The exponential increase of the atmospheric concentration of green-house gases due to human activities is responsible for the acceleration of global warming and climate change. Recently, scientific studies have pointed at wastewater treatment systems as relevant sources of fugitive green-house gases (GHGs) such as nitrous oxide (N2O) and methane (CH4). Nitric oxide (NO) can also be emitted during wastewater treatment, and it is a potent ozone-depleting compound and a precursor of N2O. Due to the high global warming potential of N2O and CH4, emission of these gases (even at low levels) may be relevant and increase severely the overall carbon footprint of a wastewater treatment system. / L’acceleracio en l’escalfament global i el canvi climatic son consequencia de l’increment exponencial de la concentracio de gasos d’efecte hivernacle en l’atmosfera degut, en part, a l’activitat humana. Estudis cientifics publicats recentment apunten a alguns sistemes de tractament d’aigues residuals com a fonts rellevants de gasos d’efecte hivernacle com l’oxid nitros (N2O) i el meta (CH4). A mes, l’oxic nitric (NO), un potent destructor de la capa d’ozo a mes de ser un precursor del N2O, tambe pot ser emes durant el tractament d’aigues residuals. Degut a l’alt potencial d’escalfament atmosferic del N2O i el CH4, l’emissio d’aquests gasos (inclus a baixes concentracions) pot ser rellevant, incrementant de forma significativa la petjada ecologica dels sistemes de tractament d’aigues residuals.

In combined sewer systems (CSS) wastewater and stormwater flow through the same pipes. During severe rain episodes, the excess combined flow of untreated wastewater and stormwater is released out from the system through overflow structures, producing the combined sewer overflows (CSO). CSOs represent a threat for water quality of receiving water bodies and for human health, for what current (and future) legislation on the protection of water quality, are demanding more control on this transient discharges. This research focuses on developing a low-cost monitoring method to determine the occurrence and duration of CSOs, and making use of the obtained data to gain better understanding of the performance of CSSs. / En els sistemes de col•lectors unitaris (SCU) l’aigua residual i l’aigua pluvial és transportada conjuntament a través d’un sol sistema de col•lectors. Durant episodis de pluja intensos, l’excés d’aquest cabal combinat és descarregat fora del sistema a través d’unes estructures de sobreeiximent, produint el que s’anomena com descàrrega de sistemes unitaris (DSU). Aquestes DSUs representen una amenaça per la qualitat dels medis aquàtics receptors i per la salut humana, per el que les legislacions actuals (i futures) requereixen més control sobre aquestes descàrregues transitòries. La recerca presentada en aquesta tesi es centra en desenvolupar un mètode de baix cost per determinar la ocurrència i duració de les DSUs, i el tractament de les dades per aprofundir coneixement en el rendiment dels sistemes unitaris.

The accumulation of sediments in combined sewer systems may give rise to significant quality problems, which sometimes are overlooked. Solids deposited in the network may lead to more frequent overflows into natural waters, where are often discharged without treatment during the beginning of storms events. When organic solids, released from in-sewer deposits, reach natural receiving waters, may produce serious impacts. Waters environments are degraded due mainly to the high oxygen biochemical demand, the ammonia contribution and other pollutants. This study focuses on the release of highly-organic sediments having being accumulated inside a combined sewer network. After prolonged dry-periods, typical in Mediterranean region, sediments are re-suspended and conveyed when storm runoff appears. The aim of the research is to develop a methodology able to predict their potential erosion and subsequent mobilization through the network. To achieve that goal, it is needed to improve the knowledge on the processes occurring during long dry-periods, and analyse the variables involved that might affect the erodibility of the deposits. To achieve reliable results in water quality modelling, it is essential the availability of consistent and detailed field data. Highly-organic non-homogeneous sediment samples collected from a combined sewer system were used for the laboratory assessment of the characteristics and the behaviour regarding erosion. Varying strength of the bed with depth allow for a more appropriate representation of the movement of solids in sewerage by introducing in the model a more realistic behaviour. The results obtained have shown that the prediction of organic sediment mobilization and transport is complex but possible to accomplish. However, more effort is needed to ensure the transferability of the results for a more general application of the predictive model obtained. This research has mainly contributed in a more detailed knowledge of the organic sediment bed structure regarding strength to erosion. The acquired knowledge can be applied for improvements in the prediction of pollutant loads that can reach watercourses, pursuing the receiving waters protection as a final goal. / Los depósitos de sedimentos en sistemas unitarios de alcantarillado pueden dar lugar a importantes problemas de calidad de aguas, muchas veces ignorados. La acumulación de sedimentos en estos sistemas puede generar el aumento en la frecuencia de vertidos a medios naturales receptores durante una tormenta. La presencia de sólidos de origen orgánico en los vertidos de aguas sin tratar puede producir impactos perjudiciales en las aguas receptoras. Los medioambientes acuáticos son afectados principalmente por las altas demandas de oxígeno y las contribuciones de nitrógeno originados en los sedimentos orgánicos. Este estudio se centra en los procesos de re-suspensión de sedimentos altamente orgánicos que se han acumulado en las redes de alcantarillado unitario. Luego de largos períodos secos típicos en la región Mediterránea, los depósitos de sedimentos son re-movilizados y transportados a través del sistema por la escorrentía producida por una tormenta. El objetivo de la investigación es desarrollar una metodología que sea capaz de predecir el potencial de erosión y posterior movilización de los sedimentos orgánicos a través del sistema. Para ello, es necesario mejorar el conocimiento que se tiene sobre los procesos que ocurren durante largos períodos sin lluvias y analizar las variables involucradas que puedan influir en la erosión de los depósitos. Contar con la disponibilidad de datos de campo confiables es esencial en el logro de resultados válido en un modelo de calidad de aguas. Muestras de sedimento no homogéneo y altamente orgánico se recogieron en un sistema de alcantarillado unitario. A través de ensayos en laboratorio, estos sedimentos se utilizaron para la evaluación de sus características y comportamiento vinculado a la erosión. La introducción en el modelo de una ley de tensión crítica de arrastre más realista permite una mejor representación de la movilización de los sedimentos. Los resultados obtenidos muestran que la predicción del transporte de sedimentos orgánicos de alcantarillado es posible de realizar aunque es un tema muy complejo. Mayores esfuerzos son aún necesarios para lograr la transferencia directa de los resultados para una aplicación más generalizada del modelo predictivo obtenido. Una de las principales contribuciones de esta investigación está vinculada al logro de un conocimiento más detallado de la estructura de los depósitos de sedimento orgánico en relación a su resistencia a la erosión. El conocimiento adquirido podría ser aplicado en la mejora en las predicciones de cargas contaminantes que llegan a cursos de agua naturales durante vertidos. Todo ello, siguiendo como objetivo final, la protección de las aguas naturales receptoras.

Water of quality constitutes a scarce and essential resource for life and public health, and its sustainable management is of crucial importance. Thus, wastewater treatment, reuse and reclamation represent a key practice in that approach. Nevertheless, there is a generalized concern about the occurrence and possible adverse effects of emerging organic contaminants such as pharmaceutical and personal care products in the environment, which are often not well removed in conventional wastewater treatment plants. Constructed wetlands have shown promise in their ability to remove a variety of these contaminants, and represent a good alternative for wastewater treatment in small communities, having low operational and maintenance expenses. However, there is a need in increasing the knowledge about the conditions that promote the removal of these compounds within this ecotechnology. This thesis aims at evaluating the capacity of different wetland configurations (vertical subsurface flow, horizontal subsurface flow and free water surface), as well as the effect of various design and operational factors (primary treatment, operation strategy, loading frequency, grain size, use of active aeration, hydraulic loading rate) on the removal of a variety of emerging organic contaminants, including three non-steroidal anti-inflammatory drugs (ibuprofen, diclofenac and acetaminophen), three personal care products (tonalide, triclosan and oxybenzone) and two endocrine disrupting compounds (ethinylestradiol and bisphenol A). Assays were carried out at experimental and pilot scale in constructed wetland systems in Spain and Germany. In order to achieve approximate steady state conditions of the influent concentrations of the target emerging organic contaminants and to obtain a more reliable estimate of the removal efficiency of the systems, continuous injection experiments were performed at experimental-scale systems. The performance of horizontal subsurface flow wetlands exhibited a seasonal pattern. The use of a hydrolitic upflow sludge blanket reactor -as opposed to a conventional settler- for the primary treatment of wastewater resulted in reduced performance. Conversely, operating the horizontal wetlands in batch, alternating cycles of saturation and unsaturation, promoted the existence of higher redox conditions, enhancing the removal of target compounds. The identification of an intermediate product of bisphenol A (promoted by the operation in batch) suggests that aerobic biodegradation could constitute a principal removal mechanism of this substance when a higher redox status prevail. In VF wetlands, a higher loading frequency (bi-hourly vs. hourly) showed to perform significantly worse on the removal of some EOCs. The occurrence of gravel (4-8 mm) as opposed to sand (1-3 mm) in this type of systems exhibited a significantly lower treatment performance. Conversely, the use of active aeration in a saturated vertical flow wetland did not show to enhance contaminant removal in respect to the typical unsaturated vertical wetland. A hybrid treatment system based on a vertical wetland stage and a horizontal subsurface flow and free water surface wetlands in series has proved to be a very robust technology for wastewater treatment in small communities, producing a final effluent suitable for its reuse in various applications. Overall removal efficiency of emerging contaminants was very high (90 ± 11%), even under high hydraulic loads, presumaby due to the combination of various abiotic/biotic removal mechanisms (e.g. biodegradation, sorption, volatilization, hydrolysis, photodegradation). Toxicological assays performed together with the injection of antibiotics at high hydraulic loading rates showed that general toxicity, estrogenicity and dioxin-like activities were well removed along the different units of the treatment system. / El agua constituye un recurso escaso y esencial para la vida y la salud pública, y por ende su gestión sostenible es de vital importancia. Por esta razón, el tratamiento del agua residual y su reutilización constituyen una práctica clave en este planteamiento. Sin embargo, existe una preocupación generalizada por la presencia y posibles efectos adversos de contaminantes emergentes orgánicos en el medio natural, tales como los fármacos y productos del cuidado personal, los cuales, en muchos casos, no son eliminados de manera eficiente en las plantas de tratamiento de agua residual convencionales. Los humedales construidos han demostrado ser eficientes en su capacidad para eliminar muchos de estos contaminantes, y representan una buena alernativa para el tratamiento de agua residual en pequeñas comunidades ya que suponen bajos costes de operación y mantenimiento. Sin embargo, existe poca información acerca de las condiciones (ya sean las características de diseño o las estrategias de operación) que promueven la eliminación de estos compuestos en esta ecotecnología. Este trabajo de investigación tiene como objetivo evaluar la capacidad de diferentes configuraciones de humedales construidos (vertical de flujo subsuperficial, horizontal de flujo subsuperficial y de flujo superficial), así como el efecto de varios factores de diseño y funcionamiento (tratamiento primario, estategia de operación, frecuencia de alimentación, granulometría, uso de aireación activa, carga hidráulica) en la eliminación de un conjunto de contaminantes emergentes orgánicos, incluyendo tres fármacos anti-inflamatorios no-esteroideos (ibuprofeno, diclofenaco y acetaminofen), tres productos del cuidado personal (tonalide, triclosan y oxibenzone) y dos disruptores endocrinos (etinilestradiol y bisfenol A). Se realizaron varios ensayos a escala experimental y piloto en sistemas de humedales construidos en Barcelona y Sevilla (España), y en Leipzig (Alemania). Para lograr aproximar condiciones de estabiidad en las concentraciones de contaminantes emergentes orgánicos en el afluente, y obtener así una estimación más fiable de la eficiencia de eliminación de los sistemas, se realizaron experimentos de inyección continua en los sistemas a escala experimental. La eliminación de los contaminantes estudiados en humedales horizontales de flujo subsuperficial exhibió un patrón estacional, posiblemente debido a una mayor biodegradación, volatilización e incorporación por las plantas a mayores temperaturas. En este tipo de humedal el uso de un reactor anaeróbico de flujo ascendente para el tratamiento primario -en vez de un decantador convecional- confirió condiciones más reducidas al sistema, lo cual promovió un menor rendimiento. En cambio, al operar el humedal horizontal en batch, alternando ciclos de saturación e insaturación, promovieron la existencia de mayores condiciones redox, lo cual mejoró notablemente la eliminación de los compuestos estudiados. La identificación de un intermedio de degradación del bisfenol A en este sistema de tratamiento (en la línea operando en batch) sugiere que la biodegradación aeróbica podría constituir un mecanismo predominante de elminación de esta sustancia cuando prevalencen conditiones más oxidantes. En humedales de flujo vertical, la frecuencia de alimentación (horaria/bihoraria) mostró diferencias significativas en la eliminación de algunos compuestos. Esto podria atribuirse a un menor tiempo de contacto y reducida renovación del oxígeno que se dan a frecuencias de alimentación menores. Además, la presencia de grava (4-8 mm) en lugar de arena (1-3 mm) en el lecho principal de los humedales verticales exhibió una eficiencia de elminación significativamente menor. El tamaño más pequeño de la arena se traduce en poros más pequeños que proporcionan una mejor capacidad de filtración, un área superficial mayor para el crecimiento de biofilm y un tiempo de contacto mayor. Por el contrario, el uso de aireación activa en un humedal de flujo vertical saturado no demostró mejorar la eliminación del contaminantes con respecto al tipo convencional insaturado. Un sistema de tratamiento híbrido basado en una primera fase de humedal vertical y un humedal horizontal de flujo subsuperficial y uno de flujo superficial en serie, ha demostrado ser una tecnología muy robusta para el tratamiento de agua residual en pequeñas comunidades, produciendo un efluente final adecuado para su reutilización para varios fines. La eficiencia general de eliminación de contaminantes emergentes fue muy alta (90 ± 11%), incluso bajo cargas hidráulicas altas, posiblemente debido a la combinación y sinergia de varios mecanismos de eliminación abióticos/bióticos (e.g., biodegradación, sorción, volatilización, hidrólisis, fotodegradación). Ensayos toxicológicos realizados junto con las inyecciones de antibióticos durante la campaña de cargas hidráulicas más altas demostraron que la toxicidad general, estrogenicidad y actividades de tipo dioxina fueron eliminadas satisfactoriamente a lo largo de las diferentes unidades del sistema de tratamiento. / L'aigua constitueix un recurs escàs i essencial per a la vida i la salut pública, i per tant la seva gestió sostenible és de vital importància. Per aquesta raó, el tractament de l'aigua residual i la seva reutilització constitueixen una pràctica clau en aquest plantejament. No obstant això, hi ha una preocupació generalitzada per la presència i possibles efectes adversos de contaminants emergents orgànics en el medi natural, com ara els fàrmacs i productes de la cura personal, els quals, en molts casos, no són eliminats de manera eficient a les plantes de tractament d'aigua residual convencionals. Els aiguamolls construïts han demostrat ser eficients en la seva capacitat per eliminar molts d'aquests contaminants, i representen una bona alternativa per al tractament d'aigua residual en petites comunitats ja que suposen baixos costos d'operació i manteniment. No obstant això, hi ha poca informació sobre les condicions (ja siguin les característiques de disseny o de les estratègies d'operació) que promouen l'eliminació d'aquests compostos en aquesta ecotecnologia. Aquest treball de recerca té com a objectiu avaluar la capacitat de diferents configuracions d'aiguamolls construïts (vertical de flux subsuperficial, horitzontal de flux subsuperficial i de flux superficial) , així com l'efecte de diversos factors de disseny i funcionament (tractament primari, estratègia d'operació, freqüència d'alimentació, granulometria, ús de ventilació activa, càrrega hidràulica) en l'eliminació d'un conjunt de contaminants emergents orgànics, incloent tres fàrmacs antiinflamatoris no-esteroïdals (ibuprofè , diclofenac i acetaminofè ), tres productes de la cura personal (tonalide , triclosan i oxibenzone) i dos disruptors endocrins (etinilestradiol i bisfenol A). Es van realitzar diversos assajos a escala experimental i pilot en sistemes d'aiguamolls construïts a Barcelona i Sevilla (Espanya), i a Leipzig (Alemanya). Per aconseguir aproximar condicions d’estabilitat en les concentracions de contaminants emergents orgànics en l'afluent, i obtenir així una estimació més fiable de l'eficiència d'eliminació dels sistemes, es van realitzar experiments d'injecció contínua en els sistemes a escala experimental. L'eliminació dels contaminants estudiats en aiguamolls horitzontals de flux subsuperficial exhibeixen un patró estacional, possiblement a causa d'una major biodegradació, volatilització i incorporació per les plantes a majors temperatures. En aquest tipus d'aiguamoll l'ús d'un reactor anaerobi de flux ascendent per al tractament primari - en comptes d'un decantador convencional - conferir condicions més reduïdes al sistema, el qual va promoure un menor rendiment. En canvi, en operar l'aiguamoll horitzontal en batch, alternant cicles de saturació i insaturació, van promoure l'existència de majors condicions redox, la qual cosa va millorar notablement l'eliminació dels compostos estudiats. La identificació d'un intermedi de degradació del bisfenol A en aquest sistema de tractament (en la línia operant en batch) suggereix que la biodegradació aeròbica podria constituir un mecanisme predominant d' eliminació d'aquesta substància quan prevalen condicions més oxidants. En aiguamolls de flux vertical, la freqüència d'alimentació (horària/bihoraria) va mostrar diferències significatives en l'eliminació d'alguns compostos. Això es podria atribuir a un menor temps de contacte i reduïda renovació de l'oxigen que es donen a freqüències d'alimentació menors. A més , la presència de grava (4-8 mm) en lloc de sorra (1-3 mm) al llit principal dels aiguamolls verticals van exhibir una eficiència d’eliminació significativament menor. La mida més petita de la sorra es tradueix en porus més petits que proporcionen una millor capacitat de filtració, una àrea superficial més gran per al creixement de biofilm i un temps de contacte més gran. Per contra, l'ús de ventilació activa en un aiguamoll de flux vertical saturat no va demostrar millorar l'eliminació del contaminants respecte al tipus convencional insaturat. Un sistema de tractament híbrid basat en una primera fase de l'aiguamoll vertical i un aiguamoll horitzontal de flux subsuperficial i un flux superficial en sèrie, ha demostrat ser una tecnologia molt robusta per al tractament d'aigua residual en petites comunitats, produint un efluent final adequat per a la seva reutilització per a diversos fins. L'eficiència general d'eliminació de contaminants emergents va ser molt alta (90 ± 11%), fins i tot sota càrregues hidràuliques altes, possiblement a causa de la combinació i sinergia de diversos mecanismes d'eliminació abiòtics/biòtics (e.g. biodegradació, sorció, volatilització, hidròlisi, fotodegradació). Assaigs toxicològics realitzats juntament amb les injeccions d'antibiòtics durant la campanya de càrregues hidràuliques més altes van demostrar que la toxicitat general, estrogenicitat i activitats de tipus dioxina van ser eliminades satisfactòriament al llarg de les diferents unitats del sistema de tractament.

Ongoing efforts within synthetic biology have been directed towards the building of artificial computational devices using engineered biological units as basic building blocks. Such efforts, are limited by the wiring problem: each connection of the basic computational units (logic gates), must be implemented by a different molecule. We propose a non-standard way of implementing logic computations that reduces wiring requirements thanks to a multicellular design with distribution of the output among cells. Practical implementations are presented using a library of engineered yeast cells, in which each genetic construct defines a logic function. This shows the great potential for re-utilization of genetic elements to build distinct cells. The cells are combined in multiple ways to easyly build diferent complex synthetic circuits. In the first manuscript, we proposed a multi-layer design. The engineered cells can perform the IDENTITY, NOT, AND and N-IMPLIES logics and are able to communicate with two different wiring molecules. As a proof of principle, we have implemented many logic gates and more complex circuits such as a 1--bit adder with carry. In the second manuscript, a general architecture to engineer cellular consortia that is independent of the circuit’s complexity is proposed. This design involves cells, performing IDENTITY and NOT logics, organized in two layers. The key aspect of the architecture is the spatial insulation. That design, permits implementation of complex logical functions, such as 4to1—multiplexer only with one wire. / En el camp de la biologia sintètica els esforços s'han dirigit a construir dispositius computacionals artificials connectant les unitats lògiques bàsiques (portes lògiques). Aquests esforços, estan limitats per l'anomenat “wiring problem”: cada connexió entre les unitats lògiques s'ha d'implementar amb una molècula diferent. En aquesta tesi es mostra una manera no-estàndard d'implementar funcions lògiques que redueix el nombre de cables necessaris gràcies a un disseny multicel·lular amb una distribució de la sortida en diferents cèl·lules. Es presenta una implementació pràctica utilitzant una llibreria de cèl·lules de llevat enginyeritzades, on cada constructe genètic defineix una funció lògica. Això posa de manifest el gran potencial que suposa la re-utilització dels elements genètics per construir les diferents cèl·lules. Al mateix temps, les cèl·lules es poden combinar de múltiples maneres permetent la construcció fàcil de diferents circuits sintètics complexes. En el primer article, proposem un disseny en múltiples capes. Les cèl·lules modificades genèticament poden realitzar les lògiques: IDENTITY, NOT, AND i NIMPLIES i són capaces de comunicar-se utilitzant dues connexions diferents. Com a demostració experimental, s'han implementat varies portes lògiques i circuits més complexos tals com un sumador d'un bit. En el segon article, es proposa una arquitectura general, que defineix un consorci cèl·lular, capaç d'implementar qualsevol circuit independentment de la seva complexitat. Aquest disseny es basa en cèl·lules que realitzen les lògiques IDENTITY i NOT, organitzades en dues capes. L’aspecte clau d’aquesta arquitectura és l’aïllament espaial. Aquest disseny permet implementar funcions lògiques molt complexes tals com multiplexor—4a1 utilitzant una sola molècula cable.

Els ions metàl·lics són contaminants no biodegradables que es poden trobar a les aigües i que poden acumular-se en els organismes vius, causant diverses malalties i trastorns. Un dels metalls més contaminant i àmpliament utilitzat en les indústries és el crom, aquest metall es troba a les aigües residuals d’indústries de recobriment de superfícies de crom, en barreja amb altres metalls divalents, com el Cu(II) i el Ni(II).Els mètodes utilitzats convencionalment per eliminar crom i altres metalls d’efluents industrials suposen alts costos operatius. En aquesta tesi s’ha establert un tractament efectiu per eliminar ions metàl·lics que es troben a les aigües residuals d’una indústria de recobriment de superfícies basat en l’adsorció mitjançant rapa de raïm. Aquest sistema de tractament pot ser adaptat fàcilment a les variacions de concentracions inicials de metalls que sovint es troben en les aigües residuals industrials. / The metal ions are non-biodegradable pollutants that can be found in water and that can be accumulated in living organisms, causing various diseases and disorders. Chromium is one of the most polluting and widely used metal in the industries. This metal can be found frequently in combination with other divalent metals such as Cu(II) and Ni(II) in real electroplating wastewaters. The conventional methods used to remove chromium and other metals from industrial effluents usually generate high operational costs. In this thesis, an effective treatment based on adsorption by grape stalks to remove metal ions present in industrial electroplating wastewater has been established. The developed treatment can be easily adapted to wastewater with different initial chromium concentrations, as frequently occurs in the industrial wastewater effluents.

This thesis is based on diagnosing, assessing and optimising the design and operation of membrane bioreactors (MBR) used for treating municipal wastewater. Specifically, this thesis has been carried out within the framework of seven municipal MBR wastewater treatment plants (WWTP) located in Catalonia with the collaboration of the Catalan Water Agency. Firstly, the design and operational issues of MBRs have been diagnosed, together with determining the main operational problems related to this technology. Secondly, the optimisation strategies applied in each full-scale MBR and the resulting costs were assessed. Finally, two of the operational problems identified were exhaustively evaluated: The ragging phenomenon and the biological nitrogen removal and operational costs optimisations. The research carried out in this thesis has enabled the design and operation of the municipal MBRs to be assessed while, at the same time, presenting several optimisation strategies which will improve the operation and costs of this technology / Aquesta tesi es centra en la diagnosi, avaluació i optimització del disseny i l’operació dels bioreactors de membranes (BRM) pel tractament d’aigües residuals. Concretament, l’estudi s’ha realitzat dins del marc de treball de set estacions depuradores d’aigües residuals (EDARs) municipals amb tecnologia BRM presents a Catalunya en col·laboració amb l’Agència Catalana de l’Aigua. Primerament s’ha dut a terme la diagnosi de l’estat del disseny i operació dels BRMs i s’han determinat les problemàtiques associades a aquesta tecnologia. Així mateix, s’han avaluat les estratègies d’optimització realitzades i els corresponents costos d’operació. A partir de la diagnosis realitzada, dos dels principals problemes operacionals observats s’han caracteritzat i optimitzat: El ragging i l’optimització de l’eliminació biològica de nitrogen i dels costos d’operació. La recerca presentada en aquesta tesi ha permès diagnosticar l’estat dels BRMs, alhora que ha mostrat possibles vies d’optimització que permetran millorar l’operació i els costos associats a aquesta tecnologia

WWTP present two issues: 1) Get adequate depuration performance; 2) Do it with minimal costs. There are many strategies that can be applied to achieve these requirements, but they cannot be applied indiscriminately. In this thesis, we study the WWTP of “La Vall del Ges”. This Orbal plant operates to efficiently remove phosphorus (by chemical precipitation) and nitrogen (by biological treatment). With the objective of maintaining nitrogen removal performance and reducing aeration energy costs, various strategies have been implemented in order to solve the above mentioned issues. This work presents two significant innovations for the development of WWTP control strategies: It has been proposed a control strategy capable to continuously adapt the set points of NH4+ concentrations, depending on the plant tariff system, and it has been included in the simulations an inspector module, capable to quantify the risk of violations that may occur, depending on the control system used / Les EDAR s’enfronten actualment a un doble repte: 1) assolir rendiments de depuració adequats; 2) aconseguir-ho amb costos mínims. Són moltes les estratègies aplicables per tal de cobrir aquestes necessitats, però no es poden implementar de manera indiscriminada. En aquesta tesi s’estudia l’EDAR de la Vall del Ges, que mitjançant un sistema Orbal, elimina el fòsfor per precipitació química i nitrogen de manera biològica. A fi de mantenir el rendiment de la desnitrificació i disminuir els costos energètics de l’aeració, s’han aplicat diferents estratègies per tal de resoldre aquestes problemàtiques. Com a resultat del treball s’han aportat dues innovacions significatives per al desenvolupament d’estratègies de control en les EDAR: S’ha plantejat una estratègia capaç d’adaptar en continu els set points d’NH4+ segons el sistema tarifari de la planta i s’ha inclòs un mòdul inspector, capaç de determinar el risc d’incompliments que es poden presentar segons el sistema de control utilitzat

La consulta íntegra de la tesi, inclosos els articles no comunicats públicament per drets d'autor, es pot realitzar prèvia petició a l'Arxiu de la UPC / Surgery rooms are a space type with particularly stringent indoor environmental quality (IEQ) requirements, which translate into high energy use. Due to the unclear IEQ and infection control requirements for surgery rooms in Spain, these spaces are often designed and operated 24 hours per day and 7 days per week, to meet the most stringent recommendations (not only the requirements) in the available guidelines. While health and safety must remain top priority in hospitals, the high energy use of HVAC systems in surgery rooms makes these a clear energy efficiency target. The objective of this thesis is to identify and evaluate energy efficient ventilation strategies in surgery rooms that maintain acceptable indoor environmental quality and cleanliness while reducing the associated energy use. A comprehensive and critical review of the indoor environmental quality and infection control requirements in surgery rooms identifies the key performance goals of the requirements in the available standards, and sets the boundaries for the definition of energy efficiency improvements in surgery room systems. The intrinsic performance motivations for the requirements for total supply airflow, outdoor airflow, temperature, and relative humidity are different, which brings the opportunity to improve energy performance by individually controlling the different setpoints. A general method to adjust system operation (outdoor airflow rate, total supply air, indoor air temperature, and indoor air relative humidity) to meet IEQ performance goals while reducing energy use is developed. A calibrated computer-based energy model of a standard surgery room system is used to assess the potential benefits of control strategies. A careful control of a standard surgery room air handling unit can reduce primary energy use and associated CO2 emissions and energy costs by up to 83% while meeting all the indoor environmental quality and infection control requirements in the standards. In view of the magnitude of the potential energy savings, control measures for surgery rooms should be strongly encouraged for their wide application. Further savings are possible by controlling supply airflow based on real time measurement of particle concentration. However, the potential benefits of this strategy are constrained by the current unavailability of particle count targets during surgery room operation as a function of surgery type. Real performance-based infection control will not be possible until real-time sensors are capable of counting and identifying microorganisms. A calibrated energy model is also used to assess the potential energy use and thermal comfort benefits of controls in old and non-standard systems. Results show that customized control strategies can also be successfully implemented as a retrofit solution. The large volumes of outdoor air supply in surgery rooms make these particularly suitable for energy recovery systems. An evaluation of the thermal energy use required for ventilation air conditioning across Catalonia is provided. This is meant as a tool to assess the potential benefits of different types of heat recovery units. Ventilation air conditioning energy use is dominated by heating thermal energy over cooling thermal energy even in the warmest regions in Catalonia. Energy efficiency in surgery rooms could be largely improved with control and heat recovery strategies that fall within the limits of the current indoor environmental quality standards. Future research should study appropriate technologies to monitor surgery room occupancy for air handling unit control purposes, and work towards defining infection control performance targets and monitoring tools. / Els requeriments de qualitat ambiental en quiròfans son particularment estrictes, fet que deriva en un alt us energètic. Degut a que els requeriments son poc clars a la normativa espanyola, aquests espais son sovint dissenyats i usats 24 hores al dia i 7 dies a la setmana segons les recomanacions mes exigents en les guies disponibles. Si be la salut i seguretat son la principal prioritat als hospitals, l’elevat ús energètic dels sistemes de climatització en quiròfans fa que aquests siguin un objectiu evident per a mesures d’eficiència energètica. L’objectiu d’aquesta tesi es identificar i avaluar estratègies de ventilació energèticament eficients que siguin capaces de mantenir una qualitat ambiental i higiènica acceptable. Una revisió bibliogràfica dels requeriments de qualitat ambiental i control d’infecció en quiròfans identifica els objectius dels requeriments en els estàndards disponibles, que s’utilitzen com a base per posar els límits en la definició de les propostes de millora energètica. Les motivacions pels requeriments de cabal d’aire d’impulsió, cabal d’aire exterior, temperatura, i humitat relativa son diferents, fet que aporta l’oportunitat de millorar l’eficiència energètica del sistema controlant independentment les consignes dels diferents paràmetres. Aquesta tesi desenvolupa un mètode general per ajustar el funcionament del sistema (cabal d’aire exterior, cabal d’aire d’impulsió, temperatura i humitat relativa) que permet complir amb els objectius de qualitat ambiental tot reduint us energètic. Es desenvolupa i es calibra un model energètic d’un sistema de climatització estàndard de quiròfan per avaluar els beneficis potencials d’estratègies de control. Els resultats indiquen que amb un control precís es pot reduir l’ús d’energia primària, les emissions de CO2, i els costos energètics en un 83% tot complint amb els requeriments de qualitat ambiental i control d’infecció que indiquen els estàndards. Es recomana que aquestes mesures de control siguin promogudes per la seva aplicació general. Els resultats també indiquen la possibilitat d’obtenir estalvis energètics addicionals quan es controla el cabal d’impulsió en base a lectures en temps real de la concentració de partícules a la sala. Els beneficis d’aquesta estratègia estan actualment limitats pel fet que no hi ha estàndards que defineixin límits de concentració de partícules durant operació. En tot cas, el control de ventilació estrictament basat en risc d’infecció no serà possible fins que hi hagi sensors que siguin capaços d’identificar els tipus de microorganismes. S’utilitza també un model energètic calibrat per avaluar els beneficis potencials en us energètic i confort tèrmic quan s’apliquen estratègies de control en una climatitzadora antiga i no estàndard. Els resultats indiquen que estratègies de control fetes a mida també poden ser implementades amb èxit com a mesura de rehabilitació. Els elevats cabals d’aire exterior requerits en quiròfans fan que en aquests sistemes sigui especialment oportú l’ús de equips de recuperació de calor. Es desenvolupa una avaluació de l’energia tèrmica requerida per la climatització de l’aire de ventilació en la geografia catalana amb l’objectiu d’aportar una eina per quantificar els potencials beneficis de diferents tipus de sistemes de recuperació de calor. Els resultats indiquen que el principal us energètic en climatització de l’aire de ventilació es en forma de calefacció, fins i tot en les regions mes càlides de Catalunya. L’eficiència energètica de quiròfans pot millorar substancialment fent us de mesures de control i recuperació de calor que estan permeses dins els límits dels estàndards actuals. Futures línies de recerca haurien d’estudiar tecnologies adequades per avaluar l’ocupació dels quiròfans per tal de possibilitar-ne el control en base a ocupació. Així mateix, cal definir llindars acceptables de risc d’infecció durant operació i desenvolupar els equips de mesura que ho facin possible.

The aim of the thesis is to examine the viability of the subsurface constructed wetlands for the treatment of wastewater derived from three different sources (treatment ponds, pig farms and car wash facilities), and to evaluate the influence of design (size, type and depth of media, presence of Phragmites australis) and operational parameters (hydraulic load, dosing and feeding modes) on treatment efficiency and hydraulic behavior. Several studies were done in the framework of different national and European R+D projects in 4 study sites. The viability of constructed wetlands with vertical and/or horizontal subsurface flow to treat the effluent from wastewater treatment pond systems (facultative and tertiary ponds) for discharge or reuse was evaluated in two municipal wastewater treatment plants, one in Aurignac (France) and the other in Santa Eugènia (Mallorca, Spain). The evaluation of the viability of hybrid subsurface flow constructed wetlands to treat swine slurry for land application or discharge in water bodies was performed in small farm was Can Corominas located in Viver i Serrateix (Barcelona, Spain). Finally, the viability of vertical and horizontal flow constructed wetlands to treat the effluent from car wash facilities for recycling was evaluated at a car wash station located in Montfullà (Girona, Spain), using an infiltration-percolation system as reference. A monitoring of the water quality (physicochemical and microbiological parameters) and the filters’ hydraulic (monitoring of flows, infiltration rates and tracer tests experiments) were performed. The main outcome of the thesis is the viability of the application of different configurations of subsurface flow constructed wetlands to treat the effluents from a wastewater treatment pond, a pig farm, and a car wash facility, once design and operation have been optimized. Subsurface flow constructed wetlands have shown resilience to load and hydraulic fluctuations, to new pollutants and to variable environmental conditions; being simple to operate and maintain with null or minimum energy requirements and with an added aesthetical value. From the case studies several points can be indicated as main conclusions. Paying special attention to the pond effluent study, it was characterised by a large quantity of algae and a high effluent variability that mainly depends temperature and solar irradiation. The experimental results demonstrated the effectiveness of vertical and horizontal flow constructed wetlands to upgrade pond effluent quality by retaining algae and suspended solids, completing organic matter degradation, and nitrifying the pond effluent in the case of vertical flow and partially removing total nitrogen in the case of horizontal flow. The filtering media size (sand or gravel) was the key parameter for algae retention. The presence of plants did not significantly affect the filter performance. The filtering media size (sand or gravel) was the key parameter for algae retention. The removal of microbial indicators depended mainly on the water retention time in the filter, which in turn depended on the media granulometry and hydraulic load, and on the depth of the filter and the dose volume per batch. The swine slurry presented high concentrations of suspended solids, organic matter, nitrogen and phosphorous, with high variability depending. The high ammonia contents interfered with the growth of Phragmites australis, while the high concentration of suspended solids and organic matter also limited the type of subsurface flow constructed wetland to be implemented. The hybrid configuration, which combines vertical and horizontal flow constructed wetlands, had a dual function for simultaneous solid-liquid separation and biological treatment. Removal of organic matter and suspended solids was very high, while the overall nitrogen load removal was around 65%, due to the combined nitrification/denitrification processes. The maximum number of feeding days was a key factor to avoid clogging. Some of the contaminants were retained and mineralised in the surface deposit layer of the vertical flow filter, increasing around 20 cm each year. Finally, car wash effluent had a high concentration of inorganic suspended solids, very variable concentrations of E. coli and organic matter, low concentrations of nutrients, and the presence of hydrocarbons, fats and oils and non-ionic surfactants. The three technologies evaluated performed very efficiently with respect to turbidity, organic material, and suspended solids. Non-ionic detergents, hydrocarbons, fats and oils were also completely removed, but their concentrations in the influent were already very low. E. coli was also removed to acceptable limits for recycling, with concentrations lower than the limits established in the Royal Decree guidelines for reuse in Spain. The oil and fats contents of the car wash effluents as well as the inorganic suspended solids made pre-treatment necessary in order to avoid media clogging. The low concentrations of nutrients resulted in a slow growth of Phragmites australis especially in horizontal flow constructed wetlands. / L'objectiu principal de la tesi és l’estudi de la viabilitat dels aiguamolls construïts amb flux subsuperficial per al tractament d'aigües residuals de diferents orígens (llacunatges, granges de porcs i instal·lacions de rentat de cotxes), i avaluar la influència dels paràmetres de disseny i d’operació en l'eficiència del tractament i el comportament hidràulic. Els estudis experimentals es van realitzar en el marc de diversos projectes de R+D+I nacionals i europeus R+D+I. La viabilitat dels aiguamolls construïts amb flux subsuperficial vertical i/o horitzontal per al tractament dels efluents de sistemes de llacunatges (facultatiu i terciari) es va avaluar en dues plantes de tractament d'aigües residuals urbanes, a Aurignac (França) i a Santa Eugènia (Mallorca, Espanya). Per al tractament de purins es va construir una planta pilot d'aiguamolls de tipus híbrid en una granja situada a Viver i Serrateix (Barcelona, Espanya). Finalment, es va realitzar un estudi de la viabilitat dels aiguamolls construïts de flux vertical i horitzontal per al tractament i reciclatge dels efluents d’instal·lacions de rentat de cotxes en una estació situada a Montfullà (Girona, Espanya), utilitzant un sistema d'infiltració-percolació com a referència. Es va fer el seguiment de la qualitat de l'aigua (paràmetres fisicoquímics i microbiològics) i de la hidràulica d’aquestes tecnologies (control de cabals, velocitats d'infiltració i experiments amb traçadors). La principal conclusió de la tesi és que l'aplicació de diferents configuracions d’aiguamolls construïts de flux subsuperficial per tractar els tres tipus d’aigües residuals estudiades és viable, malgrat que se n'ha d'optimitzar el disseny i l’operació. S'ha constatat que els aiguamolls construïts de flux subsuperficial vertical i horitzontal milloren la qualitat dels efluents de llacunatges, mitjançant la retenció de les algues i dels sòlids suspesos i completant la degradació de la matèria orgànica. La granulometria del medi filtrant és un paràmetre clau per a la retenció d'algues. L'eliminació dels indicadors microbiològics depèn principalment del temps de retenció d'hidràulica, que depèn, alhora, de la granulometria dels filtres, de la profunditat del medi, de la càrrega hidràulica i del fraccionament d’aquesta. Per altra banda, la configuració híbrida d'aiguamolls construïts, que combina flux vertical i horitzontal, presenta uns elevats rendiments d'eliminació de matèria orgànica i sòlids en suspensió dels purins. El nitrogen s'elimina al voltant del 65% gràcies als processos combinats de nitrificació (al filtre vertical) i desnitrificació (a l'horitzontal). L’elevada concentració d'amoníac dels purins va interferir en el creixement de Phragmites australis. Alguns dels contaminants van ser retinguts i mineralitzats i van formar una capa a la superfície del filtre de flux vertical. Aquesta capa ajuda a la depuració augmentant la filtració i els temps de retenció hidràulica, però cal limitar-ne el creixement mitjançant el control de la càrrega orgànica i dels períodes de descans per tal que no es produeixi una disminució massa gran de la infiltració. Finalment, les tres tecnologies avaluades per tractar els efluents de rentat de cotxes van resultar molt eficients pel que fa a la reducció de la terbolesa, de la matèria orgànica i dels sòlids suspesos. Els detergents no iònics, els hidrocarburs, els greixos i els olis també es van eliminar completament, però les seves concentracions en l'influent eren molt baixes. L’eliminació d’E. coli també va resultar elevada, especialment al sistema d’infiltració-percolació i a l'aiguamoll construït de flux vertical, de manera que es van assolir límits de qualitat aptes per al reciclatge. Les baixes concentracions de nutrients van donar com a resultat un creixement lent de Phragmites australis. El contingut d'oli i de greixos d’aquests efluents, així com els sòlids inorgànics en suspensió, fan necessari un pretractament.