En la actualidad, el impacto ambiental de las actividades minero-metalúrgicas y los residuos generados por éstas, se han convertido en temas de especial atención en el estudio de la problemática ambiental que generan sobre las masas de aguas continentales y marinas. Sin embargo, el estudio de la influencia del factor hidromecánico en el flujo y transporte de contaminantes no ha sido prácticamente estudiado en los residuos minero-metalúrgicos. El objetivo fundamental de esta tesis es estudiar los factores físicos, hidromecánicos, hidrogeológicos y geoquímicos que condicionan el flujo y el transporte de contaminantes metálicos (Cr, Ni, Mn) en residuos mineros y en segundo lugar realizar una evaluación del impacto ambiental de estos residuos sobre las aguas superficiales y subterráneas. Para llevar a cabo el estudio se utilizaron los residuos de la zona minera de Moa (Cuba). El trabajo se realizó en dos etapas, una de campo, donde se efectuó el muestreo y reconocimiento en el terreno de la zona de estudio y una segunda parte en el laboratorio. Se desarrollo un cuidadoso programa de ensayos de laboratorio donde se incluye una caracterización física, mineralógica, química, hidromecánica y geoquímica de estos residuos. Los ensayos de flujo y transporte de trazador, Cr, Ni y Mn por el medio poroso homogéneo saturado se realizaron con dos columnas de 5 y 10 cm de longitud y 1.6 cm de diámetro. Las curvas de llegada de los tres metales en los dos residuos para las condiciones de flujo y concentración en que se realizaron los ensayos exhiben un comportamiento no ideal, caracterizadas por la presencia de asimetría y grandes colas. Los resultados de los ensayos de flujo y transporte se simularon con el modelo s "UFBTC" desarrollado por la Universidad de Florida, EUA que incorpora la isoterma de adsorción no lineal y condiciones de no equilibrio debido a la histéresis del proceso de sorción. Los resultados de la modelación muestran que la causa de que el transporte de solutos no sea ideal es la no linealidad del proceso de adsorción debido en primer lugar a la adsorción física (más del 70%) y en segundo lugar la adsorción química.Para evaluar el efecto del comportamiento hidromecánico sobre el flujo y el transporte de solutos se ha construido y puesto a punto un equipo automatizado, con control de succión, humedad relativa, variación del contenido volumétrico de agua, temperatura, evaporación y retracción.Los resultados de los ensayos de flujo y transporte del trazador y el Ni por el medio fracturado son coherentes con el modelo conceptual de flujo y transporte advectivo a través de las grietas de desecación, combinado con la difusión del soluto en el agua relativamente inmóvil que ocupa los poros de la matriz del medio poroso. Esto queda confirmado por las características de las curvas de llegada del trazador y la del níquel, que experimentan una subida muy rápida durante el proceso de adsorción y una gran cola durante la desorción. Este doble proceso también se observa en la concentración de Ni medida en la matriz adyacente a la zona de fractura, donde la masa de Ni adsorbida decrece exponencialmente con la distancia del punto muestreado a la zona de la grieta más cercana.El comportamiento hidromecánico de los residuos desempeña un papel muy importante en el flujo y transporte de contaminantes por el medio poroso. En el caso de los residuos mineros estudiados, las grietas de desecación condicionan el régimen de infiltración y constituyen una zona preferencial de flujo de indudable importancia, reduciendo el tiempo de tránsito de los contaminantes por el medio poroso, debido a que la conductividad hidráulica se incrementa en casi tres órdenes de magnitud con relación al medio poroso no agrietado. Este es un aspecto a tener en cuenta en el almacenamiento y gestión de los residuos minero-metalúrgicos por la problemática ambiental que conlleva.

Cuando se estudian las aguas subterráneas en zonas urbanas deben tenerse en cuenta una serie de cuestiones específicas. La urbanización del territorio afecta significativamente al ciclo del agua tanto en cantidad como en calidad, en particular a la parte relacionada con la recarga y descarga de los acuíferos. Además las aguas pueden afectar a las infraestructuras urbanas subterráneas como sótanos, parkings, túneles de Metro o ferrocarril, conducciones, etc. Por estos motivos el estudio de las aguas subterráneas en zonas urbanas emerge con fuerza dentro de la hidrogeología. Algunos de los temas específicos para su estudio son: 1) Variaciones del nivel freático causadas por cambios en los usos del suelo y del agua; 2) Contaminación de las aguas subterráneas por la presencia de focos contaminantes tanto puntuales como difusos; 3) Caracterización y cuantificación de los componentes del balance hidrogeológico; 4) especificidades en la modelación del flujo subterráneo y el transporte de contaminantes; y 5) Integración de los datos hidrogeológicos para su gestión. Algunos de estos temas se ilustran aquí sobre el ejemplo de la ciudad de Barcelona. En los últimos años, tanto desde el ámbito público como privado, se ha llevado a cabo un amplio estudio hidrogeológico de la ciudad. El ascenso del nivel freático se ha convertido en un serio problema para muchas estructuras subterráneas, principalmente parkings y la red del Metro. Este ascenso se ha debido básicamente a la disminución en la explotación de las aguas subterráneas por una reducción significativa del consumo de agua para usos industriales. Aquí se presenta una evaluación de los principales términos que afectan a la recarga cuyo resultado es la cuantificación del balance hidrogeológico en el periodo comprendido entre 1965 a 1995. Se ha cuantificado en unos 40 hm3/a la cantidad total de agua que debe bombearse de los acuíferos para mantener los niveles freáticos a las cotas actuales. Si se bombean cantidades menores los niveles freáticos seguirán ascendiendo y continuaran los problemas. Se han sugerido algunos usos alternativos para estas aguas.Este caso puede considerarse un buen ejemplo de como la evolución de la urbanización en cualquier ciudad genera una serie de problemas respecto la disponibilidad y calidad de las aguas subterráneas con las implicaciones tanto sociales como económicas que esto comporta. Para un buen conocimiento de la hidrogeología urbana es preciso un análisis cuantitativo del flujo de agua y de su calidad, para ello es preciso 1) identificar los procesos hidrogeológicos; 2) caracterización de acuíferos y modelación y 3) gestión de los recursos hídricos. Al aplicar esta metodología a Barcelona se ha obtenido, entre otras cosas, un modelo capaz de ser utilizado como herramienta de gestión. Estos modelos se podrán aplicar si las aguas subterráneas quedan contempladas como un elemento más a tener en cuenta por los gestores locales. Un tema clave para el estudio de la hidrogeología urbana es la evaluación de los diversos términos que componen la recarga (agua de la red de abastecimiento, del alcantarillado, agua de escorrentía urbana, infiltración directa, etc.) Discriminar todos estos términos es importante para evaluar el balance, para conocer el riesgo de contaminación de los acuíferos y para plantear una correcta gestión. Es necesario conocer cuales son los diversos compuestos hidroquímicos e isotópicos presentes en las aguas de recarga. El objetivo es identificar, y si es posible cuantificar, las diversas fuentes de recarga y sus proporciones. Se ha revisado un buen número de experiencias y casos internacionales que listan en el uso de diversos tipos de trazadores aplicados a los estudios de aguas subterráneas.La cuantificación de las diversas fuentes de recarga se puede establecer a partir de balances de solutos. El puntos críticos son: 1) la gran cantidad de fuentes de recarga existentes que implican tener que usar un gran número de especies conservativas; 2) la incertidumbre en las concentraciones de estas fuentes y 3) los errores de medida.Teniendo en cuenta estas limitaciones se presenta un método basado en el análisis estadístico multivariado para el cálculo de las proporciones de mezcla de las fuentes de recarga en un gran número de puntos de mezcla. Este método está basado en la presunción que las medidas de las concentraciones contienen errores. Minimizando la función de verosimilitud respecto a las concentraciones de las fuentes y de las mezclas se llega a un problema de optimización. Para resolver este problema se presenta un algoritmo de aplicado a dos ejemplos sintéticos. Los resultados confirman la conjeturas de partida, es decir, las concentraciones de las mezclas contienen información sobre las concentraciones de las fuentes. Así pues, al haber consistencia entre ambos implica que una mejora en los cálculos de las mezclas y también en el conocimiento más preciso de las fuentes. Esta metodología se ha aplicado a los acuíferos de Barcelona. El primer paso ha sido la identificación de las fuentes de recarga potenciales: agua de abastecimiento, con dos tipologías diferentes, aguas residuales y de escorrentía urbana, aguas de infiltración directa ,aguas de infiltración del río Besós y aguas de intrusión marina. Después de su estudio hidroquímico e isotópico se han determinado ocho especies químicas más o menos conservativas para identificar las posibles fuentes de recarga. La aplicación de este método estadístico ha permitido calcular las proporciones de mezcla de las diversas fuentes de recarga en las diversas zonas de los acuíferos de la ciudad. / A number of specific issues must be considered when dealing with groundwater in urban areas. Urbanization significantly affects the natural water cycle, both in terms of quantity and quality. In particular, the main contributors to recharge and discharge clearly differ from those in natural systems. Moreover, water can affect underground city infrastructures, such as basements, public transport services (trains, subway, .), and conductions. As a result, urban groundwater is emerging as a distinct branch of hydrogeology. Topics that are specific to urban groundwater include: 1) Fluctuations in groundwater levels caused by changes in land and water uses; 2) Pollution problems caused by point or non-point sources in urban areas; 3) Characterization and quantification of the components contributing to groundwater balance; 4) Specific characteristics of groundwater flow and solute transport models in urban areas; and 5) Integration of data for sustainable urban water management. Some of these issues are illustrated here for the case of Barcelona, where both the public and the private sectors have carried out a comprehensive hydrogeological study during the last years. Rising of groundwater levels beneath the city of Barcelona has become a serious problem to urban structures, such as the subway and underground parking areas. This rise is mainly due to a decline in groundwater exploitation, following a reduction in high water-consuming industrial activity in the city. We present an evaluation of the main terms affecting recharge in the city. The outcome is a global groundwater balance for the period 1965-1995. It has been quantified that a total rate of 40 million m3 per year should be pumped from the aquifers underneath the city in order to keep to the present groundwater levels. A lesser amount would lead to a rise in levels, and to continuing problems. Possible uses for this additional water are suggested.This case can be considered an example of how urbanisation poses some threats to both availability and quality of groundwater resources in large cities worldwide, with their corresponding significant social, environmental and economic implications. A good knowledge of urban hydrology requires a detailed quantitative analysis of not only water fluxes, but also their quality. In any real case study one has to face at least three aspects: (1) process identification, (2) aquifer characterisation and modelling, and (3) water resources management. This three-fold methodology has been applied to the city of Barcelona. The outcome is a groundwater model which may, among other things, become a management tool. This is an important step towards considering groundwater as one of the topics to be taken into account in city planning. One of the key issues in urban hydrogeology is the evaluation of the relative contribution of the different sources of recharge (water from mains and sewers, direct infiltration, runoff, etc.). Discriminating among recharge sources is important for the overall recharge evaluation, for assessing groundwater pollution risks and for groundwater management. To do so, it is necessary to know the different hydrochemical compounds and isotopes present in groundwater and recharge water. The objective is to identify, and if possible to quantify, the various recharge water types and their proportion. We have reviewed a large number of cases and international experiences illustrating the use of several tracers in urban groundwater studies. Quantification of the contribution from the different recharge terms can be achieved by means of solute mass balances. The critical points in the process are: (1) the large amount of source terms, which leads to the necessity of a large number of conservative species to be used, (2) the uncertainty in the concentrations of sources, and (3) the measurement errors. A method based on multivariate statistical analysis is presented for estimating the proportions in which a small number of end-member waters are mixed in a large number of samples. The method is based on assuming that errors affect all concentration measurements. Maximizing the likelihood of these with respect to both mixing ratios and end-member concentrations leads to a general constrained optimization problem. An algorithm for solving this problem is presented and applied to two synthetic problems. Results confirm the conjecture that motivates this work. That is, mixtures concentration measurements contain information about end-member concentrations. As a result, ensuring that the latter are consistent with the former leads to a significant improvement of not only end-member estimates, but also mixing ratio estimates.This method has been applied to the city of Barcelona. In this city a number of potential sources were identified. These include: losses from the water supply network (with two different sources of water), losses from sewers, infiltration from the Besòs River, infiltration in unpaved areas, and seawater intrusion. After studying the results from the chemical and isotopical analyses, eight chemical species were found to be conservative and to provide a potential for source discrimination. The application of the statistical analyses allowed us to compute the proportions of each recharge source for a number of different locations in Barcelona.

La Isla de Fuerteventura se sitúa en el borde oriental del Archipiélago de Canarias, a sólo 100 km del continente africano. Presenta un relieve topográfico relativamente suave respecto a las otras islas del Archipiélago, lo que unido a su proximidad a la costa del Sahara explican el carácter árido del clima imperante. El sector estudiado se sitúa en la parte central de la Isla y abarca el Macizo de Betancuria y la Depresión Central. A partir de la distribución de las unidades geológicas e hidrogeológicas más importantes se ha dividido en dos dominios principales: un Dominio Occidental, constituido por rocas volcánicas e intrusivas del Complejo Basal (Cretácico Superior - Mioceno Inferior) y un Dominio Oriental, compuesto por lavas del Edificio Gran Tarajal (Mioceno) y por depósitos volcánicos (Pleistoceno-Holoceno) que conforman el Malpaís.En el Dominio Occidental las aguas subterráneas presentan un aumento de la salinidad con la profundidad. Se diferencia una Unidad Superior, que contiene aguas de menor conductividad eléctrica (2.5-5.5 mS/cm) y temperaturas que varían entre los 18 y los 25 ºC, y una Unidad Inferior, compuesta por aguas de mayor conductividad eléctrica (5.5-24 mS/cm) y temperaturas variables entre los 25 y 30 ºC. Las aguas de la Unidad Superior son del tipo clorurado-sódico con una alcalinidad moderada y bajos contenidos de sulfato y sílice. La concentración de nitrato es variable de un punto a otro, pero en la mayoría de los casos se sospecha una componente antrópica asociada a usos agropecuarios. Las aguas más salinas de la Unidad Inferior son de tipo clorurado-sulfatado-sódico. Los contenidos de sílice son altos y los contenidos de nitrato están ausentes. La elevada salinidad en las aguas de la Unidad Superior responde principalmente al efecto de la aridez climática y localmente a efectos puntuales de retornos de riego. A partir de la modelación hidrogeoquímica realizada con el programa PHREEQC se deduce que la aridez climática tiene su efecto en una mayor concentración del agua de lluvia como consecuencia de la evaporación. En menor medida existe una aportación debido a la interacción agua-roca que implica una aportación de sodio como consecuencia de la alteración de plagioclasas. No obstante, para las muestras de la Unidad Inferior es necesario considerar otros orígenes para la salinidad. A partir de la interpretación de la relación rCl/rBr, del estudio de los isótopos del agua (18O y deuterio), de las relaciones iónicas y de la modelación hidrogeoquímica se ha deducido una salinidad debido a la mezcla con agua marina. Esta correspondería a agua marina relicta presente en las rocas intrusivas del Complejo Basal. La menor permeabilidad que presentan las unidades intrusivas explicaría la existencia de agua de origen marino por sobre el nivel del mar. Estas aguas también presentan contenidos elevados de sulfatos los cuales tienen un origen distinto, asociado a la disolución de sulfatos de origen ígneo. Las aguas de menor mineralización reconocidas en el Dominio Oriental son de composición clorurado-sódica, con valores de las relaciones iónicas más próximos a los valores de la precipitación. Los valores de las relaciones iónicas de estas aguas se aproximan más a los valores del agua de lluvia respecto a las aguas de la Unidad Superior, lo que se atribuye a la menor solubilidad de los materiales que componen las lavas del Malpaís. A partir de la integración del estudio de la piezometría, de la interpretación de los análisis químicos e isotópicos de las aguas, del análisis de perfiles de temperatura y conductividad eléctrica en sondeos y de la interpretación de la distribución de las unidades geológicas en el subsuelo se ha establecido un modelo conceptual de funcionamiento hidrogeológico del acuífero. / The island of Fuerteventura es placed in the eastern limit of the Canarian Archipelago, only 100 km far from the African Continent. It has a relatively smooth topographic relief when compared to the other islands of the Archipelago. This and the closeness to the Sahara coast explain the dominantly arid climate. The study area is in the central part of the Island and comprises a large part of the Massif of Betancuria and the Central Depression. Following the distribution of the most important geological and hydrogeological Units, the study area has been divided in two main subareas: a western subarea formed by volcanic and intrusive rocks of the Basal Complex (Upper Cretaceous-Lower Miocene) and an eastern subarea formed by lavas of the Gran Tarajal Edifice (Miocene) and volcanic deposits (Pleistocene-Holocene) which form the Malpais (badlands).In the western subarea groundwaters are characterised by an increasing salinity with depth. Thus, it is possible to differentiate an Upper Unit, containing waters of lower electrical conductivity (2.5 to 5.5 mS/cm) and temperatures between 18 and 25ºC, and a Lower Unit, with groundwaters with a higher electrical conductivity (5.5 to 24 mS/cm) and temperatures between 25 and 30ºC. Groundwaters from the Upper Unit are of the sodium-chloride type with generally a moderate alkalinity and low sulphate and silica contents. Nitrate contents of these waters varies from point to point, but in most cases an anthropic component is suspected, which is associated to farming activities. The more saline groundwaters of the Lower Unit are of the sodium-chloride-sulphate type, except for some one which is more diluted as a consequence of the mixture of waters from the Upper and Lower Units inside the boreholes.The high salinity of groundwater from the Upper Unit is mainly the result of the island's climatic aridity, and locally to point effects of excess irigation water. From the hydrochemical modelling carried out with the code PHREEQC it is deduced that climatic aridity produces an intense evaporation concentration of rainfall. To a lesser extent there is a contribution due to rock-water interaction, which corresponds mostly to plagioclase weathering. However, the more saline waters in the Lower Unit have to be explained by means of other salinity origins. From the interpretation of the rCl/rBr ratio, the study of water isotopes (180 and deuterium), the most important ionic ratios and chemical modelling, the salinity can be linked to the admixture with sea water. This sea water seem to be relict and it is found in the intrusive rocks of the Basal Complex. The smaller permeability of the intrusive units may explain the presence of seawater above present sea level, as remnants of moments in which the ocean was relatively at a higher elevation. These waters also present high sulphate contents. The sulphate has a different origin, which is associated to the dissolution of sulphates of igneous origin. Groundwaters of a lower salinity found in the eastern subarea represent recharge water and also have a marked sodium-chloride composition, with ionic ratios which are closer to those of precipitation. Generally the ionic rations of these waters are closer to those of rainfall than the samples from the Upper Unit. This is explained by the faster turnover time and low solubility of the materials of the Malpais recent lavas.By integrating the piezometric study, the interpretation of water chemical and isotopic analyses, the analysis of temperature and electrical conductivity borehole logs, and the interpretation of underground distribution of geological units, a conceptual model of the aquifer hydrogeological functioning has been established, which explains reasonably well the results commented above.

CATALA La contaminació de les aigües superficials i subterrànies representa el problema mediambiental més greu a què s'ha d'enfrontar la indústria minera, a causa de les denominades aigües àcides de mina (AAM), generades com a resultat de la lixiviació dels residus finals dipositats a les basses d'emmagatzematge. Els jaciments minerals que contenen sulfurs metàl·lics són una font potencial d'AAM. L'exposició d'aquests materials als agents atmosfèrics, com l'oxigen i l'aigua, dóna lloc a la generació d'un lixiviat fortament contaminat, amb una elevada acidesa (pH&#61500;4), alts continguts de SO42- (100-7000 mg dm-3) i quantitats variables de ions metàl·lics. En aquestes noves condicions d'acidesa i d'oxidació-reducció, les AAM poden escórrer-se pel sòl i els elements químics poden viatjar amb les aigües subterrànies, amb les consegüents repercussions per a l'ecosistema aquàtic.El tractament de les aigües subterrànies ha generat un gran interès en el camp de la biotecnologia ambiental. La tècnica més recent és el tractament in situ del plomall contaminat mitjançant una barrera permeable reactiva (BPR), que consisteix en la instal·lació d'un material reactiu a l'aqüífer capaç d'induir processos fisicoquímics i biològics que eliminin els contaminants de l'aigua. La tecnologia de les BPR per al tractament d'AAM és relativament moderna, sense precedents a Europa fins la instal·lació, l'any 2000, d'una BPR a l'aqüífer del riu Agrio, fortament contaminat per AAM després del trencament de la bassa de residus de la mina d'Aznalcóllar. L'enfocament biològic per al tractament de les AAM mitjançant una BPR es basa en l'ús de bacteris sulfato-reductors (BSR), capaços de reduir SO42- a S2-, que precipiten en presència de metalls en forma de sulfurs metàl·lics.L'objectiu primordial d'aquesta tesi és el d'estudiar, a escala de laboratori, els processos físico-químics i biològics involucrats en el tractament d'AAM mitjançant una BPR com la instal·lada a Aznalcóllar.Amb aquest propòsit, es va procedir a simular la barrera en experiments en columna, en què es va avaluar la capacitat de mescles reactives -a base de compost vegetal, calcita i puntualment Fe0- per al tractament d'una AAM sintètica. Els resultats van mostrar que el compost utilitzat és una font de carboni massa poc biodegradable per promoure l'activitat dels BSR. Malgrat la falta de condicions sulfato-reductores, la majoria dels metalls fou eliminada de forma significativa, la qual cosa va suggerir l'existència de processos diferents de la precipitació de sulfurs. En experiments posteriors es va demostrar que la precipitació d'(oxi)hidròxids i carbonats metàl·lics, la co-precipitació amb aquests, i l'adsorció sobre el compost són responsables de la disminució de la concentració de metalls. Aquest darrer mecanisme va ser objecte d'un estudi més exhaustiu, que va demostrar que els grups àcids presents a la superfície del compost poden adsorbir Zn i Cu. Posteriorment, i constatada la poca idoneïtat del compost per engegar un procés de sulfato-reducció bacteriana, l'objecte d'estudi es va orientar cap a la recerca d'altres matèries orgàniques, i més concretament, d'una metodologia per predir-ne la biodegradabilitat. Es va comparar, així, la composició química de quatre substrats orgànics (compost vegetal, fulles vegetals, i fems d'ovella i de cavall) amb la seva capacitat de promoure condicions sulfato-reductores. Els resultats van mostrar que la biodegradabilitat d'una matèria orgànica està estretament relacionada amb el seu contingut de lignina, i que aquest pot ser utilitzat per a la predicció de la seva biodegradabilitat. Dels substrats orgànics assajats, la mostra de fems d'ovella va resultar ser la més favorable, per la qual cosa es va seleccionar per a experiments posteriors en el tractament d'AAM. Els resultats d'aquests últims experiments van indicar que la presència de metalls a altes concentracions a l'aigua a tractar pot exercir efectes toxicològics als BSR i inhibir-ne el metabolisme. / ANGLES The contamination of surface and groundwater represents the most serious environmental concern associated with the mining industry around the world, owing to the so-called acid mine drainage (AMD), which is generated as the result of the leaching of the residual wastes disposed of in open-air impoundments.Mineral deposits containing metal sulphides represent a potential source of AMD. The exposition of these residues to the atmospheric agents, like oxygen and water, results in the generation of a heavily contaminated-leachate characterised by a high acidity (pH<4), high contents in SO42- (100-7000 mg dm-3) and variable amounts of metallic ions. In these new acidic and redox conditions, these acidic waters can drain through the soil and enter into the groundwater system, resulting in a potential risk to aquatic and terrestrial ecosystems.The treatment of such groundwaters has in the last decades drawn the attention in the field of environmental biotechnology. A recent economically attractive technology in the in-situ treatment of AMD are the permeable reactive barriers (PRB), which consist of the installation into the aquifer of an appropriate reactive material able to induce physico-chemical and biological processes that remedy contaminated groundwater that flows through it. The PRB technology has emerged as a cost-effective alternative, without any precedent in Europe until the installation, in 2000, of a PRB into the Agrio river aquifer, which was heavily contaminated by AMD after the break down of the tailing pond in the pyritic mine of Aznalcóllar. The biological approach of the AMD treatment by means of a PRB is based on the use of sulphate-reducing bacteria (BSR), able to reduce SO42- to S2-, which can precipitate in presence of metals as metal sulphides.The present Thesis forms part of the research work on the PRB in Aznalcóllar, and its aim is the study, at the laboratory-scale, of the physico-chemical and biological processes taking place in the PRB in Aznalcóllar.For this purpose, the PRB was simulated in column experiments, in which the capacity of reactive mixtures -based on vegetal compost, calcite, and occasionally Fe0- was evaluated in the treatment of a synthetic AMD. The results showed that the compost used in this study is a too poor biodegradable carbon source to promote the SRB activity. Despite the lack of sulpahte-reducing conditons, most of metals were significantly removed, suggesting the existence of other processes than the sulphide precipitation. In subsequent experiments, the metallic (oxy)hydroxide and carbonate precipitation, the co-precipitation with them, and sorption onto the compost were demonstrated to be responsible of the decrease of the metal concentration. This latter mechanism was object of a more exhaustive study, which demonstrated that acidic groups on the compost surface can sorb Zn and Cu present in the solution. Subsequently, and because compost was found to be not suitable in promoting the bacterial sulphate-reducing process, the object of the study was directed towards the research of other organic matters and, more specifically, of a methodology for predicting their biodegradabity. The chemical composition of four organic substrates (vegetal compost, vegetal leaves, and sheep and poultry manure) and their ability in promoting sulphate-reducing conditions in a metal-free medium were compared. Results showed that the biodegradability of an organic matter is closely linked to its lignin content, which can be used as a predictable parameter. Among the assessed organic substrates, sheep manure resulted to be the most favourable in terms of sulphate-reduction, and was selected for the treatment of AMD. Results of these further experiments indicated that the presence of metals at high concentrations in the water can exert toxicological effects to the SRB and inhibit their metabolism.

Los objetivos de esta tesis doctoral son la caracterización de un agua residual urbana, la prefermentación del agua residual y la optimización de la eliminación biológica de nutrientes en el tratamiento del agua residual en un reactor biológico secuencial (RBS). El agua residual de una zona residencial de Barcelona se caracterizó mediante parámetros típicos de las aguas residuales y, específicamente, mediante los ácidos grasos volátiles (AGV), el potencial de ácidos grasos volátiles (potencial de AGV) y la DQO fraccionada, con el fin de evaluar su aptitud a la eliminación biológica de fósforo. Se desarrolló una modificación del método original del potencial de AGV, que simplifica el procedimiento.Los valores promedio del agua residual afluente fueron: 282 mg/l MES, 472 mg/l DQO, 39 mg/l NT, 30 mg/l N-NH4, 12 mg/l PT, 7 mg/l P-PO4 soluble. Aunque se encontraron valores bajos de AGV (8,5 mg/l) y de la ratio VFA/PT (0,71 mg DQO/mg P), el potencial de AGV (118 mg/l) y la ratio potencial AGV/PT (18 mg DQO/mg P) fueron comparables con los valores recomendados para la eliminación biológica de fósforo. Del análisis del fraccionamiento de la DQO y de los datos del potencial de AGV se concluyó que la mayor parte de la DQO fácilmente biodegradable y, probablemente una fracción de la lentamente biodegradable, se emplearon para la producción de AGV, en la prueba del potencial de AGV.Se diseñó un ciclo complejo de 6 h para optimizar la eliminación biológica de nutrientes (EBN): llenado estático (1 h), llenado anóxico (0,75 h), llenado aireado (0,25 h), llenado anóxico (0,75 h), llenado aireado (0,25 h), reacción aeróbica (1,5 h), reacción postanóxica (0,75 h), decantación (0,63 h) y vaciado (0,12 h). El tiempo de llenado representó el 50% del total, mientras que la aireación supuso el 33% del tiempo del ciclo. El oxígeno disuelto se controló con un regulador PID, con un punto de consigna de 2,0 mg/l. El tiempo de retención hidráulico (TRH) fue de 8 h y el tiempo de retención de sólidos (TRS) de 24 d. El RBS, de 24 litros, se alimentó con el agua residual en dos fases experimentales diferentes. En la Fase 1, el reactor se alimentó con agua residual cruda. En la Fase 2, el agua residual cruda se alimentó a un decantador primario continuo, explotado como un prefermentador (tanque primario activado, TPA) y su efluente se utilizó para alimentar el RBS. En la Fase 1, los valores del efluente fueron: 39 mg/l MES, 87 mg/l DQO, 8.9 mg/l NT, 1.3 mg/l PT. Las concentraciones de nutrientes quedaron por debajo del límite para poblaciones entre 10.000 y 100.000 habitantes-equivalentes. El llenado estático permitió condiciones fuertemente anaeróbicas durante el llenado, lo que mejoró la eliminación biológica de fósforo. Además, la nitrificación y desnitrificación simultánea, junto con la fase postanóxica, permitieron mejorar la eliminación de nitrógeno.En la Fase 2, se diseño y estudió un TPA con el fin de analizar el efecto de la separación de sólidos primarios y de su prefermentación en el funcionamiento del RBS. El prefermentador, de 3 litros, operó bajo las condiciones siguientes: TRH 1,3 h, TRS 5 y 10 d, recirculación 52% y velocidad del rascador 0,5 rpm. El mejor funcionamiento se consiguió con un TRS de 5 d y con el prefermentador cubierto para un mejor control de la temperatura y el potencial de oxidación-reducción. En estas condiciones se observó solubilización de DQO (22 mg/l) y formación de AGV (34 mg/l). Aunque la fermentación acidogénica fue considerable, la producción de AGV alcanzó sólo el 35% del potencial de AGV del agua residual cruda. Este hecho se atribuyó al flujo no completamente mezclado, intrínseco del prefermentador. El efecto de retención de sólidos en el prefermentador predominó sobre el efecto de fermentación y solubilización, y la eliminación de nutrientes se vio perjudicada, especialmente la eliminación de fósforo. Los valores del efluente en esta fase fueron: 28 mg/l MES, 55 mg/l DQO, 11 mg/l NT, y 5.3 mg/l PT.

Los medios fracturados de baja permeabilidad (MFBP) pueden definirse como una matriz impermeable atravesada por una cantidad mayor o menor de fracturas conductivas. La experiencia indica que la mayor parte del flujo circula solo por unas pocas de estas fracturas, característica que marca el comportamiento del medio. Por esto, es necesario caracterizar estas fracturas para comprender el sistema.Desgraciadamente, no existe una metodología ampliamente aceptada para ello, en este contexto el objetivo de esta tesis es triple:1. Definir una metodología para modelar este tipo de medios 2. Explicar cómo la modelación explícita de las principales fracturas ayuda a explicar el efecto escala.3. Aplicar esta metodología a dos casos reales: FEBEX en Grimsel y Mina Ratones en Cáceres.La tesis está formada por tres artículos independientes pero complementarios, que se describen a continuación.En el primero se presenta la metodología para identificar las fracturas hidráulicamente más importantes. El método se basa en la interpretación de los ensayos de interferencia, y se apoya en los datos de geología, geofísica y ensayos hidráulicos. La metodología se ha aplicado en la caracterización hidrogeológica del bloque granítico que rodea al experimento FEBEX, en Suiza. La caracterización de este medio comienza por la identificación geométrica de las fracturas, basada en datos geológicos y geofísicos. Los ensayos hidráulicos de sondeo único ayudan a descartar aquellas fracturas no transmisivas, pero las conectividades entre puntos y la extensión de las fracturas se realiza mediante ensayos de interferencia. La geometría resultante se reproduce con un modelo 3D, donde los planos de fractura se representan con elementos 2D incluidos en la matriz 3D (matriz más fracturación menor). Los parámetros hidráulicos se obtienen de la interpretación conjunta de todos los ensayos de interferencia con modelos numéricos 3D, utilizando técnicas de calibración y ajustando todas las medidas simultáneamente. Siguiendo la misma metodología se ha podido reproducir los niveles en estacionario e incluso cuantificar el flujo de agua hacia la zona experimental de la galería FEBEX.Una característica de los MFBP es que al aumentar el volumen de roca ensayado, la conductividad hidráulica equivalente obtenida aumenta. En el entorno de la galería FEBEX se han llevado a cabo diferentes tipos de ensayos hidráulicos (pulsos, recuperación, interferencia, etc.). Estos ensayos se han interpretado utilizando métodos convencionales, en los que se asume que el medio es homogéneo, y las conductividades hidráulicas obtenidas como resultado muestran un efecto de escala (aumentan en órdenes de magnitud con el volumen de roca ensayado). El objetivo de este trabajo es mostrar que este efecto de escala refleja las limitaciones de la conductividad hidráulica equivalente derivada de la interpretación de los ensayos con modelos homogéneos. Para alcanzar este objetivo se ha utilizado la metodología descrita en el artículo anterior. En resumen, el modelo final es coherente con todas las medidas tomadas a diferentes escalas. La mayor parte de los ensayos a pequeña escala se han realizado en intervalos situados en matriz, esto hace que la conductividad hidráulica equivalente promedio sea pequeña. Al aumentar la escala el ensayo afecta a más fracturas, con lo que aumenta la conectividad del sistema haciendo que la conductividad hidráulica equivalente aumente. Finalmente, la metodología propuesta se aplica a la caracterización hidráulica de la mina de uranio "Los Ratones". Para verificar que la caracterización hidráulica ha sido satisfactoria, se ha realizado la predicción a ciegas de un bombeo a gran escala desde la mina. Los resultados obtenidos con esta simulación muestran unos buenos ajustes de los puntos de observación al bombeo desde la mina. Esto confirma la robustez y fiabilidad del modelo, y por lo tanto de la metodología utilizada. / Low permeability fractured media (LFFM) can be viewed as consisting of a virtually impervious matrix transversed by more or less conductive fractures. Experience dictates that a few of these concentrate most of the flow, this controlling the overall behaviour of the medium. Therefore, they need to be characterized for proper understanding of the system. Unfortunately, no widely accepted methodology is available to this end. In this context the objective of this thesis is three fold: 1. Define a methodology to model this type of media. 2. Explain how the explicit modeling of hydraulically dominant fracture helps in explaining scale effects.3. Apply the methodology to two real case studies: the FEBEX at Grimsel and the Ratones mine.The thesis consists of three independent but complementary papers. They are described below.First, I present a methodology to identify the most significant water conductive fractures. The method is based on the interpretation of cross-hole tests, and is supported by geology, geophysics and hydraulic data. This methodology has been applied to the hydrogeological characterization of a granitic block within FEBEX experiment, Switzerland. Characterising this medium starts by achieving a geometrical identification of the fractures, which demands mainly geological and geophysical data. Single borehole hydraulic tests help in neglecting those transmissive fractures, but the only means to assess the connectivity between points and the fractures extent consists of conducting cross-hole tests. The resulting geometry is later implemented into a 3D finite element mesh, where the fractures are simulated as 2D elements that are embedded into a 3D porous media that includes the effect of minor fractures. Hydraulic parameters have been obtained from the joint interpretation of cross-hole tests with 3D numerical models, using automatic calibration techniques and adjusting all the measurements simultaneously. This methodology has proved capable of reproducing steady state heads, and also of quantifying groundwater flow to the experimental area of the FEBEX tunnel.Different types of hydraulic tests (pulse, recovery, cross-hole and tunnel inflow measurements) have been performed in low permeability fractured granite around the FEBEX tunnel in Grimsel (Switzerland). We have interpreted the tests using conventional methods that treat the medium as a homogeneous one. Results display scale effects. Hydraulic conductivities increase, by orders of magnitude, with the volume of rock tested (from pulse to cross-hole tests). The objective of our work is to show that this scale effect is apparent. It reflects the limitations of the equivalent hydraulic conductivity derived from the homogeneous model interpretation of the tests.For this purpose, we have used the methodology described in the first paper. In summary, the final model is consistent with all the relevant measurements, taken at different support scales. This provides some insight into the issue of scale effects, which has been a topic of debate in the literature. In essence, the majority of small scale tests are performed in matrix intervals. Thus, any averaging of these values would suggest relatively small effective permeability. Yet large scale permeability of the rock is controlled by a few fractures, which provide high connectivity to the system, but are intersected by few testing intervals. As a result, large scale permeability is qualitatively different and quantitatively larger than small scale permeability.Finally, the proposed methodology is applied to the hydraulic characterization of the "Los Ratones" uranium mine. To verify that the site characterization is satisfactory, a blind-prediction has been carried out with the data recorded during a large-scale pumping test from the mine. The results obtained with this simulation show a good response to the mine pumping, so that both the robustness and reliability of the model are confirmed.

L'adob de pells ovines és un procés llarg i complex, en el que s'utilitza l'aigua com a vehicle per treure les parts no desitjables de la pell i introduir-hi productes químics per transformar-la. El resultat és la generació d'uns efluents residuals contaminants que han de ser tractats.L'estudi va ser plantejat per l'interès que determinades empreses adoberes tenien per reduir la càrrega contaminant dels seus efluents residuals, i reduir els costos del tractament de les seves aigües residuals. L'objectiu general d'aquest treball ha estat el de donar una resposta al sector adober sobre la influència dels diferents banys residuals sobre l'efluent homogeneïtzat, així com avaluar el risc que suposa el seu abocament directe en el medi aquàtic, tot comparant els resultats obtinguts amb les anàlisis ecotoxicològiques, cromatogràfiques i microcoulombimètriques.El projecte per dur a terme l'avaluació dels efluents de l'adob de pells s'ha plantejat agrupant els diferents paràmetres en 3 grups. En primer lloc, per la caracterització fisicoquímica dels banys residuals s'han fet unes proves genèriques físiques i químiques (DQO, pH, MES, AOX i TOC), i unes anàlisis de compostos concrets (clorurs, sulfurs i òxid de crom III). En segon terme s'ha identificat sobre quins nivells tròfics podrien actuar (bacteris, microalgues, peixos i línia establerta de cèl·lules de peix) estimant la concentració/efecte mitjançant assaigs de toxicitat aguda; les espècies utilitzades han estat el bacteri Vibrium fischerii (CE50 15 min), l'espècie de microalga Scenedesmus subspicatus (CI50 72h), el teleosti Brachydanio rerio (CL50 96h) i la línia cel·lular establerta RTG-2 d'Oncorhynchus mykiss (CE50 48h). En darrer lloc, s'han identificat cromatogràficament els compostos orgànics volàtils i semivolàtils.L'estudi realitzat ha permès concloure que els banys residuals de desgreixatge i d'encalcinament són els responsables de més del 50 % de la DQO i del 60 % del TOC. El primer rentat de desulfuració de la llana, l'encalcinament i els remulls aporten quasi el 90 % de les MES. I el 60% del sulfur prové del procés d'encalcinament. La principal font de clorurs la trobem en els banys de remull i de piquelatge. I per a la quantificació dels AOX ha calgut posar a punt, validar i adaptar l'anàlisi microcoulombimètrica dels AOX als banys residuals de l'adob, una tècnica aplicada fins avui dia principalment a aigües potables i depurades. El bany que aporta més AOX és el de greixatge. Els resultats toxicològics demostren que els contaminants orgànics són els que contribueixen en major grau a la toxicitat ambiental aquàtica.. I dels 4 assaigs toxicològics utilitzats l'assaig de bioluminescència (Microtox&#61650;) és l'assaig de toxicitat aguda més sensible pels banys i efluents residuals de l'adobament de pells.Per últim, la identificació dels compostos orgànics volàtils i semivolàtils presents en els banys residuals ha donat com a resultat que els contaminants típics del sector adober siguin els naftalens i especialment la subfamília dels alquils naftalens presents en colorants, tensioactius i adobants. Els compostos fenòlics són una altra família de compostos orgànics que s'ha trobat àmpliament representada en els banys residuals. I a més a més cal destacar la presència de l'isopropanol i toluè en molts dels banys residuals, i també la presència d'algun compost orgànic halogenat com el 4-cloro-3-metilfenol.Per conèixer i reduir l'efecte ecotoxicològic d'un efluent residual industrial tant complex com el de l'adob de pells són tant necessaris els paràmetres fisicoquímics com els toxicològics. La identificació concreta dels compostos contaminants és molt costosa econòmicament parlant, i moltes vegades no dóna un resultat prou aclaridor. Per tant es recomana treballar alhora amb les característiques fisicoquímiques i les toxicològiques per dir si qualsevol canvi en el procés productiu de les pells disminueix o augmenta la càrrega contaminant de l'efluent que es genera.

La Recàrrega Artificial d'aqüífers és una tècnica extremadamente poderosa per optimitzar la gestió dels recursos hídrics. De cara a eliminar actituds escèptiques respecte a la seva aplicabilitat en nombroses situacions, és essencial adquirir més coneixements sobre els conceptes quantitatius més importants. Un tema crític és el de la minimització de la colmatació en dispositius de recàrrega. Atesa la extraòrdinaria importància d'aquest problema, es va efectuar una intensa recerca bibliogràfica que permetés determinar els processos bàsics que tenen lloc en la colmatació de plantes de recàrrega. Això, juntament amb la informació de tipus tecnológic subministrada per gestors de plantes de recàrrega, ha permès proposar un model matemàtic conceptual que integra els processos principals: retenció de partícules en suspensió portades per l'aigua de recàrrega, precipitació de minerals, creixement bacterià, generació de gas y compactació. Amb l'ajuda dels codis ja existents, l'esmentat model fou posteriorment incorporat a un programa d'elements finits tridimensionals que és capaç de tractar els cinc processos citats. El programa ha estat aplicat a tres casos de laboratori i a un experiment de camp amb el fi d'establir la validesa del marc conceptual adoptat.Aquesta tesi descriu els aspectes principals del model, els seus fonaments teòrics, la implementació numèrica i l'aplicació als exemples citats. La varietat de condicions simulades i els resultats aconseguits confirmen que el programa pot reproduir de forma satisfactòria una ampli ventall de problemes de colmatació, entre les quals s'inclouen sistemes superficials (bassas) i profunds (pous), flux radial i vertical, transport reactiu multicomponent, i d'altres. Això demostra la utilitat del programa per integrar dades de naturalesa completament diferente. A pesar de les limitacions inherents a tota formulació matemàtica, la modelació integrada proporciona estimacions quantitatives del potencial colmatant. Consegüentment, pot ser considerada com a una eina bàsica per al disseny i gestió de plantes de recàrrega i, eventualment, amb un fi predictiu. / La Recarga Artificial de acuíferos es una técnica extremadamente poderosa para optimizar la gestión de los recursos hídricos. De cara a eliminar actitudes escépticas respecto a su aplicabilidad en numerosas situaciones, es esencial adquirir más conocimientos sobre los conceptos cuantitativos más importantes. Un tema crítico es el de la minimización de la colmatación en dispositivos de recarga. Dada la extraordinaria importancia de este problema, se efectuó una intensa búsqueda bibliográfica que permitiera determinar los procesos básicos que tienen lugar en la colmatación de plantas de recarga. Esto, junto con la información de tipo tecnológico suministrada por gestores de plantas de recarga, ha permitido proponer un modelo matemático conceptual que integra los procesos principales: retención de partículas en suspensión en el agua de recarga, precipitación de minerales, crecimiento bacteriano, generación de gas y compactación. Con la ayuda de códigos ya existentes, dicho modelo fue posteriormente incorporado en un programa de elementos finitos tridimensional que es capaz de tratar los cinco procesos citados. El programa ha sido aplicado a tres casos de laboratorio y a un experimento de campo con el fin de establecer la validez del marco conceptual adoptado.Esta tesis describe los aspectos principales del modelo, sus fundamentos teóricos, la implementación numérica y la aplicación a los ejemplos citados. La variedad de condiciones simuladas y los resultados logrados confirman que el programa puede reproducir de forma satisfactoria una amplia gama de problemas de colmatación, entre las que se incluyen sistemas superficiales (balsas) y profundos (pozos), flujo radial y vertical, transporte reactivo multicomponente, y otros. Esto demuestra la utilidad del programa para integrar datos de naturaleza completamente diferente. A pesar de las limitaciones inherentes a toda formulación matemática, la modelación integrada proporciona estimaciones cuantitativas del potencial colmatante. Por consiguiente, puede ser considerada como una herramienta básica de cara al diseño y gestión de plantas de recarga y, eventualmente, de cara a la predicción. / Artificial Recharge of groundwater is an extremely powerful technique to optimise the management of water resources. In order to eliminate sceptical misconceptions concerning its applicability to numerous situations, it is essential to gain insight into the fundamental quantitative concepts. A critical point is the minimisation of clogging of the recharge device. Given the extraordinary importance of this problem, an intensive bibliographic research was conducted to determine the basic processes underlying the clogging of recharge plants. This, in combination with technological information supplied by Artificial Recharge operators, allowed to propose a conceptual mathematical model that could integrate the main processes. Attachment of suspended solids carried by recharge water, mineral precipitation, bacterial growth, gas binding and compaction of the upper soil layer were found to be determinant in clogging development. Based on existing investigation codes, such model was implemented into a three-dimensional finite element code that is able to cope with the referred mechanisms. The code was applied to three laboratory cases and to one field experiment in order to assess the validity of the adopted framework.This thesis includes the main concepts of the model, its theoretical background, numerical implementation and the application to the referred cases. The variety of simulated conditions and the results achieved with the model confirm that the code can reproduce successfully a wide range of clogging problems, including surface (basins) and deep (wells) systems, vertical and radial flow, multiphase transport and other options. This demonstrates the usefulness of the code to integrate data which are completely different in nature. In spite of the limitations inherent to all mathematical formulations, integrated modelling provides quantitative estimates of the clogging potential. Consequently, can be considered as a basic tool for design and management of recharge plants, and, eventually, for predictive purposes.