Human and veterinary pharmaceuticals have been recognized as ubiquitous water microcontaminants with potential subtle detrimental effects on aquatic organisms. The majority of pharmaceutical compounds, after being consumed and excreted, end up in municipal WWTPs, which are not typically designed for complete pharmaceutical removal. Therefore, effluents from WWTPs constitute a low concentration, but continuous source of pharmaceutically active compounds to the aquatic environment. The main objective of the thesis is to acquire and provide with knowledge not only on the occurrence of pharmaceutical compounds in wastewater, but on their biodegradation within WWTPs and their discharge into the receiving media. The obtained results demonstrate conventional wastewater treatment’s variable efficiency when removing the pharmaceutical compounds load and the advance treatment’s contribution to their overall removal. It has also been possible to model the behaviour of a selected pharmaceutical and its transformation products. And it also includes investigation of an antibiotic’s impact on the bacterial community performance, and the antibiotic resistance genes phenomenon. Finally, the role and usefulness of proteomics when investigating the possible proteins involved on the biodegradation pathways of certain pharmaceutical compounds / Els compostos farmacèutics d’ús humà i animal s’han identificat com a microcontaminants aquàtics omnipresents amb possibles efectes nocius sobre el medi ambient. La major part d’aquests compostos, un cop consumits i excretats, van a parar a les EDARs, que no estan dissenyades per eliminar-los completament. En conseqüència, els efluents d’aquestes esdevenen un flux, poc concentrat però constant, de fàrmacs cap al medi aquàtic. L’objectiu principal d’aquest treball és el d’adquirir i proporcionar coneixement pel que fa tant a la presència d’aquests compostos farmacèutics a les aigües residuals, com a la seva degradació en EDARs i la seva descàrrega al medi receptor. Els resultats obtinguts demostren la variabilitat en l’eficàcia dels tractaments convencionals d’aigües residuals i la contribució dels processos avançats a l’hora d’eliminar els fàrmacs. També s’ha aconseguit modelar el comportament d’un fàrmac i dels seus productes de transformació. S'ha abordat també, l’impacte d’un antibiòtic sobre la comunitat bacteriana a nivell microbiològic i el fenomen dels gens de resistència antibiòtica. I, finalment, el paper de tècniques proteòmiques a l’hora de buscar possibles proteïnes involucrades en el procés de biodegradació de certs compostos farmacèutics

A les passades dècades, s’han desenvolupat diverses tècniques basades en l’oxidació química a fi de superar els inconvenients associats al tractament d’aigües residuals industrials. Els processos d’oxidació avançada (AOPs) són efectius en la degradació de contaminants no biodegradables presents en aigües residuals i freqüentment permeten una quasi total degradació sota condicions raonables de pressió i temperatura. Entre elles, el procés Fenton és àmpliament utilitzat malgrat els seus molts inconvenients, com sensibilitat al pH, formació de fangs i pèrdua de les espècies actives. Aquest treball dissenya diferents alternatives de millora d’aquests inconvenients usant processos basats en Fenton per a l’oxidació homogènia i heterogènia de fenol. Així, l’addició d’agents quelants permet ampliar el rang efectiu de pH. Així mateix, l’ús de nanoferro zero valent suportat sobre materials carbonosos millora la capacitat d’eliminació i suprimeix la requerida separació del fang d’hidròxid de ferro. / En las pasadas décadas, se desarrollaron diversas técnicas basadas en la oxidación química para superar los inconvenientes asociados al tratamiento de aguas residuales industriales. Los procesos de oxidación avanzada (AOPs) son efectivos en la degradación de contaminantes no biodegradables presentes en aguas residuales y frecuentemente permiten una casi total degradación bajo condiciones razonables de presión y temperatura. Entre ellas, el proceso Fenton es ampliamente utilizado pese a sus muchos inconvenientes, como sensibilidad al pH, formación de fangos y pérdida de las especies activas. Este trabajo diseña diferentes alternativas de mejora de estos inconvenientes usando procesos basados en Fenton para la oxidación homogénea y heterogénea de fenol. Así, la adición de agentes quelantes permite ampliar el rango efectivo de pH. Igualment, el uso de nanohierro cero valente soportado sobre materiales carbonosos mejora la capacidad de eliminación y suprime la requerida separación del fango de hidróxido de hierro. / In the last decades, various chemical oxidation techniques have been developed to overcome the inconveniences associated to conventional treatment of industrial wastewaters. Advanced oxidation processes (AOPs) have been reported to be effective for the degradation of soluble organic contaminants from wastewaters containing non-biodegradable organic pollutants, because they can often provide an almost total degradation, under reasonably mild conditions of temperature and pressure. Among them, Fenton process is widely implemented, although it has many drawbacks such as pH sensitivity, formation of sludge and loss of active species. Therefore, this work is specially focused on different alternatives to overcome the above drawbacks using Fenton-like processes for homogeneous and heterogeneous oxidation of phenol. Thus, the addition of chelating agents allowed broading the pH range of efficient operation. In turn, the use of nano zero valent iron supported on carbon materials enhances the removal performance and eliminates the subsequent separation of iron hydroxide sludge.

In the current energy crisis and climate change context, energy use of biogas has gained relevance, since it is possible to get energy from waste, and also minimizes the emission of methane into the atmosphere. However, biogas contains between 0.1-0.5% v / v H2S (1000-5000 ppmv), which must be removed in order to produce energy because, apart from producing a strong odor, its combustion mighty generate highly corrosive species, harmful to health and the environment, such as sulfur oxides and sulfuric acid. In this sense, biological treatments have proved to be very competitive when compared to physicochemical techniques, since they do not require the addition of reagents, using the metabolism of microorganisms to oxidize potential contaminants. Oxygen transfer to the aqueous phase is key to the proper operation of biotrickling filters, since for each mole of hydrogen sulfide degraded two moles of oxygen are required. Under conditions of oxygen deficit in the liquid phase, the oxidation reaction is not complete, thus accumulating elemental sulfur (an intermediate product) in the filter packing material. Sulfur is an insoluble pasty solid and, therefore, its accumulation increases operating costs. Eventually, if corrective actions are not scheduled, the biofilter can become completely clogged. The biofiltration process of an industrial scale biotrickling filter, which eliminates between 2000-2500 ppmv H2S at a gas flowrate of 80 m3 h-1 has been studied. The reduction of 0.8 pH units in the operation reported a 78% reduction in water consumption, which is used to regulate the pH. The viability of the biological oxidation of sulfur accumulated on the computer was checked, eliminating 40% of the sulfur accumulated on the packed bed in 21 days. This study proposes the use of intensive aeration equipment such as venturi devices, in order to supply the necessary amount of oxygen to maximize the formation of sulfate. Sulfate is finally removed from the biofilter by purging the liquid phase. For this purpose, three commercial aeration devices have been tested: a membrane diffuser, a jet-venturi and an venturi-efector operating at conditions similar to those usually found in biofiltration of hydrogen sulfide. Experiments were carried out under conditions similar to those that occur in biofiltration of hydrogen sulfide present in biogas: pressure greater than atmospheric pressure and the presence of sulfate in the liquid phase. Also, the effect of venturi configuration was tested by measuring the pressure drop along the device. With the diffuser membrane the effect of adding a non-aqueous phase in order to maximize oxygen transfer and the use of pure oxygen instead of air was studied. An intensive gas-liquid contactor (jet-venturi) was selected based on its energy consumption and efficiency in oxygen transfer. This device was implemented in an industrial scale biotrickling filter, reporting an improved conversion to sulfate (32%), with a 78% reduction of air supply. The operation of the biofilter with the jet-venturi resulted in an improvement in robustness and reliability of the desulfurizing system. Finally, a mathematical model that predicts the formation of sulfur and sulfate was developed. This rigorous model approach had not been reported until now. The model was calibrated and validated in two biofilters: a lab-scale and an industrial scale. A satisfactory fitting of the experimental and simulated data was obtained. / En l’actual context de crisi energètica i canvi climàtic, l’aprofitament energètic del biogàs ha guanyat rellevància, donat que s’obté energia a partir dels residus i, alhora, es minimitza l’emissió de metà a l’atmosfera. Tanmateix, el biogàs conté entre 0.1-0.5 % v/v de H2S (1000–5000 ppmv), el qual ha de ser eliminat per tal d’aprofitar energèticament el biogàs, ja que, a part de desprendre una forta olor desagradable, al cremar és convertit en espècies altament corrosives, perjudicials per la salut i el medi ambient, com són els òxids de sofre i l’àcid sulfúric. En aquest sentit, els tractaments biològics han demostrat ésser molt competitius enfront les tècniques fisicoquímiques, ja que no requereixen l’addició de reactius, aprofitant el metabolisme dels microorganismes per tal d’oxidar els possibles contaminants. La transferència de l’oxigen a la fase aquosa és un factor clau per al correcte funcionament dels biofiltres percoladors, ja que per cada mol de sulfur d’hidrogen que es degrada són necessaris dos mols d’oxigen. En condicions de dèficit d’oxigen a la fase líquida, la reacció d'oxidació no es completa, i s’acumula sofre (producte intermedi) al material de rebliment de l’equip. El sofre és un sòlid pastós i, per tant, la seva acumulació augmenta els costos d’operació. Eventualment, si no es realitza una acció correctora, pot arribar a obturar totalment el biofiltre. S’ha estudiat el procés de biofiltració operant un biofiltre a escala industrial, que permet eliminar entre 2000-2500 ppmv de H2S amb un cabal de gas mitjà de 80 m3 h-1. La reducció del pH d’operació en 0.8 unitats ha reportat una reducció del 78 % del consum d’aigua, que s’usa per a la regulació del pH. S’ha comprovat la viabilitat de l’oxidació biològica de part del sofre acumulat a l’equip, eliminant el 40 % del sofre acumulat a l’equip en 21 dies. En el present estudi es proposa l’ús de dispositius intensius d’aeració, com són els dispositius venturi, per tal de poder subministrar la quantitat necessària d’oxigen per maximitzar la formació de sulfat. Aquest és posteriorment eliminat de l’equip mitjançant purgues de la fase líquida. Per a aquest fi s’han estudiat tres dispositius d’aeració comercials: un difusor de membrana, un ejector venturi i un jet venturi, en condicions d’operació similars a les que es donen en la biofiltració del sulfur d’hidrogen. S’han realitzat experiments en condicions similars a les que es donen en la biofiltració del sulfur d’hidrogen present al biogàs: pressió superior a l’atmosfèrica i presència de sulfat a la fase líquida. També s’ha estudiat l’efecte de la configuració del venturi, realitzant mesures de pèrdua de càrrega al llarg del dispositiu. Amb el difusor de membrana s’ha determinat l’efecte d’addicionar una fase no aquosa, per tal de maximitzar la transferència d’oxigen, i l’ús d’oxigen pur enlloc d’aire. L’equip que ha estat seleccionat, degut a la seva idoneïtat en base al seu consum energètic i l’eficàcia en la transferència d’oxigen, ha estat el jet venturi. Aquest dispositiu ha estat implementat en un biofiltre a escala industrial, reportant una millora en la conversió a sulfat del 32 %, amb una reducció del subministrament d’aire del 78%. L’operació del biofiltre amb el jet venturi s’ha traduït en una millora en la robustesa del sistema, ja que operant amb aquest dispositiu quan la càrrega d’entrada disminueix s’oxida parcialment el sofre acumulat a l’equip, mentre que amb el compressor, quan disminuïa el cabal de biogàs a tractar es parava l’entrada d’aire, empitjorant els problemes d’acumulació de sofre. Finalment, s’ha desenvolupat un model matemàtic que permet predir la formació de sofre i sulfat, fet que no havia estat reportat fins al moment. Aquest model ha estat ajustat i validat per dos biofiltres: un a escala laboratori i un a escala industrial. S’ha obtingut un ajust satisfactori de les dades experimentals i les simulades.

The meat sector is one of the most important industrial sectors in Europe and it is associated with the generation of large quantities of animal by-products not intended for human consumption (ABPs). The increasing demand of renewable energy sources and reuse of wastes require good technological solutions for energy production such as anaerobic digestion (AD), which is included in the current European regulation as one of the allowed methods to valorize ABPs. Due to their composition, with high fat and protein content, ABPs can be considered good substrates for the AD process, according to the high potential methane yield. Although, slow hydrolysis rates and inhibitory process have been reported, with a suitable pre-treatment to improve particulate materials solubility and/or co-digestion process of several complementary materials the anaerobic digestion can be improved. Hence, the aim of this thesis was to evaluate the feasibility of different ABPs for anaerobic digestion. Emphasis was placed on the effect of pre-treatments on the organic matter, methane yield and methane production rate. Within this scope, thermal (pasteurization and sterilization) and high pressure pre-treatments (200, 400 and 600 MPa) were applied. Thermogravimetric and spectroscopy techniques (DTG-MS and FTIR), where used to determine the effects on the organic matter. The effects on the methane yield and methane production rates, including the disintegration parameters, were obtained by means of batch test with different inoculum to substrate ratios (ISR). The suitability of ABP for anaerobic digestion was confirmed with samples from different origin (poultry and piggery slaughterhouses) but the results showed that methane yield depends on the substrate composition (amount of proteins, fats and carbohydrates), especially when a thermal pre-treatment is applied. The thermal pre-treatment produced some inhibitory nitrogen-related compounds when there was a high carbohydrate and protein concentration and also affected the methane potential rate. On the other hand, thermal pre-treatments (pasteurization and sterilization) increased the methane production rate and methane production yield in the case of a waste with high protein and fat concentration. The results of the disintegration kinetics determination underline these positive effects on the methane production rate being increased in the after pasteurization. The high pressure pre-treatments were tested with piggery ABP without obtaining any effect on the methane production or methane production rate. The study and optimization of the co-digestion of pasteurized ABP with pig slurry was reported, including the glycerin addition. It showed to be feasible and glycerin addition resulted in an improvement of the methane production. Changes in the microbial composition were followed by means of denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) and it was demonstrated that the microbial community of the Eubacteria domain was more sensitive to operational changes than the Archaea domain. In conclusion, this study contributes to the understanding of the anaerobic process of ABP mainly related to the effect of the thermal pre-treatments and the optimization of the co-digestion process. / El sector cárnico lleva asociada la generación de grandes cantidades de subproductos animales no destinados al consumo humano (SANDACH). La demanda de fuentes de energía renovables y la reutilización de los residuos requieren soluciones tecnológicas tales como la digestión anaerobia (DA), proceso incluido en el reglamento europeo actual como uno de los métodos permitidos para valorizar estos subproductos. Debido a su composición rica en grasa y proteína, los SANDACH son considerados buenos sustratos para la DA, dado su elevado rendimiento teórico de producción de metano, aunque se han notificado tasas de hidrólisis lentas y procesos inhibitorios. Con un pretratamiento adecuado, que mejore la solubilidad de los materiales particulados, y/o un proceso de codigestión con residuos complementarios, la DA se podría mejorar. El objetivo de la presente tesis es evaluar la viabilidad de diferentes SANDACH para la DA, centrándose principalmente en el efecto de los pretratamientos sobre la materia orgánica, el rendimiento y la tasa de producción de metano. Para ello se emplearon pretratamientos térmicos (pasteurización y esterilización) y de altas presiones (200, 400 y 600 MPa). Posteriormente, se utilizaron técnicas termogravimétricas y de espectroscopía (DTG-MS y FTIR), además de una caracterización clásica, para determinar los efectos sobre la materia orgánica, mientras que los efectos sobre la producción de metano, incluyendo los parámetros de desintegración, se obtuvieron por medio de ensayos discontinuos con diferentes ratios inoculo/sustrato. La idoneidad de los SANDACH para la DA fue confirmada con residuos de mataderos avícola y porcino, pero los resultados mostraron que el rendimiento de metano dependía de la composición relativa (proteínas, grasas e hidratos de carbono) de cada sustrato, especialmente en el caso de los pretratamientos térmicos. Se observó que cuando el residuo contenía una elevada concentración de hidratos de carbono y proteínas, se generaban compuestos nitrogenados recalcitrantes durante el pretratamiento térmico que afectaban negativamente a la tasa de producción de metano. Por el contrario, cuando el residuo tenía una concentración elevada de proteína y grasa, tanto la tasa de producción como el rendimiento de metano aumentaron tras la pasteurización y esterilización. Estos resultados fueron confirmados mediante el estudio de la cinética de desintegración. En último lugar, el pretratamiento a altas presiones, aplicadas a residuo de matadero de cerdo, no modificó la biodegradabilidad ni el rendimiento de metano del residuo. En paralelo, se estudió la codigestión en continuo de SANDACH pasteurizado con purín porcino y glicerina, optimizándose la producción de biogás mediante el control de la composición de la mezcla de residuos a tratar. Se observaron cambios en las poblaciones microbianas (monitorizados mediante DGGE) y se comprobó que las eubacterias fueron la comunidad dominante, aunque también más sensible a los cambios operacionales que las arqueas. En conclusión, la producción de biogás a partir de SANDACH se ha mostrado factible, mejorando su DA mediante codigestión con otros residuos que permitan equilibrar su composición y un pretratamiento térmico, siendo la eficacia de este muy dependiente de la composición en proteínas e hidratos de carbono.

The discharge of acid mine drainage into a water reservoir may seriously affect the water quality. In this setting, sediment is commonly thought to act as a sink for pollutants. However, redox oscillations in the bottom water promoted by stratification-turnover events may significantly alter the metal cycling. A new sequential extraction procedure has been developed to study the metal partitioning in the sediment. The new scheme for iron, sulfur and organic carbon rich sediments was evaluated for iron partitioning in synthetic iron monosulfides, natural pyrite, schwertmannite and goethite. This procedure enabled the following fractions to be distinguished: (1) water soluble, (2) exchangeable (monosulfides and carbonates), (3) low crystalline Fe(III)-oxyhydroxide, (4) crystalline Fe(III)-oxide, (5) organic matter, (6) sulfides (pyrite) and (7) residual. In soils or sediments where no carbonates are present step 2 can be used as the monosulfides fraction, which is recovered at 70%. Low crystalline Fe(III)-oxyhydroxides and crystalline Fe(III)-oxides are isolated in steps 3 and 4, respectively (>80%). Pyrite is completely isolated with HNO3 8M in step 7 (>99%). To study the effect of the redox in the sediments, an experiment was performed under controlled laboratory conditions. Sediment cores from the Sancho reservoir (Odiel Basin, SW of Spain), which receives AMD (pH<4), were maintained in a tank with bottom water for approximately 2 months and subjected to alternating oxic-hypoxic conditions. The tank water concentrations were monitored during the whole experiment, and the sediments were analyzed (porewater and solid phase) at the end of each oxic-hypoxic period. The results were then used to calibrate a diffusion-reaction model and to quantify reaction rates and sediment-water fluxes. Under oxic conditions, protons, Fe and As concentrations decreased in the tank due to schwertmannite precipitation, whereas those of Al, Zn, Cu, Ni, and Co increased due to Al(OH)3 and sulfide dissolution. The reverse trends occurred during hypoxia. Under oxic conditions, the fluxes calculated by applying Fick¿s first law on concentration gradients contradicted the ones expected from the evolution of the concentration in the tank water. This discrepancy was attributed to the coarse sediment resolution during sampling (cm) that failed to capture the very narrow concentration in the shallow pore water (mm) due to sulfide and Al(OH)3 dissolution. Finally, a new reactive transport model integrating solid fluxes and sedimentation was developed to extent to realistic field conditions. The model was again calibrated against porewater and solid phase composition from sediment cores collected in several points of the Sancho reservoir during stratification and turnover seasons. Results allowed to quantify that 45% of FeS and 30% of other metal sulfides precipitated under anoxic conditions were re-oxidized during the turnover. Both models agreed in that most of organic matter was degraded by sulfate. However, in the previous laboratory calibrated model oxygen was mainly consumed by sulfide and metal sulfides (around 90%), whereas according to the new model it was mainly consumed by organic matter (76%) and Fe(II) (9%). This difference is because if no accumulation is considered, the metal sulfides are not buried and the oxygen front progresses in depth oxidizing all the precipitated metal sulfides. Both models confirm that sediment acts as a sink for all the elements. Around 10% of the SO4, Al, Zn and Cu and only 2% of Co and Ni dissolved in the reservoir water were accumulated in the sediment. Around 80% of Fe and 70% of As and Mn transported to or precipitated in the water reservoir was accumulated as solid phase in the sediment. Finally, the model predicted that in ten years after the complete cease of the AMD input, the sediment would reach a new steady state with no contaminants released from the sediment to the water. / La descàrrega de drenatge àcid de mina (DAM) als embassaments pot afectar greument la qualitat de la seva aigua. Tradicionalment s’ha pensat que els sediments actuen com a embornals dels contaminants. Però, els processos d’estratificació/mescla que tenen lloc als embassaments generen oscil·lacions en l’estat redox que pot afectar el cicle dels metalls. Per tal d’estudiar la distribució dels metalls en el sediment s’ha desenvolupat un nou procediment d’extracció seqüencial per a sediments rics en ferro, sofre i matèria orgànica (MO) que ha estat provat amb monosulfur de Fe sintètic, pirita natural, schwertmanita i goethita. El protocol permet distingir entre les fraccions: (1) soluble en aigua, (2) intercanviable (monosulfurs i carbonats), (3) oxihidròxids de Fe(III) amorfs, (4) òxids de Fe(III) cristal·lins, (5) MO, (6) sulfurs (pirita) i (7) fracció residual. En sòls o sediments on no hi ha carbonats el pas 2 pot ser usat com a fracció de monosulfurs, la qual és recuperada en un 70%. Les fases de Fe(III) (passos 3 i 4) son extretes en mes d’un 80% i la pirita és totalment extreta al pas 7 (>99%). Per tal d’estudiar l’impacte de les variacions de l’estat redox en el sediments es va dur a terme un experiment de laboratori en condicions controlades. Es van posar sediments de l’embassament Sancho (Conca de l’Odiel, SO d’Espanya), que rep DAM (pH<4), en un tanc amb aigua del fons de l’embassament durant aproximadament 2 mesos sota condicions variables òxic/anòxic. La concentració de l’aigua del tanc va ser monitoritzada durant tot l’experiment i els sediments (aigua intersticial i fase sòlida) van ser analitzats al final de cada període òxic/anòxic. Els resultats van ser usats per calibrar un model numèric de difusió-reacció amb l’objectiu de quantificar les velocitats de les reaccions i els fluxos entre els sediments i l’aigua. Sota condicions òxiques les concentracions dels protons, Fe i As van disminuir en el tanc degut a la precipitació de la schwertmannita, mentre que les de Al, Zn, Cu, Ni i Co van augmentar degut a la dissolució de Al(OH)3 i de sulfurs metàl·lics (SM). Es va observar el contrari durant condicions d’hipòxia. En condicions òxiques, els fluxos calculats usant la primera llei de Fick van contradir els fluxos esperats per l’evolució de les concentracions en el tanc d’aigua. Aquesta discrepància va ser atribuïda a la basta resolució analítica dels sediments (cm) que no permet d’observar el pic de concentració, mm degut a la dissolució de Al(OH)3 i dels SM, de pocs. El model de laboratori va ser ampliat a condicions reals a través d’un nou model de transport reactiu que va afegir fluxos sòlids i sedimentació a l’anterior. El model va ser calibrat usant l’aigua intersticial i les fases sòlides de diversos punts del Sancho en períodes d’estratificació i mescla. Els resultats mostraren que un 45% del FeS i un 30% dels SM precipitats en condicions anòxiques van ser redissolts durant l’època òxica. Ambdós models evidenciaren que la MO és principalment oxidada pel sulfat. En canvi, pel que fa al consum d’oxigen, el model del laboratori va estimar que era principalment degut a l’oxidació del H2S i dels SM, mentre que el nou model va atorgar el consum a la MO (76%) i al Fe(II) (9%). Aquesta diferència es deguda a que el model de laboratori no va contemplar l’acumulació de sediments i els SM no son enterrats quedant exposats a la penetració del front d’O2. Els dos models confirmaren que el sediment actua com a embornal de la contaminació de tots els elements. Les quantitats acumulades son del 10% pel que fa al SO4, Al, Zn i Cu i del 2% pel que fa al Co i al Ni del total dissolt en l’aigua de l’embassament. El 80% del Fe i el 70% de l’As i el Mn transportats o precipitats a l’embassament son acumulats als sediments. Finalment, el model va predir que, davant del cas hipotètic que l’aigua d’entrada fos tractada, en 10 anys el sediment assoliria un nou estat estacionari sense emissió de contaminats a l’aigua. / La descarga de drenaje ácido de mina (DAM) a los embalses puede afectar gravemente la calidad del agua. Tradicionalmente se ha pensado que el sedimento actúa como sumidero de la contaminación. Sin embargo, los procesos de estratificación/mezcla que se dan en los embalses generan oscilaciones en el estado redox que pueden afectar al ciclo de los metales. Con el objetivo de estudiar la distribución de los metales en sedimentos ricos en Fe, S y materia orgánica (MO) se ha desarrollado un nuevo protocolo de extracción secuencial que ha sido probado con monosulfuro de Fe sintético, pirita natural, schwertmanita y goetita. Éste permite distinguir entre las fracciones: (1) soluble en agua, (2) intercambiable (monosulfuros y carbonatos), (3) oxihidróxidos de Fe(III) amorfos, (4) óxidos de Fe(III) cristalinos, (5) MO, (6) sulfuros (pirita) y (7) residual. En suelos o sedimentos sin carbonatos el paso 2 puede ser usado como la fracción de monosulfuros, la cual es recuperada en un 70%. Las fases de Fe(III) (pasos 3 y 4) son extraídas en más de un 80% y la pirita es totalmente extraída (>99%). Con el fin de estudiar el impacto de la oscilación del estado redox en el sedimento se realizó un experimento de laboratorio bajo condiciones controladas. Se pusieron sedimentos del embalse del Sancho (Cuenca del Odiel, SO de España), que recibe DAM (pH<4), en un tanque con agua del fondo del embalse durante aproximadamente 2 meses bajo condiciones variables de óxico/anóxico. La concentración del agua del tanque fue monitorizada durante todo el experimento y el sedimento (agua de poro y fase sólida) fue analizado al final de cada periodo óxico/anóxico. Los resultados se usaron para calibrar un modelo numérico de difusión-reacción, con objeto de cuantificar las velocidades de las reacciones y los flujos en la interfaz agua-sedimento. Bajo condiciones óxicas la concentración de protones, Fe y As disminuyó en el tanque debido a la precipitación de schwertmanita, mientras que la de Al, Zn, Cu, Ni y Co aumentó debido a la disolución de Al(OH)3 y sulfuros metálicos (SM). Se observó lo contrario durante condiciones hipóxicas. Bajo condiciones óxicas los flujos calculados mediante la primera ley de Fick contradijeron los flujos esperados por la evolución de las concentraciones en el tanque de agua. Esta discrepancia se atribuyó a la resolución analítica grosera usada (cm) en el sedimento que no permite observar el pico de concentración de pocos mm causado por la disolución de Al(OH)3 y SM. El modelo de laboratorio fue ampliado a condiciones reales mediante un nuevo modelo de transporte reactivo que añadió al anterior flujos sólidos y sedimentación. El modelo se calibró usando el agua de poro y las fases sólidas de varios puntos del embalse del Sancho en periodos de estratificación y de mezcla. Los resultados mostraron que un 45% del FeS y un 30% de los SM precipitados bajo condiciones anóxicas son redisueltos durante la época óxica. Los dos modelos evidenciaron que la MO es principalmente oxidada por el sulfato. Con respecto al consumo de oxígeno, en cambio, el modelo de laboratorio estimó que era debido principalmente a la oxidación del H2S y de los SM, mientras que el modelo nuevo otorgaba este consumo a la MO (76%) y al Fe(II) (9%). Esta diferencia es debida a que el modelo de laboratorio no contempló la acumulación de sedimento y los SM no son enterrados quedando expuestos a la penetración del frente de O2. Los dos modelos confirmaron que el sedimento actúa como sumidero de todos los elementos. Las cantidades acumuladas son del 10% en el caso del SO4, Al, Zn y Cu y del 2% en el caso del Co y Ni del total disuelto en el agua del embalse. El 80% del Fe y el 70% del As y el Mn transportados o precipitados en el embalse son acumulados en el sedimento. Finalmente, el modelo predijo que, ante el caso hipotético de que el agua de entrada fuese tratada, en 10 años el sedimento alcanzaría un nuevo estado estacionario sin emisiones de contaminantes al agua

In this thesis, it is presented a research for the implementation of a supervisory system that integrates different technical to complement and improve the management of Waste Water Treatment Plants. The protocol proposed synthetizes the experiences for the last years in the development of the different technical in the following Waste Water Treatment Plants: Manresa and Saint Joan de Vilatorrada, Cassà de la Selva-Llagostera, Sils-Vidreres and Girona / La present tesi recull una proposta de protocol per a la implementació d’un sistema supervisor que integri diferents tècniques per complementar i millorar la gestió que actualment es porta a terme a les estacions depuradores d’aigües residuals. El protocol proposat sintetitza i destil·la les pròpies experiències dels darrers anys en el desenvolupament de les diferents tècniques per a les estacions depuradores de Manresa i Sant Joan de Vilatorrada, Cassà de la Selva-Llagostera, Sils-Vidreres i Girona

El trabajo realizado en esta tesis doctoral tiene como objetivo mejorar las metodologías de la química teórica y computacional en la descripción de los efectos del entorno en sistemas químicos. La primera parte se centra en el efecto del solvente, en concreto en el desarrollo de modelos cuánticos continuos de solvatación, y en la derivación de modelos de solvatación fraccional obtenidos a partir de métodos continuos capaces de descomponer energías libres de solvatación y de transferencia entre solventes en contribuciones asociadas a fragmentos químicos de una molécula. Esto permite obtener el perfil tridimensional de las regiones hidrofóbicas/hidrofílicas de una molécula a partir de sus contribuciones fraccionales a la solvatación, siendo esta información muy útil en el establecimiento de relaciones cuantitativas estructura-actividad para el desarrollo de nuevos fármacos, o en la definiciones de índices de similaridad hidrofóbicos, basados en la similitud de este perfil tridimensional entre dos compuestos. Con este objetivo se ha parametrizado satisfactoriamente el modelo continuo MST para la predicción de coeficientes de partición octanol/agua y de energías libres de solvatación en agua, cloroformo, tetracloruro de carbono y octanol, tanto a nivel ab initio HF/6-31G(d) como a niveles semiempíricos AM1 y PM3. También se ha parametrizado el modelo MST para el estudio de especies iónicas en solución. Finalmente, se ha llevado a cabo una comparación entre la respuesta electrostática obtenida a partir de diferentes modelos continuos SCRF (MST, SM5.42R y MPE), ilustrando las grandes diferencias que se pueden encontrar entre las contribuciones electrostáticas y no electrostáticas según sea el modelo usado, y poniendo así de manifiesto la estrecha relación que hay que considerar entre estas contribuciones a la solvatación y la parametrización específica de cada modelo continuo. La metodología de solvatación fraccional usada ha permitido además ilustrar la dependencia de estas contribuciones fragmentales respecto a efectos electrónicos, estéricos o tautoméricos. La segunda parte de este trabajo se centra en el desarrollo de metodologías eficientes y precisas para la descripción de las fuerzas de polarización en campos de fuerzas clásicos. Se han estudiado dos metodologías, una basada en un tratamiento implícito de estas fuerzas a partir de un modelo de doble carga, que permite describir satisfactoriamente la distribución de carga de una molécula en un entorno aislado, y frente a la acción de un campo externo, respectivamente, permitiendo reproducir de forma adecuada las energías de polarización para una serie de complejos por puente de hidrógeno y catión-pi. También se ha estudiado la inclusión de los efectos de polarización mediante dipolos puntuales inducidos. En este sentido, se ha profundizado en una metodología capaz de obtener modelos distribuidos de polarizabilidades atómicas isotrópicas muy eficiente computacionalmente y que permite reproducir de forma precisa la polarizabilidad global de las moléculas para la serie de derivados bencénicos estudiados, así como la contribución de polarización en sus energías de interacción catión-pi con un catión de sodio. / The objective of this work is the improvement of the methodologies available in the field of theoretical and computacional chemistry for the description of the effects of environment in chemical systems.First, it is presented a set of studies on the effect of the solvent, in particular on the development of quantum continuum solvation models and the decomposition of free energies of solvation and transfer into contributions associated to chemical fragments of a molecule. In this way, it can be obtained a 3D picture of the hydrophobic/hydrophylic regions of a molecule, and this information is very valuable in the establishment of quantitative structure-activity relationships for the development of new drugs, and permits also the definition of a hydrophobic similarity index based on the the hydrophobic profile of two different compounds. The parametrization of the MST model presented is able to satisfactorily reproduce octanol/water partition coefficients and free energies of solvation in water, chloroform, carbon tetrachloride and octanol, both at the ab initio HF/6-31G(d) and semiempirical AM1 and PM3 levels of theory. The hydration of ionic species has also been revised in the framework of the MST model. Finally, a comparison of the electrostatic response obtained from different SCRF continuum models (MST, SM5.42R and MPE) is presented. A different balance between the electrostatic and nonelectrostatic contributions has been obtained from the different models, and show that it is necessary to mantain a close correspondece between each SCRF formalism and the specific details of its parametrization. Finally, the transferability of fragmental contributions to solvation has been explored. The second part of this work is aimed at the development of efficient methodologies for the description of polarization forces in classical force fields. Two methodologies has been explored. The first is based on an implicit treatment of these forces through a dual charge model, that represent the charge distribution of a molecule alone and in response to an external field, respectively. Finally, the explicit treatment of polarization effects through induced point dipoles has been studied. In particular, it has been explored an efficient methodology to obtain distributed models of atomic isotropic polarizabilities.

Textile industry consumes large amount of water in their processes, mainly in dyeing and finishing operations. In general, during the dyeing process, up to 30% of dyes used can be discharged into wastewater. For this reason, the wastewater generated by this industry is characterized by high colouration. Different treatments such as biological or physico-chemical processes have been used to treat this kind of wastewater. Nonetheless, these treatments do not degrade dyes and, in general, a post-treatment is required. In recent years, the interest for the application of membranes technologies to the removal of dyes has increased significantly. In this work, the feasibility to treat textile effluents containing residual dyes by means of membrane processes has been studied. In addition, the reuse of recovered dyes and/or treated water in new dyeing processes has been also tested. With this propose, two classes of dyes were selected: vat, represented by indigo, and disperse dyes. Vat dyes are one of the most popular dyes in the textile industry, especially indigo dye which is used in the denim industry. Its main advantage is the low solubility in water when is into its oxidized form, being easily separated by means of membranes. Before the membrane study, it was necessary to develop and validate analytical methods for indigo dye determination in dye baths. Although the three studied methods were able to quantify the indigo dye, the redox titration was selected as the most suitable for the measurement of indigo dye concentration in dye baths. Regarding the membrane treatment, industrial effluents that contained indigo dye were treated by means of different PVDF ultrafiltration membranes at laboratory and semi-industrial scale. The membrane treatment enabled to remove and recover indigo dye from wastewater. Moreover, the concentrates containing 20 g·L-1 of indigo dye were able to be reused in new dyeing processes. Fabrics dyed with 100% of recovered indigo exhibited similar characteristics than the ones obtained with the commercial dye. Disperse dyes were selected because they are used for dyeing of polyester which is the most consumed fibre in the world. First of all, synthetic effluents containing disperse dyes were treated by a PVDF ultrafiltration membrane. About 90% and 96% COD decrease and dye removal were achieved, respectively. The 100% of the obtained permeate was reused in new dyeings and no significant colour differences were observed between reference fabrics and the ones dyed with the permeate. Subsequently, textile effluents supplied by a polyester mill were treated by coupling a homogenization-decantation treatment with two PVDF ultrafiltration membranes at both laboratory and semi-industrial scale. At the end of treatments, the COD removal was 66% and colour reduction was 30%. Regarding the permate study, 100% permeate could be reused in the case of monochromies whereas 50% permeate was reused for trichromies. Finally, a hybrid treatment based on the combination of polysulphone membrane microfiltration and heterogeneous photocatalytic process was evaluated to degrade disperse dyes. The photocatalytic treatment was optimized and provided 60-90% dye degradation and COD removal from 70% to 98%. The membrane treatment enabled to separate the TiO2 particles and provided very high quality permeates. / La industria textil consume grandes cantidades de agua en sus procesos, principalmente en las operaciones de tintura y acabado. En general, durante el proceso de tintura, hasta un 30% del colorante utilizado puede ser vertido en las aguas residuales. Por esta razón, las aguas residuales generadas por esta industria se caracterizan por presentar una fuerte coloración. Diferentes tratamientos, como procesos biológicos o físico-químicos, han sido usados para tratar este tipo de aguas residuales. Sin embargo, ninguno de estos tratamientos permite la degradación del colorante, siendo necesario un post-tratamiento. Por ello, en los últimos años, se ha incrementado el interés por la tecnología de membranas en la eliminación de los colorantes. En este trabajo, se ha estudiado la viabilidad de los procesos de membranas para el tratamiento de efluentes textiles que contenían colorantes residuales. Además, también se evaluó la posibilidad de reutilizar los colorantes recuperados y/o el efluente tratado en nuevos procesos de tintura. Para llevar a cabo este objetivo, se seleccionaron dos clases de colorantes: tina, representados por el colorante índigo, y los dispersos. Los colorantes tina son uno de los más utilizados en la industria textil, especialmente el colorante índigo el cual se usa en la industria del denim. Una de las principales ventajas de este colorante es su baja solubilidad en agua cuando se encuentra en su forma oxidada, lo que facilita su separación mediante membranas. Antes del estudio de recuperación del colorante índigo, fue necesario desarrollar y validar métodos analíticos para su determinación en los baños residuales. Aunque los tres métodos estudiados permitieron su cuantificación, el método basado en la valoración redox fue seleccionado como el más adecuado para la determinación de índigo en baños de tintura. Con respecto al tratamiento con membranas, efluentes industriales que contenían colorante índigo fueron tratados mediante membranas de ultrafiltración de PVDF a escala de laboratorio y semi-industrial. El tratamiento permitió recuperar el índigo y concentrarlo hasta 20 g·L-1, pudiendo ser reutilizado en nuevos procesos de tintura. Las tinturas llevadas a cabo con el 100% del colorante recuperado mostraron similares características que las tinturas con colorante comercial. Los colorantes dispersos fueron seleccionados debido a que se utilizan en la tintura de fibras de poliéster, la cual es la más consumida a nivel mundial. En primer lugar, los efluentes que contenían colorantes dispersos fueron tratados con membranas de ultrafiltración de PVDF, consiguiéndose hasta un 90% de DQO y un 96% de disminución en la concentración del colorante. El 100% del permeado obtenido se reutilizó en nuevas tinturas sin observarse diferencias de color significativas con respecto a las tinturas de referencia llevadas a cabo con agua descalcificada. Posteriormente, efluentes suministrados por una empresa especializada en la tintura de fibras de poliéster, fueron tratados mediante la combinación de un proceso de homogenización-decantación y dos membranas de ultrafiltración de PVDF, a escala de laboratorio y semi-industrial. Al final de ambos tratamientos, se obtuvo una eliminación de DQO del 66% y una reducción del color del 30%. El 100% del permeado obtenido pudo ser reutilizado en el caso de monocromías, mientras que el 50% fue reutilizado en tinturas con tricromías. Finalmente, se evaluó la degradación de los colorantes dispersos con un sistema hibrido formado por un procesos fotocatalítico y una membrana de microfiltración de polisulfona. El tratamiento fotocatalítico se optimizó obteniéndose una eliminación del colorante entre el 60% y el 90%, y una eliminación de DQO entre el 70% el 98%. La membrana permitió separar las partículas de TiO2, consiguiéndose un permeado de alta calidad.

Water and sanitation improvements together with good hygiene (WaSH) have well-known positive impacts on human development and poverty alleviation. However, universal access to safe drinking water and basic sanitation remains a huge challenge in many low income countries, where vast numbers of people lack these basic services. To help end this appalling state of affairs, the Millennium Development Goals and other international initiatives have been launched to reduce the proportion of underserved people. These efforts, however, have been hampered by the lack of meaningful indicators to measure coverage and to establish progress towards the goals and targets set out by the international community. From an institutional viewpoint, the competences for many sector-related responsibilities have been delegated to lower administrative levels of government. It has come to be widely accepted that such decentralization process can help to reduce poverty because local governments are assumed to be more knowledgeable about and responsive to the needs of the poor. The sector also calls for greater transparency and accountability. In all, local decision-makers are being increasingly challenged by the need to take informed decisions and give an objective account of their actions, which rely crucially on adequate monitoring and reporting systems. Amongst others, available data may be employed to i) measure progress and performance; ii) improve transparency in budgetary procedures; and iii) allocate resources to deliver services where they are most needed. Today, reliable information on key WaSH-related variables at the local level is often missing, but even when it is available, the uptake and usage of such data by policymakers is, at best, challenging. Limited capacity of recipient governmental bodies, an inadequate monitoring and reporting framework, and lack of data updating mechanisms are common reasons that hamper an adequate appropriation and continued use of the data for planning and monitoring purposes. In an effort to address the shortcomings cited above, this thesis discusses methodologies for routine data collection and develops tools and processes to support local planning. In doing so, it covers the monitoring cycle of data collection, data analysis and data dissemination. In Chapter 1, an improved approach for data collection is presented. It combines two different information sources: the water point and the household, and thus provides a more complete picture of the context in which the services are delivered. Chapter 2 reviews four different approaches that are commonly adopted for monitoring purposes: i) health impact indicators; ii) the Joint Monitoring Programme; iii) one multidimensional, water-focused composite indicator; and iv) easy-to-use planning indices designed locally on an ad hoc basis. From a policy-making perspective the usefulness of outcomes produced by each approach is discussed. Chapter 3 introduces a variety of policy tools that may be used to promote decision-making: i) composite indices; ii) a small set of simple thematic indicators; and iii) object oriented Bayesian networks (ooBn). Chapter 4 presents different alternatives to enhance data interpretation and disemination, which is crucial to promote evidence-based and equity-oriented planning. Overall, results indicate that accurate and comprehensive data, if adequately collected, exploited and visualized through simple instruments, can serve as the basis for effective targeting and prioritization, both central to sector planning. The actual application and implementation of the proposed monitoring and reporting tools and processes in the real world, however, is to a certain extent elusive; and this has been pointed out as a major weakness of this research. Two specific challenges that remain unaddressed, namely the upgrading of decision support systems, and the design of data updating mechanisms, suggest the way forward. / Assegurar l'accés a l'aigua, promoure la higiene i facilitar l'accés al sanejament ajuda a prevenir la transmissió de malalties relacionades amb una deficient provisió d’aquests serveis i reduir el risc d'epidèmies. No obstant, l'accés universal a l'aigua potable i als serveis bàsics de sanejament segueix sent un enorme desafiament en molts països en vies de desenvolupament, on un gran nombre de persones continuen sense tenir cobertes unes necessitats bàsiques. En aquest context, el sector ha vist com es posaven en marxa vàries iniciatives, com els Objectius de Desenvolupament del Mil·lenni, per tal de reduir la proporció de persones desateses. Aquests esforços, però, s'han vist obstaculitzats per la falta d'indicadors fiables alhora d’avaluar el nivell de cobertura i de mesurar els avenços envers les metes i els objectius establerts per la comunitat internacional. En els darrers anys, les competències sectorials s'han delegat a les administracions locals, sota el supòsit de que els processos de descentralització ajudarien a reduir la pobresa en base a un millor coneixement, per part de les autoritats locals, sobre les necessitats reals de la població. Així mateix, també ha anat creixent la demanda de més transparència i una millor rendició de comptes. Per tots aquests motius, cada vegada s’ha anat qüestionant més el fet de que els processos de presa de decisió no es fonamentin en informació actualitzada i basada en evidències, i no depenguin per tant d’un marc adequat que permeti el correcte seguiment, avaluació i la presentació periòdica d'informes. Entre altres coses, la informació disponible s’hauria de poder utilitzar per i) mesurar els avenços i el progrés assolit; ii) millorar la transparència i el control pressupostari; i iii) assignar els recursos disponibles de manera equitativa. Dissortadament, la informació sobre el sector és generalment escassa, però fins i tot quan és accessible, el seu ús per part dels governants és limitat. Amb la voluntat d’abordar aquest accés i ús deficient de la informació, aquesta tesi desenvolupa eines i processos per donar suport a la planificació local dels servies d’aigua i sanejament. En síntesi, es pretén cobrir tot el cicle de la informació, que integra la recollida, l’anàlisi i la seva posterior difusió. En el capítol 1 es presenta una metodologia millorada per a la recopilació de dades. Aquesta combina dues fonts d'informació: el punt d'aigua i la llar; i en conseqüència proporciona una visió més completa del context en què es proveeixen els serveis. El Capítol 2 presenta quatre enfocaments diferents a l’hora d’avaluar el nivell de servei: i) indicadors d'impacte sobre la salut; ii) el Programa Conjunt de Seguiment de la OMS i UNICEF; iii) un indicador agregat multidimensional; i iv) una bateria d’índexs de planificació dissenyats ad hoc per respondre a les necessitats locals. Es discuteix la utilitat de cada alternativa i la seva pertinença des d’una òptica de política pública. El Capítol 3 introdueix varis instruments dissenyats per a promoure la presa de decisions: i) índexs agregats; ii) indicadors temàtics senzills; i iii) les xarxes bayesianes. El Capítol 4 presenta diferents alternatives per millorar la interpretació i disseminació de la informació, que esdevenen activitats necessàries per a promoure una planificació basada en l'evidència i orientada a l'equitat. Per concloure, els resultats indiquen que l’accés a la informació, si aquesta es compila correctament, s’explota i es visualitza a través d’instruments i processos senzills, pot revertir en una correcta priorització d’accions i de grups beneficiaris i, per tant, millorar la planificació sectorial. És cert, però, que l'aplicació real i la posada en pràctica d’aquestes eines i processos no és en cap cas trivial. Es plantegen, en aquest sentit, dos reptes que suggereixen el camí a seguir: la millora dels sistemes de suport a les decisions i el disseny de mecanismes adequats per a l'actualització de dades.

Tesi per compendi de publicacions. La consulta íntegra de la tesi, inclosos els articles no comunicats públicament per drets d'autor, es pot realitzar prèvia petició a l'Arxiu UPC / A more sustainable and secure energy supply is required for the forthcoming generations; where the actual dependence on the fossil fuel reserves should be replaced by self-sufficiency and use of renewable energy resources. Conventional sewage treatment is an energy consuming process, or more specifically, an electricity consuming process. Notwithstanding, energy on Waste Water Treatment Plants is not only considered in terms of consumption reduction, but also in terms of production of renewable energy in form of biogas. Today, achieving energy self-sufficiency is limited by the low electrical efficiencies of conventional biogas-powered Combined Heat and Power systems; but fuel cell technology is appearing on the scene in the recent years offering both a higher electrical efficiency and a further reduced environmental impact. Biogas energy valorization in fuel cells combines a high-efficient technology for electrical generation, i.e.: fuel cell, with the use of a renewable fuel, i.e.: biogas. Raw biogas contains a wide range of contaminants, mainly sulfur and organic silicon compounds (siloxanes), which pose a risk to Solid Oxide Fuel Cell operation; hence biogas requires a thorough conditioning and cleaning process upstream the fuel cell unit. Moreover, monitoring of siloxanes levels remained somewhat controversial with discrepancies on optimal sampling procedure as well as quantification technique; hindering the design and operation of siloxanes removal technologies. This work is devoted to studying and validating the whole biogas energy valorization line, including the biogas treatment system and the fuel cell operation. The integration of low-cost biological desulphurization and deep polishing physico-chemical adsorption processes with a Solid Oxide Fuel Cell has been studied in an industrial 2.8 kWe pilot plant installed in a Waste Water Treatment Plant in Spain, showing that the stringent gas quality requirements of 0.5 ppmv S and 1 mg Si/Nm3 can be satisfied with over the long-term. The technical and economic comparison of Solid Oxide and Molten Carbonate Fuel Cell performance with conventional Internal Combustion Engines and Micro-Turbines has been also conducted for different plant sizes and raw biogas compositions, confirming the relevant role that fuel cells can play on carbon neutral sewage treatment; particularly in small- and medium-size plants. Today the final justification for biogas valorization in fuel cell systems needs to be found in environmental issues as some improvements both in the performance and costs are still required. Nonetheless, this thesis demonstrates that the economics for this next-generation technology are expected for the short-term. Further collaborative research between biogas producers, suppliers of biogas treatment systems and manufacturers of fuel cells is required in the near future for Solid Oxide Fuel Cell technology deployment in the sewage sector. / El subministrament d'energia sostenible i segur és un dels reptes més rellevants per a les properes generacions, on la dependència actual en les fonts d'energia basades en combustibles fòssils haurà de ser substituïda per l'autosuficiència i l'ús dels recursos energètics renovables. El tractament convencional d'aigües residuals urbanes és un procés que consumeix grans quantitats d'energia, o més específicament, grans quantitats d'electricitat. En aquest sentit, l'energia a les Estacions Depuradores d'Aigües Residuals s'ha de tractar no només en termes de reducció del consum, sinó també en termes de producció d'energia renovable a partir del biogàs. Avui en dia, no és possible assolir l'autosuficiència energètica a causa de les baixes eficiències elèctriques dels sistemes de cogeneració convencionals alimentats per biogàs. Tot i això, en els darrers anys, la tecnologia de les piles de combustible està apareixent en escena, oferint una millor eficiència elèctrica i una reducció en l'impacte ambiental. La valorització energètica de biogàs en piles de combustible combina una tecnologia d'elevada eficiència per a la generació d'energia (la pila de combustible), amb l'ús d'un combustible renovable (el biogàs). S'ha de tenir en compte que el biogàs brut conté una àmplia gamma de contaminants, especialment compostos de sofre i de silici orgànic (siloxans), que comporten un risc operatiu per al correcte funcionament de les piles de combustible d'òxid sòlid. Per tant, s'ha d'instal·lar una etapa d'acondicionament i neteja exhaustiu del biogàs abans que es pugui introduïr a la pila de combustible. D'altra banda, la monitorització de les concentracions de siloxans presenta discrepàncies en relació al procediment òptim per al seu mostreig i en la tècnica analítica de quantificació; dificultant d'aquesta manera el disseny i la operació de les tecnologies d'eliminació d'aquests compostos. Aquest treball es centra en l'estudi i validació de tota la línia de valorització energètica, incloent el sistema de tractament de biogàs i la operació de la pila de combustible. S'ha estudiat la integració de tecnologies de dessulfuració biològica de baix cost i de processos d'adsorció fisicoquímica amb una pila de combustible d'òxid sòlid en una planta pilot industrial de 2.8 kWe instal·lada en una Estació Depuradora d'Aigües Residuals a Catalunya (Mataró). Els resultats experimentals han demostrat que les tecnologies de tractament de biogàs són capaces d'assolir els exigents nivells de qualitat de 0.5 ppmv S i 1 mg Si/Nm3 tant en el curt com en el llarg plaç. Per altra part, s'ha realitzat una estudi tècnic-econòmic comparatiu entre les piles de combustible (d'òxid sòlid i de carbonat fos) amb els motors de combustió interna i les microturbines per a diferents tamanys de planta i composicions del biogàs. D'aquesta manera, s'ha confirmat el paper important que poden jugar les piles de combustible en l'assoliment d'un tractament d'aigües residuals autosuficient; particularment en plantes de tamany petit i mitjà. Avui en dia, els projectes de valorització energètica de biogàs a través de piles de combustible encara s'han de justificar per raons ambientals ja que es requereixen millores tant en el rendiment tècnic com en els costos d'inversió. No obstant, aquesta tesi demostra que aquesta tecnologia de pròxima generació serà econòmicament viable en el curt termini i podrà competir amb les tecnologies convencionals. La investigació col·laborativa entre productors de biogàs, proveïdors de tecnologies de tractament i fabricants de piles de combustible serà imprescindible durant els propers anys per tal que la tecnologia pugui convertir-se en una realitat en el sector del tractament d'aigües residuals urbanes.