[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.

[en] The objective of this thesis is contributing to the development of a systematic modelling approach for a more efficient and sustainable water management. The main aim is introducing Chemical and Process System Engineering methods and tools to provide a contribution to the AOPs (Advanced Oxidation Processes) investigation field by proposing process models that can be exploited to progress towards efficient management strategies for practical AOPs operation and inclusion in wastewater treatment networks. First, different advanced oxidation processes, namely Fenton, photo-Fenton and VUV photo-oxidation, were investigated and compared for the treatment of paracetamol (PCT) aqueous solution, by evaluating a series of performance indicators. Among the selected AOPs, VUV photo-oxidation and photo-Fenton showed the most promising results. Both processes allowed attaining total removal of the target compound and high mineralization levels. The second and main part of the thesis was focused on transforming "data into knowledge" by proposing different modelling approaches. The modelling effort focused on Fenton/photo-Fenton processes that showed the need of improving operating conditions. Accordingly, two practical kinetic models for Fenton and photo-Fenton degradation of organic compounds have been proposed and validated: • A conventional First Principles Model, based on a line source radiation model with spherical and isotropic emission, developed for the prediction of Fenton and photo-Fenton degradation of PCT and the oxidant (H2O2) consumption; • A general non-conventional First Principles Model, based on a wide-ranging contaminant degradation mechanism considering a variable number of carbon atoms for the characterization of the intermediates. Both models were experimentally validated and showed that were able to satisfactorily reproduce the system behavior. Particularly, the non-conventional First Principles Model showed to be a successful modelling approach for the Fenton/photo-Fenton degradation of different wastewater systems composed by single or multiple organic contaminants by means of lumped parameters (e.g. Total Organic Carbon-TOC). Thus, the approach proved to offer practical characterization of complex mixtures of chemicals. Once process models are proposed and validated, they can be systematically exploited to determine efficient operation modes or design alternatives. Accordingly, the thesis addressed two cases of practical interest: the optimization of a control recipe and the design of a treatment network. Particularly, a dynamic optimization framework for taking advantage of available kinetic models and determining the best hydrogen peroxide dosage profile, was proposed. Economic and environmental objectives and constraints were included to develop a dynamic optimization problem that was implemented in JModelica and solved using a direct simultaneous optimization method (IPOPT). Finally, the combination of cheaper conventional biological processes with more expensive AOPs was explored. A Mixed-Integer Non Linear Programming (MINLP) model for the optimization of a general wastewater network was proposed based on a superstructure of alternative designs, which was implemented and solved in GAMS. The novel formulation includes the BOD5/COD ratio method, describing the removal efficiency of BOD5 and COD of a treatment for modelling the variation of the biodegradability of the influents. This novel formulation allows determining the extent of the AOP treatments when combined with biological treatments, and paves the way for more complex models aimed at solving the trade-off between cost and treatment efficiency.