Tesi realitzada als laboratoris d'Aigües de Barcelona (AGBAR) / La presencia de substàncies d’origen antropogènic en el medi aquàtic és un de les fites importants a les que actualment s’ha d’enfrontar la química ambiental. En la darrera dècada les drogues d’abús s’han sumat al conjunt de compostos identificats en aquest compartiment ambiental demostrant que el medi aquàtic es un reflex fidedigne de les activitats i hàbits d’aquells qui hi incideixen directament, els éssers humans. L’important consum a escala mundial d’aquestes substàncies així com la seva excreció en forma inalterada o coma a metabòlits coneguts, expliquen la seva presencia a concentracions detectables en l’aqüífer on arriben a través de les aigües residuals. La preocupació pels efectes encara desconeguts que aquestes substancies amb propietats psicoactives potents poden representar per al ecosistema creix exponencialment a mida que es coneix la extensió i ubiqüitat del problema. En aquesta tesi en primer lloc s’ha establert un mètode per a la determinació de les drogues d’abús en matrius aquoses mitjançant cromatografia de líquids d’ultra elevada eficàcia acoblada a l’espectrometria de masses en tàndem. S’han optimitzat els diferents paràmetres per tal d’obtenir la màxima eficiència i resolució en el mínim temps d’anàlisi i per a una determinació simultània de tots els compostos estudiats. Paràmetres com la composició de la fase mòbil, l’efecte de la temperatura de columna o la utilització de gradients no lineals han estat estudiats per tal d’obtenir una separació cromatogràfica per a quinze drogues d’abús estimuladores en menys de cinc minuts i de vint-i-sis drogues estimuladores i depressores en menys de 9 minuts. L’acoblament a l’espectrometria de masses en tàndem seleccionant dues transicions, una de quantificació i una altra de confirmació, en el mode d’adquisició de MRM, han permès obtenir un mètode selectiu i fiable. Mentre que l’optimització de l’extracció en fase sòlida, com a pas previ de tractament de la mostra han permès han permès disposar d’un mètode suficientment sensible per a detectar les drogues d’abús en les matrius aquoses seleccionades. Una vegada establert el mètode, aquest ha estat emprat per a la determinació de les drogues d’abús en el medi aquàtic. En primer lloc l’anàlisi de les drogues d’abús en aigües residuals ha rebel·lat la seva presencia de dotze de les quinze drogues d’abús, com cafeïna, la nicotina, la cocaïna o l’èxtasi entre d’altres, en quaranta estacions depuradores estudiades arreu de la geografia catalana. Algunes d’aquestes substàncies tot i ser eliminades parcialment durant el tractament de depuració són també presents en les aigües de sortida abocades a les aigües superficials. L’estudi de les aigües superficials realitzat mostra també la presencia d’algunes de les drogues d’abús com per exemple la cocaïna o l’èxtasi entre d’altres, al llarg de la conca del riu Llobregat, estudiat de naixement a desembocadura, per tal d’avaluar els efectes dels múltiples factors que hi incideixen com poden ser els abocaments d’aigües residuals, l’atenuació natural o l’efecte de dilució i/o concentració que poden tenir alguns dels efluents que hi conflueixen. Els resultats obtinguts mostren una tendència creixent en les concentracions de les drogues d’abús a mida que el rius s’apropa a les zones més densament poblades amb majors pressions ambientals. Tant en aigües residuals com superficials s’han realitzat estudis per tal d’avaluar les variacions estacionals o setmanals a les que poden veure’s sotmeses aquestes substàncies. Per a alguns compostos, com l’èxtasi (MDMA) s’ha observat importants increments durant el cap de setmana, probablement fruit del seu consum recreatiu mentre que per la cocaïna s’han detectat tan sols lleugers increments durant aquests dies suggerint per tant un consum més sostingut que el de l’anterior. En aquesta mateixa línia s’han realitzat estudis durant èpoques concretes com Nadal, rebel·lant increments molt destacables en les concentracions d’algunes substancies com la cocaïna o l’èxtasi durant aquestes dates. La presencia de les drogues d’abús en aigües superficials emprades per a la producció d’aigües de beguda ha conduït en la darrer part d’aquest treball a estudiar el comportament d’aquestes substancies en el tractament de potabilització. Aquest estudi s’ha estès també a una altra família de contaminants d’origen antropogènic, els fàrmacs, Els resultats obtinguts han demostra que si bé la majoria de les drogues d’abús i fàrmacs estudiats són eficientment eliminats alguns són capaces de sobreviure i trobar-se en les aigües finals a baixos nivells de concentració. A més juntament amb aquests compostos més recalcitrants l’estudi de formació i presencia de subproductes de les ATSs, ha rebel·lat la formació de dos subproductes de desinfecció clorats, un dels quals també es capaç de sobreviure el tractament. La presencia de les drogues d’abús, juntament amb els fàrmacs, en les aigües de beguda representa el tancament del recorregut al llarg del cicle de l’aigua que aquestes substancies inicien en el moment de ser introduïdes en el medi aquàtic i representa un aspecte rellevant a ser considerat juntament amb la generació, pel camí, de noves especies. / The presence of anthropogenic substances into the aquatic environment is one of the major milestones that environmental chemistry has to confront nowadays. In the last decade, drugs of abuse have joined the group of compounds identified in this environmental compartment, showing that the aquatic environment is a clear reflection of the activities and habits of those who are directly affecting it, the human beings. The important worldwide consumption of these substances, and their excretion, either unaltered or as known metabolites, explains their presence at detectable concentrations in the aquifer where they arrive via wastewater. In this thesis, an analytical method for the determination of drugs of abuse in aqueous matrices by ultra performance liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry has been developed. Once established, this method has been used for the determination of drugs of abuse in wastewaters, which revealed the presence of twelve out of fifteen drugs of abuse, such as caffeine, nicotine, cocaine or ecstasy among others, over the forty wastewater treatment plants studied throughout the Catalan geography. Some of these substances, despite being partially removed during treatment, are also present in the effluents discharged to surface waters. The study of surface waters also showed the presence of some drugs of abuse, such as cocaine or ecstasy among others, along the Llobregat river basin, studied birth to mouth, to evaluate the effects of multiple factors involved such as wastewater discharges, natural attenuation or effect of dilution and/or concentration that may have some of its effluents. The results show an increasing trend in the concentrations of drugs of abuse as the river approaches the most densely populated areas with higher environmental pressures. Seasonal and weekly variations have been also conducted in both wastewater and surface waters. For some compounds, such as ecstasy (MDMA), significant increases can be found over weekends, probably due to its recreational use, while for cocaine only slight increases were detected during these days, suggesting therefore a more sustained consumption. During specific times, such as Christmas, notable increases in the concentrations of some substances such as cocaine or ecstasy have been also observed. The presence of drugs of abuse in surface waters used for the production of drinking water has led in the last part of this work to study the behavior of these substances in drinking water treatments. This study has been extended to another family of anthropogenic pollutants, pharmaceuticals. The results have shown that, while most drugs of abuse and pharmaceuticals studied are efficiently removed, some are able to survive and remain in the final water at low concentration levels. Furthermore, along with these more recalcitrant compounds, the study of formation and presence of byproducts of the amphetamine type stimulants disclosed the formation of two chlorinated disinfection byproducts, one of which is even able to survive the treatment. The presence of drugs of abuse, along with drugs, in drinking water represents the closure of their trip through the water cycle and represents an important aspect to be considered along with the generation of new species.

This thesis represents an important contribution to facilitate the efficient creation of detailed inventories to carry out Life Cycle Assessment (LCA) studies of urban wastewater systems. Specifically, this thesis provides a tool to carry out an evaluation of the environmental impact of the construction of sewer systems. The work also shows that is necessary to consider the construction of wastewater treatment plants (WWTPs) when these studies are carried out and provides a set of useful linear regressions to calculate in a quickly and precise way the inventories for the civil works of small to medium WWTPs. Finally, the application of this methodology to evaluate the integrated management of different WWTPs is also presented together with an application of the water footprint in WWTPs to demonstrate that it can be also a valid tool to calculate its environmental impact. / Aquesta tesi representa una contribució important per facilitar la realització d'inventaris detallats per dur a terme estudis d'Anàlisi de Cicle de Vida (ACV) al sistema urbà d'aigua residual i que es poden obtenir d’una forma ràpida i amb resultats satisfactoris. Concretament, amb la tesi es presenta una eina per poder realitzar estudis d'impacte ambiental per la construcció de sistemes de col•lectors d'aigua residual. També demostra que cal tenir en compte la construcció de depuradores en aquest tipus d'estudis i també facilita una sèrie de regressions lineals útils per calcular de forma ràpida i precisa els inventaris per l’obra civil de depuradores d’una mida petita o mitjana. Finalment, també es presenta l'aplicació de la metodologia per avaluar la gestió integrada de diferents depuradores i l'aplicació de la petjada hídrica en depuradores per demostrar que també pot ser una eina molt vàlida per calcular d’una forma senzilla el seu impacte ambiental.

This thesis is formed as a summary of publications developed in the Chemical Engineering Department from the University of Barcelona. The six publications of this thesis are focused on the application of advanced technologies to Wastewater Treatment Plant (WWTP) effluents that are usually discharged to the aquatic environment. Water is an essential natural resource for the development of life and for human activities. Over the last few decades, water scarcity and water quality have become issues of major concern. Large amounts of water have been continuously contaminated, especially in developed countries. The restoration of water quality is essential to avoiding higher levels of contamination dealing with the "zero discharge" idea, and enabling water reuse. The implementation of tertiary treatments is necessary to reach the appropriate quality of water from effluents of WWTPs. It is generally assumed that not all polluting agents are removed through conventional WWTPs. These persistent compounds include the emerging pollutants group, constituted by chemicals of high diverse origin. They are characterized by their high production and consumption volumes, which entails their continuous presence in the environment even at low concentrations. Whereas their occurrence is fairly well-established, their long-term effects and environmental consequences are not clearly identified. Thus, additional advanced treatment steps should be considered to reduce their discharge into receiving waters. In this work, two groups of effluents that are usually discharge into water bodies without any extra treatment were treated: two types of secondary effluents and Reverse Osmosis (RO) brine effluent. Biologically treated sewage effluent contains a complex matrix of organic materials-Effluent Organic Matter (EfOM). This EfOM consisted of: refractory Natural Organic Matter (NOM), trace levels of synthetic organic compounds and soluble microbial products. Regarding RO, despite the high quality effluent generated, salts, biological constituents and organics, including micropollutants, are concentrated in the rejected effluent. Although their discharge is currently not regulated, safe environmental practices would suggest their treatment before its release and dilution into the environment. Advanced Oxidation Processes (AOPs) appear to be appropriate for the treatment of waste streams that contains recalcitrant organic matter. These AOPs involves the in situ generation of highly reactive hydroxyl radicals (HO). This work is focused in the UV/H202 and ozonation treatments. On the other hand, taking advantage of the biodegradability enhancement achieved by AOPs, the use of subsequent biological step has been also integrated in order to minimize even further the organic load of the target effluent. The selected biological process was the Biological Activated Carbon (BAC) filter, where microbial communities were established on the exhausted porous of Granular Activated Carbon (GAC) surface. / Actualmente, la situación de escasez de agua y la calidad de la misma son cuestiones de gran preocupación a nivel mundial. Es por ello que, restablecer la calidad de las aguas que han sido previamente utilizadas, es esencial para evitar seguir contribuyendo a la contaminación del medio ambiente y caminando hacia el ideal de "vertido cero". Esta tesis, presentada como compendio de artículos, se ha centrado en la aplicación de tecnologías avanzadas para el tratamiento de efluentes procedentes de Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (WWTPs) que normalmente son vertidos al medio acuático sin tratamiento extra, y sin embargo contienen aún materia recalcitrante como por ejemplo, microcontaminantes. Los efluentes tratados han sido: efluentes secundarios procedentes de WWTPs municipales y procedente del efluente de rechazo producido en el tratamiento terciario con Ósmosis Inversa (RO). Los tratamientos empleados han sido los Procesos de Oxidación Avanzada (AOPs) UV/H202 y ozonización, los cuales se caracterizan por la generación in situ de radicales hidroxilo de alto poder oxidante. Por otro lado, aprovechando que éstos son capaces de mejorar la biodegradabilidad del efluente tratado, también se ha estudiado la integración con tratamientos biológicos como son los filtros Biológicos de Carbón Activo (BAC). Esta tecnología aprovecha la saturación del Carbón Activo Granular (GAC) para la colonización de la biomasa en su superficie. Por lo que respeta a efluentes secundarios, se ha caracterizado la Materia Orgánica del Efluente (EfOM) durante su oxidación con UV/H202 y ozono mediante la técnica de Cromatografía Líquida con Detección de Carbono Orgánico (LC-OCD). Se ha concluido que ambas técnicas parecen apropiadas para la oxidación de las diferentes fracciones de EfOM. No obstante, se han observado algunas diferencias en las características de las aguas resultantes debido a los diferentes mecanismos de oxidación implicados en los AOP utilizados. Por otro lado, en los estudios realizados con efluentes de rechazo de RO, se ha evaluado la degradación de diferentes fármacos a diferentes dosis de oxidante aplicadas para ambos AOPs, así como la combinación de análisis químicos con bioensayos para caracterizar la eliminación de estos microcontaminantes. Por último, se ha evaluado la combinación de los tratamientos UV/H202 y ozonización con unos filtros Biológicos de Carbón Activo (BAC). Esta tecnología aprovecha la saturación del Carbón Activo Granular (GAC) para la colonización de la biomasa en su superficie. Los resultados han sido satisfactorios para todos los tratamientos propuestos, obteniendo cinéticas de degradación de fármacos diferentes en función del tratamiento aplicado y también de las características del efluente de rechazo. Los bioensayos aplicados han proporcionado información útil para una mejor caracterización de los efluentes resultantes. Por último, la integración de los AOPs como paso previo a un tratamiento biológico ha permitido reducir los parámetros típicos de calidad del agua significativamente.

Research of new sources of bioenergy is nowadays driving attention to microalgae. Cost-effective biomass harvesting poses a challenge for full-scale microalgae production for biofuels. In the context of wastewater treatment with microalgae cultures, coagulation-flocculation followed by sedimentation seems to be the most suitable option for microalgae harvesting as low energy and no extra materials are required. The main objective if this PhD thesis was to evaluate and improve the harvesting efficiency of microalgal biomass grown in wastewater treatment high rate algal ponds (HRAPs) by means of flocculation-based pre-concentration techniques (i.e. coagulation-flocculation with organic flocculants and biomass recycling). Moreover, the energy assessment of a full-scale wastewater treatment system based on HRAPs followed by anaerobic digestion of harvested microalgal biomass located in a Mediterranean Region was assessed. Firstly, coagulation-flocculation and sedimentation with two tannin-based polymeric flocculants (Ecotan and Tanfloc) was evaluated by means of static sedimentation tests in conventional settling columns. Low flocculants doses (10-50 mg/L) enabled over 90% biomass recovery. Furthermore, both flocculants increased microalgae settling velocity, leading to fast and efficient biomass recovery (> 90% recovery in 10-20 min). Subsequently, dynamic sedimentation tests were performed in a water elutriation apparatus in order to evaluate the settling velocities distribution of microalgal biomass with and without flocculants. This time, a tannin-based flocculant (Tanfloc) and a cationic starch were evaluated. The amount of biomass reaching settling velocities higher than 6.5 m/h increased from 10-14% (without flocculant) to 70-84% when 20-40 mg/L of Tanfloc were added. On the other hand, 10-25 mg/L of starch enabled more than 95% biomass recovery, increasing from 46% to 78% the amount of particles with settling velocities higher than 6.5 m/h. According to the results, a settler designed with a critical settling velocity of 1 m/h (which is a typical value in secondary settlers) would enable over 90% biomass recovery while reducing the hydraulic retention time and the settler surface as compared to biomass harvesting without flocculants. Microalgal biomass harvesting was also tested by recycling some of the harvested microalgal biomass (2% and 10% dry weight) to the pilot wastewater treatment HRAP in order to increase the predominance of rapidly-settling microalgae species. Results indicated that biomass recycling had a positive effect on the harvesting efficiency, obtaining higher recoveries in the pilot HRAP with recycling (91-93%) than in the pilot HRAP without recycling (75 ¿ 88%), and increasing the percentage of biomass with high settling velocity. This was due to the fact that the abundance of rapidly-settling strains such as Stigeoclonium sp. and diatoms increased when 10% (dry weight) of harvested biomass was recycled. Experimental results from this PhD thesis suggested that either flocculation with natural organic flocculants or biomass recycling improves harvesting efficiency of microalgal biomass with high biomass recoveries (>90%), increasing by 2-8-folds the amount of biomass with high settling velocities (6.5 m/h) and obtaining the best results in those experiments in which rapidly settling species (e.g. Stigeoclonium sp. and diatoms) were dominant. Finally, the energy balance of a microalgae-based wastewater treatment plant located in the Mediterranean Region was assessed based on experimental results. The harvested microalgal biomass grown in wastewater HRAPs would undergo anaerobic digestion (with or without thermal pretreatment) to produce biogas and generate electricity and/or heat. The energy assessment concluded that the system should achieve microalgal biomass production of at least 15 g TSS/m2d and/or a methane yield of 0.5 m3CH4/KgVS all over the year to be energy self-sufficient. / Actualmente, la investigación de nuevas fuentes de energía ha centrado la atención hacia las microalgas. El principal desafio para la producción de microalgas a gran escala es realizar una recuperación de la biomasa algal eficente y rentable para su posterior valorización. En el contexto del tratamiento de aguas residuales, el proceso de coagulación-floculación seguido de la sedimentación representa la técnica de recuperación de microalgas más adecuada debido al bajo consumo energético y a los bajos costes asociados. El objetivo principal de la tesis doctoral fue evaluar y mejorar la eficiencia de separación de la biomasa algal cultivada en lagunas de alta carga (LAC) para el tratamiento de agua residual urbana. Esto se consiguió aplicando técnicas de pre-concentración basadas en procesos de floculación. A posteriori, se evaluó el balance energético de un sistema de tratamiento de aguas residuales a gran escala situado en la región Mediterránea, formado por un sistema de LAC seguido de un proceso de digestión anaeróbica de la biomasa. En primer lugar, la coagulación-floculación y sedimentación con dos floculantes naturales poliméricos (Ecotan y Tanfloc) se evaluó por medio de ensayos de sedimentación estáticos en columnas de sedimentación convencionales. Ambos floculantes obtubieron dosis ótimas bajas (10-50 mg / L) que permitieron la recuperación del 90% de la biomasa. Además, estos aumentaron la velocidad de sedimentación de la biomasa algal, implicando una recuperación de la biomasa rápida y eficiente (> 90% de recuperación en 10 a 20 min). Posteriormente, los tests de sedimentación dinámica se realizaron en un dispositivo dotado de tres columnas de sedimentación con el fin de evaluar la distribución de velocidades de sedimentación de la biomasa con y sin el efecto de floculantes. Esta vez, se evaluaró un floculante polimérico (Tanfloc) y un almidón catiónico. En estos ensayos, se auménto del 10-14% (son floculante) al 70-84% (con coagulante) la fracción de biomasa con unas velocidades de sedimentación mayores a 6,5 m/h tras la adición de 20-40 mg/L de Tanfloc. Por otra parte, entre10 y 25 mg / L de almidón fueron necesarios para recuperar más del 95% de la biomasa,incrementando del 46% a 78% la fracción de partículas con velocidades de sedimentación mayores a 6,5 m / h. Según los resultados, un decantador diseñado con una velocidad de sedimentación de 1 m / h (valor típico en decantadores secundarios) permitiría la recuperación del 90% de la biomasa, reduciendo el tiempo de retención hidráulico y la superficie de los decantadores, tras la adición de los floculantes naturales estudiados. La separación de la biomasa también se evaluó mediante la recirculación de una fracción de la biomasa cosechada (2% y 10% del peso en seco) en un sistema de LAC para el tratamiento de aguas residuales con el fin de aumentar el predominio de aquellas especies con altas tasas de sedimentación. Los resultados indicaron que la recirculación aumento la eficiencia de recuperación, obteniendo mayores recuperaciones en la LAC con recirculación (91-93%) que en LAC sin recirculación (75-88%), y aumentando el porcentaje de la biomasa con velocidad de sedimentación elevadas. Esto fue debido a la aparación de especies con altas tasas de sedimentación tales como Stigeoclonium sp. y diatomeas presentes cuando se recirculó el 10% de biomasa cosechada. Por último, el balance energético de una planta de tratamiento de aguas residuales a base de microalgas situada en la región Mediterránea se evaluó a partir de resultados experimentales de la biomasa algal crecida en LAC y sometida a la digestión anaerobia (con o sin tratamiento térmico previo) para producir biogás y generar electricidad y / o calor. El estudio concluyó que se debe lograr una mínima producción de biomasa algal de 15 g SST / m2d y / o unas producciones de metano de 0,5 m3CH4 / kgVS para obtener un sistema energéticamente autosuficiente durante todo el año

This work can be framed in the field of computer-aided optical systems design and it is a part of a larger project in which automated processes are studied and implemented aiming to reduce the time span that stands between the idea and the functional device. One of the problems in optical systems optimization is the need for a predesign good enough to start, so that the automatic system is effective and leads to a quality optical system. To define a general criteria for initial conditions that are valid to start a process of automatic design in the specific field of non-imaging optics, is an objective which contributes to the capacity of the industry respending to market demands . Astrategy is defined to design reflectors as non-imaging optical systems in two stages:the first stage performs the design of a single reflective freeform surface providing a predetermined light distribution.The second stage defines the method that can generate valid initial configurations for the overall design of non- imaging optical systems . In order to design a one surface freeform reflector, a 20 strategy to build 30 solutions is defined which can describe the geometry of the freeform reflector using Bezier surfaces through a simplified calculation process in 20. The process of choosing 20 planes where to apply the strategy is based on expanding the criteria on what is accepted as a solution to transport light between two points. The basis and appropriate approaches have been defined in order to go from an exact solution to a plausible solution. An alternative method is presented, which is approximate and computationallysimpler, but allows plausible solutions in the general case that the source is not placed in the plane defined by the direction normal to the facet. In this case, the projection of the source in this plane provides an acceptable solution if you choose the right working conditions. The error has been delimited when using such a projection instead of finding the exact point that corresponds to one of the ellipse's focus contained in the plane. lt is found that the error is acceptable within the purposes of the present study. Applying the formulation of Snell's law in Bezier curves placed on strategic planes, a method for calculating the control points that defines the solution as a Bezier surface is provided.For that purpose, enhancement functions responding to various purposes, such as concentrate or distribute light around the chosen target points, are used. Finally, a method to generate valid initial configurations to design non imaging optics systems is defined, in the context of a faceted reflector. A method to segment the reflector based on the source luminance distribution is described.This method must take into account, necessarily, the segmentation of the source. Finally a method to segment the target surface is also described. The proposed working method has been validated by comparing the distributions of light predicted by the method with those obtained with commercial software. This verification has been made for concentrators and expander functions, for original facets sizes between 5 and 40mm and relative inclinations of 40 degrees, with point and extended source ofvarious sizes.In all cases, the discrepancies are still under 15% (almost always less than 8%), thus it can be concluded that the proposed method of generating 30 surface from 20 strategy, gives satisfactory results using the proposed surfaces as starting point for a more complete optimization process. / El present treball s'emmarca en el camp del disseny de sistemes òptics assistit per ordinador i forma part d'un projecte mes ampli en el que s'estudien i s'implementen processos automàtics de disseny destinats a reduir el lapse temporal que s'interposa entre la idea i el dispositiu funcional. Un dels problemes de l'optimització de sistemes òptics es la necessitat d'un predisseny prou acurat per tal que el sistema automàtic sigui eficaç i condueixi a un sistema òptic de qualitat. Definir els criteris generals per donar unes condicions inicials que siguin valides per a l'inici d'un procés automàtic de disseny, en el camp específic de l’òptica no formadora d'imatges, es un objectiu que contribueix a la capacitat de reacció de la industria davant les demandes del mercat. Es defineix una estratègia per el disseny de reflectors corn a sistemes òptics no formadors d'imatges en dues etapes: la primera dona el disseny de reflectors d'una sola superfície de forma lliure que proporcionin una distribució de llum preestablerta i la segona defineix el mètode que permet generar configuracions inicials valides per al disseny global de sistemes no formadors d'imatges. Per dissenyar reflectors d'una sola superfície de forma lliure es defineix una estratègia 2D per construir solucions 3D que permet descriure la geometria del reflector de forma lliure mitjançant superfícies de Bezier a traves d'un procés simplificat de càlcul en 2D. El procés d'elecció dels plans 2D on aplicar l’estratègia es fonamenta en l'ampliació del criteri de que s'accepta corn a solució al problema de transport de llum entre dos punts i s'han donat les bases i aproximacions adequades per plantejar el pas d'una solució exacte a una solució plausible. S'ha donat un mètode aproximat alternatiu i computacionalment mes simple que permet donar solucions plausibles en el cas general en que la font no es trobi inicialment en el pia definit per la direcció normal a la faceta. En aquest cas, la projecció de la font en aquest pia proporciona, una solució acceptable si es trien les condicions de treball adequades. S'ha acotat I'error que es comet en utilitzar la projecció de la font sobre el pia enlloc de trobar el punt exacte que correspon a un dels focus de l'el·lipse continguda en el pia i s'ha vist que es acceptable en els propòsits de trobar solucions plausibles del present treball. Aplicant la formulació de la llei de Snell en corbes de Bezier situades en els plans estratègicament escollits, es defineix el mètode per calcular els punts de control que defineixen la superfície de Bezier que dona solució al problema plantejat. Per això s'utilitzen funcions de millora que responen a propòsits diversos, corn ara concentrar o distribuir la llum al voltant dels punts objectius trials. Finalment es defineix un mètode que permet generar configuracions inicials valides per al disseny global de sistemes no formadors d'imatges en el context de disseny d'un reflector facetat. Per fer-ho s 'ha descrit un mètode de segmentació del reflector basat en la distribució de luminància de la font i que ha de tenir en compte, necessàriament, la segmentació de la font, i per últim s'ha descrit un mètode de segmentació de la superfície objectiu. S'ha validat el mètode de treball i les solucions obtingudes comparant les distribucions de llum predites pel mètode amb les obtingudes amb un software comercial. Aquesta verificació s'ha efectuat per a funcions concentradores i expansores, per mides originals de facetes d'entre 5 i 40 mm i per inclinacions relatives de fins a 40 graus, tant amb font puntual corn amb fonts extenses de diverses mides. En tots els casos les discrepàncies han estant menors del 15% (casi sempre menors del 8%) i així es pot concloure que el mètode proposat de generar superfícies 3D a partir d’estratègies 2D dona un resultat satisfactori per utilitzar les superfícies proposades corn a punt de partida d'un procés d'optimització mes completa

Constructed Wetlands (CWs) are a wastewater treatment technology that inherits the purification potential of natural wetlands and optimizes it to comply with regulations for treated discharges. CWs have become an equally performing alternative to conventional wastewater treatment technologies of communities up to 2000PE, with lower energy and maintenance costs. Despite their potential, CWs lack reliability, which holds back their full deployment in the territory. This fact results from the lack of understanding on their internal functioning and because they are prone to clogging. The enormous diversity of CWs typologies and operation strategies, and the fact that they operate at the mercy of the environmental conditions, makes each CW unique on its kind, and experimental studies are usually only representative of the studied system. This fact makes mathematical models essential to study their functioning. Several models for CWs have proliferated in the last dozen years to provide supporting tools for their design and operation as well as more insight into the treatment processes. However, compared to models utilized in similar disciplines, CWs models are still in an embrionary stage. Accordingly, the objectives of the current work were to develop a CWs model able to describe the most common processes taking place within CWs, and to use this model to shed light on the internal functioning of these systems in the long-term. The model, named BIO_PORE, was built in COMSOL Multiphysics and can simulate subsurface flow and pollutants transport in porous media. It also implements the biokinetic model Constructed Wetlands Model number 1 (CWM1) to describe the fate of organic matter, nitrogen and sulphur and the growth of the bacterial groups found in CWs. The model was calibrated with experimental data of a year of operation of a pilot system. Two empirical parameters (Mcap and Mbio_max ) were used to improve the description of bacterial growth obtained with CWM1 and to include the effects of solids accumulation on bacterial communities. The effect of these two parameters was evaluated using local sensitivity analysis. The model was later used to unveil the dynamics of bacterial communities within CWs. In addition, a theory was derived from simulation results, which aimed at describing the most basic functioning patterns of CWs based on the interaction between bacterial communities and accumulated solids. At the end of the document a mathematical formulation is presented to describe bioclogging and a numerical experiment is carried out to showcase its impact on simulation results. The main outcome of the current work was the BIO_PORE model. This model was able to reproduce effluent pollutant concentrations measured during an entire year of operation of the pilot system. Parameters Mcap and Mbio_max proved essential to prevent unlimited bacterial growth predicted by CWM1 near the inlet sections of CWs. These two parameters were also responsible for the good fitting with experimental data. This was confirmed with the sensitivity analysis, which demonstrated that they have a major impact on the model predictions for effluent COD and ammonia and ammonium nitrogen. The theory derived from simulation results indicated that bacteria move towards the outlet with time, following the accumulation of inert solids from inlet to outlet. This result may prove that CWs life-span is limited, corresponding to the time after which bacterial communities are pushed as much towards the outlet that their total biomass is not able to provide effluents with acceptable quality. The inclusion of bioclogging was a requisite to reproduce the bacterial distribution and fluid flow and pollutants transport within CWs. More work on the BIO_PORE model is required and more experimental data is necessary to calibrate and validate its results.

The presence of nitrates (NO3-) in groundwater is a worldwide concern. The high energy demand and environmental impact of available technologies requires investigating new technologies. This thesis was focused on investigating the usage of bioelectrochemical systems (BES) for treating nitrate-polluted groundwater. BES uses microorganisms able to catalyze oxidation/reduction processes by delivering/obtaining electrons from an electrode. In this thesis, microorganisms able to use the electrode as an electron donor (biocathode) to reduce nitrates into dinitrogen gas (inert) were investigated. As a result, a process could be patented, in which BES are able to treat nitrates at high denitrification rates (up to 700 gN•m-3NCC•d-1), with a competitive energy demand (0.68•10-2 – 1.27•10-2 kWh•gN-1treated), without sludge generation nor chemical dosing. Moreover, the microorganisms were electrochemically characterized, and the key subcommunities of the process were elucidated. In summary, bioelectrochemical systems have the potential for becoming a competitive alternative for the treatment of nitrate-polluted groundwater / La presència de nitrats (NO3-) en aigües subterrànies és una preocupació global. L’alt cost energètic i ambiental de les tecnologies actuals requereixen la investigació de noves estratègies. Aquesta tesi ha investigat la utilització de sistemes bioelectroquímics (BES) pel tractament d’aigües subterrànies contaminades per nitrats. Les BES es basen en microorganismes capaços de realitzar oxidacions/reduccions tot alliberant/captant electrons d’un elèctrode. Aquesta tesi ha investigat l’ús de bactèries capaçes d’utilitzar l’elèctrode com a donador d’electrons (biocàtode) per reduir el nitrat a dinitrogen gas (compost inert). Com a resultat, s’ha patentat un procés que permet desnitrificar a altes velocitats (700 gN•m-3NCC•d-1), a un cost energètic competitiu (0.68•10-2 – 1.27•10-2 kWh•gN-1tractat), sense generar fangs ni addicionar substàncies químiques. També s’ha caracteritzat electroquímicament els microorganismes i s’ha elucidat les subcomunitats microbianes responsables de la desnitrificació. En definitiva, aquesta tesi demostra que els sistemes bioelectroquímics poden esdevenir una alternativa competitiva pel tractament d’aigües subterrànies contaminades per nitrats

This thesis presents two successful applications of data-driven models developed for a reverse osmosis desalination pilot plant. The Support Vector Regression (SVR) modeling approach for steady state operation of the reverse osmosis pilot plant M3 has performed better results than the commonly used first principle-based models. In the same way, the dynamic models have enabled the short-term prediction and simulation of the M3 plant behavior under non-steady state operation, with such a high accuracy that it makes the approach suitable for advanced reverse osmosis plant control algorithms, fault tolerant control and process optimization. In fact, SVR models have been proved to perform excellent results as part of a fault detection and isolation tool for the M3 plant. In addition, an alternative to SVR models which uses Self-Organizing Maps has been also demonstrated for fault detection and isolation, including a useful visual tool for the rapid fault detection during plant operation. / Aquesta tesi presenta dues aplicacions de models basats en dades desenvolupades per a una planta pilot de dessalinització d’aigua mitjançant osmosi inversa. S’ha modelat l’operació estacionària de la planta M3 utilitzant Support Vector Regression (SVR), obtenint uns resultats millors que els dels models basats en primers principis. Així mateix, els models dinàmics han permès la simulació i la predicció a curt termini de l’M3 en condicions no estacionàries amb tal precisió que els fa idonis per a la seva aplicació en optimització de processos i algoritmes avançats de control. De fet, models SVR han estat utilitzats en un sistema de detecció i aïllament de fallades per a l’M3, obtenint excel•lents resultats. Addicionalment, també s’ha desenvolupat un sistema de detecció i aïllament de fallades alternatiu als models SVR que utilitza Self-Organizing-Maps i a més inclou una eina visual per a la ràpida detecció de fallades durant l’operació de la planta.

The research has as main goal to develop a structured methodology to be able to predict the environmental impact of artificial night lighting. For this reason, I have divided the process into different stages: In the beginning it was conducted exhaustive compilation of investigations related to quantification of the effects of light on living organisms and sky. These quantifications, have been associated with the technologies of existing lighting systems, in order to have a strong core relationship between research process and actual implementation of engineering projects. It has been necessary to develop methods of quantifying the pollution source, which has been able to determine the magnitude unique project level, and full population core. Data extracted to determine the contaminant magnitude, have been traditional photometrics: luminous flux and spectrum of the light sources. In order to corroborate that the research methods and measurement of light pollution can be implemented in a regular process, I have made measurements and fieldwork in what refers to: Measures obtrusive light to private homes, direct and indirect intrusion natural ecosystems, and measures brightness of the sky with different devices and methodology (Sky Quality Meter, AllSky camera, luminance meter ...). Through these measurements, it was determined that processes can be more interesting, and what are strengths and weaknesses to be used by technical personnel, although not expert. The result of this work has been represented in a methodology to apply in lighting projects, which aims to predict the effect on light pollution, as well as serve as a tool to evaluate different alternatives and to promote protection of the night environment. The process is organized into separate phases, so that it is easily upgradeable and scalable depending on the subsequent development of science. / Esta investigación tiene como principal objetivo desarrollar una metodología estructurada que permita poder predecir el impacto ambiental del alumbrado artificial nocturno. Para ello se ha dividido el proceso en diferentes etapas: Inicialmente se ha realizado una recopilación exhaustiva de las investigaciones relacionadas sobre la cuantificación de las repercusiones de la luz en los seres vivos y el cielo. Estas cuantificaciones, se han vinculado con las tecnologías de los sistemas de alumbrado, con el objetivo de tener un núcleo fuerte de relación entre proceso investigador e implantación real de los proyectos de ingeniería. Ha sido necesario desarrollar métodos de cuantificación de la fuente contaminante, en las que se ha determinado la magnitud a nivel de proyecto singular, y de núcleo de población completo. Los datos extraídos para determinar esta magnitud contaminante, han sido luminotécnicas tradicionales: flujo lumínico contaminante y espectro de emisión de las fuentes de luz. Para poder corroborar que los métodos de investigación y medida de la contaminación lumínica se pueden implantar en un proceso habitual, se han realizado mediciones y trabajo de campo en lo que hace referencia a: Medidas de luz intrusa en viviendas particulares, intrusión directa e indirecta en ecosistemas naturales, y medidas de brillo de cielo con diferentes dispositivos de medida y metodología (Sky Quality Meter, cámara AllSky, luminancímetro...). A través de estas mediciones se ha podido determinar que procesos pueden ser más aplicables, y cuáles son los puntos débiles y fuertes para su uso por personal técnico, pero no científico. El resultado final de este trabajo se ha materializado en una metodología a poder aplicar en proyectos de alumbrado, que tiene como objetivo predecir la afectación de la contaminación lumínica, a la vez que sirva de herramienta para poder valorar diferentes alternativas, y poder promover en la protección del medio natural nocturno. El procedimiento está organizado en diferentes fases independientes entre sí, de forma que es fácilmente actualizable y escalable en función del desarrollo posterior de la ciencia.

A microbial fuel cell (MFC) is a bioelectrochemical system (BES) capable of converting the chemical energy contained in the chemical bonds of a substrate into electrical energy by means of electrochemical reactions catalyzed by microorganisms. The amount of energy to be gained by bacteria capable of transferring electrons to an anode is significantly higher compared to other alternative electron acceptors. Exoelectrogenic microbial populations tend to be selectively enriched on the anode electrode, being essential for the performance improvement of the MFC in terms of electricity production from organic matter oxidation. MFC technology arises as an attractive alternative for the treatment of high strength animal wastewater, such as pig slurries, to potentially improve energetic valorisation of organic wastes, concomitantly to carbon and nitrogen content reduction or recovery. The first part of the thesis (Chapters 4, 5 and 6) focuses on the study of microbial populations harboured on the anode electrode of MFCs. The effect of different ion exchange membrane materials and different inoculum sources over the microbial population was studied in discontinuously fed MFCs. A detailed study of the microbial community dynamics and composition onto the anode biofilms, under different feeding conditions (synthetic wastewater and the liquid fraction of pig slurry), was then studied in continuously fed MFC. A highly diverse microbial community is shown to be present under these different scenarios and, its final composition is being dependent on the factors studied. The second part of the thesis is focused on understanding the nitrogen dynamics in a two-chambered MFC, and the possible strategies available to remove or recover it. First of all, the diffusion/migration of ammonia nitrogen through the cation exchange membrane was studied in batch essays under different operational conditions (Chapter 7). The results obtained showed that the diffusion/migration of ammonia nitrogen is dependent on the voltage applied and, when using pig slurry, ammonia migration reaches values close to 50%. These results suggested that the use of MFC technology could be a good strategy to deal with the nitrogen excess in this kind of substrates. Two different processes for MFC nitrogen recovery and removal were developed. First, a physicochemical-based process for nitrogen recovery was developed coupling a stripping-absorption unit to the cathode chamber (Chapter 7). Results showed the stripping/absorption-BES system is a feasible technology to recover ammonia from pig slurries. Second, a nitrogen removal strategy by means of biological processes was studied using synthetic high strength wastewater as feed (Chapter 8). In this case, the ammonia nitrogen migrating from the anode to the cathode, was removed applying intermittent aeration cycles in the cathode chamber of the MFC where a concomitant nitrifying-denitrifying microbial community being established. The feasibility to recover/remove nitrogen from high strength animal wastewater, such as pig slurries, using different MFC strategies has been demonstrated at lab scale. Hence, it can be considered as a potential technology for scaling up the treatment of high strength (organic and nitrogen) wastewaters, so as to accomplish the requirements needed for agricultural uses. Likewise, the knowledge acquired about the biofilm developed on the anode reveals itself as a key point for the resilience of BES at different environmental conditions and for further developments. / Una celda de combustible microbiana (MFC), es un tipo de sistema bioelectroquímico (BES) capaz de convertir la energía contenida en los compuestos químicos en energía eléctrica mediante reacciones electroquímicas catalizadas por microorganismos. Las poblaciones de microorganismos exoelectrogénicos tienden a enriquecerse selectivamente en los electrodos del compartimento ánodico, siendo esenciales para la mejora del rendimiento de las MFCs en términos de producción de electricidad a partir de la oxidación de la materia orgánica. La tecnología de las MFCs se plantea como una alternativa para el tratamiento de aguas residuales de alta carga de origen animal, como por ejemplo los purines, para mejorar potencialmente su valorización energética, vinculada a la reducción o recuperación del contenido de carbono y nitrógeno. La primera parte de esta tesis (Capítulos 4, 5 y 6) está centrada en el estudio de las poblaciones microbianas hospedadas en los electrodos de las MFCs. Se estudió el efecto de diferentes tipos de materiales de membranas de intercambio iónico, así como inóculos de diferente naturaleza, sobre las poblaciones de microorganismos en MFCs operando en discontinuo. Posteriormente, se realizó un estudio más detallado de la dinámica y la composición microbiana establecida sobre el biofilm del ánodo, bajo diferentes condiciones de alimentación (agua residual sintética y la fracción líquida de purín porcino), en MFCs operadas en modo continuo. Bajo estas condiciones de estudio, se mostró una elevada diversidad de la comunidad microbiana, siendo la composición final dependiente de los factores estudiados. La segunda parte de la tesis está centrada en el estudio de la dinámica del nitrógeno en MFCs de doble compartimento, y el desarrollo de posibles estrategias para eliminarlo o recuperarlo. Primero, se estudió la difusión/migración del amonio a través de una membrana de intercambio catiónico, en experimentos en discontinuo bajo diferentes condiciones de operación (Capítulo 7). Los resultados obtenidos mostraron que la difusión/migración del amonio es función del voltaje aplicado, y cuando se usan purines, la migración de amonio llega a valores cercanos al 50%. Estos resultados sugirieron que el uso de la tecnología de las MFCs podría ser una buena estrategia para tratar el exceso de nitrógeno de esta clase de residuos orgánicos. Se desarrollaron dos procesos diferentes de recuperación y eliminación de nitrógeno. Primero, se desarrolló un proceso fisicoquímico para la recuperación de nitrógeno acoplando una unidad de stripping/absorción al compartimento catódico (Capítulo 7). Los resultados mostraron que este sistema de BES-stripping/absorción se puede considerar como una tecnología factible para llevar a cabo la recuperación del nitrógeno de los purines. En segundo lugar, se estudió una estrategia de eliminación de nitrógeno mediante procesos biológicos, utilizado en este caso agua residual sintética de alta carga (Capítulo 8). En este caso, el amonio que migró desde el ánodo al cátodo, fue eliminado aplicando ciclos intermitentes de aireación en el compartimento catódico de la MFC, lo que provoca el establecimiento de una población nitrificante-desnitrificante. La viabilidad para recuperar/eliminar nitrógeno de aguas residuales de alta carga de origen animal, como purines, mediante MFCs ha sido demostrada a escala de laboratorio utilizando diferentes estrategias. Por lo tanto, se puede considerar, que es una tecnología potencialmente aplicable en el tratamiento de aguas residuales de alta carga (carbono y nitrógeno), así como para lograr los requerimientos necesarios para uso agrícola. Igualmente, el conocimiento adquirido sobre el desarrollo del biofilm en el ánodo, revela que es un factor clave para la adaptabilidad de BES en diferentes condiciones medioambientales y para futuros desarrollos.