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

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

This thesis is devoted to design a multi-layer MPC controller applied to the complex water network taking into account that the different layers with different time scales and control objectives have their own controller. A two-layer temporal hierarchy coordinating scheme has been applied to coordinate the MPC controllers for the supply and transportation layers. An integrated real-time simulation-optimization approach which contributes to consider the effect of more complex dynamics, better represented by the simulation model, has been developed for regional water networks. The use of the combined approach of optimization and simulation coordination between simulator and optimizer allows to test the proposed multi-layer MPC in a feedback scheme using a realistic simulator of the regional network. The second part of this thesis is focused on the design of a control scheme which uses the combination of linear MPC with a constraint satisfaction problem (CSP) to optimize the non-linear operational control of DWNs. The network aggregation method (NAM) is used to simplify a complex water network into an equivalent conceptual one for the bidirectional network before the use of CSP. The proposed approach is simulated using Epanet to represent the real DWN. Non-linear MPC is used for validation using a generic operational tool for controlling water networks named PLIO. A two-layer scheduling scheme for pump stations in a water distribution network has also been designed in the second part of this thesis. The tuning parameters of such algorithm are the lower layer control sampling period and the number of parallel pumps in the pump station. / Aquesta tesi està dedicada a dissenyar un controlador MPC multicapa que s'aplica a una complexa xarxa regional emprant com a principal idea el fet de què les diferents capes treballen amb diferents escales de temps i objectius de control s'aconseguiran amb el seu propi controlador. Un esquema jeràrquic de coordinació temporal de dues capes s'ha aplicat per a coordinar als controladors MPC per a les xarxes de captació i transport. Un enfocament integrat de simulació-optimizació que contribueix a asegurar que l'efecte de les dinàmiques complexes, millor representades pel model de simulació s'hagin tingut en compte, s'ha propostat per la gestió operacional temps real de les xarxes regionals. La segona part d'aquesta tesi es centra en el disseny d'un esquema de control que utilitza la combinació del control MPC lineal amb una problema de satisfacció de restriccions (CSP) per optimitzar el control operacional no-lineal de les xarxes d'aigua potable. El mètode d'agregació de xarxes (NAM) s'utilitza per simplificar una xarxa d'aigua complexa en una xarxa conceptual bidireccional equivalent abans d'utilitzar el CSP. L'enfocament proposat es simula utilitzant Epanet per representar el comportament hidràulic de la xarxa d'aigua potable. Finalment, el MPC no lineal s'utilitza per a la validació fent ús de l'eina PLIO per a la seva implementació. I també, un esquema de planificació de dues capes per a estacions de bombament en una aigua xarxa de distribució ha estat proposat en la segona part d'aquesta tesi. Els paràmetres d'ajust d'aquest algorisme són el período de mostreig de control de la capa inferior i el número de bombes en paral·lel en la estació de bombament.

Water is a limited resource essential for life. Human activities have been exercising considerable pressures on it. The unsustainable use and the need to improve the management of water are among the largest global concerns of our time. Indicators are fundamental to monitoring progress towards and trends water sustainability. Despite the widespread recognition of the relevance of indicators to water sustainability worldwide, significant challenges remain. Improved knowledge, research and innovation around this subject are necessary to promote the transition towards sustainable water use and management. This demands also points to the need of developing indicators in a participatory way, with the active engagement of both scientist and stakeholders. Furthermore, these indicators should be suitable for the scale where the governance of water take place: the river basin scale. The main objective of this research is to identify and validate, in a participatory way, a set of indicators that would allow decision makers to measure the sustainability of water use and management at river basin level. This research combined relevant concepts in a holistic methodology that is scientifically robust and easy to understand. This study presents a detailed description of how to apply multi-criteria and participatory approaches to identify, select and validate indicators for sustainable water use and management at river basin level, considering their socio-economic, environmental and institutional aspects. In the initial stage of this study, 60 criteria for the evaluation of indicators and 170 indicators linked to water resources were identified through extensive literature reviews. Subsequently, an international panel of experts selected from these set of indicators the 24, which best fulfilled the criteria of social, economic, environmental and institutional sustainability (Chapter 3). Then, it was identified that 11 of the 24 indicators have the appropriate characteristics to assess water use and management in an actual watershed, fulfilling the criteria of: scientific foundation, individuality, geographic scale of application and specificity (Chapter 4). In the next step, the Salitre River Basin (in semiarid region of Bahia-Brazil) was selected for pilot implementation of this project. At that point, the major stakeholders were identified and involved in the development of the research. The indicators were, then, assessed based on the innovative eDPSIR methodology, in which the interconnectedness of the indicators becomes a key part of the selection process. The application of this method showed that 8 of the 11 indicators are of great relevance to address the complex issue of sustainable use and management of water in the pilot river basin (Chapter 5). Finally, this set of eight indicators was validated against scientific and end-use criteria in a multistage and multistakeholder participatory approach (chapter 6). More then 100 international experts and local stakeholders participated in the development of this research. This study resulted in the selection and validation of a comprehensive set of eight key-indicators to measure the social, economic, environmental and institutional sustainability of water use and management at the Salitre River Basin. This research also provides a transparent, robust and reproducible set of methods that could be applied by scientific community, indicators developers/user and decision makers to identify, select and assess indicator at other river basins of interest. This knowledge could to be used by the scientific community, international organizations, water resources managers, policy and decision makers, practitioners, as well as other stakeholders interested in the matter, to promote changes towards sustainable use and management of water. These changes can contribute to harmonising both the human and ecosystem needs at the presentas well as being essential for building the future we want for all. / El agua es un recurso limitado esencial para la vida y las actividades humana han estado ejerciendo presiones considerables sobre el mismo. El uso insostenible del agua y la necesidad de mejorar su gestión están entre las principales preocupaciones actualmente. Los indicadores son fundamentales para monitorear el progreso hacia la sostenibilidad del agua. Ampliar el conocimiento, la investigación y la innovación en torno a este tema es necesario para promover la transición hacia el uso y la gestión sostenible del agua. Esta demanda también apunta a la necesidad de desarrollar indicadores de manera participativa, con la colaboración activa de científicos . Por otra parte, estos indicadores deben ser adecuados para la escala donde la gobernabilidad del agua tiene lugar: la cuenca hidrográfica. El objetivo principal de esta investigación ha sido la identificación y validación, de forma participativa, de un conjunto de indicadores que permitan a los tomadores de decisiones medir la sostenibilidad del uso y gestión del agua a nivel de cuencas. Combinamos conceptos relevantes en una metodología holística científicamente sólida y fácil de entender. El estudio presenta una descripción detallada de cómo aplicar una aproximación multicriteria y un enfoque participativo para identificar, seleccionar y validar los indicadores de uso y gestión sostenible del agua a nivel de cuenca hidrográfica, considerando sus aspectos socio-económicos, ambientales e institucionales. Inicialmente este estudio identificó 60 criterios para la evaluación de los indicadores y 170 indicadores relacionados con los recursos hídricos a través de extensas revisiones de la literatura. Posteriormente, un panel internacional de expertos han seleccionado de este conjunto los 24 indicadores que mejor cumplen los criterios de sostenibilidad social, económica, ambiental e institucional. Entonces se identificó que 11 de los 24 indicadores tienen las características apropiadas para evaluar el uso y gestión del agua en una cuenca real, cumpliendo los criterios de: fundamentación científica, individualidad, escala geográfica de aplicación y especificidad. En el siguiente paso, la cuenca del río Salitre (en la región semiárida de Bahia-Brasil) fue seleccionado para la implementación piloto de esta investigación. En ese momento, fueron identificados e involucrados los principales actores locales relacionados con el desarrollo del proyecto. Los indicadores fueron evaluados en base a la innovadora metodología eDPSIR, donde la interconexión de los indicadores se convierte en una parte clave del proceso de selección. La aplicación de este método mostró que ocho de los 11 indicadores son de gran relevancia para abordar el complejo tema del uso sostenible y la gestión del agua a nivel de la cuenca piloto. Por último, este conjunto de ocho indicadores se validó en base a criterios científicos y de uso final de forma participativa utilizando un proceso multi-etapas y multiactor. En total, más de 100 expertos internacionales y actores locales participaron en el desarrollo de este estudio. Esta investigación dio lugar a la selección y validación de un conjunto completo de ocho indicadores clave para medir la sostenibilidad social, económica, ambiental e institucional de uso y gestión del agua en la cuenca del río Salitre. Esta investigación también proporciona un conjunto relevante de métodos transparentes, sólidos y reproducibles para ser aplicados por académicos, desarrolladores / usuarios de indicadores y/o tomadores de decisiones en la identificación, selección y evalución de indicadores en otras cuencas hidrográficas. Este conocimiento podría ser utilizado para promover cambios hacia la sostenibilidad del agua. Estos cambios pueden contribuir a armonizar tanto la necesidades humanas como las de los ecosistemas en la actualidad, además de ser esencia, además de ser esenciales para "construir el futuro que queremos para todos"

Wastewater reduction and treatment is one of the challenges faced by our consume society. As an example, in the EU, 5400 tons/year wastewater containing aromatic compounds is released having both toxic and bactericide effect. Several technologies have shown their potential for treating this kind of industrial wastewater. Nearly all of them are based on the oxidation of the organic pollutants, which are converted into carbon dioxide and water or into harmless intermediate products, more suitable for a biological treatment. Therefore, Catalytic and non-catalytic Wet Air Oxidation (CWAO and WAO) have become attractive techniques to efficiently treat organic wastewater that is either too concentrated or toxic to be biologically restored. As complete mineralisation of pollutants is extremely costly, the coupling of an initial oxidative step with a biological treatment can solve these pollution problems in a rational and less expensive way.Hence, the main goal of this study was to demonstrate the technical feasibility of coupling an initial CWAO step with a municipal Waste Water Treatment Plant (WWTP) to deal with phenolic industrial wastewater. Therefore, it was necessary to find suitable pressure and temperature conditions in the oxidation step, so that the effluent can be treated in a municipal WWTP afterwards. The main challenge in the coupling is to achieve the right balance between the oxidation deepness (economic cost) and the effluent biodegradability (distribution of oxidation products) after the oxidation step, which ensures the success of a subsequent biological treatment.To this end, several WAO and CWAO tests were completed (140ºC-160ºC in CWAO, 215-265ºC in WAO and 2-9 bar of oxygen partial pressure) for several model compounds typically appearing in industrial wastewater such as phenol, o-cresol, 2-chlorophenol and sodium dodecylbenzene sulfonate at concentrations higher than 8000 mg l-1of Chemical Oxygen Demand (COD). All the CWAO experiments were done in a fixed bed reactor, operating in trickle flow regime, and using activated carbon (AC) as catalyst. The WAO experiments were done in batch reactor without catalyst. The results show that model compound disappearance, COD removal and total organic carbon (TOC) abatement were very sensible to temperature change but almost independent of oxygen partial pressure. For instance, in CWAO of o-cresol at 2 bar of oxygen partial pressure, as temperature increases from 140 to 160ºC, o-cresol conversion increases from 30% to 85%, COD removal from 15 to 50% and TOC abatement from 18% and 47%. Similar behaviour was found for the other model compounds tested.To measure biological parameters, respirometric tests were completed before and after WAO and CWAO tests and independently, for each one of the identified oxidation intermediates. In the case of WAO and CWAO effluents, these tests have enabled the determination of the biodegradability enhancement. For the oxidation intermediates, these respirometric tests have allowed obtaining the biomass yield coefficient for biodegradable carboxylic acids and to detect some co-metabolic effects, which serve to explain the biodegradability results obtained for WAO and CWAO effluents. Taking into account these results, it was possible to establish whether or not the WAO or CWAO effluents were suitable for a following treatment with non previously adapted sludge. Later, it was possible to perform a suitable procedure to couple the CWAO step with a biological lab-scale plant. The integrated treatment of wastewater with o-cresol as model pollutant achieved more than 99% of COD removal and more than 92% of CWAO intermediates removal without undesirable effects over the biomass of the biological step.Keywords: activated carbon, activated sludge, catalytic wet air oxidation, phenolic industrial wastewater, respirometry. / La reducción del agua residual y su tratamiento es uno de los retos a los que se enfrenta nuestra sociedad de consumo. Por ejemplo, en la UE se vierten 5400 toneladas al año de efluentes industriales de compuestos aromáticos, los cuales presentan efectos tóxicos y bactericidas. Hoy en día, existen varias tecnologías que han demostrado su potencial para tratar este tipo de efluentes industriales. La mayoría de ellas están basadas en la oxidación del contaminante orgánico, el cual es transformado en dióxido de carbono y agua o en intermedios de reacción menos nocivos, más adecuados para un tratamiento biológico. Así pues, la oxidación húmeda catalítica con aire (del inglés, CWAO) usando carbón activo como catalizador y la oxidación húmeda con aire (del inglés WAO) sin catalizador se han convertido en técnicas muy atractivas para el pretratamiento efectivo de este tipo de agua residual industrial que o bien está muy concentrada o bien es muy tóxica como para ser tratada directamente en una Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR) convencional. Ya que la mineralización completa del contaminante es sumamente costosa, el acoplamiento de una etapa inicial de oxidación química con un posterior tratamiento biológico puede resolver este problema de contaminación en una forma más barata y racional.Siguiendo esta premisa, el objetivo global de este trabajo fue demostrar la viabilidad técnica del acoplamiento de una etapa inicial de CWAO con una EDAR municipal para tratar aguas residuales industriales fenólicas. Para esto fue necesario hallar las condiciones apropiadas en la etapa de oxidación, en términos de: a)destrucción del contaminante modelo, b) preservación del catalizador en el caso de la oxidación húmeda catalítica con aire, c) distribución de intermedios y d) aumento de la biodegradabilidad. Dichos parámetros permitieron evaluar la adecuación del pretratamiento por oxidación de los efluentes industriales fenólicos para su posterior depuración en una EDAR convencional como parte de la entrada a la misma.Para cumplir este objetivo, se realizaron varias pruebas de WAO y CWAO (140ºC-160ºC en CWAO, 215- 265ºC en WAO y de 2-9 bar presión parcial de oxígeno-PO2-) para varios contaminantes modelo típicamente presentes en aguas residuales industriales, tales como fenol, o-cresol, 2-clorofenol y dodecilbenceno sulfato de sodio (DBS) a concentraciones por encima de 8000 mg l-1 en demanda química de oxígeno (DQO). Los ensayos de CWAO fueron realizados en continuo en un reactor de lecho fijo de goteo por un tiempo total de 72 h. Se utilizó un carbón activo comercial como catalizador. El caudal de aire fue ajustado para garantizar oxígeno en exceso, mientras que el caudal de líquido fue fijado de acuerdo al peso del lecho catalítico para proporcionar un tiempo espacial del líquido de 0.12 h. Los experimentos de WAO fueron realizados en un sistema discontinuo y con tiempos de reacción de 30, 60, 90 y 120 minutos. Las temperaturas utilizadas en los experimentos WAO fueron 215, 240 y 265ºC manteniendo la presión parcial de oxígeno (PO2) en 2 bar y 9 bar. En el caso del DBS, los experimentos de WAO fuero realizados con temperaturas de 180, 200 y 220ºC y 15 bar de PO2.Los resultados obtenidos demostraron que la destrucción del contaminante modelo y la reducción tanto de DQO como de carbono orgánico total (COT) son dependientes de los cambios de temperatura pero prácticamente independientes de los cambios en la PO2. Así pues, en la CWAO de o-cresol a 2 bar de PO2, un cambio en la temperatura de 140ºC a 160ºC implica un aumento en la destrucción de o-cresol de 30 a 85%, en la eliminación de DQO de 15 a 50% y en la eliminación de COT de 18 al 47%. Un comportamiento similar fue hallado para el resto de contaminantes modelo.La biodegradabilidad de los efluentes procedentes de los distintos ensayos de oxidación y de los intermedios de oxidación fue determinada mediante pruebas respirométricas. Para los efluentes de WAO y CWAO estas pruebas permitieron obtener el grado de aumento de la biodegradabilidad producido por cada una de las condiciones de oxidación empleadas. Para el caso de los intermedios de reacción, estas pruebas respirométricas permitieron determinar el coeficiente de rendimiento biomasa/sustrato para los ácidos carboxílicos biodegradables y detectar algunos comportamientos co-metabólicos; los cuales a su vez, sirvieron para explicar los resultados obtenidos en cuanto a la biodegradabilidad de los efluentes procedentes de WAO y CWAO.Teniendo en cuenta estos resultados, fue posible establecer si los efluentes de WAO o CWAO eran adecuados para su posterior tratamiento con un lodo activo no aclimatado. De esta manera se estableció un protocolo de acoplamiento apropiado de la etapa de CWAO con una planta biológica a escala laboratorio. El tratamiento integrado de las aguas residuales de o-cresol alcanzó una eliminación de DQO de más del 99% y una destrucción de los intermedios de CWAO de más del 92%, sin causar efectos adversos sobre la biomasa de la etapa biológica.Palabras clave: aguas residuales industriales fenólicas, carbón activo, lodos activos, oxidación húmeda catalítica con aire, respirometría. / La reducció de l'aigua residual i el seu tractament és un dels reptes als quals s'enfronta la nostra societat de consum. Com a exemple, a la UE s'aboquen 5400 tones a l'any d'efluents industrials que contenen compostos aromàtics, els quals presenten efectes tòxics i bactericides. Avui, existeixen diverses tecnologies que han demostrat el seu potencial per a tractar aquest tipus d'efluents industrials. La majoria d'elles estan basades en l'oxidació dels contaminants orgànics, el qual és transformat en diòxid de carboni i aigua o en intermedis de reacció menys nocius, més adequats per a un tractament biològic. Així doncs, l'oxidació humida catalítica amb aire amb carbó actiu com catalitzador (de l'anglès, CWAO) i l'oxidació humida amb aire (de l'anglès, WAO) sense catalitzador s'han convertit en tècniques molt atractives pel pretractament efectiu d'aquest tipus d'aigua residual industrial que o bé està molt concentrada o bé és molt tòxica com per a ser tractada directament a una Estació Depuradora d'Aigües Residuals (EDAR) convencional. Com que la mineralització complerta del contaminant és summament costosa, l'acoblament d'una etapa inicial d'oxidació amb un tractament biològic pot resoldre aquest problema de contaminació d'una forma més barata i racional.Seguint aquesta premissa, l'objectiu global d'aquest treball va ser demostrar la viabilitat tècnica de l'acoblament d'una etapa inicial de CWAO amb una EDAR municipal per a tractar aigües residuals industrials fenóliques. Per això, va ser necessari trobar les condicions apropiades a l'etapa d'oxidació, en termes de: a) destrucció del contaminant model, b) preservació del catalitzador en el cas de l'oxidació humida catalítica amb aire, c)distribució d'intermedis i d) augment de la biodegradabilidad. Aquests paràmetres van permetre avaluar l'adequació del pretractament per oxidació dels efluents industrials fenólics per a la seva posterior depuració a una EDAR convencional, com partde l'entrada a la mateixa.Per a assolir aquest objectiu, es van realitzar diverses proves de WAO i CWAO (140ºC-160ºC en CWAO, 215-265ºC en WAO i de 2-9 bar de pressió parcial d'oxigen-PO2-) per a diversos contaminants model típicament presents a les aigües residuals industrials, com poden ser el fenol, o-cresol, 2-clorofenol i dodecilbenzè sulfat de sodi (DBS) a concentracions per sobre de 8000 mg l-1 de Demanda Química d'Oxigen (DQO). Els experiments de CWAO van ser realitzats en continu en un reactor de llit fix de goteig per un temps total de 72 h. Es va utilitzar un carbó actiu comercial com catalitzador. El cabal d'aire va ser ajustat per a garantir oxigen en excés i el cabal de líquid va ser fixat en funció del pes del llit catalític per a proporcionar un temps espacial del líquid de 0.12 h. Els experiments de WAO van ser realitzats a un sistema discontinu i amb un temps de reacció de 30, 60, 90 i 120 minuts. Les temperatures utilitzades als experiments WAO van ser 215, 240 i 265ºC, mantenint la PO2 a 2 bar i 9 bar. Pel cas del DBS, els experiments de WAO van ser realitzats a temperatures de 180, 200 i 220ºC i 15 bar de PO2.Els resultats obtinguts van demostrar que la destrucció del contaminant model i la reducció tant de l'DQO com de Carboni Orgànic Total (COT) són dependents dels canvis de temperatura però pràcticament independents dels canvis a la PO2. A mode d'exemple, per a la CWAO d'o-cresol a 2 bar de PO2, un canvi a la temperatura de 140ºC a 160ºC implica un augment de la destrucció d'o-cresol de 30 a 85%, de l'eliminació de DQO de 15 a 50% i de l'eliminació de COT de 18 al 47%. Un comportament similar va ser trobat per a la resta de contaminants model.La biodegradabilidad dels efluents procedents dels diferents assaigs d'oxidació i dels intermedis d'oxidació va ser determinada mitjançant proves respirométriques. Pels efluents de WAO i CWAO aquestes proves van permetre obtenir el grau d'augment de la biodegradabilidad produït per cadascuna de les condicions d'oxidació emprades. Pel cas dels intermedis de reacció, aquestes proves respirométriques van permetre determinar el coeficient de rendiment biomassa/substrat per als àcids carboxílics biodegradables i detectar alguns comportaments co-metabòlics; els quals, van servir per a explicar els resultats obtinguts pel que fa a la biodegradabilidad dels efluents procedents de WAO i CWAO. Tenint en compte aquests resultats, va ser possible establir si els efluents de WAO o CWAO eren adequats per al seu posterior tractament amb un llot actiu no aclimatat. D'aquesta manera es va establir un protocol d'acoblament apropiat de l'etapa de CWAO amb una planta biològica a escala de laboratori. El tractament integrat de les aigües residuals d'o-cresol va assolir una eliminació de DQO de més del 99% i una destrucció dels intermedis de CWAO de més del 92%, sense causar efectes nocius sobre la biomassa de l'etapa biològica.Paraules clau: aigües residuals industrials fenólicas, carbó actiu, llots actius, oxidació humida catalítica amb aire, respirometria.

In Chapter 1 of the thesis the responsibilities of the main actors involved in the decision-making are identified, listed and described, stressing that there are many actors involved in the decision-making. Also, there is a description of the main stages of municipal waste management and the various management possibilities. In this chapter, the main hypotheses of the thesis have been proposed: the hypothesis that absolute variation of the municipal waste generation cannot be solely due to demographic factors, other aspects such as the social-economic one would have to consider in order to give an explanation; and the hypothesis that the operations of collecting and transporting waste may represent a high percentage of the overall economic costs of the management. Chapter 2 is a bibliographic review of the different methodologies available for decision-making and the commercial software tools based on LCA methodology and specific for waste management. Chapter 3 of this thesis presents the inventory data of the environmental, economic and social criteria, associated with each of the stages involved in the waste management in the municipality of Terrassa. This chapter contains a comprehensive collection of economic, social and environmental data. These data, mainly own-data or literature-data if not available, are geographically associated to the municipality of Terrassa. The data will be used by the tool proposed in this thesis in Chapter 5. Chapter 4 fills a gap regarding the study of the bio-waste fraction composition. Experimental data suggest that the bio-waste composition (the quality of it) depends on socio-economic factors. The study determined the socio-economic variables which affect the quantity of improper materials in the bio-waste fraction. These socio-economic variables are related to the behaviour of society towards the collection of this fraction. Based on these variables, different mathematical models have been proposed. The ultimate aim of these models is to estimate the content of improper materials present in the bio-waste so that this content is taken into account when designing treatment facilities for such fraction. Chapter 5 presents the proposed methodology for building the decision-making tool. A mathematical model for predicting the amount of municipal waste generated has been developed taking into account the socio-economic and demographic criteria. This model allows us to simulate the amount of total waste to manage if the capacity of household consumption and/or the inhabitants varies. This model allows us to see what influence the minimization policies on the waste generation have. In this chapter the sustainability objectives (criteria) are defined (environmental, social and economic criteria). The indicators / sub-indicators (attributes) associated with each of the stages or process units involved in a management model have been defined taking into account the pre-defined objectives. In Chapter 6 different waste management scenarios have been studied and compared. The following management scenarios have been considered: a base scenario (EB), a waste prevention scenario (ERP) and 4 scenarios economic environment dependent (EE), two corresponding to a pre-crisis economic environment and two corresponding to an environment of economic crisis. Finally, chapter 7 presents the main conclusions of the thesis and suggests possible future research. / En esta tesis se hace una propuesta metodológica para la construcción de una herramienta de soporte a la toma de decisiones en materia de gestión de residuos municipales utilizando para ello un enfoque multicriterio. Dicha herramienta permitirá a los tomadores de decisiones simular, analizar y comparar distintos escenarios de gestión de residuos municipales atendiendo a aspectos económicos, ambientales y sociales. En el capítulo 1 de la tesis se identifican, enumeran y describen las competencias de los principales agentes implicados en la toma de decisiones en materia de gestión de residuos municipales y se destaca que son muchos los agentes implicados en la toma de decisiones. Así mismo, se hace una descripción de las principales etapas de la gestión de residuos municipales y de las distintas posibilidades existentes. En este capítulo también se plantean las principales hipótesis de la tesis. En el capítulo 2 se hace una revisión bibliográfica de las distintas metodologías existentes para la toma de decisiones en materia de gestión de residuos y de las distintas herramientas software comerciales basadas en metodología de Análisis de Ciclo de Vida (ACV). En el capítulo 3 de esta tesis se presentan los datos de inventario correspondientes a los aspectos ambientales, económicos y sociales asociados a cada una de las etapas implicadas en la gestión de residuos del municipio de Terrassa. En este capítulo se hace una exhaustiva recopilación de datos sociales, ambientales y económicos. Estos datos, en su mayoría propios y en su defecto bibliográficos, están geográficamente asociados al municipio en estudio y serán usados por la herramienta propuesta en esta tesis en el capítulo 5. Con el capítulo 4 se cubre un vacío en relación al estudio de la composición de la fracción Orgánica. Los datos experimentales apuntan que la composición de la fracción Orgánica del residuo municipal (la ¿calidad¿ de ésta) depende de factores socio-económicos. En el estudio se determinaron aquellas variables socio-económicas que afectan al contenido de impropios de la fracción Orgánica y por tanto que están relacionadas con el comportamiento de la sociedad para con la recogida selectiva de dicha fracción. En base a esas variables se construyen diversos modelos cuya finalidad última es la de estimar el contenido de impropios presentes en la fracción Orgánica de un residuo municipal, de forma que dicha cantidad sea tenida en cuenta al diseñar las instalaciones de tratamiento de dicha fracción. En el capítulo 5 se expone la propuesta metodológica para la construcción de la herramienta de soporte para la toma de decisiones. Se construye un modelo de predicción de la cantidad de residuos municipales generados en base a criterios socio-económicos y demográficos. Este modelo permite simular la cantidad de residuos totales a gestionar al variar la capacidad de consumo de las familias y/o la población, así como ver la influencia que tiene sobre la cantidad de residuos totales generados la aplicación de distintas políticas de minimización de la generación de residuos. Se Identifican los objetivos (criterios) de sostenibilidad (medioambientales, sociales y económicos). Se definen los indicadores/sub-indicadores (atributos) asociados a cada una de las etapas o unidades de proceso que intervienen en un modelo de gestión, en relación a los objetivos previamente definidos. En el capítulo 6, se estudian y comparan, en base a los criterios e indicadores predefinidos, distintos escenarios de gestión de residuos. Se definen y estudian los siguientes escenarios de gestión: un Escenario Base (EB), un Escenario de Prevención de Residuos (EPR) y 4 escenarios de cambio de Entorno Económico (EE), dos correspondientes a un entorno económico pre-crisis y dos correspondientes a un entorno económico en un entorno de crisis económica. Finalmente en el capítulo 7 se presentan las principales conclusiones de la tesis y se proponen futuras líneas de investigación posibles.

Human impact on groundwater resources has led to a rapid growth of social concerns worldwide owing to an increasing presence of toxic chemicals released in the subsurface. Risk assessment provides the scientific tool needed to quantify the actual thread that these potential hazards pose to human health. Specifically, risk analysis enables decision makers to answer: What can happen? How likely is it to happen? What can be the consequences? Risk assessment is in this context essential. However, modeling efforts involve in risk analysis are still facing several problems. Among them, in some cases, degradation products can constitute new noxious chemical compounds not necessarily less toxic than their parent product. Thus, the original pollutants and their daughter products are susceptible to co-exist in the aquifer forming a hazardous chemical mixture composed of products of different toxicity. This renders the quantification and interpretation of human health risk a non-trivial and challenging task. Also, the lack of information in the hydraulic and biochemical properties renders transport predictions to be highly uncertain. Stochastic human health risk assessment incorporates hydrogeological uncertainty in human health predictions. This way, probabilistic risk models can be used to determine the likelihood of risk exceeding a given regulatory threshold value or the expected threat to the exposed population and its uncertainty. Unfortunately, these approaches are very computationally demanding. Moreover, the diverse mineralogical composition of a real soil and the complex spatial variability of aquifer properties can produce a mixture of rates of mass transfer between regions of mobile and immobile contaminants. Finally, risk predictions are typically challenged by the complexity of the source zone condition. Existing reactive transport models based on Eulerian methods still undergo computational burden and numerical problems when modeling strong hydro-biochemical heterogeneities with complex reactions in multi-porosity systems. In this context, Particle Tracking Methods constitute a feasible alternative but these methods are limited in the range of applicability. The work presented in this thesis proposes an efficient particle tracking solution capable to simulate serial-parallel degradation reactions in multiple porosity systems with rate-limited mass transfer and strong heterogeneities. The method is then used to characterize the human health risk posed by chemical mixtures in highly heterogeneous porous media under complex source zone conditions. In particular, we investigate the interaction between aquifer heterogeneity, connectivity, contaminant injection mode and chemical toxicity in the probabilistic characterization of health risk. We illustrate how chemical-specific travel times control the regime of the expected risk and its corresponding uncertainties. Results indicate conditions where preferential flow paths can favor the reduction of the overall risk of the chemical mixture. The overall human risk response to aquifer connectivity is shown to be non-trivial for multi-species transport. This non-triviality is a result of the interaction between aquifer heterogeneity and chemical toxicity. To quantify the joint effect of connectivity and toxicity in health risk, we propose a toxicity-based Damköhler number. Results also show that the degradation capacity of immobile water regions and the mass depletion model can play a significant role on the spatiotemporal behavior of the contaminant mixture. Our work furthermore highlights the potential impact of the water flux passing through the source zone on the effective increased lifetime cancer risk due to a reactive chemical mixture. Counter-intuitively, the source zone efficiency is shown to have a beneficial effect on the risk. The total risk tends indeed to decrease for high source zone efficiency due to the consequential decrease in travel times near the source zone. / El impacto humano sobre los recursos hídricos que forman los acuíferos es actualmente una de las grandes preocupaciones sociales en crecimiento debido a la presencia antrópica cada vez mayor de productos químicos tóxicos liberados en el subsuelo. El análisis de riesgo proporciona la herramienta científica necesaria para cuantificar el peligro real que estos contaminantes suponen para la salud humana. En concreto, el análisis de riesgo permite tomar decisiones que respondan a las siguientes preguntas: Qué puede pasar?. Qué tan probable es que suceda? Cuál pueden ser las consecuencias?. El análisis de riesgo es una herramienta clave en este sentido. Sin embargo, los esfuerzos de modelación necesarios para llevar a cabo el análisis de riesgo se enfrentan con varios problemas. Entre ellos, algunos productos tóxicos de degradación pueden constituir nuevos compuestos químicos nocivos no necesariamente menos tóxico que su producto padre. Por lo tanto, los contaminantes originales y sus productos hijos son susceptibles de coexistir en los acuíferos formando una mezcla de compuestos químicos de diferente toxicidad. Esto hace que la cuantificación e interpretación del riesgo para la salud humana sea una tarea no trivial y desafiante. Por otra parte, la falta de informaci´on en las propiedades hidráulicas y bioquímicos hace que las predicciones sobre el comportamiento de dichos contaminantes en el subsuelo sean altamente inciertas. El análisis de riesgo estocástico incorpora de forma natural la incertidumbre hidrogeológica que existe en las predicciones de riesgo para la salud humana. De esta manera, estos modelos pueden ser utilizados para determinar la probabilidad de que el riesgo supere un valor umbral o el valor esperado del riesgo y su incertidumbre. Desafortunadamente, estos enfoques son muy exigentes en tiempo de cálculo. Además de estas dos problemáticas, también se tiene que tener en cuenta que la composición mineralógica de un suelo real es diversa y variable en el espacio. Muchas veces esto implica la transferencia de masa entre zonas de contaminantes móviles e inmóviles. Esto último exige modelos sofisticados de transporte que, por ejemplo, conceptualicen el medio poroso como un sistema multi-porosidad. Finalmente, la complejidad que existe en el comportamiento del foco de contaminación hace complicado un análisis de riesgo. Los líquidos tóxicos densos y no acuosos ilustran perfectamente esta complejidad. Una vez en el subsuelo, estos líquidos liberación lentamente los contaminantes dentro del acuífero de acuerdo con una tasa de agotamiento que depende fuertemente de la arquitectura errática del foco de contaminación. Los modelos de transporte reactivo eulerianos tienen problemas numéricos cuando se simulan fuertes heterogeneidades hidro-bioquímicos en el terreno al mismo tiempo que reacciones químicas complejas en sistemas multi-porosidad. En este contexto, los métodos de trayectorias de partículas constituyen una alternativa viable. Sin embargo, estos métodos pueden tener en cuenta un rango pequeño de reacciones químicas. El trabajo presentado en esta tesis propone una solución a estos problemas mediante un método de trayectoria de partículas. El método es eficiente y capaz de simular cadenas y redes de degradación en sistemas heterogéneos con porosidad múltiples. El método se basa en el desarrollo de probabilidades de transición que describen las probabilidades de que las partículas que pertenecen a un estado determinado (producto químico y región móvil / inmóvil) en un momento dado se transformará en otro estado en un momento posterior. El método se utiliza para caracterizar el riesgo para la salud humana que representan las mezclas de degradación en medios porosos altamente heterogéneos derivados de focos de contaminación complejos. En particular, se investiga la interacción entre la heterogeneidad, la conectividad, el modo de inyección de los contaminantes y su toxicidad química con respecto a la caracterización probabilística del riesgo para la salud humana. Los resultados indican las condiciones mediante las cuales las vías de flujo preferencial pueden favorecer la reducción del riesgo para la salud humana. La dependencia de la conectividad con el riego se demuestra que no es nada trivial cuando se trata de mezclas de compuestos químicos. Esta no trivialidad es el resultado de la interacción entre la heterogeneidad del acuífero y la toxicidad de los compuestos químicos. Para cuantificar el efecto conjunto de la conectividad y la toxicidad en el riesgo para la salud, se propone un número de Damköhler nuevo que tiene en cuenta la toxicidad. Además, el riesgo también se caracteriza en términos estadísticos mediante momentos de bajo orden y funciones de densidad de probabilidad. Los resultados también muestran que tanto la capacidad de degradación de zonas inmóviles como los modelos existentes de agotamiento del foco pueden desempeñar un papel muy significativo en el análisis espacio-temporal del riesgo. Este trabajo también muestra que la eficiencia del foco de contaminación para concentrar el flujo puede tener un efecto beneficioso sobre el riesgo. El riesgo total de hecho tiende a disminuir para eficiencias grandes debido a la disminución consecuente en tiempos de viaje cerca del foco de contaminación, limitando la producción de productos de degradación más tóxicos.

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An optimal strategy for monitoring water quality should be based on a combination of different technologies depending on the particularities of the system being observed. The final solution will be a combination of laboratory techniques, on-line instruments and statistical methods. In this case, the investigation was based on the Llobregat River basin in order to monitor natural and drinking waters after treatment in the Sant Joan Despi Water Treatment Plant (Barcelona). The thesis includes an optimization method for laboratory analysis of pharmacueticals in surface waters. 23 of the 28 compounds tested were detected. The highest concentrations were obtained for ß-blockers metoprolol and sotalol; the antibiotic ofloxacin; and lipid regulator gemfibrozil. Within the group of estrogens, estrone and estrone-3-sulfate were identified. The latter showed concentrations in some points high enough to induce estrogenic effects on aquatic organisms. A series of indexes have been developed for the assessment of the risks posed by certain substances found in the Llobregat River to the ecosystems. The methodology is based on comparison of average concentrations with the higher concentrations that have been proved to show no effect on the environment. According to the results, the studied metals (barium, copper, nickel and zinc) had higher rates than 1 for aquatic organisms. For the organic compounds, the most significant indexes are referred to the pesticides terbuthylazine, diazinon and MCPA; and the antibiotics ciprofloxacin and clarithromycin. When the relationship is established to the legal threshold, chlorpyrifos and lindane showed indexes above 1 over some months. The work also includes the development of indexes for measuring the potential danger of these substances to human health. The methodology considers the systemic and carcinogenic effects caused by the ingestion of water based on data from the World Health Organization (WHO) and the Information System Risk Assessment (RAIS). Over 5 years, systemic RAIS index drops from 0.64 to 0.42 for surface water and from 0.61 to 0.31 for potable water; the carcinogenic index is insignificant for the water inlet and varies from 4.2x10-05 to 7.4x10-06 for drinking water; WHO systemic index ranges from 0.41 to 0.16 for surface water and from 0.61 to 0.31 for potable water. All indices are below the thresholds, except for the carcinogenic risk in treated water in 2008 and 2009, where the rate is slightly above the limit. One of the technologies being explored to provide useful information for operators of water is UV-Visible spectrophotometry. A probe based on this technology along with statistical methods have been used to obtain a multivariate model that will predict the origins of water in the drinking water network of Barcelona. The analysis of the combination of the spectral fingerprints with conductivity, boron and fluoride was performed to improve predictability. The information that reports on the physical and chemical parameters in the water can be combined with toxicological information. An automatic biosensor was tested to measure its response to a series of priority pollutants. EC50 values (effective concentration that causes a 50% decrease in the activity; in mg L-1) were calculated for nonylphenol (0.03 and 0.06 for 15 and 30 min), triclosan (0.13 and 0.13), terbuthylazine (2.88 and 2.74), dimethoate (6.80 and 6.20), diclofenac (10.26 and 9.82), DBSS (50 and 39), diazinon (193 for 15 min), propanil (1594 for 15 min) and MCPA (2.0 for 15 min). For heavy metals, results were obtained with copper (II) (10.61 and 4.68), nickel (II) (317 and 222), chromium (III) (190 and 123) and iron (III) (52 for 15 min). / Una estrategia óptima para monitorizar la calidad del agua se debe basar en una combinación de diferentes tecnologías en función de las particularidades del sistema a supervisar. La solución final será una combinación de técnicas de laboratorio, equipos en continuo, y métodos estadísticos. En este caso, la investigación se ha basado en el río Llobregat, para monitorizar las aguas naturales o potables después de su paso por la potabilizadora de Sant Joan Despí (Barcelona). La tesis incluye una optimización del método para el análisis en laboratorio de fármacos en aguas superficiales. Se detectaron 23 de los 28 compuestos analizados. Las concentraciones más altas se obtuvieron para los ß-bloqueantes metoprolol y sotalol; el antibiótico ofloxacina; y el regulador lipídico gemfibrozilo. Dentro del grupo de los estrógenos, se identificaron estrona y estrona-3-sulfato . Esta última mostró concentraciones en algunos puntos suficientes para inducir efectos estrogénicos en los organismos acuáticos. Para la evaluación del riesgo para los ecosistemas de las sustancias que se encuentran en el río Llobregat, se han desarrollado una serie de índices. La metodología se basa en la comparación de las concentraciones medias con las concentraciones más altas que no tienen efecto en el medio ambiente. Según los resultados, los metales estudiados (bario, cobre, níquel y zinc) dieron índices superiores a 1 para los organismos acuáticos. En cuanto a los compuestos orgánicos, los índices más significativos son los referidos a los pesticidas terbutilazina, diazinón y MCPA; y a los antibióticos claritromicina y ciprofloxacina. Cuando la relación se establece con el umbral legal, clorpirifos y lindano mostraron índices superiores a 1 en algunos meses. Asimismo, se han desarrollado índices para medir el peligro potencial de estas sustancias en la salud humana. La metodología considera los efectos sistémicos y cancerígenos causados por la ingestión oral de agua basados en los datos de la Organización Mundial de la Salud (OMS) y el Sistema de Información de Evaluación de Riesgos (RAIS). En 5 años, el índice sistémico RAIS desciende de 0,64 a 0,42 para aguas superficiales y de 0,61 a 0,31 para agua potable; el índice cancerígeno es insignificante para el agua de entrada y varía de 4.2x10-05 a 7.4x10-06 para agua potable; el índice sistémico OMS va de 0,41 a 0,16 para aguas superficiales y de 0,61 a 0,31 para agua potable. Todos los índices se encuentran por debajo de los umbrales, a excepción del riesgo cancerígeno en el agua tratada durante 2008 y 2009, donde el índice está ligeramente por encima del umbral. Una de las tecnologías que se explora para obtener información útil para los operadores de agua es la espectrofotometría Ultravioleta-Visible. En la red de agua potable de Barcelona, se utilizó una sonda basada en esta tecnología junto a métodos estadísticos, para obtener un modelo multivariante que sirva para predecir los orígenes del agua. Con el fin de mejorar la capacidad de predicción, se realizó el análisis de la combinación de las huellas espectrales con los parámetros: conductividad, flúor y boro. La información que refleja los parámetros físicos y químicos en el agua puede ser combinada con información toxicológica. Un biosensor automático ha sido probado para medir su respuesta a una serie de contaminantes prioritarios. Se calcularon los valores de EC50 (concentración efectiva que causa una disminución del 50% de la actividad en mg L-1) para nonilfenol (0,03 y 0,06 para 15 y 30 min), triclosán (0,13 y 0,13), terbutilazina (2,88 y 2,74), dimetoato (6,80 y 6,20), diclofenaco (10,26 y 9,82), DBSS (50 y 39), diazinon (193 para 15 min), propanil (1594 para 15 min) y MCPA (2,0 para 15 min). Para los metales pesados, los resultados se obtuvieron con cobre (II) (10,61 y 4,68), níquel (II) (317 y 222), cromo (III) (190 y 123) y hierro (III) (52 para 15 min).

La present tesi doctoral tracta de l’estudi de la tecnologia de membranes des d’un punt de vista aplicat: com és el cas de la nanofiltració (NF) pel tractament d’aigua potable i de l’ús d’un bioreactor de membranes (MBR) per la depuració d’aigües residuals. La primera part ha estudiat la capacitat de la NF per reduir el contingut de precursors de subproductes de desinfecció presents en l’aigua potable, especialment dels trihalometans (THM). En canvi, la segona part ha avaluat la capacitat de la tecnologia MBR per tractar els efluents de la indústria vinícola i dotar a l’aigua residual de la qualitat necessària per a la seva reutilització. Les membranes de NF s’han estudiat des d’escala laboratori, en configuració de mòdul pla, fins a planta pilot utilitzant 18 mòduls en espiral. Els estudis previs a nivell de laboratori han permès comparar 10 membranes comercials de NF en funció de la seva permeabilitat i capacitat de reducció del potencial de formació de trihalometans (PFTHM). La majoria d’elles permeten reduir el PFTHM en més del 95%, tot i que presenten rebutjos variables respecte les sals inorgàniques, fet que afecta la permeabilitat i consum energètic del sistema. En aquest estudi també es va tenir en compte com afecta la variabilitat estacional i el punt de captació sobre la qualitat de l’aigua d’entrada a les membranes. Es van seleccionar dues membranes per a l’estudi en paral·lel en la planta pilot obtenint un bon rendiment en ambdós casos sota condicions d’operació òptimes. Amb l’objectiu final d’optimitzar el procés de tractament, es van avaluar diferents aspectes: capacitat de separació de diferents components inorgànics i orgànics, requeriments de pressió d’entrada per treballar a igual recuperació per a un mateix cabal d’entrada, pretractament, reducció del flux inicial de permeat i efectivitat de les neteges químiques. Els resultats obtinguts a ambdues escales es van comparar per poder validar la predicció des del nivell de laboratori, juntament amb els programes de disseny dels proveïdors. Finalment, en aquest treball també es va avaluar l’impacte ambiental d’aquesta tecnologia mitjançant l’anàlisi de cicle de vida (ACV) utilitzant les dades obtingudes de la planta pilot i aproximacions per a una possible instal·lació a escala real de la NF. Els resultats d’aquest estudi indiquen un increment de l’impacte ambiental, respecte el procés actual, degut principalment al major consum energètic durant l’operació de les membranes. Combinant l’estudi d’ACV amb l’anàlisi de risc per a la salut humana en funció de la qualitat de l’aigua obtinguda s’ha desenvolupat una eina que ajuda al disseny del escalat de la planta real. De fet, en l’estudi s’observa que es pot arribar a obtenir una reducció del 75% del risc associat a la presencia de THM a l’aigua potable. D’altra banda, per avaluar la tecnologia MBR es va instal·lar una planta pilot a la depuradora d’una empresa vinícola. Durant els mesos d’operació es va comparar la qualitat dels efluents del sistema convencional i del MBR. Demostrant que el MBR presenta una qualitat final molt superior que en permet la seva reutilització en diferents aplicacions. També es va demostrar com la tecnologia MBR es capaç d’absorbir les variacions de càrrega i cabal que presenten els efluents d’aquesta indústria, fet que demostra la seva aplicabilitat en aquest sector. Les dades obtingudes d’aquesta planta pilot també es van utilitzar per avaluar l’impacte ambiental derivat de la implementació a escala real de la tecnologia MBR. Els resultats obtinguts es van comparar amb el procés existent, basat en la digestió aeròbica de fangs activats, on s’observa un trasllat de l’impacte entre vectors ambientals, degut a que la millora de la qualitat de l’aigua i per tant reducció en categories d’impacte ambiental com la eutrofització implica l’augment del consum energètic i per tant un augment de l’impacte en categories com el canvi climàtic o la formació de partícules o del smog fotoquímic. / The present thesis is about membrane technology implementation for two cases of water processes: nanofiltration (NF) to produce drinking water and membrane bioreactor (MBR) to treat wastewater effluent. The first part has evaluated NF capacity to reduce contents of disinfection by-products precursors, especially for trihalomethanes (THM). On the other hand, the second part is focused to evaluate MBR capacity to treat winery industry effluents giving the required quality for wastewater reclamation and reuse. NF membranes have been studied in laboratory set-up (flat-sheet module) and in pilot plant (18 spiral-wound elements). Initially, laboratory results allowed to select two of the ten membranes tested at this scale, in function of the permeability and the reduction of trihalomethane formation potential (THMFP). Most of the membranes rejected THMFP at levels of 95%, however the separation capacities in front of inorganic salts were highly variable, which may have important consequences in permeability and energy demands for a full-scale system. This study also considered factors influencing feed water quality for the NF membranes, such as seasonal variations and different catchments of raw water. Two NF membranes were selected in order to be compared simultaneously in a pilot plant. Under optimum conditions, good performances were obtained for both membranes. With the final aim to optimize treatment process, several aspects were evaluated simultaneously for each membrane: separation capacities for different inorganic and organic components, feed pressure requirements to operate with the same recovery for the same feed flow, pretreatment, initial flux decline and chemical cleaning efficiencies. Results obtained from both scales were compared to validate prediction for solutes rejection in a real plant from laboratory experiments, together with the calculations using suppliers¿ design software. Finally, in this work environmental impact for this technology was also evaluated by means of life cycle assessment (LCA), using pilot plant data and approximations for the NF implementation in a full-scale drinking water treatment plant (DWTP). Results indicated how increase the environmental impacts using NF in front of the current treatment, mainly as a result of higher energy demands during membrane process. These results have been correlated with results calculated by means of human health risk (HHR) assessment, developing a multicriteria tool in order to design a full-scale DWTP. Is important to note that carcinogenic risk index can be lowered near to 75%, associated to the reduction of THM precursor material (THMFP), if NF plant produces 100% of the final drinking water. On the other side, a MBR pilot plant was installed in the wastewater treatment plant (WWTP) to treat effluents of winery industry. Quality of effluents from the current conventional activated sludge (CAS) plant and from the MBR pilot plant was compared during the experimental campaign, demonstrating that MBR effluent presented a higher quality that accomplished with legislated requirements for some reuse applications. In addition, MBR technology was able to maintain permeability although organic loads fluctuations in winery industry take place, what demonstrated its applicability in this sector. Data obtained from MBR pilot plant were also employed to evaluate environmental impact associated to full-scale implementation of MBR technology, together with those obtained for the actual CAS system. Among other environmental impact categories, observed impacts related to wastewater emissions into water bodies (freshwater eutrophication) were diminished while impacts on climate change and particulate material (or photochemical compounds) formation were increased as a result of energy consumption.