[ca] L'objectiu d'aquesta tesi és contribuir al desenvolupament de tècniques de modelatge sistemàtic per a una gestió de l'aigua eficient i sostenible. L'objectiu principal és contribuir a la investigació dels PAOs (Processos Avançats d'Oxidació). La tesi introdueix mètodes i eines d'Enginyeria de Processos Químics i proposa models que puguin ser explotats per produir estratègies eficients de gestió i operació dels PAOs, així com per a la integració d'aquests PAOs en xarxes de tractament d'aigües residuals. Primer, es van investigar diferents PAOs. Es van considerar els processos Fenton, foto-Fenton i la foto-oxidació VUV, i es van comparar en el tractament de solucions aquoses de paracetamol (PCT) adoptant una sèrie d'indicadors de rendiment (Key Performance Indicators, KPI). Entre els PAOs seleccionats, la foto-oxidació VUV i foto-Fenton van produir els resultats més prometedors, permetent aconseguir l'eliminació total del contaminant i alt nivell de mineralització. La segona part de la tesi es va centrar en transformar "dades en coneixement" mitjançant la proposta de models per als processos Fenton / photo-Fenton amb la finalitat de millorar les condicions operatives dels mateixos. En concret, s'han proposat i validat dos models cinètics que descriuen la degradació de compostos orgànics per processos Fenton i foto-Fenton: • Un model de Principis Bàsics convencional, que inclou la modelització de la radiació lineal amb emissió esfèrica i isotròpica, desenvolupat per predir la degradació Fenton i foto-Fenton del PCT i el consum d'oxidant (H2O2); • Un model de Principis Bàsics no convencional que proposa un mecanisme de degradació de contaminants general, ja que considera el nombre d'àtoms de carboni del contaminant com la variable de partida per a la proposta de fragmentació i consegüent generació d'intermedis. Tots dos models es van validar experimentalment i van mostrar la seva capacitat de reproduir satisfactòriament el comportament del sistema. En particular, el Model de Principis Bàsics no convencional ha generat resultats prometedors per a la degradació Fenton / foto-Fenton de diferents sistemes (compostos per un o més contaminants orgànics) per mitjà de paràmetres globals (com el Carboni Orgànic Total). Per tant, aquest enfocament ofereix un modelatge pràctic, independent del contaminant i vàlid per a mescles complexes de productes químics. Un cop proposats i validats, els models de procés es poden utilitzar sistemàticament per determinar maneres d'operació eficients o alternatives de disseny. En conseqüència, la tesi es va dirigir a dos casos d'interès pràctic: l'optimització d'una recepta de control i el disseny d'una xarxa de tractament. En el primer cas, es va proposar una estratègia d'optimització dinàmica per aprofitar els models cinètics disponibles i determinar el millor perfil de dosificació de peròxid d'hidrogen. Es van incloure objectius i limitacions econòmiques i ambientals per desenvolupar un problema d'optimització dinàmica que es va implementar en JModelica i es va resoldre utilitzant un mètode d'optimització simultània directa (IPOPT). Finalment, es va explorar la combinació de processos biològics convencionals, més barats, amb PAOs, més costosos. Es va proposar un model de Programació No Lineal Entera Mixta (MINLP) per a l'optimització d'una xarxa general d'aigües residuals, basat en una superestructura de dissenys alternatius, que es va implementar i resoldre en GAMS. La nova formulació inclou la relació BOD5 / COD, que descriu l'eficiència d'eliminació de BOD5 i COD d'un tractament per tal de modelar la variació de la biodegradabilitat dels influents. Aquesta nova formulació permet determinar l'abast dels tractaments de PAOs quan es combinen amb tractaments biològics, i aplana el camí per a models més complexos destinats a resoldre l'equilibri entre cost i eficiència del tractament.

[it] L'obiettivo della presente tesi è contribuire allo sviluppo di tecniche di modellizzazione sistematica finalizzate ad una gestione efficiente e sostenibile delle risorse idriche. L'obiettivo principale è contribuire allo studio dei POA (Processi di Ossidazione Avanzata). La tesi introduce metodi e strumenti dell'ingegneria dei processi chimici e propone modelli che possano servire per lo sviluppo di strategie efficaci di gestione dei POA nonché per l'integrazione di questi ultimi nelle reti di trattamento delle acque reflue. In primo luogo, sono stati studiati diversi POA. Nello specifico, sono stati studiati i processi di foto-ossidazione Fenton, photo-Fenton e VUV per il trattamento di soluzioni acquose di paracetamolo (PCT) la cui efficacia è stata confrontata adottando una serie di indicatori di prestazione (Key Performance Indicators, KPI). Tra i POA selezionati, la foto-ossidazione VUV e il processo photo-Fenton hanno prodotto i risultati più promettenti, consentendo di ottenere l'eliminazione totale del contaminante e un alto livello di mineralizzazione. La seconda parte della tesi si è concentrata sulla trasformazione dei "dati in conoscenza" proponendo modelli finalizzati alla descrizione dei processi Fenton / photo-Fenton e con l'obiettivo ultimo di adoperarli per ottimizzare le condizioni operative di questi ultimi. In particolare, sono stati proposti e validati due modelli cinetici che descrivono la degradazione dei composti organici per mezzo dei processi Fenton e photo-Fenton: • Un modello convenzionale, che include la modellizzazione della radiazione basata sull'ipotesi di radiazione lineare ed emissione sferica e isotropica, e in grado di prevedere la degradazione del PCT ad opera dei processi Fenton e photo-Fenton nonché il consumo di ossidante (H2O2); • Un modello non convenzionale, che propone un meccanismo generale di degradazione degli inquinanti basato sul numero di atomi di carbonio del contaminante da degradare a partire dal quale si propone un meccanismo di frammentazione di quest'ultimo con conseguente generazione di prodotti intermedi. Entrambi i modelli sono stati validati sperimentalmente e hanno mostrato prestazioni soddisfacenti. In particolare, il modello non convenzionale ha mostrato di poter rappresentare la degradazione Fenton e photo-Fenton di diversi composti organici attraverso l'utilizzo di un parametro globale (come il carbonio organico totale) e qindi di offrire una proposta di modellizzazione pratica indipendente dal contaminante e che può pertanto essere adottata in caso di miscele complesse di prodotti chimici. Una volta proposti e convalidati, i modelli di processo possono essere utilizzati sistematicamente per determinare modalità operative efficienti o alternative di progettazione. Di conseguenza, la tesi ha affrontato due casi di interesse pratico: l'ottimizzazione della ricetta di controllo del processo e la progettazione di una rete di trattamento di acque reflue. Nel primo caso è stata proposta una strategia di ottimizzazione dinamica per sfruttare i modelli cinetici disponibili e determinare il miglior profilo di dosaggio del perossido di idrogeno. Sono stati inclusi obiettivi e limiti economici e ambientali per sviluppare un problema di ottimizzazione dinamica implementato in JModelica che è stato risolto utilizzando un metodo di ottimizzazione simultanea diretta (IPOPT). Infine, è stata esplorata la combinazione di processi biologici convenzionali, più economici, con i PAO, più costosi. È stato proposto un modello MINLP (Nonlinear Mixed Integer Programming) per l'ottimizzazione di una rete di acque reflue, basato su una struttura attraverso la quale è possibile rappresentare scelte progettuali alternative, che è stato implementato e risolto in GAMS. La nuova formulazione include il rapporto BOD5 / COD, che descrive l'efficienza di eliminazione di BOD5 e COD di un trattamento al fine di modellare la variazione della biodegradabilità degli influenti. Questa nuova formulazione consente di determinare le diverse possibilità di combinazione dei PAO con i trattamenti biologici e apre la strada a modelli più complessi volti a risolvere l'equilibrio tra costo ed efficienza del trattamento.