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El crecimiento continuo de las ciudades, o la ocurrencia de un evento extraordinario de lluvia, en muchas ocasiones sobrepasa las medidas de diseño de algunos de los elementos del drenaje urbano (principalmente elementos de captación y colectores) provocando que el sistema de drenaje de una población sea incapaz de desalojar el escurrimiento por dicho evento. El resultado final, es una inundación. Las consecuencias de ello son problemas de circulación para vehículos y personas, daños materiales, e incluso la pérdida de vidas humanas, en función principalmente de los valores de las variables hidráulicas como el calado y la velocidad del flujo. En este contexto, es clara la necesidad de contar con herramientas numéricas para reproducir dichos eventos y proponer actuaciones. Por este motivo, en este trabajo se presenta el desarrollo de un modelo numérico integrado uni/bidimensional, para el cálculo de los procesos hidráulicos que ocurren en el drenaje urbano de forma totalmente acoplada. Por un lado el drenaje urbano se compone de diferentes elementos y por el otro el modelo numérico integrado se forma de diferentes modelos numéricos, el resultado de ello y para efectos prácticos y de modelación numérica son modelos de tejados, calles, elementos de captación, conductos y unión de conductos. Cada modelo dispone de al menos una opción de modelación numérica, que permite calcular el proceso hidráulico en el elemento correspondiente. De esta forma, el modelo numérico integrado se puede utilizar de forma conjunta, o cada uno de los modelos de forma separada. El modelo de tejados emplea las ecuaciones de la onda cinemática en una dimensión y las ecuaciones de aguas poco profundas en dos dimensiones para modelar el proceso de transformación lluviaescurrimiento y la propagación del flujo en los tejados. Por su parte el modelo de calles únicamente emplea las ecuaciones de aguas poco profundas en dos dimensiones para calcular el proceso de transformación lluvia‐escurrimiento y la propagación del flujo en las calles. Es importante destacar que, para que la modelación sea más realista, el flujo proveniente de los tejados puede descargar ya sea de forma puntual o de forma uniforme tanto en las calles como en los colectores. En los colectores y en las uniones de una red de alcantarillado ocurren fenómenos hidráulicos complejos, de ahí que se cuente con diferentes alternativas para su cálculo. De esta forma, en el modelo de conductos, se emplean las ecuaciones de Saint Venant en una dimensión para el cálculo del flujo en lámina libre. Para el cálculo de flujo en presión se dispone de tres opciones: el método de la ranura de Preissmann, dos modelos de dos ecuaciones (ecuaciones de flujo en lámina libre y ecuaciones de flujo en presión): uno considera flujo incompresible en presión y otro flujo compresible en presión. Además, se dispone de una formulación para considerar el efecto que el aire atrapado (ya sea delante de un frente de onda de presión o entre dos frentes de onda de presión) tiene sobre la hidrodinámica del flujo. En el modelo de la unión de conductos se cuenta con dos aproximaciones: la formulación en una dimensión, empleada por la mayoría de modelos y una formulación en dos dimensiones basada en las ecuaciones de aguas poco profundas en dos dimensiones. La interacción entre el sistema de drenaje mayor (tejados, calles, áreas verdes, áreas grises, canales naturales y canales artificiales, etc.) y el sistema de drenaje menor (colectores, uniones, compuertas, etc.), conocida como drenaje urbano dual, es un proceso complejo pero fundamental, se realiza en los puntos físicos correspondientes a la localización espacial de los elementos de captación (fuentes y sumideros). De esta forma en el modelo de los elementos de captación, los caudales de intercambio de este proceso, se pueden estimar con la metodología Flumen y/o empleando las ecuaciones tipo orificio y vertedero. Desde el punto de vista numérico, para la solución de las ecuaciones de flujo en lámina libre en una dimensión, las ecuaciones de flujo en presión en una dimensión y las ecuaciones de aguas poco profundas en dos dimensiones, se emplean esquemas numéricos en volúmenes finitos, capaces de calcular discontinuidades y frentes de onda en la solución, sin necesidad de técnicas adicionales. En cambio, para la solución de las ecuaciones de la onda cinemática en una dimensión, se utiliza un esquema en diferencias finitas. Además, se usa el método de las características para la imposición de condiciones de contorno y el método de Newton‐Raphson para la solución de sistemas de ecuaciones no lineales. Para cada uno de los modelos numéricos implementados en primer lugar se evalúa su funcionamiento y desempeño, posteriormente se valida y en algunos casos se realiza alguna aplicación, primero de forma separada y posteriormente empleando más de un modelo numérico Para ello, se emplean casos de referencia, resultados de otros modelos numéricos, soluciones analíticas y ensayos de laboratorio existentes en la literatura técnica. Los resultados de este proceso indican que los modelos numéricos son capaces de reproducir de forma aceptable y con un nivel de precisión adecuado los tipos de flujo modelados: flujo en lámina libre en régimen lento y en régimen rápido, flujo en presión positiva y negativa, además de las transiciones que se pueden presentar entre estos flujos, como frente seco mojado y cambio de flujo en lámina libre a flujo en presión (flujo mixto), incluso con la presencia de aire atrapado. Por otra parte, el modelo numérico integrado se aplica a dos cuencas urbanas totalmente distintas entre sí, por su geometría, las características de los elementos del drenaje urbano, y las condiciones y variedad de flujos que ocurren. Los resultados obtenidos permiten decir que el modelo es capaz de resolver esta variedad de flujos de forma razonable y funcionar de forma integrada entre los elementos del drenaje urbano. Ello permite pensar que, el modelo numérico integrado se puede utilizar en el cálculo de los procesos hidráulicos del drenaje urbano, con un desempeño satisfactorio. / Due to the continuous growth of the cities and the extreme rain events, the design of current urban drainage systems may not be adequate (especially inlet elements and sewer pipes), and this can result in the fact that these urban drainage systems are not able any more to evacuate the runoff. The final result is flood. The consequences of this can be problems transport and material damages, including loss of human lives, depending on the velocity and level of water. In this context, it is clear that new numerical tools are needed in order to reproduce these events and propose actions. For this reason, this work presents a completely coupled one/two‐dimensional numerical model to calculate hydraulic processes that occur in urban drainage. Urban drainage includes different elements that are integrated in the numerical model, like roofs, streets, inlet elements, pipes and junctions. Therefore, there is at least one numerical model for every element, which allows to calculate the corresponding hydraulic process. In this way, the integrated numerical model can be used together, or part by part, as separated models for each element. The model of the roofs uses the one dimensional kinematic wave equations and the two‐dimensional shallow water equations to model the rainfall‐runoff transformation process and the propagation of the flow over the roofs. The model for the streets only uses the two‐dimensional shallow water equations in order to calculate the rainfall‐runoff transformation process and the propagation of the flow in the streets. It is important to mention, in order to be more realistic, that the flow from the roofs can discharge either in punctual or uniform mode either on the streets or in the sewer pipes. In the sewer pipes and in the junctions of the sewage system, complex hydraulic phenomena occur, therefore there are different options for calculation. For the model of the pipes, to calculate the free surface flow the one dimensional Saint‐Venant equations are used. For the calculation of the pressurized flow there are three options: the Preissmann slot method and two models with two equations (equations of free‐surface flow and equations of pressurized flow): one considering the pressurized flow to be incompressible and the other considers it compressible. Moreover, there is a formulation for the effects of the air that is trapped (it can be trapped in front of a pressure wave or between two wave fronts of pressure waves). The model of the junctions has two approximations: a one dimensional approximation conventionally used by other models and formulation in two dimensions based on the shallow water equations. The interactions between the major (roofs, streets, green areas, grey areas, natural canals and artificial canals) and the minor drainage system (sewer pipes, junctions, gates, etc.) known as urban dual drainage is a complex but fundamental process that occurs in some physical points: sources and sinks. The discharges through the inlet elements can be approximated by the Flumen methodology or using the orifice or weir equations. From the numerical point of view, the solution of the one dimensional Saint Venant equations, the one dimensional pressurized flow equations and the two dimensional shallow water equations are solved by finite volumes numerical schemes, which are able to calculate discontinuities and wave fronts in the solution without the need of additional techniques. On the other hand, for the solution of the one dimensional kinematic wave equations a finite differences scheme is used. Moreover, the method of characteristics is used in order to impose boundary conditions and the Newton‐Raphson method is used to solve non‐linear systems of equations. For each numerical model the results and the performance are evaluated and later validated, first each model separately and then together. In order to do this, reference cases, results of other numerical models, analytical solutions and laboratory experiments existing in the technical literature are used. The results of this process show that the numerical models are able to reproduce in an acceptable way and with an adequate level of precision the different types of flow: free surface flow in subcritical/supercritical regime, flow under negative or positive pressure and the transitions that can be present between these flow types: dry‐wet front and change from free surface flow to pressurized flow (mixed flow) including the presence of trapped air. On the other hand, the integrated numerical model is used in two completely different urban catchments. These catchments have different geometries, different elements of urban drainage and different conditions and flows. The obtained results show that the model is able to solve properly this variety of flows and it can account for the different elements of urban drainage in a coupled way. This leads to the conclusion that the integrated numerical model can be used in the calculation of the hydraulic processes taking place in urban drainage with satisfactory performance.

La consulta íntegra de la tesi, inclosos els articles no comunicats públicament per drets d'autor, es pot realitzar prèvia petició a l'Arxiu de la UPC / Ensuring good water quality is becoming a major challenge in urban areas. Urban aquifers may suffer pollution from different recharge sources such as water leakage from sewer and septic systems, seepage from rivers, seawater intrusion, and losses from water supply network among others. As a result, a wide range of organic pollutants are found in urban aquifers. Since these pollutants enter the groundwater environment through the aforementioned sources, their occurrence depends on the transport mechanisms as well as the chemical and biochemical processes that occurred simultaneously. Thus, a proper assessment of groundwater quality requires an understanding of all the processes that affect these pollutants. However, the quantification of these processes is not an easy task. The aims of this thesis are to investigate the occurrence of emerging organic contaminants (EOCs) and the processes that affect them in an urban aquifer. An extensive review including the occurrence and fate of EOCs in Spanish groundwater and the evaluation of potential sources of contamination was carried out. Among organic contaminants found in groundwater, we have analysed pharmaceutically active compounds (PhACs), drugs of abuse (DAs) and personal care products in urban groundwater of Barcelona. The main sources of pollution of EOCs in urban areas are sewer leakage loss and infiltration from waste water treatment plants. Once these contaminants enter the aquifer, their concentrations are affected by numerous processes, including concentration at the source, dilution, adsorption and degradation. Many EOCs are removed from water by transformation or degradation, especially if the water has undergone a broad range of redox states. Therefore, identifying and quantifying the redox processes along a flow line is a key issue. In order to quantify such processes, we have proposed an approach using mixing ratios. The application of environmental isotopes coupled with hydrochemistry data using mixing ratios has provided the isotopic quantification of groundwater recharge sources and the occurrence of redox processes such as sulphate reduction, aerobic respiration and denitrification. The approach enabled us: (1) to quantify the mixing ratios into groundwater (2) to evaluate redox processes. / Garantir una bona qualitat de l'aigua s'està convertint en un seriós problema en les zones urbanes. Els aqüífers urbans poden patir contaminació de diverses fonts de recàrrega, com fuites d'aigua de clavegueram i fosses sèptiques, filtracions des dels rius contaminats, intrusió marina, i pèrdues de la xarxa de proveïment d'aigua, entre d'altres. Per això, en els aqüífers urbans es troben diversos contaminants orgànics. La presència i evolució d'aquests contaminants als aqüífers depèn dels mecanismes de transport, així com dels processos químics i bioquímics. Per tant, una correcta avaluació de la qualitat de l'aigua subterrània requereix un enteniment de tots els processos que afecten aquests contaminants. No obstant això, la quantificació d'aquests processos no és una tasca fàcil. Els objectius d'aquesta tesi són investigar la presència de contaminants orgànics emergents (COEs) i els processos que els afecten en un aqüífer urbà. S'ha dut a terme una extensa revisió bibliogràfica de la presència de COEs en les aigües subterrànies d'Espanya, juntament amb l'avaluació de possibles fonts de contaminació. Entre els contaminants orgànics que es troben en les aigües subterrànies, s'han analitzat nombrosos fàrmacs, drogues d'abús i productes de cura personal en l'aigua subterrània urbana de Barcelona. Les principals fonts de contaminació dels COEs en zones urbanes són la pèrdua de les xarxes de clavegueram i els efluents de les estacions depuradores d'aigües residuals. Una vegada que aquests contaminants són presents a l'aqüífer, les seves concentracions es veuen afectades per nombrosos processos, incloent dilució, adsorció i degradació. Molts COEs poden ser eliminats de l'aigua subterrània per processos de transformació o degradació, especialment si l'aqüífer ha passat per diferents estats redox. Per això, la identificació i quantificació dels processos redox a l'aqüífer és una qüestió clau. Per quantificar aquests processos, s'ha proposat un mètode que utilitza les proporcions de mescla. L'aplicació dels isòtops ambientals juntament amb les dades hidroquímiques ha proporcionat la quantificació isotòpica de fonts de recàrrega d'aigua subterrània i l'ocurrència de processos redox, com la sulfato reducció, la respiració aeròbica i desnitrificació. L'ús d'aquestes metodologies ha permès: (1) quantificar les proporcions de barreja en l'aigua subterrània i (2) avaluar els processos redox. / Garantizar una buena calidad del agua se está convirtiendo en un gran problema en zonas urbanas. Los acuíferos urbanos pueden sufrir contaminación a través de diversas fuentes de recarga, como fugas de agua de alcantarillado y fosas sépticas, las filtraciones desde los ríos contaminados, intrusión marina, y pérdidas de la red de abastecimiento de agua, entre otros. Por ello, en los acuíferos urbanos se encuentran numerosos contaminantes orgánicos. La presencia y evolución de estos contaminantes en los acuíferos depende de los mecanismos de transporte, así como de los procesos químicos y bioquímicos. Por lo tanto, una correcta evaluación de la calidad del agua subterránea requiere la evaluación de todos los procesos que afectan a estos contaminantes. Sin embargo, la cuantificación de estos procesos no es una tarea fácil. Los objetivos de la presente tesis son determinar la presencia de contaminantes orgánicos emergentes (COEs) y los procesos que los afectan en un acuífero urbano. Se ha llevado a cabo una extensa revisión bibliográfica de la presencia de COEs en las aguas subterráneas de España y la identificación de posibles fuentes de contaminación. Entre los contaminantes orgánicos que se encuentran en las aguas subterráneas, se han analizado numerosos fármacos, drogas de abuso y productos de cuidado personal en las aguas subterráneas urbanas de Barcelona. Las principales fuentes de contaminación de los COEs en zonas urbanas suelen ser las pérdidas de las redes de alcantarillado y los efluentes de las estaciones depuradoras de aguas residuales. Una vez que estos contaminantes están presentes en el acuífero, sus concentraciones se ven afectadas por numerosos procesos, incluyendo dilución, adsorción y degradación. Muchos COEs pueden ser eliminados del agua subterránea por procesos de transformación o degradación, especialmente si en el acuífero ha pasado por diferentes estados redox. Por ello, la identificación y cuantificación de los procesos redox en el acuífero es una cuestión clave. Para cuantificar estos procesos, se ha propuesto un método que utiliza las proporciones de mezcla. La aplicación de los isótopos ambientales junto con los datos hidroquímicos ha proporcionado la cuantificación isotópica de fuentes de recarga de agua subterránea y la ocurrencia de procesos redox, como la sulfato reducción, la respiración aeróbica y desnitrificación. El uso de estas metodologías ha permitido: (1) cuantificar las proporciones de mezcla en el agua subterránea y (2) evaluar los procesos redox.

The biological treatment of industrial wastewater containing high nitrogen concentrations (>1000 mg N L-1) and low biodegradable organic matter (bCOD) such as landfill leachate is nowadays challenging. Conventional nitrification-denitrification of such wastewater implies high operational costs associated with aeration requirements and external bCOD supply. Partial nitritation (PN) combined with anaerobic ammonium oxidation (anammox) has become a more sustainable alternative treatment of this kind of industrial wastewaters.The research presented in this thesis involves changes on operational parameters such as aeration phases length and operational temperature decrease in a PN sequencing batch reactor (PN-SBR) treating mature landfill leachate to reduce energy requirements. The PN-SBR startup and operation was assessed at fully aerobic conditions at 25 and 35oC as well as the implementation of anoxic feedings to promote heterotrophic denitrification via NO2-at 35oC.Successful demonstration of the PN process robustness was achieved despite changing operational temperature or the inclusion of anoxic feedings / El tractament biològic d’aigües residuals industrials que contenen altes concentracions de nitrogen (>1000 mg N L-1) i baixa concentració de matèria orgànica biodegradable (bCOD) com són els lixiviats d’abocador és a dia d’avui un repte. El tractament convencional mitjançant nitrificació-desnitrificació d’aquest tipus d’aigües residuals industrials implica costos molt elevats degut a l’aeració i la necessitat de l’adició de bCOD externa. El procés de nitritació parcial (PN) combinat amb la oxidació anaeròbia d’amoni (anammox) resulta una alternativa més sostenible pel tractament biològic d’aquest tipus d’aigües.La investigació presentada en aquesta tesi suposa canvis operacionals en el reactor PN com són la duració de les fases aeròbies i la baixada de la temperatura operacional en un reactor discontinu seqüencial (SBR) de PN tractant lixiviat d’abocador madur per reduir els requeriments energètics. Els resultats obtinguts demostren que es va aconseguir exitosament el funcionament robust del PN-SBR tot i els canvis operacionals

Existen diversos tipos de industrias que generan aguas residuales que contienen una elevada carga de nitrógeno amoniacal, tales como petroquímicas, farmacéuticas, de fertilizantes o alimentarias. Por esta razón la eliminación de nitrógeno de las aguas residuales no es sólo deseable sino que está explícitamente exigida por la Directiva Europea 91/271/EEC sobre tratamiento de aguas residuales urbanas. El proceso biológico de nitrificación-desnitrificación es el más empleado en la eliminación de nitrógeno.Una de las industrias que produce efluentes muy cargados en amonio es la de esmerilado de botellas de vidrio. El tratamiento biológico de este tipo de aguas residuales amoniacales presenta numerosas incógnitas y problemas, debido básicamente a tres motivos. Primero, la concentración de nitrógeno amoniacal de estos efluentes es de 5000 mg N·L-1, es decir, son aguas residuales con alta carga de nitrógeno. Además, no contienen materia orgánica, y no se puede realizar un proceso de desnitrificación sin contar con una fuente de carbono. Finalmente, estas aguas residuales contienen fluoruro, que es eliminado en su casi totalidad en un tratamiento físico-químico previo al biológico. No obstante, cabe la posibilidad de que, debido a algún problema en la depuración físico-química, llegue fluoruro al proceso biológico y actúe como un tóxico para los microorganismos. El trabajo se ha desarrollado en una planta piloto que trabajó ininterrumpidamente durante casi tres años, tratando efluentes industriales reales y con dos configuraciones diferentes. Durante este periodo se determinó la necesidad de adicionar dos reactivos al proceso. Se precisa carbonato sódico porque no hay suficiente alcalinidad en el agua residual para realizar la nitrificación y, además, se necesita materia orgánica fácilmente biodegradable porque tampoco hay suficiente para realizar la desnitrificación. Esta tesis doctoral tiene dos objetivos principales. El primero de ellos es el diseño de un sistema de tratamiento biológico para el efluente industrial. El segundo objetivo consiste en la realización de un estudio genérico de los principales parámetros que afectan a la eliminación biológica de nitrógeno en alta carga en un sistema de lodos activos.Los primeros cuatro capítulos de la tesis forman el apartado del estudio de los parámetros del proceso. En estos capítulos se estudia: - El efecto de la relación DQO/N del afluente sobre la nitrificación y la desnitrificación.- La nitrificación y el efecto de la temperatura sobre el proceso en un sistema de lodos activos nitrificantes.- La desnitrificación y el efecto de la fuente de carbono y de la temperatura sobre el proceso en un sistema desnitrificante. - La inhibición de la nitrificación por tres sustancias diferentes: amonio, nitrito y fluoruro.Los siguientes capítulos describen el desarrollo de un sistema de control y un modelo matemático del proceso. En conclusión, con los resultados obtenidos de este trabajo, se diseñó un sistema eficaz de tratamiento biológico para un agua residual con alta carga de nitrógeno. Este diseño se ha convertido en un proyecto de ingeniería que ha finalizado con la construcción de una depuradora a escala industrial. / There are many different kinds of human activity that generate wastewater with large quantities of ammonium: petrochemical, pharmaceutical, fertiliser and food industries, leachates produced by urban solid waste disposal sites or waste from pig farms. For this reason, the European Directive for the treatment of urban wastewater 91/271/EEC explicitly demands the removal of ammonium from wastewater. The BNR process is the most common method for removing ammonium from wastewater.The industries that frost bottles produce high-strength ammonium wastewater. There are three reasons to consider the biological treatment of this wastewater as a very complex process. First of all, the ammonium concentration is 5000 mg N·L-1. Secondly, it hasn't organic matter and it is not possible to achieve a complete denitrification. Finally, this wastewater contains fluoride, which is removed by a physical-chemical process. However, if there is any problem in this process, the fluoride could enter to the biological treatment and could inhibit the nitrification process.The study has been developed in a pilot plant. The pilot plant worked in continuous for three years with two different configuration: single and two-sludge systems. In the first configuration, the requirement of two new compounds was assessed: sodium bicarbonate as alkalinity source for the nitrification and biodegradable organic matter as carbon source for the denitrification. The main objectives of this PhD are: the design of a biological treatment for this wastewater and the study of the most important parameters of the biological nitrogen removal (BNR) process with high-strength ammonium wastewaters.The first four chapter explain the study of the most important parameters of the BNR:- Effect of the influent COD/N ratio on BNR process.- Effect of temperature on nitrification of high-strength ammonium wastewater.- Effect of temperature and external carbon source on denitrification of high-strength ammonium wastewater.- Inhibition of the nitrification by ammonium, nitrite and fluoride.The others chapters explain the development of an control system of the process and a mathematical model.Finally, a biological treatment system for this wastewater was designed.

Es calcula que prop d'un 95% de la biomassa bacteriana que es pot trobar en els sistemes de distribució d'aigua potable es troba localitzada adherida a les superfícies internes de les canonades en forma de biopel·lícules, i que només un 5% es troba lliure en la fase aquosa. El creixement dels microorganismes formant biofilms sobre les superfícies altera la composició dels materials. En el cas de les superfícies metàl·liques, les reaccions fisicoquímiques es tradueixen en canvis indesitjables que es veuen agreujades per la biocorrosió o la corrosió influenciada per microorganismes. El coure és un element traça essencial, però ingerit de forma massiva és tòxic. S'han descrit casos d'intoxicacions a causa de problemes de corrosió i cuprosolvència on els microorganismes juguen un paper primordial. Alhora, alguns bacteris formadors del biofilms tenen la capacitat d'acumular el metall, incrementant el risc per la salut pública. Aquest treball posa de manifest com Agrobacterium radiobacter EPS-916 és capaç de captar coure provinent de solucions aquoses de CuSO4.5H2O, a diferents concentracions, així com el seu exopolisacàrid. Mitjançant microscòpia electrònica de transmissió s'ha comprovat que la captació del coure per part del microorganisme és intracel·lular, observant-se cúmuls densos en el citoplasma dels bacteris. A més s'ha aïllat Pseudomonas putida-M16 de les canonades de coure d'ús domèstic i ha demostrat una resistència elevada a la sal de coure, essent també capaç d'acumular-lo. A més les dues soques han estat capaces de captar el metall quan aquest es presenta en forma de superfície cúprica en cupons de coure i superficies de canonades. Per concloure l'estudi les imatges obtingues mitjançant microscòpia de rastreig han demostrat la presència de biopel·lícules tant en les superfícies cúpriques estudiades, així com en la superfície interior d'una secció de canonada de coure després d'un període aproximat de dos anys en contacte amb aigua. / In their natural environments, bacteria don't exist as isolated cells but grow and survive in organized communities commonly referred to as biofilms. Biofilms are differentiaded masses of microbes that form on surfaces and are surrounded by an extracellular matrix (EPS). Generally, biofouling can be defined as the undesired accumulation of deposits of a biological nature on surface. The former was defined as the process resulting from the accumulation of microbial biofilms consisting of: microorganisms, polymeric materials secreted by theses organisms, particulate matter of different origin, and, mainly of water. The accumulation of biofilms on copper plumbing pipes is well established. Biofilms have been implicated in the corrosion of copper plumbing, Known as cuprosolvency, which results in increases in soluble copper concentrations in drinking water supplies.This has significant implications for public health as the consumption of copper in water at levels exceeding 2mg/mL can cause adverse gastrointestinal symptoms in humans. This study investigated the capacity of Agrobacterium radiobacter EPS-916 to uptake copper from aqueous solutions of copper sulfate, and its skill to form biofilms in a copper plumbing. On the other hand our work want to show how biofilm bacteria isolated from domestic copper plumbing contributed to cuprosolvency and by scanning electron microscopy we can see the biofilm formation in copper surfaces.

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