Contribución al campo del IoT mediante el desarrollo de sensores inteligentes basados en espectrofotometría de longitud de onda variable. Aplicación a la monitorización en continuo de la carga contaminante en aguas residuales urbanas

Abstract

[SPA] Conocer la evolución de la carga contaminante de la red de saneamiento es clave para un control más fehaciente de la misma, especialmente durante episodios de lluvia intensa debido al riesgo de desbordamiento de la red, lo que puede implicar el vertido de una alta concentración de contaminantes al medio receptor.Tradicionalmente, el estudio de la evolución de la carga contaminante es llevado a cabo mediante la toma de muestras puntuales que son analizadas en laboratorio, lo que imposibilita llevar a cabo una monitorización en tiempo real. No obstante, en las últimas décadas se han llevado a cabo diversos estudios que ponen de manifiesto la capacidad de caracterizar ciertos parámetros contaminantes a partir de mediciones indirectas, basadas en la espectroscopia de absorción molecular, como es el caso de un espectrofotómetro para un rango amplio de longitudes de onda o de un medidor de turbidez para una única longitud de onda. Actualmente ya se están comercializando equipos que por medio de un análisis espectrofotométrico basado en lámparas de xenón, estiman ciertos parámetros de contaminación como la DQO o la concentración de nutrientes sin necesidad de reactivos o pretratamientos.A pesar del avance que este tipo de sistemas representan, el uso de lámparas halógenas o de xénon para la generación del espectro de trabajo puede representar también una limitación a la hora de desarrollar equipos de bajo coste, dimensiones y consumo que puedan operar de forma autónoma en la red.La presente tesis doctoral, realizada en colaboración con la empresa HIDROGEA gracias a una beca para la Formación del Personal Investigador (FPI) de la Fundación Séneca, se centra en el diseño e implementación de una nueva generación de equipos inteligentes basados en espectrofotometría LED, para el análisis en tiempo real de una amplia variedad de parámetros contaminantes presentes en las aguas residuales que recorren las redes de saneamiento, mediante diversos modelos de estimación.Esto se ha concretado en el desarrollo de dos equipos de bajo coste, unopara su uso en laboratorio, el cual se ha denominado Espectrofotómetro Desktop, y otro para su uso en la red de saneamiento, como un equipo autónomo capaz de llevar a cabo la adquisición, caracterización, almacenamiento y envío de la información de las muestras de agua en un corto periodo de tiempo a la nube. Además, se han calculado diversos modelos matemáticos para la estimación de la DQO, DBO5, SST, P, NT, NO3−N a partir de la respuesta espectral de las muestras, con una alta precisión y sin necesidad de químicos o pretratamientos.Se trata de una tesis con un enfoque multidisciplinar, desarrollada bajo la supervisión de dos grupos de investigación de la Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT). Por una parte, la División de Innovación en Sistemas Telemáticos y Tecnología Electrónica (DINTEL) y por otra, el grupo de investigación en Ingeniería Hidráulica Marítima y Medio Ambiental (Hidr@m) de la UPCT, que desarrolla su trabajo en la investigación aplicada en sistemas de abastecimiento y saneamiento y,en especial, en el estudio del transporte de contaminantes así como la monitorización y el estudio de las medidas de remediación en redes de saneamiento. [ENG] Conocer la evolución de la carga contaminante de la red de saneamiento es clave para un control más fehaciente de la misma, especialmente durante episodios de lluvia intensa debido al riesgo de desbordamiento de la red, lo que puede implicar el vertido de una alta concentración de contaminantes al medio receptor.Tradicionalmente, el estudio de la evolución de la carga contaminante es llevado a cabo mediante la toma de muestras puntuales que son analizadas en laboratorio, lo que imposibilita llevar a cabo una monitorización en tiempo real. No obstante, en las últimas décadas se han llevado a cabo diversos estudios que ponen de manifiesto la capacidad de caracterizar ciertos parámetros contaminantes a partir de mediciones indirectas, basadas en la espectroscopia de absorción molecular, como es el caso de un espectrofotómetro para un rango amplio de longitudes de onda o de un medidor de turbidez para una única longitud de onda. Actualmente ya se están comercializando equipos que por medio de un análisis espectrofotométrico basado en lámparas de xenón, estiman ciertos parámetros de contaminación como la DQO o la concentración de nutrientes sin necesidad de reactivos o pretratamientos.A pesar del avance que este tipo de sistemas representan, el uso de lámparas halógenas o de xénon para la generación del espectro de trabajo puede representar también una limitación a la hora de desarrollar equipos de bajo coste, dimensiones y consumo que puedan operar de forma autónoma en la red.La presente tesis doctoral, realizada en colaboración con la empresa HIDROGEA gracias a una beca para la Formación del Personal Investigador (FPI) de la Fundación Séneca, se centra en el diseño e implementación de una nueva generación de equipos inteligentes basados en espectrofotometría LED, para el análisis en tiempo real de una amplia variedad de parámetros contaminantes presentes en las aguas residuales que recorren las redes de saneamiento, mediante diversos modelos de estimación.Esto se ha concretado en el desarrollo de dos equipos de bajo coste, unopara su uso en laboratorio, el cual se ha denominado Espectrofotómetro Desktop, y otro para su uso en la red de saneamiento, como un equipo autónomo capaz de llevar a cabo la adquisición, caracterización, almacenamiento y envío de la información de las muestras de agua en un corto periodo de tiempo a la nube. Además, se han calculado diversos modelos matemáticos para la estimación de la DQO, DBO5, SST, P, NT, NO3−N a partir de la respuesta espectral de las muestras, con una alta precisión y sin necesidad de químicos o pretratamientos.Se trata de una tesis con un enfoque multidisciplinar, desarrollada bajo la supervisión de dos grupos de investigación de la Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT). Por una parte, la División de Innovación en Sistemas Telemáticos y Tecnología Electrónica (DINTEL) y por otra, el grupo de investigación en Ingeniería Hidráulica Marítima y Medio Ambiental (Hidr@m) de la UPCT, que desarrolla su trabajo en la investigación aplicada en sistemas de abastecimiento y saneamiento y,en especial, en el estudio del transporte de contaminantes así como la monitorización y el estudio de las medidas de remediación en redes de saneamiento.

Knowing the evolution of the pollutant load of the sewer network is key for a more reliable control, especially during episodes of heavy rainfall due to the risk of overflowing, which could involve the discharge of a high concentration of pollutants into the receiving water bodies. Traditionally, this study is carried out by taking point samples that are analysed in the laboratory, which makes it impossible to carry out real-time monitoring. However, in recent decades, studies have begun to emerge that show that it is possible to measure certain pollutant parameters using indirect measurements based on molecular absorption spectroscopy, such as a spectrophotometer for a wide range of wavelengths or a turbidity meter for a single wavelength. Currently, equipment is already on the market that, by means of a spectrophotometric analysis based on xenon lamps, estimate certain parameters such as COD or nutrient concentration without the need for reagents or pre-treatment. Despite the progress that this type of system represents, the use of halogen or xenón lamps for the generation of the working spectrum represents a limitation when it comes to developing low-cost, low-dimension and low-consumption equipment that can opérate autonomously in the network. This doctoral thesis, carried out in collaboration with the company HIDROGEA thanks to a grant for the Training of Research Personnel (FPI) from the Seneca Foundation, focuses on the design and implementation of a new generation of intelligent equipment based on LED spectrophotometry, for the real-time analysis of a wide variety of pollutant parameters present in the wastewater along the sewer networks, by means of various estimation models. This has resulted in the development of two low-cost devices, one for laboratory use, called Desktop Spectrophotometer, and the other for use in the sewerage network, as a standalone device capable of acquiring, characterising, storing and sending the information from the water samples in a short period of time to the cloud. In addition, several mathematical models have been calculated for the estimation of COD, BOD5, TSS, P, NT, NO3 −N from the spectral response of the samples, with high accuracy and without the need for chemicals or pre-treatment. This is a thesis with a multidisciplinary approach, developed under the supervision of two research groups of the Polytechnic University of Cartagena (UPCT). On the one hand, the Division of Innovation in Telematic Systems and Electronic Technology (DINTEL) and on the other hand, the research group in Hydraulic, Maritime and Environmental Engineering (Hidr@m) of the UPCT, which develops its work in applied research in supply and sanitation systems and, in particular, in the study of the transport of pollutants as well as the monitoring and study of remediation measures in sanitation networks.