[ca] La depuració de les aigües residuals requereix la consumació de molts processos de transformació de forma simultània i/o consecutiva, que fan molt difícil el seu estudi. A més, la complexitat dels processos de depuració va en augment no sols per l'aparició de requisits d'abocament cada vegada més exigents, sinó també per les noves tendències cap al desenvolupament sostenible aplicades a aquest procés i centrades fonamentalment en l'estalvi energètic i la recuperació de nutrients de les aigües residuals per millorar el seu cicle de vida. Per aquest motiu, es fa necessari l'ús d'eines de simulació que tinguen en compte tots aquests processos mitjançant un model matemàtic adequat i ajuden a determinar i preveure el comportament de distints esquemes de tractament. Aquests simuladors han esdevingut una eina necessària tant en el disseny com en el control i optimització del funcionament d'estacions depuradores d'aigües residuals (EDARs). Les operacions de sedimentació tenen un paper fonamental en l'acompliment de les condicions d'abocament de les aigües depurades, així com en el correcte funcionament global de les EDARs. Tanmateix, molts dels models utilitzats fins ara per al disseny i simulació d'EDARs no consideren els processos de sedimentació o aquestos són tractats de manera molt simplificada, obviant els processos bioquímics que poden tenir lloc durant la sedimentació. Seguint una nova filosofia de simulació de plantes de tractament, basada en l'ús d'un únic model per representar tots els processos físics, químics i biològics que tenen lloc en les EDARs, la línia de treball del grup d'investigació CALAGUA en el camp de la modelació i simulació d'EDARs s'ha centrat en el desenvolupament d'un model de qualitat general, que permet tenir en compte tant els processos biològics de transformació deguts a l'acció dels distints grups de microorganismes, com els processos que afecten al pH en el sistema, deguts a les reaccions d'equilibri àcid – base, i els processos de transferència de matèria entre les fases líquid – gas. Tanmateix, l'ús generalitzat d'un model de qualitat requereix la seua combinació amb un model de flux, fonamentalment en aquells elements on no es pot considerar que es produeix una mescla completa, com és el cas dels decantadors i espessidors en una EDAR. L'objectiu fonamental d'aquesta tesi ha sigut el desenvolupament i posterior validació d'un model de sedimentació general que permet simular les principals operacions de sedimentació que es donen en les EDARs, tant en decantadors primaris com secundaris i espessidors. Es tracta d'un model unidimensional, basat en la teoria del flux de sòlids de Kynch i la funció de sedimentació doble exponencial de Takács, que incorpora els processos de sedimentació floculada, sedimentació zonal i compressió. El model ha sigut aplicat a la simulació de decantadors i espessidors mitjançant la discretització del sistema en diferents capes horitzontals, considerades com una série de reactors de mescla completa interconnectats mitjançant els fluxos de matèria obtinguts a partir del model de sedimentació. Per poder representar els processos de transformació que es produeixen durant la sedimentació, s'ha incorporat el model general de qualitat BNRM1, desenvolupat pel grup d'investigació, i s'ha proposat un mètode iteratiu de resolució del sistema d'equacions obtingut de la discretització en capes del sedimentador. La validació del model de flux de sedimentació, junt amb el model de qualitat, s'ha realitzat mitjançant l'aplicació del model a la simulació del procés de fermentació – elutriació de fang primari en una planta pilot instal·lada en la depuradora del barranc del Carraixet a Alboraia (València). Per poder simular la disminució de l'eficàcia en la separació de sòlids observada en el procés de fermentació – elutriació estudiat, s'ha modificat el model de qualitat mitjançant la incorporació d'un procés de disgregació del material particulat. Aquest procés afecta a la sedimentabilitat del fang obtingut, ja que es considera que els sòlids disgregats passen a formar part de la fracció de sòlids no sedimentables. Aquesta modificació suposa la incorporació de dos paràmetres cinètiques (la velocitat específica de disgregació del material particulat volàtil i la de disgregació del material particulat no volàtil), però elimina el paràmetre que representa la fracció de sòlids no sedimentables en el model de sedimentació, el qual esdevé una variable experimental de fàcil mesurament. El resultat obtingut és un model general, aplicable als processos de fermentació – elutriació en qualsevol condició de funcionament. Finalment, s'ha comprovat el funcionament i la utilitat del model mitjançant la simulació d'una planta completa amb el programa DESASS, desenvolupat pel grup d'investigació, on s'inclouen els processos més importants que es poden donar en una EDAR: eliminació biològica de nutrients, fermentació del fang primari i digestió dels fangs. El model permet considerar conjuntament els processos de sedimentació dels sòlids i els processos bioquímics que també s'hi produeixen (desnitrificació en decantadors secundaris, fermentació del fang primari, elutriació dels AGV generats, solta de fósfor en espessidors per lisi dels microorganismes PAO, etc.). El model desenvolupat suposa un avanç important en la investigació dels processos de tractament d'aigües residuals, ja que permet abordar problemes d'optimització del procés global, mitjançant la simulació de plantes completes, ja siga per observació directa dels efectes d'una modificació en les condicions de funcionament d'un element qualsevol sobre el funcionament de la resta d'elements de la EDAR o per l'aplicació d'algoritmes matemàtics d'optimització, algoritmes de control avançant basat en el model, etc. L'estructura del model de flux permet la seua extensió a qualsevol procés on intervinguen partícules sòlides suspeses en l'aigua residual. Així, aquest model obri les portes al camp de la investigació de nous processos de depuració mitjançant la simulació d'elements on no es pot assumir la mescla completa, com ara reactors UASB, SBR amb l'etapa de sedimentació inclosa, etc, i la seua combinació amb els elements tradicionals d'una EDAR.

[en] Wastewater treatments require the execution of many conversion processes simultaneously and/or consecutively, making them a tricky object of study. Furthermore, complexity of treatment processes is increasing not only for the more stringent effluent standards required, but also for the new trends towards sustainable development, which in this process are mainly focused on energy saving and nutrient recovery from wastewaters in order to improve their life cycle. For this reason it becomes necessary to use simulation tools which are able to represent all these processes by means of a suitable mathematical model. They can help in determining and predicting the behaviour of the different treatment schemes. These simulators have become essential for the design, control and optimization of wastewater treatment plants (WWTP). Settling processes have a significant role in the accomplishment of effluent standards and the correct operation of the plant. However, many models that are currently employed for WWTP design and simulation do not take into account settling processes or they are handled in a very simple way, by neglecting the biochemical processes that can occur during sedimentation. People of CALAGUA research group has focussed their efforts towards a new philosophy of simulating treatment plants, which is based on the use of a unique model to represent all physical, chemical and biological processes taking place in WWTPs. In this research topic, they have worked on the development of a general quality model that considers biological conversion processes carried out by different microorganism groups, acid base chemical interactions affecting the pH value in the system, and gas-liquid transfer processes. However, a generalized use of such a quality model requires its combination with a flux model, principally for those processes where completely mixture can not be assumed, as for instance, settlers and thickeners in WWTPs. The main objective of this work has been the development and validation of a general settling model that allows simulating the main settling operations taking place in a WWTP, considering both primary and secondary settlers and thickeners. It consists in a one-dimensional model based on the flux theory of Kynch and the double-exponential settling function of Takács that takes into account flocculation, hindered settling and compression processes. The model has been applied to simulation of settlers and thickeners by means of splitting the system into several horizontal layers, all of them considered as completely mixed reactors which are interconnected by mass flux obtained from the settling model. In order to simulate the conversion processes taking place during sedimentation, the general quality model BNRM1 has been added, and it has been proposed an iterative procedure for solving the equations for each layer in which the settler has been divided. The settling flux model validation, along with the quality model, has been carried out by applying them to a simulation of primary sludge fermentation – elutriation process. This process has been studied on a pilot plant located in the Carraixet WWTP in Alboraia (València). In order to simulate the observed decrease in solids separation efficiency in the studied fermentation – elutriation process, the quality model has been modified with the addition of a new process called "disintegration of complex particulate material". This process influences the settleability of the sludge because it is considered that the disintegrated solids become non-settleable solids. This modification implies the addition of two new kinetic parameters (the specific disintegration velocity for volatile particulate material and the specific disintegration velocity for non volatile particulate material). However, the settling parameter that represents the non-settleable fraction of total suspended solids is eliminated from the model and it has been transformed into an experimental variable which is quite easy to analyze. The result of this modification is a more general model, which is applicable to fermentation – elutriation process working at any operating condition. Finally, the behaviour and capabilities of the developed model have been tested by simulating a complete WWTP on the DESASS simulation software, developed by the research group. This example includes the most important processes that can be used in a WWTP: biological nutrient removal, primary sludge fermentation and sludge digestion. The model allows considering both settling processes and biochemical processes as a whole (denitrification in secondary settlers, primary sludge fermentation and VFA elutriation, phosphorus release in thickeners because of the PAO decay, etc.). The developed model implies an important advance in study of new wastewater treatment processes because it allows dealing with global process optimization problems, by means of full plants simulation. It is very useful for studying the effects of a modification in operation conditions of one element over the operation of the rest of the elements of the WWTP. Furthermore, the model can be used for applying optimization mathematical algorithms, model-based advanced control algorithms, etc. The structure of the flux model makes possible its application to any other process where suspended solids are present in wastewater treatments. This way, the model facilitates the research of new treatment processes by simulating of elements where complete mixed conditions can not be assumed, as for instance, UASB reactors, SBR including settling phase, etc., and their combination with the traditional elements in a WWTP.