[ca] La modelització del transport reactiu és una eina metodològica per estudiar els processos físics, químics i biològics acoblats en el sistema terrestre. És complex no només per la naturalesa de les equacions, sinó també pels efectes de l'heterogeneïtat mitjana porosa sobre el transport reactiu. Aquesta tesi té com a objectiu aprofundir en la comprensió dels processos de transport reactiu per explicar el procés de degradació bioquímica en medis porosos, amb especial èmfasi en el paper del biofilm i el seu creixement. En primer lloc, proposem una solució numèrica general i eficient de transport reactiu en medis multicontinuos mitjançant l'enfocament de transferència de massa multirata (MRMT). Per superar la no linealitat del problema, induïda per cinètiques no lineals, fem servir el mètode de Newton-Raphson per obtenir la solució global. Resolem el sistema d'equacions en forma de blocs, que ens permeten reduir les incògnites a les de les zones mòbils i a, millorant així l'eficiència. La solució es valida comparant-la amb una solució analítica de cinètica lineal. El codi es desenvolupa de manera orientada a objectes, que permet la reutilització del codi i el polimorfisme de dades. En segon lloc, investigem les condicions per a la localització química (és a dir, l'aparició de reaccions que no serien possibles en un mitjà continu). Amb aquest objectiu, escrivim les equacions de transport multicontinu en forma adimensional per trobar que el transport reactiu en mitjans multicontinuos es regeix per tres temps característics: la distribució dels temps de residència en zones immòbils i els temps de reacció i transport característics. Per estudiar la interacció entre aquests tres temps característics, simulem tres sistemes químics: conservador, de reacció única i reacció seqüencial. Els resultats demostren que les reaccions impulsades per espècies que resulten de reaccions anteriors es localitzaran en zones immòbils el temps de residència és comparable als temps de reacció. A més, les zones immòbils amb temps de residència molt menors que les del transport es poden agrupar (suposant que s'assumeixen reaccions molt ràpides en equilibri), cosa que redueix considerablement els càlculs. En tercer lloc, realitzem simulacions de transport reactiu que incorporen reaccions bioquímiques que no només oxiden el carboni orgànic, sinó que també produeixen biomassa, provocant així el creixement del biofilm. Se sap que el creixement del biofilm causa l'obstrucció (és a dir, la reducció de la permeabilitat), que ha concentrat la majoria de les investigacions sobre el tema. Però també provoca un canvi significatiu en la geometria i la connectivitat de l'espai dels porus, que condueix no només a un augment global del temps mitjà de residència en regions immòbils, sinó també a la seva distribució. Com s'ha comentat anteriorment, això és fonamental per a la localització (bio) química, sobretot tenint en compte que les reaccions mediàtiques microbianes tendeixen a concentrar-se en biofilms. Proposem un model per a l'evolució de la distribució del temps de residència en zones immòbils en resposta al creixement del biofilm. Provem aquest model en comparació amb experiments de laboratori extrets de la literatura, on s'han realitzat proves de traçador en diverses etapes de creixement. Els resultats mostren que el model dinàmic MRMT és capaç de reproduir les característiques més destacades d'aquests experiments

[en] Reactive transport modeling is a methodological tool to study the coupled physical, chemical and biological processes in Earth system. It is complex not only because of the nature of the equations, but also because of the effects of the porous medium heterogeneity on reactive transport. This thesis aims to deepen the understanding of reactive transport processes in order to explain the biochemical degradation process in porous media, with special emphasis on the role of biofilm and its growth. First, we propose a general and efficient numerical solution of reactive transport in multicontinuum media using Multirate Mass Transfer (MRMT) approach. To overcome the non-linearity of the problem, induced by non-linear kinetics, we use the Newton-Raphson method to get the global solution. We solve the system of equations in block form, which allow us to reduce the unknowns to those of mobile zones and to, thus improving efficiency. The solution is validated by comparison with analytical solution for linear kinetics. The code is developed in Object-oriented way, which enables the code reusability and data polymorphism. Second, we investigate the conditions for chemical localization (i.e., the occurrence of reactions that would not be possible in single continuum media). To this end, we write the multicontinuum transport equations in dimensionless form to find that reactive transport in multicontinuum media is governed by three characteristic times: the distribution of residence times in immobile zones, and the characteristic reaction and transport times. To study the interplay between these three characteristic times, we simulate three chemical systems: conservative, single reaction and sequential reaction. Results demonstrate that reactions driven by species that result from previous reactions will localize in immobile zones whose residence time is comparable to reaction times. Furthermore, immobile zones with residence times much smaller than those for transport can be lumped together (assuming that very fast reactions are assumed in equilibrium), which greatly reduces computations. Third, we perform simulations of reactive transport incorporating biochemical reactions that not only oxidize organic carbon, but also produce biomass, thus causing biofilm growth. Biofilm growth is known to cause clogging (i.e., reduction of permeability), which has concentrated most research on the topic. But it also causes a significant change in the pore space geometry and connectivity, which leads to not only an overall increase in mean residence time in immobile regions, but also on its distribution. As discussed above, this is critical to (bio)chemical localization, especially considering that microbial mediated reactions tend to concentrate in biofilms. We propose a model for the evolution of residence time distribution in immobile zones in response to biofilm growth. We test this model by comparison with laboratory experiments extracted from the literature, where tracer tests have been performed at various stages of growth. Results show that the dynamic MRMT model is capable of reproducing the salient features of these experiments.