Monitoring procedures in environmental geochemistry and compositional data analysis theory

First discussion on compositional data analysis is attributable to Karl Pearson, in 1897. However, notwithstanding the recent developments on algebraic structure of the simplex, more than twenty years after Aitchison’s idea of log-transformations of closed data, scientific literature is again full of statistical treatments of this type of data by using traditional methodologies. This is particularly true in environmental geochemistry where besides the problem of the closure, the spatial structure (dependence) of the data have to be considered. In this work we propose the use of log-contrast values, obtained by a simplicial principal component analysis, as LQGLFDWRUV of given environmental conditions. The investigation of the log-constrast frequency distributions allows pointing out the statistical laws able to generate the values and to govern their variability. The changes, if compared, for example, with the mean values of the random variables assumed as models, or other reference parameters, allow defining monitors to be used to assess the extent of possible environmental contamination. Case study on running and ground waters from Chiavenna Valley (Northern Italy) by using Na+, K+, Ca2+, Mg2+, HCO3-, SO4 2- and Cl- concentrations will be illustrated

Social networks and performance in knowledge creation. An application and a methodological proposal

El objetivo de esta tesis es predecir el rendimiento de los estudiantes de doctorado en la Universidad de Girona según características personales (background), actitudinales y de redes sociales de los estudiantes. La población estudiada son estudiantes de tercer y cuarto curso de doctorado y sus directores de tesis doctoral. Para obtener los datos se ha diseño un cuestionario web especificando sus ventajas y teniendo en cuenta algunos problemas tradicionales de no cobertura o no respuesta. El cuestionario web se hizo debido a la complejidad que comportan de las preguntas de red social. El cuestionario electrónico permite, mediante una serie de instrucciones, reducir el tiempo para responder y hacerlo menos cargado. Este cuestionario web, además es auto administrado, lo cual nos permite, según la literatura, unas respuestas mas honestas que cuestionario con encuestador. Se analiza la calidad de las preguntas de red social en cuestionario web para datos egocéntricos. Para eso se calcula la fiabilidad y la validez de este tipo de preguntas, por primera vez a través del modelo Multirasgo Multimétodo (Multitrait Multimethod). Al ser datos egocéntricos, se pueden considerar jerárquicos, y por primera vez se una un modelo Multirasgo Multimétodo Multinivel (multilevel Multitrait Multimethod). Las la fiabilidad y validez se pueden obtener a nivel individual (within group component) o a nivel de grupo (between group component) y se usan para llevar a cabo un meta-análisis con otras universidades europeas para analizar ciertas características de diseño del cuestionario. Estas características analizan si para preguntas de red social hechas en cuestionarios web son más fiables y validas hechas "by questions" o "by alters", si son presentes todas las etiquetas de frecuencia para los ítems o solo la del inicio y final, o si es mejor que el diseño del cuestionario esté en con color o blanco y negro. También se analiza la calidad de la red social en conjunto, en este caso específico son los grupos de investigación de la universidad. Se tratan los problemas de los datos ausentes en las redes completas. Se propone una nueva alternativa a la solución típica de la red egocéntrica o los respondientes proxies. Esta nueva alternativa la hemos nombrado "Nosduocentered Network" (red Nosduocentrada), se basa en dos actores centrales en una red. Estimando modelos de regresión, esta "Nosduocentered network" tiene mas poder predictivo para el rendimiento de los estudiantes de doctorado que la red egocéntrica. Además se corrigen las correlaciones de las variables actitudinales por atenuación debido al pequeño tamaño muestral. Finalmente, se hacen regresiones de los tres tipos de variables (background, actitudinales y de red social) y luego se combinan para analizar cual para predice mejor el rendimiento (según publicaciones académicas) de los estudiantes de doctorado. Los resultados nos llevan a predecir el rendimiento académico de los estudiantes de doctorado depende de variables personales (background) i actitudinales. Asimismo, se comparan los resultados obtenidos con otros estudios publicados.

Conceptual design of wastewater treatment plants using multiple objectives

La implementació de la Directiva Europea 91/271/CEE referent a tractament d'aigües residuals urbanes va promoure la construcció de noves instal·lacions al mateix temps que la introducció de noves tecnologies per tractar nutrients en àrees designades com a sensibles. Tant el disseny d'aquestes noves infraestructures com el redisseny de les ja existents es va portar a terme a partir d'aproximacions basades fonamentalment en objectius econòmics degut a la necessitat d'acabar les obres en un període de temps relativament curt. Aquests estudis estaven basats en coneixement heurístic o correlacions numèriques provinents de models determinístics simplificats. Així doncs, moltes de les estacions depuradores d'aigües residuals (EDARs) resultants van estar caracteritzades per una manca de robustesa i flexibilitat, poca controlabilitat, amb freqüents problemes microbiològics de separació de sòlids en el decantador secundari, elevats costos d'operació i eliminació parcial de nutrients allunyant-les de l'òptim de funcionament. Molts d'aquestes problemes van sorgir degut a un disseny inadequat, de manera que la comunitat científica es va adonar de la importància de les etapes inicials de disseny conceptual. Precisament per aquesta raó, els mètodes tradicionals de disseny han d'evolucionar cap a sistemes d'avaluació mes complexos, que tinguin en compte múltiples objectius, assegurant així un millor funcionament de la planta. Tot i la importància del disseny conceptual tenint en compte múltiples objectius, encara hi ha un buit important en la literatura científica tractant aquest camp d'investigació. L'objectiu que persegueix aquesta tesi és el de desenvolupar un mètode de disseny conceptual d'EDARs considerant múltiples objectius, de manera que serveixi d'eina de suport a la presa de decisions al seleccionar la millor alternativa entre diferents opcions de disseny. Aquest treball de recerca contribueix amb un mètode de disseny modular i evolutiu que combina diferent tècniques com: el procés de decisió jeràrquic, anàlisi multicriteri, optimació preliminar multiobjectiu basada en anàlisi de sensibilitat, tècniques d'extracció de coneixement i mineria de dades, anàlisi multivariant i anàlisi d'incertesa a partir de simulacions de Monte Carlo. Això s'ha aconseguit subdividint el mètode de disseny desenvolupat en aquesta tesis en quatre blocs principals: (1) generació jeràrquica i anàlisi multicriteri d'alternatives, (2) anàlisi de decisions crítiques, (3) anàlisi multivariant i (4) anàlisi d'incertesa. El primer dels blocs combina un procés de decisió jeràrquic amb anàlisi multicriteri. El procés de decisió jeràrquic subdivideix el disseny conceptual en una sèrie de qüestions mes fàcilment analitzables i avaluables mentre que l'anàlisi multicriteri permet la consideració de diferent objectius al mateix temps. D'aquesta manera es redueix el nombre d'alternatives a avaluar i fa que el futur disseny i operació de la planta estigui influenciat per aspectes ambientals, econòmics, tècnics i legals. Finalment aquest bloc inclou una anàlisi de sensibilitat dels pesos que proporciona informació de com varien les diferents alternatives al mateix temps que canvia la importància relativa del objectius de disseny. El segon bloc engloba tècniques d'anàlisi de sensibilitat, optimització preliminar multiobjectiu i extracció de coneixement per donar suport al disseny conceptual d'EDAR, seleccionant la millor alternativa un cop s'han identificat decisions crítiques. Les decisions crítiques són aquelles en les que s'ha de seleccionar entre alternatives que compleixen de forma similar els objectius de disseny però amb diferents implicacions pel que respecte a la futura estructura i operació de la planta. Aquest tipus d'anàlisi proporciona una visió més àmplia de l'espai de disseny i permet identificar direccions desitjables (o indesitjables) cap on el procés de disseny pot derivar. El tercer bloc de la tesi proporciona l'anàlisi multivariant de les matrius multicriteri obtingudes durant l'avaluació de les alternatives de disseny. Específicament, les tècniques utilitzades en aquest treball de recerca engloben: 1) anàlisi de conglomerats, 2) anàlisi de components principals/anàlisi factorial i 3) anàlisi discriminant. Com a resultat és possible un millor accés a les dades per realitzar la selecció de les alternatives, proporcionant més informació per a una avaluació mes efectiva, i finalment incrementant el coneixement del procés d'avaluació de les alternatives de disseny generades. En el quart i últim bloc desenvolupat en aquesta tesi, les diferents alternatives de disseny són avaluades amb incertesa. L'objectiu d'aquest bloc és el d'estudiar el canvi en la presa de decisions quan una alternativa és avaluada incloent o no incertesa en els paràmetres dels models que descriuen el seu comportament. La incertesa en el paràmetres del model s'introdueix a partir de funcions de probabilitat. Desprès es porten a terme simulacions Monte Carlo, on d'aquestes distribucions se n'extrauen números aleatoris que es subsisteixen pels paràmetres del model i permeten estudiar com la incertesa es propaga a través del model. Així és possible analitzar la variació en l'acompliment global dels objectius de disseny per a cada una de les alternatives, quines són les contribucions en aquesta variació que hi tenen els aspectes ambientals, legals, econòmics i tècnics, i finalment el canvi en la selecció d'alternatives quan hi ha una variació de la importància relativa dels objectius de disseny. En comparació amb les aproximacions tradicionals de disseny, el mètode desenvolupat en aquesta tesi adreça problemes de disseny/redisseny tenint en compte múltiples objectius i múltiples criteris. Al mateix temps, el procés de presa de decisions mostra de forma objectiva, transparent i sistemàtica el perquè una alternativa és seleccionada en front de les altres, proporcionant l'opció que més bé acompleix els objectius marcats, mostrant els punts forts i febles, les principals correlacions entre objectius i alternatives, i finalment tenint en compte la possible incertesa inherent en els paràmetres del model que es fan servir durant les anàlisis. Les possibilitats del mètode desenvolupat es demostren en aquesta tesi a partir de diferents casos d'estudi: selecció del tipus d'eliminació biològica de nitrogen (cas d'estudi # 1), optimització d'una estratègia de control (cas d'estudi # 2), redisseny d'una planta per aconseguir eliminació simultània de carboni, nitrogen i fòsfor (cas d'estudi # 3) i finalment anàlisi d'estratègies control a nivell de planta (casos d'estudi # 4 i # 5).

Knowledge-based modelling and simulation of operational problems of microbiological origin in wastewater treatment plants

The activated sludge and anaerobic digestion processes have been modelled in widely accepted models. Nevertheless, these models still have limitations when describing operational problems of microbiological origin. The aim of this thesis is to develop a knowledge-based model to simulate risk of plant-wide operational problems of microbiological origin.For the risk model heuristic knowledge from experts and literature was implemented in a rule-based system. Using fuzzy logic, the system can infer a risk index for the main operational problems of microbiological origin (i.e. filamentous bulking, biological foaming, rising sludge and deflocculation). To show the results of the risk model, it was implemented in the Benchmark Simulation Models. This allowed to study the risk model's response in different scenarios and control strategies. The risk model has shown to be really useful providing a third criterion to evaluate control strategies apart from the economical and environmental criteria.