A dynamic knowledge-based decision support system to handle solids separation problems in activated sludge systems: development and validation

El sistema de fangs activats és el tractament biològic més àmpliament utilitzat arreu del món per la depuració d'aigües residuals. El seu funcionament depèn de la correcta operació tant del reactor biològic com del decantador secundari. Quan la fase de sedimentació no es realitza correctament, la biomassa no decantada s'escapa amb l'efluent causant un impacte sobre el medi receptor. Els problemes de separació de sòlids, són actualment una de les principals causes d'ineficiència en l'operació dels sistemes de fangs activats arreu del món. Inclouen: bulking filamentós, bulking viscós, escumes biològiques, creixement dispers, flòcul pin-point i desnitrificació incontrolada. L'origen dels problemes de separació generalment es troba en un desequilibri entre les principals comunitats de microorganismes implicades en la sedimentació de la biomassa: els bacteris formadors de flòcul i els bacteris filamentosos. Degut a aquest origen microbiològic, la seva identificació i control no és una tasca fàcil pels caps de planta. Els Sistemes de Suport a la Presa de Decisions basats en el coneixement (KBDSS) són un grup d'eines informàtiques caracteritzades per la seva capacitat de representar coneixement heurístic i tractar grans quantitats de dades. L'objectiu de la present tesi és el desenvolupament i validació d'un KBDSS específicament dissenyat per donar suport als caps de planta en el control dels problemes de separació de sòlids d'orígen microbiològic en els sistemes de fangs activats. Per aconseguir aquest objectiu principal, el KBDSS ha de presentar les següents característiques: (1) la implementació del sistema ha de ser viable i realista per garantir el seu correcte funcionament; (2) el raonament del sistema ha de ser dinàmic i evolutiu per adaptar-se a les necessitats del domini al qual es vol aplicar i (3) el raonament del sistema ha de ser intel·ligent. En primer lloc, a fi de garantir la viabilitat del sistema, s'ha realitzat un estudi a petita escala (Catalunya) que ha permès determinar tant les variables més utilitzades per a la diagnosi i monitorització dels problemes i els mètodes de control més viables, com la detecció de les principals limitacions que el sistema hauria de resoldre. Els resultats d'anteriors aplicacions han demostrat que la principal limitació en el desenvolupament de KBDSSs és l'estructura de la base de coneixement (KB), on es representa tot el coneixement adquirit sobre el domini, juntament amb els processos de raonament a seguir. En el nostre cas, tenint en compte la dinàmica del domini, aquestes limitacions es podrien veure incrementades si aquest disseny no fos òptim. En aquest sentit, s'ha proposat el Domino Model com a eina per dissenyar conceptualment el sistema. Finalment, segons el darrer objectiu referent al seguiment d'un raonament intel·ligent, l'ús d'un Sistema Expert (basat en coneixement expert) i l'ús d'un Sistema de Raonament Basat en Casos (basat en l'experiència) han estat integrats com els principals sistemes intel·ligents encarregats de dur a terme el raonament del KBDSS. Als capítols 5 i 6 respectivament, es presenten el desenvolupament del Sistema Expert dinàmic (ES) i del Sistema de Raonament Basat en Casos temporal, anomenat Sistema de Raonament Basat en Episodis (EBRS). A continuació, al capítol 7, es presenten detalls de la implementació del sistema global (KBDSS) en l'entorn G2. Seguidament, al capítol 8, es mostren els resultats obtinguts durant els 11 mesos de validació del sistema, on aspectes com la precisió, capacitat i utilitat del sistema han estat validats tant experimentalment (prèviament a la implementació) com a partir de la seva implementació real a l'EDAR de Girona. Finalment, al capítol 9 s'enumeren les principals conclusions derivades de la present tesi.

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.

Revaloració de la fracció cel·lular de la sang de porc procedent d'escorxadors industrials

La sang de porc és un subproducte comestible que es genera als escorxadors industrials durant el procés d'obtenció de la canal. Aquest subproducte es caracteritza per presentar una elevada càrrega contaminant i, degut a l'elevat volum que es genera, és necessari trobar estratègies que permetin la seva revaloració i aprofitament, a la vegada que disminuïm la contaminació ambiental i les despeses que es deriven del seu processament abans de l'abocament. La fracció cel·lular (FC) constitueix el 40 % de la sang de porc i conté principalment l'hemoglobina (Hb), que representa al voltant del 90 % del contingut en proteïna d'aquesta fracció (un 35 % aproximadament). L'elevat percentatge en proteïna i en ferro, i les seves bones propietats funcionals fan que l'aprofitament d'aquest subproducte com a primera matèria o ingredient de la indústria alimentària sigui una alternativa molt útil a l'hora de reduir les despeses de la indústria càrnia, sempre que es resolguin els problemes de l'enfosquiment i dels sabors estranys que pot conferir la FC quan s'addiciona a productes alimentaris. Una altra possible utilització de la FC és aprofitar les propietats colorants de l'Hb o del grup hemo, com a colorant d'origen natural en diversos productes alimentaris. Els objectius del present treball eren, en primer lloc, determinar les millors condicions d'aplicació del procés de conservació de la FC mitjançant la deshidratació per atomització i caracteritzar físico-químicament i microbiològica el concentrat d'Hb en pols. En segon lloc, avaluar l'eficàcia de diferents additius antioxidants i/o segrestants del ferro per prevenir l'enfosquiment que pateix la FC durant la deshidratació. En tercer lloc, aplicar tractaments d'altes pressions hidrostàtiques com a procés d'higienització i avaluar els efectes d'aquest tractament sobre la microbiota contaminant, el color i les propietats funcionals de la FC. Finalment, desenvolupar un procés d'obtenció d'hidrolitzats proteics descolorats a partir de l'Hb amb la finalitat d'utilitzar-los com a ingredients nutricionals i/o funcionals. La millor temperatura de deshidratació per atomització de la FC hemolitzada era 140ºC. La FC en pols presentava un contingut en humitat del 5,3 % i un percentatge de solubilitat proteica del 96 %. La deshidratació per atomització induïa canvis en l'estructura nativa de l'Hb i, per tant, un cert grau de desnaturalització que pot conduir a una disminució de les seves propietats funcionals. L'extracte sec de la FC en pols estava composat per un 94,6 % de proteïna, un 3 % de sals minerals i un 0,7 % de greix. Els valors CIE L*a*b* del color de la FC en pols eren força constants i reflectien el color vermell marró fosc d'aquesta, a causa de l'oxidació del ferro hèmic que es produeix durant la deshidratació. La càrrega contaminant de la FC fresca de la sang de porc era força elevada i el tractament d'hemòlisi amb ultrasons i la centrifugació posterior no produïen una reducció significativa de la microbiota contaminant, obtenint un producte amb uns recomptes microbiològics de l'ordre de 106 ufc·mL-1. La deshidratació per atomització produïa una disminució d'una unitat logarítmica dels recomptes totals de la FC hemolitzada. Tanmateix, el producte en pols encara reflectia l'elevada contaminació de la primera matèria, fet que condiciona negativament la seva utilització com a ingredient alimentari, a no ser que es millorin les condicions de recollida de la sang a l'escorxador o que aquesta o la FC es sotmeti a algun tractament d'higienització prèviament a la deshidratació. Les isotermes de sorció a 20ºC de la FC en pols tenien forma sigmoïdal i una histèresi estreta i llarga. L'equació GAB és un bon model matemàtic per ajustar les dades de sorció obtingudes experimentalment i determinar la isoterma d'adsorció de la FC deshidratada per atomització. El percentatge d'humitat de la FC deshidratada a 140ºC es corresponia a un valor d'aw a 20 ºC d'aproximadament el 0,16. Tenint en compte que estava per sota dels valors d'aw corresponents a la capa monomolecular, es pot garantir la conservació a temperatura ambient del producte, sempre que s'envasi en recipients tancats que no permetin l'entrada d'humitat de l'exterior. De l'estudi de la possible estabilització del color de la FC deshidratada per atomització mitjançant l'addició d'antioxidants i/o segrestants de ferro, es va observar que només l'àcid ascòrbic, la glucosa, l'àcid nicotínic i la nicotinamida, tenien efectes positius sobre el color del producte en pols. L'ascòrbic i la glucosa no milloraven la conservació del color de l'Hb però disminuïen l'enfosquiment que es produeix durant la deshidratació, amb la qual cosa es pot obtenir un producte en pols de color marró més clar. L'addició de dextrina o L-cisteïna no disminuïa l'enfosquiment ni evitava el canvi de color de l'Hb. L'àcid nicotínic i la nicotinamida protegien el color de l'Hb durant el procés de deshidratació i l'emmagatzematge de la FC en pols. Les millors condicions d'aplicació del tractament amb altes pressions hidrostàtiques (HHP) sobre la FC eren 400 MPa, a 20ºC, durant 15 minuts, perquè produïen una millora significativa de la qualitat microbiològica, no afectaven negativament al color, no comprometien gaire la solubilitat proteica l'Hb i, malgrat que produïen un augment de la viscositat, la FC romania fluida després del tractament. Aquest tractament permetia una reducció de la microbiota contaminant de la FC d'entre 2 i 3 unitats logarítmiques. L'aplicació de l'alta pressió i la posterior deshidratació per atomització permetien obtenir un producte en pols amb recomptes totals de l'ordre de 2,8 unitats logarítmiques. El color de la FC pressuritzada en pols era igual que el de la FC control deshidratada, perquè ambdues mostres presentaven la mateixa susceptibilitat a l'oxidació del grup hemo produïda per la deshidratació. L'alta pressió incrementava la susceptibilitat de l'Hb als efectes desnaturalitzants de la deshidratació, fonamentalment a pH 7 (PIE), ja que es va observar una disminució de la solubilitat proteica a pH neutre després dels 2 processos tecnològics. La FC en pols presentava una màxima capacitat escumant al PIE de l'Hb. L'aplicació del tractament HHP produïa una disminució de la capacitat escumant de la FC en pols, però no tenia efectes negatius sobre l'estabilitat de l'escuma formada. Tampoc es van observar efectes negatius del tractament HHP sobre l'activitat emulsionant de l'Hb. La màxima activitat emulsionant de l'Hb s'aconseguia amb una concentració de FC en pols de l'1,5 % a pH 7 i de l'1 % a pH 4,5. Les pastes obtingudes per escalfament de la FC presentaven característiques molt diferenciades depenent del pH. A pH neutre es formaven unes pastes dures i consistents, mentre que a pH àcid les pastes eren poc consistents, molt adhesives i més elàstiques que les anteriors. Aquestes tenien una capacitat de retenció d'aigua molt superior que les de pH 7, en les quals l'aigua quedava retinguda per capil·laritat. La textura i capacitat de retenció d'aigua de les pastes tampoc eren afectades pel tractament HHP. El tractament HHP incrementava l'activitat de la Tripsina sobre l'Hb quan el substrat i l'enzim es tractaven conjuntament i afavoria el procés d'obtenció d'hidrolitzats descolorats a partir de la FC, la qual cosa permetia assolir el mateix grau de descoloració amb una dosi d'enzim inferior. El tractament d'hidròlisi de la FC amb la utilització combinada de Tripsina seguida d'un tractament amb Pepsina permetia l'obtenció d'un hidrolitzat proteic d'Hb descolorat i hidrolitzava completament la globina, donant lloc a 2 pèptids de 10,8 i 7,4 KDa. Val a dir que també produïa un 60 80 % de nitrogen soluble en TCA, constituït fonamentalment per pèptids petits i aminoàcids lliures. Els hidrolitzats trípsics i pèpsics d'Hb, obtinguts a partir de FC no pressuritzada i deshidratats per atomització a 180ºC, eren de color blanc i tenien un contingut en humitat del 4,7 %, un 84,2 % de proteïna i 9,7 % de sals minerals. El procés d'hidròlisi permetia una reducció considerable de la contaminació de la FC, obtenint un producte en pols amb uns recomptes totals de l'ordre de 102-103 ufc·g-1. Pel que fa a la funcionalitat dels hidrolitzats d'Hb deshidratats per atomització, aquests presentaven una elevada solubilitat proteica a pH 5 i 7 i romanien solubles després d'un escalfament a 80ºC durant 30 min. Tanmateix, aquesta hidròlisi afectava molt negativament la capacitat de mantenir escumes estables i l'activitat emulsionant.

Application of modal interval analysis to the simulation of the behaviour of dynamic systems with uncertain parameters

Els models matemàtics quantitatius són simplificacions de la realitat i per tant el comportament obtingut per simulació d'aquests models difereix dels reals. L'ús de models quantitatius complexes no és una solució perquè en la majoria dels casos hi ha alguna incertesa en el sistema real que no pot ser representada amb aquests models. Una forma de representar aquesta incertesa és mitjançant models qualitatius o semiqualitatius. Un model d'aquest tipus de fet representa un conjunt de models. La simulació del comportament de models quantitatius genera una trajectòria en el temps per a cada variable de sortida. Aquest no pot ser el resultat de la simulació d'un conjunt de models. Una forma de representar el comportament en aquest cas és mitjançant envolupants. L'envolupant exacta és complete, és a dir, inclou tots els possibles comportaments del model, i correcta, és a dir, tots els punts dins de l'envolupant pertanyen a la sortida de, com a mínim, una instància del model. La generació d'una envolupant així normalment és una tasca molt dura que es pot abordar, per exemple, mitjançant algorismes d'optimització global o comprovació de consistència. Per aquesta raó, en molts casos s'obtenen aproximacions a l'envolupant exacta. Una aproximació completa però no correcta a l'envolupant exacta és una envolupant sobredimensionada, mentre que una envolupant correcta però no completa és subdimensionada. Aquestes propietats s'han estudiat per diferents simuladors per a sistemes incerts.

Single versus multiple occupancy - Effects on toxicity parameters measured on Eisenia fetida in lead nitrate-treated soil

The mortality (7 and 14 d), weight change (7 and 14 d), and metal uptake of Eisenia fetida (Savigny, 1826) kept in Pb(NO3)(2)-treated Kettering loam soil in single- and multiple-occupancy (10 earthworms) test containers were determined. The number of earthworms to dry mass (g) ratio of soil was 1:50 in both sets of test containers. Lead concentrations were in the nominal range of 0 to 10,000 mg Pb/kg soil (mg/kg hereafter). Levels of mortality at a given concentration were statistically identical between the single- and multiple-occupancy tests, except at 1,800 mg/kg, at which significantly (p less than or equal to 0.05) more mortality occurred in the multiple-occupancy tests. Death of individual earthworms in the multiple-occupancy tests did not trigger death of the other earthworms in that soil. The LC50 values (concentration statistically likely to kill 50% of the population) were identical between the multiple- and single-occupancy soils: 2,662 mg/kg (2,598-2,984, 7 d) and 2,589 mg/kg (2,251-3,013, 14 d) for the multiple-occupancy soils and 2,827 mg/kg (2,443-3,168, both 7 and 14 d) for the single-occupancy soils (values in brackets represent the 95% confidence intervals). Data were insufficient to calculate the concentration statistically likely to reduce individual earthworm mass by 50% (EC50), but after 14 d, the decrease in earthworm weight in the 1,800 and 3,000 mg/kg tests was significantly greater in the multiple- than in the single-occupancy soils. At 1,000, 1,800, and 3,000 mg/kg tests, earthworm Pb tissue concentration was significantly (p less than or equal to 0.05) greater in earthworms from the multiple-occupancy soils. The presence of earthworms increased the NH3 content of the soil; earthworm mortality increased NH3 concentrations further but not to toxic levels.

Identifying the critical parameters of a cyanobacterial growth and movement model by using generalised sensitivity analysis

Bloom-forming and toxin-producing cyanobacteria remain a persistent nuisance across the world. Modelling of cyanobacteria in freshwaters is an important tool for understanding their population dynamics and predicting the location and timing of the bloom events in lakes and rivers. A new deterministic-mathematical model was developed, which simulates the growth and movement of cyanobacterial blooms in river systems. The model focuses on the mathematical description of the bloom formation, vertical migration and lateral transport of colonies within river environments by taking into account the major factors that affect the cyanobacterial bloom formation in rivers including, light, nutrients and temperature. A technique called generalised sensitivity analysis was applied to the model to identify the critical parameter uncertainties in the model and investigates the interaction between the chosen parameters of the model. The result of the analysis suggested that 8 out of 12 parameters were significant in obtaining the observed cyanobacterial behaviour in a simulation. It was found that there was a high degree of correlation between the half-saturation rate constants used in the model.

Effects of metals on life cycle parameters of the earthworm Eisenia fetida exposed to field-contaminated, metal-polluted soils

Two control and eight field-contaminated, metal-polluted soils were inoculated with Eisenia fetida (Savigny, 1826). Three, 7, 14, 21, 28 and 42 days after inoculation, earthworm survival, body weight, cocoon production and hatching rate were measured. Seventeen metals were analysed in E.fetida tissue, bulk soil and soil solution. Soil organic carbon content, texture, pH and cation exchange capacity were also measured. Cocoon production and hatching rate were more sensitive to adverse conditions than survival or weight change. Soil properties other than metal concentration impacted toxicity. The most toxic soils were organic-poor (1-10 g C kg(-1)), sandy soils (c. 74% sand), with intermediate metal concentrations (e.g. 7150-13, 100 mg Ph kg(-1), 2970-53,400 mg Zn kg(-1)). Significant relationships between soil properties and the life cycle parameters were determined. The best coefficients of correlation were generally found for texture, pH, Ag, Cd, Mg, Pb, Tl, and Zn both singularly and in multivariate regressions. Studies that use metal-amended artificial soils are not useful to predict toxicity of field multi-contaminated soils. (c) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

An application of the GLUE methodology for estimating the parameters of the INCA-N model

The conceptual and parameter uncertainty of the semi-distributed INCA-N (Integrated Nutrients in Catchments-Nitrogen) model was studied using the GLUE (Generalized Likelihood Uncertainty Estimation) methodology combined with quantitative experimental knowledge, the concept known as 'soft data'. Cumulative inorganic N leaching, annual plant N uptake and annual mineralization proved to be useful soft data to constrain the parameter space. The INCA-N model was able to simulate the seasonal and inter-annual variations in the stream-water nitrate concentrations, although the lowest concentrations during the growing season were not reproduced. This suggested that there were some retention processes or losses either in peatland/wetland areas or in the river which were not included in the INCA-N model. The results of the study suggested that soft data was a way to reduce parameter equifinality, and that the calibration and testing of distributed hydrological and nutrient leaching models should be based both on runoff and/or nutrient concentration data and the qualitative knowledge of experimentalist. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Robust dynamics of Amazon dieback to climate change with perturbed ecosystem model parameters

Climate change science is increasingly concerned with methods for managing and integrating sources of uncertainty from emission storylines, climate model projections, and ecosystem model parameterizations. In tropical ecosystems, regional climate projections and modeled ecosystem responses vary greatly, leading to a significant source of uncertainty in global biogeochemical accounting and possible future climate feedbacks. Here, we combine an ensemble of IPCC-AR4 climate change projections for the Amazon Basin (eight general circulation models) with alternative ecosystem parameter sets for the dynamic global vegetation model, LPJmL. We evaluate LPJmL simulations of carbon stocks and fluxes against flux tower and aboveground biomass datasets for individual sites and the entire basin. Variability in LPJmL model sensitivity to future climate change is primarily related to light and water limitations through biochemical and water-balance-related parameters. Temperature-dependent parameters related to plant respiration and photosynthesis appear to be less important than vegetation dynamics (and their parameters) for determining the magnitude of ecosystem response to climate change. Variance partitioning approaches reveal that relationships between uncertainty from ecosystem dynamics and climate projections are dependent on geographic location and the targeted ecosystem process. Parameter uncertainty from the LPJmL model does not affect the trajectory of ecosystem response for a given climate change scenario and the primary source of uncertainty for Amazon 'dieback' results from the uncertainty among climate projections. Our approach for describing uncertainty is applicable for informing and prioritizing policy options related to mitigation and adaptation where long-term investments are required.