[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.

[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.