La Cátedra de Valencia demuestra cómo mejorar el control operacional de las EDAR con técnicas de machine learning

El trabajo es el resultado del Trabajo Final de Máster (TFM) realizado por Paola Yllanes Fernández, y que ha sido dirigido por el investigador de (Instituto de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente de la Universitat Politècnica de València (IIAMA-UPV), Daniel Aguado, y el técnico del Departamento de I+D+i de Aguas Residuales de Global Omnium, Feliu Sempere. Con el título de ´Aplicación de técnicas de machine learning para el aprovechamiento de los datos de la planta piloto del proyecto Life BactiWater´, el estudio forma parte de los trabajos que se han desarrollado en el proyecto Life BactiWater.

La investigación busca anticiparse a las condiciones transitorias que afectan la operación de las EDAR y, de este modo, alertar cuando haya un ingreso de contaminantes elevado que pueda afectar negativamente al proceso biológico de depuración del agua o interrumpir por completo el proceso, para que se pueda actuar lo antes posible y así minimizar su impacto en la EDAR. "Estos incidentes inesperados pueden ser causados por eventos extremos, accidentes o vertidos no autorizados sobre en el sistema de saneamiento y son más frecuentes de lo que creemos. Solo a nivel local, la Entidad Pública de Saneamiento de Aguas Residuales(EPSAR) identificó 3,503 incidentes en el año 2019, es decir, 9 incidentes al día", sostiene Paola Yllanes.

Por ello, y como parte de los trabajos que se han desarrollado en el proyecto Life BactiWater, Paola ha aplicado técnicas de machine learning para interpretar y clasificar tanto los resultados de las muestras analizadas en el laboratorio como los datos de sensores de la planta piloto en tiempo real. "De forma complementaria al sistema de alerta temprana, mi estudio buscaba predecir de forma anticipada la concentración de amonio y nitrato en el reactor aerobio de la planta piloto, donde se llevaron a cabo las experiencias del proyecto a escala demostrativa entre los meses de enero y junio del 2019", expone la estudiante becada por la Cátedra Aguas de Valencia.

Trabajo desarrollado y objetivos

Concretamente el trabajo realizado por Paola ha consistido en recopilar información bibliográfica y el estado del arte sobre el efecto de vertidos en los procesos biológicos, técnicas de monitorización y de machine learning para la detección de eventos anómalos. Posteriormente, ha evaluado la evolución de los procesos biológicos en la planta piloto de diferentes vertidos. Asimismo, ha aplicado técnicas de aprendizaje automático para agilizar la interpretación de los datos de laboratorio, concretamente la técnica de K-Means Clustering. Paralelamente ha desarrollado modelos de predicción de nitrato (NO₃^-) y amonio (NH₄⁺) en el efluente, aplicando técnicas de redes neuronales (multi-layer perception o MLP) y máquinas de soporte vectorial (support vector machine o SVM). Todo con un objetivo: recuperar con la mayor brevedad y menor coste operativo los sistemas biológicos tras recibir el ingreso de contaminantes en gran concentración.

Según Paola Yllanes, "las técnicas de machine learning procesan los datos recogidos en tiempo real para extraer información valiosa que permite mejorar la toma de decisiones, basada en los datos actualizados del proceso y además permite anticiparnos al futuro. Con los datos de la planta desarrollamos un sistema de monitorización que indica si la planta funciona correctamente o no, y unos algoritmos para conocer su estado en tiempo real y predecir en tiempo futuro la calidad que se espera del afluente en la próximas 4 u 8 horas, pudiendo conocer de manera anticipada la posibilidad de vertidos". De hecho, al analizar una serie de datos históricos y aplicar estos algoritmos de machine learning, se establecen relaciones numéricas que permiten agrupar los parámetros de diferentes muestras, clasificar la información y predecir parámetros de interés. "En definitiva, un mejor control operacional de las EDAR se traduce en una mejor calidad del efluente y, por tanto, una disminución del impacto negativo en el medio ambiente y en la salud pública", concluye Paola Yllanes.