[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.

[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.