Comunicación presentada al II Congreso Ciudades Inteligentes:
Autores
- Asier González Gómez, Jefe de Proyectos, Aqua Consult Ingenieros
- Irene Carlos Lorenzo, Jefe de Proyectos, Aqua Consult Ingenieros
- Álvaro Palomo Navarro, Jefe de Proyectos, Aqua Consult Ingenieros
- Jaime Mancebo Galán, Director Dpto. Telecomunicaciones, Aqua Consult Ingenieros
- Abraham Esteve-Nuñez, Investigador, IMDEA Agua
- Juan José Salas Rodríguez, Director I+D+i, Fundación CENTA
Resumen
En el contexto de las ciudades inteligentes y con el objetivo de impulsar la economía y el desarrollo sostenible en pequeñas comunidades y/o poblaciones, se presenta una solución orientada a la monitorización y control inteligente de humedales para la depuración de aguas residuales urbanas a un coste cero de energía. Durante la obtención de agua libre de patógenos ideal para el riego, diferentes señales de control son medidas mediante el empleo de las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC), optimizando el proceso de depuración del agua de forma interactiva entre los diferentes sensores/actuadores y un Smartphone en manos del usuario final. Todo ello protegiendo el medio ambiente y conectando recursos como el agua, la energía, las TIC y recursos de la tierra.
Palabras clave: Comunidades Inteligentes, Redes de Sensores, Big Data, IoT, Smart Water, Aguas Residuales, Humedales Bioelectrogénicos
Introducción
Se estima que en el año 2050 prácticamente el 70% de la población mundial vivirá en ciudades (United Nations, 2014), por lo tanto, la sostenibilidad en las ciudades se ha convertido en un problema fundamental para todas las administraciones del mundo. A su vez, el 70% de la superficie mundial está formada por agua, de la cual solo el 1% es agua dulce. Estos dos factores conllevan una creciente demanda de agua dulce para su uso en ciudades. En consecuencia, se estima que para el año 2025 dos tercios de la población mundial vivirán en zonas de estrés hídrico. Uno de los mayores retos del desarrollo sostenible es garantizar un acceso fiable al suministro de agua y sistemas de saneamiento (ITU-T, 2010). En este ámbito las nuevas Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC) deben jugar un papel estratégico a la hora de mejorar la eficiencia medioambiental y la gestión inteligente del agua.
Cabe recordar que la implantación de las TIC, lejos de ser el objetivo final, debe ser el facilitador que permita aportar soluciones que mejoren la calidad de vida y la sostenibilidad en las ciudades. Es por ello que las nuevas corrientes hablan ya de comunidades inteligentes centradas en los ciudadanos y las comunidades, y no en grandes ciudades tecnificadas concostosas infraestructuras y soluciones tecnológicas con fuertes inversiones iniciales.
Dentro de este marco, surgen nuevos proyectos y tecnologías que deben apoyarse en las TIC para poder alcanzar su objetivo, aportando un gran valor añadido a la sociedad de una forma disruptiva e innovadora frente a modelos tradicionales. Así, la monitorización y control de humedales artificiales en tiempo real persigue dar una solución sostenible al tratamiento de las aguas residuales de pequeñas poblaciones, integrando nuevas tecnologías en el marco de sistemas naturales de depuración como son los humedales artificiales.
Humedales inteligentes
Los humedales artificiales son sistemas de tratamiento de aguas residuales que, en las últimas décadas, han sido desarrollados alrededor del mundo como una buena alternativa a los sistemas convencionales para el saneamiento en pequeñas comunidades. Dentro de éstos, los humedales bioelectrogénicos se basan en la estimulación de bacterias electrogénicas (productoras de electricidad), mediante la presencia de un relleno conductor de la electricidad. Su capacidad de depuración se basa en la estimulación de bacterias mediante la diferencia de potencial existente en el lecho del humedal. Esta diferencia de potencial, así como la producción de electricidad en el proceso de depuración, son utilizadas como señales representativas del proceso de depuración.
La incorporación de las TIC en la gestión de los humedales artificiales aporta herramientas que permiten a un operador estar en permanente contacto con la monitorización de humedales situados en distintas ubicaciones y poder controlar de forma remota y simultánea los parámetros de operación.
Los humedales inteligentes aportan tres nuevos elementos tecnológicos: autocontrol, energías renovables, y TIC; con el objetivo de mejorar la eficiencia de depuración y gestión así como acelerar su aplicación final sin renunciar a uno de sus principios fundamentales, un nulo coste energético.
En la Figura 1 se puede observar la estructura de un humedal bioelectrogénico con los diferentes puntos de monitorización y control en tiempo real y sus principales parámetros de medida:
- Parámetros Medioambientales:
- Temperatura y Humedad Atmosférica
- Presión Atmosférica
- Luminosidad
- Radiación Solar
- Velocidad y Dirección del Viento
- Pluviómetro
- Parámetros del Lecho del Humedal y la Zona de Desinfección:
- Temperatura del Agua
- Conductividad
- PH
- Oxígeno Disuelto
- Potencial Oxidación – Reduccion
- Turbidez de Agua
- Tensión y Corriente en el lecho del humedal
- Tensión y Corriente en la zona de desinfección
- Caudal de entrada y de salida
Plataforma Smart Water
Para la monitorización y control en tiempo real de los humedales artificiales, herramientas específicas de gestión han sido desarrolladas para la plataforma con procesamiento en la nube “Smart Water” de A CING. Esta plataforma ofrece un sistema horizontal para cubrir todas las necesidades y servicios existentes dentro de una ciudad y/o comunidad sostenible relacionados con el uso inteligente del agua. La arquitectura de alto nivel de dicha plataforma puede verse en la Figura 2, la cual está formada por tres capas diferenciadas.
Adquisición de Datos / Actuación
La capa de adquisición de datos y actuación está constituida por una red de sensores inalámbricos y actuadores que permiten capturar los parámetros del humedal tanto en modo histórico como en tiempo real, y actuar sobre los diferentes elementos de control, garantizando así las condiciones óptimas del humedal. Estos parámetros se envían en forma de datos a través de diferentes protocolos y sistemas de comunicación adaptados a las condiciones específicas de cada humedal, de una forma totalmente transparente al usuario final.
El diseño del sistema permite que los tiempos de muestreo y envío de los datos recogidos por los sensores sean configurables para cada parámetro en función de sus características y umbrales de operación.
Todos los elementos del sistema de monitorización y control en tiempo real se encuentran diseñados para un ahorro máximo de energía tanto en la captura de datos como en su envío. El sistema cuenta con pequeños paneles solares para recargar las baterías que alimentan los sensores, de forma que el mismo es totalmente autónomo, ideal para humedales situados en ubicaciones remotas con ausencia de suministro eléctrico.
Almacenamiento y Análisis de Datos
La capa de almacenamiento y análisis es la encargada de recibir, procesar y almacenar grandes volúmenes de datos recogidos por los sensores. Estos datos son tratados con herramientas de análisis estadístico y predictivo que permiten, por un lado, extraer la información significativa sobre el funcionamiento del humedal; y por otro, adelantarse al comportamiento del humedal y realizar acciones sobre los elementos de control. Todo ello permite llevar a cabo el proceso de depuración de una forma mucho más eficiente.
Presentación de la Información
En esta capa la información extraída se presenta al usuario final en forma de cuadros de mando, indicadores principales de funcionamiento (KPI con sus siglas en inglés) e informes de todos los humedales que se encuentran bajo su gestión. El sistema cuenta con herramientas de generación y gestión de alarmas que permiten avisar al usuario sobre incidencias que requieran de su atención en tiempo real; así como la realización de diferentes acciones programadas para revertir situaciones perjudiciales para los organismos electrogénicos y el proceso de depuración.
El acceso a la información es independiente de la plataforma y/o dispositivo utilizado para acceder a la misma, permitiendo así el acceso desde cualquier lugar con conexión a Internet.
Resultados
El sistema de monitorización y control en tiempo real se encuentra implementado en la Fundación Centro de las Nuevas Tecnologías del Agua (CENTA), situado en la localidad de Carrión de los Céspedes, Sevilla, tratando un caudal de agua residual procedente de una comunidad adyacente. Dicho humedal se puede observar en la Figura 3. Actualmente se encuentra en proceso de implementación en distintas comunidades en España, Dinamarca, México y Argentina.
El sistema ofrece la posibilidad de monitorizar y controlar varios humedales simultáneamente permitiendo procesar estadísticamente miles de datos, de forma que se pueden realizar correlaciones no sólo entre parámetros del propio humedal sino entre parámetros de diferentes ubicaciones y/o latitudes y estudiar de esa forma su comportamiento a gran escala.
La tecnología está dirigida a cubrir las necesidades de pequeñas comunidades, menores de 500 habitantes equivalentes. Además, su instalación podría realizarse para el tratamiento del agua de urbanizaciones o ciertos efluentes industriales.
Discusiones y conclusiones
La monitorización y control mediante TIC de humedales artificiales suple su carencia de control al proveer mecanismos que permiten la modificación del proceso de depuración en base a la medida de señales en tiempo real para garantizar la eficiencia del mismo.
Estos humedales inteligentes suponen precisamente una mejora de estos sistemas de depuración naturales, que pasan a ser más eficientes a través de una autogestión de los parámetros de operación, utilizando nuevas fuentes energéticas (bioelectrogénesis, energías renovables como fotovoltaica y eólica) y aplicando nuevas tecnologías que faciliten la explotación de las depuradoras.
Por último, estos humedales artificiales representan una opción ventajosa para el saneamiento del agua en pequeñas comunidades la cual permite evitar la deslocalización de las unidades de depuración.
Agradecimientos
La tecnología Smart Water se ha desarrollado en el contexto de los proyectos de investigación SmartWetland (INNPACTO 2012) y al proyecto iMETland (H2020-Water-1a-2014) liderados por el Dr. Abraham Esteve y la Fundación IMDEA Agua.
Referencias
- ITU-T. (2010). ICT as an enabler for Smart Water Managent. ITU-T Technology Watch Report.
- United Nations, D. o. (2014). World Urbanization Prospects; The 2014 Revision, Highlights. (ST/ESA/SER.A/352).