La industrialización de los sistemas rurales y la integración en los mercados internacionales son estrategias de desarrollo rural comúnmente propuestas en países del Sur. El modelo tecnificado de la agricultura ha provocado cambios en el uso de la tierra y en la actividad humana que pueden generar severos impactos negativos (socio-culturales, ecológicos, biofísicos) asociados a la desnutrición, la migración, la pobreza, la falta de alimentos, entre otros. Por otro lado, también induce cambios en los flujos monetarios y en el uso de energía, tales como maquinaria, petróleo, fertilizantes y semillas genéticamente modificadas, que tienen como resultado impactos negativos sociales y ambientales. En este sentido investigar temas de la seguridad alimentaria y la sostenibilidad de la agricultura son fundamentales, por ejemplo centrarse en la restricción que el uso de la tierra, suelo, agua y otros recursos naturales conlleva a la posibilidad de generar un suministro adecuado de alimentos. Por lo tanto, es importante visualizar el panorama de las tendencias actuales del progreso técnico en la agricultura a nivel mundial, con el fin de ser capaz de contextualizar la discusión de las técnicas alternativas de la producción agrícola y el desarrollo rural. La complejidad de la crisis del sector agrícola tanto en países desarrollados como en desarrollo es la inspiración de esta tesis, así mismo se profundiza en el conocimiento de las problemáticas ambientales y socio-económicas implicadas. Esta tesis considera tanto un análisis empírico como trabajo de campo a través de la integración de diferentes marcos teóricos y metodologías como son: el análisis de usos del tiempo - suelo (Land Time Budget Analysis - LTBA), aplicación de tipologías en el contexto del metabolismo social, Análisis Multiescalar del Metabolismo Social y Ecologico (MuSIASEM). Esta integración de marcos téóricos y metodológicos a diferentes niveles permite entender los desencadenantes biofísicos de conflictos agrícolas. El estudio se completa con un análisis de los procesos de toma de desiciones en las zonas de estudio. / The industrialization of rural systems and integration into international markets are commonly proposed as rural development strategies in the South. Technologized agriculture has driven changes in land use and human activity. These changes generate severe negative impacts (socio-cultural, ecological, and biophysical) associated with malnutrition, migration, poverty, and lack of food among others. In addition, it also induces changes in monetary flows and energy inputs, such as machinery, oil products, fertilizers and genetically modified seeds, which result also in negative social and environmental impacts. In this sense, and in order to address concepts such as food security and sustainable agriculture, it is essential to focus on the restrictions that the requirement of land, soil, water and other natural resources impose on the possibility of generating an adequate food supply. Therefore, it is important to visualize the trends of technical progress in agriculture at a global level in order to be able to contextualize the discussion of alternative techniques in agricultural production and rural development. The inspiration of this thesis is the complexity of the crisis in the agricultural sector in developed and developing countries while its principal purpose is to contribute in the understanding of environmental and socio-economic issues involved in agricultural changes. The research considers both empirical analysis and field work through the integration of different theoretical frameworks and methodologies such as the analysis of time and land use (Land Time Budget Analysis - LTBA), characterization of typologies in the context of societal metabolism, and multi-scale analysis. The Multi-Scale Integrated Analysis of Societal and Ecosystem Metabolism (MuSIASEM) framework is applied from a local scale, through a community to a regional one. This allows grasping the biophysical drivers that induce conflict in the study areas. Finally, the research is completed with an analysis of the decision making processes found in the study cases.

Ésta tesis tiene como objetivo evaluar el consumo de recursos del sector de la construcción, los residuos y las emisiones generadas por el sector. Ésto está motivado por el hecho de que el sector de la construcción es responsable de una gran cantidad de consumo de recursos y representa casi el 9% el valor bruto añadido al producto interno bruto del mundo. La evaluación considera la perspectiva del ciclo de vida, desde la extracción de materias primas, a través de la construcción y fabricación de productos, materiales de transporte, la construcción, la generación de residuos de demolición, el transporte de residuos, el tratamiento y disposición final. El objetivo es identificar las oportunidades y mejorar los criterios de selección de materiales, el procesado, la reutilización y el reciclado para el uso sostenible de los recursos. Debido a la complejidad de los sistemas de edificios e infraestructuras, compuestas de muchos componentes que interactúan, siempre es difícil llevar a cabo una contabilidad de los recursos precisos dentro de éste sector. En esta perspectiva, el concepto de análisis de flujo de materiales y la evaluación del ciclo de vida (ACV), y el análisis de exergía se tratan como herramientas de contabilidad de recursos y se centra en sus aplicaciones en el sector de la construcción. Además del análisis sectorial, ésta tesis, también analiza la eficiencia de los procesos de fabricación y el ciclo de vida completo de los productos con base a exergía. Todos los procesos y los productos seleccionados son relevantes para el sector de la construcción, y éste análisis tiene como objetivo proporcionar conocimientos de despersonalización en el uso de materiales del sector. En el capítulo 1, se expone el marco teórico en que los análisis de flujo de exergía y los materiales se utilizan en la evaluación del metabolismo de los recursos del sector de la construcción, que destacan la importancia de éste sector en términos de flujos de recursos y la generación de residuos y emisiones. Éste capítulo, también introduce la eficiencia exérgica y herramientas de evaluación del ciclo de vida exergéticos, que explica las limitaciones del análisis de la energía y el ACV, y cómo la aplicación de éstos métodos a base de exergía puede ofrecer mejores perspectivas sobre la eficiencia del uso de los recursos en los procesos de fabricación en toda la vida de los productos, respectivamente. La Ecología Industrial, se presenta al introducir el enfoque basado en los sistemas y el marco termodinámico en el que el sector de la construcción se analiza en este estudio. El capítulo 2, presenta los resultados de los análisis de flujo de materiales y exergía del sector de la construcción catalana en el año 2001. En ese momento, Cataluña tenía un adicional de 52 millones de toneladas de existencias de materiales para el sector y generaba 7 millones de toneladas de residuos de construcción y demolición, de los cuales sólo el 6,5% son recicladas o regeneradas. El estudio muestra que la fase de fabricación consume la mayor parte de los recursos de energía durante el ciclo de vida del conjunto de los productos, seguidos de transporte de materiales, que representa el 57% y el 4% del consumo de exergía, respectivamente. Se señala que la mejora en la selección de materiales, tecnologías de fabricación y diseño para el desmontaje, conduce a la sostenibilidad del sector, para conseguir una mejora de la eficiencia del uso de recursos. En el capítulo 3, se menciona el rendimiento exergético de los procesos de producción, tanto en el proceso de producción primaria como secundaria (reciclaje), de los materiales de construcción que se calcula, con el fin de evaluar la calidad de los materiales, las pérdidas de exergía, y el potencial de mejora de procesos. Ésto sirve para cuantificar el potencial de mejora de los procesos de fabricación actuales que abordan las deficiencias de fabricación de los nueve principales materiales de construcción no renovables: aluminio, acero, cobre, cemento, hormigón, cerámica, vidrio, polipropileno y cloruro de polivinilo. La Eficiencia Exergía basada en la segunda ley de la termodinámica es determinada con el fin de comparar la eficiencia exergía teórica y la eficiencia exergía del proceso real. La gran diferencia entre los requisitos teóricos y empíricos de exergía en los procesos de fabricación sugiere que las oportunidades para una mejor utilización de exergía industrial todavía existen, pero requieren un diseño y mejoras en la tecnología. Los resultados demuestran que los recursos se utilizan de manera más eficiente en los procesos de reciclaje, en comparación con los procesos de fabricación primaria. En esta tesis se presenta una teoría (capítulo 4) para determinar como de eficientemente se utilizan los recursos en las aplicaciones de la construcción, utilizando la metodología de análisis del ciclo de vida exergético desde un enfoque universal. Esto incluye la extracción de materias primas, la fabricación de resina y de gestión de las etapas del ciclo de vida de los residuos al final de su vida. La irreversibilidad durante el ciclo de vida completo permite evaluar el grado de perfección termodinámica de los procesos de producción y llevar a cabo la evaluación de la cadena de producción entera. Ciclo de vida global de la eficiencia exérgica de polipropileno y cloruro de polivinilo se cuantifica en 27,1% y 9,3%, respectivamente, que se caracteriza por una baja eficiencia en la fabricación y los procesos de reciclaje para ambos materiales. Desde el punto de vista de la conservación de recursos, el reciclado mecánico se ha sugerido como la opción viable para la gestión de residuos de plástico al final de su vida, ya que los materiales de bucles vuelven a su ciclo de vida original y reduce las aportaciones de recursos primarios en la producción. / This thesis aims to assess the resource consumption of the construction sector, and the wastes and emissions generated by the sector. This is motivated by the fact that the construction sector is responsible for large amounts of resource consumption and represents nearly 9% gross value added to the world’s gross domestic product. The assessment considers the life cycle perspective from raw material extraction, through construction product manufacturing, material transport, construction and demolition waste generation, to waste transport, treatment, and final disposal. The aim is to pinpoint the opportunities for improved material selection criteria, processing, reuse, and recycling for sustainable resource use. Due to the system complexity of buildings and infrastructure, composed of many interacting components, it is always challenging to undertake an accurate resource accounting within this sector. In this perspective, the concepts of material flow analysis (MFA), life cycle assessment (LCA), and exergy analysis (ExA) are discussed as resource accounting tools focusing on their applications in the construction sector. Apart from sectoral analysis, this thesis also analyzes the efficiency of manufacturing processes and products’ complete life cycle based on exergy. All the processes and products selected are relevant for the construction sector, and this analysis aims to provide deper insights into sectoral material use. Chapter 1 details the theoretical framework under which exergy and material flow analyses are used in assessing the resource metabolism of the construction sector highlighting the importance of this sector in terms of resource flows, and generation of waste and emissions. This chapter also introduces the exergy efficiency and exergetic life cycle assessment (ELCA) tools, explaining the limitations of energy analysis and LCA, and how the application of these exergy-based methods can provide better insights into resource use efficiency in manufacturing processes and throughout the products’ life, respectively. Industrial ecology (IE) is presented to introduce the systems-based approach and thermodynamic framework on which of the construction sector is analyzed in this study. Chapter 2 presents the results of material and exergy flow analyses of the Catalan construction sector for the year 2001. In 2001, Catalonia had an additional 52 million tonnes of material stock to the sector and generated 7 million tonnes of construction and demolition waste (CDW) of which only 6.5% were recycled or reclaimed. The study shows that manufacturing stage consumes the largest fraction of energy resources during the products’ whole lifecycle followed by material transport, accounting for 57% and 4% of exergy use, respectively. It is pointed out that improvement in material selection, manufacturing technologies, and design for disassembly lead to sustainability of the sector delivering improved resource use efficiency. In chapter 3, the exergetic efficiency of the production processes, both primary and secondary (recycling) production process, of construction materials is calculated in order to assess material quality, exergy losses, and process improvement potentials. This serves to quantify the improvement potentials for present manufacturing processes addressing the manufacturing inefficiencies of nine major non-renewable construction materials: aluminum, steel, copper, cement, concrete, ceramic, glass, polypropylene (PP), and polyvinyl chloride (PVC). Exergy efficiency based on the second law of thermodynamics is determined in order to compare the theoretical exergy efficiency and the real-process exergy efficiency. The large difference between theoretical and empirical exergy requirements in manufacturing processes suggests that opportunities for better industrial exergy utilization still exist but require design and/or technology improvements. The results demonstrate that resources are utilized more efficiently in recycling processes compared to primary manufacturing processes. This thesis has presented an effort (chapter 4) to pinpoint how efficiently resources are used in the construction applications, using exergetic life cycle assessment methodology in a cradle-to-grave life cycle approach. This included raw material extraction, resin manufacturing, and end-of-life waste management life-cycle stages. The irreversibility during the complete life cycle allows to evaluate the degree of thermodynamic perfection of the production processes and to conduct the assessment of the whole process chain. Overall life cycle exergy efficiency of PP and PVC is quantified 27.1% and 9.3%, respectively, characterized by a low efficiency of manufacturing and recycling processes for both materials. From resource conservation point of view, mechanical recycling has been suggested as the viable option for end-of-life plastic waste management, since it loops materials back directly into new life cycle and reduces primary resource inputs in the production.

La sostenibilidad es el gran reto de nuestra época y el único camino que asegura la supervivencia de la humanidad. Lamentablemente, este camino todavía no se ha emprendido con la determinación que requiere la gravedad de los problemas que amenazan las bases físicas de nuestra civilización. Las Agendas 21 son un instrumento de planificación para el desarrollo sostenible que cuentan con más de 15 años de historia. Teóricamente, como instrumento son muy poderosas porque se basan en la participación de los actores y en el máximo consenso social, pero prácticamente en su mayoría quedan como documentos vacíos de poder que no influyen en las decisiones y las políticas importantes. El objetivo de esta tesis es, a través del análisis de la Agenda Local 21 de la Comarca del Bages (Cataluña) y de la del Ayuntamiento de Calvià (Mallorca), señalar estos problemas de las AL21 y, a pesar de estos, demostrar su utilidad como instrumento de planificación, especialmente en casos como Kalamata, una típica ciudad griega que se enfrenta a varios retos y problemas. / Sustainability is the great challenge of our time and the only way that ensures the survival of humanity. Unfortunately this route has not yet been undertaken with the firmness required by the serious problems that threaten the physical basis of our civilization. Agenda 21 is a planning instrument for sustainable development with more than 15 years of history. In theory, as an instrument they are powerful because they are based on the participation of all the stakeholders and on the maximum social consensus but in practice the majority of them end up being empty documents unable to influence important decisions and policies. The aim of this thesis is, through the analysis of the Local Agenda 21 of the region (Comarca) of Bages (Catalonia) and the one of the Municipality of Calvià (Majorca), to point out these problems of the LA21 and, despite them, demonstrate its usefulness as a planning instrument, especially in cases such as Kalamata, a typical Greek city that is facing several challenges and problems.

En el presente trabajo se han diseñado, sintetizado y caracterizado catalizadores heterogéneos. Se ha estudiado la actividad y selectividad, de estos materiales, en el tratamiento de compuestos que comportan problemas medioambientales. Para la preparación de los catalizadores se han utilizado diferentes técnicas tales como impregnación, proceso redox y combustión. A su vez, se han sintetizado nanopartículas metálicas, depositándolas en diferentes materiales y testado su actividad catalítica. La actividad de estos catalizadores se ha comparado con catalizadores comunes en diferentes procesos. Por otro lado, se han utilizado diferentes materiales, alumina, carbón activo, ceria e hidrotalcitas, con el propósito de estudiar el efecto del soporte.La contaminación por nitratos en las aguas subterráneas es un problema importante en determinadas regiones. Esta problemática ha impulsado el estudio de la eliminación catalítica de los nitratos, en la que se enfoca la primera parte de la tesis. Este estudio se realizó en un reactor en continuo de lecho fijo. Se sintetizaron, caracterizaron y ensayaron, varios catalizadores monometálicos, bimetálicos y de nanopartículas soportadas. Una vez determinada la actividad y la estabilidad de los catalizadores se procedió a optimizar los materiales con el fin de mejorar la selectividad de éstos hacia nitrógeno. El presente trabajo ha sido el punto de partida para la puesta en marcha de una planta piloto para el tratamiento de aguas subterráneas reales contaminadas con nitratos. Próximamente será inaugurada una planta de eliminación catalítica de nitratos de aguas subterráneas con capacidad 500m3/día en las proximidades de El Morell (Tarragona).La segunda parte de la tesis se enfoca en el proceso de hidrodecloración catalítica de compuestos orgánicos clorados como el tricloroetileno. Los experimentos se llevaron a cabo en fase gas utilizando diferentes tipos de catalizadores, los cuales fueron sintetizados y caracterizados. Se emplearon diferentes catalizadores, mono y bimetálicos, para la transformación del tricloroetileno a un producto de valor añadido, como es el etileno.El presente trabajo, además de aportar conocimientos fundamentales en la catálisis heterogénea, contribuye a forjar soluciones a problemas medioambientales reales que afectan a la salud humana. / In the present study have been designed, synthesised and characterised heterogeneous catalysts. Their activities and selectivity have been studied in the treatment of compounds that present environmental problems. For the catalysts preparation different protocols such as incipient-wetness impregnation, co-impregnation, redox and combustion have been followed. In addition, metal nanoparticles were synthesized and deposited on several materials as well as tested their catalytic behaviour. The activity and the selectivity of nanoparticle catalysts with that of other catalysts in different processes were compared. On the other hand, different materials such as alumina, active carbon, ceria and hydrotalcites were used to study the role of them as catalyst supports.In the light of the current demand for drinking water, the first part of this thesis studies the catalytic hydrogenation of nitrates. The study is carried out in a fixed bed continuous reactor. Several bimetallic, monometallic and supported nanoparticle catalysts have been synthesised, characterized and tested in order to improve their activity and stability and to optimise their selectivity to nitrogen. The present study was further extended and some of the catalysts have been used as a starting point for a Pilot Plant investigation into eliminating nitrate in real ground water. At this moment, a plant is being constructed in the vicinity of El Morell, Tarragona, which can use catalysis to reduce nitrates in 500 m3/day of groundwater.The second part of the thesis deals with the catalytic hydrodechlorination of chlorinated organic compounds such as TCE. The experiments were done in gas phase. Different types of catalysts have been synthesised, characterized and tested and the final objective is to obtain an active and stable catalyst that is selective toward valuable products such as ethylene. This research aims to use catalytic technologies to contribute to solving real environmental problems that affect human life.

Soil and freshwater are two absolutely essential resources for ecosystems and humanity. Agriculture depends very much on these resources, and so, without their correct management, farmland practices can trigger many adverse impacts on the environment and jeopardise the availability of soil and water for future agricultural activities. Agricultural lands represent only 12% of the world’s land area. However, roughly 70% of water withdrawals from nature are for irrigated agriculture and 30-40% of the agricultural land is affected by soil degradation. Desertification, irreversible soil degradation, is one of the main problems for sustainability in drylands, areas that cover 40% of the earth’s surface. For these reasons, the environmental impacts of the use of water and land by agricultural activities should be measured. Life cycle assessment (LCA) is a method to construct the environmental profile of production systems. It was initially developed for industrial production, but a considerable amount of research has been undertaken in recent years to adapt LCA to agricultural systems as well. Conventional LCA methodology does not determine the environmental impacts of water and land use, which is a very significant shortcoming when evaluating the environmental performance of agricultural systems. Furthermore, contrary to other global environmental impact categories such as global warming, the environmental impacts of water and land use vary in every location of the globe, depending on the spatio-temporal conditions of the location, requiring therefore an extension of current LCA methodology. This thesis focuses on the development of the LCA methodology to incorporate the environmental impacts arising from the use of water and land. The spatio-temporal variability of these resources is taken into account in the proposed methods using the complementary tool of geographic information systems (GIS). For water use, two screening frameworks are built to capture the impacts of soil-water consumption by plants, when, until now, efforts have been directed towards evaluating the environmental impacts of irrigation water consumption. For land use, a multi-indicator approach for a new impact category, desertification, until now never modelled in the LCA context, is provided, as well as a methodology for including soil erosion impacts, in which the soil loss has been related to the loss of organic carbon, as a measure of the soil quality, and finally, to the loss of biomass productivity of ecosystems. The methods developed deal with the life cycle inventory (LCI) and the life cycle impact assessment (LCIA) phases. In addition, to verify the applicability of the developed location-dependent methods and characterisation factors, these are applied to agricultural crop rotations with energy crops growing in Spain, with the aim of quantifying the side effects of producing bioenergy on the disputed water and land resources in the country. The outcomes indicate that there is no best solution of a single crop rotation grown in a specific location capable of minimising water and land use environmental impacts simultaneously. This is because, firstly, rainfed crop rotations exhibit higher land use related impacts but, in contrast, they are not irrigated. And secondly, locations with more surface, ground and soil water reserves are subjected to more intensive and erosive rainfalls, thus, to higher land use damages. Among other important follow-up lines of research, future work should focus on the study of suitable functional units for agricultural LCA, calculate the uncertainties of the developed methods as well as try to identify a feasible and relevant geographical scale at which to address the spatial differentiation of the characterisation factors for water and land use impacts, and in general, for any location-dependent impact category. / Suelo y agua dulce son dos recursos imprescindibles para los ecosistemas y la humanidad. La agricultura depende de la disponibilidad de estos recursos, que por tanto, debe gestionar correctamente. En caso contrario, las prácticas agrícolas pueden provocar impactos adversos en el medio ambiente y poner en peligro la disponibilidad de suelo y agua para futuras actividades agrícolas. Los suelos agrícolas representan sólo el 12% de la superficie terrestre mundial. Sin embargo, aproximadamente el 70% de las extracciones de agua de la naturaleza se utilizan en la agricultura de irrigación y el 30-40% de los suelos destinados a la agricultura están degradados. La desertificación, entendida como la degradación irreversible del suelo, es uno de los mayores problemas para la sostenibilidad de las tierras áridas, áreas que cubren el 40% de la superficie terrestre. Por estos motivos, deben evaluarse los impactos ambientales debidos al uso del suelo y del agua en la agricultura. El análisis de ciclo de vida (ACV) es un método para evaluar el perfil ambiental de sistemas productivos. El ACV se desarrolló inicialmente para estudiar la producción industrial, pero en los últimos años la investigación se ha dirigido a la adaptación del método para poder aplicarlo también en los sistemas agrícolas. La metodología convencional de ACV no determina los impactos ambientales debidos al uso del suelo y del agua, siendo ésta una importante deficiencia para evaluar el perfil ambiental de los sistemas agrícolas. Además, al contrario de otras categorías de impacto ambiental global, como el calentamiento global, los impactos ambientales derivados del uso del suelo y del agua son distintos en cada lugar del planeta, en función de las condiciones espacio-temporales del sitio. Por tanto, es necesario extender la metodología actual de ACV. Esta tesis se centra en el desarrollo de la metodología de ACV para incorporar los impactos ambientales resultantes del uso del suelo y del agua. La variabilidad espacio-temporal de estos recursos se tiene en cuenta en los métodos propuestos utilizando la herramienta complementaria de los sistemas de información geográfica (SIG). Para el uso del agua, se presentan dos métodos de aproximación para medir los impactos debidos al consumo de agua de las reservas del suelo, cuando, hasta la fecha, los estudios han intentado evaluar los impactos ambientales debidos al consumo de agua para la irrigación. Para el uso del suelo, se propone una aproximación multi-indicador para modelar el impacto de la desertificación, una categoría nunca antes incluida en ACV, así como una metodología para incluir los impactos de la erosión del suelo, donde la pérdida de suelo se relaciona con la pérdida de carbono orgánico, como medida de la calidad del suelo, y finalmente, con la disminución de producción de biomasa de los ecosistemas. Los métodos desarrollados comprenden las fases de inventario de ciclo de vida (ICV) y de evaluación de impacto de ciclo de vida (EICV). Además, para comprobar la aplicabilidad de los métodos regionalizados de ACV y de los factores de caracterización desarrollados, estos se aplican en rotaciones de cultivos con cultivos energéticos en España, con el objetivo de cuantificar los efectos colaterales de producir bioenergía sobre los recursos suelo y agua, muy disputados en el país. Los resultados revelan que no hay una solución idónea, con una rotación de cultivos sembrados en una zona específica del país, que sea capaz de reducir, simultáneamente, los impactos ambientales debidos al uso de suelo y agua. Esto se debe, en primer lugar, a que los cultivos de secano muestran mayores impactos relacionados con el uso del suelo, pero, al contrario, no utilizan agua de irrigación. Y en segundo lugar, a que las zonas con más reservas de agua en superficie, acuíferos y suelos están también sometidas a lluvias más intensas y erosivas, y en consecuencia, a un mayor deterioro del suelo. Entre otras importantes líneas de investigación a seguir, próximos trabajos deben centrarse en el estudio de unidades funcionales adecuadas para el ACV de sistemas agrícolas, el cálculo de las incertidumbres de los métodos desarrollados en la tesis, así como en la identificación de una escala geográfica significativa y de aplicación factible que aborde la diferenciación espacial de los factores de caracterización para los impactos del uso del suelo y del agua, y, en general, para cualquier categoría de impacto ambiental regional.

La presente investigación pretende dar una respuesta al problema de la equidad intergeneracional estudiando las limitaciones del análisis convencional, proponiendo una alternativa y contrastando la necesidad de incorporar el requisito de sostenibilidad.Con este objetivo, en primer lugar se analiza la postura convencional y las alternativas. Se elabora una propuesta alternativa y se estudia el entramado institucional necesario para garantizar la sostenibilidad.A continuación se estudia la ponderación intergeneracional que se deriva de las preferencias de los individuos, así como las condiciones de optimalidad de las inversiones intergeneracionales.Se hace un análisis de los modelos empleados en el cambio climático, quizás el principal problema intergeneracional, y se orienta un análisis coherente con el desarrollo sostenible.Finalmente, se analiza la relación entre crecimiento económico y presión ambiental para el caso español, lo que permite contrastar la necesidad de implantar el requisito de sostenibilidad y políticas ambientales adecuadas. / This research deals with the problem of intergenerational equity. It studies the shortcomings of conventional analysis, proposes an alternative and contrasts the need to incorporate the sustainability requirement.With this object, it first analyses the conventional approach and the alternatives. It constructs an alternative and studies the institutional framework needed for ensuring sustainability.Next, it studies the intergenerational weighting derived from individual preferences, as well as the optimality conditions of intergenerational investments.The research analyses the models used for climate change, the main intergenerational problem, and give the guidelines for an analysis coherent with sustainable development.Finally, the relationship between economic growth and environmental pressure is analyzed for the Spanish case. This allows the research to contrast the necessity of implementing the sustainability requirement and appropriate environmental policies.

El presente trabajo que lleva por título ¿Mercados de servicios ambientales? Análisis de tres experiencias Centroamericanas, se basa en información recabada en Puerto Barrios, en Guatemala, Jesús de Otoro en Honduras y San Pedro del Norte en Nicaragua. Los datos presentados en esta investigación fueron recabados como parte del proyecto "Eco-mercados: estableciendo relaciones entre el marco institucional y el funcionamiento de los mercados ambientales" del Instituto de Ciencia y Tecnología Ambiental (ICTA) de la Universidad Autónoma de Barcelona. Para la realización del presente documento se obtuvo información adicional y se profundizó el análisis de los datos, lo que permitió ir más allá de lo establecido en dicho proyecto. El equipo de trabajo del proyecto estaba integrado por cinco miembros, fue liderado por los Doctores Joan Martínez-Alier y Roldán Muradian y financiado por la Fundación BBVA (Banco Bilbao Vizcaya Argentaria). El estudio tuvo una duración de veinte meses, con fase de recolección de información en campo de ocho meses. El posterior análisis de la información para presentarlo en este documento tuvo una duración de dos años, tiempo durante el cual se contó con la dirección de los Doctores Emilio Padilla Rosa y Joan Martínez-Alier. El objetivo general planteado en esta investigación consiste en hacer un análisis comparativo de caso que permita entender el surgimiento de los esquemas de Pago por Servicios Ambientales (PSA), su funcionamiento, principales logros, problemas y limitaciones. Así como establecer si funcionan dentro de un mercado en el que se cumple con los principios económicos de eficiencia, eficacia y equidad. / This study analyses three experiences in Central America. It is based on information gathered from Puerto Barrios, Guatemala, Jesús de Otoro in Honduras, and San Pedro del Norte in Nicaragua. The information presented in this research was collected as a part of the project "Ecomercados" of the Institute of Science and Environmental Technology (ICTA) from the Autonomous University of Barcelona. For this document additional information was gathered, and the data was analyzed in depth, which allowed going beyond the original objectives of this project. The Project team was integrated by five members, and leaded by professors Joan Martínez-Alier and Roldán Muradian. The work was sponsored by the Foundation BBVA (Banco Bilbao Vizcaya Argentaria). The study was developed in twenty months. The field research lasted eight months, and the analysis required to present it in this document lasted two years. During this time, Emilio Padilla Rosa and Joan Martínez-Alier have provided advisory support. The overall objective was to analyze study cases to understand the origins of Payment for Environmental Services (PES) schemes, the way it works, its main achievements, problems and limitations. In order to establish if they work under market conditions, accomplishing the principles of efficiency, efficacy and equity.

En aquest treball es proposa un procés biotecnològic respectuós del medi ambient per reduir l'impacte negatiu de l'augment dels residus industrials, a causa de l'acceleració del creixement de la població mundial en les últimes dècades. Consisteix en la valorització de residus locals riques en nitrogen, com la fibra de soja, els residus de pel i closca de cafè, per fermentació en estat sòlid (SSF) per obtenir un catalitzador biològic, com ara proteases. Es van dur a terme experiments de SSF en 0,5, 4,5, 10 i 55 L reactors en condicions adiabàtiques al llarg dels 1, 2 i 3 setmanes. Es va proporcionar ventilació contínua per assegurar la prevalença de condicions aeròbiques i l'activitat biològica es va mesurar mitjançant el control de la concentració d'oxigen durant l'assaig. Es van produir proteases alcalines com a conseqüència de la degradació d'aquests materials, abans considerats residus, pels microorganismes desenvolupats. No va ser necessari esterilitzar els materials ni la inoculació de microorganismes purs per al desenvolupament del procés. No obstant això, una inoculació específic amb Bacillus thuringiensis es va avaluar també per millorar la producció de proteasa. D'altra banda, el material orgànic final obtingut en el procés presentar un grau d'estabilitat similar a la de compost i podria ser utilitzat com una esmena del sòl. En conseqüència, dirigint-se a la SSF en aquestes condicions, l'escalat del procés es presenta com una tasca fàcil amb resultats prometedors. La major activitat de les proteases alcalines en extractes crus es va determinar a 3, 7 o 14 dies del procés d'acord amb la naturalesa dels recursos assajats. També es va dur a terme una caracterització bioquímica parcial dels extractes crus. L'aplicació potencial de les proteases extretes s'ha estudiat amb èxit en depilat de pells de vaca, el que representa un avantatge significatiu sobre el procés químic. A més, un estudi preliminar sobre la síntesi cinèticament controlat de oligopèptids s'ha realitzat en una estada de recerca en un laboratori a l'estranger als Estats Units. A més, les emissions gasoses, així com l'energia consumida al llarg del procés es van avaluar per estimar la sostenibilitat econòmica i mediambiental del procés. Aquesta tesi representa el començament d'una nova línia de recerca en el Grup de Recerca de Compostatge al Deparment d'Enginyeria Química de la Universitat Autònoma de Barcelona sobre l'ús de SSF amb materials orgànics utilitzats com una eina adequada per valoritzar-los i generar nous productes com enzims d'alt valor afegit. / En este Trabajo se propone un proceso biotecnológico respetuoso con el medio ambiente para reducir el impacto negativo del aumento de los residuos industriales, debido a la aceleración del crecimiento de la población mundial en las últimas décadas. Consiste en la valorización de residuos locales ricos en nitrógeno, como la fibra de soja, residuos de pelo y cáscara de café, por fermentación en estado sólido (SSF) para obtener catalizadores biológicos, tales como proteasas. Se llevaron a cabo experimentos de SSF en 0,5, 4,5, 10 y 55 L en reactores en condiciones adiabáticas a lo largo 1, 2 y 3 semanas. Se proporcionó aireación continua para asegurar la prevalencia de condiciones aeróbicas y la actividad biológica se midió mediante el control de la concentración de oxígeno durante el ensayo. Como consecuencia de la degradación de estos materiales, antes considerados residuos, por los microrganismos desarrollados se produjeron proteasas alcalinas. No fue necesario esterilizar los materiales como tampoco la inoculación de microorganismos puros para el desarrollo del proceso. Sin embargo, se evaluó también la inoculación con Bacillus thuringiensis para mejorar la producción de proteasas. Por otra parte, el material orgánico final obtenido en el proceso presentó un grado de estabilidad similar a la de compost pudiendo ser utilizado como una enmienda del suelo. En consecuencia, llevando a cabo la SSF en estas condiciones, el escalado del proceso se presenta como una tarea fácil con resultados prometedores. La mayor actividad de las proteasas alcalinas en extractos crudos se determinó a 3, 7 o 14 días del proceso de acuerdo con la naturaleza de los residuos usados. También se llevó a cabo una caracterización bioquímica parcial de los extractos crudos. La aplicación potencial de las proteasas extraídas se ha estudiado con éxito en el depilado de pieles de vaca, lo que representa una ventaja significativa sobre el proceso químico. Además, un estudio preliminar sobre la síntesis controlada cinéticamente de oligopéptidos se ha realizado en una estancia de investigación en un laboratorio en los Estados Unidos (Rensselaer Polytechnic Institute). Por otro lado, se evaluaron las emisiones gaseosas así como la energía consumida a lo largo del proceso para estimar la sostenibilidad económica y medioambiental del proceso. Esta tesis representa el comienzo de una nueva línea de investigación en el Grupo de Investigación de Compostaje en el Deparment de Ingeniería Química de la Universitat Autònoma de Barcelona sobre el uso de SSF con materiales orgánicos como una herramienta adecuada para valorizarlos asi como también se generan nuevos productos como enzimas de alto valor. / An environmental-friendly biotechnological process is proposed in this work to reduce the negative impact of the increasing industrial residues due to the faster growth of the world population in the last decades. It consists on the valorization of nitrogen-rich local residues, such as soy fiber, hair waste and coffee husk, by solid-state fermentation (SSF) to obtain a biological catalyst such as proteases. SSF experiments were undertaken in 0.5, 4.5, 10 and 55 L near-toadiabatic reactors along 1, 2 and 3 weeks. Continuous aeration was provided to ensure the prevalence of aerobic conditions and the biological activity was measured by monitoring the oxygen concentration during the assay. Alkaline proteases were produced as a consequence of the degradation of these materials, formerly considered residues, by the microorganisms developed. It was no necessary to sterilize the materials and no inoculation of pure microorganisms was needed for the development of the process. However, a specific inoculation with Bacillus thuringiensis was also evaluated to improve the protease production. Moreover, the final organic material obtained in the process presented a stability degree similar to that of compost and could be used as a soil amendment. Consequently, addressing the SSF under these conditions, the scaleup of the process is presented as an easy one with promising results. The highest activity of the alkaline proteases in crude extracts was determined at 3, 7 or 14 days of the process according to the nature of the resources assayed. Partial biochemical characterization of the crude extracts was also carried out. Potential application of the extracted proteases has been successfully studied on dehairing cowhides, representing a significant advantage over the chemical process. Also, a preliminary study on kinetically controlled synthesis of oligopeptides has been performed in a research stay at an abroad laboratory in The United States. Furthermore, the gaseous emissions as well as the energy consumed along the process were evaluated to estimate the environmental and economic sustainability of the process. This thesis represents the beginning of a new research line in the Composting Research Group (GICOM) at the Deparment of Chemical Engineering of the Universitat Autònoma de Barcelona on the use of SSF with organic used materials as a suitable tool to valorize them while generating new products as enzymes of high value.

La gran mayoría de la población europea habita en ciudades y el mejoramiento de la calidad de vida en zonas urbanas constituye un objectivo primordial de las políticas gubernamentales. Las ciudades se ven típicamente afectadas por apiñamientos, tráfico intenso, contaminación atmosférica y acústica, y factores que aumentan su vulnerabilidad con respecto a riesgos naturales. Esta Tesis explica cómo los ecosistemas contribuyen a mejorar la habitabilidad de las ciudades, con foco en zonas urbanas europeas medianas, sirviéndose para ello de estudios empíricos integrados (por ejemplo cualitativos y cuantitativos o socio-ecológicos), así como estudios relevantes con respecto a las medidas a tomar por las autoridades gubernamentales. Explora cómo y porqué las zonas urbanas pueden beneficiarse, en términos del bienestar de sus habitantes y de la reducción de las vulnerabilidad frente a riesgos naturales, de una más amplia gama de medidas y soluciones cuando se tienen en cuenta en forma apropriada los aspectos ecológicos utilizando diferentes escalas geográficas. La revisión de la literatura consultada para esta Tesis comprueba que las funciones reguladoras de los sistemas ecológicos a menudo proveen alternativas eficientes y rentables o soluciones complementarias para las infraestructuras que contribuyen a asegurar el bienestar de la población urbanas y reducir el riesgo de desastres. La investigación empírica en la ciudad de Colonia (Alemania) demuestra que las variables medioambientales juegan un rol central y decisivo, ya que determinan las características de la vulnerabilidad del sistema socio-ecológico urbano por ejemplo cuando es afectado por olas de calor. A su vez, en Barcelona (España), el asesoramiento de servicios reguladores ejemplifica cómo una ciudad compacta se beneficia al estar rodeada de una vasta superficie verde adyacente, que le permite alcanzar un nivel de rendimiento ecológico y un potencial regulador de amenazas naturales comparables con otras ciudades más “verdes” de la Europa occidental. Por lo tanto, aparte de las dimensiones sociales, económicas y físicas bien exploradas de la vulnerabilidad, también su dimensión ecológica debe ser tenida en cuenta en el estudio de las zonas urbanas. En este sentido, dos aspectos revelan ser esenciales cuando se analiza la fragilidad urbana: los impactos de la urbanización en los sistemas ecológicos locales que tienden a agudizar aún más los daños causados por el sistema social-ecológico cuando azota un riesgo; y las conexiones del centro de la urbe con las zonas verdes circundantes. La investigación presentada en esta Tesis provee asimismo conclusiones teóricas respecto a la naturaleza de las interacciones y el acoplamiento de los sistemas sociales y ecológicos al asesorar la vulnerabilidad relacionada con amenazas naturales. Subraya cómo el sistema social depende del ecosistema para reducir la exposición a tales riesgos y aumentar la resiliencia. Para ello se requiere también la inclusión de datos ecológicos detallados concernientes la salud del ecosistema. El ecosistema, especialmente en caso de degradación, puede perder efectividad o fallar en la provisión de servicios en caso de amenazas, exacerbando así la vulnerabilidad de la populación humana. Volviendo atrás los pasos que llevaron en el pasado a la configuración y distribución actual de zonas verdes en y alrededor de la ciudad de Colonia y en especial de Barcelona, la investigación contribuye a caracterizar las dimensiones históricas y políticas de los ecosistema pertinentes, y por lo tanto, de la vulnerabilidad en zonas urbanas. Los ecosistemas, a más de ser determinados por características biofísicas del territorio, son el producto del enfrentamiento de diferentes articulaciones sociales valuatorias que son a menudo antagónicas. Los conflictos referentes a la gestión de zonas verdes son evidentes en su mayor parte en las zonas urbanas dado el alto valor del espacio y la lucha por obtenerlo. Los ecosistemas por lo tanto pueden ser vistos como construcciones sociales que no solamente requieren ser asesoradas y valorizadas, sino también ser incluídas en un proceso más amplio de toma de decisiones en el que se discuten los conflictos de intereses en forma participative. Finalmente, en cada uno de los capítulos que enfocan los diferentes grados de dependencia de la población urbana de los servicios proporcionados por los ecosistemas (tanto en el ámbito urbano propiamente dicho como en cuencas y vertientes), la investigación demuestra que, a pesar del foco tradicional concentrado en la escala local, el ecosistema urbano alberga en si mismo diferentes niveles anidados que complementan los servicios prestados a los habitantes de la ciudad. Esta definición más comprensiva de lo que los ecosistemas urbanos abarcan implica la ampliación del conjunto de medidas y soluciones políticas que tienen como objetivo favorecer las zonas urbanas. / The large majority of the population in Europe lives in cities and the improvement of the quality of life in urban areas is a policy objective of primary importance. Cities are typically affected by crowding, traffic, air and noise pollution and present features that make them more vulnerable to natural hazards. This Thesis explains how ecosystem services help improve the livability of cities, with a focus on European medium-sized urban areas, using empirical, integrated (e.g. qualitative and quantitative or social-ecological) and policy relevant studies. It explores how and why urban areas can benefit, in terms of well-being and reduction of vulnerability to hazards, from a broader range of policies when ecological aspects are properly accounted for at different geographical scales. The literature reviews of this Thesis find that the regulating functions of ecosystems often provide efficient, cost-effective alternatives or complementary solutions to hard infrastructures for the wellbeing of populations and disaster risk reduction in urban areas. Empirical research in the city of Cologne (Germany) shows that environmental variables play a central role in shaping the vulnerability of the urban social-ecological system to heat waves. While, in Barcelona (Spain), the assessment of regulating and cultural services supplied by the Collserola peri-urban Natural Park, demonstrates how a compact city benefits from the presence of a vast adjacent green area that enables it to reach an environmental performance and a hazards regulation potential comparable to that of other greener, western urban areas. Thus, besides the well-explored social, economic and physical dimensions of vulnerability, information about the ecological dimension needs also to be taken into account in urban vulnerability studies. In this respect, two features are found to be essential with respect to the vulnerability of urban areas: the impacts of urbanization on the local and surrounding ecosystems, which tend to further increase the damages that the social-ecological system can cause when a hazard strikes; and the connections of the urban core with surrounding green areas. The research presented in this Thesis also yields theoretical conclusions about the nature of the interactions and coupling between the social and the ecological systems in the vulnerability assessment to natural hazards. It highlights how the social system depends on the ecosystem for exposure reduction and increased resilience. Detailed ecological information on ecosystem health should also be included. The ecosystem, especially if degraded, might not be effective or fail in supplying services when a hazard strikes, exacerbating the vulnerability of the human population. Tracing back the steps that led to the present configuration and distribution of green areas in and around Cologne and especially in Barcelona, the research contributes to the characterization of the historical and political dimension of ecosystem services, and thus of vulnerability, in urban areas. Ecosystem services, besides being determined by the biophysical features of the territory, are the outcome of the controversy between different and more often than not antagonistic social articulations of value. Conflicts over the management of green areas are mostly evident in urban areas due to the highly contested nature of space. Ecosystem services can thus be seen as socially constructed and need not only to be assessed and valued, but also to become part of a broader, participatory decision making process in which conflicting interests are discussed. Finally, in each of the chapters focusing on different scales of the dependence of the urban population on ecosystems (from the properly urban to the watershed), the research shows that, despite the traditional focus on the local scale, the urban ecosystem presents different nested levels which are complementary in terms of the ecosystem services they provide to the city’s inhabitants. This broader definition of urban ecosystems has implications in terms of an enlarged set of more targeted policies that can benefit urban areas.

L’eliminació biològica de nutrients (EBN) a les estacions depuradores d’aigües residuals (EDARs) es considera el procés més rentable y mediambientalment més respectuós per a prevenir l’eutrofització i complir amb els cada cop més restrictius límits d’abocament. L’eliminació biològica de nitrogen (N) ha estat àmpliament estudiada i implementada en nombroses EDARs, tant urbanes com industrials. Contràriament, per a l’eliminació biològica de fòsfor, P, (procés EBPR) no existeixen encara molt exemples de la seva aplicació a escala real, principalment degut a l’aparició de fallades no esperades quan s’integrà amb l’eliminació biològica de N. La presència de nitrat a la fase anaeròbia es considera la principal causa d’aquestes fallades i, tot i la seva importància, els motius que les provoquen no es coneixen en profunditat. La hipòtesi més estesa assenyala que la presència de nitrat en condicions anaeròbies provoca la competència per la font de carboni (DQO) entre els organismes desnitrificants i els acumuladors de P (PAO). No obstant això, l’experiència en plantes reals indica que aquesta hipòtesi no és capaç de descriure l’elevada pèrdua real d’activitat EBPR tenint en compte la quantitat de nitrat present a la fase anaeròbia. Aquesta tesi té com a objectiu entendre els motius subjacents a aquesta perduda d’activitat EBPR i proposar alternatives per a minimitzar les seves causes. Per tal de fer front a aquest objectiu, des de diferents punts de vista, s’han utilitzat diferent eines: modelització, anàlisis microbiològics, optimització multi-criteri, anàlisis multivariable, operació en planta pilot y control de processos. Les principals fites assolides en aquest treball es resumeixen a continuació. Per una banda, es va observar que el contingut en matèria orgànica de l’afluent i la naturalesa d’aquesta són paràmetres clau per entendre la competència entre els organismes desnitrificants i els PAO. A partir de les dades experimentals es pot concloure que quan l’afluent conté principalment àcids grassos volàtils, els PAO són capaços de guanyar la competència per la font de carboni. Contràriament, els organismes desnitrificants es troben afavorits quan es tracta de fonts de carboni més complexes. Per l’altra banda, també es va estudiar l’ús diferents estratègies de control per tal de reduir la pèrdua de EBPR. Així mateix, es va demostrar com la optimització multi-criteri de les consignes dels controlador pot millorar l’operació d’una EDAR, no només reduint els costos d’explotació, sinó que també obtenint un efluent altament clarificat i amb un baix risc de desenvolupar problemes d’origen microbiològic (creixement excessiu de bactèries filamentosos o desnitrificació al decantador secundari). A més, les consignes optimitzades van afavorir el procés EBPR reduint l’entrada de nitrat a la fase anaeròbia. L’addició controlada de glicerol cru (subproducte del biodiesel) va ser provada amb èxit com alternativa per a reduir la competència entre els PAO i els organismes desnitrificants i, alhora, controlar el contingut de P en l’efluent. També, es va desenvolupar un model bioquímic per tal de descriure les dades experimentals obtingudes i per a dissenyar l’estratègia de control, que posteriorment va ser validada a la planta pilot. Malauradament, l’ús de fonts de carboni externes no és rentable a escala real i, per tant, també es va dissenyar i avaluar, in-silico, una nova estratègia de control per a millorar l’eliminació de P sense la necessitat d’afegir font de carboni o agents precipitants. El principi bàsic d’aquesta estratègia és desviar la DQO disponible cap al procés EBPR, en detriment del procés de desnitrificació (major concentració de nitrat en l’efluent), però sempre respectant els límits d’abocament. Finalment, també es va estudiar la importància d’estendre els models bioquímics existents per tal de millorar la simulació dels processos d’eliminació biològica de N i evitar la simulació de pèrdues irreals d’activitat EBPR. D’aquesta manera, es van incloure i estudiar conceptes com la nitrificació/desnitrificació en dos passos o la inclusió de sedimentador reactius. / La eliminación biológica de nutrientes (EBN) en estaciones depuradoras de aguas residuales (EDARs) se considera el proceso más rentable y medioambientalmente más respetuoso para prevenir la eutrofización y cumplir con los cada vez más estrictos límites de vertido. La eliminación biológica de nitrógeno (N) ha sido ampliamente estudiada e implementada con éxito en numerosas EDARs, tanto urbanas como industriales. Contrariamente, para la eliminación biológica de fósforo, P, (proceso EBPR) no existen aun muchos ejemplos de su aplicación a escala real, principalmente debido a la aparición de fallos inesperados cuando se integra con la eliminación biológica de N. La presencia de nitrato en la fase anaerobia se considera la principal causa de estos fallos y, a pesar de su importancia, los motivos que los desencadenan no se conocen perfectamente. La hipótesis más extendida apunta que la presencia de nitrato en condiciones anaerobias provoca la competencia por la fuente de carbono (DQO) entre los organismos desnitrificantes comunes y los acumuladores de P (PAO). Sin embargo, la experiencia en plantas reales indica que esta hipótesis no es capaz de describir la elevada pérdida real de EBPR considerando la cantidad de nitrato en la fase anaerobia. Esta tesis pretende estudiar los motivos subyacentes a esta pérdida de actividad EBPR y proponer alternativas para minimizar sus causas. Para abordar este objetivo desde diferentes puntos de vista, se han utilizado diferentes herramientas: modelización, análisis microbiológicos, optimización multi-criterio, análisis multivariable, operación en planta piloto y control de procesos. Los mayores logros conseguidos se resumen a continuación. Por un lado, se observó que el contenido en materia orgánica del afluente y la naturaleza de la misma son parámetros clave para entender la competencia entre los organismos desnitrificantes y los PAO. A partir de los datos experimentales se puede concluir que cuando el afluente está formado principalmente por ácidos grasos volátiles, los PAO son capaces de ganar la competencia por la fuente de carbono. Contrariamente, los organismos desnitrificantes son favorecidos cuando se trata de fuentes de carbono más complejas. Por otro lado, se estudió el uso de diferentes estrategias de control para reducir la pérdida de actividad EBPR. Asimismo, se demostró como la optimización multi-criterio de las consignas de los controladores puede mejorar la operación de una EDAR, no sólo reduciendo los costes de explotación, sino también obteniendo un efluente altamente clarificado y un bajo riesgo de desarrollar problemas de origen microbiológico (crecimiento excesivo de bacterias filamentosas o desnitrificación en el decantador secundario). Además, las consignas optimizadas favorecieron el proceso EBPR reduciendo la entrada de nitrato a la base anaerobia. La adición controlada de glicerol crudo (subproducto del biodiesel) fue probada con éxito como alternativa para reducir la competencia entre los PAO y los organismos desnitrificantes por la fuente de carbono y así, controlar el contenido de P en el efluente. Se desarrolló un modelo bioquímico para describir los datos experimentales obtenidos y para diseñar la estrategia de control, posteriormente validada en planta piloto. Sin embargo, el uso de fuentes de carbono externas no es rentable a escala real y, por tanto, también se desarrolló y evaluó in-silico una nueva estrategia de control para mejorar la eliminación de P sin la necesidad de añadir fuente de carbono o agentes precipitantes. El principio básico de la estrategia de control es desviar la DQO disponible hacia el proceso EBPR, en detrimento de la desnitrificación (mayor concentración de nitrato en el efluente), pero respetando limites de vertido. Finalmente, también se estudió la importancia de extender los modelos bioquímicos existentes para mejorar la simulación de los procesos de eliminación biológica de N y evitar la simulación de fallos irreales en el proceso EBPR. De este modo, se incluyeron y estudiaron conceptos como la nitrificación/desnitrificación en dos pasos o la inclusión de sedimentadores reactivos. / Considering biological nutrient removal (BNR) in WWTPs seems nowadays an obligated short-term aim because it is the most economical and environmental alternative to prevent eutrophication of water bodies and to meet the increasingly stricter discharge limits. Biological nitrogen (N) removal has been widely studied and successfully implemented in numerous WWTPs for treating both urban and industrial wastewater. On the other side, the so called Enhanced Biological Phosphorus (P) Removal (EBPR) process is not widely applied at full-scale yet because among other reasons, unpredictable EBPR failures have been reported when it is integrated with biological N removal. Nitrate recycling to the anaerobic phase is one of the most reported causes triggering this EBPR failure in real WWTPs and, despite its importance, the causes are not fully understood yet. A commonly accepted hypothesis is that nitrate presence triggers the competition for the carbon source between denitrifying ordinary heterotrophic organisms (OHO) and Polyphosphate Accumulating Organisms (PAO). However, experimental results show that this hypothesis fails to describe the magnitude of EBPR deterioration when the amount of nitrate entering the anaerobic zone is considered. This thesis aims at understating the EBPR deterioration due to nitrate presence in the anaerobic phase and studying alternatives to minimise the causes leading to this failure. Different tools have been used to study both topics from different points of view: modelling, microbial analysis, multi-criteria optimisation of the process performance, multivariate analysis, pilot plant operation and process control. As an overview, the main achievements of this thesis are next summarized. On the one hand, it was observed that the influent COD content and the nature of the carbon source are key parameters to understand the competition between OHO and PAO. The results obtained in pilot plant operation show that when influent COD was mainly composed by volatile fatty acids, PAO could outcompete OHO for the carbon source. Contrary, with more complex carbon sources, EBPR failed because denitrification process was favoured reducing COD available for PAO. On the other hand, the use of different control strategies has been assessed as a mitigating alternative to reduce EBPR failure. On this context, this thesis showed that multi-criteria optimisation of the controller setpoints can improve WWTP operation in terms of not only reducing the running costs but also ensuring low effluent discharges and low risk of developing microbiology-related failures (bulking or rising sludge). The optimised setpoints favoured P-removal process by reducing the nitrate load recycled to the anaerobic reactor. The controlled addition of crude-glycerol (biodiesel byproduct) was also demonstrated to be very useful to prevent nitrate-driven EBPR failure and for controlling effluent P concentration. A biochemical model was developed for describing the experimental data and to design the control strategy that was afterwards experimentally validated. However, the use of external carbon sources cannot be cost-effective at full-scale and thus, a novel control strategy aiming at improving P-removal without adding external carbon sources or chemicals for P precipitation was in-silico developed and evaluated. The principle behind this novel control strategy was diverting the available COD to P-removal and not to denitrification process (i.e. N in the influent increased), but always below the discharge limits. Finally, it was also studied the importance of new model extensions to correctly describe N removal. Hence, two-step nitrification/denitrification or reactive settler approaches should be considered to avoid unrealistic failure prediction of EBPR process.