Detección temprana de contaminaciones químicas en agua potable mediante el uso de sensores online

Contexto. Proyecto STOP-IT

Las infraestructuras del ciclo integral del agua son esenciales para la sociedad y están expuestas a múltiples amenazas físicas y cibernéticas que pueden comprometer su integridad de forma intencionada o accidental. El proyecto STOP-IT (https://stop-it-project.eu/), financiado por la Unión Europea en marco del programa Horizonte 2020, está desarrollando y validando herramientas tecnológicas para el análisis y la prevención de riesgos cíber, físicos o su combinación.

Una de las amenazas identificadas en el sector es la contaminación del agua potable producida por un ataque malicioso, por un error operacional o por efectos de accidentes naturales. Dados los múltiples orígenes, una buena estrategia para reducir los impactos de los eventos de contaminación es anticipar su detección mediante el uso de sensores a tiempo real distribuidos estratégicamente en toda la cadena de producción y distribución de agua potable. Esta monitorización de las infraestructuras genera alertas automáticas sobre desviaciones de calidad del agua y permite al operador anticipar la gestión del posible evento y minimizar sus consecuencias.  

Los sensores online son elementos ya habituales en los sistemas de distribución de agua potable y permiten controlar en continuo parámetros individuales como el cloro residual, la temperatura, el pH o la conductividad. No obstante, el análisis combinado de estos y otros parámetros para un punto de monitorización puede ofrecer información oculta a simple vista y facilitar la detección temprana de eventos de contaminación. Para ello, existen Sistemas de Detección de Eventos (SDE) que procesan en continuo múltiples señales de diversos sensores y las transforman en alertas que el operador tiene que validar. Una de las tareas dentro del Proyecto STOP-IT, llevada a cabo por CETAQUA y Aigües de Barcelona, consistió en estudiar qué combinación de parámetros medidos a tiempo real acoplados a un SDE comercial es la óptima para detectar contaminaciones químicas en agua potable.

Materiales y Métodos

Se llevó a cabo una búsqueda bibliográfica inicial para determinar los parámetros de calidad del agua que presentarían una mayor sensibilidad frente a diferentes tipos de contaminación. Los seleccionados fueron: pH, conductividad, potencial redox, cloro libre, turbidez, absorbancia UV254, carbono orgánico total (COT) y las absorbancias en el espectro ultravioleta (UV).

La estación de monitorización de calidad del agua seleccionada fue micro::station (s::can, Austria), equipada con 6 sensores para la determinación de los parámetros mencionados (pH::lyser, chlori::lyser, redo::lyser, condu::lyser, i::scan y spectro::lyser) y el turbidímetro de rango bajo TU5300SC (HACH, EEUU). La estación se adquirió con un controlador avanzado (con::cube) y el SDE comercial de s::can (ana::tool).  

Ana::tool ofrece la capacidad de agrupar parámetros, analizarlos conjuntamente a tiempo real y exportar alarmas en base al criterio de normalidad definido por el usuario, que en este estudio consistía en que el agua potable no sufriera ningún tipo de contaminación. Se decidió crear 5 grupos de parámetros y evaluar qué combinación era óptima en un balance entre desempeño y coste de los sensores necesarios. Como se refleja en la Tabla 1, el grupo de menor coste fue el Grupo 1, que incluía parámetros fisicoquímicos básicos (pH, conductividad, cloro residual y potencial redox). A partir de este grupo, se formaron otros añadiendo parámetros alternativos como la turbidez o absorbancias UV, resultando en 5 opciones de monitorización con distintos costes. Además, con el fin de evaluar el potencial de detección de un espectrómetro online sin otros sensores, se creó el Grupo 4 incluyendo solo variables obtenidas por la tecnología spectro::lyser.  

En cuanto a los contaminantes, se hizo un estudio bibliográfico sobre qué compuestos químicos podrían ser utilizados en las pruebas siguiendo criterios como su letalidad, su solubilidad, la capacidad de ser adquiridos en el mercado o los riesgos en términos de seguridad y salud para el personal investigador. Se seleccionaron 10 compuestos químicos que cumplían los requisitos marcados (ver lista en Tabla 2), se adquirieron por separado en alta calidad, se prepararon patrones individuales en agua y se realizaron pruebas de detección en un circuito experimental para cada uno de ellos.  Además, se simularon otros dos eventos en red de distribución con afectación en la calidad del agua: un episodio de eliminación del cloro residual en agua potable y una intrusión de agua residual.

Las pruebas se diseñaron para simular, en condiciones controladas, los eventos de contaminación química y ver el tipo y tiempo de respuesta de cada grupo de sensores para cada contaminante. El diseño experimental consistió en la adición progresiva de contaminantes en fase líquida sobre un circuito cerrado con 2 litros de agua potable recién muestreada de la red de distribución de Barcelona. La inyección de contaminantes se realizó en un depósito abierto de 1 litro de capacidad y el agua se recirculó mediante una bomba peristáltica, permitiendo que los contaminantes pasaran continuamente por los sensores, que obtenían valores de cada parámetro cada 3 minutos. Simultáneamente, el SDE calculaba los valores de alarma para cada grupo en función de la reacción de cada parámetro y estos se utilizaron para determinar la capacidad de detección de cada grupo.  

Resultados

La Tabla 2 muestra la capacidad de detección de cada grupo de parámetros para cada contaminante en el rango de concentraciones probadas, cuyos valores eran siempre inferiores a las concentraciones letales por cuestiones de seguridad. Las casillas en verde indican que el SDE detectó una anormalidad en la calidad del agua durante la experimentación. Las casillas en rojo indican que, o bien el grupo de parámetros no es efectivo para la detección de un contaminante determinado, o que necesita mayores concentraciones para presentar una variación significativa respecto valores de normalidad. El objetivo no era ver la concentración exacta a la que se detecta cada contaminante, sino evaluar qué conjunto de sensores era el más eficiente para anticipar eventos, o lo que es lo mismo, qué conjunto permite detectar bajas concentraciones de compuestos.

Los grupos 1 y 2 reaccionaron igual, demostrando que la turbidez no es un parámetro relevante para detectar adiciones de disoluciones no saturadas de compuestos químicos. Estos grupos reaccionaron frente a algunos compuestos orgánicos como el tiofanox o el aldicarb, posiblemente como consecuencia del consumo del cloro residual para la oxidación de los contaminantes.

El grupo 3 supuso una mejora respecto las opciones anteriores gracias a la monitorización de la absorbancia UV254, siendo un parámetro que se ve alterado ante la presencia de una gran cantidad de compuestos orgánicos de forma independiente al cloro residual. No obstante, algunas estructuras moleculares no presentan una gran absorbancia en la banda de los 254 nanómetros y resultaron invisibles para este grupo a las concentraciones testadas.

El grupo 4 resolvió el inconveniente anterior al estar formado por más de 200 absorbancias del espectro ultravioleta. Presentó muy buena capacidad de detección para todos los compuestos químicos y a concentraciones muy bajas, siempre inferiores al 5% de la concentración letal. La desventaja es que el coste de la solución dobla, como mínimo, el valor de las anteriores.

Finalmente, el grupo más completo (grupo 5), que incluía los parámetros básicos y las absorbancias en el UV, solo detectó la presencia de un contaminante. Este bajo desempeño pudo estar causado por una mala configuración del SDE durante el entrenamiento o por un mal procesamiento de la gran cantidad de variables introducidas.

Conclusiones

Se evaluó el impacto de diferentes contaminantes químicos en agua potable sobre varios grupos de sensores de medida a tiempo real de calidad del agua conectados a un sistema de detección de eventos comercial (ana::tool). El espectrómetro online spectro::lyser permitió detectar en menos de 5 minutos compuestos tóxicos a concentraciones muy bajas, inferiores al 5% de su concentración letal. También presentó una buena detección el grupo formado por el parámetro UV254, sensible frente a una gran cantidad de compuestos químicos, y el cloro residual, que se consume bruscamente en presencia de ciertos contaminantes. La combinación de spectro::lyser y sensores fisicoquímicos, incluyendo el cloro residual, no generó alarmas tempranas y esto se atribuye a que un número demasiado elevado de señales, tratadas simultáneamente en un SDE, pueden generar interferencias entre ellas y no llevar a resultados concluyentes a nivel de alarmas.

Este proyecto STOP-IT está cofinanciado por el Programa de Investigación e Innovación Horizon 2020 de la Unión Europea (acuerdo de subvención nº 740610).

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