Decisiones en los sistemas de saneamiento: Un poco de ayuda. Parte 7

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El 1 agosto, 2024
En Contenido Técnico, Efluentes Líquidos y Gaseosos
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5 Selección de alternativas

De las decisiones tomadas en el nivel de planificación estratégica se obtiene un conjunto de información
que es la base de las decisiones a tomar en el segundo nivel, que corresponde a la selección de alternativas, para traducir los objetivos del sistema de saneamiento y sus condiciones a la integración del conjunto de tecnologías que puedan cumplir de forma satisfactoria estas condiciones. El primer problema que se presenta es identificar el número posible de alternativas. Hay que tener en cuenta que a lo largo de los años se han desarrollado diferentes tipos de tecnologias que pueden satisfacer, en diferente grado, las condiciones requeridas, y por tanto se trata de seleccionar aquellas que presentan la mejor combinación para el problema concreto. En este libro, y según la experiencia de sus autores, aunque la problemática general puede ser la misma, se presentan diferencias entre las poblaciones con mayor número de habitantes y los núcleos pequeños (que se cifran en poblaciones con menos de 2000 h-e) recomendándose diferentes aproximaciones. Es por ello que en los siguientes apartados se presentan dos SAD desarrollados para ambas situaciones, indicando les etapas que se han seguido, para que el lector pueda evaluarlas, y aprovechar aquellos aspectos que puedan serle más útiles.

5.1 La problemática de la selección de tecnologías

Análisis del problema

Una vez definidas las condiciones que tiene que cumplir el sistema de saneamiento y las restricciones que se presentan en cada caso concreto (espacio, presupuesto, entorno…) la selección del conjunto de tecnologías que permita alcanzar estos objetivos, de la manera más eficiente posible, no es una tarea fácil. No existe una solución única, en el sentido de que no hay una tecnología única que permita alcanzar los objetivos prefijados en cualquier caso, sino que la solución pasa por la combinación de diferentes
elementos que, agrupados en diferentes niveles de tratamiento, permiten ofrecer soluciones al problema.
Hay que tener en cuenta, además, que en el caso del tratamiento, el número de tecnologías para la depuración de las aguas residuales se ha ido incrementando a lo largo del tiempo, y cada vez más están apareciendo nuevas tecnologías que presentan mejores prestaciones desde el punto de vista del rendimiento (para los parámetros tradicionales –sólidos, materia orgánica, nutrientes– o para nuevos contaminantes emergentes), o desde el punto de vista de consumos energéticos y minimizando impactos en general.

La necesidad de combinar diferentes tecnologías, y la existencia de un número progresivamente mayor de las mismas como posibles elementos a utilizar, hace que el número de alternativas a contemplar sea elevado. Hay autores que, haciendo uso de la combinatoria, estiman que si tenemos en cuenta las combinaciones de los elementos disponibles, el número de alternativas a considerar es de miles de millones. De manera más realista, otros autores cifran en algunas decenas de millares las opciones que
permiten abordar el problema.

Simultáneamente, los criterios a utilizar para evaluar la bondad del diseño son cada vez más elaborados. Ya no se trata sólo de alcanzar unos niveles de calidad de agua a la salida, sino que hay que considerar aspectos complementarios, como la seguridad en el funcionamiento, los costes (con especial atención
a los costes energéticos), el impacto ambiental que las propias instalaciones provocan en cuanto a emisiones, la posibilidad de reutilización… Ello implica la utilización de herramientas cada vez más
completas tanto para identificar los elementos a tener en cuenta, como el análisis de ciclo de vida que integra diferentes impactos, o para evaluar el efecto de diferentes ponderaciones mediante la utilización
de herramientas matemáticas de análisis multicriterio.

Finalmente, el conocimiento se encuentra distribuido entre diferentes agentes cuya colaboración puede permitir obtener efectos simbióticos. Por un lado, investigadores que desarrollan nuevas tecnologías (habitualmente a escala laboratorio o piloto) y que permiten la innovación.

Por otro lado, las empresas o ingenierías especializadas, que tienen amplia experiencia en el diseño de instalaciones y en algunos casos con patentes propias que las diferencian de la competencia. Finalmente, la Administración correspondiente con su propio personal técnico y que tiene la responsabilidad de conseguir la mejor calidad del agua posible con los recursos de que dispone. Se trata de alcanzar la mejor
tecnologia disponible a un coste no excesivo (las llamadas BATNEEC).

Un aspecto que añade incertidumbre a la decisión es la capacidad de flexibilidad del proceso propuesto para hacer frente a cambios que puedan ocurrir en el futuro, ya que hay que recordar que la vida media de estas instalaciones es de decenas de años. En este período las instalaciones se tienen que ir adaptando tanto a los cambios tecnológicos de su propio equipamiento, como a los cambios que provocan decisiones que se van tomando en el primer nivel. Un ejemplo de esta evolución es la del sistema de saneamiento de Zurich que tenemos la suerte que ha sido narrada por Willy Gujer al unísono con la evolución de sus intereses de investigación.

Adquisición de datos y conocimientos

Tradicionalmente se ha considerado la integración de todos estos elementos prácticamente como un arte. Y como tal arte, difícil, cuando no imposible, de sistematizar. Manteniendo la idea de que siempre habrá elementos que requerirán la experiencia humana, recientemente se está haciendo un esfuerzo en proporcionar elementos que puedan ayudar en esta etapa, sistematizando el conocimiento adquirido y especialmente estableciendo sistemas en el que los diferentes tipos de conocimiento puedan integrarse y, por tanto, ofrecer respuestas que vayan más allá del conocimiento específico. En definitiva se trata de ayudar en el proceso de toma de decisiones para pasar de un número muy amplio de alternativas a un número manejable en la etapa posterior de diseño detallado, donde los elementos de evaluación más
sistematizados, como los que ofrecen los modelos matemáticos, puedan ofrecer soluciones óptimas al problema.

Selección de modelos

Para organizar el conocimiento se han definido dos tipos de estructuras:

Una que corresponde a la organización de las unidades de tratamiento, para las que se han definido tres niveles de abstracción.
· Un nivel genérico (meta-units) que corresponde a las etapas que se asume que pueden existir en todo proceso de tratamiento (tratamiento primario, tratamiento secundario, tratamiento terciario, tratamiento de fangos, retornos y tratamiento de olores).
· El segundo nivel (sub meta-units) engloba grupos de tecnologías que serán necesarias en el proceso en función de los objetivos (por ejemplo, en el tratamiento de olores se consideran los tratamientos químicos y los biológicos).
· El tercer nivel (units) identifica las operaciones unitarias individualizadas. La consideración de los diferentes elementos en los diferentes niveles se basa en las propiedades estructurales (conectividad), de comportamiento (como operan), funcionales (su papel dentro del proceso) y teleológicas (su objetivo y justificación). Esta estructuración, basada en los criterios del proceso de decisión jerárquico, permite descomponer el problema en un conjunto de elementos más simples de analizar y evaluar, ya que los diferentes niveles de abstracción modifican la cantidad de conocimiento y detalle en cada etapa, permitiendo que la decisión se focalice en un número más reducido de conceptos en cada momento.
Así, si se define un nuevo requerimiento, todas las opciones que no cumplen las especificaciones quedan descartadas a nivel más genérico, evitando la generación de alternativas que ya se puede determinar que no cumplirán las especificaciones.
Otra que corresponde a las características de las unidades, para las que se han definido tres bases de conocimiento:
· Base de conocimiento de compatibilidad (C-KB), que contiene la información referida a las diferentes interacciones entre las tecnologías de tratamiento y determina los diferentes niveles de compatibilidad entre ellas, habiéndose establecido cinco niveles de interacción desde alta compatibilidad a compatibilidad nula.
· Base de conocimiento de especificaciones (S-KB), en la que para cada una de las 274 unidades de tratamiento consideradas se especfican, de acuerdo con la información disponible: información sobre el influente que puede tratar, información sobre el efluente esperado, generacíon de subproductos, condiciones de operación, costes e impactos ambientales.
· Base de conocimiento de información legal y ambiental (E-KB), necesaria para identificar límites de operación y para la evaluación posterior de los impactos globales.

Operación

El SAD propuesto, como elemento de ayuda para la selección de alternativas en el diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales presenta dos interfaces y opera siguiendo las tres etapas de: entrada de información, diagnosis y propuesta razonada de soluciones.

Entrada de datos

En la entrada de información, el usuario define, mediante un conjunto de pantallas, en forma jerarquizada, el escenario en el que se va a situar la instalación. Para ello se le solicitan en primer lugar las características del agua a tratar y la calidad del agua que se espera a la salida de la instalación (incluyendo si el destino final es el retorno al medio o la reutilización, para lo cual el usuario dispone de un conjunto de alternativas relacionadas con las especificaciones normativas para cada caso). A continuación, el usuario puede ir indicando su priorización respecto a disponibilidades de espacio, importancia de la presencia de olores, costes, consumos energéticos… Esta priorización quede irse modificando en diferentes etapas del diseño, de manera que se puede evaluar el impacto de establecer diferentes priorizaciones en la propuesta de diseño.

Diagnosis

En la primera fase se procede a la generación de alternativas. Para ello se establece una estructura en red compuesta por nodos, donde cada nodo representa una tecnología y se encuentra relacionado con la base de conocimento de especificaciones, de manera que puede acceder a toda la información relacionada con la unidad correspondiente, y por conexiones que relacionan las propiedades de conectividad entre las unidades especificadas en la base de conocimiento de conectividad. Inicialmente en los niveles de meta-unit se realiza una primera selección de las tecnologías para establecer qué combinaciones son capaces de alcanzar las especificaciones solicitadas por el usuario. Ello permite una primera reducción del espacio de búsqueda para posteriormente, a los nives de sub-meta unit y unidades, identificar las posibles combinaciones que dan lugar a diferentes diagramas de flujo, compuestos por la combinación de unidades de tratamiento cuya compatibilidad se ha evaluado mediante la correspondiente base de conocimiento.

En la segunda fase, a partir de los diagramas de flujo generados, que corresponden a soluciones que satisfacen las especificaciones proporcionadas por el usuario, se procede a la evaluación de los mismos. Para ello se establece una etapa de propagación de la información a través de los nodos llamada evaluación recursiva. En esta etapa se tienen en cuenta 54 factores que caracterizan cada tecnología y que son susceptibles de ser evaluados (concentración final de contaminantes, coste total, posibles problemas operacionales…) bien de forma cualitativa por el usuario, bien de forma cuantitativa por métodos de análisis de decisión multicriteria. A partir de aquí se ordenan las soluciones propuestas en función de una puntuación. Hay que recordar que esta puntuación puede ser modificada por el usuario, ya que podrá variar sus prioridades definiendo diferentes escenarios. Teniendo en cuenta que en la definición de las bases de conocimiento se ha ido incorporando el origen de cada una de las informaciones, el sistema puede reconstruir la traza de las propuestas realizadas.

Resultados

La obtención de alternativas viables viene dada sobre un proceso jerárquico donde los usuarios pueden ir diseñando su opción más favorable a medida que se incrementa el nivel de detalle. Una vez el escenario ha sido definido, el SAD evalúa inicialmente las opciones de tratamiento secundario viables y ofrece un listado de aquellas tecnologías que más se ajustan a las especificaciones introducidas, y donde se tendrá total capacidad para explorar los diferentes parámetros de rendimiento y demás indicadores. Posteriormente, la selección de una de las tecnologías activa el proceso de evaluación y permite mostrar al usuario las diferentes líneas de tratamientos primario, terciario y de biosólidos que más se ajustan a dicha tecnología, a la vez que al escenario definido. Nuevamente, el usuario puede valorar los resultados de las líneas recomendadas e ir seleccionando aquellas que se ajustan más a sus prioridades. Finalmente, a través de esta evaluación integrada y jerárquica, se consigue obtener la configuración completa más realista y adaptada al escenario propuesto.

5.2 La problemática de los núcleos de menos de 2.000 habitantes

Las comunidades de menos de 2.000 habitantes presentan unas características
diferenciadas respecto a los núcleos de mayor población

Análisis del problema
Estos núcleos presentan algunas características diferenciales.
En primer lugar, una dimensión social. A diferencia de los grandes núcleos donde difícilmente nadie conoce las condiciones del sistema de saneamiento o la ubicación de la planta de tratamiento, estos núcleos viven muy directamente la implementación de sus sistema de saneamiento, con una mayor sensibilidad, tanto para los impactos negativos que pueda presentar, como para los beneficios que sobre el medio significa.

En segundo lugar, una dimensión ambiental. En muchos casos estos núcleos pequeños se encuentran situados en zonas a las cabeceras de los ríos donde su caudal es menor, o en zonas de especial protección ambiental, por lo que el impacto de la instalación es significativo. Es por ello que el impacto sobre la calidad ecológica del medio receptor debe ser tenido muy en cuenta.

En tercer lugar, una dimensión tecnológica. Aunque pueden existir diferencias entre las diferentes alternativas de sistemas de tratamiento para los núcleos de mayor población, las mismas se agrupan en torno a modificaciones del proceso de lodos activados. Sin embargo, en el caso de pequeñas poblaciones, aparece, un conjunto de sistemas de tratamiento que, agrupados bajo epígrafes como sistemas naturales o de bajo coste o extensivos, ofrecen unas prestaciones que deben ser tenidas en cuenta.

La conjunción de estas tres dimensiones provoca una complejidad añadida a la selección de los sistemas de saneamiento para estos núcleos, que se ve reflejada en el hecho de que algunas normativas, en lugar de fijar unos límites numéricos de calidad del agua a la salida del sistema de sanemiento, introducen un concepto más difuso como es el de tratamiento adecuado.

La gestión de esta complejidad no es fácil, puesto que para obtener soluciones adecuadas es necesario combinar valores cuantitativos con variables cualitativas, o incluso con sensaciones subjetivas. Para ello será necesario incorporar no sólo ecuaciones de diseño, sino también conocimiento de diferentes ámbitos, desde el ámbito específico del núcleo donde va a instalarse el sistema de saneamiento, hasta expertos en la dinámica del medio receptor, o personas con experiencia en tecnologias más intensivas o más extensivas (curiosamente, es difícil encontrar personas con experiencia en ambos ámbitos). Si para una situación específica puede pensarse en la realización de un brain storming que permita obtener una solución de consenso, de lo que se trata es de hacer propuestas para un territorio donde se plantea la solución de centenares o miles de núcleos, parece claro que es necesaria la utilización de un sistema que permita gestionar de forma inteligente el conocimiento y que sea capaz de ofrecer respuestas razonadas para cada situación teniendo en cuenta las diferentes dimensiones del problema.

La necesidad de integrar diferentes conocimientos, disciplinas y puntos de vista fue la que llevó a la Agència Catalana de l’Aigua a encargar un sistema de ayuda a la decisión (SAD – PSARU) para establecer cuales debían ser las propuestas más adecuadas para sus núcleos de menos de 2000 habitantes. Bajo la coordinación de los responsables de la Agència, el trabajo fue realizado por un conjunto de universidades y centros de investigación agrupados en una red temática, en la que participaban investigadores de diferentes ámbitos, y por un conjunto de ingenierías y empresas consultoras que aportaron conocimiento de los diferentes aspectos en que se distribuyó el trabajo.

Adquisición y gestión del conocimiento

Para la obtención de datos y adquisición de conocimiento se utilizaron, fundamentalmente, tres fuentes:

Expertos/as, tanto en la gestión y depuración de aguas, como en la definición de calidad del medio receptor.
Conocimiento extraído de la bibliografía y de otros lugares donde había experiencia en el desarrollo de programas de saneamiento para este tipo de núcleos.
Análisis de datos históricos, que permitieran conocer la problemática de los núcleos a sanear y el estado del medio receptor.
Las tres fuentes de conocimiento se trabajaron de forma simultánea ya que permiten obtener información complementaria.
En el caso de las personas
expertas, la obtención del conocimiento se basó en la realización de una serie de entrevistas tanto a personas de la administración como de sectores sociales implicados, así como del mundo científico y de ingenierías con experiencia en el tema. Estas entrevistas permitieron obtener conocimiento heurístico y específico de la zona en estudio, obtenido a partir de años de experiencia de trabajar en el mismo campo, que se consideró necesario para el buen funcionamiento posterior del sistema de ayuda a la decisión. Este conocimiento específico obtenido de la experiencia se completó con el procedente de libros o revistas expecializadas, y de las visitas a lugares donde ya se habían desarrollado programas de saneamiento para pequeños núcleos.
Finalmente, ello se complementó con el estudio de datos históricos de la calidad del agua de los medios receptores y de los sistemas de saneamiento en aquel momento operativos ya que permitían identificar puntos fuertes y débiles de diferentes tipologías de instalaciones.

Análisis cognitivo

Los resultados obtenidos en la etapa anterior se organizaron en tres bases de conocimiento:

Una base de conocimiento con las características del medio receptor. Se entiende como medio receptor aquel ecosistema que recibirá el efluente del sistema de saneamiento que sea seleccionado en cada núcleo (o agrupación de los mismos). En esta base de conocimiento se incorpora la información referente a la cantidad de agua, la presencia de acuíferos, zonas sensibles, contaminación por nitratos, vulnerabilidades y zonas protegidas.
Además de los datos históricos de caudales y calidades, se consideró importante incorporar el aspecto del posible punto de vertido del sistema de saneamiento y su entorno.
Esta base de conocimiento permitió definir el tratamiento (mínimo) necesariopara cada caso, en concordancia con el estado del medio receptor.
Una base de conocimiento con las características del núcleo a sanear, con mención de las características de la comunidad y la identificación de los lugares disponibles para el vertido del sistema de saneamiento. Esta base de conocimiento se obtuvo a partir de encuestas realizadas a representantes de todos los ayuntamientos afectados, realizadas por las empresasconsultoras, en las que se incorporaban datos del núcleo, de su entorno y del saneamiento existente.
Una base de conocimiento de las alternativas tecnológicas de tratamiento, con información sobre las características, prestaciones, requerimientos de espacio, restricciones climáticas, geológicas y hidrogeológicas, alturas máximas donde los sistemas son aplicables, pendientes del terreno o restricciones debidas a la presencia de acuíferos. También se consideraron en esta base de conocimiento los costes de instalación y mantenimiento, además de otras consideraciones que podrían afectar a aspectos sociales, como la generación de olores.

Codificación del conocimiento e implementación

En función del tipo de conocimiento se recurrió a diferentes modelos para su codificación.
Respecto a los sistemas de tratamiento, el conocimiento se codificó en forma de matrices. Una permitía comparar cualitativamente, en base a criterios económicos, de impacto, tecnológicos y sociales los diferentes sistemas de saneamiento considerados. Otra asociaba los niveles de tratamiento especificados, en función del medio receptor, con los niveles de tratamiento por los diferentes sistemas de saneamiento. A partir de estas dos matrices se construyó una tabla jerarquizada discriminante, que a partir de diferentes revisiones para evitar contradicciones y redundancias –lo que se obtuvo a partir del consenso con diferentes expertos que tenían distinto nivel de experiencia en los diferentes tratamientos–se constituyó como elemento central en el proceso de ayuda a la decisión.
Las cuatro variables que se establecieron como fundamentales de la tabla jerarquizada fueron: los habitantes equivalentes, estableciéndose diferentes intervalos; el nivel de tratamiento requerido (primario, secundario, secundario con nitrificación, secundario con desnitrificación y secundario con desnitrificación y reducción de fósforo); las condiciones de caudal del medio receptor y meses al año que presentaba caudal de agua y las condiciones de la parcela disponible (superficie, pendiente).
Se consideró la conveniencia de introducir un conjunto de reglas de seguridad, para incorporar conocimiento relacionado con información geográfica (zonas vulnerables, planes epeciales), o específica de alguna zona (población estacional) que podían favorecer, desaconsejar o incluso descartar algunos tratamientos que no se adaptaran a las condiciones climáticas (temperaturas, días de niebla, altura sobre el nivel del mar).