Hacia la paridad de tuberías, deja que la IA haga el trabajo

Si sigues el camino del agua desde tu ducha, lavabo o inodoro, probablemente pases por un laberinto de tuberías, hasta mezclarte con otras aguas residuales y llegar, poco después, a una planta de tratamiento central a varios kilómetros de tu domicilio. La disponibilidad de agua procedente de fuentes naturales puede disminuir los próximos años, al tiempo que aparecen nuevas demandas sobre la infraestructura de tuberías existente. Todo ello inclina a pensar que estos sistemas tradicionales son cada vez menos fiables.

Meagan Mauter, profesora asociada de ingeniería civil y ambiental en la Escuela de Sostenibilidad y la Escuela de Ingeniería Doerr de la Universidad de Stanford, explica que las plantas de tratamiento de agua tradicionales tienen grandes economías de escala en términos de costes y de la energía que requieren para operar. Pero también presentan graves deseconomías de escala en lo que respecta al transporte acuático. Se necesita energía para bombear agua para que llegue a donde debe ir y construir y mantener la infraestructura de tuberías tiene un precio.

Por eso, es partidaria de ampliar las opciones para la reutilización in situ. Las reservas naturales de agua están disminuyendo y el coste de suministros marginales alternativos, como la desalinización del agua de mar, es tan alto que la única fuente de agua verdaderamente consistente y sostenible a largo plazo son las aguas residuales. La pregunta es ¿a qué escala tiene sentido reutilizarlas?

Si se convierte un bloque de casas unifamiliares en un edificio de apartamentos de 30 pisos, los flujos que se van a producir son mucho mayores y la capacidad de las tuberías urbanas puede no ser la adecuada. En el caso de la industria, puede resultar también complicado obtener permisos y pagar las conexiones a los sistemas municipales, es mucho más fácil tratar las aguas residuales industriales concentradas en el lugar en el que se generan antes de que se diluyan en una instalación centralizada.

Para evaluar eficazmente las oportunidades que se abren en el ámbito de la I+D, la National Alliance for Water Innovation (NAWI) de Estados Unidos utiliza métricas de paridad de tuberías. Se trata del conjunto de soluciones y capacidades que hacen que las fuentes de agua marginales sean viables para aplicaciones de uso final. Al igual que el concepto de paridad de red eléctrica, una fuente de agua no tradicional logra paridad de tubería cuando el usuario la elige como su mejor opción para ampliar su suministro de agua.

La NAWI ha identificado ocho fuentes de agua no tradicionales y está convencida de que, si se tratan con tecnologías novedosas, podrían reutilizarse para uno o más de los siguientes cinco sectores de uso final: energía, extracción de recursos, industrial, agricultura y servicios municipales.

Históricamente, los sistemas de agua se diseñaban para capturar economías de escala asociadas con el tratamiento, el almacenamiento y la gestión del agua. Ahora se plantea el problema de que la larga vida útil de la infraestructura de tratamiento de agua impone una serie de limitaciones a la exigencia de integración que traen las nuevas tecnologías. A menudo se ha denominado este efecto como bloqueo de infraestructura.

El cambio, en muchos ámbitos, se orienta hacia sistemas de tratamiento de agua pequeños, conectados, parecidos a electrodomésticos y fabricados en masa. No se basa, simplemente, por tanto, en reducir los diseños de las plantas de tratamiento o en introducir mejoras marginales en ellas. No significa tampoco, ni mucho menos, que haya que deshacerse de las instalaciones de tratamiento centralizadas. En realidad, el planteamiento consiste en expandir la capacidad marginal de esos sistemas.

Un modelo de referencia podría ser el de los sistemas híbridos en el sector energético, donde los paneles solares y sistemas de almacenamiento se interrelacionan permanentemente con los sistemas centralizados de generación y transmisión para garantizar un suministro de energía confiable. La demanda de los sistemas de infraestructura de agua y energía coincide en la característica de que puede variar ampliamente. Expertos como Mauter creen que la reutilización in situ podría convertirse en una especie de planta de pico de agua para los períodos de intenso estrés hídrico.

Purificar fuentes

Lauren Nicole Core es consultora especialista en agua del Grupo del Banco Mundial y líder de comunicaciones del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Su foco está en el problema de purificar las fuentes de agua alternativas, porque esa tarea implica aumentos en el uso de energía y de productos químicos y exige disponer de operadores de tratamiento de agua avanzados y con capacitades.

Participa en una investigación de la NAWI que utiliza inteligencia artificial, con extensiones de aprendizaje automático (ML), para impulsar ese proceso. Según explica, el  objetivo es reducir el coste del tratamiento avanzado basado en ósmosis inversa (RBAT) mediante el desarrollo de nuevas soluciones tecnológicas y la mejora de las existentes para hacer que el tratamiento de aguas no tradicionales sea competitivo con las fuentes de agua convencionales para aplicaciones de uso final específicas.

“Estas tecnologías permitirán que el 90% de nuestras fuentes de agua no tradicionales actuales alcancen la paridad de tuberías”, asegura Peter Fiske, director ejecutivo de la NAWI.

La ósmosis inversa es un proceso de tratamiento de agua empleado desde hace mucho tiempo que se encuentra en el corazón de la mayoría de los sistemas de reutilización potable. Pero su eficacia tiene un coste y es que el enfoque RBAT consume una gran cantidad de energía y eso limita su escalabilidad, especialmente en los espacios con menos recursos económicos, además de generar dudas sobre la conveniencia de apostar por alternativas ambientalmente más sostenibles.

La IA permite realizar evaluaciones más eficientes de las aguas residuales y eliminar contaminantes de manera más adaptativa y rentable. En el caso de la N-nitrosodimetilamina (NDMA), presente en el agua como subproducto de la desinfección, se considera extraordinariamente cancerígeno y, al ser una molécula pequeña, puede pasar a través de la ósmosis inversa. Para eliminarla está la RBAT con su radiación ultravioleta, pero acarrea problemas derivados de su uso como la inactivación de algunos patógenos que pueden descomponer otros contaminantes no deseados o el consumo de energía que eso implica. Además, tradicionalmente, los ingenieros han tomado muestras de aguas residuales de los múltiples procesos de tratamiento y las han enviado para analizarlas en busca de NDMA y otros contaminantes peligrosos. El resultado puede tardar hasta un mes.

Un enfoque basado en IA, con desarrollos de ML, favorece el análisis de enormes conjuntos de datos para entrenar “sensores blandos”: modelos de inteligencia artificial que utilizan fuentes de datos más rápidas y económicas para predecir las concentraciones de contaminantes más lentos como la NDMA.

Los investigadores han demostrado que la IA puede predecir concentraciones de NDMA que permiten reducir los tratamientos de radiación ultravioleta innecesarios en aproximadamente un 50% dejando los niveles de contaminación muy por debajo de los límites regulatorios. Otras investigaciones de IA en el mismo proyecto de la NAWI están modelando la microfiltración y la ósmosis inversa con IA para detectar fallos y optimizar el uso de energía y productos químicos dentro de esos pasos de los sistemas RBAT.

La batalla regulatoria

La reutilización del agua se practica habitualmente y con éxito en varios Estados miembros de la UE, así como en Australia, California, Israel y Singapur. Sin embargo, todavía se utiliza por debajo de su potencial. Un informe del Joint Research Centre de la Comisión Europea lo achaca “a la limitada conciencia de los posibles beneficios entre las partes interesadas y el público en general, y la falta de un marco coherente y de apoyo para la reutilización del agua”.

El Reglamento de Reutilización del Agua, aplicable desde junio de 2023, establece requisitos mínimos uniformes de calidad para la reutilización segura de aguas residuales urbanas tratadas en riego agrícola. Disponer de esos requisitos mínimos armonizados garantizará la seguridad de los productos agrícolas en todo el mercado único europeo y debería contribuir a  impulsar la confianza de los consumidores.

Junto a ello, el Reglamento también establece requisitos mínimos uniformes de seguimiento, normas de gestión de riesgos para evaluar y abordar posibles riesgos adicionales para la salud y el medio ambiente, obligaciones en materia de permisos y normas sobre transparencia, en virtud de las cuales la información clave sobre todos los proyectos de reutilización del agua deben ponerse a disposición del público.

Durante los últimos cinco años, las instituciones europeas han actualizado de forma continua el acervo normativo en materia de agua para afrontar los desafíos emergentes. La necesidad urgente de una estrategia hídrica coherente e integral es motivo ya de consenso entre los Estados miembros y las instituciones europeas. En particular, las resoluciones del Consejo Europeo de 2021 y 2023 subrayaron la importancia estratégica del agua y el imperativo de tomar medidas decisivas. En la Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Agua de 2023 se presentaron también compromisos audaces sobre el agua, lo que demuestra la voluntad de Europa de asumir el liderazgo mundial en este asunto.

El problema es que, en estos momentos, existe aún una gran cantidad de regulaciones a nivel estatal contradictorias relacionadas con la reutilización in situ. A nivel local, los códigos de construcción y de salud pública simplemente no se establecieron para apoyar el tratamiento y la reutilización distribuida del agua, y a menudo se contradicen entre sí.

De ahí que expertos como Meagan Mauter de Stanford reclamen una mejor investigación científica sobre los estándares regulatorios basados en el riesgo, por ejemplo, asociado a la pureza del agua destinada a lavar la ropa. Alinear los estándares regulatorios en todos los estados ayudará a los fabricantes de sistemas in situ a generar economías de escala.

Algunas reducciones de costes se lograrán mediante el “aprender haciendo” a medida que los fabricantes fabriquen e instalen más sistemas. Pero otras son más difíciles de lograr.

Big Spring (Texas) es el único lugar de EEUU con un sistema de DPR (direct potable reuse) municipal, en el que todas las aguas residuales se tratan y se devuelven al grifo. Otro sistema DPR notable es la Planta de Changi en Singapur, que limpia 897,14 millones de litros al día. En California, algunas ciudades están fijando objetivos de reciclar toda el agua para 2035. Florida y Arizona también están tomando medidas para ampliar la DPR, informa CBS News.

También hay mucha actividad en torno a la reutilización potable indirecta. El condado de Orange en California, tiene la instalación más grande del mundo, que limpia 492,1 millones de litros agua al día, la pasa por una purificación avanzada y finalmente la inyecta en el agua subterránea, que sirve como amortiguador ambiental. Luego, el agua se canaliza a todos los usuarios municipales.