88
FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR GRENZFLÄCHEN- UND BIOVERFAHRENSTECHNIK IGB Guideline: Vacuum sewer systems

FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR GRENZFLÄCHEN- UND ... · storm water. The term vacuum sewer system has been widely used for simplification reasons and marketing purposes. However, technically

  • Upload
    others

  • View
    6

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

FRAUNHOFER- INSTITUT FÜR GRENZFLÄCHEN- UND B IOVERFAHRENSTECHNIK IGB

Guideline: Vacuum sewer systems

Guideline: Vacuum sewer systems

December 2016

Dr.-Ing. Marius Mohr, Jan Iden, Marc Beckett

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB Nobelstraße 12 70569 Stuttgart

Fraunhofer IGB Vacuum sewer system GIZ GmbH I | IV

Content

1   Introduction ........................................................................................................... 1 

2   Technology of vacuum sewer systems ................................................................ 4 2.1  Concept ................................................................................................................... 4 2.2  Components and their tasks..................................................................................... 5 2.3.  Manufacturers / System providers .......................................................................... 21 

3.  Investment costs ................................................................................................. 25 

4.  Operation and Maintenance costs ..................................................................... 29 4.1.  Electricity costs ....................................................................................................... 30 4.2.  Personnel cost ........................................................................................................ 31 4.3.  Material cost .......................................................................................................... 33 4.4.  Other costs ............................................................................................................ 34 

5.  Durability (life span/life cycle) ........................................................................... 35 

6.  Operational and maintenance skills required .................................................. 38 6.1.  Normal and preventive maintenance ...................................................................... 38 6.2.  Emergency maintenance ........................................................................................ 41 6.3.  Record keeping ...................................................................................................... 42 6.4.  O&M manual ......................................................................................................... 44 6.5.  Spare parts ............................................................................................................. 45 6.6.  Summary................................................................................................................ 45 

7.  User friendliness .................................................................................................. 46 

8.  Cases for application ........................................................................................... 49 

9.  Reference projects ............................................................................................... 50 

10  Vacuum sewers as part of an integrated water management concept ......... 54 

11.  Critical issues for building and operating a vacuum sewer system ............... 61 11.1.  Pros and Cons ........................................................................................................ 61 11.2.  Critical features ...................................................................................................... 62 11.2.1.  General .................................................................................................................. 62 11.2.2.  Collection pits ........................................................................................................ 63 11.2.3.  Interface valve ........................................................................................................ 64 11.2.4.  Vacuum lines / network .......................................................................................... 64 11.2.5.  Vacuum station ...................................................................................................... 65 

12.  Summary & conclusion ....................................................................................... 67 

References ........................................................................................................................... 69 

Annex 1: ............................................................................................................................ 73 

Annex 2: ............................................................................................................................ 76 

Annex 3: ............................................................................................................................ 78 

Annex 4: ............................................................................................................................ 79 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer system GIZ GmbH II | IV

List of Figures 

Figure 1: Overview of a vacuum sewer system involving the vacuum valve unit at the valve pits, vacuum mains and the central vacuum station [8] 5 

Figure 2: Left: Schematic layout of a collection pit with vacuum valve ; Right: prefabricated collection pit . 6 

Figure 3: Vacuum valve [12] 8 

Figure 4: Valve pit with two interface valves to accommodate higher discharges [5]. 9 

Figure 5:Hierachy of pipes within a vacuum sewer system and the corresponding pipe diameters [5]. 10 

Figure 6: Saw-tooth profile of a vacuum sewer line [5] 11 

Figure 7: Filling material of excavation for a vacuum line. Trenching material in the top layer, followed by a layer of gravel and a liner which separates the gravel from the sand [7] 13 

Figure 8: Division valve with gauge tap at a vacuum main [5] 13 

Figure 9: Service lateral connection [1]. Note that the diameter of der service lateral is equal to the diameter of the interface valve (= 3 inch = 7.6 cm). Pipes should be joined at the upper part of the receiving pipe at an angle of 60° 15 

Figure 10: The vacuum station can be designed with high flexibility. Anything from prefabricated houses to underground stations which are integrated into the environment exists [12]. 16 

Figure 11: All vacuum pumps are connected to the same pipe. The pumps are setup in parallel. 17 

Figure 12: Layout of a vacuum station with the collection tank in the ground and the sewage pumps outside of the tank. The vacuum reservoir tank is integrated into the collection tank in most layouts[5, 14] 18 

Figure 13: Biofilter used for odour control from a vacuum tank. Right: woodchips are a common filling material [1] 19 

Figure 14:Vacuum station with external power connection for power supply in case of blackouts [12] 20 

Figure 15: Comparison of elements most susceptible to failure in different sewer systems; diagram based on [26] 47 

Figure 16: Reconditioning time for different sewer systems [26] 48 

Figure 17: Number of vacuum sewer projects implemented by ROEDIGER and AIRVAC (now Aqseptence Group) between 1973 and 2008 [28] 51 

Figure 18: Vacuum pipe installed in existing channels; the PE pipe is attached to the wall of the channel [46]. 54 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer system GIZ GmbH III | IV

Figure 19: Layout of the sanitation and reuse concept in Outapi, Namibia [39]. 56 

Figure 20: Schematic overview on how water management was designed in DEUS 21 with vacuum sewers being the selected technology for wastewater conveyance [40] 57 

Figure 21: Left: Garbage disposal unit in kitchen sink; Right: Vacuum toilet [1] 58 

Figure 22: Black water and grey water are separately collected in separate collection sumps within the same collection pit of the vacuum system [43] 59 

Figure 23: Vacuum station in Böblingen-Dagersheim 79 

Figure 24: Collection pit in Waldsee. Access is restricted due to construction of wooden terrace. Access to the collection pit should be kept clear. 79 

Figure 25: Vacuum tank placed in hedge in Waldsee. The components of the vacuum station have been integrated in the hedge instead of a building. 80 

Figure 26: Collection pit with vacuum valve in Walldorf. The collection pit is located on a drivable road made of concrete. Respective measures were implemented. 80 

Figure 27: Vacuum tank constructed underground at the vacuum station in Walldorf. The relevant pipe connections and sensor provisions are located at the top of the tank. 81 

Figure 28: Biofilter with additional aeration pipe at the vacuum station in Walldorf. Plants grow on the filter material. 81 

Figure 29: Vacuum tank at the vacuum station in Knittlingen. The wastewater pumps are placed outside the tank. 82 

 

   

Fraunhofer IGB Vacuum sewer system GIZ GmbH IV | IV

List of Tables 

Table 1: Pipe diameters and the relation to maximum flow per minute and maximum number of served households (data from [3]) 11 

Table 2: Approximate investment costs for selected components of vacuum sewers under conditions in Germany 26 

Table 3: Cost of PE and PVC-U pipes per meter for different diameters under German market conditions; note that material for PE is more expensive but the prices for PVC pipes include solvent welding (not included for PE) and are thus higher [18] 27 

Table 4: Costs which can vary significantly by region and affect the investment costs 28 

Table 5: Selected tasks and their approximate duration (values based on experiences in Germany and the USA) 32 

Table 6: Approximate material costs for selected components of vacuum sewers 34 

Table 7: Potential other costs related to O&M of vacuum sewers 35 

Table 8: Durability of major components of a vacuum sewer network [2, 10, 12, 12, 18, 23, 24] 36 

Table 9: Overview of normal and preventive maintenance tasks and their frequencies [21] 39 

Table 10: List of relevant O&M records [21] 43 

Table 11: List of O&M cost records 44 

Table 12: Typical information included in O&M manuals 44 

Table 13: Summary of advantages and disadvantages of vacuum sewers 61 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 1 | 82

Introduction 1

Introduction

When  talking  about  sewer  systems  most  people  think  of  gravity  based underground pipe networks which  transport wastewater  to  a wastewater treatment plant via a gradient. For a  long  time  these gravity  sewers have been  the most  common practice especially  in densely populated  areas  to transport wastewater. Often  these gravity based  sewer  systems also  form the drainage infrastructure and are therefore called combined sewers since they  convey wastewater  and  storm water. Nowadays, other  concepts  are emerging focussing on the separation of waste water and storm water. One interesting  option  is  the  vacuum  sewer  system  which  is  considered  an alternative  wastewater  collection  system  and  can  only  be  applied  in separate sewer concepts since the system is not suitable for the drainage of storm  water.  The  term  vacuum  sewer  system  has  been widely  used  for simplification  reasons  and  marketing  purposes.  However,  technically ‘vacuum’ is not the correct term since a vacuum is a void space free of any matter.  The  presented  sewer  system  operates  under  negative  pressure compared to the atmospheric pressure. Because the term ‘vacuum sewer’ is already established and common it will be used in this document. 

This document aims at providing a comprehensive guide to vacuum sewers. The  following  chapters  present  the  development  of  vacuum  sewers,  a detailed  description  of  its  key  components  and  their  requirements  for implementation, operation  and maintenance,  as well  as experiences  from real cases, cost estimates and the potential application  in  integrated water management concepts.  

The concept of using negative pressure for sewage transport is not new. The earliest  reports  of  vacuum  sewers  go  back  to  the  end  of  the  late  18th century  [1].  It  is  not  entirely  clear  who  can  be  named  the  inventor  of vacuum  sewers.  While  Adrain  LeMarquand  proposed  his  wastewater collection  by  barometric  depression  in  the  US  in  1888  [2],  the  Dutch engineer Charles Liernur presented his system in Europe at around the same time  [1]. Soon  it was  installed  to  cover wastewater  services  in  suburbs of Paris,  Amsterdam  and  Berlin  [3].  In  1892  in  Levallois‐Perret,  a  North‐Western  suburb  of  Paris,  the  vacuum  sewer  system  served  500  premises accommodating  around  15,000  inhabitants  [1].  But  despite  excellent experiences the system somehow got forgotten. It was not until 1959 when the  Swedish  engineer  Joel  Liljendahl  picked  up  the  technology  and developed new improvements which led to increased interest in the vacuum sewer technology and further developments[3].  

Since  the  1960s  vacuum  sewer  systems  have  again  gained  increased popularity.  One  of  the  driving  factors  for  this  is  the  comparative  cost 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 2 | 82

Introduction

advantage  that  alternative  sewer  systems  such  as  the  vacuum  sewer  can have over conventional gravity systems. In the USA the governments under the  lead  of  the  US  Environmental  Protection  Agency  (EPA)  created  a stimulating  environment  for  increased  use  of  vacuum  sewer  systems  by prioritizing  public  funding  for  vacuum  sewers  rather  than  conventional sewer  systems  [4]. Although  federal  support  in  this way of promotion has decreased  over  time  it  supported  the  initial  development  of  systems  and increased  operational  experiences  have  led  to  increased  knowledge  and acknowledgement  of  vacuum  sewer  systems  which  eventually  increased private  sector  involvement  and  increased  incorporation  in  engineering education  [5].  This  way  previous  obstacles,  such  as  local  legislation discouraging or even prohibiting any alternative sewage system, unrealistic, ultraconservative  cost  estimates  and  bad  experiences  from  misdesign, misinstallation  and mismanagement  could  be  overcome  [5].  However,  as vacuum sewers are still not generally included in engineering education and many  engineers  are  still  cautious  of  new  concepts  the  distribution  of vacuum sewer systems is still limited. 

Technological  advancements  and  increased  awareness  on  the  untapped potential of wastewater as a source of water, energy and nutrients has  led to  the  emerging  of  new  concepts. While  in  the  past most  sewer  systems were  designed  to  capture municipal  wastewater  as  well  as  storm  water modern concepts involve increased material flow separation.  

For  instance,  in Germany, changes  in  legislation result  in  increased  interest in biogas from municipal sludge and recovery of precious nutrients such as Phosphorous. Processes targeting these resources are more efficient when the  carbon and nutrient  load  is  concentrated. Advances  in  this  area were facilitated by the energy transition as well as a new  law which required all newly  developed  residential  areas  to  implement  separate  systems  for wastewater and storm water drainage in order to reduce the load for sewer systems during storm events  in order to reduce the discharge of untreated sewage into the environment.  

The aspects mentioned above, among others, have led to increased interest in alternative wastewater collection systems. The vacuum sewer system  is one of them.   

The  rapid  urbanization  in  Asia  brings  about  major  challenges  for  urban supply  and municipal  utilities  in  the  fields  of water  supply  and  sanitation systems, energy supply and energy efficiency, land use and food security. In this  context,  the  GIZ  (Deutsche  Gesellschaft  fuer  Internationale Zusammenarbeit) project “Integrated Resource Management in Asian Cities: the  Urban  Nexus”  gives  technical  advice  to  different  stakeholders  in  the cities on how to  integrate adapted technological solutions  into the existing state  of  development.  The  urban  nexus  project,  funded  by  the  German Federal Ministry  for  Economic  Cooperation  and  Development,  started  in 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 3 | 82

Introduction

April 2013. The second phase of the project started in 2016. This report has been  developed  in  the  context  of  this  project  and  shall  inform  decision makers and  technical experts  in cities about  the characteristics of vacuum sewer systems. 

 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 4 | 82

Technology of vacuum sewer

systems

2 Technology of vacuum sewer systems

2.1 Concept

A  vacuum  sewer  system  works  in  a  similar  way  as  water  distribution systems.  The  only  difference  is  the  direction  of  flow. While water  supply uses positive pressure to  ‘push’ the water from the treatment plant to the point of consumption, vacuum sewers use negative pressure  to  ‘draw’  the wastewater from the point of generation to the wastewater treatment plant [6, 6].  In contrast to conventional gravity flow or pressured sewer systems vacuum sewers  use  differential  air  pressure  to  transport  wastewater  which  is generated by vacuum pumps  located at  the vacuum  station, a  centralized unit  and  in most  designs  the  only  point  of  electricity  consumption.  The pumps  draw  in  atmospheric  air  through  specific  air  inlets  located  at  the wastewater collection points. The air inlets are attached to valve pits which form the point of collection for wastewater from the surrounding buildings. Besides the collection chamber (sump) for wastewater the valve pits contain the control units and the interface valves which form the interface between the negative pressure  in  the  system  and  the  atmospheric pressure  in  the valve pit. The valve is usually closed and opens after the control unit signals that a predetermined amount of sewage has accumulated in the sump. The pressure difference between the network and the valve pit causes the water to be sucked into the vacuum main where it is transported to the collection tank located at the central vacuum station. The drawn air expands under the negative pressure  conditions and drives  the  transport mechanism. On  the way  to  the  collection  tank  at  the  vacuum  station  the  transported wastewater  temporarily comes  to  rest at depressions within  the profile of the pipe network due to friction and weight forces. This way the wastewater is transported in frequent intervals until it reaches the collection tank at the vacuum  station which  contains  the  pumps  and  control  equipment.  From here  pumps,  usually  pressured  sewage  pumps,  forward  the  wastewater towards the wastewater treatment plant.  A layout of a typical vacuum sewer network is shown in Figure 1. 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 5 | 82

Technology of vacuum sewer

systems

 

Figure 1: Overview of a vacuum sewer system involving the vacuum valve unit at the valve pits, vacuum mains and the central vacuum station [7] 

2.2 Components and their tasks

Valve pits & collection chambers

The  valve  pits  are  located  at  the  first  point  of  sewage  collection.  For residential areas they are  located  in  immediate vicinity of the building that discharges  the wastewater. Different manufacturers of  the  vacuum  sewer system offer a series of setups for valve pits many of which can be supplied prefabricated  simply  requiring post‐excavation  installation  and  connection to the main line.  

Different  configurations  for  collection  pits  exist  and  can  be  selected according  to  the  local  conditions  and  preferences.  The  valve  pit  can compose of one single chamber  in which the  interface valve  is  in the same compartment  as  the wastewater. But  commonly  the pit  is  separated  into two  chambers.  The  valve  and  control  unit  is  housed  in  the  top  chamber while the  lower compartment contains the sump that receives the sewage from the house (see Figure 2). The evacuation cycle  is triggered when 35 – 60 L of wastewater have accumulated in the sump. The total holding volume should  represent  around  25%  of  the  average  daily  flow.  This  volume  can also include the useful volume in the gravity connection from the house [9]. The  installation of  flap valves prevents backlogging of wastewater  into the house.   

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 6 | 82

Technology of vacuum sewer

systems

For  buildings with  higher  discharge  quantities  buffer  tanks  can  be  placed between  the gravity  lateral and  the valve pit. This might apply  to  schools, industries or multi‐storey residential buildings. Buffer  tanks can control up to 25% of the daily flow [6]. Generally it is desirable to have many collection pits with  small  flow  inputs  rather  than  single,  large  flow  inputs, especially not  at  the  end  of  the  sewer  line  [4].  Collection  chambers  should  be distributed evenly along the sewer line and long distances without collection chambers should be avoided. 

The  installation  depth  of  the  collection  chamber  depends  on  the  house connection. The house connection  is a gravity  line connecting the house to the collection pit. The pit should be  located  in proximity to the discharging dwelling but routing of the house may require the pit to be located at some distance to the house. While in most cases the pit is located on the premises of the discharging building the pit can also be installed on public ground, for instance beneath a road or other sealed surfaces.  

Air  needs  a  way  to  enter  the  chamber  in  order  to  be  drawn  in  by  the differential  pressure  within  the  system.  Without  sufficient  air  the  valve would  not  function  properly.  There  are  two  types  of  breathers:  external (Figure 2) and in‐sump breathers [8].  

 

Noise  levels need to be taken  into account when designing and configuring the  collection  chamber  including  the  valve  unit. When  the  vacuum  valve opens  to  evacuate  the  accumulated  wastewater  the  suction  process  is accompanied  with  noise.  Usually,  no  extra  measures  are  necessary. 

Figure 2: Left: Schematic layout of a collection pit with vacuum valve ; Right: prefabricated collection pit .

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 7 | 82

Technology of vacuum sewer

systems

However, depending on the ground conditions, construction depth and the proximity  of  noise  reflecting  objects  (e.g.  buildings)  additional  noise reduction measures might be required.  

Most configurations for collection chambers and valve units do not contain any  electrical  equipment  or  wiring  since  the  emptying  mechanism  is triggered pneumatically. However, the pits can be equipped with monitoring installations  (e.g.  cycle  counters).  In  this  case,  the  valve  pit  must  be equipped  with  the  corresponding  provisions  [9].  Battery  powered monitoring systems do exist and can pose a viable alternative for monitoring valve functionality, opening frequency and troubleshooting.  

Multiple houses can be connected to a single chamber. While in theory this might  seem  viable  and  can  lead  to  cost‐savings  practice  has  shown  that other  obstacles  arise when  following  this  arrangement.  Potentially  longer runs  of  gravity  laterals  and  deeper  valve  pits  can  lead  to  increased construction costs  [5].  In addition,  local  legislation and the coordination of responsibilities  for  servicing  the  valve pits  can be  complicated.  Therefore, access must not be restricted by objects or any kind of construction and it is necessary to obtain land access permission from the landowner [5].  

Technical specifications: 

- Buffer  tanks  should  be  installed when  flow  rates  exceed  4 m³/h  (15 

GPM) per house connection [6] or more than 20  inhabitants discharge 

into the same vacuum pit. 

- House connections should be laid at a slope of 1:60 or steeper and the 

minimum pipe size of house connection is 100 mm [10]. 

- The house  connection  should be made of Polyvinyl Chloride  (PVC) or 

Polyethylene (PE) [8]. 

- Pit  evacuation  is  usually  triggered when  35‐60  L  of wastewater  have 

accumulated. 

- Noise  reduction  can be achieved by external aeration  installations  for 

the vacuum valve and by sound insulation attached to the cover / lid of 

the pit.  

- When  the  connection  of  multiple  houses  to  a  single  vacuum  pit  is 

desired the service  lines should be  introduced to the pit at an angle of 

90°  

- The  installation of a monitoring system  is advisable  in order  to  report 

clogging, valve defect  (remains open or  closed) or water  in  the pit  to 

the operator [1] 

- Storm water must not enter the collection pit;  lids or similar measures 

need to be provided. 

- Upwelling needs to be prevented after heavy rainfalls. 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 8 | 82

Technology of vacuum sewer

systems

- The  collection pit needs  to be made of  corrosion proof material  (e.g. 

polyethylene).  

- The inner surface of the chamber should be smooth to allow for a self‐

cleaning discharge [9].  

- Flap valves need to be installed to prevent backlogging.  

- Valve pits  in areas that are subject to flooding must be equipped with measures that allow aeration even when the valve pit is submerged. 

 

Interface Valve Unit

The  valve  unit,  located  in  the  valve  pit  forms  the  interface  between  the atmospheric  pressure  and  the  negative  pressure  of  the  system.  It  is  the determining component for the removal of wastewater from the collection chamber. During normal operation the valve is closed until a defined volume of wastewater has  accumulated  in  the  sump.  The  valve opens  and  closes pneumatically  (by  pressure)  in most  designs  but  electronically  controlled systems do also exist.  Air gets trapped in the sensor pipe and the pressure increases. Then the water  level sensor  in conjunction with the control unit signal the valve to open. The differential pressure between the system and the  atmosphere  then  propels  the  collected  sewage  into  the  vacuum  line towards the vacuum tank at the vacuum station. When the sump is emptied the air pressure  in the sensor pipe decreases and the  interface valve turns back to the closed position.  

 

Figure 3: Vacuum valve [11] 

Some manufacturers prefer the use of a floating sensor rather than a sensor pipe. When the water table  in the collection sump rises the floating device rises  as  well  and  at  a  certain  volume  it  triggers  the  valve’s  opening mechanism. 

The  interplay of valve, control unit and sensor pipe  is configured  in a way that  the valve  remains open  for  the duration of  the  removal of one batch 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 9 | 82

Technology of vacuum sewer

systems

volume  of wastewater.  This  includes  sufficient  time  to  simultaneously  or successively draw  in wastewater  and  air  in order  to  achieve  an  adequate air/liquid  ratio.  The  air/liquid  ratio  is  a  very  important  parameter  heavily affecting the efficiency and profitability of the system [11]. The valve can be adjusted according  to  the desired air/liquid ratios  to optimize  the removal process.  Air/liquid  ratio  depends  on  the  position  of  the  valve within  the network.  

In the event of power blackouts (e.g. at the vacuum station) or other system failures  the  valve  must  remain  closed  in  order  to  avoid  too  much wastewater within the vacuum mains, in case remaining system pressure is too low to transport the wastewater to the collection tank.   

Most  problems  affecting  vacuum  sewers  are  related  to  failures  in  the opening/closing mechanism of the valve. When the valve fails to open this may result in the accumulation of wastewater in the collection chamber and potentially backup into the building [12]. Thus, precautions need to be taken such as regular checks of the valves. On the contrary, when the valve fails to close  the whole  system has  reduced  vacuum which eventually affects  the performance of the entire system and increases the electricity consumption. 

The valves usually have a capacity to handle water from multiple homes or larger dischargers,  respectively. But  in  case of  large  flows buffer  tanks or configurations with multiple valves should be considered (see Figure 4) [7].   

  

Figure 4: Valve pit with two interface valves to accommodate higher discharges [4].

Technical specifications: 

‐  Valve size is usually around 2.5 to 3 inches (~6.5 to 7.6 cm) [5]. 

‐  Floating  sensors must  be  designed  in  a  way  that  pollution  from  the 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 10 | 82

Technology of vacuum sewer

systems

contact with wastewater does not affect the functionality of the sensor.   

‐  Air/ liquid ratio  varies between 3:1 – 15:1; the ratio is higher for valves 

located further away from the vacuum station [11].  

‐  All components that can come into contact with wastewater, such as the 

water  level  gauge  (sensor  pipe),  or  even  the  valve  itself,  must  be 

resistant against wastewater [9].  

‐  The  opening mechanism  should  be  enabled  if  local  pressure  is  below 

minus 0.15 bar [3, 9]; if the sump is more than 1 m below the valve the 

threshold should be set to minus 0.35 bar [3]. 

‐  If  flow‐rate exceeds 8.2 m³/h  (30 GPM) buffer  tanks or multiple valves 

should be considered [7]. 

 

Vacuum mains and pipe network

Like  for any other wastewater collection system  the vacuum mains  form a network of pipes  (see Figure 5)  in which  the wastewater  is  transported  to the central collection point.  

Figure 5:Hierachy of pipes within a vacuum sewer system and the corresponding pipe diameters [4].

The  layout of a vacuum sewer system  resembles a  tree‐like structure. The vacuum main, connected to the vacuum station,  is usually the  longest pipe with the largest diameter from which the smaller pipes divert into different branches to serve the valve pits. The diameter of the pipe is governed by its position within the network and the expected flow (see Figure 5).  

 

 

 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 11 | 82

Technology of vacuum sewer

systems

Table 1: Pipe diameters and the relation to maximum flow per minute and maximum number of served households (data from [2])

Pipe diameter   Max flow   Max number of houses served 

Inch  mm  GPM  L/min  # 

4  101.6  55  208  70 

6  152.4  150  577  260 

8  203.2  305  1.155  570 

10  254  545  2.063  1,050 

 The profile of the vacuum sewer  line  is a significant feature of the system. The most common profile is the saw‐tooth profile (Figure 6). The saw‐tooth profile  enables  to  overcome  heights  up  to  6m  in  flat  terrains  [13]  but simultaneously provides  sufficient  slope. This  small positive  slope  towards the vacuum station is maintained and when the main becomes too deep, so called  ‘lifts’  are  incorporated,  to  raise  the main  to  an  acceptable  depth. Multiple  small  lifts  are  recommended  over  few  large  ones  [4].  Lifts  are realised by using two 45° fittings joined by a piece of pipe. Lifts cause static losses and thus should be as small as possible. The total losses made up by friction and static losses govern the maximum length of the vacuum main.  

   Figure 6: Saw‐tooth profile of a vacuum sewer line [4] 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 12 | 82

Technology of vacuum sewer

systems

On its way to the collection tank the wastewater temporarily comes to rest in  the  depressions  of  the main  without  sealing  the  pipe.  This  results  in minimised  vacuum  loss  [8]  and  fast  vacuum  recovery. Wastewater within the vacuum sewer line is transported at high velocities (4.5 – 6 m/s) [4]. This is way higher than the required velocity for self‐cleaning which is estimated at 0.6‐0.9 m/s and ensures that the pipes are cleaned regularly and that the wastewater  is aerated sufficiently, preventing the formation of odours and gases which might lead to corrosion.  

When only black water is transported through a vacuum network the risk of precipitation and scaling through solids  is  increased  if the pipe diameter  is too large and the transport velocity is reduced [14]. 

Vacuum mains  are  usually made  from  PVC  or  PE.  PVC  pipes  are  usually cheaper, widely  available  but  break  down  easier. On  the  other  hand,  PE pipes  have  thicker walls  and  thus  are more  resistant  but  come  at  higher costs. The higher material costs are compensated by  lower labour  intensity and increased durability [5]. 

One characteristic of the vacuum sewer system is that the pipes can be laid in much lower depths than in conventional gravity sewers.  If soil conditions allow, the trenches can be excavated manually. This is particularly useful for areas where  heavy  excavation machines  are  unavailable  or  site  access  is restricted.  Usually  frost  conditions  of  the  areas  determine  the  depth  in which the vacuum main is laid. Typically the pipes are laid in depth of 90cm [13] in narrow open trenches. In colder regions (e.g. northern USA) they are often  laid  in depths of 1.2 – 1.5 m  [4]. However, other  factors  than  frost, such as high groundwater  tables, heavy  rains  that  can  lead  to  flooding or local soil properties might require installation at lower or higher depths.  

Obstacles, for example other infrastructure mains can also affect the routing of the vacuum mains. If vacuum mains are laid in the same trench as water supply lines it is advisable to lay them deeper than the water supply line in order to have an additional prevention against cross contamination [4]. But a great feature of the vacuum sewer system is its flexibility to go over, under or around obstacles, allowing for a high degree of flexibility when planning the  system  and  even when  discovering  the  obstacles  during  construction [4]. However, changes  in  routing might affect static  losses and need  to be considered  in  the  layout of  the  system. For  increased protection  the  lines are embedded in sand and protected by gravel (Figure 7).

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 13 | 82

Technology of vacuum sewer

systems

Figure 7: Filling material of excavation  for a vacuum  line. Trenching material  in the top layer, followed by a layer of gravel and a liner which separates the gravel from the sand [6] 

Division or  isolation valves  (Figure 8) allow  for the separation of  individual sections of the pipe network. They can facilitate the localisation of leakages in  the  network  and  are  used  to  isolate  individual  branches  for  test, maintenance  and  repair  activities.  This  way  other  branches  remain operational  while  selected  branches  can  be  taken  out  of  service.  This reduces the  impact an  intervention has on the overall system. Additionally, division  valves  can  also be used  to  separate  the  service  area  into  smaller sub‐areas  which  adds  additional  operational  flexibility  and  reduces  the required pipe diameter and thus costs.  

Figure 8: Division valve with gauge tap at a vacuum main [4] 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 14 | 82

Technology of vacuum sewer

systems

 Division valves use plug valves or gate valves with gate valves being more often used in modern systems. Division valves can be accompanied by gauge taps. Gauge  taps work  as  inspection  pipes  and  allow monitoring  of  local vacuum  conditions  without  having  to  check  the  vacuum  at  the  vacuum station [4]. This can greatly reduce emergency and maintenance expenses in terms of time and manpower.  While division valves and gauge taps can pose very useful installations some system  designers  claim  that  localisation  of  defective  components  can  be efficiently  achieved  without  them.  The  thought  behind  this  is  that  pipe leakage basically only occurs when  it  is being damaged during construction activities,  which  makes  the  localisation  obsolete.  Further,  detecting malfunctioning valves can also be achieved by monitoring equipment within the valve pit replacing the procedure of testing vacuum conditions along the main. However, the decision to install or not to install inspection pipes and gauge  taps  depends  on  the  technical  equipment  of  the  systems  and  the technical expertise and preference of the operator.  

Technical specifications: 

- A minimum slope of 0.2 % should be maintained.   - The minimum distance between two lifts should be 6 m.  - Maximum lift should not exceed 0.9 m [13, 15] - The lifts for saw‐tooth profiles are normally 0.2 ‐ 0.45 m high [6]. - Operating pressure is usually between ‐ 0.5  and  ‐ 0.6 bar 

- This results in 5.5m available head - ~1.5 m is required to open the interface valves - 4 m head remain for lifts during sewage transportation [2] - Remaining head must also account for friction losses (can be 

neglected if slope is > 2%) - Vacuum level is a function of the pipe diameter, line length, number of 

connections and the number of lifts in the system [4; 13] - Wastewater is transported at 4 – 6 m/s allowing for self‐cleaning of the 

pipes - Vacuum mains should be: 

- Resistant to chemical and biochemical influences that lead to corrosion 

- Resistant to mechanical wear - Functional at temperatures up to 35°C [3] and certified to operate 

under negative pressure conditions. - Made from  

PVC thermoplastic pipes of Class 200, SDR 21 or  

PE (MDPE, HDPE and ABS) [4]. - Connected with O‐ring rubber gaskets for improved PVC pipe 

durability (should be the selected over solvent welding). 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 15 | 82

Technology of vacuum sewer

systems

- When PE pipes are selected electronic welding is recommended for installing the fittings. 

- The angle at which the collection chamber outlet  joins the service  line should  be  55°  to  the  direction  of  flow  [3]  and  at  around  60°  to  the vertical axis of the main [9] to prevent backflow (Figure 9) 

- The service line should join the vacuum main at 45° to the direction of flow [3].   

 

- A  minimum  distance  of  2m  should  be  kept  between  the  point  of diversion or joining of pipes and a lift [9]. 

- Division valves should be placed  in  intervals of maximum 450 m along the  vacuum main  and  for  the  separation  of  lateral  lines  which  are longer than 200 m [4, 9].  

- Division  valves  should  be  corrosion‐proof  and  suitable  for  use  under vacuum conditions, as well as a negative pressure difference of 0.8 bar [3, 9].  

- Gauge taps (inspection pipes) need to provide for the insertion of manometers and plugs.  

- Gauge taps are placed every 100 m and before as well as behind division valves [3].  

- The location of both, division valves and gauge taps must be indicated by signs in order to be located by operational and construction personnel [3]. 

Vacuum station

The  heart  of  the  vacuum  sewer  system  is  the  vacuum  station.  The centrepiece  accommodates  the  technological  components  such  as  the vacuum and sewage pumps, control cabinets or electronic components for monitoring, data  logging and communication. Usually  it  is the only point of the system where electricity is needed. Various designs for vacuum stations 

Figure 9: Service lateral connection [1]. Note that the diameter of der service lateral is equal to the diameter of the interface valve (= 3 inch = 7.6 cm). Pipes should be joined at the upper part of the receiving pipe at an angle of 60°

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 16 | 82

Technology of vacuum sewer

systems

have been developed. The flexibility in the design allows adapting the layout to different surroundings (see Figure 10). As noise and odour emissions from the station can affect the people  living  in proximity of the station and thus impact on the acceptance of the vacuum system the site selection should be carried out carefully. The distance to other buildings should be considered, as well  as  the placement  at  the  lowest possible point of  the  service  area since this will affect the static losses and thus the economics of the system.  

Figure 10: The vacuum station can be designed with high flexibility. Anything from prefabricated houses to underground stations which are integrated into the environment exists [11].  

Container  based  stations  are  also  possible  and  can  serve  up  to  150 customers  [2].  In  some  cases  the  whole  station  is  even  located underground,  eliminating  the  need  for  surface  construction.  The  vacuum pumps are located at the station.  

The  vacuum  pumps  generate  the  differential  pressure  for  the  sewage transport mechanism (Figure 11). Operating pressure varies between ‐ 0.5 – ‐ 0.7 bar. Vacuum pumps do not  run continuously but  rather  in cycles  for short periods of around 3‐5 h/ day  in order  to maintain sufficient vacuum pressure  in  the  system.  Exact  pump  runtime  varies  for  each  system  and depends on vacuum  loss through valve pit evacuation or any kind of  leaks. However,  vacuum  pumps  should  be  able  to  run  continuously  to  ensure normal operations in the case of special events. The opening of the valves at the collection chambers results  in periodic pressure  loss. When the system pressure drops below a certain threshold (e.g. ‐0.5 bar) the vacuum pumps start running and restore operating pressure (e.g. ‐0.6 bar). 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 17 | 82

Technology of vacuum sewer

systems

Figure 11: All vacuum pumps are connected  to  the  same pipe. The pumps are  setup  in parallel. 

Commonly used  types of  vacuum pumps are either  sliding  vane or  liquid‐ring  pumps  with  the  sliding  vane  type  being  used more  often  in  newer vacuum sewer systems. Sliding vane pumps require oil cooling and regular oil  changes  to  maintain  the  performance  advantages  over  other  pump types. The number and capacity of  the vacuum pumps  should be  selected according  to  the  size  of  the  network  and  the  amount  of  sewage  to  be transported. It should be kept in mind, that the number of pumps should be selected  so  that  the  remaining pumps  can deliver normal operation while another pump is serviced or broken. Vacuum pumps are installed in parallel (Figure  11).  Measures  for  insulation,  ventilation  and  heating  should  be provided.      

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 18 | 82

Technology of vacuum sewer

systems

 Figure 12: Layout of a vacuum station with the collection tank in the ground and the

sewage pumps outside of the tank. The vacuum reservoir tank is integrated into the

collection tank in most layouts[4, 13]

The vacuum pumps are connected to the vacuum tank. The tank forms the collection point of the domestic sewage collected through the network.  

Vacuum tanks can be made from carbon steel, stainless steel or fiberglass. Each  type has  its advantages and specific costs and  the choice of material depends on  the  location of  the  vacuum  tank.  In many  layouts  the  tank  is buried under ground but  it  can also be placed  inside  the  vacuum  station. The advantage of having the vacuum tank in the ground is that the sewage does not have to overcome an additional height difference which increases available head  for  the  system  routing  and  saves electricity. The downside can be higher construction costs [1]. Either way, access to the tank, also to the  interior, needs  to be ensured  for maintenance  and  cleaning purposes [9]. Further, the tank functions as a buffer for the negative pressure created by  the  vacuum  pumps  in  order  to maintain  the  system  pressure  over  a longer period of time.  

The  wastewater  pumps  forward  the  accumulated  sewage  from  the collection  tank  to  the wastewater  treatment plant. While  some designers and  operators  prefer wastewater  pumps  to  be  set  up  dry, most  systems have  submersible wastewater  pumps  located  inside  the  tank.  The  pumps forward the wastewater to the next main line which could be a main gravity sewer line or directly to the wastewater treatment plant. Duplicate pumps, each of them capable of delivering the design capacity at the specified head conditions should be used  [4]. Early systems experienced  frequent  failures due to a small diameter of the valves at the discharge pumps which resulted in clogging of the valves. Increased diameters and the addition of shredding devices increased pump reliability significantly [1]. When located inside the 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 19 | 82

Technology of vacuum sewer

systems

vacuum  tank,  discharge  pumps  need  to  be  certified  to  operate  under vacuum pressure conditions [4].      

When  located  in  residential  areas  the  vacuum  station must  be  equipped with measures  in order  to control odours  from  the sewage  in  the vacuum tank.  A  common method  is  the  use  of  biofilters  (Figure  13). Odorous  air from  the  vacuum  tank  is  directed  to  the  biofilter  via  a  pipe.  The microorganisms  living  in  the  filling material decompose organic pollutants and odorous compounds. Filling material can compose of woodchips,  root wood, bark mulch, turf or coconut fibre [11]. The material needs to be kept moist in order to maintain good microclimate for the bacteria. As the filling material decreases  it needs  to be  refilled every couple of years as part of regular maintenance. In dry regions, as well as  in densely developed areas, activated  carbon  can pose  a  good  alternative  to  the materials mentioned above.  The  activated  carbon  has  to  be  exchanged  in  regular  intervals  to guarantee its functionality. 

  

 

 

 

 

 

 

The  vacuum  station also  contains  the  relevant  components of  the  control and monitoring system. All relevant data regarding system performance are collected here and the individual system components are connected.  

The filling level sensors which are attached to the vacuum tank activate the wastewater discharge pumps when a certain volume is reached. The system is  set  up  in way  that  normal  operation  is  automated  and  the  individual components  communicate with  each  other.  For  instance, when  a  sensor reports  low  vacuum  the  signal  is  forwarded  to  the  vacuum  pumps which come  on  to  re‐establish  adequate  vacuum  conditions. Or when  a  certain volume  of  wastewater  has  been  collected  in  the  vacuum  tank  the wastewater discharge pumps come on and  forward the wastewater to the treatment plant. A central control panel  is used to control all of the motor starters, control circuitry, overloads, and the runtime of each discharge and vacuum  pump.  Even  data  from  individual  valves  are  collected  here, depending on whether a valve monitoring system has been installed.    

Figure 13: Biofilter used for odour control from a vacuum tank. Right: woodchips are a common filling material [1]

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 20 | 82

Technology of vacuum sewer

systems

Additionally, the control and monitoring system  is equipped with an alarm system which notifies the operator via a text message in the event of a fault. An adequate transmitting device (e.g. modem) equipped with backup power supply needs to be provided.  

The  pumps  and  control  units  located  at  the  vacuum  station  require electricity  in  order  for  the  vacuum  sewer  system  to  fulfil  its  function. Therefore  it  is  imperative  to  ensure  constant  electricity  supply.  It  is advisable to provide measures for the connection of external backup power, such as emergency generators, to keep the system operational in events of power blackouts. This especially applies to areas which experience frequent power blackouts. In case of a power blackout vacuum will remain sufficient for  about  two  hours  [11]  which  can  provide  enough  time  to  set‐up  a temporary power supply. 

 

Figure 14:Vacuum station with external power connection for power supply in case of blackouts [11] 

Depending  on  the  extent  of  the  service  area,  the  number  of  houses  and customers  served,  the  amount  of  sewage  to  be  collected  and  whether industries discharge  into  the  sewer  system  it  is necessary  to  consider  the capacity of one single vacuum station. In certain cases it can pose viable to have multiple  vacuum  stations  within  the  service  area.  The  flexibility  of vacuum  sewer  systems  allows  for  different  dewatering  configurations  of service areas. 

Technical specifications 

‐ Vacuum pumps should be operated within +1°C and +35°C room temperature [3, 9]. 

‐ Vacuum tank(s) should be dimensioned according to the dimensions of the network and the expected amount of sewage.  

‐ Some layouts may require the installation of multiple vacuum tanks; multiple tanks should be interconnected  

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 21 | 82

Technology of vacuum sewer

systems

‐ Additionally,  the  filling  control must  react  to  the  following  filling levels [9]: 

o Emergency shut off filling level: Interrupts  the vacuum build up but  continues  the discharge process by wastewater pumps 

o Start filling level: Initiates discharge of wastewater by wastewater pumps 

o Stop filling level: Interrupts the discharge process of the wastewater pumps 

‐ To ensure adequate service  the following alarms need to be in place [9]: 

o Alarm for insufficient vacuum:  Is  triggered  when  system  vacuum  falls  below  a  previously determined threshold (usually ‐0.3 bar)  

o Alarm for wastewater level too high: Is  triggered when  the maximum  filling  level  threshold  inside the  vacuum  tank  is  exceeded.  Not  more  than  half  of  the vacuum tank’s volume must be filled with wastewater.  

o Alarm for faults: Is  triggered  when  an  important  system  component  is malfunctioning,  a  power  blackout  occurs  or  the  maximum continuous runtime of the vacuum pump is exceeded. 

 

 

 

2.3. Manufacturers / System providers

Since vacuum sewers are still not very common the number of technology providers  available  is  limited.  However,  the  following  list  presents  a selection of companies offering vacuum sewer solutions on the market. The list provides an overview and does not claim to be complete (in alphabetical order):  

AIRVAC / ROEDIGER – Aqseptence Group 

ROEDIGER and AIRVAC have been acquired by Aqseptence Group from Bilfinger Water Technologies in 2016. The two companies are associated and provide the same technology.  

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 22 | 82

Technology of vacuum sewer

systems

Founded  2016 ( AIRVAC 1969; ROEDGER 1978) 

Based in  

branch offices /partners 

USA; Germany  

Australia, China, India, Japan, France, Italy, Russia, Argentina, Brazil, Chile, Peru 

Realised vacuum projects  More than 2,000 

Markets  Mostly USA & Germany, Central Europe, Global: e.g. South Africa, Namibia, UAE 

Highlights  - Market leader  - Realised systems on all continents - Broad spectrum of layouts 

Website  www.airvac.com 

http://www.water.bilfinger.com  

 

  

SIVAC – Sekisui Chemical Co. Ltd. Japan 

Founded  1991 

Based in  

branch offices /partners 

Japan  

Singapore, Australia, Malaysia 

Realised vacuum projects  123 in Japan (until 2008) 

Markets  Mostly Japan; Malaysia 

Highlights  - Mini vacuum station available (no sewage pumps needed) 

- Up to 1,000 m horizontal pipeline without lift 

- 75 mm valves certified for 300,000 cycles 

Website  http://sivacvacuumsewer.com 

 

   

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 23 | 82

Technology of vacuum sewer

systems

FLOVAC  

Founded  1984 

Based in 

branch offices / partners 

Australia 

New Zealand, India, UAE, Bahrain, Iran, Slovenia, Bulgaria, Czech Republic, England, Estonia, France, Germany, Greece, Netherlands, Ireland, Lithuania, Poland, Portugal, Romania, Russia, Spain, Argentina, Peru, USA 

Realised vacuum projects  No data 

Markets  Mostly Australia   

Global: e.g. Afghanistan, Europe, New Zealand, USA, Canada, Barbados, Pakistan, Buthan etc. 

Highlights  - Deployable vacuum system available - Comprehensive information on 

website - Wireless monitoring system 

compatible with other systems (e.g. AIRVAC) 

Website  www.flovac.com  

 

 

REDIVAC – Iseki Vacuum System s Ltd. 

Founded  1990s 

Based in 

branch offices / partners 

United Kingdom 

Hungary, Brazil, Malaysia, Italy, Australia, Oman 

Realised vacuum projects  No data 

Markets  Mostly UK;   

Oman, Hong Kong, Malaysia, United Arab Emirates 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 24 | 82

Technology of vacuum sewer

systems

Highlights  - Vacuum system for roof drainage - Broad applications 

Website  http://www.iseki‐vacuum.co.uk  

 

VAB GmbH – Vakuum Anlagen Bau GmbH   

VAB was founded in 1995 and is a medium‐sized company from Germany.  

Founded  1995 

Based in  

branch offices /partners 

Germany 

Realised vacuum projects  127 new sewers 

31 refurbishments  

Markets  Mostly Germany; other European countries 

Highlights  - FLOVAC valves are used - 10 years of warranty - Operational support via telemetry 

Website  www.vabgmbh.de 

 

 

VACUFLOW –  QUA‐VAC 

Founded  1990 

Based in 

branch offices / partners 

Netherlands 

Cyprus, Greece, Spain, France, Italy, Switzerland, Germany, United Kingdom, Puerto Rico, Bahrein, Iran, Singapore, Vietnam, Russia, India, China, Japan, South Korea 

Realised vacuum projects  No data 

Markets  Mostly Netherlands;   

Europe, India, Botswana 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 25 | 82

Investment costs Highlights  - Broad network of partners - Established retrofit of existing vacuum 

systems Website  www.quavac.com   

 

 

3. Investment costs The selection of a sewer system is mainly guided by its costs. Although other factors  such  as  user  friendliness  and  environmental  aspects  play  an important  role  the  economics  of  an  infrastructure  project  is  the  driving factor  for  system  selection.  And  since  most  infrastructure  projects  are designed to have a lifespan of several decades it is important to consider all associated costs.   

One  reason why  vacuum  sewers  have  gained  increased  popularity  is  the potential cost advantage  it can have over conventional gravity sewers. The main cost saving factor  is the  lower construction cost of the pipe network. Smaller  trenches  at  lower  depths  eliminate  the  necessity  of  dewatering during construction, a common problem in areas where groundwater tables are  high.  Also  excavation  and  thus  refilling  can  be  reduced.  Further,  the pipes in vacuum sewers are much smaller reducing material costs [10].   

Since every  infrastructure project  is  individual  the costs of vacuum sewers can vary significantly and are site specific. Factors, such as the slope of the project  area,  the  height  of  the  groundwater  table,  local  soil  and  climate conditions can impact the construction costs and other necessary measures [15]. Also the number of collection pits determines the costs of the system.  

Table  2  shows  investment  costs  for  individual  components  of  a  vacuum sewer network. The values are based on  literature  research and  reference project  data. As  the  dimensions  and  capacities  can  vary  significantly with system design the values represent approximations only.  

 

 

 

 

 

 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 26 | 82

Investment costs Table 2: Approximate investment costs for selected components of vacuum sewers under conditions in Germany

Component  Specification  Approximate cost in € 

(experience  from Germany)  

Prefabricated  building for vacuum station 

Depending on size  35,000 – 50,000 

Bio‐filter    5,000 – 17,000 

Wastewater pump  e.g. 7.5 kW  4,500 – 9,000 

Vacuum pump  Power: 4 ‐ 15 kW  4,000 – 15,000  

Vacuum tank  3 ‐ 15 m³  

depending  on installation  above  or underground  

10,000 – 21,000  

Control cabinet  Electronic  alarm  and control system 

15,000 – 25,000 

Valve pit  incl.  installation,  valve, monitoring unit, piping 

2,000 – 3,000 

 

Valve unit    600‐800 

Monitoring unit  Located at valve pit; incl. installation 

400 ‐ 800 

Underground cable  For monitoring valve pits 1 € / m 

Vacuum pipe 

- PE - PVC‐U 

Depending on diameter & excavation/ restoration and labour cost  

See Table 3 

Division valve  Depending  on  pipe diameter,  depth  and length (e.g. every) 450m 

1,000 – 1,500 

When comparing different sewer systems the greatest cost saving factor of the vacuum  sewer  compared  to gravity  sewers  is  the pipe network. Small 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 27 | 82

Investment costs diameters and  low trenches give the vacuum sewer a good cost advantage over alternative systems.  

 shows the cost  for PE and PVC‐U pipes with different diameters.  It should be noted, that the costs  for PE pipes represent material and delivery only. Although,  PVC‐U  material  costs  are  cheaper  the  prices  shown  include connection via solvent welding. Connecting units, such as fittings, joints etc. are not  listed here and need to be considered as well when estimating the investment costs of a vacuum sewer.  

Table 3: Cost of PE and PVC-U pipes per meter for different diameters under German market conditions; note that material for PE is more expensive but the prices for PVC pipes include solvent welding (not included for PE) and are thus higher [16]

Pipe diameter PE PVC-U

Material, delivery,

installation in trench

Material, delivery,

installation in trench

connection

D110 17,30 € 19,20 €

D125 19,40 € 22,30 €

D160 24,60 € 28,10 €

D200 31,10 € 42,10 €

D250 40,00 € 59,50 €

Many other cost factors determine the investment costs of a vacuum sewer project. Some can vary significantly by region and have high  impact on the total investment costs. Local soil conditions, whether the ground is rocky or sandy, affect the cost for excavation. Another relevant factor is whether the excavation material can be reused as filling or needs to be disposed of. The availability of materials, such as filling material (sand, gravel etc.), PE pipes (if  selected)  and other  system  components  strongly  affect  the  investment costs.   

Further,  the cost of deploying construction machines can vary significantly between different regions and the same applies to labour costs of local staff [6, 17]. The acquisition of land and permits is also regionally dependent, as well as the cost for planning, design and supervision. Table 4 shows factors which  are  associated with  initial  costs  of  vacuum  sewer  projects  but  can vary significantly between different regions and are difficult to estimate but nevertheless need to be considered. 

It  is  desirable  to  design  the  sewer  network  in  a  way  that  small  pipe diameters can be selected. This can be a layout with multiple service zones and division valves which not only affect the  investment costs but also add operational flexibility to the system.    

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 28 | 82

Investment costs Table 4: Costs which can vary significantly by region and affect the investment costs 

Locally defined costs  Examples  Reference from Germany 

Labour   construction workers  35‐45 €/ h 

Material   PVC/PE pipes & fittings; sand & gravel 

See  

 

Excavation   Depending  on  soil conditions (e.g. rocky) 

 

Supervision  During  construction, planning 

 

Permits     

Connections  For  electricity  and water  at  the  vacuum station  

3,000 € (Water) 

5,000 € (Electricity) 

 Training  Of operator(s)    

User education  Awareness creation   

 

In  a  study  the  investment  costs  for  gravity  and  vacuum  sewers  for  two villages  in Greece  have  been  compared  [6].  It  concluded  that  excavation costs for the vacuum sewer  is only 25 % of excavation costs for the gravity sewers. Thus,  the  shallow  trenches  resulted  in  lower costs  for  subsequent sand  (50 %  savings)  and  gravel  (25%  savings)  filling  as  compared  to  the gravity system. Although cost of manholes for the gravity system was about 33%  cheaper  than  all  additional  components  which  are  used  in  vacuum systems  (vacuum valves,  inspection pipes, connections and division valves) the total investment cost for the vacuum sewer was 35% lower than for the gravity sewer option.  

In  contrast  to  the  cost  factors  referred  to  above,  a  number  of  costs associated with the construction of a sewer system can be hard to estimate. In some cases it can be even hard to attribute a monetary value to a certain impact  or  activity  and  reflect  this  in  the  project  cost.  Environmental  and social  costs  need  to  be  considered  as well.  The  construction  of  a  sewer system  takes  a  long  period  of  time.  During  this  time  the  surrounding infrastructure and its users can be challenged to conduct their regular tasks. If the sewer line is designed to run underneath the road, construction work 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 29 | 82

Operation and Maintenance costswill affect traffic and subsequently people and goods travelling on the road. Also,  the  accessibility  of  shops  or  other  commercial  buildings  can  be affected  from  sewer  construction  imposing  a  financial  burden  on  the affected  owners.  Also,  the  environmental  footprint  of  constructing  and operating  a  sewer  can  be  significant,  especially  when  dewatering  of trenches  is  required,  let  alone  the  environmental  impact  of  wastewater leaking  from  conventional  sewers  into  the  ground  and  groundwater. Although  these  aspects  are  hard  to  quantify  it  can  be  assumed  that  the flexibility  of  design  (e.g.  construction  of  lines  on  the  sidewalk),  shallower trenches  and  smaller  pipe  diameters make  the  construction  of  a  vacuum sewer  less  invasive  than  the  installation  of  a  gravity  sewer.  Further,  the mentioned  characteristics  result  in  shorter  construction  times  of  vacuum sewers.  These  ‘associated  costs’  should  be  evaluated  in  addition  to  the investment costs when deciding on the system for a sewer project.         

 

4. Operation and Maintenance costs

Whether an infrastructure investment is sustainable depends on how much attention  the  system  requires  and  how  the  costs  for  operation  and maintenance  of  the  system  are  designed.  In  any  case  a  comparative  cost analysis should be undertaken over a  long period of  time  (e.g. 60 year  life cycle cost). The analysis will give weight to the running costs of the analysed systems which will then reveal the more economical option.   

When comparing  the Operation and Maintenance  (O&M) costs of vacuum sewers with  O&M  costs  of  conventional  gravity  sewers  different  authors come to different conclusions. While Masteller & Moler [18] state that O&M costs  in vacuum  sewers are higher due  to  the high number of mechanical elements, higher electricity costs and the need for personnel to monitor the system, Beauclair [19] and Islam [6] come to the conclusion that O&M costs are  lower or  similar  to gravity  systems due  to  the high  scouring velocities and  similar  electricity  costs.  In  conventional  gravity  systems  it  can  be necessary to use pumping stations when the pipes have to be  installed too deep  beneath  the  surface  to  guarantee  the  necessary  slope.  Further,  in conventional  gravity  systems  the  transport  relies  on  sufficient  water  to convey the waste contained  in sewage. Sometimes flow can be  insufficient and  the  objects  or  accumulated  substances  cause  blockages  in  the  pipe. These  need  to  be  removed  by  additional  flushing,  for  example  with  a hydroblaster.  Due  to  the  high  scouring  velocities  this  is  not  required  in vacuum sewer systems.  

O&M  costs  can  vary  significantly  depending  on  how  well  the  system  is designed and how reconditioning of system  failures  is managed. Electricity and personnel costs are  the major cost components. Both are determined by the skills of the operating personnel and can vary significantly between 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 30 | 82

Operation and Maintenance costsdifferent  countries  and  over  time. Material  costs  are  also  important  but usually are much lower than the electricity and personnel costs. However, if a  vacuum  sewer  network  is  not  designed  and  maintained  properly  and frequent  failures occur  (e.g. malfunctioning  valves)  the material  costs  can increase drastically.  

 

4.1. Electricity costs

In most vacuum sewer designs the only point of electricity consumption is at the vacuum station. Some systems have monitoring devices installed at the valve  pits which,  depending  on  the  power  source,  can  require  additional electricity inputs. At the vacuum station most of the electricity is used to run the  vacuum  and  sewerage  pumps.  Apart  from  the  pumps,  electricity  is needed for the control and monitoring system, the alarm system as well as for  the  recording and  transmission of operational data. Further, electricity might be required for ventilation, heating and cooling of the vacuum station [15]. 

The electricity consumption of a vacuum  sewer  is mainly governed by  the runtime of the vacuum pumps. Electricity for the vacuum pumps can make up to 80% of the total electricity consumption [11]. Since the vacuum pumps are responsible  for maintaining and restoring adequate vacuum conditions the electricity consumption  is a  function of  the  loss of vacuum  from  leaks (e.g. faulty valves) and the opening frequency of the valves. The frequency of  the  occurrence  of  these  leaks  as  well  as  the  reconditioning  time  for restoring  normal  operation  affects  the  runtime  of  the  vacuum  pumps. During  normal  operation  the  runtime  of  the  vacuum  pumps  is predetermined by the system layout. Every valve opening represents a small loss of vacuum. Thus,  the higher  the  frequency of valve opening  the more vacuum  is  lost  and  needs  to  be  restored  by  the  pumps.  The  opening frequency is a function of multiple design parameters. Especially, the air‐to‐liquid  ratio  at  the  valve  pits  has  implications  for  the  electrical  energy demand.  The  higher  the  ratio,  the  higher  is  the  electricity  consumption. Further,  the  number  of  house  connections  and  the  number  of  people discharging  into  a  valve  pit  determine  how  often  the  pit  needs  to  be evacuated and thus how often the  interface opens. Finally, user behaviour, such as long showers, and appliances, such as full flush toilets, contribute to increased wastewater generation which also affects the frequency of the pit evacuation  and  thus  vacuum  pump  runtime.  In  addition,  the  increased amount  of wastewater  extends  the  runtime  of  the  sewage  pumps  at  the vacuum station.  

The  cost of electricity  is a variable  cost  factor. The price of electricity  can vary significantly between regions and can even depend on the time of day 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 31 | 82

Operation and Maintenance costsit  is  consumed.  In  order  to  provide  guidance  on  the  energy  costs  of  a vacuum  system  it  can  be  advisable  to  provide  estimations  for  electricity consumption  rather  than  actual  cost.  In  a  comparative  study  on  vacuum sewers in Germany electricity consumption of vacuum sewers was found to be in the following ranges [11]: 

 

15 ‐ 30 kWh / person & year 

0.2 – 0.4 kWh / connection & day 

0.2 – 0.7 kWh / m³ wastewater 

 

This range seems realistic for vacuum sewer systems in Germany. In 2005 a demonstration  project  for  sustainable  urban  water  management  was initiated  in  Knittlingen,  a  small  town  in  the  South‐West  of Germany.  The vacuum  sewer option was  selected as  sewer  system  for a  residential area serving  around  100  plots.  The  experiences  after more  than  10  years  of operation indicate an electricity consumption of around 24. 6 kWh/ person / year.      

4.2. Personnel cost The cost of personnel can vary significantly between regions as well. Thus, it is hard to attribute a value to the personnel costs. However, the personnel costs are related to the amount of time that the staff spends on operating and maintaining  the  vacuum  system.  If  the  system  is well  designed  and operators  have  the  adequate  knowledge,  skills  and  training,  the  required time  for O&M  can be  reduced.  In  contrast, more  time will be  required  if failures  are  frequent  (e.g.  due  to  user  behaviour; material  defects  etc.). Table  5  gives  an  indication  of  the  duration  of  selected  tasks.  The  list  of activities is not complete and additional time will be needed for other tasks. Further activities can be found in Chapter 6 and the Annex.   

 

 

 

 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 32 | 82

Operation and Maintenance costsTable 5: Selected tasks and their approximate duration (values based on experiences in Germany and the USA)

Task  Approximate duration 

Remark 

Exchange of vacuum pump components  

1 h / pump  

every 3 ‐5 years 

 

Cleaning,  exchanging  oil filters, air‐de‐oil  filters and others;  oil  change  approx. every 1000 running hours   

General inspection at the station 

15 – 30 min /day    

Maintenance of vacuum tank & electronics 

2‐ 3 h/a   

Maintenance of sewage pumps 

0.5 – 3 h /a   

Inspection of control cabinet 

1‐2 h/a   

Biofilter maintenance 

4 h  every 3‐4 years 

Renewal of filter material 

Visual inspection and maintenance of interface valve 

5 – 15 min /a   Depends on travel distance and accessibility 

Exchange of membrane 

15 – 30 min   

Exchange of pneumatic control unit 

5 – 15 min   

Exchange of entire valve unit 

10 – 15 min  Common  practice  for service calls 

Controller rebuild  1 h  every 5 years 

 

Valve rebuild  1.75 h  every 10 years 

 

*  NOTE:  The  table  does  not  represent  a  complete  list  of  activities  and serves as  indication  for  selected  tasks only. The values are derived  from experiences in Germany and the USA. 

 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 33 | 82

Operation and Maintenance costsIt should be kept in mind that a valve monitoring system facilitates the work of the operator and faults can be  localised quickly, thus reducing time and personnel cost.  

A comprehensive operator  survey conducted  for 49  systems  in  the United States (20% of all operating systems in 2003) revealed the amount of labour associated with  vacuum  sewer  systems. Most  operators  viewed  the work associated  with  the  vacuum  station  similar  to  the  work  required  for  a pumping  station  in  a  gravity  system.  The  average  values  are  a  realistic representation  of  a  normally  operating  system.  The  figures  highlight  the small amount of time associated with the mains which is a major advantage over  gravity  systems  and  benefits  the  operators.  For  the  vacuum  valves some  operators  reported  preventive maintenance  as  routine. However,  it should  be  noted,  that  the majority  of  labour  related  to  vacuum  valves  is associated with service calls, but still remains low. 

4.3. Material cost The cost of material highly depends on the frequency and severity of faults in  the system. A well designed and maintained system with  few  faults will require materials  less  frequent  than  systems where maintenance  is  poor and system failures are common. Since the majority of faults and damages occur  at  the  valve  pit  the materials  required  for  the  controller  and  the interface  valve  are  the most  relevant material  costs.  Table  6  shows  the material costs for selected components of vacuum sewers.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 34 | 82

Operation and Maintenance costsTable 6: Approximate material costs for selected components of vacuum sewers 

Item  Cost  Estimated replacement 

Membrane (at valve)  10 – 14 €  Every 3 – 5 years 

Pneumatic control unit  90 – 100 €  Every 10 years 

Rubber gasket (valve)  8 – 10 €  Every 10 years 

Filter material for biofilter 

200 – 300 €  Every 3‐5 years 

Oil   15 – 20 € / Liter  Quantities depend on pump 

Air‐de‐oil elements   ~ 140 € /unit  Number of elements depend on vacuum pump 

Oil filter  ~ 18 €/ unit 

 

Every 1,000 operational hours; Number of elements depend on vacuum pump 

Gaskets (vacuum pump) 

~ 32 €/ unit  Every 5 years 

4.4. Other costs The previous sections provided a rough estimate on the different O&M costs related to vacuum sewers. Further costs can arise which do not fit  into the categories highlighted above. Usually these costs should not have too much of an  impact on the O&M costs but should be kept  in mind. A selection of potential other costs is provided in Table 7. 

 

 

 

 

 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 35 | 82

Durability (life span/life cycle) Table 7: Potential other costs related to O&M of vacuum sewers 

Item  Specifications 

Utilities  Telephone, water (fuel) etc.  

Clerical staff   Administration, stamps, envelopes etc.  

Transportation  Vehicles; fuel; insurance; taxes; O&M related transportation 

Supplies  Spare parts (e.g. oil, fuses etc.) 

Miscellaneous   Insurance; structural maintenance; professional services (e.g. accounting, legal) 

 

QUICK PICKS:

- O & M costs are affected by cost for personnel, electricity and material

- O & M costs are highly affected by electricity consumption for vacuum pumps

- User behaviour, as well as the frequency and duration of faults impact on vacuum pump runtime

- Electricity consumption should be within the range of 10 – 30 kWh /person /a

5. Durability (life span/life cycle)  

The sustainability of a vacuum sewer system  is determined by  its reliability and  economics.  Both  aspects  affect  each  other.  The  more  reliable  the system and its components are the more financially viable is the system. In the  past,  systems  have  experienced  frequent  component  and  material failures which  impeded a better  image and more frequent consideration of 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 36 | 82

Durability (life span/life cycle) vacuum  sewers as wastewater  transportation  technology.  In  recent  years, major technical and operational  improvements have been made  increasing the  durability  of  the  individual  vacuum  sewer  components  [3,  5].  The durability of  the major components of a vacuum  sewer  system  is given  in Table 8: 

Table 8: Durability of major components of a vacuum sewer network [1, 9, 11, 11, 16, 20, 21]

Component  Life  span (years) 

Varying factors 

Vacuum main / line  50 – 80  Damage from other excavations; Design faults; selected material 

Vacuum station (building) 

50  Vandalism; selected materials 

Vacuum pumps  12.5 ‐ 20  Inadequate maintenance; continuous run; type and brand, cavitation  

Sewage pumps  12.5 ‐ 15  Inadequate maintenance; continuous run; type and brand; dry running; cavitation; clogging 

Vacuum tank  25 ‐ 40  Material; maintenance; corrosion 

Division valves  20  Material; brand; mechanical wear 

Valve pit  30‐55  Protection from vandalism, storm water, upwelling 

Valve unit 

- Membrane  - Pneumatic 

control unit 

(30) 

6.25 

12.5 

 

Maintenance; user education on flushable objects; brand; size; opening frequency; mechanical wear   

Valve pit monitoring unit 

25  Maintenance; power supply; vandalism 

The values presented in Table 8 indicate individual life spans of components and assume  the correct operation of  the  system. External  factors,  such as vandalism or environmental factors (e.g. floods) can reduce the life span of 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 37 | 82

Durability (life span/life cycle) the  components. Besides  the  life  span  in years, Table 8 also  shows which factors influence the durability of the components. It has to be kept in mind that  some  components of  the vacuum  sewer are mechanical  (e.g. pumps, valves etc.) and that, like mechanical components in other systems, they are subject to mechanical wear.  

Although every part will  fail or break at  some point, a  lot can be done  to extend  the  life  cycle  of  each  component.  Preventive  action  approaches minimise  the  risk  of  failures  before  they  emerge.  For  vacuum  sewers preventive  action  starts  in  the  design  phase.  Appropriate  design  can increase  life cycle time of vacuum sewer components. Proper coordination of components and their  individual properties  is crucial.  It  is  imperative to determine the amount of wastewater and select the components according to  the  required  capacities. This applies not only  to  vacuum and  sewerage pump  capacities  but  also  to  the  diameter  of  the  vacuum mains.  Due  to lower transport velocities vacuum mains which have a  large pipe diameter are more prone  to scaling and precipitation  from compounds contained  in the wastewater. This can affect the durability of the selected material and thus  the  life  span.  Additionally,  specific  measures  might  be  required  to adjust  the  vacuum  sewer  to  the  environmental  settings.  If  the  area  for which the vacuum sewer  is designed experiences heavy rainfalls which can lead to floods, this needs to be taken  into account  in the design. Measures which prevent upwelling of pits and mains or which minimise the amount of storm water  entering  the  valve  pits  need  to  be  considered.  Further,  the components need to be protected from vandalism or theft.    

In  the design stage a comprehensive plan should be developed on how  to resolve system failures as fast as possible. Especially when there is no valve monitoring system in place it can take time to localize the point of failure in the  systems. The  longer  it  takes  to  localize and  repair a vacuum  leak or a faulty valve the longer the vacuum pumps have to run in order to restore or maintain  vacuum  conditions.  This  can  increase  mechanical  wear  of  the pumps and reduce their  life span. Similarly, a comprehensive maintenance plan based on the recommendations of the manufacturers of the individual system  components  is  required.  Regular  inspection,  oiling,  replacement, cleaning etc. will  increase durability of the  integral parts of the system and minimise  the  need  for  emergency  actions.  Additionally,  the  technical knowledge and capacity of the operational personnel needs to be adequate to identify problems, take appropriate action as well as carry out preventive measures.  Capacity  building  should  be  considered  in  areas  where operational and maintenance knowledge is suspected to be insufficient.    

In  any  case,  the  introduction  of  a  vacuum  sewer  system  needs  to  be accompanied by  a  comprehensive user education.  The people discharging into  vacuum  sewers  need  to  be  aware  of  the  sensitivity  of  the  interface valve towards large objects which can affect the functionality or even break the valve. Awareness creation on flushable objects is especially important in 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 38 | 82

Operational and maintenance

skills required

areas  where  adequate  solid  waste  management  is  missing  in  order  to increase durability of system components. 

The  availability  of  components  needs  to  be  checked  and  ensured  when choosing a vacuum sewer system. In the event of system failure or material wear  individual parts need  to be available  to ensure quick recovery of  the sewer  function.  Therefore,  sufficient  stock  and  long‐term material  supply need to be assured. It is advisable to discuss the supply of materials with the selected manufacturer  in  order  to  have  an  estimate  in mind  where  the closest  supplier  is  located  and how  long  it  takes  to deliver  the  requested materials. Local providers of individual parts can pose a valuable alternative. However, quality assurance standards must be met and the use of materials other than supplied by the system manufacturer can lead to incompatibility with  other  components.  Strong  collaboration  with  the  manufacturer  is crucial. The company can use its own network to facilitate the contact with appropriate suppliers in the region.   

6. Operational and maintenance skills required

Cost is not the only consideration that needs to be taken into account when selecting a sewer system. The availability of knowledge and skills should also influence  the  decision  for  an  alternative.  Vacuum  systems  have  the reputation  of  being  O&M  intensive. While  this  has  been  true  for  earlier systems  newer  projects  have  benefitted  from  many  technical  and operational improvements which have reduced O&M requirements [22].  

Operating and maintaining a vacuum  sewer does  indeed  require  technical expertise and demand a  lot  from  the operator  in  terms of knowledge and skills.  While  effective  operation  of  a  vacuum  sewer  system  begins  with proper design and construction O&M requires at least one trained operator that  is familiar with the system,  including the  locations of all the collection chambers,  lines,  division  valves  and  other  key  components.  The  operator must understand how  the main components of  the vacuum  sewer  system are  interrelated  and  work  together  as  a  system.  Ideally,  the  training  of operator(s) should commence while the system is still under construction in order to become familiar with the system and its components [22].    Maintenance of the vacuum sewer system can be divided  into two groups: normal including preventative maintenance, and emergency maintenance.  

6.1. Normal and preventive maintenance Concentrating on the normal and preventative maintenance minimizes the need of emergency maintenance [15]. As vacuum systems must operate and be maintained  all  year  long  variations  in workload  can  occur.  Thus,  it  is important  to  plan  and  schedule  preventive maintenance.  A maintenance 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 39 | 82

Operational and maintenance

skills required

schedule  for  all  components  should  be  developed  which  highlights  the priority of tasks and any special  information, e.g. tools, equipment or parts required  for  the  job.  The  schedule  should  consider  the  manufacturers recommendations  for  the  individual  components.  Normal  and  preventive maintenance of the vacuum sewer system  is done by regular  inspection of system components by staff or remote monitoring [12].   Vacuum Station Most vacuum stations are equipped with monitoring systems which monitor the  operation  at  the  station  as  well  as  the  collection  system  and automatically  notify  the  operator  (e.g.  via  phone)  when  an  alarm  was triggered,  for  example,  in  cases  of  low  vacuum,  high  levels  of  sewage  or power outages. During normal operation the operator visits the station on a daily  basis  to  record  pump  running  hours  and  check  oil  and  block temperatures. Especially at the beginning this  is  important  in order to gain familiarity with the system. Remote monitoring and recording may facilitate these  tasks. An overview of  the maintenance  tasks and  their  frequency  is given  in Table 9. A more detailed maintenance plan  for the vacuum sewer can be found in the Annex.   Table 9: Overview of normal and preventive maintenance tasks and their frequencies [22]

Normal vacuum system O&M Tasks and frequencies 

Frequency  Task 

Daily  - Visually check gauges/ charts - Record all pump run times - Check  oil  level  in  vacuum  pump  sight 

glass Weekly  - Exercise generator (if applicable) 

Monthly  - Change  oil  and  oil  filters  (depends  on manufacturer’s recommendations) 

- Remove and clean inlet filters on vacuum pumps 

- Test all alarm systems - Check  all motor  couplings  and  adjust  if 

needed - Clean all sight glasses - Exercise  all  shut  off  valves  (vacuum 

station) 

Semi‐annually to annually  - Conduct external  leak test on all vacuum valves 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 40 | 82

Operational and maintenance

skills required

Preventive maintenance tasks and frequencies 

Every year 

- Exercise division valves - Inspect  vacuum  and  sewage  pumps  for 

wear - Visual inspection of all pits and valves - Check valve timing and adjust if needed 

Every 3 years  Rebuild controller (buffer tank valves only) 

Every 5 years  Rebuild controller (most valves) 

 Vacuum network / collection systems Under normal operation  there should be no need  for  the operator  to visit the  collection  systems.  The  pipe  network  has  very  low  maintenance requirements. However, it might be desired to inspect areas where difficult or  unusual  conditions  have  been  encountered  during  construction.  If  in place, division valves should be  inspected once a year and put through the entire opening and closing cycle at least once. This will also familiarize new personnel with the location of these valves [22].   Vacuum valves Routine maintenance of  the vacuum valves and  controllers  involves visual inspection once a year. Visual inspection can be carried out easily from the ground surface and the only tools required are a cover pick to gain access to the collection pit and a sensor pipe puller to drain accumulated water [22]. The  valves  should  be manually  cycled  to  see whether  they  are  operating properly  and  the  controller  timing  is  still  in  accordance with  the  original setting. The operator should check whether dirt or water is in the controller, valve and tubing which could affect functionality  in the future and remove any  unwanted  substances.  Visual  inspection  should  take  around  10  –  30 minutes per connection [22].   Every  5  years  the  controller  should  be  replaced  with  a  new  one.  The removed unit can  then be returned  to  the workshop where  it  is  inspected for mechanical wear and repaired, if applicable. For valves with higher cycle frequencies renewal should take place every 3 years. This usually applies to valves installed in buffer tanks. Each vacuum valve should be replaced every 10 years and inspected for mechanical wear at the workshop, similar to the controller after 5 years. The worn parts can then be replaced and the valve can be reassembled and reused. Removal and replacement procedure at the valve pit should take around 5‐10 minutes. Rebuilding of components at the workshop should take around 1 hour for the controller and 1‐2 hours for the valve [22].  

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 41 | 82

Operational and maintenance

skills required

6.2. Emergency maintenance The vacuum sewer system has recommended maintenance tasks and in case of a failure there  is a troubleshooting method to track the failure. Modern systems  are  usually  equipped  with  a  set  of  alarms  which  inform  the operator  of  the  fault  via  a mobile  phone.  Emergency  incidents  can  occur anytime of the day requiring personnel to resolve the problem after working hours  on  an  overtime  basis.  Emergency  or  breakdown maintenance  can occur at the vacuum valve, the vacuum station or the pipe network.   Vacuum station If  the  preventive maintenance measures  described  above  are  carried  out accordingly  there  are  very  few  emergencies  that  occur  at  the  vacuum station.  However, most  systems  are  designed  in  a  way  that  redundancy allows  for a  lot of  time before  the  fault affects  the normal operation. The number of pumps is selected so that the system continues to work normally with one pump offline. Thus, the operator has enough time to  identify the problem  and  recondition  the  pump  (e.g.  replace  parts  etc.).  Further,  the vacuum tank is designed to have sufficient capacity to accept sewage while the  wastewater  pumps  are  out  of  service,  for  example  during  a  power blackout.  The  vacuum  tank  also  functions  as  a  vacuum  buffer  for  the collection system. This way, drops in system vacuum are slowed down giving the operator more time to recondition the system. Backup electricity supply, such  as  a  generator or  a  connection  for quick deployment of  an  external power  source,  should be provided  as well  as  a procedure how  to  restore power  in  cases  of  power  blackouts  [22].  Emergencies  related  to  power blackouts are rare but the most common faults at the vacuum station. Other faults may  involve clogging of  the wastewater pumps. The operator needs to have adequate skills to identify and solve faults in a timely manner.           Vacuum network / collection system  If  the  design  and  construction  of  the  pipe  network  has  been  carried  out properly  there  are  few  things  that  can  lead  to  emergencies  affecting  the collection system. The high transport velocities of wastewater minimise the precipitation and scaling of solids. For systems with separated black water streams  this  risk  is  increased  and  needs  to  be  addressed. But  since most vacuum  sewers  transport  mixed  wastewater  the  greatest  risk  for  the vacuum  collection  system  arises  from  landslides  or  excavations  for  other utilities. When these events result in line breaks system vacuum will be lost. If  the  incident  is  not  reported  by  the  utilities  the  operator  can  isolate different  lines  and  localise  the  defective  section  by  closing  and  opening division valves along the piping route in a logical manner [22]. Additionally, the operator can use the inspection valves and check for vacuum conditions in various  sections. However, any  rupture or damage  to  the pipe network needs  to  be  resolved  in  a  timely  fashion most  likely  by  exchanging  the affected  pipe.  Collaboration with  the  impact  causing  entity may  facilitate 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 42 | 82

Operational and maintenance

skills required

and accelerate reconditioning, especially since the excavation machines are already at the site.    Vacuum valves Most  service  calls  related  to  the  vacuum  valves  are  caused  by  the  users. Around 70% of faults result from flushing objects that lead to clogging in the valve or other parts of the pipework  in the collection pit  [11]. Other  faults are caused by extraneous water for example from rainwater entering the pit and damaging  the  controller or mechanical wear of  valve  components.  In most cases maintenance  is  fairly  simple. The controller  is  taken out, dried and  reinstalled.  The  operator  needs  to  initiate  action  so  that  the  design error of water entering the pit is corrected. Waterproof controllers are also available  however  it  is  undesirable  to  have  stormwater  entering  the collection  pit.  Exchanging  a  faulty  valve  is  relatively  simple  and  can  be completed  within  10‐15 minutes  by  a  single  person  [11].  But  where  no remote  monitoring  is  installed  emergency  maintenance  usually  requires more than one person to  locate the affected valve pit using the  inspection valves.  This  can  be  difficult  and  adequate  training  of  the  personnel  is imperative. The faulty valve  is then taken back to the workshop where  it  is rebuilt and made fit for reuse.    Since valve failures can cause failures in other parts of the system it is crucial that the operator is capable of identifying and resolving any emerging issues quickly. If the vacuum pumps cannot keep up with the loss of vacuum then other  valves will  have  insufficient  vacuum  to  perform  their  function.  This can lead to backups which possibly result in waterlogging since an increased amount  of  sewage  will  have  to  be  transported  at  a  changed,  possibly inadequate, water to air ratio when vacuum is restored [22].  The  design,  construction  and  operation  of  the  system  affect  the maintenance.  In many cases  it can be advisable  to develop a maintenance agreement with the system provider to ensure adequate maintenance and advisory  services  [11].  This  especially  applies  to municipalities  or  regions that  have  no  or  little  experience with  operating  and maintaining  vacuum sewers.  The  maintenance  agreement  increases  operational  safety  and reliability and ensures that local operating personnel is trained accordingly. Since a high degree of  technical knowledge  is  required  the project  should budget 3‐6 months on‐site training [22].  

6.3. Record keeping Proper  record  keeping  of  operational  data,  performed maintenance  and incidents is imperative to successfully operate and maintain vacuum sewers. A  crucial  step  to  short‐term  and  long‐term  troubleshooting  alike  is  the analysis of records. The more comprehensive the records the more valuable they are  for  troubleshooting and  system optimisation. Most  systems have electronic,  computer  assisted,  automated  data  recording  systems  e.g.  for 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 43 | 82

Operational and maintenance

skills required

technical data or  incident/ alarm  recording. Records  should be kept on all normal, preventive and emergency maintenance as well as operating costs. Brief summaries in form of monthly reports can be useful complemented by a more  comprehensive  annual  report.  Table 10  gives  an  overview  of  the relevant O&M records. 

Table 10: List of relevant O&M records [22]

Normal maintenance records 

Preventive maintenance records 

Emergency maintenance records 

Daily information  Aligned with maintenance plan 

Aligned with emergency plan 

Date and weather conditions 

Information on last service by component 

Date and time of occurrence 

Routine duties performed 

Next service date  Person(s) responding to problem 

Operating range of vacuum pumps 

Results of periodic inspections  

Description of problem 

Run‐times of vacuum & sewage pumps 

List of problems   Remedy of problem 

Accidents or injuries  Repairs conducted  Total time to correct problem 

Personnel on duty  Recommendations   Parts and equipment used  

Flow data    Recommendations  

Alterations to the system 

   

Unusual conditions     

Facility visitors     

Complaints received and remedies 

   

 In  order  to  ensure  budget  adequacy  and  cost  recovery  it  is  important  to keep  accurate  information  on  all  costs  related  to  operation  and maintenance  activities  (see  Chapter  4).  The  records  should  include information on: 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 44 | 82

Operational and maintenance

skills required

  Table 11: List of O&M cost records

Cost records 

Wages and benefits 

Power and fuel consumption 

Utility charges 

Equipment purchases 

Repair and replacement expenses 

Miscellaneous costs 

6.4. O&M manual

In order to operate and maintain a vacuum sewer system an O&M manual is crucial.  It  provides  the  personnel  with  a  comprehensive  compilation  of technical and management aspects and also serves as a training document as  well  as  for  troubleshooting  advice.  The  manual  serves  as  technical assistance and thus system providers and engineers nowadays provide it to the operating staff. Problems in earlier systems partly arose due to the lack of an O&M manual [22]. Each vacuum sewer system needs to be  looked at individually.  Integral  parts  of  the  system might  differ  from  other  systems and  maintenance  may  lead  to  replacements  or  alterations  of  system components. Thus, an O&M manual needs  to be designed  for  the  specific system. Typical  information  that  is  included  in an O&M manual  is given  in Table 12. 

Table 12: Typical information included in O&M manuals

Typical information in O&M manuals 

Design data 

Equipment manuals 

Technical specifications and data 

Product descriptions 

Shop drawings 

Permits & Standards 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 45 | 82

Operational and maintenance

skills required

Regulations & certifications 

Operation & Control information 

Records 

Preventive maintenance schedules 

Emergency operating & response program 

Troubleshooting 

Safety information 

Utility listings 

A  close  collaboration  between  the  operating  agency  and  the  system provider should be maintained  in order  to constantly update and  improve the  O&M  manual.  It  should  be  noted  that  the  O&M  manual  can  only support and  facilitate the operator’s work.  It  is not an ultimate solution to every problem. The quality of service and maintenance will depend mostly on the skill and attitude of the operator.  

6.5. Spare parts

It is in the responsibility of the operator to ensure that sufficient materials, tools and spare parts are available. While pipes and  fittings can usually be acquired  locally  through  local  builder’s  supply  companies  some  parts  are unique  to  the  vacuum  systems  and  thus  difficult  to  purchase.  Thus,  it  is important to constantly maintain a certain stock of components and tools. Planning ahead is crucial especially when the system provider does not have a branch in the region and delivery of specific spare parts is expected to take a  long  time which can have a devastating  impact on  the performance and acceptance  of  the  system.  A  table  in  the  annex  provides  an  exemplary overview of recommended spare parts. Please note that the recommended quantities  are  given  for  each  100  valves  and  for  conditions  for  AIRVAC systems in the USA. Different manufacturers may recommend different lists. 

    

6.6. Summary There is ongoing debate on how intense O&M is necessary in vacuum sewer systems due to different opinions, preferences and experiences. The section presented  the  different  aspects  of  operating  and  maintaining  a  vacuum sewer system and provided an overview over the required tasks and skills. Without  a  doubt  the  O&M  of  a  vacuum  sewer  requires  sound  technical knowledge, clear ownership and responsibility and proactive attitude. While 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 46 | 82

User friendliness good  design  can  facilitate  O&M,  adequate  training  of  operators  is imperative.  Adequate  planning  of maintenance  activities,  sufficient  spare parts  stocks,  the  development  of  a  maintenance  plan,  thorough  record keeping  and  troubleshooting  systems  are  crucial  for  the  sustainable operation of a vacuum sewer system.  

7. User friendliness

The vacuum  sewer  system contains mechanical and electrical components which  require  supervision  and  management.  Generally,  the  more technological components a system has the more prone it is to failures and therefore needs more attention. Vacuum  sewer  systems  can  facilitate  the wastewater  service  provision  in many ways.  First  of  all,  the  operator  can identify system failures very easily. As the differential pressure generated by the vacuum pumps is the driving force of wastewater transport any leaks in the transmission lines or damages to the valve units result in the increase of pump running time and energy consumption which can be observed at the vacuum  station  and  can  even  be  monitored  in  real‐time  using  online monitoring  and  communication  tools.  Thus,  technical  staff  can  quickly identify and resolve system failures.  

A special feature of the vacuum system is the fact that it is a closed system. Thus, exfiltration into the environment is very unlikely. Exfiltration would be caused by leaks or ruptures along the conduits in other sewer systems, but as  the  vacuum  system  is under  lower pressure  than  the environment, no exfiltration  can occur. However, any  leaks would make  it very difficult  for the vacuum pumps to generate sufficient vacuum  in the system due to the inflowing  air.  In  absence  of  differential  pressure  no  wastewater  can  be transported. This is the main reason why vacuum lines can be placed in the same  trenches as  the drinking water mains and  that makes  it  suitable  for water  protection  areas  or  areas  with  high‐groundwater  tables.  These features  facilitate  installation  and  servicing  of  the  network  for  every stakeholder, especially when  the water service provider  is  the same entity as the wastewater service provider which very often is the case.  

Although  damages  to  the  pipes  can  occur  they  remain  very  rare.  In  a comparative  study Kruk  [23]  found  that more  than 80 % of  failures  in  the vacuum system occur at the collection chambers (valve pits) (Figure 15) and only  few are  reported  for  the  conduits. The most  frequent  failures at  the collection  chambers  were  associated  with  the  opening  and  closing mechanisms of the valve and flooding of the valve control unit (92 %). These failures are most likely to be caused by inadequate user behaviour, such as flushing of objects which are too big to pass the valve or which can damage the  valve  components  (e.g.  sharp objects  can pierce  the membrane).  The study by Günthert [11] confirms this. The researchers concluded that 70% of all blockages are caused by users flushing objects which damage the valve or 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 47 | 82

User friendliness block the pipes. Tackling this issue can be facilitated by preventive action by educating  and  informing  users  connected  to  the  vacuum  sewer.  Around 10 % of system failures can be accounted to the vacuum station where the majority of defects are caused by power failures. With the vast majority of system failures occurring at easily accessible points, repair and maintenance procedures become significantly easier for the operating entity. For gravity sewer  systems  manholes  remain  indispensable,  since  almost  all  failures occur at  the  conduit  components of  the  systems  (Figure 15). The need  for manholes  is eliminated  in vacuum sewers making maintenance and repairs easier and safer for technical staff [24]. In case of a defect related to a leak or  rupture  of  the  pipes  the  staff  can  easily  locate  the  error  by  using  the monitoring  system and/or  the division and  inspection valves and  the  staff does not get into contact with wastewater.  

Figure 15: Comparison of elements most susceptible to failure in different sewer systems; diagram based on [23] 

Another advantage of such a  limited number of potential failure sources  is the shortened reconditioning time. If the point of error can be located easily then  this  reduces  the  amount  of  time  to  resolve  the  problem.  Figure  16 illustrates the shorter reconditioning time for vacuum sewers compared to pressure or gravity sewer systems. More than 60 % of failures are resolved within one hour and 86 % of failures can be removed within 2 hours. 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Vacuumsewer system

Pressuresewer system

Gravity sewersystem

% of failu

res

Collection chamber withvacuum interface valve /small pumping station /service connectionmanhole

Vacuum network / Pressurenetwork / Gravity network

Vacuum station

Transit pipes

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 48 | 82

User friendliness

  Figure 16: Reconditioning time for different sewer systems [23] 

Another  indicator for the user friendliness and the operational reliability of vacuum  sewers  is  the  Mean  Time  Between  Service  Calls  (MTBSC).  It  is determined by dividing the number of valves by the number of service calls (emergencies) within a year. This means a  system with 100 valves and 10 service  calls  in  one  year  would  have  a  MTSBC  of  10  years.  The aforementioned  Operator’s  Survey  of  49  systems  in  the  US  revealed  an average MTBSC of 5.1 years with values ranging from 2 to 27 years [22]. This is a significant improvement compared to the MTBSC of 2.2 years (range: 1 to 22.5 years) determined by  the U.S. EPA  [13]  for 6 older vacuum  sewer systems.  This  strong  increase  highlights  the  technical  and  management improvements  made  over  the  years  resulting  in  increased  reliability  of vacuum sewer systems.  

Under normal operation the user should not notice any difference between being  connected  to  a  gravity  system  or  a  vacuum  sewer.  However,  one significant  difference  lies  within  the  potential  implications  of  system failures. While gravity systems are designed along a slope there is only one direction the wastewater can be transported and any failures do not affect the building but  system  sections  further downstream.  In contrast, when a vacuum valve  is malfunctioning  in a way that evacuation cannot be carried out and no check‐valves are installed in the collection chambers, sewage can backflow  into the house connections and  finally  into the building. This can be easily prevented by ensuring the installation of check‐valves.    

Another  aspect  that  might  affect  users  and  residents  is  related  to  the vacuum station. Since the vacuum station is usually located within or in the vicinity  of  the  service  area,  people  living  close  to  the  station  could  be affected by odours and noises emerging from the station if the system is not well  designed  and  respective  measures  are  omitted  (e.g.  appropriate aeration of  the biofilter)  [11]. The  aesthetic aspect of  the  vacuum  station can also lead to discomfort of residents.   

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 49 | 82

Cases for application QUICK PICKS: 

- Faults in vacuum sewers mainly occur at the vacuum valves and the station => easily  accessible    and  thus  safer  and more hygienic  for operational staff 

- Localisation of faults quickly possible  = > Short reconditioning time 

- Odour  and  noise  from  vacuum  station  are  main  concerns  for residents  

8. Cases for application

The  chapters  above  present  the  technical  aspects  of  a  vacuum  sewer network. The differences between conventional gravity sewers and vacuum sewers  are  quite  significant.  Thus,  the  ‘alternative wastewater  collection system’ has its strengths in other areas of application than the gravity sewer concept.  

In vacuum sewers the driving mechanism is air rather than water. Thus, less water  is required to convey the sewage to the treatment plant. This makes the vacuum technology a good choice  in water scarce regions where water saving  has  great  impact.  Gravity  based  sewers  require  larger  water quantities  to  wash  away  all  the  waste  contained  in  sewage.  This  is  the reason why  combined  sewers  also  collect  storm water. Where  separation into  sanitary  sewer  and  storm  water  drainage  is  desired  (or  required) vacuum  sewers  are  a  good  choice  since  they  can  transport  wastewater efficiently with  little water. The  role of vacuum  sewer  in  integrated water management concepts is described in more detail in Chapter 10.     

Besides  requiring  a  significant  amount  of  water  gravity  sewers  face  the challenge to rely on a constant slope of minimum 2%. If the gradient cannot be provided by the terrain conditions, excavations have to reach very deep. Additional  lift  stations  might  be  required  to  elevate  the  wastewater  to higher  levels  into a new pipe  section which once again provides  sufficient slope.  This  is  a  common  problem  in  areas  with  flat  terrain.  High groundwater  tables  can  also  pose  a  challenge  to  the  construction  of  a gravity sewer since dewatering might be required during construction. Since vacuum sewers do not rely on gravity and differential pressure is the driving force of transportation they are very suitable for flat areas. Vacuum sewers can even accommodate small  inclinations and overcome small height. And since the lines can be placed in low depths vacuum sewers are also suitable for areas where high groundwater and rocky or sandy soil conditions pose challenges to deep excavation. 

This  advantage  of  shallower  and  less  complicated  excavations  has  a significant cost saving potential. Additional savings can be achieved through 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 50 | 82

Reference projects the  shorter  construction  period.  Municipalities  which  face  budget constraints  but  require  an  investment  in  their  wastewater  infrastructure might find the option of a vacuum sewer attractive. 

A  significant  characteristic  of  the  vacuum  sewer  system  is  the  fact  that exfiltration is detected immediately. The system is closed and tight and any leak will directly result in loss of vacuum and increased pump runtime which is noticed by the operator. Larger damages can even result in a total stop of sewage transport. Vacuum lines are considered safe enough to be placed in the  same  trench  as  drinking water  lines.  Leakages  in  conventional  sewer systems  often  go  unnoticed  and  untreated  sewage  leaks  into  the environment. Elaborate and costly measures are necessary to minimise the risk of exfiltration for conventional systems. The environmental safety of the vacuum sewer makes it a good choice for ecologically sensitive areas as well as areas with protected groundwater resources.  

In gravity sewers,  infiltration of stormwater and groundwater  is a frequent issue as well. Thus, clean water is mixed with the sewage and increases the costs  for wastewater  treatment significantly. As  the vacuum sewer system has  to  be  tight  to  operate,  infiltration  should  not  occur.  Therefore  this system  has  advantages  in  areas  with  high  groundwater  table  and  areas prone to flooding. 

Exemplary  cases  for  application  include  coastal  areas  which  are  often characterised  by  flat  terrain  and  high  groundwater  tables.  Thus,  vacuum sewer systems can pose a viable sewer option for coastal communities.          

Another application  can be  found  in  the drainage of  seasonal  settlements such  as  recreation  areas,  camping  sites  etc.  where  the  number  of dischargers varies over the year. Gravity based systems face the problem of sedimentation  if the  line  is not flushed regularly. Due to the high transport velocities this is not a problem in vacuum sewers making it a good choice for seasonal operation.    

9. Reference projects

Vacuum sewer projects have gained  increasing  interest over the years. The first modern  systems were  implemented  in  the  1970s  and  the  number  is constantly  growing.  Growing  operational  experience  and  increasing awareness on  the  strengths of  this  sewer alternative has  led  to a growing number  of  implemented  vacuum  sewer  projects.  Figure  17  displays  the number of projects  in several countries realised by the two biggest system providers,  AIRVAC  and  ROEDIGER,  until  the  year  2008.  The  majority  of systems have been  implemented  in USA and Germany  followed by  Japan, France,  the UK,  Australia,  Czech  Republic  and  Poland.  Additional  projects have  been  realised  since  then.  The  other  aforementioned manufacturers have also realised many projects in many parts of the world. 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 51 | 82

Reference projects

Figure 17: Number of vacuum sewer projects implemented by ROEDIGER and AIRVAC (now Aqseptence Group) between 1973 and 2008 [25] 

With several  thousand systems  implemented worldwide  it  is  impossible  to provide detailed information about each system. The following sections will present more  information on  successful vacuum  sewer projects as well as on sewer systems which experienced challenges.  

Although most projects  involving the vacuum sewer technology have been successfully  implemented  and  are  running  well  some  cases  exist  that highlight  the  need  for  careful  planning,  operational  and  maintenance procedures as well as organisational structures. 

The German  community of  Ernsgarden  in Bavaria  implemented  a  vacuum sewer system in 1978 due to the flat terrain in the Donau Valley. Ernsgarden is  home  to  around  1,700  people  and  has  experienced  ongoing  problems with  its  17  km  long  sewer.  During  strong  rainfall  events  and  when groundwater  tables  rise  the  risk of  introduced water  is very high. Further, the  community  realized  a  high  susceptibility  to  failures  especially  due  to false user behaviour. This  resulted  in  increased personnel deployment  for repair and maintenance and thus higher operational costs. The community has been  looking  into replacing the system with a pressured sewer system but has come to the conclusion that it is cheaper to refurbish and optimise the existing vacuum sewer system  to  lower  the operational costs  [26, 27]. The  case  shows  that  the  education  of  users  is  crucial  for  the  sustainable operation of a vacuum sewer. Further, the example of Ernsgarden highlights the need for comprehensive refurbishment after a long period of operation.  

Vacuum  sewers  are  not  limited  to  Europe  or  the  USA.  Its  potential  cost advantages, flexible design character and low‐impact construction make the technology  a  considerable  alternative  in  low‐income  areas.  In  Kosovo,  an 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 52 | 82

Reference projects informal  settlement  in  South  Africa’s  Cape  Town,  a  vacuum  sewerage system  was  completed  in  2009.  In  an  area  where  flat  terrain,  high groundwater table and sandy soils dominate, the  involved consultants and municipal officers viewed  the vacuum  technology as appropriate  [28]. The completion of 354 communal full‐flush toilets  in 43 blocks  in 2009 posed a smart solution to the demands of Kosovo’s growing population and growing drainage  problems  due  to  the  low‐impact  installation  with  shallower trenches,  fewer  pumping  stations  required  and  less  residential  relocation compared  to  conventional  gravity  systems. Unfortunately,  the  system has continuously been hampered by poor management from both the end users (Kosovo  residents)  and  the  service providers  [19].  Items  such  as bricks or sharp  objects  like  cutlery  led  to  clogging  and membrane  rupture  at  the valve.  In  addition,  disposal  of  fats  and  dirt  by  the  end‐users  caused malfunctioning  in  the  sensor  controllers.  As  a  consequence  of  the  valve failure  to  open  and  close  properly  the  valve  pits  over‐filled  and  sewage regularly spilled out onto the ground and around the toilet blocks. Vacuum pumps overworked due to air leakages and the valve pits were used as 40 L conservancy  tanks  emptied  three  times  a week.  The  acquisition  of  spare parts proofed to be expensive and time‐consuming due to the unavailability of  local  providers.  All  parts  had  to  be  purchased  from  the  German manufacturer. The technical problems arose from inadequate management and  responsibility.  In  hindsight  the  municipality  lacked  the  technical knowledge and capacity to operate and maintain such a complex system as the vacuum sewer system. Operation and maintenance (O&M) trainings for the technical staff have not been carried out until the commissioning of the system. O&M manuals were not given to the relevant staff who had to find out how to operate the system using trial and error.  

Insufficient  attention  was  given  to  the  social  context  of  an  informal settlement  where  solid  waste  disposal  is  insufficient  and  residents  use sanitary infrastructure to dispose of other wastes. Education and awareness programmes  targeted at  the end users have been neglected. Additionally, the high staff turnover and municipal restructuring made it difficult to hold anybody  accountable  for  the  failures  and  responsible  for  resolving  the problems.  The  lack  of  communication  and  coordination  between  the relevant  departments  of  the  City  of  Cape  Town  resulted  in  the  lack  of project  ownership.  The  Department  of  Development  Services,  initially responsible  for  the  project,  was  closed  down  in  2007.  Personnel  were dispersed  to other departments and  the O&M of  the vacuum  system was transferred to the Water and Sanitation Informal Settlements Unit (WSISU) in 2009.  

Similar  experiences  were  made  with  several  vacuum  sewer  systems  in Namibia. The local authorities of Ondangwa, Gobabis, Henties Bay, Kalkrand and  Stampriet each  implemented  a  vacuum  sewer  in  the period between 2001  and  2010.  Vacuum  sewers were  selected  due  to  the  potential  cost 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 53 | 82

Reference projects savings  in flat terrain and sandy soils. However, the  local operators faced a series  of  operational  and  organisational  challenges.  The  vacuum  sewer  in Gibeon was not operating anymore after only 4 years. Where alternatives are  available  the  authorities  reconnect  the  houses  to  the  gravity  sewer system or replace the vacuum sewer with another systems [8]. In Ondangwa and  Stampriet  it  was  decided  to  reconnect  the  houses  back  to  the  old gravity sewer.  In 2012 a vacuum sewer was  implemented within the scope of a demonstration project on integrated water management in Outapi. The system is still operational; more information can be found in Chapter 10.  

Another example of a vacuum sewer  is  the  first vacuum sewer  installed  in New Zealand that was commissioned  in Kawakawa Bay, Auckland,  in 2011. The  popular  holiday  area  used  to  discharge  the  wastewater  of  200 permanent and additional 800 temporary residents via septic tanks into the ocean.  This  led  to  polluted  coastal  waters  and  beaches  unsuitable  for recreational  swimming  or  fishing.  Manukau  Council  looked  into  various sewerage  systems  but  selected  the  vacuum  sewer  due  to  environmental, economic  and  operational  benefits.  The  installation  has  led  to  dramatic improvements  in marine water  quality  and warning  signs  could  be  taken down only one year after the vacuum sewer started to operate [29, 30].    

The experiences  in Auckland  convinced  the public utilities  in Christchurch, New Zealand. The city’s  infrastructure  is still affected by the damages from the earthquake in 2011 and frequently experiences heavy earthquakes, such as in February and November 2016. The authorities considered the vacuum sewer to be the best solution to respond to future earthquakes and to the large damages caused by previous ones [31]. The system which  is designed to serve 2,700 households is in the final phase of construction. 

In 2008 the municipal council of the city of Walldorf decided to implement a vacuum sewer system  for 140 units  in the development area Walldorf‐Süd as wastewater  infrastructure. Between  2010  and  2012  the  area has been developed  and  since  then  the wastewater  is  collected  using  the  vacuum sewer.  Between  2013  and  2015  the  area  ‘Östlich  der  Waldstraße’  in Böblingen‐Dagersheim  was  developed.  25  existing  units  and  80  newly developed  units  were  connected  to  a  vacuum  sewer  which  is  operating since 2015.  

The  applicability  of  vacuum  sewers  is  not  limited  to  new  developments. Vacuum  sewers  can be  installed  in pipes of  existing  sewer networks.  The small  pipe  diameter  and  the  low  risk  of  leaks  allow  for  a  high  degree  of flexibility and  since  the channels or pipes already exist, construction costs can  be  saved.  When  an  old  gravity  sewer  would  require  extensive  and expensive  refurbishment  or  the  municipality  decides  to  switch  from  a combined  sewer  to  a  system  where  wastewater  and  storm  water  are drained  separately vacuum  sewers  installed  in  the existing  sewer network can  be  a  good  solution  to  save  costs.  This  has  been  successfully 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 54 | 82

Vacuum sewers as part of an

integrated water management

concept

implemented  in  the small German municipality Schwalmtal – Rainrod with 140 connections and the system is operating since 2011 [32]. 

Figure 18: Vacuum pipe installed in existing channels; the PE pipe is attached to the wall of the channel [32].

When  a  combined  sewer  is  replaced  by  a  vacuum  sewer  network  the challenge arises that the existing water infrastructure at the house needs to be separated since wastewater and rain water feed into the same pipes. The rain gutter is usually connected to the house connection under the building which  leads  to  the  sewer.  This  is  a  challenge  in  already  developed  areas when  existing  dwellings  are  connected  to  a  vacuum  sewer.  Every  house connection needs to be surveyed individually at all access points [33] and a new pathway for storm water flow is required while on the other hand the wastewater will be directed to the vacuum pit.   

 

10 Vacuum sewers as part of an integrated water

management concept Efforts  to  recycle  water,  energy  and  nutrients  from  wastewater  streams have  been  subject  to  research  worldwide  and  numerous  demonstration projects have been  implemented. The vacuum sewer system  is considered as  a  suitable  option  in  order  to  separate  wastewater  at  the  source. Especially when  targeting nutrient  recovery  from wastewater  streams  it  is essential  to  concentrate  nutrient  rich  waters,  such  as  black  water  from household  toilets  or  other  sources  with  high  nutrient  load,  in  order  to increase efficiency of the recycling process. The same applies to the process of  energy  recovery  from wastewater.  The  higher  the  organic  load  of  the wastewater  the  higher  is  the  energy  yield  (most  commonly  in  form  of biogas).  Therefore  it  is  crucial  to  find  ways  of  separating  the  different 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 55 | 82

Vacuum sewers as part of an

integrated water management

concept

streams of wastewater. In conventional wastewater planning, serviced areas are drained  in  combined  sewers where  storm water  runoff and municipal wastewater  are  brought  together.  The  nutrient  and  organic  load  in  these mixed waters  are  highly  diluted making  recovery  of  nutrients  and  energy extremely  inefficient.  Therefore,  using  separate  drainage  methods  to transport  wastewater  and  storm  water  can  increase  the  efficiency  and viability  of  recycling  processes,  as  well  as  the  overall  sustainability  and environmental performance of the wastewater transport and treatment.  

Vacuum  sewers pose a viable wastewater  transportation  system  since  the dominant  transportation  medium  is  air  rather  than  water.  This  can  be especially beneficial  in  combination with  vacuum  toilets which only use  a fraction  of water  conventional  flush  toilets  require.  Also,  in  areas  facing water  stress  and with  limited water  availability  vacuum  sewers  can  be  a good  sewage  transportation  system. Especially  in  the Middle East  (United Arab Emirates, Qatar, Bahrain, Oman), vacuum sewer systems become more and more popular due to easy and fast  installation along with water saving effects and numerous projects have already been realised [34].  

In a comparative study, Kjerstadius et al. [35] investigated the potential for energy  and  nutrient  recovery  from  wastewater  and  food  waste  under different  treatment  schemes.  The  researchers  compared  the  output  in terms  of  biogas  and  recovered  nutrients  under  conventional  schemes (gravity sewers and waste collection by truck) as well as with source control systems  which  separated  the  different  waste  streams.  Both  gravity  and vacuum sewer systems were analysed. The study concluded  that methane production as well as phosphorous and nitrogen recovery were highest for systems  that  involved  vacuum  sewers. Nutrients were  recovered  through ammonia stripping and struvite precipitation. Although the systems differed in  some  treatment  stages  it  was  obvious  that  vacuum  based  systems achieved  the highest potential  recovery due  to  separation of black water, greywater and food waste at the source, leading to higher concentrations of organics  and  nutrients.  For  instance,  phosphorous  recovery was  up  to  23 times  higher  with  source  control  than  under  conventional  treatment schemes  [35].   The Cuve Waters Project aims at demonstrating the potential of  integrated water  management  in  rapidly  growing  informal  settlements  in  Outapi, Namibia.  Like most  parts  of  the  country Outapi  faces water  scarcity  and challenges to provide water based service to the community. The sanitation and water  reuse component of  the project  implemented a new  sanitation concept for around 1,500 residents in 2012. Communal washhouses, cluster units and  individual houses were connected  to  the vacuum  sewer  system. The sandy soils and flat terrain made the vacuum sewer the most economic wastewater conveyance option. The 66 collection chambers were  installed along the 1,525m vacuum network [36]. The installation of flush toilets with 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 56 | 82

Vacuum sewers as part of an

integrated water management

concept

little water consumption drove the selection of the vacuum technology. At the  treatment  plant  the  water  is  at  first  treated  anaerobically  in  an anaerobic treatment process where biogas  is harvested.  In the subsequent aerobic  treatment  the  suspended  solids are  removed. The water passes a rotating  biological  contactor,  a  clarifier  and  a micro  strainer.  Finally,  the water is disinfected by UV radiation. The sludge is thickened in a fermenter and dried in drying beds for subsequent use as soil conditioner. The treated water is collected in a pond and used as irrigation water (see Figure 19).  

The project increased the access of the local population to sanitary services. Diarrheal diseases dropped by 46% and open defecation decreased by 20%. The  implementation  also  resulted  in  increased  agricultural  activity  and higher yields through the use of reclaimed water. Further benefits included the biogas yield which was sufficient to run the treatment infrastructure and the creation of additional employment opportunities [37]. 

Figure 19: Layout of the sanitation and reuse concept in Outapi, Namibia [37].

 An example of a demonstration project for integrated water management in Germany  is DEUS  21. DEUS  stands  for DEcentralised Urban  Infrastructure Systems and the project was initiated in Knittlingen, Germany, in 2005 by a consortium  under  the  lead  of  the  Fraunhofer  Institute  for  Interfacial Engineering and Biotechnology IGB. DEUS 21 was designed to demonstrate an  innovative,  flexible  and  efficient  approach  to  semi‐decentralised  and integrated urban water management  in a newly developed residential area accommodating around 100 households.  

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 57 | 82

Vacuum sewers as part of an

integrated water management

concept

Figure 20: Schematic overview on how water management was designed in DEUS 21 with vacuum sewers being the selected technology for wastewater conveyance [38]

In some of the households, vacuum toilets (figure 21) were  installed which resulted  in  a  further  reduction  in  water  usage.  The  concept  included  a vacuum sewer for wastewater transportation. A vacuum sewer was selected because  it  can  operate  efficiently  with  little  water.  Some  houses  also connected a shredding garbage disposal unit which was also connected  to the  vacuum  sewer  and  thus  increased  the  organic  load  carried  in  the wastewater. Not all households decided to install vacuum toilets or garbage disposers due to the current high investment costs. Each device has a capital cost of around 1,500 €1 and thus the amortisation period  is relatively  long. However,  it was  the goal of  the project  to demonstrate  the  integration of different  concepts  to  close  nutrient,  energy  and  water  cycles.  The wastewater  was  collected  at  a  nearby  station.  The  station  served  as  a vacuum station as well as a compact treatment plant. Here the wastewater was  biologically  treated  using  a  modern  membrane  bioreactor  under anaerobic conditions which also allowed the generation of biogas.    

 

 

 

1 Under German market conditions

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 58 | 82

Vacuum sewers as part of an

integrated water management

concept

 

One  of  the  earliest  projects  involving  vacuum  sewers  in  integrated water management  was  implemented  in  Lübeck‐Flintenbreite  in  Northern Germany in 2000. 30 residential units have been constructed for around 116 residents. The concept is designed to allow an integrative holistic approach to  infrastructure  services  with  a  focus  on  water  and  wastewater infrastructure. The houses are equipped with vacuum toilets which require only 0.7‐1.2 L per flush. After initial problems the users adopted the vacuum toilets very well. The water consumption per capita  in Flintenbreite  is well below the average water consumption  in Germany. Additionally, shredders were  installed  in  the kitchens and  together with  the black water  from  the toilets  the  organic waste  is  transported  to  a  local  treatment  facility  via  a vacuum  sewer network. At  the  treatment  facility biogas  is  generated  and used  for  local  electricity  and  heat  provision.  The  greywater  from  kitchen, bathrooms etc.  is transported to a constructed wetland where  it  is treated and eventually discharged to a local creek [39, 40].  

The  city of Pfaffenhofen  an der  Ilm designed  a mixed  residential  area  for ecologically  and  socially  healthy  living  conditions.  The  project  is  currently under  construction.  The  so‐called  Eco‐Quarter  aims  at  using  modern concepts of energy and water management. A key component of the project is  the  vacuum  sewer  system  as  it  facilitates  the  separation  of  different wastewater streams. The network is 4 km long and designed to serve 1,100 people  plus  the  connected  small  commercial  area.  The  system  includes  a new type of collection pit where black water and grey water are separately collected in the same vacuum pit (Figure 22). Greywater will be transported to  a  constructed  wetland  where  it  is  treated  for  subsequent  reuse  in 

Figure 21: Left: Garbage disposal unit in kitchen sink; Right: Vacuum toilet [1]

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 59 | 82

Vacuum sewers as part of an

integrated water management

concept

irrigation  in  the  community  gardens  or  stored  for  other  potential applications in the households (e.g. toilet flushing or gardening) [41, 42].  

Figure 22: Black water and grey water are separately collected in separate collection sumps within the same collection pit of the vacuum system [42]

A  similar  approach was  realised  in  the  newly  developed  residential  area Jenfelder  Au  in  Hamburg.  The  local  water  utility,  Hamburg Wasser,  has realised  the potential of  separate wastewater  streams  and developed  the Hamburg Water  Cycle.  The  approach  aims  at  closing  nutrient, water  and energy cycles by utilizing the individual characteristics of black, grey and rain water.  The  innovative  concept  was  applied  to  the  quarter  Jenfelder  Au which  provides  space  for  around  630  apartments,  home  to  around  2,500 people.  Grey water  from  kitchens  and  bathrooms  is  treated  at  the  local depot and made available again to the  local water cycle or  is discharged to local water bodies. On the other hand, the black water from vacuum toilets, which require only 1 L of water for flushing, is transported to the depot via a vacuum sewer network where it is treated anaerobically in order to produce biogas  that  is  subsequently  used  for  heat  and  electricity  generation  [43]. Regarding rain water the area provides plenty of green spaces for infiltration as well  as  detention  basins which  hold  back  excess  rain water.  The  high degree of sealed surfaces is a problem in many urban areas since rain water becomes surface runoff which can pose a risk of flooding and can potentially overload the  local drainage  infrastructure. Jenfelder Au is planned  in a way that rainwater can infiltrate into the ground or provide water for the ponds, lakes  and  other  landscape  elements.  This  results  in  aquifer  recharge  and reduced flood risk for the local river. 

Jenfelder  Au  is  accompanied  by  a  research  project  named  ‘KREIS  – Versorgung  durch  Entsorgung’  (eng:  ‘supply  by  disposal’)  [14]. During  the examination of the vacuum sewer network, which conveys only black water, incrustations  on  the  inside  of  the  pipes were  detected.  Due  to  the  high concentration of  the black water precipitation occurs. Fibres  from  food or hygienic paper  settle on  the  interior of  the pipe wall  as  an organic  layer. 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 60 | 82

Vacuum sewers as part of an

integrated water management

concept

Then  urease‐positive  bacteria  grow  on  the  biofilm  and  increase  the hydrolysis of urea contained in the black water. As a result of the change in pH the chemical solubility of calcium‐phosphate, carbonate compounds and ammonium magnesia phosphate changes and precipitation products  form. Crystalline  structures  with  high  stability  form  which  provide  further breeding ground for bacteria [14]. Factors which contribute to the formation of  incrustations  include  existing  incrustations,  temperature,  leaks  and surface roughness. Water hardness also contributes to incrustations but has proven to be a minor factor. The compounds contained in black water have a greater impact. It is also important to consider the flow velocity which is a function of the pipe diameter. If the pipe is too large the transport velocity is  reduced  which  facilitates  the  formation  of  incrustations. Measures  to prevent or  remove  incrustations  include high pressure  flushing and  timely maintenance  and  cleaning  activities. Additional  access points  for  servicing need to be provided.  

A different challenge arises when vacuum  sewers are  supposed  to  service high‐rise  buildings.  The  large  flows  which  can  occur  in  multi‐storey residential buildings can overwhelm  individual valves. Thus,  it  is  important to adjust  the  flow. One approach  to  tackle  this  issue  is  the provision of a buffer tank of sufficient volume. A configuration with multiple valves is also possible. For large buildings several buffer tanks or even several connections can  pose  a  solution  to  large  wastewater  volumes.  Another  approach involves the separation of black water and grey water. Greywater makes up more than 50% of the daily wastewater flows [45]. Compared to black water greywater can be treated much easier as it contains less organic pollutants, nutrients  and  bacteria.  The  treatment  of  grey  water  in  a  fluidised  bed process can be considered state‐of‐the‐art, as there are plants operating for 10 years in Germany [44].  

While the vacuum sewer could be used to transport the black water to the treatment plant grey water could be treated and reused onsite. While this can  be  challenging  to  implement  in  existing multi‐storey  buildings  newly planned buildings  should  consider  the  local  treatment and  reuse  concept. Clarification  is needed on  the cost compensation  for  the  initial  investment costs  for  additional  pipework  and  the  decentralised  treatment  facility.  In Germany,  the  extra  costs  for  a  second  pipe  network  and  a modern  grey water treatment have been estimated to be around 20 € per m2 living area for new multi‐storey buildings. The area demand for the treatment plant  is around 0.1 m2 per  inhabitant  [44]. This approach  could effectively  reduce the  amount  of  wastewater  and  simultaneously  reduce  the  fresh  water demand of  these buildings.  In some countries, such as Vietnam, black and greywater  are  traditionally  collected  separately  and while  black water  is often  partially  treated  in  onsite  septic  tanks  greywater  is  commonly discharged  into  the  environment  without  further  treatment  [46].  This 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 61 | 82

Critical issues for building and

operating a vacuum sewer system

existing  separation  can be a good basis  for  the development of  recycling‐oriented water management concepts including source separation. 

The  aforementioned  examples  pose  a  selection  of  projects  where  the vacuum  sewer  technology  has  been  implemented  as  a  component  of  an integrated water management concept. Most of these projects  involve the separation  of  black water,  grey water  and  rainwater which  is  commonly collected, treated and perceived as one single stream. The projects highlight the  advantage  of  the  vacuum  sewer  technology  in  collecting wastewater while  requiring  only  a  small  amount  of water which makes  it  a  suitable technology  to convey black water. The  transported black water has a high concentration of organic matter which is ideal for the production of biogas.  

 

11. Critical issues for building and operating a vacuum

sewer system

11.1. Pros and Cons Vacuum sewers pose an alternative to conventional gravity systems. Many features of vacuum sewers can lead to significant benefits over other sewer systems. However, despite  its  flexibility  a  vacuum  sewer does not pose  a solution  to  every  problem.  This  section  summarises  the  advantages  and disadvantages  vacuum  sewers  can  have  compared  to  other  sewer technologies.  It  should be noted  that what  is perceived  as  ‘advantage’ or ‘disadvantage’  is partly  subjective and  this  list  is a  summary of  commonly perceived pros and cons of vacuum sewers. Other factors might be relevant on either side, for example due to local conditions. 

 

 

Table 13: Summary of advantages and disadvantages of vacuum sewers

Advantages  Disadvantages

Considerable savings potential in investment costs for construction  

Expert design is needed 

Shorter construction period  Needs energy to maintain vacuum 

Shallow and narrow trenches   Skilled operators are required –training necessary 

Less water is needed for transport  System is more vulnerable to vandalism due to more accessible 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 62 | 82

Critical issues for building and

operating a vacuum sewer system

to centralised treatment facility  components 

Flexible pipeline construction independent from topography 

Network length is limited 

No manholes are required   Valves are sensitive to faults and flushable objects 

One central vacuum station replaces several pumping stations; only one point of electricity consumption 

False user behaviour can limit the performance  

Fault detection is quick  System components not quickly available everywhere

Safe and hygienic work environment for operator 

Faults at individual valves can affect the entire systems 

Leakages from pipes are limited and easily detectable 

Knowledge about the system not widely distributed yet (planners, decision makers, construction companies etc.) 

Installation in the same trench as water supply lines possible 

Number of system providers limited 

High scouring velocities do not require additional pipe flushing  

 

Applicable in water protection zones   

No infiltration of storm water or groundwater due to tight system 

 

  

11.2. Critical features

11.2.1. General

Planning & Construction 

- System  should  be  designed  by  experts  such  as  planning  engineers  or system providers. 

- Responsibilities  and  organisational  structure must  be  clarified  among the different actors. 

- Future plans and demographics need to be considered in the design.  - Education and awareness campaigns from the start for end‐users. - Political will is crucial for the success of the project. 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 63 | 82

Critical issues for building and

operating a vacuum sewer system

- Supervision during construction is important. - Selection of reliable and trustworthy contractors.  - In  case  accurate  data  is  unavailable  100‐150  L/person/day  and 

0.005 L/person/s should be used to estimate the potential wastewater accumulation  and  flow  in  the  service  area;  this may  vary  strongly  in different regions of the world.  

- Vacuum  sewer  systems  should  take  into  account  considerations  of future  demographic  and  development  trends  and  thus  the  system should  be  designed  with  sufficient  capacity  to  enable  additional connections and extensions in the future.  

Operation & maintenance 

- Maintain close relationship with manufacturer. - Operational  staff  should be  trained  according  to  the high demand on 

technical  knowledge;  3‐6  months  of  training  during  start‐up  phase should be considered in planning and budgeting. 

- Maintenance tasks should be carried out according to the planner’s and manufacturer’s  recommendations  documented  in  the  maintenance plan. 

11.2.2. Collection pits

Planning & Construction 

- Buffer  tanks  for  connections  with  continuous  large  amounts  of wastewater or  flows above 4 m³/h or population equivalents of more than 20 people to one collection pit. 

- Collection  chambers  evenly  distributed  along mains  –  long  distances without collection chamber should be avoided. 

- Large flows should occur closer to the vacuum station, not at the end of the network. 

- Gravity line from house to collection pit should be laid at a slope of 1:60 or steeper  

- Minimum pipe diameter should be 100 mm (PVC or PE). - Sump volume should consider space for back logs; total holding volume 

should be 25% of the expected daily  flow  (holding volume can  include volume form gravity line from house connection)  

- Measures to prevent infiltration of storm water or runoff (e.g. lids …). - Material selection according to expected load (e.g. traffic …). - Corrosion proof material to withstand any forces  likely to work on the 

material; inside smooth to allow self‐cleaning. - Sufficient  air  supply  in  the  pit  or  at  the  valve  –  external  breathers  if 

necessary. - Install check‐valves for house‐to‐pit connection. - Valve pit must be made explosion proof. - Monitoring  of  valve  pit  is  advisable  –  battery  powered  designs  are 

available. 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 64 | 82

Critical issues for building and

operating a vacuum sewer system

- Limit the number of houses connected to a valve pit (maximum 4). - Accepting  flow  from  other  systems  such  as  gravity  systems  is  to  be 

avoided. 

Operation & maintenance 

-  Air –  liquid  ratio  should be adjusted at  the vacuum valve as needed; lower ratios represent higher efficiency but operational experience has shown that L/A ratio varies between 3:1 – 15:1 depending on where the valve is located in the network. 

- Cycle volume is 35 – 60 L. - Provide for backup electricity. - Conduction of visual inspection according to maintenance plan. - Repair of faulty, blocked or broken pipes inside the pit. 

11.2.3. Interface valve

Planning & Construction 

‐  All  components  that  come  into  contact with wastewater  (e.g.  sensor 

pipe) must be resistant to wear. 

‐  In case of  large  flows, buffer  tanks or multiple valve setups should be 

considered.  

‐  Valve size should be selected according  to expected  flow; 3  inch  (~7.6 

cm) valves are commonly used. 

‐  Remote monitoring system at the valve pit is recommended. 

Operation & maintenance 

‐  Monitoring of pumps to determine any leaks and control costs. ‐  Maintenance  of  components  should  be  carried  out  according  to 

developed maintenance plan and manufacturer recommendations. ‐  The  valve  needs  to  remain  open  for  the  duration  of  one  batch 

evacuation, including sufficient time to draw in air; opening time can be adjusted at the valve. 

‐  Air  /liquid  ratio  should be  adjusted  as needed  according  to efficiency and economic aspects; the ratio should fall between 3:1 and 15:1. 

‐  Sufficient spare parts and units should be available to the operator. ‐  The  opening  mechanism  should  be  adjusted  so  that  the  valve  only 

opens if local pressure conditions are below ‐ 0.15 bar. - If  the bottom of  the chamber  is deeper  than 1 m below  the valve  the 

threshold  for  the  opening  mechanism  must  be  adjusted  to  lower pressures (< ‐ 0.35 bar). 

11.2.4. Vacuum lines / network

 Planning & Construction 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 65 | 82

Critical issues for building and

operating a vacuum sewer system

‐  The  largest pipe must  lead to the vacuum station; smaller pipes divert from the larger pipes (hierarchy of diameters). 

‐  It  is  recommended  that  the  system provider  instructs  the  staff of  the construction company regarding the construction of the network. 

‐  Division valves  should  separate different  service areas  for operational flexibility. 

‐  Total hydraulic lift should not exceed 6 m. ‐  Pipes should be laid with a slope of at least 0.2 % (1:500). ‐  Minimum distance between two lifts should be 6 m. ‐  Maximum lift height should not exceed 0.9 m. ‐  Lifts should be realised using two 45° fittings joined by a piece of pipe. ‐  Head  losses  and  friction  losses must  be  considered  during  design  as 

they govern the maximum length of the network. ‐  Pipe  material  should  be  resistant  to  chemical  and  biochemical 

influences that can result in corrosion as well as resistant to mechanical wear and  temperatures up  to 35°C  (or higher, depending on  the  local conditions). 

‐  Pipes,  fittings and gaskets need  to meet  the  requirements  to operate under the given pressure environment. 

‐  Joining  the collection chamber  to  the service  line should  take place at the  upper  part  of  the  service  line  at  an  angle  of  around  60°  to  the vertical axis and 55° to the direction of flow. 

‐  Joining the service line to a vacuum main should be done at an angle of 45° to the direction of flow. 

‐  Minimum distance between two joining pipes and a lift should be 2m. ‐  The depths in which the pipes are laid should consider seasonal changes 

in groundwater table, frost and other local conditions. ‐  Pipes  should be embedded  in  sand and  covered by a  liner, a  layer of 

gravel and the trench material. ‐  Division valves should be placed  in  intervals of maximum 450 m along 

the  vacuum  main  and  for  the  separation  of  lateral  lines  which  are longer than 200 m. 

‐  Gauge  taps  (inspection  pipes)  need  to  provide  for  the  insertion  of manometers,  and plugs  should be placed every 100 m  and before  as well as behind division valves. 

‐  Division and inspection valves need to be indicated. 

Operation & maintenance 

‐  When  black  water  is  transported  separately,  additional  cleaning  of pipes is required. 

‐  Vacuum conditions should be inspected regularly at inspection valves. ‐  Locations of division and inspection valves should be documented. ‐  Division valves should be used to carry out maintenance activities. 

11.2.5. Vacuum station

Planning & Construction 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 66 | 82

Critical issues for building and

operating a vacuum sewer system

‐  The  location of  the  station  should be  selected carefully,  ideally at  the lowest point of the service area.  

‐  Noise and odour disturbances for residents can emerge and preventive measures need to be provided. 

‐  A biofilter with sufficient capacity should be installed. ‐  The vacuum station should be protected from vandalism. ‐  Measures for  insulation, ventilation and heating should be provided at 

the station. ‐  The  number  of  vacuum  pumps  should  be  selected  so  that  normal 

operation can be ensured while one pump is offline. ‐  If multiple vacuum tanks are constructed the incoming mains should be 

equipped with cross connections and division valves. ‐  The  vacuum  tank  needs  to  be  equipped with  appropriate  sensors  in 

order to trigger the relevant processes  (e.g. pump activity) and alarms (e.g. low vacuum). 

‐  Vacuum tanks placed underground do not have to overcome additional height and thus more head is available for transport. 

‐  Access to the tank and its interior needs to be ensured for maintenance and cleaning. 

‐  The  number  of  sewerage  pumps  should  be  selected  so  that  normal operation can be ensured while one pump is offline. 

‐  The diameter of the  inlet of the sewerage pumps should be at  least as large as the diameter of the vacuum main. 

‐  If the  inlet  is smaller than the vacuum main a shredding device should be installed to shred large objects. 

‐  Wastewater pumps placed inside the vacuum tank need to be certified to operate under vacuum pressure conditions. 

‐  An  alarm  system needs  to be  installed which notifies  the operator  in case of alarms (e.g. via text message). 

‐  A  backup  electricity  supply  needs  to  be  provided  in  case  of  power blackout. 

‐  The development of a maintenance manual and schedule according to the manufacturer’s and planner’s recommendations is imperative. 

Operation & maintenance 

‐  Vacuum  pumps  should maintain  an  operating  pressure  between  ‐0.5 and ‐0.7 bar 

‐  Minimum recommended vacuum pump capacity is 4.3 m³/min. ‐  Vacuum pumps  should not  run continuously, but  should be able  to  in 

order to continue operation in special events. ‐  Vacuum pumps should be maintained according to the manufacturer’s 

instructions. ‐  The biofilter material needs to be exchanged every 3‐5 years. ‐  An adequate alarm system needs to be maintained.  

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 67 | 82

Summary & conclusion ‐  Appropriate maintenance  of  components  according  to  the  developed 

plan is crucial. ‐  Record keeping on data, tasks and inventory must be done thoroughly. 

12. Summary & conclusion Vacuum sewers are considered an alternative wastewater collection system and  whether  it  is  the  technology  of  choice  depends  on  a  multitude  of criteria  and  service  area  conditions.  The  presented  chapters  aim  at providing  adequate  information  to  decision  makers  and  other  actors involved  in  wastewater  service  provision  in  order  to  make  an  informed decision on whether vacuum sewers pose a viable option to a certain service area. 

Technical  improvements,  increased  operational  experience  and  the paradigm  change  towards  integrated  water  management  have  led  to increased  interest  in  vacuum  sewers  in  the  past  decades.  This  guide presents the relevant aspects regarding the concept, planning and operation of vacuum sewer systems. The strengths and weaknesses of the technology are  highlighted,  including  rough  cost  estimates  for  individual  components and  the  operation  and  maintenance  of  vacuums  sewers.  Applicability, investment and operational costs can vary significantly between regions and need to be assessed under  local conditions. Nevertheless a certain savings potential over other sewer systems exists for vacuum sewers. The potential use  of  vacuum  sewers  as  transport  technology  within  integrated  water management concepts is shown.  

In summary it can be said that all stages from planning and design to O&M require expert technical knowledge to ensure the sustainability of a vacuum sewer  project.  Vacuum  sewers  compose  of  many  mechanical  parts predominantly  in  form of the  interface valves and pump equipment at the vacuum station which can experience  faults  from  false user behaviour and inadequate  maintenance.  The  absence  of  this  expertise  and  clear organisational  structures  can  lead  to  severe  and  finally  to  irreparable damages, eliminating  the potential benefits vacuum  sewers can have over other  forms  of  sewerage  conveyance.  Therefore,  it  is  not  surprising  that until  now  the majority  of  vacuum  sewer  projects  have  been  realised  in Europe, the USA, Australia and  Japan where market actors and knowledge associated with the vacuum technology are well distributed.   

The major benefit of the vacuum sewer technology is the pipe network. The greatest  cost  savings are achieved here  through  shallow  trenches,  smaller pipe diameters  and high  layout  flexibility. Additionally,  the  environmental benefits  are  significant.  Leakage  is  very  rare  making  the  vacuum  sewer technology more suitable for areas where other sewerage systems need to 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 68 | 82

Summary & conclusion take extra precautions, such as in environmentally sensitive areas and water protection zones.  

However,  in  the  face  of  increasing  efforts  to  tackle water  related  issues, including  the provision of  sanitary  services, while  incorporating aspects of environmental,  social  and  economic  sustainability  the  vacuum  sewer technology should be considered as a possible option for future wastewater infrastructure projects.   

   

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 69 | 82

Summary & conclusion References1. Schluff R Entwässerungstechnik im Umbruch: Bemessung und Konstruktion der

Unterdruckentwässerung. In: Stuttgarter Berichte zur Siedlungswasserwirtschaft

1996, vol 140

2. Miles SW Alternative Wastewater Collcetion Systms Manual: WEF Press; New York

: McGraw-Hill; Water Environment Federation;2010, 6th edn.

3. DWA Besondere Entwässerungsverfahren: Teil 1:

Unterdruckentwässerungssysteme außerhalb von Gebäuden; 2008; Bieber,

Helmut; Dippold, Walter; Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser

und Abfall e.VEckstädt, Hartmut; Flick, Karl-Heinz; Howe, Harald; Jedlitschka,

Jens; Kleinschroth, Adolf; Klippel, Angela; Petersohn, Thomas; Roediger, Markus;,

Hennef

4. Naret R (2007) Vacuum Sewers - Design and Installation Guidelines: Course No C-

8015. http://www.airvac.com/pdf/Vacuum_Sewers_Design_Installation.pdf.

Accessed 15. December, 2016

5. Naret R (2008) Vacuum sewers 101. www.airvac.com/pdf/Vacuum Sewers

101.pdf

6. Islam MS (2016) Comparative evaluation of vacuum sewer and gravity sewer

systems. Int J Syst Assur Eng Manag. doi: 10.1007/s13198-016-0518-z

7. Sustainable Sanitation and Water Management (2012) Sewer Systems

(Powerpoint); http://www.sswm.info/content/vacuum-sewers; Accessed :

28.11.2016

8. Mäkinen M (2015) Operation of vacuum sewer system - case Ondangwa,

Namibia: Master of Science Thesis; Tampere University of Technology;

https://dspace.cc.tut.fi/dpub/handle/123456789/24063?show=full;

Accessed: 15.December, 2016

9. DIN Deutsches Institut für Normung (1997) Unterdruckentwässerungssysteme

außerhalb von Gebäuden; DIN EN 1091; Beuth

10. Little CJ (2004) A comparison of sewer reticulation system design standards

gravity, vacuum and small bore sewers: Proceedings of the 2004 Water Institute

of Southern Africa (WISA) Biennial Conference

11. Günthert FW, Cvaci D (2005) Vergleich von verschiedenen

Entwässerungssystemen; Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik; Universität

der Bundeswehr München

12. Buchanan J, Deal N, Lindbo D et al. (2010) Fact Sheet C4: Vacuum Sewer

Systems; Water Environment Research Foundation;

http://www.werf.org/i/c/DecentralizedCost/Decentralized_Cost.aspx; accessed: 15.

December, 2016

13. U.S. Environmental Protection Agency (1991) Manual: Alternative Wastewater

Collection Systems;

https://ntrl.ntis.gov/NTRL/dashboard/searchResults/titleDetail/PB93116259.xhtml;

accessed: 15.December, 2016

14. Giese T, Londong J (2015) Kopplung von regenerativer Energiegewinnung mit

innovativer Stadtentwässerung; Synthesebericht zum Forschungsprojekt KREIS;

Rhombos; Bauhaus-Universität Weimar

15. Water Environment Federation (2008) Alternative Sewer Systems FD-12: WEF

Manual of Practice, 2nd edn. McGraw-Hill Professional

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 70 | 82

Summary & conclusion 16. IWR - Ingenieurbüro für Wasserwirtschaft und Ressourcenmanagement (2016)

Investment costs for vacuum sewers; personal communication

17. Elawwad A, Ragab M, Abdel-Halim H (2014) Vacuum sewerage system in

developing regions and the impact on environemtnal management; Proceedings

of the 4th International Conference on Environmental Pollution and Remediation

18. Masteller & Moler I (2013) Sanitary Sewer Feasibility Study and Report for the

North Sebastian Area; Indian River County, Florida

19. Beauclair R (2010) Development and Disappointment: an Ethnographic Study of

Kosovo Informal Settlement's Water and Sanitation System Upgrade; Department

of Social Anthropology; M.A. dissertation, University of Cape Town

20. Vakuum Anlagen Bau - Herr Mathias (2016) Kenndaten zur Vakuumkanalisation;

personal communication

21. Freistaat Sachsen - Staatsministerium für Umwelt und Landwirtschaft (2004)

Abwasserinvestitionen im ländlichen Raum: Entscheidungsfindung am Beispiel des

Ortsteils Putzkau der Gemeinde Schmölln-Putzkau

22. Naret R (2009) Vacuum Sewers – Operation and Maintenance and System

Management Guidelines: Course Number C-4029. www.airvac.com/pdf/Vacuum

O&M and System Management.pdf. Accessed 15.December, 2016

23. Miszta-Kruk K (2016) Reliability and failure rate analysis of pressure, vacuum and

gravity sewer systems based on operating data. Engineering Failure Analysis

61: 37–45. doi: 10.1016/j.engfailanal.2015.07.034

24. Królikowska J, Debowska B, Królikowski A (2013) An evaluation of potential

losses associated with the loss of vacuum sewerage system reliability.

Environmental Engineering IV: 51–57. doi: 10.1201/b14894-9

25. Terryn IC, Lazar G (2016) Driving forces affecting the adoption of Eco-innovation:

A survey on vacuum sewer systems. Environmental Engineering and Management

Journal 15 (3): 589–598

26. Gemeinde Ernsgarden Kanalsystem soll weiter optimiert werden.

http://www.ernsgaden.de/index.php?id=9760,604. Accessed 16 Nov 2016

27. Gemeinde Magazin Ernsgaden (2016) Vakuumkanal oder Druckkanal?

Kanalsystem soll weiter optimiert werden;

http://www.ernsgaden.de/index.php?id=9760,604; accessed: 15. December

2016(1)

28. Taing L, Armitage NP, Spiegel A (2011) Cape Town's problematic vacuum sewer:

A reflection on the technical, social and institutional blockages that constrain

municipal management; 12th International Conference on Urban Drainage, Porto

Alegre/ Brazil

29. FLOVAC Kawakawa Bay New Zealand: Septic Tank Replacement;

http://flovac.com/wp-content/uploads/2014/02/Kawakawa-Bay-NZ.pdf; accessed:

15. December 2016

30. Watercare Top environmental award for Kawakawa Bay wastewater system.

http://www.watercare.co.nz/about-watercare/news/Pages/Top-environmental-

award-for-Kawakawa-Bay-wastewater-system.aspx. Accessed 30. November,2016

31. SCRIT (2014) Building a stronger wastewater network: Vacuum wastewater

system; Stronger Christchurch Infrastructure Rebuild Team;

http://strongerchristchurch.govt.nz/sites/strongerchristchurch.govt.nz/files/u29/14

0612%20Vacuum%20information%20sheet%20FINAL.pdf; accessed:

15.December 2016

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 71 | 82

Summary & conclusion 32. Bayer M, Kopfhammer N (2012) Kanalisierung mittels Vakuumentwässerung;

Roediger Vacuum; BilfingerBerger Facility Services; presentation

33. IWR - Ingenieurbüro für Wasserwirtschaft und Ressourcenmanagement (2012)

Vacuum projects from the view of an operator: Germany, Hesse, Schwalmtal -

Rainrod; presentation

34. Kamble SG, Kumthekar MB, Koli DH (2015) Vacuum sewer system. International

Journal for Scientific Research & Development(3)

35. Kjerstadius H, Haghighatafshar S, Davidsson A (2015) Potential for nutrient

recovery and biogas production from blackwater, food waste and greywater in

urban source control systems. Environ Technol 36(13-16): 1707–1720. doi:

10.1080/09593330.2015.1007089

36. Bilfinger Water Technologies GmbH (2015) Eco Settlement Outapi / Namibia

Reference Sheet

37. Zimmermann M, Deffner J, Müller K et al. (2015) CUVE waters - Sanitation and

Water Reuse Implementation Concept

38. www.deus21.de DEUS 21: DEcentralised Urban infrastructure Systems.

www.deus21.de. Accessed 16 Nov 2016

39. Oldenburg M Die ökologische Wohnsiedlung Flintenbreite, Lübeck;

http://www.woche-der-umwelt.de/media/31050611220875b1.pdf; accessed: 15.

December, 2016

40. Oldenburg M, Albold A, Otterpohl R (2008) Vacuum Sewerage and Greywater

treatment: Experience of 8 years of operation, Oldenburg

41. www.ecoquartier.de ecoQuartier Pfaffenhofen/ Ilm. http://www.ecoquartier.de/.

Accessed 23 Nov 2016

42. Aqseptence Group GmbH (2012) Vakuumkanalisation für ökologisches

Siedlungskonzept: Projekt Report

43. Freie und Hansestadt Hamburg (2014) Jenfelder Au - Newsletter Juli 2014:

Neugikeiten aus dem neuen Viertel; http://www.jenfelderau-

info.de/index.php/Newsletter.html; accessed; 15. December 2016

44. Gehrke I, Katayama V, Bertling R et al. (2016) ROOF WATER-FARM: Neue

Konzepte für die Siedlungswasserwirtschaft zur urbanen

Nahrungsmittelproduktion. Korrespondenz Abwasser, Abfall(63): 999–1005

45. Mehlhart G Grauwasser weiter auf dem Vormarsch (Greywater on the advance).

fbr-wasserspiegel 2001: 14–16

46. Pham NB, Kuyama T (2013) Urban Domestic Wastewater Management in

Vietnam: Challenges and Opportunities.

https://www.google.com/url?q=https://pub.iges.or.jp/ja/pub/urban-domestic-

wastewater-management-vietnam-

%25E2%2580%2593&sa=U&ved=0ahUKEwiO1P_-

5svRAhVDYJoKHd94DV0QFggEMAA&client=internal-uds-

cse&usg=AFQjCNGjSmRTvZYfv4S3-uUl3JqYRMMMXw. Accessed 18. January,

2017

 

 

 

 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 72 | 82

Summary & conclusion    

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 73 | 82

Annex 1: Selected maintenance

tasks at the vacuum station and

their frequency; extract from the

maintenance plan in Böblingen-

Dagersheim provided by

ACQSEPTANCE Group [48]

Annex 1: Selected maintenance tasks at the vacuum station and

their frequency; extract from the maintenance plan in Böblingen-

Dagersheim provided by ACQSEPTANCE Group [48]

Tasks: Vacuum station  Daily   Weekly Monthly  Biannually  Annually  

Check alarms at the control cabinet 

X         

Check vacuum system for leaks with manometer and record findings 

  x       

Check electrical connections at the station 

      X   

Check pressure switch points of vacuum pumps 

    X     

Check shift controls of the level control 

        X 

Check appearance of station (cleanliness & accessibility)  

    X     

Check and record energy consumption of the system 

      x   

Check state of construction of the station (e.g. structures, access, corrosion etc.) 

        X 

Check biofilter (odours, appearance, humidity) 

    X     

Check functionality of alarms  

        X 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 74 | 82

Annex 1: Selected maintenance

tasks at the vacuum station and

their frequency; extract from the

maintenance plan in Böblingen-

Dagersheim provided by

ACQSEPTANCE Group [48]

Tasks: Vacuum tank  Daily   Weekly  Monthly  Biannually  Annually  

Check tightness of flanges 

      X   

Check tank for deposits and remove them 

      X   

Tasks: Vacuum pumps           

Check oil level    X       

Check oil colour      X     

Check for oil leaks      X     

Check functionality of air‐de‐oil unit 

    x     

Check for unusual noises 

  X       

Read and record running hours of vacuum pumps 

  X       

Check shutoff/check valves on the suction side of the vacuum pumps 

    X     

Check and clean intake air filter  

      X   

General visual inspection of pump elements; clean if necessary 

      X   

Check air‐de‐oil unit; measure with filter resistance manometer 

      X   

Change oil of vacuum pump 

        X 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 75 | 82

Annex 1: Selected maintenance

tasks at the vacuum station and

their frequency; extract from the

maintenance plan in Böblingen-

Dagersheim provided by

ACQSEPTANCE Group [48]

Change oil filter of vacuum pump 

        x 

Check electricity uptake of vacuum pump 

        X 

Exchange air‐de‐oil elements  

As required 

Change oil and oil filter and clean float valve  

Every 500‐2000 working hours 

General overhaul of vacuum pumps 

According to manufacturer  

Tasks: Wastewater pumps 

Daily  Weekly  Monthly  Biannually  Annually 

Record runtime of WW pumps 

  X       

Check ring seal of WW pumps 

      X   

Check for unusual noises 

      X   

Check check valves on the pressure side of the WW pumps for proper closing 

      X   

Carry out oil check  After 1000 working h (then annually)  x 

Check oil quality  Every 500 working hours 

 

    

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 76 | 82

Annex 2: Spare parts inventory

(exemplary)

Annex 2: Spare parts inventory (exemplary)

Vacuum valve  

(recommendations per every 100 valves) 

Part  Quantity 

Vacuum valve  3 

Sump breather unit assembly  3 

Sump breather installation parts bag  3 

Controller  3 

Controller rebuild kit  3 

No‐hub couplings  6 

Clear vacuum tubing (1.8 m long)  1 

Clear vacuum tubing (3.6 m long)  1 

Grommets (smaller size)   3 

Grommets (larger size)  3 

Vacuum valve rebuild kits  6 

Controller mounting O‐ring  12 

Tube controller grease  2 

Tube vacuum valve grease  4 

Surge suppressor  3 

Tubing clamps  12 

Controller mounting key  3 

Cycle counters  

 

 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 77 | 82

Annex 2: Spare parts inventory

(exemplary)

Vacuum station 

Oil  15 gal / 57 L 

Overhaul kit (vacuum pump)  1 

Filter kit  1 

Motor pump coupling set  1 

Seal kit for sewage pump  1 

Moto coupling (sewage pump)  2 

Gasket set  1 

Speciality tools and equipment  

(1 set per system) 

Portable vacuum chart recorders  1 

0‐20 in W.G. magnehelic gauges  2 

0‐50 in W.G. magnehelic gauges  1 

Sensor pipe puller  1 

Valve repair stand  1 

No – hub torque wrenches  1 

Vacuum gauges  1 

Controller test box  1 

  

 

 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 78 | 82

Annex 3: Overview over vacuum

sewer systems installed in

different countries by AIRVAC

until 2008

Annex 3: Overview over vacuum sewer systems installed in

different countries by AIRVAC until 2008

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 79 | 82

Annex 4: Selected photos from

the vacuum sewer systems in

Böblingen-Dagersheim, Waldsee,

Walldorf-Süd, and Knittlingen

Annex 4: Selected photos from the vacuum sewer systems in

Böblingen-Dagersheim, Waldsee, Walldorf-Süd, and Knittlingen

Figure 23: Vacuum station in Böblingen‐Dagersheim 

Figure 24: Collection pit in Waldsee. Access is restricted due to construction of wooden terrace. Access to the collection pit should be kept clear. 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 80 | 82

Annex 4: Selected photos from

the vacuum sewer systems in

Böblingen-Dagersheim, Waldsee,

Walldorf-Süd, and Knittlingen

 

Figure 25: Vacuum tank placed in hedge in Waldsee. The components of the vacuum station have been integrated in the hedge instead of a building. 

Figure 26: Collection pit with vacuum valve in Walldorf. The collection pit is located on a drivable road made of concrete. Respective measures were implemented. 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 81 | 82

Annex 4: Selected photos from

the vacuum sewer systems in

Böblingen-Dagersheim, Waldsee,

Walldorf-Süd, and Knittlingen

Figure 27: Vacuum tank constructed underground at the vacuum station in Walldorf. The relevant pipe connections and sensor provisions are located at the top of the tank. 

Figure 28: Biofilter with additional aeration pipe at the vacuum station in Walldorf. Plants grow on the filter material. 

Fraunhofer IGB Vacuum sewer systems GIZ GmbH 82 | 82

Annex 4: Selected photos from

the vacuum sewer systems in

Böblingen-Dagersheim, Waldsee,

Walldorf-Süd, and Knittlingen

Figure 29: Vacuum tank at the vacuum station in Knittlingen. The wastewater pumps are placed outside the tank.