Entrevistamos a Sergio Beltrán, responsable del proyecto DIAMOND e Investigador del Área de Ingeniería Ambiental del Centro de Estudios e Investigaciones Técnicas de Gipuzkoa (CEIT-IK4), y Profesor Asociado de la Escuela Superior de Ingenieros de San Sebastián (TECNUN), perteneciente a la Universidad de Navarra.
Doctor Cum Laude en el programa de Ingeniería Industrial e Ingeniero en Automática y Electrónica Industrial, ambos por la Universidad de Navarra, ha sido autor o coautor en revistas indexadas, en comunicaciones de congresos internacionales, capítulos de libro y otras publicaciones técnicas de nivel internacional y nacional.
Director de proyectos de investigación aplicada en estrecha colaboración con empresas privadas y públicas a nivel europeo, nacional y autonómico, su ámbito de investigación se centra en el modelado matemático, identificación de sistemas y control de procesos de sistemas ambientales. El principal campo de aplicación de su investigación es la optimización del diseño, operación y control de tecnologías avanzadas para el tratamiento y gestión de agua, agua residual y sólidos residuales en sistemas urbanos e industriales.
El 1 % de la energía eléctrica española se consume en la depuración de las aguas residuales que generamos
Pregunta - En iAgua nos gusta conocer un poco más a fondo la trayectoria en el mundo del agua de nuestros entrevistados. ¿Cómo llegó a este sector? ¿Podría hablarnos de su trayectoria profesional en el medio ambiente?
Respuesta - Me inicié en el sector de la Ingeniería Ambiental, y en concreto el relativo al tratamiento y gestión del agua, a través de la especialización que realicé en la universidad, y de la colaborar en diferentes proyectos dentro del Área de Ingeniería Ambiental de CEIT-IK4. Gracias a varias becas, como las concedidas por el Programa Torres-Quevedo, financiado por Ministerio de Ciencia e Innovación, y el Programa Formación del Personal Investigador, financiado por la Asociación de Amigos de la Universidad de Navarra, inicié mi campo de investigación en el modelado matemático, identificación de sistemas y control de procesos de sistemas ambientales.
El hecho servir a la industria realizando proyectos de investigación aplicada y de desarrollo tecnológico permitió financiar mi primer período de investigación, que culminó con la presentación de la tesis doctoral “Optimización de la operación de estaciones depuradoras de aguas residuales mediante herramientas avanzadas en modelado matemático. Aplicación a la EDAR de Galindo”. A partir de ahí, el objetivo diario dentro de CEIT-IK4 siempre ha sido el de profundizar más en el conocimiento científico y tecnológico, dar respuesta a los desafíos del mercado y tener una mayor perspectiva global e interdisciplinar para alcanzar la mayor eficacia en el tratamiento y solución de problemas multidisciplinares, siempre aportando a la docencia como profesor universitario los nuevos conocimientos y metodologías adquiridas.
P. - ¿Qué es lo que mejor define la actividad de CEIT-IK4?
R. - CEIT-IK4 cuenta con un equipo multidisciplinar especialista en investigación aplicada, con una sólida formación científica y tecnológica, y capaz de ofrecer soluciones integrales a las nuevas necesidades del mercado. Esto nos permite actuar en muchos casos de puente y catalizador entre los diferentes actores implicados en impulsar la innovación tecnológica, facilitando una colaboración eficaz entre ingenierías, explotadoras, agencias del agua y equipos de investigación.
Yo diría que compartimos la pasión por la ciencia y el conocimiento de los grupos científicos con el sentido práctico e innovador de las empresas tecnológicas. Y es por eso por lo que somos capaces de ofrecer esas soluciones integradas, innovadoras y prácticas.
P. - Para situarnos mejor, ¿podría hablarnos de las líneas de investigación con las que actualmente cuenta CEIT-IK4?
R. - En el Área de Ingeniería Ambiental hemos abarcado temáticas muy variadas en los más de 150 proyectos de investigación aplicada que hemos llevado a cabo en estrecha colaboración con empresas durante los 35 años de vida del grupo. No obstante, nuestro principal campo de actividad es el tratamiento de las aguas residuales y, más específicamente, el diseño, operación y control de las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR). Para ello, combinamos trabajos experimentales a escala de laboratorio, planta piloto o planta real, con herramientas avanzadas de modelado matemático, simulación y automatización.
Como líneas tecnológicas más relevantes que hemos desarrollado o estamos llevando a cabo en estos momentos, destacaría las siguientes: el desarrollo y validación de una nueva tecnología Anammox en biopelícula sobre soporte móvil, el estudio de la incorporación de membranas a los digestores anaerobios, la optimización del diseño y operación de nuevos digestores aerobios termófilos para el tratamiento e higienización de lodos de EDAR o el desarrollo y validación de un nuevo procedimiento sistemático para codigerir residuos orgánicos en los digestores de lodos. En todos estos proyectos se busca conocer en profundidad, validar y optimizar la tecnología estudiada, y los resultados obtenidos normalmente se plasman en informes técnicos, plantas piloto, reglas de diseño y operación, simuladores, hojas de cálculo o algoritmos de control.
El objetivo diario dentro de CEIT-IK4 siempre ha sido el de profundizar más en el conocimiento científico y tecnológico
En la línea específica del modelado matemático de sistemas, resaltaría la línea investigación llevada a cabo en el proyecto recientemente finalizado NOVEDAR_Consolider, en el que hemos dado lugar a una extensa librería de modelos matemáticos que permite explorar por simulación la mejor combinación de tecnologías en función de cada escenario de estudio. En esta línea de modelado matemático, también destacaría nuestra participación en el proyecto europeo AquaFit4Use, liderando el módulo de modelado matemático y simulación, en el que hemos realizado también una nueva librería de modelos de los circuitos de agua en diferentes sectores industriales.
Finalmente, tal y como he comentado anteriormente, otra línea importante de investigación de nuestra Área es la gestión de datos y control en las EDAR. La automatización de las plantas tiene una gran tradición en CEIT-IK4, siendo posiblemente el ejemplo más representativo el sistema de control del tratamiento biológico de la EDAR de Galindo (Bilbao, 1.5 Mh-e). En el CEIT hemos desarrollado sistemas de control para un amplio conjunto de tecnologías como son los biorreactores de membrana, los digestores anaerobios, los digestores aerobios o los sistemas SBR.
Entre los proyectos actuales más relevantes en la línea de automatización, destacaría dos proyectos europeos que estamos llevando a cabo actualmente en colaboración con empresas y entidades públicas: el proyecto OPTI-VFA, en el que estamos desarrollando nuevos controladores automáticos para optimizar la carga y la producción de biogás en digestores anaerobios para la industria agroalimentaria; y el proyecto ARTICA4NR, el cual coordinamos para acelerar y estimular la implantación en el mercado del producto art-ICA, control automático que desarrollamos anteriormente para las EDAR con eliminación de nitrógeno. Otro proyecto que me parece interesante destacar es el proyecto internacional SARASWATI, en el que con una financiación conjunta entre la Unión Europea e India estamos evaluando íntegramente los sistemas de tratamiento de aguas residuales instalados en India, a la vez que realizamos estudios sobre la adecuación de nuevas tecnologías en el país.
P. - En cuanto al proyecto DIAMOND, nuestros lectores conocen algunos detalles, pero ¿en qué consiste exactamente? ¿De dónde surge la idea y cuáles sus objetivos? ¿Qué cree que puede aportar DIAMOND a la gestión de las aguas residuales?
R. - Lo que proponemos con el proyecto DIAMOND (advanceD data management and InformAtics for the optimuM operatiON anD control of WWTPs) es un cambio en el concepto actual de estación depuradora de aguas residuales. Actualmente, las depuradoras ven el agua residual como un problema que hay que solucionar de cualquier forma; es decir, las depuradoras tienen que consumir energía eléctrica para tratar el agua, así como reactivos químicos para su descontaminación, sin desmerecer los gastos ocasionados en el tratamiento de los lodos que se generan con ello. Esto supone costes económicos importantes; de hecho, se considera que el 1 % de la energía eléctrica española se consume en la depuración de las aguas residuales que generamos.
El proyecto DIAMOND propone que las nuevas depuradoras vean el agua residual no como un problema, sino como un “recurso”. Un recurso a partir del cual se pueda extraer agua de calidad para reutilizarla, se pueda generar energía eléctrica (a partir de los lodos generados de la depuración de las aguas), y recuperar nutrientes escasos que puedan servir después como fertilizantes para la agricultura. Con estos cambios, las plantas depuradoras dejan de serlo para convertirse en “nuevas empresas productoras”.
Para conseguir este cambio de paradigma, las actuales depuradoras deben ser más eficientes. Y esto no se puede conseguir sin un tratamiento adecuado de los datos que se generan diariamente en una planta. Hasta hace unos años, los operarios no podían optimizar la operación y el control de las plantas debido a que la instrumentación para depuradoras no estaba lo suficientemente avanzada como para que hubiera los suficientes sensores que indicaran cuál era el estado de la planta. Faltaba información porque faltaban datos. Hoy en día sigue faltando información, pero esta vez por exceso de datos: actualmente los operarios se ven desbordados por el número tan elevado de datos que reciben de los múltiples sensores y analizadores que hay repartidos por las depuradoras. En otras palabras, los operarios se ven sobrepasados si no disponen de herramientas que les sinteticen la información que es realmente importante y útil. De este modo, la falta de una gestión apropiada de los datos de planta es hoy en día uno de los mayores cuellos de botella para mejorar la eficiencia de las plantas depuradoras.
Lo que proponemos con el proyecto DIAMOND es un cambio en el concepto actual de estación depuradora de aguas residuales
Así, el proyecto DIAMOND se ha centrado en desarrollar y validar un modelo de excelencia en la gestión de los sistemas de tratamiento de agua residual, objetivo que hemos alcanzado mediante la optimización del funcionamiento global de los sistemas y el empleo óptimo de toda la información disponible.
P. - En cuanto al desarrollo del proyecto, ¿qué herramientas se emplean para elaborar los modelos de excelencia?
R. - Para lograr un modelo de excelencia en la gestión de los sistemas de tratamiento de agua residual hemos necesitado desarrollar un Sistema DIAMOND que hace un uso eficiente e inteligente de toda la información disponible, resultado de centralizar de forma estándar los datos recopilados de las diferentes fuentes con las que cuenta una planta; de detectar de manera efectiva fallos en los datos recopilados; de agilizar la extracción y síntesis de la información que los operarios necesitan para conocer el estado de la planta; y, por último, de conectar el Sistema de forma sencilla y directa con otras herramientas emergentes que están enfocadas a la optimización de la operación de las plantas, tales como sistemas avanzados de monitorización y control.
Para ello, se han diseñado, desarrollado, implementado y validado a escala real cuatro subsistemas que interconectados han demostrado ser una solución integral al problema de la gestión avanzada de datos, permitiendo a los operarios de planta mejorar la eficiencia de las mismas en calidad del agua tratada, reactivos químicos y energía:
- La Plataforma de Gestión Avanzada de Datos, que accede, muestrea, procesa y guarda de forma estándar los datos experimentales, centralizándolos en una única base de datos; valida los datos guardados, garantizando que estos son fiables y coherentes, que están libres de fallos y que están completos, sin huecos; y sintetiza información útil, generando indicadores fundamentales del estado de la planta a partir de los datos validados. Esta Plataforma, núcleo central del Sistema DIAMOND, está apoyada por los siguientes tres subsistemas:
- La Herramienta de Pre-procesamiento de Datos Continuos, que informa a los operarios sobre el diagnóstico de los sensores, y evalúa la calidad de los datos comparando sus señales al mismo tiempo.
- El Sistema de Monitorización Avanzada, que además de monitorizar todos los datos históricos y en tiempo real que están disponibles en una planta, proporciona indicadores sobre el estado futuro de la planta basándose en sus condiciones actuales de operación, mejorando así la eficiencia y rapidez de las decisiones que tienen que tomar los operarios.
- El Sistema de Control Avanzado, que define la estrategia óptima de control en función de la calidad del agua tratada, minimizando a la vez los costes operacionales de la planta, tales como los relativos a la energía eléctrica o al consumo de reactivos químicos.
La falta de una gestión apropiada de los datos de planta es hoy en día uno de los mayores cuellos de botella para mejorar la eficiencia de las plantas depuradoras
El Sistema DIAMOND ha podido demostrar en las plantas reales donde se ha validado que la falta de una gestión apropiada de datos de planta ya no es un problema para mejorar la eficiencia de las plantas depuradoras, acortando así el camino para convertirlas en las “nuevas empresas productoras”.
P. - ¿Cuáles son las mayores dificultades a las que se enfrentan a la hora de llevar a cabo el proyecto? ¿Y cuáles han sido, hasta el momento, los mayores logros?
R. - Los datos que se pueden recoger de una depuradora presentan una serie de características que los hacen muy difíciles de gestionar para poder extraer información útil de cara a conocer el estado de la planta o para ser utilizados directamente por controladores automáticos.
Por un lado, el volumen de datos que se generan de forma continua es muy grande, por lo que su captura, procesamiento, almacenamiento y análisis en un tiempo razonable es el primer escollo que hemos tenido que solventar. Por otro lado, estos datos son muy heterogéneos, ya que provienen de muy diferentes fuentes, tales como sensores y analizadores en línea, análisis realizados en laboratorio, datos recogidos manualmente en planta, alarmas u otras fuentes externas como pueden ser estaciones meteorológicas o las redes de colectores. Además de la abundancia de datos y su heterogeneidad, muchos de los datos no son fiables debido a que a veces son incompletos, erróneos o incoherentes entre sí.
En este contexto en el que trabajan los operarios de las depuradoras, es necesario tener en cuenta que las herramientas que hemos desarrollado han estado siempre enfocadas para ser utilizadas en escala real, por lo que la seguridad de que la planta mejore su eficiencia siempre ha sido un punto importante en el diseño de las mismas. Precisamente por haber validado el Sistema DIAMOND en plantas reales, el principal logro, que ha sido la optimización de la operación y control de las plantas, ha quedado demostrado y remarcado. El Sistema DIAMOND ha permitido aumentar la estabilidad de los procesos de las plantas y la calidad del agua tratada, y reducir los costes de operación asociados al consumo de energía eléctrica, a los reactivos químicos y al tratamiento de los lodos generados.
P. - DIAMOND es un proyecto de índole europea. ¿Qué otros socios participan en él y de qué manera?
R. - El proyecto DIAMOND está constituido por un grupo multidiscliplinar formado por profesionales y expertos europeos internacionalmente reconocidos en los campos del agua y las aguas residuales.
En concreto, el consorcio de socios participantes lo constituyen tres empresas, dos entidades públicas, dos universidades y dos centros de investigación:
- CERLIC Controls AB (Suecia), que como empresa fabricante de instrumentación para medida y control proporciona los sensores necesarios para el desarrollo del Sistema de Detección de Fallos, sistema que comercializará.
- MIPRO OY (Finlandia), empresa especializada en la automatización de procesos relacionados con la gestión del agua y energía, comercializará el Sistema de Control Avanzado para plantas depuradoras de aguas residuales.
- MSI-Mondragón Sistemas de Información (España), ingeniería de automatización, informática industrial y telecomunicaciones es la empresa que lidera el consorcio y comercializará el Gestor Avanzado de Datos y el Sistema de Monitorización Avanzada.
- CAG-Consorcio de Aguas de Gipuzkoa (España) y SVVABB-Stockholm Vatten (Suecia), son los usuarios finales del Sistema DIAMOND, gestionan la EDAR de Mekolalde (Bergara) y la EDAR de Bromma (Suecia), respectivamente, plantas que junto a la EDAR de Mussalo (Finlandia) han servido para probar y validar los sistemas desarrollados en el proyecto.
- Universidad de AALTO (Finlandia), han desarrollado el Sistema de Control Avanzado para plantas depuradoras de aguas residuales.
- Universidad de Uppsala (Suecia), han desarrollado la parte del Sistema de Detección de Fallos que está relacionada con la coherencia de los datos proporcionados por múltiples sensores.
- CEIT-IK4 – Centro de Estudios e Investigaciones Técnicas de Gipuzkoa (España), centro tecnológico que lidera el proyecto en colaboración con el coordinador, se ha encargado de desarrollar tanto el núcleo central del Sistema DIAMOND, que es la Plataforma de Gestión Avanzada de Datos, como el Sistema de Monitorización Avanzada.
- Y finalmente, IVL-Swedish Environmental Research Institute (Suecia), centro tecnológico que desarrolla la parte del Sistema de Detección de Fallos relacionada con los datos proporcionados por sensores individuales.
Los datos que se pueden recoger de una depuradora presentan una serie de características que los hacen muy difíciles de gestionar
P. - En relación a la financiación, ¿con qué presupuesto cuenta DIAMOND? Y en cuanto al tiempo, ¿cuál es el plazo de ejecución?
R. - El proyecto DIAMOND ha contado con un presupuesto de 1,128,000 €, subvencionado en su totalidad por la Unión Europea a través del Séptimo Programa Marco (FP7) bajo el subprograma SME-2012-1 - Research for SMEs. El objetivo principal de este subprograma ha sido el fortalecimiento de la capacidad innovadora de las pequeñas y medianas empresas europeas (PYME), y la contribución al desarrollo de nuevos productos tecnológicos.
El proyecto DIAMOND empezó en septiembre de 2012, y sus dos años de ejecución han permitido estrechar el vínculo entre investigación e innovación, ayudando a las PYME del proyecto a externalizar su investigación, a incrementar sus esfuerzos de investigación, a extender sus redes de comercialización, a mejorar la explotación de los resultados obtenidos en investigación, y a adquirir un mayor conocimiento tecnológico.
P. - En relación a la finalización del proyecto, me gustaría que me comentase cómo se va a poner en práctica el modelo obtenido en el proyecto.
R. - El Sistema DIAMOND ya puede ser implantado en depuradoras, al haberse demostrado con éxito que mejora la eficiencia de las tres depuradoras en las que ha sido probado. Los resultados en calidad del agua tratada y consumos de energía y reactivos químicos así lo demuestran.
Dada la importancia de estos resultados, estamos llevando a cabo actualmente las adecuadas actividades de divulgación que permitan dar a conocer los resultados del Sistema entre la comunidad industrial y científica. Por ejemplo, el Área de Ingeniería Ambiental de CEIT-IK4 acabamos de presentar las conclusiones más relevantes del proyecto en la prestigiosa conferencia bienal World Water Congress and Exhibition, que acaba de organizar la International Water Association (IWA) del 21 al 26 de septiembre de 2014 en Lisboa. Anteriormente, mostramos una primera versión del Sistema DIAMOND en la conferencia internacional 11th IWA Conference on Instrumentation, Control and Automation (ICA2013), organizada en Narbona (Francia) durante el 18 al 20 de Septiembre de 2013.
Con el objetivo de llegar a audiencias de diferente índole y experiencia, además de presentar el Sistema DIAMOND en diferentes eventos como conferencias, seminarios y exhibiciones, hemos hecho un esfuerzo importante para divulgar los resultados en prensa escrita y electrónica, en otras publicaciones técnicas o de ámbito general, y hemos elaborado un vídeo resaltando los logros más importantes.
