This work covers a study on livestock contamination in a rural municipality, the technological adaptation of the conventional anaerobic reactors for treating pig manure on farms for use on an industrial scales, and the preliminary experiences of a pilot digester pit at low temperature.The first phase of the study consisted of a global analysis a rural municipality dedicated preliminary to agricultural and livestock activities and having a typical production of waste matter. This study covered the population, the physical environment, the activities and the issue of livestock waste matter along with its impact on the environment.Quantification and characterization of the livestock waste matter were affected as well as how its was being handled from storage to disposal.Management and treatment actions for livestock waste matter have been proposed with a view to minimizing its impact on the environmental in rural areas.Where livestock waste treatment are concerned, a study was carried out on the general features of the anaerobic digestion facilities in Catalonia (Spain), later making a follow up on four of them where pig manure is treated on an industrial scale.The problems involved in the function of these facilities were studied, observing gas escapes from those under study plus degradation of the gasometers, obstructions in the pipes, the use of inadequate equipment and the inhibition of digestion.The degree of purification at these facilities was assessed, with its being equal or inferior to fifty percent.In the final stage of this study, research undertaken on anaerobic digestion at low temperature.A study was made of the design and engineering of the pilot digester pit in terms cost, control of construction, the mechanisms to be installed, civil works, installation of gas and electricity and means of scientific control.The start up of the digester pit was been assessed by applying a conventional inoculators, later observing the feasibility of this process.Additional energy and thermographic studies of the facility were also made. A lower consumption of electricity than in conventional facilities was observed, as well as the fact of there being no thermal bridges in the digester pit.

La digestió anaeròbia de purins de porc pot ser una bona opció per a lavalorització econòmica d'aquests residus. Una clara opció per a millorar laproducció de metà i, per tant, la viabilitat econòmica de les plantes dedigestió anaeròbia, consisteix en l'introducció, com cosubstrats, de residusorgànics de l'indústria agroalimentaria. La introducció de cosubstrats en unreactor pot comportar problemes de inhibició i sobrecàrrega orgànica i sercapaç de preveure-els pot ser vital per al funcionament d'una planta detractament. Per aquest motiu els models capaços de predir el comportamentdinàmic dels reactors anaerobis son de gran interès. El pH és una variablefonamental en els sistemes anaerobis, i el seu comportament dinàmic téinfluència en multitud dels processos que ocòrren en un reactor anaerobi,tant biològics com físico-químics. Per tant, un model dinàmic estructurat hade ser capaç de simular de manera dinàmica aquesta variable, essent aquestauna assignatura pendent en els models que es troben a la bibliografia.Es va construir un algorisme de simulació dinàmica del pH en sistemesanaerobis, basat en l'equació del balanç de càrrega. Aquest algoritme pot serincorporat a un model dinàmic de simulació, tractant el pH com una variabled'estat del sistema i no com un paràmetre a calcular en cada pas de laintegració. L'algorisme de càlcul de pH es va validar per sistemes aquosossenzills, havent obtingut bons ajusts a dades experimentals. El algoritme decàlcul de pH es va introduir a un model dinàmic, previ, de digestió anaeròbiade substrats complexos. Es va incorporar, a més, la simulació dinàmica de lesvariables de la fase gasosa. Aquest model general de digestió anaeròbia, quèutilitza paràmetres de la bibliografia, resulta una eina útil per preveure laresposta del sistema a la introducció de cosubstrats, a estats de sobrecàrregao de introducció de components inhibidors.Es van realitzar assaigs en discontinu de viabilitat de mescles de purí ambresidus de la elaboració de sucs de fruites (residu pera) i del refinat d'oli d'oliva (terres decolorants d'oli d'oliva). L'experiment va ser desenvolupat enels rangs termofílic i mesofilic (35º i 55º). En general, els resultats enmesofilic van ser millors que en termofílic, donat que a 55ºC van patir unaimportant inhibició per amoni. En ambdós rangs de temperatura laproducció de metà en termes absolutes va millorar per l'addició de residu depera com cosubstrat. La màxima producció de metà va ser obtinguda amb lacodigestió de purí amb terres decolorants d'oli d'oliva (95% de purí i 5%terres), en el rang mesofílic, què va ser 2,4 vegades la producció de purí sol,disminuint en augmentar la proporció de terres decolorants. En contrast, enel rang termofílic, la codigestió amb terres decolorants va donar lloc aproduccions de metà menors que el control.Amb l'objectiu de confirmar els resultats obtinguts en discontinu per a lesmescles de purí i terres decolorants d'oli d'oliva, es van posar en marxaResumen xquatre reactors anaerobis en règim semicontinu, de 5 litres de capacitat, dosdels quals treballaven en el rang mesofílic (35ºC) i els altres dos entermofílico (55ºC). En el rang mesofílic els reactors que es van alimentaramb terres decolorants d'oli d'oliva van millorar àmpliament els resultatsobtinguts amb purí sol. A pesar de la millora en la producció de gas, es vaobservar acumulació d'àcids grassos volàtils, indicant la inhibició parcial delsistema. En el rang termofílic, els resultats van ser, en tots els casos, pitjorsque en mesofílic, amb una forta acumulació d'àcids grassos volàtils,especialment d'àcid acétic, mostrant que el sistema estava fortament inhibitper les altes concentracions d'amoni i d'àcids grassos de cadena llarga.La codigestió apareix com una opció interessant per a incrementar lesproduccions de gas a partir de purins, possibilitant el tractament d'algunsresidus industrials, però s'ha d'estudiar prèviament les condicions òptimes demescla. / La digestión anaerobia de purines de cerdo puede ser una buena opciónpara la valorización económica de estos residuos. Una clara opción paramejorar la producción de metano, y por tanto la viabilidad económica de lasplantas de digestión anaerobia, es la introducción como cosubstrato deresiduos orgánicos de la industria agroalimentaria. La introducción decosubstratos en un reactor puede comportar problemas de inhibición ysobrecarga orgánica, y ser capaz de preverlo puede ser vital para elfuncionamiento de una planta. Por ello, los modelos capaces de predecir elcomportamiento dinámico de reactores anaerobios son de gran interés. ElpH es una variable fundamental en los sistemas anaerobios, cuyocomportamiento dinámico influye en multitud de procesos que ocurren enun reactor anaerobio, tanto biológicos como físico-químicos. Por tanto, unmodelo dinámico estructurado debe ser capaz de simular de forma dinámicaesta variable, siendo esta una asignatura pendiente en los modelos que seencuentran en la bibliografía.Se construyó un algoritmo de simulación dinámica del pH en sistemasanaerobios, basado en la ecuación del balance de cargas. Este algoritmopuede ser incorporado a un modelo dinámico de simulación, tratando el pHcomo una variable de estado del sistema y no como un parámetro a calcularen cada paso de integración. El algoritmo de cálculo de pH se validó parasistemas acuosos sencillos, habiendo obtenido buenos ajustes a datosexperimentales. El algoritmo de cálculo de pH se introdujo en un modelodinámico, previo, de digestión anaerobia de substratos complejos. Seincorporó, además, la simulación dinámica de las variables de la fase gaseosa.Este modelo general de digestión anaerobia, que utiliza parámetrosobtenidos de la bibliografía, ha resultado una herramienta útil para prever larespuesta del sistema ante la introducción de cosubstratos, los estados desobrecarga o la introducción de componentes inhibidores.Se realizaron ensayos de viabilidad en discontinuo de mezclas de purín conresiduos de la elaboración de zumos de frutas (pulpa de pera) y con residuosdel refinado de aceite de oliva (tierras decolorantes). El experimento fuedesarrollado en los rangos termofílico y mesofílico (35º y 55º). En general,los resultados en mesofílico fueron mejores que en termofílico, ya que a55ºC mostraron una importante inhibición por amonio. En ambos rangos detemperatura la producción de metano en términos absolutos mejoró por laadición de residuo de pera como cosubstrato. La producción máxima demetano respecto a sólidos volátiles se obtuvo para la mezcla con un 5% deResumen viiiTDO y 95% de purín, en el rango mesofílico, que alcanzó un valor 2,4mayor que la producción de purín sólo, disminuyendo la producción demetano conforme aumentó la proporción de TDO. En el rango termofílico,en contraste, la codigestión con tierras decolorantes resultó en produccionesde metano más bajas que el control.Con el objetivo de confirmar los resultados obtenidos en discontinuo paramezclas de purín y TDO, se pusieron en marcha cuatro reactores anaerobiosen régimen semicontinuo, de 5 litros de capacidad, dos de ellos trabajando enel rango mesofílico (35ºC) y otros dos en termofílico (55ºC). En el rangomesofílico el reactor alimentado con mezcla de purín y TDO mejoróampliamente los resultados obtenidos en el reactor con purín sólo. A pesarde la mejora en la producción de gas, se observó acumulación de AGV,indicando la inhibición parcial del sistema. En el rango termofílico, losresultados fueron en todos los casos peores que en mesofílico, con fuerteacumulación de AGV, especialmente acético, mostrando que el sistemaestaba fuertemente inhibido por las altas concentraciones de amonio y deácidos grasos de cadena larga.La codigestión se muestra como una opción interesante para incrementarlas producciones de gas de purines, posibilitando el tratamiento de algunosresiduos industriales, pero debe estudiarse previamente las condicionesóptimas de mezcla. / Anaerobic digestion of pig slurry can be a good option to valorise thiswaste. The use of organic wastes from food industry as cosubstrate is aninteresting option to increase methane production and the economicfeasibility of anaerobic plants. The addition of cosubstrates in an anaerobicreactor may involve inhibition and overloading problems. Being able toforesee these problems is very important for the plant running. Therefore,models capable of predicting the dynamic behaviour of anaerobic reactorsare very interesting. pH is a very important parameter in anaerobic systems,and its dynamic behaviour largely influences physic-chemical and biologicalprocesses that take place in an anaerobic reactor. Therefore, a structureddynamic model must be able of simulating pH in a dynamic way, however nomodel in literature has considered it before.A mathematical algorithm was built for anaerobic dynamic simulation ofpH in anaerobic systems, based on the charge balance. This algorithm can beadded to a dynamic simulation model, treating pH as a system state variable,not as a parameter to be calculated in every step of integration. Thealgorithm of pH calculation was validated for a simple aqueous system,obtaining high regression coefficients for the experimental data. The pHcalculation algorithm has been inserted in a previous anaerobic digestionmodel of complex substrates. The dynamic simulation of gas phase variableswas also inserted. This general model of anaerobic digestion, which useskinetic parameters from literature, has been a useful tool in order to foreseethe system behaviour when adding cosubstrates, when overloading or whenintroducing inhibitors.Batch experiments of mixtures of pig slurry and wastes from juice factory(pear waste) and with wastes from refining oil factory (olive oil bleachingearth) were done. The experiment was developed at thermophilic andmesophilic temperatures (55ºC and 35ºC). In general, the mesophilic resultswere better than the thermophilic one. At 55ºC there was an importantinhibition by ammonium. In both ranges of temperature, accumulatedmethane production was improved by the addition of pear waste ascosubstrate. The treatment with 5% of olive oil bleaching earth and 95% ofpig slurry, in the mesophilic range, got the maxim methane yield (mL ofCH4/g VS), which was 2,4 times the methane yield for pig slurry. Themethane yield decreased with increasing olive oil bleaching earthproportions. In contrast, at the thermophilic range, the codigestion of pigslurry and olive oil bleaching earth resulted in methane yields lower than thecontrol.Resumen xiiWith the aim of confirming the batch results, four anaerobic reactors of 5litres of useful capacity were started up, in semicontinous regime. Two ofthem ran at mesophilic (35ºC) and other two in thermophilic (55ºC)temperatures. At mesophilic temperatures, the reactor fed with a mixture ofslurry and olive oil bleaching earth showed better results than the controlreactor, fed with pig slurry. In spite of improving methane production,volatile fatty acids accumulated, showing a partial inhibition of the system. Inboth thermophilic reactors, the results were worse than those at mesophilictemperature. A strong accumulation of volatile fatty acids, especially acetate,was observed, showing that the system was inhibited by the highconcentration of ammonium and long chain fatty acids.Codigestion is an interesting option to increase the gas production frompig slurry, improving the feasibility of the treatment of some kinds ofindustrial wastes, but it is necessary to study the optimum conditions ofmixture.

Alcanzar niveles adecuados de calidad ambiental en la gestion de los residuos organicos requiere un enfoque global y trabajar a diferentes niveles: medidas de reduccion de origen, planes de aplicacion al suelo y tratamientos adecuados cuando sea necesario. Entre todos los residuos organicos, los purines, probablemente son los que presenta una mayor problemática. La inclusion del proceso de digestion anaerobia en la estrategia de tratamiento comporta una serie de ventajas: controlar las emisiones de compuestos organicos volatiles y olores, estabilizar la materia organica y recuperar energia mediante la produccion de biogas. No obstante, su implantacion en zonas calidas presenta una importante limitacion: el uso eficiente de la energia termica cuando la demanda es baja. El objetivo general de la tesis doctoral es estudiar usos de la energia termica generada, para mejorar el propio proceso anaerobio y/o recuperar productos de interes. Entre los posibles procesos que requieren energia termica se ha estudiado el proceso de hidrólisis termica a 80ºC, el proceso de strippig/absorcion a 80ºC y el proceso de evaporacion/condensacion a baja presion aplicados a purines de cerdo.El proceso de hidrólisis termica de los purines de cerdo, previo a la digestion anaerobia, tiene diferentes efectos en funcion del tipo de purin. Cuando se aplica a purines poco degradados y con un bajo contenido en nitrogeno amoniacal, se observa un incremento en la producción de biogas, alcanzando incrementos del 60%. Contrariamente, cuando se aplica a purines con un alto contenido en nitrogeno amoniacal ya muy degradados, el proceso de digestion anaerobia posterior se ve inhibido.La eliminacion y recuperacion del amoniaco de los purines mediante el proceso de stripping/absorcion a 80º C, puede ser una buena alternativa para mejorar su gestion. Cuando el proceso se aplica a purines previamente digeridos anaerobiamente, es posible conseguir una eliminacion completa del amoniaco sin modificar el pH. Para purines no digeridos es indispensable modificar el pH.El proceso de evaporacion/condensacion con el objetivo de reducir el volumen, obtener un producto concentrado con un alto poder fertilizante y reutilizarel agua condensada, es otro posible proceso aplicable a los purines de cerdo. La emisión de amoniaco y otros compuestos volatiles, es un hecho a tener en cuenta cuando este se aplica a este tipo de residuo. Modificando el pH(pHs acidos) se consigue minimizar las perdidas de amoniaco hasta niveles razonablemente bajos. No obstante, evitar la emision de compuestos organicos volatiles (p.e. Acidos grados volatiles) requiere un proceso previo de descomposicion el proceso de digestion anaerobia ensayado presenta resultados satisfactorios.Los tratamientos termicos estudiados se presentan como una herramienta de presente y futuro, para mejorar la gestion y el tratamiento de purines de cerdo. La combinacion de la digestion anaerobia con estos procesos se presenta, asi mismo, como una alternativa con grandes ventajas: mejora el funcionamiento de los procesos termicos (stripping/absorcion y evaporacion/condensacion), favorece la implantacion de la digestion anaerobia mediante posibles mejoras sobre el propio proceso (hidrólisis termica), e indirectamente a traves del uso del exceso de energia termica a baja temperatura (<90 ºC) de dificil aplicación para otros usos en zonas calidas.

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.

Entre les estratègies ambientals i productives en l'ús dels nutrients s'inclou l'ús dels purins i l'ús dels inhibidors de la nitrificació (IN). En el cas del purins cal conèixer el seu impacte en el medi i valorar la seva capacitat d'aportar nutrients. L'aparició del nou IN, 3,4-dimetilpirazol fosfat (DMPP), patentat per l'empresa BASF l'any 1997, obria la possibilitat d'aplicar un producte que fins ara estava limitat als cultius d'alt valor econòmic, a la jardineria i als camps de golf.La Tesi doctoral avalua, en diferents escenaris, l'ús del DMPP i l'ús de purins. Per aquest motiu, es van dur a terme dos experiments en testos amb el cultiu de raigràs anglès (Lolium perenne L.). També es van realitzar tres experiments de camp, un amb blat d'hivern (Triticum aestivum L.) durant quatre campanyes (1999-2003) en un sòl franc, un amb el mateix cultiu durant dues campanyes (2001-2003) en un sòl franc argil.lo-llimós, i un amb panís (Zea mays L.) durant dues campanyes (2002 i 2003) en un sòl franc. Utilitzant les dades del primer experiment de blat es va portar a terme una calibració i validació del model de simulació CropSyst.El DMPP es va avaluar en diferents dosis de purí i en fertilitzants minerals, mitjançant el control del rendiment del cultiu, de l'absorció de nitrogen i en alguns experiments, de la resta de macro i micronutrients, i dels nivells de nitrats i amoni en el perfil del sòl.També es van calcular índexs d'eficiència en l'ús del nitrogen i es va fer un balanç aproximat de nitrogen. En el cas dels testos, es van mesurar les pèrdues de nitrogen per lixiviació.En general els rendiments van respondre directament a les aportacions de nitrogen, peròno es van trobar diferències clarament significatives per la utilització del DMPP.Igualment va passar amb l'absorció de nitrogen i altres macro i micronutrients. Es van veure alguns resultats interessants a nivell mediambiental pel que fa a la pèrdua de nitrats per lixiviació, ja que hi va haver una reducció considerable d'aquestes pèrdues pel fet d'utilitzar el DMPP.El que és evident és que en experiments de camp hi ha un error experimental molt elevat que emmascara l'efecte que es vol analitzar. Com s'ha demostrat, no hi ha una clara consistència dels resultats. És a dir, en el cas de l'IN, l'efecte analitzat no sempre ha estat el de la hipòtesi plantejada. Tot i així, en la situació actual amb uns preus similars entre els fertilitzants amb i sense inhibidor de la nitrificació, els avantatges en l'ús de l'IN cal que es considerin (menys pèrdues per rentat, major disponibilitat de N per a laplanta i millors índexs d'eficiència) com una clara millora en la gestió de la fertilitzaciónitrogenada i una opció que s'ha tenir en compte com a bona pràctica agrària.D'altra banda, en l'experimentació amb purins en quantitats que no superin els 30 m3 ha-1, el sistema tendeix a estar equilibrat respecte al balanç de fòsfor en el cas del blat de regadiu. El valor fertilitzant dels purins va quedar clarament demostrat i les seves limitacions ambientals poden controlar-se amb l'ús d'anàlisis tant dels purins com dels sòls on s'apliquen.Pel que fa a l'ús del DMPP en els purins, els clars efectes de l'assaig amb testos no es van mostrar de manera tan evident en els experiments de camp. Fa falta un major control de les variables mesurades al camp per obtenir una clara resposta de l'efecte de l'IN aplicat amb el purí. / Entre las estrategias ambientales y productivas en el uso de los nutrientes, se incluye el uso de los purines y el uso de los inhibidores de la nitrificación (IN). En el caso de lospurines, hace falta conocer su impacto en el medio y valorar su capacidad para aportar nutrientes. La aparición del nuevo IN, 3,4-dimetilpirazol fosfato (DMPP), patentado por la empresa BASF en el año 1997, abría la posibilidad de aplicar un producto, que hasta el momento, estaba limitado a cultivos de alto valor económico, a la jardinería y acampos de golf.La tesis doctoral evalúa, en distintos escenarios, el uso del DMPP y el uso de los purines. Por este motivo, se llevaron a cabo dos experimentos en macetas con el cultivo de raigrás inglés (Lolium perenne L.). También se realizaron tres experimentos de campo, uno con trigo de invierno (Triticum aestivum L.) durante cuatro campañas(1999-2003) en un suelo franco, uno con el mismo cultivo durante dos campañas (2001- 2003) en un suelo franco arcillo-limoso, y uno con maíz (Zea mays L.) durante dos campañas (2002 y 2003) en un suelo franco. Utilizando los datos del primerexperimento de trigo se llevó a cabo una calibración y validación del modelo de simulación CropSyst.El DMPP fue evaluado en diferentes dosis de purín y en fertilizantes minerales, mediante el control del rendimiento del cultivo, de la absorción de nitrógeno y en algunos experimentos, de los otros macro y micronutrientes, y de los niveles de nitratos y amonio en el perfil del suelo. También se calcularon índices de eficiencia en el uso delnitrógeno y se hizo un balance aproximado de nitrógeno. En el caso de las macetas, se midieron las pérdidas de nitrógeno por lixiviación.En general los rendimientos respondieron directamente a las aportaciones de nitrógeno,pero no se encontraron diferencias claramente significativas por la utilización del DMPP. Igualmente pasó con la absorción de nitrógeno y otros macro y micronutrientes. Se vieron algunos resultados interesantes a nivel medioambiental con respecto a lapérdida de nitratos por lixiviación, ya que ha habido una reducción considerable de estas pérdidas por el hecho de utilizar el DMPP.Lo que es evidente es que en experimentos de campo hay un error experimental muy elevado que enmascara el efecto que se quiere analizar. Como se ha demostrado, no hay una clara consistencia de los resultados. Es decir, en el caso del IN, el efecto analizado no siempre ha sido el de la hipótesis planteada. Sin embargo, en la situación actual con unos precios similares entre los fertilizantes con y sin inhibidor de la nitrificación, las ventajas en el uso del IN deben considerarse (menos pérdidas por lavado, mayordisponibilidad de N para la planta y mejores índices de eficiencia) como una claramejora en la gestión de la fertilización nitrogenada y una opción a tener en cuenta comobuena práctica agraria.Por otro lado, en la experimentación con purines en cantidades que no superen los 30 m3 ha-1, el sistema tiene tendencia a estar equilibrado respeto al balance de fósforo en el caso del trigo de regadío. El valor fertilizante de los purines quedó claramente demostrado y sus limitaciones ambientales pueden controlarse con el uso de análisis tanto de los purines como de los suelos dónde se aplican.En referencia al uso del DMPP en los purines, los claros efectos en el ensayo con macetas no se vieron de manera tan evidente en los experimentos de campo. Hace falta un mayor control de las variables medidas en campo para obtener una clara respuesta del efecto del IN aplicado con el purín. / Pig slurry (PS) fertilization and nitrification inhibitors (NI) use are included in environmental and productive strategies. In the case of PS, it is important to know its impact to environment and to value its capacity of nutrient contribution. The appearance of a new NI, 3,4-dimethylpirazol phosphate (DMPP), patented by BASF in 1997,offered the possibility to apply this kind of products to agriculture and not only to valuecrops, gardening and golf courses, as it was the case before.This PhD thesis evaluates the use of DMPP and pig slurries in different scenarios. It is carried out in two pot experiments with ryegrass (Lolium perenne L.). Also, three field experiments were conducted, one with wheat (Triticum aestivum L.), during four seasons (1999-2003) in a loam soil, one with the same crop during two seasons (2001-2003) in a silty clay loam soil, and one with maize (Zea mays L.) during two seasons (2002 and 2003) in a loam soil. Using data for the first experiment with wheat, a calibration and validation of the simulation model CropSyst was carried out.DMPP was appraised in different doses of PS and in mineral fertilizers, by evaluating crop yield, nitrogen absorption, as well as macro and micronutrients absorption in some of the experiments, and nitrates and ammonium levels in soil profile. Nitrogen use efficiency indices and approximated nitrogen balance were also calculated. In pot experiments, lixiviation nitrogen losses we re measured. In general, crop yields had a direct response to nitrogen contribution, but there was no significant difference due to DMPP utilization. The same effect was found with nitrogen and macro and micronutrients absorption. Some interesting results were found because of the reduction of nitrate lixiviation due to DMPP utilitzation.It is evident that in field experiments there is a high experimental error, which could mask the effect of what we want analyze. As it is demonstrated, results are not consistent. Namely, in the case of NI, the observed effect does not always agree with the initial hypothesis. However, in the present situation with similar prices between fertilizers with and without NI, we have to consider the advantages of using NI (lesslixiviation losses, higher nitrogen availability for plants and better efficieny indeces) asa better management of nitrogen fertilization and an option for better agriculture practices.Nevertheless, in experiments with pig slurries in quantities below 30 m3 ha-1 the systemtended to be balanced with phosphorus balance in the case of irrigated wheat. Pig slurry fertilizing value was proved and its environmental limitations can be controlled with pigslurry and soil analyses.The clear results found in pot experiments using DMPP with pig slurries, were not so evident in field experiments. A higher control in field measured variables is necessary in order to obtain a clear response to the effect of NI applied with pig slurry.

La consolidació d'un model intensiu per a la ramaderia comporta la necessitat d'aplicar estratègies de gestió optimitzades. En relació a les dejeccions del bestiar, la gestió cal fonamentar-la en tres punts bàsics: la minimització en origen, la planificació de la fertilització del sòl i la implementació de tecnologies de tractament complementàries. Tot i que és possible adoptar diferents criteris com a limitant en el moment de planificar la gestió de fems i purins, el nitrogen acostuma a ser el més important. El propòsit d'aquesta tesi doctoral és aprofundir en l'estudi de tractaments que permetin afrontar un problema d'excedent de nitrogen derivat de la generació de purins. Concretament, s'emfatitza en la caracterització de processos biològics relacionats amb l'eliminació de nitrogen, utilitzant la modelització matemàtica com a eina bàsica de treball. Dues alternatives han estat considerades: i) el procés de nitrificació-desnitrificació (NDN) implementat en un reactor discontinu seqüencial (SBR), i ii) el procés SHARON (nitritació parcial en un quimiòstat aerobi) combinat amb el procés Anammox (oxidació anaeròbia de l'amoni), una alternativa de tractament en principi més sostenible que l'anterior actualment en incipient fase de desenvolupament.S'ha desenvolupat un model matemàtic per tal de simular el procés biològic de NDN, incloent a més, fenòmens de precipitació de sals i de transferència líquid-gas. Per fer-ho, s'ha considerat al pH com a variable d'estat, doncs la seva dinàmica afecta a l'equilibri químic, la disponibilitat de substrats per al creixement de la biomassa i els possibles fenòmens d'inhibició. Aquest plantejament ha habilitat l'establiment d'un model suficientment flexible per tal d'adaptar-se a un ampli rang de càrrega nitrogenada. La implementació informàtica s'ha dut a terme utilitzant el llenguatge de programació Fortran. El calibratge del model aplicat al tractament de fracció líquida de purins s'ha efectuat utilitzant tècniques respiromètriques. Una anàlisi de sensibilitat prèvia ha permès identificar aquells paràmetres i processos amb major influència en la resposta del model i, per tant, orientar el disseny experimental. Una vegada en disposició del model calibrat, s'ha realitzat un estudi d'optimització del cicle de tractament del SBR operat amb el propòsit d'eliminar nitrogen. Finalment, la bondat d'aquestes previsions ha estat validada experimentalment.Una versió simplificada del model inicial ha permès simular el procés SHARON. S'ha realitzat una primera estimació de paràmetres cinètics utilitzant dades experimentals històriques obtingudes en un bioreactor alimentat amb un substrat sintètic. En base a les previsions del model, s'ha discutit sobre l'efecte de determinats paràmetres en les característiques de l'efluent del tractament, concretament en la relació nitrit/amoni. Serà aquesta proporció entre ambdues formes nitrogenades la que determinarà l'aptitud de l'efluent SHARON per ser sotmès a un posterior procés Anammox.Com a conclusió general, cal considerar la modelització matemàtica com a una eina fonamental per tal de desenvolupar estratègies optimitzades de gestió de dejeccions ramaderes basades en l'eliminació de nitrogen. El procés convencional de nitrificació-desnitrificació implementat en sistemes discontinus tipus SBR representa una alternativa madura per tal de donar solució a situacions d'excedent de nitrogen vinculades a la gestió dels purins. Els requeriments energètics relacionats amb l'aeració són, però, el principal limitant en quant a una major implementació. Nous desenvolupaments biotecnològics en principi més eficients energèticament, com és el cas del procés SHARON-Anammox, podrien desplaçar en un futur proper el procés tradicional de NDN sempre i quan premisses com robustesa, flexibilitat o senzillesa siguin garantides. / La consolidación de un modelo intensivo para la ganadería comporta la necesidad de aplicar estrategias de gestión optimizadas. En relación a las deyecciones del ganado, la gestión debe fundamentarse en tres puntos básicos: la minimización en origen, la planificación de la fertilización del suelo y la implementación de tecnologías de tratamiento complementarias. Aunque es posible adoptar diferentes criterios como limitante en el momento de planificar la gestión de estiércoles y purines, el nitrógeno acostumbra a ser el más importante. El propósito de esta tesis doctoral es profundizar en el estudio de tratamientos que permitan afrontar un problema de excedente de nitrógeno derivado de la generación de purines. Concretamente, se enfatiza en la caracterización de procesos biológicos relacionados con la eliminación de nitrógeno, utilizando la modelización matemática como herramienta básica de trabajo. Dos alternativas han sido consideradas: i) el proceso de nitrificación-desnitrificación (NDN) implementado en un reactor discontinuo secuencial (SBR), y ii) el proceso SHARON (nitritación parcial en un quimiostato aerobio) combinado con el proceso Anammox (oxidación anaerobia del amonio), una alternativa de tratamiento en principio más sostenible que la anterior actualmente en incipiente fase de desarrollo.Se ha desarrollado un modelo matemático que ha permitido simular el proceso biológico de NDN, incluyendo además, fenómenos de precipitación de sales y de transferencia líquido-gas. Para hacerlo, se ha considerado al pH como variable de estado, pues su dinámica afecta al equilibrio químico, la disponibilidad de sustratos para el crecimiento de la biomasa y los posibles fenómenos de inhibición. Este planteamiento ha habilitado el establecimiento de un modelo suficientemente flexible como para adaptarse a un amplio rango de carga nitrogenada. La implementación informática se ha realizado utilizando el lenguaje de programación Fortran. La calibración del modelo aplicado al tratamiento de fracción líquida de purines se ha efectuado utilizando técnicas respirométricas. Un análisis de sensibilidad previo ha permitido identificar aquellos parámetros y procesos con mayor influencia en la respuesta del modelo y, por lo tanto, orientar el diseño experimental. Una vez en disposición del modelo calibrado, se ha realizado un estudio de optimización del ciclo de tratamiento del SBR operado con el propósito de eliminar nitrógeno. Finalmente, la bondad de estas previsiones ha sido validada experimentalmente.Una versión simplificada del modelo inicial ha permitido simular el proceso SHARON. Se ha realizado una primera estimación de parámetros cinéticos utilizando datos experimentales históricos obtenidos en un birreactor alimentado con sustrato sintético. En base a las previsiones del modelo, se discute sobre el efecto de determinados parámetros en las características del efluente del tratamiento, concretamente en la relación nitrito/amonio. Será esta proporción entre las dos formas nitrogenadas la que determinará la aptitud del efluente SHARON para ser sometido a un posterior proceso Anammox.Como conclusión general, debe considerarse la modelización matemática como una herramienta fundamental para desarrollar estrategias optimizadas de gestión de deyecciones ganaderas basadas en la eliminación de nitrógeno. El proceso convencional de nitrificación-desnitrificación implementado en sistemas discontinuos tipo SBR representa una alternativa madura para dar solución a situaciones de excedente de nitrógeno vinculadas a la gestión de los purines. Los requerimientos energéticos relacionados con la aireación son el principal limitante en cuanto a una mayor implementación de esta tecnología. Nuevos desarrollos biotecnológicos más eficientes energéticamente, como es el caso del proceso SHARON-Anammox, podrían desplazar en un futuro próximo el proceso tradicional de NDN siempre y cuando premisas como robusteza, flexibilidad o sencillez sean garantizadas. / The consolidation of an intensive model for livestock farming calls for the application of optimized management strategies. As far as livestock waste is concerned, management should be based on three main aspects: on-site minimization, land fertilization planning and the implementation of complementary treatment technologies. Although various criteria may be considered as limiting when planning manure and slurry management, nitrogen is usually considered the most important. The aim of the present dissertation was to study different treatment options for tackling the problem of nitrogen surplus derived from slurry generation. It was specifically emphasised the characterization of biological processes related to nitrogen removal, using modelling as basic working tool. Two main alternatives were considered: i) the nitrification-denitrification (NDN) process using a sequencing batch reactor (SBR), and ii) the SHARON process (partial nitritation in an aerobic chemostat) coupled with the Anammox process (anaerobic ammonium oxidation), a treatment alternative that is, at least in principle, more sustainable than the previous, but which is currently still at an incipient stage of development.A mathematical model was developed, which allowed to simulate the biological process of NDN also taking into consideration salt precipitation and liquid-gas transfer phenomena. pH was considered state variable due to its effects on chemical equilibrium reactions, substrates availability for biomass growth and potential inhibition phenomena. This approach enabled to establish a model that was sufficiently flexible for application to a wide range of nitrogen loading rates. Computations were made using the Fortran programming language. Respirometric techniques were used for model calibration when treating liquid fraction of pig slurry. Sensitivity analysis helped to identify the parameters and processes with greater influence on the response of the model and, consequently, on the orientation of subsequent experimental designs. Once the calibrated model was available, an optimization study of the SBR cycle was conducted. Finally, the goodness of the model was experimentally validated.A simplified version of the initial model was constructed in order to simulate the SHARON process. A preliminary estimation of kinetic parameters was performed using historical experimental data obtained from a bioreactor fed with a synthetic substrate. The effects of certain parameters on the characteristics of treated effluent were subsequently discussed based on predictions made by the model, particularly focussing on the nitrite/ammonium ratio. This proportion between the two forms of nitrogen will determine the suitability of the SHARON effluent for a subsequent Anammox process.As general conclusion, mathematical modelling should be considered as a key tool for developing optimized livestock waste management strategies based on nitrogen removal. Conventional nitrification-denitrification process implemented in discontinuous SBR type systems represents a mature alternative for solving situations of nitrogen surplus derived from slurry management. However, the energy requirements associated with the aeration are the main limitation to a wider implementation of this technology. New, and more energy efficient, biotechnological developments such as the SHARON-Anammox process could replace the traditional NDN process in the near future if considerations like robustness, flexibility and simplicity can be ensured. / StreszczenieWzmocnienie intensywnego modelu hodowli trzody chlewnej wymaga zastosowania optymalnych strategi zarz&#261;dzania. Zarz&#261;dzanie odpadami towarzysz&#261;cymi hodowli trzody chlewnej powinno by&#263; oparte na trzech g&#322;ównych aspektach: minimalizacji w miejscu powstania, planowaniu nawo&#380;enia gleby i zastosowaniu komplementarnych rozwi&#261;za&#324; technicznych. Mimo, i&#380; przy planowaniu ograniczenia ilo&#347;ci obornika ró&#380;ne kryteria mog&#261; by&#263; brane pod uwag&#281;, to azot zwykle odgrywa g&#322;ówn&#261; rol&#281;. Celem niniejszej rozprawy doktorskiej jest przestudiowanie rozwi&#261;za&#324;, które pozwol&#261; stawi&#263; czo&#322;o problemowi nadmiaru azotu powsta&#322;ego przy produkcji obornika. Po&#322;o&#380;ono w niej nacisk na modelacje matematyczne, które zosta&#322;y u&#380;yte do charakteryzacji biologicznego procesu usuwania azotu. Wzi&#281;to pod uwag&#281; dwie alternatywy: i) nitryfikacja-denitryfikacja (NDN), proces wykorzystuj&#261;cy sekwencyjne reaktory porcjowe (SBR), oraz ii) proces SHARON (cz&#281;&#347;ciowa nitrytacja w chemostacie tlenowym) razem z pocz&#261;tkowym procesem Anammox (beztlenowe utlenianie amonu), który jest zastosowaniem alternatywnym, w zasadzie bardziej zrównowa&#380;onym ni&#380; poprzednie, ale obecnie b&#281;d&#261;cym w pocz&#261;tkowej fazie rozwoju.Zosta&#322; rozwini&#281;ty matematyczny model, który umo&#380;liwi&#322; symulacj&#281; biologicznego procesu NDN, w&#322;&#261;czaj&#261;c w to tak&#380;e wytr&#261;canie si&#281; soli oraz fenomen przemiany p&#322;ynu w gaz. Czynnik pH zosta&#322; okre&#347;lony jako stale zmienny z powodu jego wp&#322;ywu na stan równowagi chemicznej reakcji, na dost&#281;pno&#347;&#263; substratów dla rozwoju biomasy oraz na potencjalny fenomen zachamowania. To podej&#347;cie umo&#380;liwi&#322;o ustalenie modelu, który by&#322; wystarczaj&#261;co elastyczny aby móc go zastosowa&#263; do szerokiej rangi rozpi&#281;to&#347;ci za&#322;adunku nitrogenu. Zastosowanie komputerowe zosta&#322;o przeprowadzone przy u&#380;yciu j&#281;zyka programuj&#261;cego Fortran. Do uzyskania wzoru modelu, aplikowanego do traktowania frakcji p&#322;ynnej odchodu wieprzowego, zosta&#322;y u&#380;yte techniki respirometryczne. Analiza czu&#322;o&#347;ci pomog&#322;a w identyfikacji tych parametrów i procesów, z wy&#380;szym wp&#322;ywem na odpowied&#378; modelu, i konsekwentnie na kierunek kolejnych eksperymentów. Kiedy ju&#380; ustalono model wzorcowy zacz&#281;to przeprowadza&#263; optymalizacj&#281; cyklu SBR, którego celem by&#322;a oczywi&#347;cie eliminacja nitrogenu. Na ko&#324;cu, prawid&#322;owo&#347;&#263; tych symulacji zosta&#322;a potwierdzona eksperymentalnie.Na potrzeby symulacji procesu SHARON zosta&#322;a stworzona uproszczona wersja pocz&#261;tkowego modelu. Wst&#281;pna ocena parametrów kinetycznych zosta&#322;a przedstawiona przy u&#380;yciu historycznych danych eksperymantalnych uzyskanych z bioreaktora z syntetycznym substratem. W oparciu na przewidywaniach modelu dyskutuje si&#281; na temat wp&#322;ywu pewnych parametrów na w&#322;a&#347;ciwo&#347;ci oczyszczania scieków, konkretnie w relacji do wspó&#322;czynnika azotyn/amon. Ta proporcja pomi&#281;dzy dwoma formami nitrogenu zdeterminowa&#322;a stosowno&#347;&#263; procesu SHARON dla kolejnego procesu Anammox.Podsumowuj&#261;c, matematyczny model powinien byc uwa&#380;any jako kluczowy &#347;rodek do optymalizacji strategii zarz&#261;dzania odchodami opartymi na usuwaniu azotu. Konwencjonalne procesy NDN, oraz cz&#281;&#347;ciowo te które zosta&#322;y zastosowane w systemie SBR reprezentuj&#261; dojrza&#322;&#261; alternatyw&#281; rozwi&#261;zania kwesti nadmiaru azotu. G&#322;ównym ograniczeniem w szerszym zastosowaniu tej technologii s&#261; wymagania energetyczne zwiazane z napowietrzaniem. Nowe rozwi&#261;zania biotechnologiczne, które s&#261; bardziej energooszcz&#281;dne, takie jak proces SHARON-Anammox mog&#261; w bliskiej przyszlosci zast&#261;pi&#263; tradycjonalny proces NDN zakladaj&#261;c, i&#380; zostan&#261; zapewnione takie koncepcje jak krzepko&#347;&#263;, elastyczno&#347;&#263; oraz przejrzysto&#347;&#263;.