Master of Science / Department of Civil Engineering / Prathap Parameswaran / The ever-increasing demand for water, food, and energy and the simultaneous diminishment of our planets’ ecosystems wrought by humans have prompted a more sustainable approach to engineering the built environment. Wastewater treatment systems stand at the interface that connects the built and natural environment where potential solutions for resource and environmental issues exist. Wastewater treatment technologies can address issues involving water, food, energy, and environmental regulation when resources are properly captured from the wastewater while it’s being treated. This way of thought allows wastewater to be perceived as a source of valuable products rather than an obligate waste stream. For this reason, anaerobic wastewater treatment is progressively being considered because of its ability to improve energy and resource recovery, while reducing costs and environmental impacts associated with conventional domestic wastewater treatment. More specifically, anaerobic membrane bioreactors (AnMBRs) hold promise to effectively treat wastewater at low temperatures with low energy and nutrient requirements, low sludge production, while having the benefit of generating methane-rich biogas suitable as an energy source and the potential to capture nutrients used to fertilize cropland. But, at low temperatures the microbial communities that control anaerobic digestion (AD) face biochemical obstacles. Elucidating the microbial community dynamics within AnMBRs with respect to seasonal temperatures will give insight on how to efficiently operate AnMBRs with the goal of energy-neutral wastewater treatment. DNA based tools such as advanced high-throughput sequencing was coupled with AnMBR process data to explicate the mechanism of methane production in the suspended biomass of an AnMBR from a mesophilic startup leading into psychrophilic conditions, and then returning to mesophilic temperatures.

This Ph.D. thesis evaluates the joint treatment of WW and the organic fraction of the municipal solid waste (OFMSW) using the AnMBR (Anaerobic Membrane BioReactor) technology, obtaining methane-enriched biogas as a product, which could produce energy. OFMSW physicochemical characterization revealed that OFMSW COD concentration (59400±14000 mg·L-1) is a hundred times higher than the average values of COD in the WW. Therefore, an important increment in biogas production is expected. Besides that, OFMSW and WW sulphate concentration has similar concentration ranges, so COD/S-SO4 ratio increases and methanogenic Archaea (MA) is favoured in its competition for the available substrate against sulphate-reducing bacteria (SRB). OFMSW total nitrogen concentration is two times higher than in the WW. OFMSW total phosphorous concentration, is 10 times higher in comparison to WW. The particle size distribution study says that only 13% of the particles will be removed in a restrictive pre-treatment, as a 0.5 mm fine screening membrane protector. Therefore, most of the organic matter will pass through the sieving process and will be fed into the anaerobic digester for valorisation. OFMSW anaerobic biodegradability, obtained from BMP tests, is 72±3%. The pilot-plant was operated for 536 days, during which six different periods can be distinguished according to different sludge retention times (SRT) and OFMSW penetration factor (PF). OFMSW COD concentration increases the organic load of the influent which feds the AnMBR reactor. OFMSW proportion with regard to the total flow (1,1%) has a dilution effect that makes no change in nutrient concentration. Therefore, COD/S-SO4 ratio increases from 5.1 in Period 1 (40 days of SRT and 0% PF) to 8.0 in Period 5 (70 days of SRT and 80% PF). Methane production during joint treatment is significantly higher compared to Periods when only treating WW (Periods 1 and 6), reaching a 200% increment at 80% PF (Period 5) compared to Period 1. As expected, the longer the SRT the higher methane production with the same PF. At 40% PF and 70 days of SRT in Period 4, production is higher than 40 days SRT in Period 2 (114,9 L·kg-1 removed COD vs 80,4 L·kg-1 removed COD, respectively). Furthermore, doubling PF increased methane production by 30% (Period 4 vs Period 5) and by nearly 200% between P5 and P1 (from 0 to 80% PF). Effluent obtained in the AnMBR is nutrient-enriched and, thanks to the membrane effect, there are no suspended solids or pathogens in it, becoming a high-quality effluent, which could be used as irrigation water. Besides that, COD concentrations were lower than the limit concentration allowed to accomplish the discharge requirements (125 mg COD ·L-1). OFMSW addition and SRT increment results in a population change in the anaerobic reactor because of the increment in the bacterial population in charge of hydrolysis and fermentation and also in MA, leading to a higher organic matter biodegradability. After the calibration of the BNRM2 model, the performed simulations confirmed this higher biodegradability during the joint treatment periods. Membrane fouling was minimum, transmembrane pressure (TMP) in the membrane was significantly low (-0.131±0.06 bar) compared to the limit TMP (-0.40 bar). Regarding the economic study of the operation, the lower cost was found in Period 5 (70 days of SRT and 80% PF), achieving a benefit of 0.022 €·m-3 treated, due to the biogas operation against Period 1 (40 days of SRT and 0% PF) with an operation cost of 0.039 €·m-3 treated, under optimal filtration conditions, demonstrating that the joint treatment of OFMSW in an AnMBR reduces the operation costs. This Ph.D. thesis has demonstrated the technical and economic feasibility of the joint treatment of WW and OFMSW by using the AnMBR technology and the considerable interest in this treatment as a future option to convert the waste water treatment plants to water resource recovery facilities. / En esta Tesis Doctoral se evalúa la viabilidad técnico-económica del tratamiento conjunto de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (FORSU) y las aguas residuales urbanas (ARU) mediante la tecnología AnMBR (Anaerobic Membrane BioReactor) obteniendo como producto el biogás, rico en metano, que puede producir energía. La caracterización físico-química de la FORSU pone de manifiesto una elevada concentración de materia orgánica de la FORSU (59400±14000 mg DQO·L-1), cien veces mayor respecto de los valores medios de ARU. Por ello, se espera un notable aumento de la producción de biogás. Además, la concentración de sulfato, se mantiene en unos rangos de concentración similares a los del ARU, de forma que la relación DQO/S-SO4 aumenta, favoreciendo a las Archaea metanogénicas (AM) en su competición por el sustrato disponible contra las bacterias sulfatoreductoras. La concentración de nitrógeno total es casi el doble de la del ARU afluente y 10 veces mayor en el caso del fósforo total. En el estudio de distribución de tamaño de partículas, se refleja que sólo el 13% de las partículas se eliminarán tras un pretratamiento de tamizado por 0,5 mm. Por lo tanto, la mayor parte de la materia orgánica pasa a través del proceso de tamizado y alcanza el reactor anaerobio para su valorización. La biodegradabilidad anaerobia de la FORSU, obtenida a partir de ensayos de BMP, es del 72±3%.La planta piloto AnMBR se operó durante 536 días, periodo en el cual se estudiaron distintas condiciones de operación modificando el tiempo de retención celular (TRC) y la proporción de FORSU introducida en el sistema (factor de penetración, FP). El aporte de DQO debido a la adición de la FORSU implica un notable incremento de la carga orgánica en la entrada al reactor AnMBR. La proporción de FORSU respecto al caudal total (1,1 %) provoca un efecto de dilución que hace que el aporte de nutrientes por parte de los residuos prácticamente no se aprecie. Así, la relación DQO/S-SO4 se ve incrementada de 5,1 en el Periodo 1 (TRC de 40 días y 0% de FP) a 8,0 en el Periodo 5 (TRC de 70 días y 80% de FP). La producción de metano durante el tratamiento conjunto es notablemente mayor que en los periodos donde sólo se trata ARU, alcanzando un incremento de casi un 200% cuando se trabaja con un FP del 80% y 70 días de TRC en el Periodo 5 con respecto de la producción sin FORSU. En general, la producción de metano es mayor cuanto mayor es el TRC. Con un mismo FP del 40%, se consigue una mayor producción en el Periodo 4, con 70 días de TRC (114,9 L·kg-1 DQO eliminada) que en el Periodo 2, con 40 días (80,4 L·kg-1 DQO elim). Por otro lado, al incrementar el FP de la FORSU al doble, se observa un aumento del 30% en la producción de metano y casi de un 200% al comparar con el periodo previo al tratamiento conjunto. El efluente obtenido es rico en nutrientes, y, gracias al efecto de las membranas, no hay presencia de sólidos suspendidos o patógenos, dotando al efluente de una gran calidad, por lo que puede ser utilizado como agua de riego. Además, se cumplieron los límites de vertido de DQO durante todo el experimento. La incorporación de la FORSU y el incremento del TRC provocan un cambio poblacional en las bacterias encargadas de la hidrólisis y la fermentación y de AM, traduciéndose en una mayor biodegradabilidad del afluente. Durante los diferentes periodos, el ensuciamiento de las membranas fue mínimo, la presión transmembrana (PTM), de -0,131±0,06 bar está muy alejada de la PTM límite (-0,40 bar. El menor coste económico se dio en el Periodo 5 (con TRC de 70 días y 80% de FP), demostrando que la adición de la FORSU reduce el coste de operación. La presente Tesis Doctoral ha demostrado la viabilidad del tratamiento conjunto de aguas residuales y FORSU con la tecnología AnMBR y el gran interés de este tratamiento como una opción de futuro dentro del concepto actual de transformar l / En aquesta Tesi Doctoral s'avalua la viabilitat tècnic-econòmica del tractament conjunt de les aigües residuals urbanes (ARU) i la fracció orgànica dels residus sòlids urbans (FORSU) mitjançant la tecnologia AnMBR (Anaerobic Membrane BioReactor), obtenint com a producte el biogàs, ric en metà, que pot produir energia. La caracterització físic-química de la FORSU posa de manifest una elevada concentració de matèria orgànica de la FORSU (59400±14000 mg DQO·L-1), cent vegades major respecte dels valors mitjans d'ARU. Per aquest motiu, s'espera un notable augment de la producció de biogàs. A més, la concentració de sulfat, es manté en uns rangs de concentració similars als del ARU, de manera que la relació DQO/S-SO4 augmenta, afavorint a les Archaea metagéniques (AM) en la seua competició pel substrat disponible contra els bacteris reductors de sulfat. La concentració de nitrogen total és quasi el doble de la del ARU afluent i 10 vegades major en el cas del fòsfor total. En l'estudi de distribució de grandària de partícules, es reflecteix que només el 13% de les partícules s'eliminaran després d'un pretractament restrictiu, com és el tamisat per 0,5 mm. Per tant, la major part de la matèria orgànica pansa a través del procés de tamisat i aconsegueix arribar al reactor anaerobi per a la seua valorització. La biodegradabilitat anaeròbia de la FORSU, obtinguda a partir d'assajos de BMP, és del 72±3%. Durant l'operació desenvolupada a escala de planta pilot, per un període de 536 dies, s'estudien sis períodes diferents modificant el temps de retenció cel·lular (TRC) i el factor de penetració (FP) de la FORSU. L'aportació de DQO a causa de l'addició de la FORSU implica un notable increment de la càrrega orgànica en l'entrada al reactor AnMBR. La proporció de FORSU respecte al cabal total (1,1 %) provoca un efecte de dilució que fa que l'aportació de nutrients per part dels residus pràcticament no s'aprecie. Així, la relació DQO/S-SO4 es veu incrementada de 5,1 en el Període 1 (TRC de 40 dies i 0% de FP) a 8,0 en el Període 5 (TRC de 70 dies i 80% de FP). La producció de metà durant el tractament conjunt és notablement major que en els períodes on només es tracta ARU (Períodes 1 i 6), aconseguint un increment de quasi un 200% quan es treballa amb un FP del 80% en el Període 5 respecte a la producció en el Període 1. En general, la producció de metà és major com més gran és el TRC. Amb un mateix FP del 40%, s'aconsegueix una major producció en el Període 4, amb 70 dies de TRC (114,9 L·kg-1 DQO eliminada) que en el Període 2, amb 40 dies (80,4 L·kg-1 DQO eliminada). D'altra banda, en incrementar el FP de la FORSU al doble, s'observa un augment del 30% en la producció de metà i quasi d'un 200% en comparar amb el període previ al tractament conjunt. L'efluent obtingut és ric en nutrients, i, gràcies a l'efecte de les membranes, no hi ha presència de sòlids suspesos o patògens, dotant a l'efluent d'una gran qualitat, per la qual cosa pot ser utilitzat com a aigua de reg. A més, es van complir els límits d'abocament de DQO durant tot l'experiment. La incorporació de la FORSU i l'increment del TRC provoquen un canvi poblacional en els bacteris encarregats de la hidròlisi i la fermentació i d'AM, traduint-se en una major biodegradabilitat de l'afluent. L'embrutiment de les membranes va ser mínim, la pressió transmembrana (PTM) en el mòdul de membranes de -0,131±0,06 bar està molt allunyada de la PTM límit (-0,40 bar). El menor cost econòmic es va donar en el Període 5 (amb TRC de 70 dies i 80% de FP) demostrant que el tractament conjunt de la FORSU en un AnMBR redueix el cost d'operació. La present Tesi Doctoral ha demostrat la viabilitat del tractament conjunt d'aigües residuals i FORSU amb la tecnologia AnMBR i el gran interès d'aquest tractament com una opció de futur dins del concepte actual de transformar les estacions de tractament / Moñino Amorós, P. (2017). Estudio de viabilidad de la incorporación de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (FORSU) al tratamiento de aguas residuales mediante la tecnología de bioreactor de membranas anaerobias (AnMBR) [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/80535 / TESIS

Anaerobic membrane bioreactors (AnMBR) have been established as an efficient method of wastewater treatment to obtain high-quality effluent with low energy consumption. However, membrane fouling leading to flux reduction and an increase in operational costs can negate potential benefits associated with AnMBR. Today’s conventional membrane cleaning process includes physical and chemical approaches, both of which have their own drawback. For this reason, the biological approach was proposed as an alternative to dangerous, energy-consuming, and environmentally unsafe treatment techniques. The combination of UV-C and bacteriophage offers an alternative chemical-free approach for biofouling control. This dissertation aims to test the different order of using UV-C and bacteriophage to clean anaerobic membrane. This dissertation also demonstrates a proof-of-concept to achieve semi-online cleaning using UV-C and bacteriophage, thus increasing the feasibility of described technology. As a result of this work, it was shown that preliminary UV exposure enhances bacteriophage propagation into thick biofilms, and that the bacteriophages are able to affect total cell number and extracellular polymeric substances (EPS) compared to the control. Compared to the control, the semi-online cleaning strategy also resulted in a membrane that took a longer time for the transmembrane pressure to increase in the next operation cycle after cleaning.

Aerobic (AeMBRs) and Anaerobic Membrane Bioreactors (AnMBRs) are an essential part of the advanced wastewater treatment options, which offer advantages in terms of higher effluent discharge and smaller footprints over the traditional wastewater treatment. This study evaluates the performance of (AnMBRs) by analyzing the cumulative effect of eleven physico-chemical parameters from the data obtained from the studies conducted from year 2000 onwards. Effect of various parameters such as Solid Retention Time (SRT), Hydraulic Retention Time (HRT), Mixed Liquor Suspended Solids (MLSS), influent Chemical Oxygen Demand (COD), Organic Loading Rate (OLR), influent COD, and temperature on the COD removal, methane production and membrane fouling were evaluated. Spearman’s correlation analysis was performed to investigate the impact of environmental and operational parameters on membrane fouling, COD reduction, EPS/SMP and methane production and explain the results. It should be noted that the literature used has all needed variables; incomplete data sets were removed for the regression analysis, in this case, the fouling rate may be estimated. Of these variables, the fouling rate was significantly correlated only with flux (r = 0.291, p =

Landfilling is the most widely used method for the disposal of municipal solid wastes (MSW) in the United States due to its simplicity and low cost. According to the 2014 report on Advancing Sustainable Materials Management by the USEPA, only 34% of the total MSW generated in the US was recycled, while 13% was combusted for energy recovery. In 2014, 53% of the MSW generated, (i.e. 136 million tons) in the US was landfilled. The treatment of landfill leachates, generated by percolation of water through the landfill, primarily due to precipitation, has been found to be one of the major challenges associated with landfill operation and management. Currently, leachates from most landfills are discharged into wastewater treatment plants, where they get treated along with domestic sewage. Issues associated with treatment of landfill leachates due to their high nitrogen and heavy metal content have been widely studied. Recently, it has been observed that the organic carbon in landfill leachates, specifically humic and fulvic acids (together referred to as "humic substances") contain aromatic groups that can absorb large amounts of ultraviolet (UV) light, greatly reducing the UV transmissivity in wastewater plants using UV disinfection as the final treatment step. This interference with UV disinfection is observed even when landfill leachates constitute a very small fraction (of the order of 1%) of the total volumetric flow into wastewater treatment plants. Humic substances are present as dissolved organic matter (DOM) and typically show very low biodegradability. Removing these substances using chemical treatment or membrane processes is an expensive proposition. However, the concentrations of humic substances are found to be reduced in leachates from landfill cells that have aged for several years, suggesting that these substances may be degraded under the conditions of long-term landfilling. The primary objective of this research was to use a two-stage process employing thermophilic pretreatment followed by a mesophilic anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) to mimic the conditions of long-term landfilling. The AnMBR was designed to keep biomass inside the reactor and accelerate degradation of biologically recalcitrant organic carbon such as humic substances. The treatment goal was to reduce UV absorbance in raw landfill leachates, potentially providing landfills with an innovative on-site biological treatment option prior to discharging leachates into wastewater treatment plants. The system was operated over 14 months, during which time over 50% of UV-quenching organic carbon and 45% of UV absorbance was consistently removed. To the best of our knowledge, these removal values are higher than any reported using biological treatment in the literature. Comparative studies were also performed to evaluate the performance of this system in treating young leachates versus aged leachates. Next-generation DNA sequencing and quantitative PCR (qPCR) were used to characterize the microbial community in raw landfill leachates and the bioreactors treating landfill leachate. Analysis of microbial community structure and function revealed the presence of known degraders of humic substances in raw as well as treated landfill leachates. The total number of organisms in the bioreactors were found to be higher than in raw leachate. Gene markers corresponding to pathogenic bacteria and a variety of antibiotic resistance genes (ARGs) were detected in raw landfill leachates and the also in the reactors treating leachate, which makes it necessary to compare these ARG levels with wastewater treatment in order to determine if leachates can act as sources of ARG addition into wastewater treatment plants. In addition, the high UV absorbance of leachates could hinder the removal of ARBs and ARGs by UV disinfection, allowing their release into surface water bodies and aiding their proliferation in natural and engineered systems. / Ph. D.

The most significant environmental problems related to the food industry is water consumption and pollution, energy consumption and waste production. Most of the water that does not become a part of the products ultimately leaves plants in the form of wastewater, which is often very specific and requires adequate handling / treatment / disposal. For the purpose of this thesis, brewery industry was chosen, because of its very long tradition in the Czech history and culture. Anaerobic technologies are applied for still wider range of industrial wastewater treating. In general anaerobic membrane bioreactors (AnMBRs) can very effectively treat wastewater of different concentration and composition and produce treated water (outlet, permeate) of excellent quality, that can be further utilised. At the same time, it can promote energy self-sufficiency through biogas production usable in WWTPs / plants. Main disadvantages include unavoidable membrane fouling and generally higher CAPEX / OPEX. Within the framework of Ph.D. studies and related research activities, immersed membrane modules for anaerobic applications were selected and lab-scale tested (designed and assembled laboratory unit), an AnMBR pilot plant was designed, built and subsequently tested under real conditions - at Černá Hora Brewery WWTP (waste waters from the brewery and associated facilities). The pilot AnMBR and the technology itself has been verified over more than a year (5/2015 – 11/2016) of trial operation - the initial and recommended operational parameters have been set up, minor construction adjustments / modifications and measurement & regulation optimizations have been made, the recommended membrane cleaning and regeneration procedure has been verified. Last, but not least, conclusions and recommendations of the trial operation were summarised - some key findings and recommendations for further operation, use and modifications of the existing AnMBR pilot plant are presented.

Con el aumento de la población y de la demanda de bienes y servicios a escala global, se ha producido un deterioro en la calidad y disponibilidad del agua, poniendo de manifiesto la necesidad inminente de un cambio de mentalidad en la sociedad. Este cambio debe incluir, tanto la intensificación de las disposiciones legales que permitan prevenir la contaminación, como el desarrollo e implementación de tecnologías de depuración más eficaces, sostenibles y respetuosas con el ambiente. En la actualidad, en la mayoría de países desarrollados el tratamiento de aguas residuales urbanas está basado en los sistemas de fangos activados como tratamiento principal. Estos sistemas se caracterizan por presentar un elevado consumo energético y una alta generación de fango biológico, que debe ser sometido a algún tratamiento de estabilización previo a su reutilización o disposición final. Una alternativa a estas tecnologías son los sistemas basados en procesos anaerobios, cuya implementación supone mayor sostenibilidad, menor coste económico y energético, y menor impacto ambiental. Sin embargo, es necesario superar las limitaciones asociadas a las bajas velocidades de crecimiento de la biomasa anaerobia (en comparación con los microorganismos aerobios) y a la baja eficacia en la separación de la biomasa mediante procesos de sedimentación. La combinación del proceso anaerobio de degradación de la materia orgánica con un proceso de filtración con membranas, permite superar los inconvenientes mencionados, pudiéndose establecer tiempos de retención celular elevados sin necesidad de incrementar el volumen de reacción y obtener un efluente de alta calidad. Una de las ventajas de los sistemas anaerobios es la recuperación de parte de la energía contenida en la materia orgánica en forma de metano. Sin embargo, cuando hay presencia de sulfato en el medio se desarrollan bacterias sulfatorreductoras, las cuales compiten por los sustratos, reduciéndose la eficiencia en la conversión de materia orgánica a metano, y generando sulfuro de hidrógeno (sulfurogénesis), que inhibe los procesos biológicos y disminuye la calidad del biogás generado. Debido a la importancia que tiene el proceso de sulfurogénesis en los sistemas de tratamiento de aguas residuales, varios autores han propuesto modelos matemáticos que incluyen los procesos biológicos, físicos y químicos asociados a las bacterias sulfatorreductoras. Sin embargo, no existe un modelo global que permita simular en conjunto los procesos que tienen lugar tanto en la línea de agua como en la de fango, y donde esté incluido este proceso. También es destacable la ausencia de una metodología sistemática para la calibración de los parámetros de los modelos anaerobios de tratamiento de aguas residuales. El objetivo principal de la presente tesis doctoral es la modelación matemática del tratamiento anaerobio de aguas residuales urbanas con elevado contenido de sulfato. Con este fin, se ha desarrollado un modelo matemático capaz de describir el proceso biológico de sulfurogénesis y se ha propuesto una metodología de calibración de los parámetros. El modelo desarrollado ha sido incorporado al modelo global Biological Nutrient Removal Model No. 2 (BNRM2). Tanto el modelo como la metodología de calibración han sido validados mediante simulación con el programa DESASS, comparando los resultados predichos por el modelo con los valores experimentales obtenidos en un biorreactor anaerobio de membranas a escala demostración / Durán Pinzón, F. (2013). Modelación matemática del tratamiento anaerobio de aguas residuales urbanas incluyendo las bacterias sulfatorreductoras. Aplicación a un biorreactor anaeroio de membranas [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/34778 / TESIS

Tesis por compendio / [EN] Anaerobic MBRs (AnMBRs) can provide the desired step towards sustainable wastewater treatment, broadening the range of application of anaerobic biotechnology to low-strength wastewaters (e.g. urban ones) or extreme environmental conditions (e.g. low operating temperatures). This alternative technology gathers the advantages of anaerobic treatment processes (e.g. low energy demand stemming from no aeration and energy recovery through methane production) jointly with the benefits of membrane technology (e.g. high quality effluent, and reduced space requirements). It is important to highlight that AnMBR may offer the possibility of operation in energy neutral or even being a net energy producer due to biogas generation. Other aspects that must be taken into account in AnMBR are the quality and nutrient recovery potential of the effluent and the low amount of sludge generated, which are of vital importance when assessing the environmental impact of a wastewater treatment plant (WWTP). The main aim of this Ph.D. thesis is to assess the economic and environmental sustainability of AnMBR technology for urban wastewater treatment at ambient temperature. Specifically, this thesis focusses on the following aspects: (1) development of a detailed and comprehensive plant-wide energy model for assessing the energy demand of different wastewater treatment systems at both steady- and unsteady-state conditions; (2) proposal of a design methodology for AnMBR technology and identification of optimal AnMBR-based configurations by applying an overall life cycle cost (LCC) analysis; (3) life cycle assessment (LCA) of AnMBR-based technology at different temperatures; and (4) evaluation of the overall sustainability (economic and environmental) of AnMBR for urban wastewater treatment. In this research work, a plant-wide energy model coupled to the extended version of the plant-wide mathematical model BNRM2 is proposed. The proposed energy model was used for assessing the energy performance of different wastewater treatment processes. In order to propose a guidelines for designing AnMBR at full-scale and to identify optimal AnMBR-based configurations, the proposed energy model and LCC were used. LCA was used to assess the environmental performance of AnMBR-based technology at different temperatures. An overall sustainability (economic and environmental) assessment was conducted for: (a) assessing the implications of design and operating decisions by including sensitivity and uncertainty analysis and navigating trade-offs across environmental and economic criteria.; and (b) comparing AnMBR to aerobic-based technologies for urban wastewater treatment. This Ph.D. thesis is enclosed in a national research project funded by the Spanish Ministry of Science and Innovation entitled "Using membrane technology for the energetic recovery of wastewater organic matter and the minimisation of the sludge produced" (MICINN project CTM2008-06809-C02-01/02). To obtain representative results that could be extrapolated to full-scale plants, this research work was carried out in an AnMBR system featuring industrial-scale hollow-fibre membrane units that was operated using effluent from the pre-treatment of the Carraixet WWTP (Valencia, Spain). / [ES] El reactor anaerobio de membranas sumergidas (AnMBR) puede proporcionar el paso deseado hacia un tratamiento sostenible del agua residual, ampliando la aplicabilidad de la biotecnología anaerobia al tratamiento de aguas residuales de baja carga (ej. agua residual urbana) o a condiciones medioambientales extremas (ej. bajas temperaturas de operación). Esta tecnología combina las ventajas de los procesos de tratamiento anaerobio (baja demanda energética gracias a la ausencia de aireación y a la recuperación energética a través de la producción de metano) con los beneficios de la tecnología de membranas (ej. efluente de alta calidad y reducidas necesidades de espacio). Cabe destacar que la tecnología AnMBR permite la posibilidad del autoabastecimiento energético del sistema debido a la generación de biogás. Otros aspectos que se deben considerar en el sistema AnMBR son el potencial de recuperación de nutrientes, la calidad del efluente generado y la baja cantidad de fangos producidos, siendo todos ellos de vital importancia cuando se evalúa el impacto medioambiental de una planta de tratamiento de aguas residuales urbanas. El objetivo principal de esta tesis doctoral es evaluar la sostenibilidad económica y medioambiental de la tecnología AnMBR para el tratamiento de aguas residuales urbanas a temperatura ambiente. Concretamente, esta tesis se centra en las siguientes tareas: (1) desarrollo de un modelo de energía detallado y completo que permita evaluar la demanda energética global de diferentes sistemas de tratamiento de aguas residuales tanto en régimen estacionario como en transitorio; (2) propuesta de una metodología de diseño e identificación de configuraciones óptimas para la implementación de la tecnología AnMBR, aplicando para ello un análisis del coste de ciclo de vida (CCV); (3) análisis del ciclo de vida (ACV) de la tecnología AnMBR a diferentes temperaturas; y (4) evaluación global de la sostenibilidad (económica y medioambiental) de la tecnología AnMBR para el tratamiento de aguas residuales urbanas. En este trabajo de investigación se propone un modelo de energía acoplado a la versión extendida del modelo matemático BNRM2. El modelo de energía propuesto se usó para evaluar la eficiencia energía de diferentes procesos de tratamiento de aguas residuales urbanas. Con el fin de proponer unas directrices para el diseño de AnMBR a escala industrial e identificar las configuraciones óptimas para la implementación de dicha tecnología, se aplicaron tanto el modelo de energía propuesto como un análisis CCV. El ACV se usó para evaluar la viabilidad medioambiental de la tecnología AnMBR a diferentes temperaturas. En este trabajo se llevó a cabo una evaluación global de la sostenibilidad (económica y medioambiental) de la tecnología AnMBR para: (a) evaluar las implicaciones que conllevan ciertas decisiones durante el diseño y operación de dicha tecnología mediante un análisis de sensibilidad e incertidumbre, y examinar las contrapartidas en función de criterios económicos y medioambientales; y (b) comparar la tecnología AnMBR con tecnologías basadas en procesos aerobios para el tratamiento de aguas residuales urbanas. Esta tesis doctoral está integrada en un proyecto nacional de investigación, subvencionado por el Ministerio de Ciencia e Innovación (MICINN), con título "Modelación de la aplicación de la tecnología de membranas para la valorización energética de la materia orgánica del agua residual y la minimización de los fangos producidos" (MICINN, proyecto CTM2008-06809-C02-01/02). Para obtener resultados representativos que puedan ser extrapolados a plantas reales, esta tesis doctoral se ha llevado a cabo utilizando un sistema AnMBR que incorpora módulos comerciales de membrana de fibra hueca. Además, esta planta es alimentada con el efluente del pre-tratamiento de la EDAR del Barranco del Carraixet (Valencia, España). / [CA] El reactor anaerobi de membranes submergides (AnMBR) pot proporcionar el pas desitjat cap a un tractament d'aigües residuals sostenible, i suposa una extensió en l'aplicabilitat de la biotecnologia anaeròbia al tractament d'aigües residuals amb baixa càrrega (p.e. aigua residual urbana) o a condicions mediambientals extremes (p.e. baixes temperatures d'operació). Aquesta tecnologia alternativa reuneix els avantatges dels processos de tractament anaerobi (baixa demanda d'energia per l'estalvi de l'aireig i possibilitat de recuperació energètica per la producció de metà), conjuntament amb els beneficis de l'ús de de la tecnologia de membranes (p.e efluent d'alta qualitat, i reduïdes necessitats d'espai). Cal destacar que la tecnologia AnMBR permet la possibilitat de l'autoabastiment energètic del sistema degut a la generació de biogàs. Altres aspectes que s'han de considerar en el sistema AnMBR són el potencial de recuperació de nutrients, la qualitat de l'efluent i la baixa quantitat de fang generat, tots ells de vital importància quan s'avalua l'impacte mediambiental d'una planta de tractament d'aigües residuals urbanes. L'objectiu principal d'aquesta tesi doctoral és avaluar la sostenibilitat econòmica i mediambiental de la tecnologia AnMBR per al tractament d'aigües residuals urbanes a temperatura ambient. Concretament, aquesta tesi se centra en les tasques següents: (1) desenrotllament d'un detallat i complet model d'energia per al conjunt de la planta a fi d'avaluar la demanda d'energia de diferents sistemes de tractament d'aigües residuals tant en règim estacionari com en transitori; (2) proposta d'una metodologia de disseny i identificació de les configuracions òptimes de la tecnologia AnMBR mitjançant l'aplicació una anàlisi del cost de tot el cicle de vida (CCV) ; (3) anàlisi del cicle de vida (ACV) de la tecnologia AnMBR a diferents temperatures; i (4) avaluació global de la sostenibilitat (econòmica i mediambiental) de la tecnologia AnMBR per al tractament d'aigües residuals urbanes. En aquest treball d'investigació es proposa un model d'energia a nivell de tota la planta acoblat a la versió estesa del model matemàtic BNRM2. El model d'energia proposat s'ha utilitzat per a avaluar l'eficiència energètica de diferents processos de tractament d'aigües residuals urbanes. A fi de proposar unes directrius per al disseny d'AnMBR a escala industrial i identificar les configuracions òptimes de la tecnologia AnMBR, s'ha aplicat tant el model d'energia proposat, com el cost del cicle de vida (CCV). L'anàlisi del cicle de vida (ACV) s'ha utilitzat per a avaluar el rendiment mediambiental de la tecnologia AnMBR a diferents temperatures. En aquest treball s'ha dut a terme una avaluació global de la sostenibilitat (econòmica i mediambiental) de la tecnologia AnMBR per a: (a) avaluar les implicacions de les decisions de disseny i operació per mitjà d'una anàlisi de sensibilitat i incertesa i examinar les contrapartides en funció de criteris econòmics i mediambientals; i (b) comparar la tecnologia AnMBR amb tecnologies basades en processos aerobis per al tractament d'aigües residuals urbanes. Aquesta tesi doctoral està integrada en un projecte nacional d'investigació, subvencionat pel Ministerio de Ciencia e Innovación (MICINN), amb títol "Modelación de la aplicación de la tecnología de membranas para la valorización energética de la materia orgánica del agua residual y la minimización de los fangos producidos" (MICINN, projecte CTM2008-06809-C02-01/02). Per a obtenir resultats representatius que puguen ser extrapolats a plantes reals, aquesta tesi doctoral s'ha dut a terme utilitzant un sistema AnMBR que incorpora mòduls comercials de membrana de fibra buida. A més, aquesta planta és alimentada amb l'efluent del pretractament de l'EDAR del Barranc del Carraixet (València, Espanya). / Pretel Jolis, R. (2015). Environmental and economic sustainability of submerged anaerobic membrane bioreactors treating urban wastewater [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/58864 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales / Compendio