Spectroscopy transmittance by LED calibration

Local administrations demand real-time and continuous pollution monitoring in sewer networks. Spectroscopy is a non-destructive technique that can be used to continuously monitor quality in sewers. Covering a wide range of wavelengths can be useful for improving pollution characterization in wastewater. Cost-effective and in-sewer spectrophotometers would contribute to accomplishing discharge requirements. Nevertheless, most available spectrometers are based on incandescent lamps, which makes it unfeasible to place them in a sewerage network for real-time monitoring. This research work shows an innovative calibration procedure that allows (Light-Emitting Diode) LED technology to be used as a replacement for traditional incandescent lamps in the development of spectrophotometry equipment. This involves firstly obtaining transmittance values similar to those provided by incandescent lamps, without using any optical components. Secondly, this calibration process enables an increase in the range of wavelengths available (working range) through a better use of the LED's spectral width, resulting in a significant reduction in the number of LEDs required. Thirdly, this method allows important reductions in costs, dimensions and consumptions to be achieved, making its implementation in a wide variety of environments possible.This research was funded by Seneca Foundation of the Región de Murcia (Spain) and “Hidrogea, Gestión Integral de Aguas de Murcia S.A”. Authors wish to thank the financial support received from the Seneca Foundation of the Región de Murcia (Spain) through the program devoted for training of novel researchers in areas of specific interest for the industry and with a high capacity to transfer the results of the research generate entitled: “Subprograma Regional de Contratos de Formación de Personal Investigador en Universidades y OPIs” (Mod. B, Ref. 20320/FPI/17).Authors wish to thank the financial support received from the Seneca Foundation of the Región de Murcia (Spain) through the program devoted for training of novel researchers in areas of specific interest for the industry and with a high capacity to transfer the results of the research generate entitled: “Subprograma Regional de Contratos de Formación de Personal Investigador en Universidades y OPIs” (Mod. B, Ref. 20320/FPI/17)

Implementing Early Warning Systems in WWTP. An investigation with cost-effective LED-VIS spectroscopy-based genetic algorithms

Measuring how the pollution load evolves in real time along sewer networks is key for proper management of water resources and protecting the environment. The technique of molecular spectroscopy for water characterization has increasingly widespread use, as it is a non-invasive technique that leads to the correlation of the physical-chemical conditions of wastewater with spectroscopic surrogates by a series of mathematical estimation models. In the present research work, different symbolic regression models obtained with evolutive genetic algorithms are evaluated for the estimation of chemical oxygen demand (COD); five-day biochemical oxygen demand (BOD5); total suspended solids (TSS); total phosphorus (TP); and total nitrogen (TN), from the spectral response of samples measured between 380 and 700 nm and without the use of chemicals or pre-treatment. Around 650 wastewater samples were used in the campaign, from 43 different wastewater treatment plants (WWTP) in which both, raw/influent and treated/effluent, were examined through 18 models composed of Classical Genetic Algorithm (CGA), the Age-Layered Population Structure (ALPS), and Offspring Selection (OS) by mean of HeuristicLab software, to make a comparison among them and to determine which models and wavelengths are most suitable for the correlation. Models are proposed considering both raw and treated samples together (15) and only with tertiary treated wastewater reclaimed for agriculture irrigation effluent (3). The Pearson correlation coefficients were in the range of 67–91% for the test data in the case of the combined models. The results conform the first steps for a real-time monitoring of WWTP.The author Daniel Carreres Prieto wishes to thank the financial support received from the Seneca Foundation of the Región de Murcia (Spain) through the program devoted to training novel researchers in areas of specific interest for the industry and with a high capacity to transfer the results of the research generated, entitled: “Subprograma Regional de Contratos de Formación de Personal Investigador en Universidades y OPIs” (Mod. B, Ref. 20320/FPI/17). The present research has been funded by the project MONITOCOES: New intelligent monitoring system for microorganisms and emerging contaminants in sewage networks. Reference: RTC2019-007115-5 by the Ministry of Science and Innovation - State Research Agency, within the RETOS COLABORACIÓN 2019 call, which supports cooperative projects between companies and research organizations, whose objective is to promote technological development, innovation and quality research. The authors wish to thank the help and availability received from the company Munuera Laboratories during the field campaign

Multivariate linear regression versus symbolic regression from genetic programming. Application to the spectroscopic characterisation of urban wastewater

[EN] Characterising urban wastewater in real time is key to ensure the proper management of water resources and environmental protection. From indirect measurements, such as the molecular spectroscopy which provides information on the physicochemical properties of the water, it is possible to determine the pollutant load of wastewater from mathematical correlation models. The research compares multivariate linear regression models and symbolic regression models based on genetic programming to establish a correlation with the pollutant load of the wastewater. The study has focused on the comparison of models for the characterisation of total nitrogen, total phosphorus and nitrogen in the form of nitrate of 90 urban wastewater samples. It is observed that the symbolic regression based on genetic programming provides an improvement in goodness of fit (R2) of between 72.76% and 146.39% with respect to multivariate linear regression.[ES] Caracterizar en tiempo real las aguas residuales urbanas es clave para poder garantizar una correcta gestión de los recursos hídricos y la protección del medioambiente. A partir de mediciones indirectas, como la espectroscopía molecular que proporciona información sobre las propiedades físico-químicas del agua, es posible determinar la carga contaminante de las aguas residuales empleando modelos matemáticos de correlación. El presente trabajo compara la regresión lineal multivariable y los modelos de regresión simbólica basados en programación genética, para establecer una correlación con la carga contaminante de las aguas residuales. El estudio se ha centrado en la comparativa de modelos para la caracterización de nitrógeno total, fósforo total y nitrógeno en forma de nitrato, considerando 90 muestras de aguas residuales urbanas. Se observa que la regresión simbólica basada en programación genética proporciona una mejora en el ajuste (R2) de entre el 72.76% y 146.39% respecto a la regresión lineal multivariable.El primer autor agradece la financiación recibida de la Fundación Séneca-Agencia de Ciencia y Tecnología de la Región de Murcia (España), a través del programa de capacitación para nuevos investigadores en áreas específicas de interés para la industria y alta capacidad de transferencia de los resultados de investigación generados, titulado: “Subprograma Regional de Contratos de Formación de Personal Investigador en Universidades y OPIs” (Mod. B, Ref. 20320/FPI/17)”. El presente trabajo de investigación ha sido financiado mediante el proyecto MONITOCOES: New intelligent monitoring system for microorganisms and emerging contaminants in sewage networks. Referencia: RTC2019-007115-5, otorgado por el Ministerio de Ciencia e Innovación – Agencia Estatal de Investigación, dentro de la convocatoria RETOS COLABORACIÓN 2019. El equipo desarrollado también ha recibido financiación para su industrialización a través del programa “Proof of Concept” de la Fundación Séneca, en el marco del proyecto “ Equipo de MONITORIZACIÓN en Tiempo REAl de Contaminantes en Aguas Residuales (MONITOREA).” (21662/PDC/21.).Carreres-Prieto, D.; García, JT.; Castillo, LG.; Carrillo, JM.; Vigueras-Rodriguez, A. (2022). Regresión lineal multivariable versus regresión simbólica a partir de programación genética. Aplicación a la caracterización espectroscópica de aguas residuales urbanas. Ingeniería del Agua. 26(4):261-277. https://doi.org/10.4995/ia.2022.1807326127726

Characterization of Sediment Accumulation, Erosion and Transport Processes in Combined Sewer Pipes

Programa Oficial de Doutoramento en Enxeñaría Civil . 5011V01[Resumen] El análisis de los procesos de acumulación, erosión y transporte de sedimentos en tuberías de saneamiento unitario es esencial en los sistemas de drenaje urbano. Estos sedimentos representan la mayor fuente de contaminación dentro de los sistemas de saneamiento hacia el medio receptor. El propósito de esta tesis es estudiar en detalle estos procesos para poder plantear soluciones óptimas que den lugar a un desarrollo urbano sostenible. Para ello, se ha ensayado la eficiencia de autolimpieza y de ausencia de obstrucciones por sólidos gruesos en tuberías de saneamiento unitario con geometrías ovoides en comparación con tuberías circulares. Además, como gran elemento diferenciador, se ha puesto en marcha una Plataforma Científica que permite ensayar diferentes conducciones con agua residual urbana. En este modelo se han desarrollado nuevas técnicas y metodologías para medir con mayor precisión la acumulación y transporte de sedimentos en tuberías, así como para analizar sus propiedades fisicoquímicas. Asimismo, se han realizado ensayos en modelos a escala reducida para caracterizar la concentración y el tamaño de partículas en suspensión a través de sensores acústicos. Como resultado, se ha obtenido un gran conjunto de datos que podrá utilizarse para el desarrollo de estrategias avanzadas de diseño, operación y mantenimiento de sistemas de saneamiento unitario.[Resumo] O estudo da acumulación, erosión e transporte de sedimentos en tubaxes de saneamento unitario é esencial dentro de calquera sistema de drenaxe urbana. Estes sedimentos representan a maior fonte de contaminación dentro dos sistemas de saneamento cara o medio receptor. O propósito de esta tese é estudar en detalle estes procesos para poder expor solucións óptimas que dean lugar a un desenvolvemento urbano sostible. Para iso, ensaiouse a eficiencia de autolimpeza e de ausencia de obstrucións por sólidos grosos en tubaxes de saneamento unitario con xeometrías ovoides en comparación con tubaxes circulares. Ademais, como gran elemento diferencial, púxose en marcha unha Plataforma Científica que permite ensaiar diferentes conducións con auga residual urbana. Neste modelo desenvolvéronse novas técnicas e metodoloxías para medir con maior precisión a acumulación e o transporte de sedimentos en tubaxes, así como para analizar as súas propiedades fisicoquímicas. Así mesmo, realizáronse ensaios en modelos a escala reducida para caracterizar a concentración e o tamaño de partículas en suspensión a través de sensores acústicos. Como resultado, obtívose un gran conxunto de datos que poderá utilizarse para o desenvolvemento de estratexias avanzadas de deseño, operación e conservación de sistemas de saneamento unitario.[Abstract] The analysis of the sediment accumulation, erosion and transport processes in combined sewers is a key issue within urban drainage systems. Sewer sediments represent the main source of pollution in sewer systems to the receiving environment. This thesis aims to study in detail these phenomena to propose optimal solutions that lead to sustainable urban development. To this end, the self-cleansing efficiency and the absence of blockages by gross solids in egg-shaped pipes were tested in comparison with circular sewer pipes. In addition, as a major differentiating element, a Flume Test Facility was set up to perform in-sewer deposition, erosion and transport experiments with various pipes by supplying urban wastewater. In this facility, new techniques and methodologies were developed to increase the accuracy in the measurement of the accumulation and transport of in-sewer sediments, as well as to analyse their physicochemical properties. Furthermore, experiments were also performed on small-scale models to characterise the concentration and size of suspended particles by using acoustic sensors. As a result, a large dataset was obtained to develop advanced strategies for the design, operation and maintenance of combined sewer systems

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

[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.Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de CartagenaUniversidad Politécnica de CartagenaPrograma de Doctorado en Tecnologías Industriale

Calibrating saturated conductivity and soil cohesion in rainfall-triggered landslides in the Langhe area (1994)

In this work we have analyzed a “cold case”, i.e., the prolonged rainfall and flood event occurred in the Piedmont region (Northern Italy) in November 1994, causing several hundred of shallow landslides. The research aim is to put some focus on the possibility to calibrate soil parameters by means of the combined use of a simple hydrological model (Rosso et al. 2006) and post-event geotechnical surveys. For this purpose, a database of geometries and soil characteristics for 238 observed landslides has been used. To address the calibration of the cohesion and hydraulic conductivity parameters, the safety factor expression from the Limit Equilibrium Analysis has been targeted to assume a maximum value of 1 for all the slopes made unstable by the actual (measured) rainfall. Significant reduction of the cohesion parameter was observed after calibration, suggesting caution in the use of literature values, typically obtained on mechanically undisturbed soil sample