[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.

[es] El objetivo de esta tesis es contribuir al desarrollo de técnicas de modelado sistemático para una gestión del agua eficiente y sostenible. El objetivo principal es contribuir a la investigación de los PAOs (Procesos Avanzados de Oxidación). La tesis introduce métodos y herramientas de Ingeniería de Procesos Químicos y propone modelos que puedan ser explotados para producir estrategias eficientes de gestión y operación de los PAOs, así como para la integración de estos PAOs en redes de tratamiento de aguas residuales. Primero, se investigaron diferentes PAOs. Se consideraron los procesos Fenton, foto-Fenton y la foto-oxidación VUV, y se compararon en el tratamiento de soluciones acuosas de paracetamol (PCT) adoptando una serie de indicadores de rendimiento (Key Performance Indicators, KPI). Entre los PAOs seleccionados, la foto-oxidación VUV y foto-Fenton producieron los resultados más prometedores, permitiendo lograr la eliminación total del contaminante y alto nivel de mineralización. La segunda parte de la tesis se centró en transformar ¿datos en conocimiento¿ mediante la propuesta de modelos para los procesos Fenton / photo-Fenton con el fin de mejorar las condiciones operativas de los mismos. En concreto se han propuesto y validado dos modelos cinéticos que describen la degradación de compuestos orgánicos por procesos Fenton y foto-Fenton: ¿ Un Modelo de Principios Básicos (F convencional, que incluye la modelización de la radiación lineal con emisión esférica e isotrópica, desarrollado para predecir la degradación Fenton y foto-Fenton del PCT y el consumo de oxidante (H2O2); ¿ Un Modelo de Principios Básicos no convencional, que propone un mecanismo de degradación de contaminantes general puesto que considera el número de átomos de carbono del contaminante como la variable de partida para la propuesta de fragmentación y consiguiente generación de intermedios. Ambos modelos se validaron experimentalmente y mostraron reproducir satisfactoriamente el comportamiento del sistema. En particular, el Modelo de Principios Básicos no convencional genero resultados prometedores para la degradación Fenton / foto-Fenton de diferentes sistemas (compuestos por uno o más contaminantes orgánicos) por medio de parámetros globales (como el Carbono Orgánico Total). Por tanto, este enfoque ofrece un modelado práctico independiente del contaminante y válido para mezclas complejas de productos químicos. Una vez propuestos y validados, los modelos de proceso se pueden utilizar sistemáticamente para determinar modos de operación eficientes o alternativas de diseño. En consecuencia, la tesis se dirigió a dos casos de interés práctico: la optimización de una receta de control y el diseño de una red de tratamiento. En el primer caso, se propuso una estrategia de optimización dinámica para aprovechar los modelos cinéticos disponibles y determinar el mejor perfil de dosificación de peróxido de hidrógeno. Se incluyeron objetivos y limitaciones económicas y ambientales para desarrollar un problema de optimización dinámica que se implementó en JModelica y se resolvió utilizando un método de optimización simultánea directa (IPOPT). Finalmente, se exploró la combinación de procesos biológicos convencionales, más baratos, con PAOs, más costosos. Se propuso un modelo de Programación no Lineal de Enteros Mixtos (MINLP) para la optimización de una red general de aguas residuales, basado en una superestructura de diseños alternativos, que se implementó y resolvió en GAMS. La nueva formulación incluye la relación BOD5 / COD, que describe la eficiencia de eliminación de BOD5 y COD de un tratamiento con el fin de modelar la variación de la biodegradabilidad de los influentes. Esta novedosa formulación permite determinar el alcance de los tratamientos de PAOs cuando se combinan con tratamientos biológicos, y allana el camino para modelos más complejos destinados a resolver el equilibrio entre coste y eficiencia del tratamiento.