Aplicación de herramientas de estadística clásica y lógica borrosa a la caracterización de sistemas de tratamiento de aguas residuales en la provincia de Valencia

Resumen

Las alternativas de tratamiento de las aguas residuales urbanas son múltiples y muy variadas, y se seleccionan no sólo por las características del agua a tratar, sino, además, por otras razones como el tamaño de la población a la que sirve, economía, ambientales, espacio disponible para su instalación, etc. Siendo numerosos los trabajos que han tratado el tratamiento de aguas residuales de pequeñas poblaciones (Ferrer et al. 2007; Collado, 1992) o de diversos procesos industriales o para afluentes procedentes de poblaciones con alta carga industrial (Carrera, 2001), n son tantos los que han realizado estudios comparativos de diversos tipos de Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR) en poblaciones con afluentes predominantemente domésticos (Solís, 2011) mediante procedimientos estadísticos (Sánchez, 2008) de análisis de series temporales y menos aún con técnicas de fuzzy logic y data mining. Esta investigación pretende llevar a cabo un tratamiento estadísticos de los valores de distintos parámetros analíticos del agua de entrada a la EDAR (afluente) y a la salida (efluente), una vez ha recibido el tratamiento de depuración. Para ello, se han seleccionado ocho estaciones depuradoras de poblaciones distintas de la provincia de Valencia, que tratan con sistemas de depuración diferentes las aguas afluentes. Así, la Edar de Utiel trata las aguas por el procedimiento de fangos activados y aireación prolongada con una depuradora de "doble etapa". La de Corbera-Llaurí, también utiliza el procedimiento de fangos activados y aireación prolongada con el sistema denominado "SBR", iniciales de "sequencing batch reactors" o reactores biológicos secuenciales. Por su parte, la de Marines, así mismo de fangos activados, utiliza un sistema mixto de aireación prolongada y lechos bacterianos sobre elementos plásticos especiales (carriers) que es el denominado sistema "Agar". La de La Portera (Requena), también de fangos activados, es una depuradora de "todo en uno": Por su parte la de Moixent, así mismo de fangos activados y aireación prolongada, utiliza el sistema "VLR" o "vertical loop reactor" o reactor de vueltas verticales. La de Jarafuel es un proceso distinto, así como las de Turís y Cheste, todas ellas de lechos bacterianos; la primera de ellas trata el afluente por el sistema de lecho de turbas, mientras que la de Cheste lo hace por medio de un percolador y por último la de Turís utiliza lechos bacterianos móviles por medio de biodiscos. Estas EDARs han sido seleccionadas teniendo presente que le proceso fuera distinto para cada una de ellas y que el origen del agua fuera fundamentalmente doméstico. Sin embargo, no cabe duda que, en alguna de ellas, se ha incluido algún proceso industrial o actividad que puede alterar la típica composición del agua de origen urbano. La investigación se centra, exclusivamente, en las líneas de agua, dejando al margen las de fangos, que, por lo general, suelen tener un tratamiento mucho más uniforme, independientemente de tipo de planta y el proceso que sufra el agua residual. De todas estas estaciones depuradoras de aguas residuales, se dispone de series analíticas de unos 10 años de duración con frecuencias quincenales o mensuales, que permiten la consistencia del tratamiento estadístico. Los parámetros de que se dispone, para todas ellas, con pequeñas diferencias, son, además del volumen diario del agua tratada, los datos de la calidad del afluente correspondiente a V60 (cantidad de sedimentos producidos tras una decantación de 60 minutos), pH, sólidos en suspensión, DBO₅, DQO, N total y P total. Con respecto al afluente se dispone de datos de las mismas fechas relativos a pH, sólidos en suspensión, DBO₅, DQO, N total, P total y conductividad. Como métodos estadísticos clásicos, de análisis de series temporales, se aplican tanto técnicas univariantes como multivariantes. Entre las primeras, se realiza la gráfica de la variación de los distintos parámetros a lo largo de toda la serie y, por mínimos cuadrados, la recta que mejor se ajusta a la nube de puntos que marca la tendencia global de toda la serie. Así mismo, se aplica la función de autocorrelación para intentar deducir la memoria de los valores de la serie, comprobar su aleatoriedad o dependencia y analizar una posible ciclicidad o estacionalidad. Por último, se lleva cabo la descomposición estacional que es un método visual e intuitivo para determinar la estacionalidad de los distintos parámetros. Como técnicas multivariantes, que no es más que el conjunto de métodos que analizan simultáneamente más de una variable en una muestra de observaciones, se estudia la matriz de correlaciones para probar la significancia estadística de las correlaciones estimadas. El análisis factorial es otro instrumento estadístico multivariante utilizado, encaminado a sintetizar, de una manera gráfica, las interrelaciones observadas entre los distintos parámetros. Las correlaciones cruzadas han comprobado la relación existente entre valores sincrónicos de dos variables distintas. El análisis cluster ha permitido identificar parámetros próximos o distantes y comprobar posibles interdependencias. A partir de este análisis estadístico se han conseguido interpretar la bondad o no de los distintos sistemas de depuración, las interrelaciones entre los distintos parámetros y su posible estacionalidad así como la detección de defectos de depuración. Otro aspecto de la investigación es el análisis de la eficacia de cada uno de los ocho sistemas estudiados, partiendo de la reducción obtenida de algunos de los parámetros más representativos. Con el fin de abundar más, se incluye la eficiencia de los mismos, conociendo los costes de cada uno de ellos, entendiendo como tal no sólo la reducción de aquellos parámetros sino, además, el coste por cada metro cúbico depurado. Una vez efectuados todos los estudios relativos a la estadística clásica, se ha realizado un análisis con la herramienta "fuzzy logic" ampliamente aplicada a diferentes procesos. Especialmente han sido utiizadas en el ámbito de la Universidad de Huelva para el estudio del drenaje ácido de mina (AMD) por Grande et al. (2005), Aroba et al. (2007), Jiméne et al. (2009) y por Valente y Leal Gomes (2005 y 2009) en la Universidad de Braga. La lógica borrosa, trabaja con reglas de razonamiento muy próximas a la forma de razonar de los humanos. La principal característica es que permite definir valores, sin concretar un valor preciso, lo que no es posible a partir de la estadística clásica. Esta metodología se ha aplicado a los datos analíticas de las Edars de Utiel y de Cheste que, en principio, son las más importantes por el volumen de agua tratada. Se ha establecido relaciones de dependencia de los distintos parámetros, no de forma numérica, sino lógica, analizando, además, distintas épocas del año con los diferentes parámetros, para establecer una probable estacionalidad. Un análisis comparativo y un estudio complementario de ambos sistemas estadísticos ha conducido a establecer las conclusiones estadísticas de la investigación que unidas a las relativas a la eficacia y eficiencia de los distintos sistemas, sin olvidar, en cualquier caso, las diferencias cualitativas y cuantitativas del afluente, así como las diferentes exigencias normativas del efluente.