INVESTIGAR EN EUROPA

La Universitat de València lidera un proyecto europeo que persigue mejorar la calidad del agua procedente de las plantas desalinizadoras y plantas de tratamiento de agua, y abaratar los costes de funcionamiento de estas instalaciones hasta en un 45%. Esto será posible mediante el desarrollo de un avanzado sistema de desinfección compuesto por una red inalámbrica de sensores inteligentes que detectará y evitará la concentración de bacterias.

AUTOR: RUVID

Se trata de un abordaje pionero en el campo de control microbiológico del agua con un gran potencial de cara al futuro. Tanto la Comisión Europea como el National Science Foundation de Estados Unidos han depositado grandes esperanzas en esta iniciativa ya que el conocimiento desarrollado en los siguientes tres años se podría adaptar a plantas de biogás, sistemas para el control de la calidad del aire o de los alimentos o mecanismos de alerta contra ataques biológicos terroristas, por ejemplo.

 

Autonomous Control of Large-scale Water Treatment Plants based on Self-Organized Wireless BioMEM Sensor and ActuatorNetworks (Hydrobionets) es un proyecto multidisciplinar coordinado por Baltasar Beferull (en la imagen) perteneciente al Grup de Sistemes d’Informació i Comunicacions (GSIC) del Institut de Robòtica i TIC (IRTIC) del Parc Científic y ETSE de la Universitat de València. El Centro Nacional de Microelectrónica (CNM - CSIC) y la empresa Acciona Agua participan en el proyecto, así como diversos centros de Grecia, Suecia, Hungría y Gran Bretaña. Cuenta con un presupuesto de 3,5 millones de euros.

 

Bacterias como E.coli además de ser dañinas para la salud humana, son perjudiciales para las complejas membranas de ósmosis que posibilitan la desalinización del agua de mar. Si las concentraciones de bacterias son altas, se forma una especie de película que obstruye las membranas y esto obliga a bombardear el agua con mayor presión para sacar los mismos metros cúbicos por minuto, lo que se traduce en un aumento considerable del gasto energético. Actualmente, cuando los técnicos detectan una diferencia de presión en las membranas, paralizan esa parte de la planta y proceden al limpiado agresivo de las membranas con sosa cáustica o en ciertas ocasiones, proceden al reemplazo de las membranas más dañadas.

 

Una manera de optimizar estas instalaciones es mediante un avanzado sistema de detección precoz y pretratamiento del agua salada. En este sentido, los dispositivos que diseñan los socios de Hydrobionets estarán dotados de capacidad de sensado y de actuación/control. Se instalarán estas pequeñas motas en diferentes puntos del interior de las instalaciones de la planta. El biosensor (llamado BioMEM) de cada nodo medirá la concentración de bacterias y compartirá los datos con los demás nodos de la red de tal manera que el sistema podrá predecir de manera autónoma y en tiempo real posibles problemas de taponamiento antes de que se produzca. Cuando sea necesario, los bioactuadores de los diferentes nodos actuarán de manera temprana mediante la liberación de biocida.

 

Por otra parte, se abordará también el despliegue de estas redes en plantas de tratamiento de agua, donde también hay riesgo de taponamiento de las membranas de ultrafiltración que se utilizan para depurar el agua después del proceso realizado en los biorreactores. El principal nuevo problema de control en este caso es controlar el proceso de aeración que tiene lugar para evitar que se formen taponamientos en las membranas, utilizando la información de sensores que medirán el potencial de formación de costras. El taponamiento de estas membranas obliga también a parar el sistema y realizar limpiados todavía más frecuentes que en las membranas de desalación.

 

«De esta forma, se espera alargar la vida útil de las membranas o de los biorreactores en el caso de las plantas de tratamiento de aguas residuales. Se optimizarán también los productos químicos empleados en el proceso de limpiado al tener una información más precisa sobre el taponamiento de las membranas, y conseguiremos reducir considerablemente el consumo energético de la planta. Aunque obviamente se tendría que parar la planta cada cierto tiempo para limpiar, será un proceso más preciso porque los técnicos dispondrán de datos como la localización exacta del bloqueo», explica Baltasar Beferull, coordinador del proyecto.

 

Fases del proyecto

 

«Inicialmente planteé el proyecto como un sistema para garantizar la calidad del agua potable en una ciudad», indica el Prof. Beferull. Acciona, sin embargo, sugirió dirigir los esfuerzos al punto de origen, esto es, a las plantas desalinizadoras o de depuración de agua. «La empresa estaba muy interesada en encontrar una solución más eficaz para evitar los daños que las bacterias causan a sus membranas. Controlando las bacterias abordábamos ambos problemas».

 

«Como las bacterias son organismos vivos, sus movimientos son aleatorios y todavía no sabemos con certeza cómo responderán cuando se actúe sobre ellas de manera adaptativa en diferentes partes de la planta, ya que estamos hablando de medir y controlar la actividad de organismos vivos, algo muy diferente a medir otros parámetros más sencillos como temperatura, etc…. Por ello, utilizaremos una planta piloto para estudiar su dinámica y ajustar el diseño del sensado y actuación de los nodos», indica el investigador. Iniciarán los estudios en la planta piloto de La Tordera que Acciona Agua gestiona en la provincia de Barcelona y en una segunda fase validarán la red en una sección de la planta principal. Esta planta es de tamaño medio pero la empresa gestiona instalaciones de grandes dimensiones en diferentes partes del mundo, como Australia y California, por lo que sus responsables esperan más adelante adaptar el sistema a gran escala.

 

Sensores de última generación

 

Los BioMEM son dispositivos que contienen una sección de ADN o proteína que genera una corriente iónica que mide la concentración de bacterias (llamado también biofilm). Los bioactuadores, por otra parte, contienen elementos de desinfección electroquímicos que inyectarán de manera adaptativa dosis de agentes de limpieza. El consorcio europeo se ha planteado diseñar un sistema de autolavado electroquímico porque el sensor de los BioMEM se va deteriorando por la propia suciedad, e incluso se proponen conseguir que el nodo autogenere cloro o biocida localmente para así no necesitar un depósito.

 

«Los BioMEM ya existen pero el proceso de autolavado que desarrollaremos, la integración en una red de sensores, y que cada nodo sea autónomo generando su propio cloro es totalmente novedoso. Además, hasta la fecha nadie había conseguido que los dispositivos trabajen en red de manera inteligente, se comuniquen y tomen decisiones sobre actuar o no», comenta Beferull.

 

Al tratarse de una iniciativa pionera, los socios trabajan en nuevas herramientas teóricas y algoritmos para integrar las diferentes tecnologías, teniendo en cuenta también el desafío que supone el entorno donde se establecerán las motas. Apunta el investigador: «El entorno es en principio agresivo para las comunicaciones inalámbricas con materiales que pueden producir interferencias como las tuberías. Hay que estudiar también cuestiones prácticas como dónde colocar las motas en las tuberías para no entorpedecer el funcionamiento de la planta.

 

Papel de la Universitat de València

 

Para el Institut de Robòtica i TIC (IRTIC) se trata de un reto importante. Expertos en procesado y comunicación de sistemas distribuidos, todavía no habían trabajado con bacterias anteriormente. «Hemos diseñado muchas redes de sensores pero no una red que sensara de manera autónoma una serie de parámetros biológicos y que actuara para controlar su concentración en diferentes lugares de una planta. Comparado con otros proyectos, la responsabilidad aquí es muy alta porque estaremos tratando con agua de consumo humano». Además de coordinar el proyecto y participar en diferentes fases, lideran el paquete de trabajo del procesado cooperativo en red con las diferentes restricciones presentes en las comunicaciones. La reunión de lanzamiento del proyecto tuvo lugar en el Parc Científic a finales de octubre de 2011 (imagen de grupo).

 

El Centro Nacional de Microelectrónica (CNM - CSIC) se encargará del diseño y fabricación de los BioMEM mientras que la fundación griega FORTH se concentrará en la interoperabilidad entre los datos que recoge este sistema Wireless BioMems network (WBN) con la información procedente del sistema actualmente activo en la planta (nitratos, salinidad, ph, gasto energético, presión de las bombas de agua…). Ambos sistemas tendrán que interactuar y los operarios lo supervisarán desde el centro de control a través de una web semántica desarrollada por FORTH. El Royal Institute of Technology de Suecia, la empresa húngara MFKK y Acciona Agua colaborarán en diferentes fases de diseño e implementación de la tecnología.

 

Las cifras

 

Los investigadores calculan que podrán reducir hasta un 45% los costes vinculados a la desalinización del agua, mientras que se rebajará un 5% el consumo de energía, un 15% el uso de químicos y un 25% el cambio de membranas. Así, para una planta con una producción de 100.000 metros cúbicos al día, se ahorrarían un mínimo de 300.000 euros al año en energía, 270.000 euros anuales en reactivos y 195.000 euros en reposición de membranas.

 

En cuanto a las instalaciones de depuración de aguas residuales, Hydrobionets hará posible reducir la demanda energética dedicada al proceso de aeración de membranas un 10%, por lo tanto, en una planta con una producción de 20.000 metros cúbicos al día y un coste de la energía de 0,12 euros kilovatio/hora se conseguiría un ahorro a partir de los 150.000 euros al año.
 

DESTACAMOS