<p>The presence of human pathogens in water indicates the sanitary risk associated with different types of water utilization. This study surveyed the sources of human pathogens in urban waters. In order to evaluate the microbiological water quality of urban water, the enumeration of various indicator bacteria (total coliform, fecal coliform, E.coli and enterococci) is usually used.</p><p>The abundance of indicator bacteria in urban water indicates the level of fecal contamination and the presence of other human pathogens such as protozoan pathogens (Giardia lamblia & Cryptosporidium parvum).</p><p>Fecal pollution of urban waters can be from human and animal origin. Point sources of fecal contamination in an urbanized area are the effluents of urban wastewater treatment plants. While non-point sources are usually originated from diffuse sources such as (runoff from roads, parking lots, pets, leaks, failing septic systems and illegal sewer connections to storm drains). urban stormwater is considered as a major carrier for delivering human pathogens from diffuse sources to receiving waters. Increases in urban stormwater volumes have resulted from increasing urbanization and growth of impervious surfaces.</p><p>In order to reduce high amounts of human pathogens in urban waters, different methods are used nowadays to develop urban wastewater treatment plants technologies and urban stormwater management practices.</p>

The presence of human pathogens in water indicates the sanitary risk associated with different types of water utilization. This study surveyed the sources of human pathogens in urban waters. In order to evaluate the microbiological water quality of urban water, the enumeration of various indicator bacteria (total coliform, fecal coliform, E.coli and enterococci) is usually used. The abundance of indicator bacteria in urban water indicates the level of fecal contamination and the presence of other human pathogens such as protozoan pathogens (Giardia lamblia & Cryptosporidium parvum). Fecal pollution of urban waters can be from human and animal origin. Point sources of fecal contamination in an urbanized area are the effluents of urban wastewater treatment plants. While non-point sources are usually originated from diffuse sources such as (runoff from roads, parking lots, pets, leaks, failing septic systems and illegal sewer connections to storm drains). urban stormwater is considered as a major carrier for delivering human pathogens from diffuse sources to receiving waters. Increases in urban stormwater volumes have resulted from increasing urbanization and growth of impervious surfaces. In order to reduce high amounts of human pathogens in urban waters, different methods are used nowadays to develop urban wastewater treatment plants technologies and urban stormwater management practices.

La présence de micropolluants dans tous les milieux aquatiques est aujourd'hui une préoccupation importante. La réduction des émissions de micropolluants organiques vers le milieu aquatique par les stations d'épuration (STEP) domestiques est donc un enjeu important. Ce travail porte sur l'amélioration du traitement de ces substances par les traitements secondaires et tertiaires des STEP. En premier lieu, l'objectif a été de mieux comprendre les processus d'élimination des micropolluants organiques lors de leur passage au sein d'un procédé de type boues activées aération prolongée (BA-AP). Notre travail a consisté à proposer un outil permettant de prévoir a priori le comportement de substances organiques en BA-AP par rapport à certaines de leurs propriétés physico-chimiques (i.e. constante de Henry, log Dow, structure moléculaire). La démarche adoptée a consisté à sélectionner des données de rendements d'élimination fiables et robustes, puis à les associer aux caractéristiques physico-chimiques des substances. La méthode développée est simple ; elle nécessite de connaitre uniquement des paramètres physico-chimiques facilement accessibles et la structure moléculaire des substances. Elle constitue donc une alternative crédible aux méthodes faisant intervenir la modélisation. Cette méthode permet une prédiction a priori du niveau de traitement d'une substance (rendement supérieur ou inférieur à 70%) par les traitements secondaires existants. Dans un second temps, l'objectif a été de proposer une étape de traitement tertiaire, spécifique à l'élimination de micropolluants organiques réfractaires aux traitements secondaires. Le procédé proposé est une filtration sur support fin spécifique capable de retenir par des processus d'adsorption les substances ciblés (i.e. phytosanitaires et substances pharmaceutiques dont l'élimination est insuffisante en traitement secondaire conventionnel). Une étude bibliographique a permis tout d'abord de dresser un état des lieux sur les adsorbants utilisés et leur capacité d'adsorption. Suite à cette étude, la zéolite et l'argile expansée ont été retenus ; les potentialités d'adsorption de ces deux matériaux ont été étudiées à l'échelle laboratoire (tests en réacteur fermé) et à l'échelle pilote (suivi des performances de réacteurs à garnissage drainé à écoulement horizontal). Les tests d'adsorption en réacteur fermé montrent que les matériaux choisis (argile expansée et zéolite) possèdent une potentialité pour adsorber les substances étudiées (14 substances soient 10 pharmaceutiques et 4 pesticides). Le suivi des réacteurs ouvert confortent les résultats obtenus en réacteur fermé et démontrent que les matériaux étudiés possèdent un potentiel pour l'adsorption des substances ciblées, et ce y compris dans des conditions de filtration lente, proches des conditions réelles. Les résultats obtenus démontrent le potentiel de matériaux minéraux microporeux à éliminer des micropolluants organiques de la phase dissoute et ainsi à se substituer au charbon actif, matériau onéreux et peu adapté aux petites collectivités. / The aim of the present work was to propose solutions to reduce organic micropollutants emissions by wastewater treatment plants (WWTP). First, the objective was to improve the comprehension of micropollutants behaviour in nitrifying activated sludge process. The use of a reliable removal efficiency dataset allowed setting up a removal efficiency prediction method only from the micropollutants physico-chemical characteristics (i.e. log Kow, Henry constant and molecular structure). This method represents a first progress through a better micropollutants removal by the existing secondary WWTP. Second, the aim was to set up a tertiary stage process to enhance the removal of micropollutants refractory to conventional WWTP. This tertiary stage process is a filtration of the secondary effluent by adsorbent materials that could represent a credible alternative to expensive materials such as activated carbons. Experimental approaches at different scales (lab and pilot) demonstrated that some alternative materials such as expanded clay and zeolite have the potential to adsorb refractory substances (e.g. pesticids and pharmaceuticals) and thus to decrease the concentration of organic micropollutants in effluent.

The presDue to the system does not recognize equations and formulas the resumo and abstract can be found in the PDF file. / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Devido ao sistema não reconhecer equações e fórmulas o resumo e abstract encontra-se no arquivo em PDF.

Tesis por compendio / [ES] En el contexto actual de escasez de recursos que sufre el planeta (biomasa, agua y energía), la tecnología basada en los cultivos de microalgas para el tratamiento de aguas residuales aparece como una tecnología muy interesante que permite no sólo la eliminación de los nutrientes (N y P) presentes en el agua, sino también la recuperación de estos nutrientes en la producción de una biomasa algal de alto valor con diversas aplicaciones: generación de biogás, producción de biocombustibles y biofertilizantes, elaboración de fármacos y cosméticos, etc. Estudios previos han demostrado que el efluente de un reactor anaerobio de membranas (AnMBR) resulta ser un medio de cultivo óptimo para el crecimiento de las microalgas. No obstante, la mayoría de los estudios existentes se han llevado a cabo a escala laboratorio en condiciones controladas de luz, temperatura, pH, carga de nutrientes, etc., y normalmente siempre en experimentos batch. Este trabajo consiste en el estudio y modelación matemática del proceso de cultivo de microalgas en una planta piloto de fotobiorreactores de membrana (MPBR) operando en continuo y en condiciones outdoor para el tratamiento del efluente de un sistema AnMBR que trata agua residual urbana real. Durante la fase de experimentación de los cultivos de microalgas se han llevado a cabo diversos experimentos en la planta MPBR donde se han evaluado diversos factores que afectan al crecimiento de las microalgas: temperatura, luz solar, tiempo de retención celular (TRC), carga de nutrientes o tiempo de retención hidráulico (TRH), sistema de recirculación del cultivo y el volumen en zona oscura. Los resultados obtenidos muestran la enorme importancia de las condiciones ambientales (luz solar y temperatura) en el rendimiento de los cultivos de microalgas. La temperatura óptima del cultivo de microalgas con predominancia del género Scenedesmus sp. resultó estar en torno a los 25ºC, mientras que temperaturas por debajo de 20ºC y por encima de 25ºC afectaron negativamente a la productividad de biomasa. La operación del sistema de fotobiorreactores (FBR) sin membranas para TRH 8 días y en condiciones ambientales favorables consiguió reducir la concentración de nutrientes por debajo de los límites de vertido que marca la Directiva 98/15/CE (10 mg N·L-1 y 1 mg P·L-1) alcanzando valores de eliminación de 75,2% de N y 77,9% de P. La operación del sistema MPBR permitió desacoplar el TRC del TRH en la operación de los FBR, lo que resultó en una mejora general del rendimiento de los cultivos de microalgas y permitió obtener un efluente libre de sólidos con alto potencial de reutilización. Los sistemas de recirculación del cultivo de microalgas comparados en el estudio (bombeo mecánico vs sistema airlift) no afectaron significativamente al rendimiento del cultivo. Por otro lado, reduciendo el volumen en zona oscura de un 27,2% al 13,6% en el sistema MPBR se consiguió un incremento del 40% en la productividad de biomasa. Mediante el uso de los datos obtenidos en planta piloto se ha desarrollado un modelo matemático de crecimiento de microalgas que permite simular de manera muy precisa (R2 = 0,9954) el comportamiento de los cultivos de microalgas en un sistema MPBR. Este modelo utiliza la notación y terminología de los modelos ASM, y consta de un total de 14 componentes (10 solubles y 4 suspendidos), 11 procesos gobernados por la cinética y los equilibrios ácido-base que determinan el pH del medio. Además, el modelo considera los efectos la luz y la temperatura en el crecimiento. Como novedad interesante respecto a otros modelos matemáticos de crecimiento de microalgas ya publicados, este modelo contempla, en condiciones de ausencia de P en el medio de cultivo, el crecimiento de las microalgas a partir del polifosfato almacenado internamente. El modelo desarrollado en este trabajo pretende ser una herramienta para facilitar la implementación futura de la tecnología de cultivos de microalgas en una EDAR a escala industrial. / [CAT] En el context actual d'escassetat de recursos que sofreix el planeta (biomassa, agua i energia), la tecnologia basada en els cultius de microalgues per al tractament d'aigües residuals apareix com una tecnologia molt interessant que permet no només l'eliminació dels nutrients (N i P) presents a l'aigua, sinó també la recuperació d'aquests nutrients amb la producció d'una biomassa algal d'alt valor amb diverses aplicacions: generació de biogàs, producció de biocombustibles i biofertilitzants, elaboració de fàrmacs i cosmètics, etc. Estudis previs han demostrat que l'efluent d'un reactor anaerobi de membranes (AnMBR) resulta ser un mitjà de cultiu òptim per al creixement de les microalgues. Tot i això, la majoria dels estudis existents s'han dut a terme a escala laboratori en condicions controlades de llum, temperatura, pH, càrrega de nutrients, etc., i normalment sempre en experiments batch. Aquest treball consisteix en l'estudi i la modelació matemàtica del procés de cultiu de microalgues en una planta pilot de fotobioreactors de membrana (MPBR) operant en continu i en condicions outdoor per al tractament de l'efluent d'un sistema AnMBR que tracta aigua residual urbana real. Durant la fase d'experimentació dels cultius de microalgues s'han dut a terme diversos experiments a la planta MPBR on s'han avaluat diversos factors que afecten al creixement de les microalgues: temperatura, llum solar, temps de retenció cel·lular (TRC), càrrega de nutrients o temps de retenció hidràulic (TRH), sistema de recirculació del cultiu i el volum en zona obscura. Els resultats obtinguts mostren l'enorme importància de les condicions ambientals (llum solar i temperatura) en el rendiment dels cultius de microalgues. La temperatura òptima del cultiu de microalgues amb predominança del gènere Scenedesmus sp. va resultar estar entorn als 25ºC, mentre que temperatures per sota de 20ºC i per sobre de 25ºC van afectar negativament a la productivitat de biomassa. L'operació del sistema de fotobioreactors (FBR) sense membranes per a TRH 8 dies i en condicions ambientals favorables va aconseguir reduir la concentració de nutrients per sota dels límits d'abocament que marca la Directiva 98/15/CE (10 mg N·L-1 i 1 mg (P·L-1) assolint valors d'eliminació de 75,2% de N i 77,9% de P. L'operació del sistema MPBR va permetre desacoblar el TRC del TRH en l'operació dels FBR, la qual cosa va resultar en una millora general del rendiment dels cultius de microalgues i va permetre obtenir un efluent lliure de sòlids amb un alt potencial de reutilització. Els sistemes de recirculació del cultiu de microalgues comparats en aquest estudi (bombeig mecànic vs sistema airlift) no van afectar significativament al rendiment del cultiu. D'altra banda, reduint el volum en zona obscura del 27,2% al 13,6% al sistema MPBR es va aconseguir un increment del 40% en la productivitat de biomassa. Mitjançant l'ús de les dades obtingudes a la planta pilot s'ha desenvolupat un model matemàtic de creixement de microalgues que permet simular de manera molt precisa (R2 = 0,9954) el comportament dels cultius de microalgues en un sistema MPBR. Aquest model utilitza la notació i la terminologia dels models ASM, i consta d'un total de 14 components (10 solubles i 4 suspesos), 11 processos governats per la cinètica i els equilibris àcid-base que determinen el pH del medi. A més, el model considera els efectes de la llum i la temperatura en el creixement. Com a novetat interessant respecte d'altres models matemàtics de creixement de microalgues ja publicats, aquest model contempla, en condicions d'absència de P en el mitjà de cultiu, el creixement de les microalgues a partir del polifosfat emmagatzemat internament. El model desenvolupat en aquest treball pretén ser una eina per facilitar la implementació futura de la tecnologia de cultius de microalgues a una EDAR a escala industrial. / [EN] In the actual context of resource scarcity along the world (biomass, water and energy), microalgae-based technology for wastewater treatment appears as a promising technology that allows not only nutrient removal (N and P) from wastewater, but also the recovery of these nutrients for the production of high-value algal biomass which has different applications: biogas generation, biofuel and biofertilizer production, pharmaceuticals and cosmetics manufacturing, etc. Previous studies have proved that the effluent from an anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) could be a suitable growth medium for microalgae cultivation. However, most of the existing studies have been carried out at bench scale under controlled conditions of light, temperature, pH, nutrient load, etc., when working in batch mode. The present work consists of the study and mathematical modelling of an outdoor pilot-scale membrane photobioreactor (MPBR) for microalgae cultivation under continuous operation for treating the effluent of an AnMBR system fed with real municipal wastewater. During the experimental phase of microalgae cultivation, different experiments were carried out in the MPBR plant to evaluate the main factors that affect microalgae growth: temperature, solar light irradiance, biomass retention time (BRT), nutrient load or hydraulic retention time (HRT), the algae culture recirculation system and the non-photic volume. The results obtained show the significant effect of the environmental conditions (solar light and temperature) on the microalgae cultivation performance. Optimum temperature for the microalgae cultures with a predominance of the genus Scenedesmus sp. resulted to be around 25ºC, while temperatures below 20ºC and above 25ºC negatively affected biomass productivity. During the operation of the photobioreactors (PBRs) system without membranes at HRT of 8 days and under favourable environmental conditions, it was possible to comply with effluent nutrient discharge limits established by Directive 98/15/CE (10 mg N·L-1 and 1 mg P·L-1) and to achieve nutrient removal efficiencies of 75.2% of N and 77.9% of P. The MPBR plant allowed decoupling BRT and TRH in the PBRs operation, which resulted in a general improvement of the microalgae cultivation performance and allowed to obtain a solid-free effluent with high potential for reuse applications. The microalgae culture recirculation systems compared in the study (mechanical pumping vs airlift system) did not significantly affect the culture performance. Moreover, reducing the non-photic volume fraction in the MPBR system from 27.2% to 13.6% resulted in an increase of 40% in biomass productivity. A mathematical model of microalgal growth was developed by making use of the data obtained in the pilot plant. This model was able to reproduce accurately (R2 = 0.9954) the overall microalgae cultivation performance in an MPBR system. This model uses the notation and terminology of the ASM models, and it considers a total of 14 components (10 soluble and 4 suspended), 11 processes governed by kinetics and acid-base equilibria to calculate the pH of the medium. In addition, the model considers the effects of solar light and temperature on microalgae growth. As an interesting novelty with respect to other published mathematical models of microalgae growth, this model contemplates the possibility of using the stored polyphosphate for growing in the absence of P in the culture medium. The model developed in this work is intended to be a tool to promote the future implementation of microalgae cultivation technology on full-scale WWTP. / This research was supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (MINECO, Projects CTM2011-28595-C02-01/02, CTM2014-54980-C2-1-R and CTM2014-54980-C2-2-R) jointly with the European Regional Development Fund (ERDF) and Generalitat Valenciana (GVA-ACOMP2013/203), which are gratefully acknowledged. The authors also like to acknowledge the support received from Generalitat Valenciana via one VALi+d post-doctoral grant (APOSTD/2014/049). / Viruela Navarro, A. (2023). Modelación matemática del proceso de crecimiento de microalgas en el tratamiento de aguas residuales Aplicación a un fotobiorreactor de membranas (MPBR) [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/195826 / Compendio

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

El reactor anaerobio de membranas sumergidas (SAnMBR) está considerado como tecnología candidata para mejorar la sostenibilidad en el sector de la depuración de aguas residuales, ampliando la aplicabilidad de la biotecnología anaerobia al tratamiento de aguas residuales de baja carga (v.g. agua residual urbana) o a condiciones medioambientales extremas (v.g. bajas temperaturas de operación). Esta tecnología alternativa de tratamiento de aguas residuales es más sostenible que las tecnologías aerobias actuales ya que el agua residual se transforma en una fuente renovable de energía y nutrientes, proporcionando además un recurso de agua reutilizable. SAnMBR no sólo presenta las principales ventajas de los reactores de membranas (i.e. efluente de alta calidad, y pocas necesidades de espacio), sino que también presenta las principales ventajas de los procesos anaerobios. En este sentido, la tecnología SAnMBR presenta una baja producción de fangos debido a la baja tasa de crecimiento de los microorganismos implicados en la degradación de la materia orgánica, presenta una baja demanda energética debido a la ausencia de aireación, y permite la generación de metano, el cual representa una fuente de energía renovable que mejora el balance energético neto del sistema. Cabe destacar el potencial de recuperación de nutrientes del agua residual bien cuando el efluente es destinado a irrigación directamente, o bien cuando debe ser tratado previamente mediante tecnologías de recuperación de nutrientes. El objetivo principal de esta tesis doctoral es evaluar la viabilidad de la tecnología SAnMBR como núcleo en el tratamiento de aguas residuales urbanas a temperatura ambiente. Por lo tanto, esta tesis se centra en las siguientes tareas: (1) implementación, calibración y puesta en marcha del sistema de instrumentación, control y automatización requerido; (2) identificación de los parámetros de operación clave que afectan al proceso de filtración; (3) modelación y simulación del proceso de filtración; y (4) desarrollo de estrategias de control para la optimización del proceso de filtración minimizando los costes de operación. En este trabajo de investigación se propone un sistema de instrumentación, control y automatización para SAnMBR, el cual fue esencial para alcanzar un comportamiento adecuado y estable del sistema frente a posibles perturbaciones. El comportamiento de las membranas fue comparable a sistemas MBR aerobios a escala industrial. Tras más de dos años de operación ininterrumpida, no se detectaron problemas significativos asociados al ensuciamiento irreversible de las membranas, incluso operando a elevadas concentraciones de sólidos en el licor mezcla (valores de hasta 25 g·L-1 ). En este trabajo se presenta un modelo de filtración (basado en el modelo de resistencias en serie) que permitió simular de forma adecuada el proceso de filtración. Por otra parte, se propone un control supervisor basado en un sistema experto que consiguió reducir el consumo energético asociado a la limpieza física de las membranas, un bajo porcentaje de tiempo destinado a la limpieza física respecto al total de operación, y, en general, un menor coste operacional del proceso de filtración. Esta tesis doctoral está integrada en un proyecto nacional de investigación, subvencionado por el Ministerio de Ciencia e Innovación (MICINN), con título ¿Modelación de la aplicación de la tecnología de membranas para la valorización energética de la materia orgánica del agua residual y la minimización de los fangos producidos¿ (MICINN, proyecto CTM2008-06809- C02-01/02). Para obtener resultados representativos que puedan ser extrapolados a plantas reales, esta tesis doctoral se ha llevado a cabo utilizando un sistema SAnMBR que incorpora módulos comerciales de membrana de fibra hueca. Además, esta planta es alimentada con el efluente del pre-tratamiento de la EDAR del Barranco del Carraixet (Valencia, España). / Robles Martínez, Á. (2013). Modelling, simulation and control of the filtration process in a submerged anaerobic membrane bioreactor treating urban wastewater [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/34102 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales