarga) [4] ahorra peso y evita que el agua se derrame fuera de la taza del inodoro en movimiento. [9] Los inodoros de los aviones pueden descargarse con una solución desinfectante azul en lugar de agua. [4] Se utiliza una cámara de recolección portátil; si se llena desde una cámara de vacío intermedia, no es necesario mantenerla al vacío. [10] [ se necesita una mejor fuente ]
Zonas secas
La falta de agua en muchos países y las drásticas medidas de ahorro de agua han provocado problemas con las redes de gravedad envejecidas, con sólidos que se atascan en las tuberías. Los sistemas de vacío ahorran agua.
Terreno pantanoso, rocoso o con permafrost
Los terrenos llanos , los suelos desfavorables (rocosos o pantanosos) o un nivel freático alto (que requiere zanjas de desagote) pueden hacer que los sistemas de alcantarillado por gravedad sean mucho más costosos. Los alcantarillados por vacío tienen un diámetro pequeño y filtran hacia el interior, y en áreas libres de heladas, se pueden colocar cerca de la superficie en zanjas pequeñas.
Áreas de protección del agua, uso ambiental
Los alcantarillados de vacío pueden atravesar áreas de protección hídrica y áreas con niveles freáticos altos y sensibles, porque no hay peligro de dañar los recursos hídricos subterráneos (los alcantarillados de vacío tienen una alta estanqueidad debido a su material; y si gotean, lo hacen hacia el interior). Los sistemas de vacío se utilizan en muchas áreas ambientalmente sensibles, como el Couran Cove Eco Resort cerca de la Barrera de Coral en Australia. También se han utilizado para reemplazar fosas sépticas para reducir los niveles de nitrógeno en las aguas subterráneas y superficiales. [11]
También se han aplicado sistemas de vacío para recoger aguas residuales tóxicas del medio ambiente.
Climas estacionalmente bajo cero
Si las temperaturas de una zona descienden por debajo del punto de congelación en invierno, la línea de vacío se entierra por debajo de la línea de congelación , en un suelo que permanece sin congelar durante todo el año (como las alcantarillas de gravedad convencionales). Las válvulas, los pozos de recolección, los respiraderos de entrada y los sistemas de control deben diseñarse para seguir funcionando a pesar del frío, la nieve y el hielo. Los sensores de monitoreo de temperatura también son estándar, por lo que los problemas se pueden detectar a tiempo.
En el caso de Plum Island (Massachusetts) , la isla era propensa a temperaturas bajo cero y a nevadas excesivas que al principio dificultaban la localización de un problema potencial. Los cambios en la configuración del pozo y el control en el pozo de válvulas han ayudado con el mantenimiento.
Muchos países nórdicos utilizan alcantarillas de vacío, es útil tener algún tipo de marcador o monitoreo para localizar las válvulas cuando están enterradas bajo la nieve durante períodos prolongados.
Densidad de población baja o estacional
Con densidades de población más bajas, los costos de las cámaras de recolección y estaciones de vacío son menos importantes que los costos de instalación de tuberías y, para alcantarillas por gravedad, estaciones de bombeo, etc. Las tuberías neumáticas son generalmente más pequeñas que las hidráulicas drenadas por gravedad [ cita requerida ] En climas libres de heladas, las tuberías para un sistema de vacío también se pueden enterrar menos profundamente que las de un sistema por gravedad.
Las longitudes de conducto específicas elevadas, donde la longitud de tubería requerida es mayor a ~4 metros por habitante [ cita requerida ] , tenderán a hacer que el sistema de vacío sea más barato.
En los asentamientos estacionales (áreas de recreación, sitios de campamento, etc.) con sistemas de alcantarillado por gravedad convencionales, pueden surgir fácilmente problemas de sedimentación, ya que no se realiza la limpieza automática con aguas residuales diarias. Las altas velocidades de flujo dentro de las alcantarillas de vacío evitan estos problemas de sedimentación. Las pistas de carreras de Fórmula 1 en Shanghái y Abu Dhabi están utilizando un sistema de alcantarillado por vacío por ese motivo. [ cita requerida ]
Sitios históricos
Una carretera secundaria en Flavigny-sur-Ozerain donde sería difícil instalar un alcantarillado por gravedad convencional
Los sitios históricos pueden tener edificios antiguos, calles estrechas y terrenos empinados. El turismo también puede causar fuertes fluctuaciones estacionales en la densidad de población. Los sistemas de alcantarillado por vacío pueden seleccionarse por su instalación rápida (evitando conflictos con el tráfico y el turismo), rentable y flexible. Algunos ejemplos incluyen Flavigny-sur-Ozerain , Francia , y Khasab y Al Seeb en Omán .
Tratamiento
Los sistemas de alcantarillado por vacío se pueden configurar de modo que recojan únicamente las aguas negras concentradas (aguas residuales de los inodoros), mientras que las aguas grises de los lavabos y los baños se recogen por separado (es mucho más fácil tratar las aguas grises que las negras). No es necesario diluir los biosólidos de un sistema de vacío con el agua de descarga.
Los sistemas de alcantarillado generalmente compostan de forma termófila los biosólidos que han sido separados y deshidratados de un alcantarillado por gravedad estándar. [12] [13] Este proceso es más simple si los biosólidos nunca se riegan.
El compostaje a altas temperaturas mata los patógenos y las semillas. [13] [14] El compost de biosólidos debe ser elaborado a altas temperaturas. [15]
Las aguas residuales también pueden tratarse mediante un proceso anaeróbico con producción de biogás . Este diseño tiene el potencial de aumentar la sostenibilidad de las infraestructuras hídricas. [16]
Selawik renovó su sistema de alcantarillado por vacío en 2014, ahorrando más de 217.000 dólares al año en costos de energía. [17]
Regiones áridas
Especialmente en el Medio Oriente (Emiratos Árabes Unidos, Qatar, Bahréin, Omán), los sistemas de alcantarillado por vacío se vuelven cada vez más importantes debido a su fácil y rápida instalación junto con los efectos de ahorro de agua y la facilidad de mantenimiento.
Palm Island Jumeirah , situada en la costa de la ciudad de Dubái, Emiratos Árabes Unidos, tiene un terreno bajo y llano, con un nivel freático alto, una zona de protección del agua, una necesidad de conservación de agua dulce y una baja densidad de población. Por ello, ha instalado un sistema de alcantarillado por vacío. Aproximadamente 23.000 personas (o 2.000 edificios) estarán conectadas a este sistema de alcantarillado por vacío. El sistema tiene solo una estación de vacío central que da servicio a 40 km de línea de alcantarillado. La estación de vacío se considera la estación de vacío más grande del mundo. [1] [ fuente no primaria necesaria ]
La ciudad ecológica de Masdar , en los Emiratos Árabes Unidos, también utiliza un sistema de alcantarillado por vacío para separar las aguas grises de las negras.
En los últimos tiempos, los sistemas de alcantarillado por vacío también se han vuelto populares en proyectos industriales y comerciales, donde se generan pocas aguas residuales domésticas y donde la flexibilidad de un sistema de alcantarillado por vacío permite una fácil coordinación con otros servicios subterráneos. Se pueden encontrar buenos ejemplos en Oriente Medio, como algunas pequeñas áreas industriales en el Emirato de Ras al Khaimah o la recién construida planta de aluminio Qatalum en Qatar, la planta de aluminio primario más grande del mundo.
Los sistemas de alcantarillado por vacío no sólo se utilizan en Europa o Oriente Medio, sino también en países del tercer mundo poco desarrollados. Ya se han construido o están en construcción varios sistemas de alcantarillado por vacío en África (Sudáfrica, Botsuana, Namibia) para municipios y zonas rurales donde se han aprovechado al máximo los beneficios de un tiempo de construcción rápido, zanjas económicas y una gran flexibilidad.
Australia ha sido uno de los mayores usuarios de sistemas de alcantarillado por vacío debido a los bajos costos de instalación y operación. El sistema más grande hasta la fecha ha sido el del desarrollo Tea Gardens en Nueva Gales del Sur, que en última instancia se ocupará de más de 4.500 casas. La Water Corporation en Australia Occidental se considera el mayor propietario individual de sistemas de vacío en el mundo, con más de 30 proyectos bajo su control operativo.
Áreas de nivel freático alto
El Reino Unido cuenta con un buen servicio de alcantarillado por vacío. La región más extensamente atendida es la de las tierras bajas del este de Inglaterra. Los niveles freáticos elevados (en algunos casos a menos de un metro por debajo de la superficie) y las malas condiciones del suelo han hecho que la compañía local de agua, Anglian Water, haya adoptado el uso del alcantarillado por vacío, aprovechando la necesidad del sistema de tuberías de alcantarillado de pequeño diámetro colocadas en zanjas poco profundas, lo que reduce drásticamente la necesidad de estaciones de bombeo, como sería el caso de los sistemas de alcantarillado por gravedad convencionales. El mayor sistema de alcantarillado por vacío de esta región sirve a los pueblos de Outwell y Upwell; cuatro estaciones de recolección por vacío sirven a unas 1500 casas en esta aglomeración. Según los costos iniciales de un alcantarillado por gravedad convencional para servir a la zona, que anteriormente estaba servida por fosas sépticas domésticas, el sitio habría requerido la instalación de 32 estaciones de bombeo. Usando un sistema de alcantarillado por vacío, este número de estaciones de bombeo se redujo a cuatro estaciones de vacío. Otras compañías en el Reino Unido, como Southern Water, también operan sistemas de alcantarillado por vacío.
La ciudad de Ocean Shores, Washington, es un buen ejemplo de la fiabilidad y resistencia de su alcantarillado por vacío. El sistema de vacío de la ciudad es uno de los más grandes del mundo y también es maduro; la mayoría de sus componentes tienen más de 20 años y deben funcionar en un entorno operativo exigente junto con los sistemas de alcantarillado por gravedad y bombas trituradoras. [19]
El condado de Sarasota, Florida [20] y otras localidades de Florida han adoptado sistemas de vacío, en algunos casos como medida antieutrofización . [ 21]
La ciudad de Carnation, Washington [22] está desarrollando un sistema de recolección que incorpora alcantarillas al vacío.
En Maldivas se pueden encontrar buenos ejemplos: el proyecto WATSAN de UNICEF y la ONU tras el tsunami, en el que en varias islas los sistemas de alcantarillado por vacío han sido la mejor opción. Ya se han llevado a cabo otros proyectos, principalmente para complejos turísticos, en Maldivas.
Provincetown, Massachusetts, Estados Unidos
Zonas con heladas estacionales
La instalación más grande de Europa (varias estaciones de vacío) se encuentra en Gerasdorf (cerca de Viena), Austria, donde muchos de los beneficios de un sistema de alcantarillado por vacío ayudaron a superar las difíciles condiciones de esta zona montañosa. [ cita requerida ]
^ ab "Sistema de alcantarillado por vacío - Palm Jumeirah, Dubai" (PDF) , sswm.info , Corodex Electromechanic
^ Liernur, CT, "Sistema de alcantarillado neumático" (PDF) , sewerhistory.org
^ Véase (Gibbs 2016): "'Cuando hicimos el estudio del proyecto piloto en 1993, calculamos que la comparación de la estimación del valor actual de las alcantarillas de vacío y las alcantarillas por gravedad se cruzarían en 20 años', señala. 'En ese momento, predijimos que las alcantarillas de vacío serían más caras debido al mantenimiento y conservación. Esto se basó principalmente en los datos conocidos en ese momento. Han pasado 23 años y todavía estamos lejos de ver los costos de operación y mantenimiento que se estimaron originalmente', continúa Beach. 'No hemos cruzado la línea del valor actual y probablemente pasarán otros 10 años antes de que estas líneas se crucen'".
^ abc Cromwell, Bob. "Baños de avión". toilet-guru.com . Baños del mundo.
^ ab Ver (Gibbs 2015): "'Una de las cosas interesantes que aprendí sobre las alcantarillas de vacío es que funcionan con la ayuda de la gravedad', señala Garri. 'Las líneas de recolección tienen un perfil de dientes de sierra. La presión de vacío en las líneas ayuda a la gravedad a mover los lodos de aguas residuales hasta la planta de tratamiento. Este tipo de diseño innovador permite que las tuberías principales de alcantarillado de vacío se instalen a una profundidad mucho menor que las alcantarillas de gravedad'".
^ Ver (Gibbs 2016): "Las fugas en una tubería principal o lateral de vacío también son raras... 'Esa es una de las cosas que apreciamos de las alcantarillas de vacío; si hay una fuga en la línea, la presión de vacío succiona todo lo que está alrededor del orificio en lugar de que las aguas residuales se derramen al medio ambiente', señala Read. 'No tenemos que hacer una reparación de la línea parados en las aguas residuales'".
^ Ver (Gibbs 2016): "Read dijo que su equipo puede detectar la ubicación de pequeñas fugas al observar los datos de diagnóstico en la estación de vacío para determinar el área específica y luego escuchar el sonido de succión del aire que ingresa... 'Normalmente podemos localizar una fuga en menos de 30 minutos. Si no puede encontrarla en 30 minutos, debe ser un orificio muy pequeño'... La reparación de la línea de alcantarillado por vacío generalmente es rápida y fácil, porque las líneas de recolección están enterradas a solo 3 a 4 pies de profundidad. Por lo general, una pequeña retroexcavadora es todo lo que se necesita para excavar una tubería con fugas".
^ Ver (Gibbs 2015): "Señala que las estaciones de vacío tienen generadores de emergencia que se activan cuando se corta la energía".
^ "¿Cómo funciona el baño en un avión comercial?". howstuffworks.com . HowStuffWorks. 1 de abril de 2000.
^ "Inodoro con sistema de vacío para autobuses EVAC". evac-train.com . Evac GmbH.
^ Véase (Gibbs 2015): "Un paso importante en el esfuerzo de restauración de Kings Bay fue la instalación de un sistema de alcantarillado por vacío en dos fases. El objetivo del proyecto era eliminar de la zona casi 600 fosas sépticas antiguas que contaminaban las aguas subterráneas y contribuían a la acumulación de nitrógeno en la bahía".
^ ab Turovskiy, Izrail S.; Westbrook, Jeffrey D. (1 de octubre de 2002). "Avances recientes en el compostaje de lodos de aguas residuales". www.wwdmag.com . Water & Wastes Digest.
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^ Herbst, Heinrich (noviembre de 2009), Ökonomische Bewertung von Abwasserinfrastruktursystemen (PDF) (en alemán)
^ Véase (Gibbs 2016): "La ciudad de Ocean Shores, Washington, ofrece un caso de prueba valioso para la confiabilidad y resistencia del alcantarillado por vacío. El sistema de vacío de la ciudad es uno de los más grandes del mundo y también es maduro; la mayoría de sus componentes tienen más de 20 años y deben funcionar en un entorno operativo desafiante. Lo que hace que Ocean Shores sea aún más valioso como estudio comparativo de sistemas de alcantarillado es que también tiene sistemas de alcantarillado por gravedad y bombas trituradoras que mantener".
^ "PCS: Construcción de alcantarillado por vacío". scgov.net . Condado de Sarasota. 13 de octubre de 2007. Archivado desde el original el 13 de octubre de 2007.
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Obras citadas
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Gibbs, Steve (30 de septiembre de 2015). "Crystal River trabaja para salvar a los manatíes y la economía local". answeredinfrastructure.com . Informed Infrastructure.
Gibbs, Steve (18 de octubre de 2016). "Mantener limpias las costas oceánicas: una ciudad costera depende de alcantarillas de vacío". answeredinfrastructure.com . Informed Infrastructure.
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