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).

Desenvolupament d'un sistema de previsió de risc d'infecció per Stemphylium vesicarium. Avaluació, validació i implementació en parcel·les experimentals en camps comercials de perera

L'estemfiliosi de la perera és una malaltia fúngica ocasionada pel fong Deuteromicet Stemphylium vesicarium. Els símptomes característics d'aquesta malaltia són lesions necròtiques en fulles i fruits, provocant el depreciament econòmic d'aquests últims. Si les condicions climàtiques són favorables aquesta malaltia pot arribar a provocar la pèrdua total de la producció. La malaltia es localitza bàsicament en la conca mediterrània, sent les zones fructícoles de Girona a Catalunya i Emilia-Romagna a Itàlia els llocs on les pèrdues de producció són més grans. Actualment l'únic mètode de control és la cobertura permanent dels òrgans de la planta amb fungicides. Per obtenir aquesta protecció és necessari realitzar aplicacions preventives amb una cadència fixa, setmanal o quinzenal, de diferents fungicides en els arbres. Aquesta cadència d'aplicació comporta que al llarg del període vegetatiu de la perera es realitzin entre 20 i 25 aplicacions de fungicida, per cadències setmanals, o entre 10 i 13 aplicacions si la cadència és quinzenal. Aquest elevat nombre de tractaments comporta uns efectes toxicològics a nivell mediambiental i per a la salut humana, un augment del cost econòmic de la producció i en alguns casos afavorir l'aparició de resistències del patogen a determinats fungicides. Molts d' aquests tractaments es realitzen sense que les condicions ambientals siguin favorables a l'inici d'infeccions del fong, i són per tant innecessàries. Amb l'objectiu d'obtenir una eina per determinar el risc d'infeccions en funció de les condicions climàtiques i realitzar d'aquesta manera els tractaments amb fungicides només quan són necessaris, es va elaborar el Sistema pel Tractament Racionalitzat de l'Estemfiliosi de la Perera (STREP). El model consisteix en relacionar quantitativament amb la severitat de la malaltia els paràmetres climàtics de durada del període d'humectació i temperatura mitjana durant aquests períodes. En aquest treball s'ha determinat l'eficàcia en el control de la malaltia per diferents fungicides aplicats de manera preventiva amb una cadència fixa en diferents finques comercials i durant varis anys. S'ha constatat que no hi ha cap producte totalment eficaç en el control de la malaltia, sent l'eficàcia obtinguda mitjana. Aquesta eficàcia de control esta en funció del nivell de pressió de la malaltia, obtenint eficàcies inferiors quan el nivell en els testimonis no tractats és elevat. En assajos en condicions controlades s'ha determinat que els fungicides analitzats aplicats de manera curativa o postinfecciosa, quan ja s'han iniciat les infeccions, presenten una eficàcia més baixa que quan s'apliquen preventivament. El tiram és el producte amb una eficàcia més elevada en la major part de les condicions experimentals. S' ha analitzat durant 5 anys, 1992-1996, en diferents plantacions de perera de Girona, la dinàmica dels paràmetres ambientals de durada deis períodes amb humectació, la temperatura mitjana de l'aire, la temperatura mitjana durant els períodes d'humectació, la durada dels períodes amb humitat relativa superior al 90% i la pluviometria. S 'ha constatat que la humectació deguda a la rosada és la principal causa d'humectació i que és un procés lent i continu. Les durades més freqüents d'humectació han estat períodes inferiors a 12 hores i les temperatures més freqüents durant aquests períodes han estat entre 11 i 21°C. S'ha determinat també que existeixen períodes amb humitat relativa elevada però sense formació de pel·lícula d'aigua i s'ha observat que ocasionalment existeixen períodes breus d'interrupció de la humectació en que poden existir humanitats relatives elevades o baixes. La capacitat predictiva del model STREP ha estat avaluada mitjançant 42 assajos en condicions naturals i controlades, determinant que en més del 95 % dels casos avaluats les prediccions de malaltia s'han correspost amb les observades, i que només en dos casos el model ha infraestimat el nivell de risc d'infecció. Demostrant així que el model STREP és fiable en les seves prediccions. S'ha estudiat l'efecte de la humitat relativa durant els períodes interromputs d'humectació i les durades d'aquests períodes, en les infeccions produïdes pel fong. S'ha constatat que el model STREP hauria d'incorporar com a períodes separats els períodes d'humectació interromputs amb relatives elevades (>98%) s'haurien de considerar com a períodes continus. Per una altra banda s'ha comprovat que els períodes amb humitats relatives elevades sense formació d'humectació en condicions naturals no són suficients per provocar l'inici d'infeccions de S. Vesicarium. S'ha utilitzat el model STREP com a eina per guiar els tractaments fungicides en diferents parcel·les de finques comercials durant dos anys. D'aquests assajos es pot concloure que utilitzant valors de risc acumulat SA:0.4 com a llindar per a realitzar els tractaments es controla la malaltia amb una eficàcia semblant als tractaments setmanals, però amb una reducció del nombre d'aplicacions necessàries entre un 25 i un 50%. Utilitzar un llindar SA:0.6 en finques amb varietats sensibles i una pressió d'inòcul del patogen elevada presenta bons resultats però inferiors als obtinguts amb tractaments setmanals, no obstant l'estalvi de tractaments ha estat molt important (50-70%). De tots aquests resultats es conclou que el model STREP és adequat per ésser utilitzat en programes pilot a escala comercial en el control racional de l'estemfiliosi de la perera. En funció d'aquests resultats es considerarà la seva implementació en Estacions d'Avisos Fitosanitaris.

Desenvolupament d'un sistema expert com a eina per a una millor gestió de la qualitat de les aigües fluvials

Avui en dia no es pot negar el fet que els humans són un component més de les conques fluvials i que la seva activitat afecta enormement la qualitat de les aigües. A nivell europeu, l'elevada densitat de població situada en les conques fluvials ha comportat un increment de la mala qualitat de les seves aigües fluvials. En les darreres dècades l'increment de les càrregues de nutrients en els sistemes aquàtics ha esdevingut un problema prioritari a solucionar per les administracions competents en matèria d'aigua. La gestió dels ecosistemes fluvials no és una tasca fàcil. Els gestors es troben amb què són sistemes molt complexos, donada l'estreta relació existent entre els ecosistemes fluvials i els ecosistemes terrestres que drenen. Addicionalment a la complexitat d'aquests sistemes es troba la dificultat associada de la gestió o control de les entrades de substàncies contaminants tant de fonts puntuals com difoses. Per totes aquestes raons la gestió de la qualitat de les aigües fluvials esdevé una tasca complexa que requereix un enfocament multidisciplinar. Per tal d'assolir aquest enfocament diverses eines han estat utilitzades, des de models matemàtics fins a sistemes experts i sistemes de suport a la decisió. Però, la major part dels esforços han estat encarats cap a la resolució de problemes de reduïda complexitat, fent que molts dels problemes ambientals complexos, com ara la gestió dels ecosistemes fluvials, no hagin estat vertaderament tractats. Per tant, es requereix l'aplicació d'eines que siguin de gran ajuda en els processos de presa de decisions i que incorporin un ampli coneixement heurístic i empíric: sistemes experts i sistemes de suport a la decisió. L'òptima gestió de la qualitat de l'aigua fluvial requereix una aproximació integrada i multidisciplinar, que pot ésser aconseguida amb una eina intel·ligent construïda sobre els conceptes i mètodes del raonament humà. La present tesi descriu la metodologia desenvolupada i aplicada per a la creació i construcció d'un Sistema Expert, així com el procés de desenvolupament d'aquest Sistema Expert, com el principal mòdul de raonament d'un Sistema de Suport a la Decisió Ambiental. L'objectiu principal de la present tesi ha estat el desenvolupament d'una eina d'ajuda en el procés de presa de decisions dels gestors de l'aigua en la gestió de trams fluvials alterats antròpicament per tal de millorar la qualitat de la seva aigua fluvial. Alhora, es mostra el funcionament de l'eina desenvolupada a través de dos casos d'estudi. Els resultats derivats del Sistema Expert desenvolupat, implementat i presentat en la present tesi mostren que aquests sistemes poden ésser eines útils per a millorar la gestió dels ecosistemes fluvials.

Development of a decision support system for the integrated control of membrane bioreactors

The work presented in this PhD thesis includes various partial studies aimed at developing a decision support system for membrane bioreactor integrated control. The decision support systems (DSS) have as a main goal to facilitate the operation of complex processes due to the multiple variables that are processed. For this reason, the research used has focused on aspects related to nutrient removal, and on the development of indicators or sensors capable of facilitating, automating and controlling the filtration process in an integrated way with the biological processes that taking place. Work has also been done on the design, development, implementation and validation of tools based on the knowledge made available by the automatic control and the supervision of the MBRs

Development of an air-scour control system for membrane bioreactors

The thesis involves the development and implementation of a new and robust control system based on permeability trends but at the same time capable of reducing aeration proportionally to permeate flux. Permeability was made a key parameter for directly comparing temporary changes in membrane performance. Transmembrane pressure and flux were gathered every 10 seconds and permeability values were automatically calculated; different mathematical algorithms were applied for the signal filtering of on-line data. Short term and long term permeability trends were compared once a day, and a control action was applied proportionally to the short term/long term permeability ratio without exceeding the aeration flow recommended by the membrane suppliers.

Development, implementation and evaluation of an activated sludge supervisory system for the Granollers WWTP

La present tesi pretén recollir l'experiència viscuda en desenvolupar un sistema supervisor intel·ligent per a la millora de la gestió de plantes depuradores d'aigües residuals., implementar-lo en planta real (EDAR Granollers) i avaluar-ne el funcionament dia a dia amb situacions típiques de la planta. Aquest sistema supervisor combina i integra eines de control clàssic de les plantes depuradores (controlador automàtic del nivell d'oxigen dissolt al reactor biològic, ús de models descriptius del procés...) amb l'aplicació d'eines del camp de la intel·ligència artificial (sistemes basats en el coneixement, concretament sistemes experts i sistemes basats en casos, i xarxes neuronals). Aquest document s'estructura en 9 capítols diferents. Hi ha una primera part introductòria on es fa una revisió de l'estat actual del control de les EDARs i s'explica el perquè de la complexitat de la gestió d'aquests processos (capítol 1). Aquest capítol introductori juntament amb el capítol 2, on es pretén explicar els antecedents d'aquesta tesi, serveixen per establir els objectius d'aquest treball (capítol 3). A continuació, el capítol 4 descriu les peculiaritats i especificitats de la planta que s'ha escollit per implementar el sistema supervisor. Els capítols 5 i 6 del present document exposen el treball fet per a desenvolupar el sistema basat en regles o sistema expert (capítol 6) i el sistema basat en casos (capítol 7). El capítol 8 descriu la integració d'aquestes dues eines de raonament en una arquitectura multi nivell distribuïda. Finalment, hi ha una darrer capítol que correspon a la avaluació (verificació i validació), en primer lloc, de cadascuna de les eines per separat i, posteriorment, del sistema global en front de situacions reals que es donin a la depuradora

Emissions de N2O i desnitrificació en sòls agrícoles i d'ecosistemes naturals. Factors de regulació

La major conscienciació actual dels problemes de pol·lució que acompanyen les pèrdues de N del sòl cap a l'atmosfera ha reorientat les investigacions cap a un coneixement més profund dels processos implicats en les emissions dels compostos nitrogenats que comporten un major perjudici des d'un punt de vista ecològic així com els seus principals factors reguladors. La creixent preocupació per l'increment de la concentració atmosfèrica de N2O és deguda a les seves interaccions amb la fotoquímica atmosfèrica i el balanç de radiació de la Terra ja que intervé en la destrucció de la capa estratosfèrica d'ozó, contribueix a l'efecte hivernacle i participa de la pluja àcida. Es considera que els sòls són la principal font de N2O atmosfèric. Al voltant del 90% d'aquestes emissions són d'origen biòtic; els principals processos implicats són la desnitrificació i la nitrificació. L'emissió del N2O produït a través d'aquests dos processos es caracteritza pels diferents nivells de regulació que presenta ja que depèn de la taxa dels processos, de la proporció de N canalitzada per cada procés cap a la producció de N2O i del seu consum dins el mateix sòl el qual està relacionat amb les dificultats en el transport cap a l'atmosfera. Això comporta una gran dificultat a l'hora d'aprofundir en el coneixement de les emissions de N2O del sòl cap a l'atmosfera i de la seva regulació. El desconeixement dels nivells d'emissió de N2O i de la importància de la desnitrificació així com de la seva regulació tant en sòls agrícoles com naturals de les nostres contrades és el principal punt de partida dels objectius d'aquest treball.

Estratègies prèvies al sacrifici que poden afectar el benestar animal i la qualitat de la carn de porcs de diferent genotip RYRI

The main objective of this thesis was to study (i) the effect of the fasting and lairage on carcass and technological meat quality and (ii) the inclusion of magnesium (MgCO3 and MgSO4) and/or tryptophan during 5 days before slaughtering pigs as a strategy to decrease stress levels and improve meat quality, with two different porcine RYR1 genotypes (NN and nn). An adequate combination of fasting and lairage period is recommended. A supplement of MgCO3 or Trp did not improve meat quality under minimal stressful ante mortem conditions; and MgSO4 had a laxative effect on pigs supplemented with it. When including nn pigs to the herd, it is recommended to consider the supplements’ combination of tryptophan and a source of Mg (avoiding MgSO4) to alleviate the negative effect of the stress and to improve technological meat quality.

Estudi fonamental i aplicat de l'etapa d'eliminació de tinta per flotació

La tesi realitza un estudi detallat dels principals processos que tenen lloc durant l'eliminació de tinta tòner per flotació. L'estudi del procés d'adhesió de tinta a la superfície de bombolles d'aire s'ha realitzat mitjançant visió artificial. Els resultats obtinguts han mostrat que un excés de tensioactiu provoca una disminució de la quantitat de tinta unida a la bombolla d'aire i per tant una disminució de l'eficàcia del procés de flotació. La caracterització de les bombolles d'aire presents en una cel·la de flotació ha posat de manifest que tant el cabal d'aire com la velocitat de l'agitador configuren la distribució de diàmetres final. L'estudi del procés d'eliminació de tinta per flotació en absència de fibres cel·lulòsiques ha mostrat que les variables físico-químiques estudiades són les que tenen una major influència en el procés d'eliminació de tinta tòner per flotació. Finalment s'han addicionat fibres cel·lulòsiques a la suspensió. S'ha pogut comprovar que s'aconsegueix una bona eliminació de tinta sempre i quan les condicions hidrodinàmiques siguin les adequades.

Estudio de la aplicación de sistemas basados en el conocimiento a la operación de una planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos por valorización energética

Una de las actuaciones posibles para la gestión de los residuos sólidos urbanos es la valorización energética, es decir la incineración con recuperación de energía. Sin embargo es muy importante controlar adecuadamente el proceso de incineración para evitar en lo posible la liberación de sustancias contaminantes a la atmósfera que puedan ocasionar problemas de contaminación industrial.Conseguir que tanto el proceso de incineración como el tratamiento de los gases se realice en condiciones óptimas presupone tener un buen conocimiento de las dependencias entre las variables de proceso. Se precisan métodos adecuados de medida de las variables más importantes y tratar los valores medidos con modelos adecuados para transformarlos en magnitudes de mando. Un modelo clásico para el control parece poco prometedor en este caso debido a la complejidad de los procesos, la falta de descripción cuantitativa y la necesidad de hacer los cálculos en tiempo real. Esto sólo se puede conseguir con la ayuda de las modernas técnicas de proceso de datos y métodos informáticos, tales como el empleo de técnicas de simulación, modelos matemáticos, sistemas basados en el conocimiento e interfases inteligentes. En [Ono, 1989] se describe un sistema de control basado en la lógica difusa aplicado al campo de la incineración de residuos urbanos. En el centro de investigación FZK de Karslruhe se están desarrollando aplicaciones que combinan la lógica difusa con las redes neuronales [Jaeschke, Keller, 1994] para el control de la planta piloto de incineración de residuos TAMARA. En esta tesis se plantea la aplicación de un método de adquisición de conocimiento para el control de sistemas complejos inspirado en el comportamiento humano. Cuando nos encontramos ante una situación desconocida al principio no sabemos como actuar, salvo por la extrapolación de experiencias anteriores que puedan ser útiles. Aplicando procedimientos de prueba y error, refuerzo de hipótesis, etc., vamos adquiriendo y refinando el conocimiento, y elaborando un modelo mental. Podemos diseñar un método análogo, que pueda ser implementado en un sistema informático, mediante el empleo de técnicas de Inteligencia Artificial.Así, en un proceso complejo muchas veces disponemos de un conjunto de datos del proceso que a priori no nos dan información suficientemente estructurada para que nos sea útil. Para la adquisición de conocimiento pasamos por una serie de etapas: - Hacemos una primera selección de cuales son las variables que nos interesa conocer. - Estado del sistema. En primer lugar podemos empezar por aplicar técnicas de clasificación (aprendizaje no supervisado) para agrupar los datos y obtener una representación del estado de la planta. Es posible establecer una clasificación, pero normalmente casi todos los datos están en una sola clase, que corresponde a la operación normal. Hecho esto y para refinar el conocimiento utilizamos métodos estadísticos clásicos para buscar correlaciones entre variables (análisis de componentes principales) y así poder simplificar y reducir la lista de variables. - Análisis de las señales. Para analizar y clasificar las señales (por ejemplo la temperatura del horno) es posible utilizar métodos capaces de describir mejor el comportamiento no lineal del sistema, como las redes neuronales. Otro paso más consiste en establecer relaciones causales entre las variables. Para ello nos sirven de ayuda los modelos analíticos - Como resultado final del proceso se pasa al diseño del sistema basado en el conocimiento. El objetivo principal es aplicar el método al caso concreto del control de una planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos por valorización energética. En primer lugar, en el capítulo 2 Los residuos sólidos urbanos, se trata el problema global de la gestión de los residuos, dando una visión general de las diferentes alternativas existentes, y de la situación nacional e internacional en la actualidad. Se analiza con mayor detalle la problemática de la incineración de los residuos, poniendo especial interés en aquellas características de los residuos que tienen mayor importancia de cara al proceso de combustión.En el capítulo 3, Descripción del proceso, se hace una descripción general del proceso de incineración y de los distintos elementos de una planta incineradora: desde la recepción y almacenamiento de los residuos, pasando por los distintos tipos de hornos y las exigencias de los códigos de buena práctica de combustión, el sistema de aire de combustión y el sistema de humos. Se presentan también los distintos sistemas de depuración de los gases de combustión, y finalmente el sistema de evacuación de cenizas y escorias.El capítulo 4, La planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos de Girona, describe los principales sistemas de la planta incineradora de Girona: la alimentación de residuos, el tipo de horno, el sistema de recuperación de energía, y el sistema de depuración de los gases de combustión Se describe también el sistema de control, la operación, los datos de funcionamiento de la planta, la instrumentación y las variables que son de interés para el control del proceso de combustión.En el capítulo 5, Técnicas utilizadas, se proporciona una visión global de los sistemas basados en el conocimiento y de los sistemas expertos. Se explican las diferentes técnicas utilizadas: redes neuronales, sistemas de clasificación, modelos cualitativos, y sistemas expertos, ilustradas con algunos ejemplos de aplicación.Con respecto a los sistemas basados en el conocimiento se analizan en primer lugar las condiciones para su aplicabilidad, y las formas de representación del conocimiento. A continuación se describen las distintas formas de razonamiento: redes neuronales, sistemas expertos y lógica difusa, y se realiza una comparación entre ellas. Se presenta una aplicación de las redes neuronales al análisis de series temporales de temperatura.Se trata también la problemática del análisis de los datos de operación mediante técnicas estadísticas y el empleo de técnicas de clasificación. Otro apartado está dedicado a los distintos tipos de modelos, incluyendo una discusión de los modelos cualitativos.Se describe el sistema de diseño asistido por ordenador para el diseño de sistemas de supervisión CASSD que se utiliza en esta tesis, y las herramientas de análisis para obtener información cualitativa del comportamiento del proceso: Abstractores y ALCMEN. Se incluye un ejemplo de aplicación de estas técnicas para hallar las relaciones entre la temperatura y las acciones del operador. Finalmente se analizan las principales características de los sistemas expertos en general, y del sistema experto CEES 2.0 que también forma parte del sistema CASSD que se ha utilizado.El capítulo 6, Resultados, muestra los resultados obtenidos mediante la aplicación de las diferentes técnicas, redes neuronales, clasificación, el desarrollo de la modelización del proceso de combustión, y la generación de reglas. Dentro del apartado de análisis de datos se emplea una red neuronal para la clasificación de una señal de temperatura. También se describe la utilización del método LINNEO+ para la clasificación de los estados de operación de la planta.En el apartado dedicado a la modelización se desarrolla un modelo de combustión que sirve de base para analizar el comportamiento del horno en régimen estacionario y dinámico. Se define un parámetro, la superficie de llama, relacionado con la extensión del fuego en la parrilla. Mediante un modelo linealizado se analiza la respuesta dinámica del proceso de incineración. Luego se pasa a la definición de relaciones cualitativas entre las variables que se utilizan en la elaboración de un modelo cualitativo. A continuación se desarrolla un nuevo modelo cualitativo, tomando como base el modelo dinámico analítico.Finalmente se aborda el desarrollo de la base de conocimiento del sistema experto, mediante la generación de reglas En el capítulo 7, Sistema de control de una planta incineradora, se analizan los objetivos de un sistema de control de una planta incineradora, su diseño e implementación. Se describen los objetivos básicos del sistema de control de la combustión, su configuración y la implementación en Matlab/Simulink utilizando las distintas herramientas que se han desarrollado en el capítulo anterior.Por último para mostrar como pueden aplicarse los distintos métodos desarrollados en esta tesis se construye un sistema experto para mantener constante la temperatura del horno actuando sobre la alimentación de residuos.Finalmente en el capítulo Conclusiones, se presentan las conclusiones y resultados de esta tesis.

Estudio de las comunidades microbianas de embutidos fermentados ligeramente acidificados mediante técnicas moleculares. Estandarización, seguridad y mejora tecnológica.

Los embutidos fermentados ligeramente acidificados son un grupo de productos tradicionales mediterráneos, caracterizados por un pH superior a 5,3. Para un control eficiente de la seguridad microbiológica de los embutidos se necesitan técnicas rápidas para la identificación y recuento de los microorganismos patógenos a estudiar. En el presente trabajo, se desarrolló una técnica para la enumeración de L. monocytogenes que combinó el método del número más probable y la identificación mediante PCR específica. Para la detección de Salmonella spp. y L. monocytogenes se desarrolló un sistema de PCR-multiplex que permitió la identificación de ambos patógenos de forma simultánea en una sola reacción. El estudio de la calidad microbiológica de los embutidos fermentados ligeramente acidificados se completó con la caracterización de las comunidades microbianas más importantes en estos productos. Se identificaron a nivel de especie los aislados de bacterias del ácido láctico (BAL), de enterococos y de cocos gram-positivos catalasa-positivos (CGC+). Posteriormente se realizó una tipificación molecular de los mismos mediante RAPD y análisis del perfil plasmídico y se estudiaron las principales características de interés higiénico-sanitario y tecnológico de las cepas. Mediante PCR se identificó Lactobacillus sakei como la especie predominante (74%), seguida por Lactobacillus curvatus (21,2%). La actividad aminoácido-descarboxilasa se asoció a la especie L. curvatus (el 66% de los aislados presentaron esta actividad). La identificación de los enterococos se realizó mediante PCR-multiplex y por secuenciación del gen sodA. Enterococcus faecium fue la especie de enterococos predominante (51,9%) seguida por Enterococcus faecalis (14,2%). Todas las cepas de E. faecalis presentaron genes asociados a factores de virulencia. E. faecalis presentó mayor resistencia a antibióticos que el resto de las especies de enterococos estudiadas. Tan sólo una cepa de E. faecium presentó el genotipo vanA (que confiere resistencia de alto nivel a la vancomicina). La identificación de los aislados de CGC+ (mediante PCR específica y amplificación de la región intergénica 16S-23S ARNr) demostró que Staphylococcus xylosus es la especie predominante en los embutidos fermentados ligeramente acidificados (80,8%). La amina biógena más común en los CGC+ fue la feniletilamina, producida por un 10,8% de aislados. Un pequeño porcentaje de aislados fueron mecA+ (4,6%), presentando además resistencia a múltiples antibióticos. El potencial enterotoxigénico de las cepas de CGC+ fue muy reducido (3,3% de los aislados), detectándose únicamente el gen entC. El estudio pormenorizado de las comunidades bacterianas de interés permitió la selección de 2 cepas de L. sakei y 2 cepas de S. xylosus con características tecnológicas e higiénico-sanitarias óptimas. Para evaluar su efectividad como cultivos iniciadores se elaboraron dos tipos de embutidos ligeramente ácidos, chorizo y fuet, inoculados con microorganismos patógenos (Salmonella spp., L. monocytogenes y S. aureus). El uso de cultivos iniciadores permitió el control de L. monocytogenes, Enterobacteriaceae y Enterococcus así como del contenido en aminas biógenas. Los recuentos de Salmonella spp. disminuyeron de forma significante durante la maduración de los embutidos, independientemente del uso de cultivos iniciadores. El uso del tratamiento de alta presión (400 MPa) en los embutidos madurados consiguió la ausencia de Salmonella spp. en los lotes tratados.

Identificació de paràmetres cinètics i estequiomètrics del procés de depuració de fangs actius mitjançant tècniques respiromètriques

El sistema de depuració de tipus Fangs Actius constitueix una de les tècniques més esteses arreu del món pel tractament biològic de les aigües residuals. Els softwares de modelització i simulació permeten adquirir coneixements de forma ràpida i senzilla sobre el funcionament dels processos de fangs actius, dur a terme la comparació entre diferents tecnologies de tractament i determinar les estratègies d'operació més rentables d'una EDAR minimitzant els costos. L'objectiu de la present tesi consisteix en la identificació dels principals paràmetres cinètics i coeficients estequiomètrics que caracteritzen el procés de fangs actius a partir de la mesura de la velocitat de consum d'oxigen de la biomassa. En aquest sentit s'ha dissenyat i desenvolupat un Respiròmetre Tancat Seqüencial (RTS), un Respiròmetre Tancat (RT) i un Programa d'Anàlisi de Respirometries (PAR) per la determinació dels paràmetres cinètics més representatius i característics dels sistemes de fangs actius en diferents casos.

Integrated management of urban wastewater systems: a model-based approach

The main objective pursued in this thesis targets the development and systematization of a methodology that allows addressing management problems in the dynamic operation of Urban Wastewater Systems. The proposed methodology will suggest operational strategies that can improve the overall performance of the system under certain problematic situations through a model-based approach. The proposed methodology has three main steps: The first step includes the characterization and modeling of the case-study, the definition of scenarios, the evaluation criteria and the operational settings that can be manipulated to improve the system’s performance. In the second step, Monte Carlo simulations are launched to evaluate how the system performs for a wide range of operational settings combinations, and a global sensitivity analysis is conducted to rank the most influential operational settings. Finally, the third step consists on a screening methodology applying a multi-criteria analysis to select the best combinations of operational settings.

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.

Mejora de la seguridad alimentaria en productos cárnicos listos para el consumo mediante la aplicación combinada de tecnologías de conservación emergentes

La demanda creixent de productes mínimament processats i llestos per al consum planteja un important repte per a la seguretat alimentaria i ha conduit al desenvolupament de tractaments suaus que permetin inhibir el creixement microbià conservant la qualitat dels aliments. Els treballs recollits a la present tesi van plantejar diverses estratègies consistents en la combinació d'obstacles al creixement microbià per a millorar la seguretat de productes carnis llestos per al consum. Amb l'objectiu de millorar la seguretat dels embotits poc àcids, es va valorar l'aplicació del tractament per alta pressió hidrostàtica (APH) i l'addició de cultius iniciadors en embotits poc àcids. Per altra banda, per a reduir el risc de L. monocytogenes durant la conservació del pernil cuit llescat, es va avaluar l'efecte combinat de l'addició d'antimicrobians naturals (lactatat-diacetat i enterocines), afegits directament o a través de l'envasament antimicrobià, i el tractament per alta pressió hidrostàtica.