The conventional Biological Nitrogen Removal (BNR) process consists on the oxidation of ammonia to nitrate (nitrification) and the subsequent reduction of nitrate to nitrogen gas (denitrification) using biodegradable COD as electron donor. If this BNR process is carried out over nitrite, it is obtained a saving of 25% of the aeration costs, the 40% of the external COD to denitrify and the 30% of sludge produced. Another feasible treatment is the combination of partial nitrification (oxidation of the 50% of NH4+-N to NO2--N) with Anammox (denitrification of NO2--N to N2 using NH4+-N as electron donor). When compared with conventional BNR, this process avoids the requirement of COD to denitrify, leads to a saving of 65% of the oxygen supply and produces little sludge.In this thesis, several BNR processes have been tested to remove the nitrogen present in three wastewaters widely generated in Catalonia: supernatant from Anaerobic Digestion (AD) of municipal sewage sludge, supernatant from AD of the organic fraction of municipal solid waste and supernatant from AD of pig slurry.For these three wastewaters, the Sequencing Batch Reactor (SBR) technology was tested, operating with 3 cycles per day, SRT 11-12 days, temperature 30-32 ºC and using an external carbon source to denitrify. The working free ammonia concentrations and the reduced dissolved oxygen concentrations led to the inhibition of the nitrite oxidation to nitrate. Moreover, the integration of a coagulation/flocculation step inside the operating SBR cycle was studied to reduce the effluent COD. The operating nitrogen loading rates were around 0.85 kg N m-3 day-1.The SBR operation was also modelled by means of an Activated Sludge Model extended to describe the BNR over nitrite. This model includes pH calculation, the inhibition of nitrification by pH, NH3 and HNO2, oxygen supply and the stripping of CO2 and NH3. A methodology based on respirometric batch tests was proposed to assess the model parameters. Once calibrated, the proposed model showed very good agreement between experimental and simulated data of the three studied SBR treatments. The SHARON-Denitrification process was also studied in this work. This biological process takes place in a continuous reactor where aerobic/anoxic periods are alternated under specific HRT and temperature conditions that favours ammonium oxidizers growth and assures the total wash-out of nitrite oxidizers. An optimized performance of this process was obtained at HRT 2.1 days, 33 ºC, cycle length of 2 h and using methanol to denitrify. However, the use of supernatant of hydrolysed primary sludge as the organic carbon source to denitrify improved the process efficiency due to the alkalinity present in the primary sludge. The obtained operating nitrogen loading rate of this reactor was 0.38 kg N m-3 day-1.Furthermore, two biological nitrogen removal treatments for partial nitrification of sludge reject water were operated and modelled: the SHARON process and the partial nitrification in a SBR. Both processes showed a good performance in the generation of an effluent with a NH4+-N to NO2--N on molar basis of approximately 1. In the SBR, the key factor responsible of the inhibition of nitrite oxidizers was the working free ammonia concentration. For the SHARON process the key factor was the implemented SRT at the operating temperature. Finally, an Anammox SBR was operated to treat a highly ammonium loaded synthetic wastewater, that represented the effluent obtained in the partial nitrification units. The feasibility of the Anammox process at different temperature conditions (between 18 and 30ºC) was tested. At 18 ºC, a stable operation was achieved treating 0.30 kg N (L day)-1, with a stoichiometry slightly different from that obtained under 30 ºC. / EN CASTELLANO: La legislación es cada vez más estricta para la reducción del contenido de nutrientes (entre los que destaca el nitrógeno) en el efluente de plantas de tratamiento de aguas residuales, lo cual estimula la investigación para mejorar este aspecto en las plantas ya existentes. La tendencia actual es aplicar tratamientos de eliminación de nutrientes sobre aquellas corrientes ricas en contaminante.En esta tesis doctoral se ha trabajado con distintas aguas residuales con alto contenido en nitrógeno amoniacal al proceder de un tratamiento de digestión anaeróbica de residuos orgánicos altamente proteicos: sobrenadante de digestión anaeróbica de fangos de Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR) municipales, sobrenadante de digestión anaeróbica de la Fracción Orgánica de Residuos Municipales (FORM) y sobrenadante de digestión anaeróbica de purines de cerdo. Entre las posibles alternativas de tratamiento de dichas aguas residuales, el tratamiento biológico acostumbra a ser el más recomendable, en base a la eficiencia de tratamiento y los costes de instalación y operación.Para tratar estas aguas residuales se ha llevado a cabo un estudio de operación y modelado de diferentes tratamientos avanzados de eliminación biológica de nitrógeno: En primer lugar, la utilización de un reactor discontinuo secuencial en el cual se realiza un proceso de nitrificación/desnitrificación vía nitrito, lo cual supone un ahorro, respecto a los tratamientos biológicos convencionales, del 25% de los costes de aireación y del 40% de materia orgánica externa para desnitrificar. Por otro lado, se ha experimentado el tratamiento biológico de nitrógeno en un reactor SHARON/Desnitrificación, que conduce a una reducción de costes similar a la obtenida en un reactor secuencial por cargas. Finalmente, se ha estudiado la utilización de un sistema combinado de nitrificación parcial y Anammox. Respecto al tratamiento convencional, esta tecnología evita la necesidad de usar materia orgánica para desnitrificar y conduce a un ahorro del 65% de los costes de aireación, produciendo muy poca cantidad de fangos. Sin embargo, los puntos débiles del proceso de Nitrificación parcial/Anammox son el lento crecimiento de la biomasa Anammox y su baja resistencia a inhibidores. / RESUM EN CATALÀ: La legislació és cada vegada més estricta per tal de reduir el contingut de nutrients (entre els que destaca el nitrogen) en l'efluent de les plantes de tractament d'aigües residuals, la qual cosa estimula la recerca per tal de millorar aquest aspecte en les plantes ja existents. La tendència actual és cercar aquelles corrents riques en contaminant per aplicar un tractament específic sobre elles. En aquesta tesi s'ha treballat amb diferents aigües residuals d'alt contingut en nitrogen amoniacal en provenir d'un tractament de digestió anaeròbica de materials fortament proteics: sobrenedant de digestió anaeròbica de fangs d'Estacions Depuradores d'Aigües Residuals (EDAR) municipals, sobrenedant de digestió anaeròbica de la Fracció Orgànica de Residus Municipals (FORM) i sobrenedant de digestió anaeròbica de purins de porc. Entre les possibles alternatives de tractament d'aquestes aigües residuals, el tractament biològic acostuma a ser el més recomanable, en base a l'eficiència del tractament i els costos d'instal·lació i operació.Per tal de tractar aquestes aigües residuals s'ha fet un estudi d'operació i modelització de diferents tractaments avançats d'eliminació biològica de nitrogen: En primer lloc, la utilització d'un reactor discontinu seqüencial en el qual es realitza un procés de nitrificació/desnitrificació via nitrit, la qual cosa suposa un estalvi, respecte els tractaments biològics convencionals, del 25% dels costos d'aireig i del 40% de matèria orgànica externa per desnitrificar. Per altra banda, s'ha experimentat el tractament biològic de nitrogen en un reactor SHARON/Desnitrificació, el qual suposa una reducció de costos similar a la obtinguda en un reactor seqüencial per càrregues. Finalment, s'ha estudiat la utilització d'un sistema combinat de nitrificació parcial i Anammox. Respecte el tractament convencional, aquesta tecnologia evita la necessitat d'emprar matèria orgànica per desnitrificar i condueix a un estalvi del 65% dels costos d'aireig, produint molt poca quantitat de fangs. Tot i així, els punts febles del procés de Nitrificació parcial/Anammox són el lent creixement dels microorganismes Anammox i la seva baixa resistència a inhibidors.

Advanced Oxidation Processes (AOPs) are suitable for achieving the complete mineralization of organic pollutants in wastewaters, since they are based on the generation of a powerful non-selective chemical oxidant. A major drawback of AOPs is that they involve high operating costs if high levels of mineralization are endeavoured. Integration of an AOP with a biological treatment has demonstrated to be a suitable alternative, since it combines the capacity of the AOP, in this case Photo-Fenton, to enhance biodegradability, with a biological treatment such as a Sequencing Batch Biofilter Reactor (SBBR), which operating costs are lower.Photo-Fenton (Ph-F) process is carried out by irradiating the system with ultraviolet (UV) and/or visible (Vis) light. In Fenton processes, by combination of hydrogen peroxide (H2O2) as a reagent and iron ions (Fe2+ for example) as catalyst in acid medium, highly oxidant species are generated.According to the results, most of the studied parameters may be written as a function of [H2O2]0, which means that temperature and [Fe2+]0 do not affect significantly the results. Moreover, a subsequent scale-up of the process shows that degradation follow very similar tendencies and shows similar results.It has been observed that the efficiency of oxidation follows a tendency directly related to the amount of H2O2 applied. An innovative description of the process is their modelling regarding the evolution of COD and BOD5 over the oxidation process or depending on the amount of H2O2 applied. The models show good fitting properties, and they appear to be a good basis for more precise modelling of the system.Regarding the integration of both processes, the best operating conditions consists of first treating the solution by Ph-F with 500 mg.L-1 of [H2O2]0 and 10 mg.L-1 of [Fe2+]0 at 27 ºC. The resulting product is then treated in the SBBR for 8 hours of time. More than 90 % of mineralization is achieved. The bioreactor show high resistance when is exposed to toxic shock load. Concerning control possibilities, monitoring the Oxygen Uptake Rate (OUR) by in-situ respirometry is suggested to be a good parameter, since it is a direct measurement of bacterial activity.

Els Sistemes d'Aiguamolls Construïts (SAC) de Flux Subsuperficial Horitzontal (FSH) és una tecnologia apropiada pel sanejament d'aigües residuals procedents de nuclis de població petits. No obstant els SAC de FSH són considerats una tecnologia natural, l'operació i manteniment d'aquestes depuradores és crucial per a garantir el seu correcte funcionament. Aquestes necessitats d'operació i manteniment varien entre depuradores segons (1) les característiques de la comunitat, (2) la configuració de la depuradora i el disseny del SAC de FSH i (3) les característiques del medi receptor. En aquest sentit, en aquesta tesi es presenta el desenvolupament d'un Sistema d'Ajuda a la Decisió (SAD) per a la definició de protocols d'operació i manteniment per a SAC de FSH tenint en compte els factors que causen variabilitat entre aquest tipus de depuradores (1, 2 i 3). / Horizontal Subsurface Constructed Wetlands (HSCW) is an appropriate technology to treat wastewater coming from small communities. Despite HSCW is considered a natural technology, operation and maintenance are crucial to guarantee their performance. These necessities vary according to (1) the characteristics of the community, (2) the wastewater treatment plant configuration and the HSCW design and (3) the characteristics of the receiving media. In this sense, the this thesis presents the development of an Environmental Decision Support System (EDSS) to asses the definition of operation and maintenance protocols for HSCW taking into account the aspects that cause variability among these facilities (1, 2 and 3).

La present tesi pretén recollir l'experiència viscuda en desenvolupar un sistema supervisor intel·ligent per a la millora de la gestió de plantes depuradores d'aigües residuals., implementar-lo en planta real (EDAR Granollers) i avaluar-ne el funcionament dia a dia amb situacions típiques de la planta. Aquest sistema supervisor combina i integra eines de control clàssic de les plantes depuradores (controlador automàtic del nivell d'oxigen dissolt al reactor biològic, ús de models descriptius del procés...) amb l'aplicació d'eines del camp de la intel·ligència artificial (sistemes basats en el coneixement, concretament sistemes experts i sistemes basats en casos, i xarxes neuronals).Aquest document s'estructura en 9 capítols diferents. Hi ha una primera part introductòria on es fa una revisió de l'estat actual del control de les EDARs i s'explica el perquè de la complexitat de la gestió d'aquests processos (capítol 1). Aquest capítol introductori juntament amb el capítol 2, on es pretén explicar els antecedents d'aquesta tesi, serveixen per establir els objectius d'aquest treball (capítol 3). A continuació, el capítol 4 descriu les peculiaritats i especificitats de la planta que s'ha escollit per implementar el sistema supervisor.Els capítols 5 i 6 del present document exposen el treball fet per a desenvolupar el sistema basat en regles o sistema expert (capítol 6) i el sistema basat en casos (capítol 7). El capítol 8 descriu la integració d'aquestes dues eines de raonament en una arquitectura multi nivell distribuïda. Finalment, hi ha una darrer capítol que correspon a la avaluació (verificació i validació), en primer lloc, de cadascuna de les eines per separat i, posteriorment, del sistema global en front de situacions reals que es donin a la depuradora / The present document wants to gather the experience obtained in the development of a Supervisory System for optimal WWTP management and control, its implementation in a real plant (Granollers WWTP) and its evaluation in the day-to-day operation with typical plant situations. This Supervisory System combines and integrates classical control of WWTP (automatic controller for maintaining a fixed dissolved oxygen level in the aeration tank, use of mathematical models to describe the process.) with the application of tools from the Artificial Intelligence field (knowledge-based systems, mainly expert systems and cased-based systems, and neural networks).This document has been structured into nine chapters. The first part is introductory with a review of the state-of-the-art in wastewater treatment control and supervision and the explanation of the complexity of WWTP management (chapter 1). This introductory chapter together with the second one, where the antecedents to the present thesis are reviewed, are good for the establishment of the objectives (chapter 3). Next, chapter 4 describes the peculiarities and specificities of the selected plant to implement the Supervisory System.Chapters 5 and 6 of the present document explain the work carried out to develop and build the knowledge base of the rule-based or expert system (chapter 6) and the case-based system (chapter 7). Chapter 8 illustrates the integration of these reasoning techniques into a distributed multi-layer architecture. Finally, there is a last chapter focused on the evaluation (verification and validation) of, first of all, each one of the techniques individually, and lately, of the overall Supervisory System when facing with real situations taking place in the wastewater treatment plant.

La implantació de Sistemes de Suport a la presa de Decisions (SSD) en Estacions Depuradores d'Aigües Residuals Urbanes (EDAR) facilita l'aplicació de tècniques més eficients basades en el coneixement per a la gestió del procés, assegurant la qualitat de l'aigua de sortida tot minimitzant el cost ambiental de la seva explotació. Els sistemes basats en el coneixement es caracteritzen per la seva capacitat de treballar amb dominis molt poc estructurats, i gran part de la informació rellevant de tipus qualitatiu i/o incerta. Precisament aquests són els trets característics que es poden trobar en els sistemes biològics de depuració, i en conseqüència en una EDAR. No obstant, l'elevada complexitat dels SSD fa molt costós el seu disseny, desenvolupament i aplicació en planta real, pel que resulta determinant la generació d'un protocol que faciliti la seva exportació a EDARs de tecnologia similar. L'objectiu del present treball de Tesi és precisament el desenvolupament d'un protocol que faciliti l'exportació sistemàtica de SSD i l'aprofitament del coneixement del procés prèviament adquirit. El treball es desenvolupa en base al cas d'estudi resultant de l'exportació a l'EDAR Montornès del prototipus original de SSD implementat a l'EDAR Granollers. Aquest SSD integra dos tipus de sistemes basats en el coneixement, concretament els sistemes basats en regles (els quals són programes informàtics que emulen el raonament humà i la seva capacitat de solucionar problemes utilitzant les mateixes fonts d'informació) i els sistemes de raonament basats en casos (els quals són programes informàtics basats en el coneixement que volen solucionar les situacions anormals que pateix la planta en el moment actual mitjançant el record de l'acció efectuada en una situació passada similar).El treball està estructurat en diferents capítols, en el primer dels quals, el lector s'introdueix en el món dels sistemes de suport a la decisió i en el domini de la depuració d'aigües. Seguidament es fixen els objectius i es descriuen els materials i mètodes utilitzats. A continuació es presenta el prototipus de SSD desenvolupat per la EDAR Granollers. Una vegada el prototipus ha estat presentat es descriu el primer protocol plantejat pel mateix autor de la Tesi en el seu Treball de Recerca. A continuació es presenten els resultats obtinguts en l'aplicació pràctica del protocol per generar un nou SSD, per una planta depuradora diferent, partint del prototipus. L'aplicació pràctica del protocol permet l'evolució del mateix cap a un millor pla d'exportació.Finalment, es pot concloure que el nou protocol redueix el temps necessari per realitzar el procés d'exportació, tot i que el nombre de passos necessaris ha augmentat, la qual cosa significa que el nou protocol és més sistemàtic. / The decision support systems (DSS) implemented in wastewater treatment plants (WWTP) make easier the application of better techniques based on the knowledge to manage the process, insuring the effluent quality and minimising the economical costs of its exploitation. The knowledge-based systems are characterised by its capability of working in ill structured domains, and with relevant information of type qualitative or uncertain. These are the characteristics that could be found in the biological systems treatments, and consequently in a wastewater treatment plant. However, the high complexity of the DSS makes very expensive their design, development and the application in a real WWTP, and because this reason it is very important the generation of a protocol that makes easier the exportation of the program to other similar plants.The objective of the present document is the development of a protocol that makes easier the systematic exportation of DSS and the reuse of the process knowledge acquired previously. The document is developed in basis on the study case from the DSS exportation from the Granollers WWTP to Montornès WWTP. This knowledge-based system integrates two kinds of systems based on knowledge, concretely the rule-based systems (which are programs that simulate the human reasoning and its capability of problem solving using the same information sources) and the case-based reasoning systems (which are informatic programs based on knowledge that solve the current abnormal situations in the plant by means of retrieving the executed action in a similar past situation).The document is structured in different chapters, in the first chapter; the lector is introduced in the DSS domain and in the wastewater treatment domain. Afterwards the objectives are defined and the materials and methods used are explained. Following, the Granollers DSS prototype is presented. Once, the prototype is explained, the first protocol made by the author in his research work is presented. Afterwards, the results obtained from the protocol application to export the DSS to other plant are presented. The real application of the protocol allows making better itself. In conclusion, the new protocol reduces the needed time to make the exportation process, although the new protocol needs more steps to make the same work, this means that it is more systematic.

In the last decades and due to the Water Framework Directive implementation, the urban wastewater cycle management has become more complex. The concept of integrated urban wastewater system management is introduced, and it becomes necessary to consider some new data as the sewer system characteristics or the receiving body. In this sense, environmental decision support systems (EDSS) are very useful and powerful tools to support during the decision making process. A new EDSS for the integrated urban wastewater system management has been developed integrating data from several sources (bibliographic, theoretical or historical) and a real case-based virtual system able to perform simulations. Results demonstrate the benefits of using this kind of systems in comparison with a standard approach, which do not use the expert knowledge and encourages continuing with this research in order to improve the quality and efficiency of this type of EDSSs / En les darreres dècades, i degut a la implementació de la Directiva Marc de l’Aigua, la gestió del cicle urbà de l’aigua ha esdevingut més complexa. S’introdueix el concepte de gestió integrada de conca, i és necessari considerar certa informació, com les característiques de la xarxa de clavegueram o del medi receptor. D’aquesta manera, els sistemes de suport a la decisió ambiental (EDSS) són eines potentíssimes que faciliten la presa de decisions en aquest camp. S’ha desenvolupat un nou EDSS per a la gestió integrada de conca que utilitza una base sòlida de coneixement expert, integrant informació de diverses fonts (bibliogràfiques, teòriques o històriques) i dos sistemes virtuals basats en dades reals sobre els quals és possible realitzar simulacions. Els resultats demostren que aquest sistema presenta beneficis importants respecte a una gestió estàndard sense sistema expert, i esperona a prosseguir amb la recerca i el desenvolupament per a millorar-lo

En aquesta tesi es presenten dues propostes de Sistemes de Control basats en Lògica Difusa (SCLD), des del seu disseny fins a la seva implementació i validació en dues instal·lacions: l'EDAR Granollers i l'EDAR Taradell.El capítol 1 explica els conceptes bàsics per comprendre el desenvolupament dels dos SCLD i el resum d'una revisió d'articles que relacionen la lògica difusa amb aigües residuals. A continuació, s'estableixen els objectius. En el capítol 3 es presenten els materials i mètodes. Els capítols 4 i 5 exposen el treball realitzat per arribar a la implementació dels dos SCLD. Ambdós capítols presenten la mateixa estructura: presentació, definició dels objectius del SCLD, descripció de l'EDAR on s'implementa el SCLD, desenvolupament d'índexs d'avaluació, explicació del disseny del SCLD i la seva avaluació mitjançant estudis de simulació, implementació i validació del SCLD a l'EDAR i, finalment discussió del treball realitzat. En el capítol 6 s'enumeren les conclusions obtingudes. / This thesis presents two proposals of Fuzzy Logic Control Systems (FLCS's), from their design to their implementation and validation in two facilities: Granollers and Taradell WWTP. The fundamental concepts to understand the FLCS's development are explained in the first chapter with a summary of scientific papers related to fuzzy logic applications in the wastewater treatment. The objectives are established in Chapter 2 and the materials and methods are described in Chapter 3.In Chapters 4 and 5, the work to design, implement and validate the FLCS's is presented. Both chapters have the same structure: a presentation, a goal definition of FLCS, a description of the WWTP, the evaluation index development, a detailed explanation about designing the FLCS process and its evaluation by simulation studies, the implementation of FLCS to WWTPs and their validation and, finally, a discussion of the work carried out is presented. The main conclusions are enumerated in Chapter 6.

The activated sludge and anaerobic digestion processes have been modelled in widely accepted models. Nevertheless, these models still have limitations when describing operational problems of microbiological origin. The aim of this thesis is to develop a knowledge-based model to simulate risk of plant-wide operational problems of microbiological origin.For the risk model heuristic knowledge from experts and literature was implemented in a rule-based system. Using fuzzy logic, the system can infer a risk index for the main operational problems of microbiological origin (i.e. filamentous bulking, biological foaming, rising sludge and deflocculation). To show the results of the risk model, it was implemented in the Benchmark Simulation Models. This allowed to study the risk model's response in different scenarios and control strategies. The risk model has shown to be really useful providing a third criterion to evaluate control strategies apart from the economical and environmental criteria. / Els processos de fangs activats i digestió anaeròbia estan descrits en models àmpliament acceptats. No obstant, aquests encara tenen limitacions a l'hora de descriure problemes operacionals d'origen microbiològic. L'objectiu és desenvolupar un model basat en el coneixement per simular el risc de problemes operacionals d'origen microbiològic en planta completa. Per al model de risc es va utilitzar coneixement d'experts i de la bibliografia implementat després en un sistema basat en regles. Utilitzant la lògica difusa, el sistema pot inferir un índex de risc per a problemes operacionals d'origen microbiològic (esponjament, escumes, desnitrificació incontrolada i desflocul•lació). Per a mostrar els resultats del model de risc es va implementar i aplicar en els diferents Benchmark Simulation Models. Això ha permés estudiar la resposta del model de risc en diferents escenaris i estratègies de control. El model de risc ha mostrat ser molt útil proporcionant un tercer criteri per a l'avaluació d'estratègies de control a part dels criteris econòmics i ambientals.

Volatile Organic Compounds (VOCs) are one of the main groups of odour causing compounds in Waste Water Treatment Plants (WWTP). Adsorption technology is already established, in recent years the interest for the optimization of the costs associated with this technique has grown significantly. In particular, there are different options, from the use of low cost adsorbents, to reducing costs associated with carbon regeneration process. In this thesis, the adsorption of the three VOCs on sewage sludge based adsorbents was studied. It was proved that adsorbents obtained by chemical activation of sewage sludge with alkaline hydroxides are comparable to commercial activated carbons (ACs). Likewise, the adsorption of multicomponent gaseous streams was also studied. Related to the ACs regeneration, it was proposed a regeneration treatment of VOC saturated ACs with H2O2 based on advanced oxidation processes (AOP). The influence of the surface chemistry of ACs in this regeneration process was also studied. / Los compuestos orgánicos volátiles (COVs) son unos de los principales compuestos causantes de olores en las emisiones de EDARs. La adsorción es una técnica ampliamente utilizada para la eliminación de COVs en corrientes gaseosas y en los últimos tiempos ha crecido significativamente el interés para la optimización de los costes relacionados con esta técnica. En esta tesis se estudió el proceso de adsorción tres COVs en adsorbentes preparados a partir de lodos de EDAR, comprobando que adsorbentes obtenidos mediante activación química de lodos de depuradora son comparables a carbones activados comerciales (CAs). También se estudió la adsorción de corrientes multicomponente de COVs. En referencia a la regeneración del carbón activado, se propuso un tratamiento de regeneración con H2O2 de CAs saturados con COVs basado en los procesos avanzados de oxidación. Asimismo se estudió la influencia de la química superficial de los CAs en el proceso de regeneración con H2O2.