RESUM

Els problemes derivats de l'acumulació de nitrogen i fòsfor procedents, en gran manera, dels abocaments d'aigües residuals a mars, rius i llacs ha portat a l’estudi creixent de noves tecnologies i mètodes de tractament d'aquestes aigües residuals, basades principalment en processos biològics de depuració. Els processos biològics que tenen lloc en una EDAR consisteixen en transformacions bioquímiques que realitzen els microorganismes durant el creixement.

La modelització matemàtica dels processos de creixement dels bacteris responsables de la depuració de les aigües residuals és fonamental per al disseny, la simulació i el control òptim d'una EDAR. Tradicionalment, el procés de nitrificació dut a terme per dos grups de bacteris, era modelitzat com una única etapa en què l'amoni era oxidat a nitrat. No obstant això, amb el desenvolupament de noves tecnologies i l'aparició de problemes d'acumulació de nitrit en algunes EDAR ha sorgit la necessitat considerar el nitrit com un nou component en la modelització dels processos biològics. Això ha portat a l'aparició de diversos models en què es divideix el procés de nitrificació en dos etapes: primer l'amoni és oxidat a nitrit i, posteriorment, aquest és oxidat a nitrat. La modelització del procés de nitrificació tenint en compte el nitrit com a component intermedi comporta també la modificació d'altres processos com el creixement de bacteris heteròtrofs emprant nitrit en compte de nitrat com a acceptor d'electrons. 

Encara que són diversos els models proposats considerant la nitrificació en dos etapes, encara no hi ha un model que incloga el nitrit, àmpliament acceptat per la comunitat científica, apropiat per a tractar les qüestions mencionades i proporcionar un rang de valors de paràmetres fiable per a reproduir adequadament les transformacions del nitrit en els sistemes de fangs actius. A més, tampoc s'ha definit una metodologia de calibratge per a aquests models que facilite la determinació dels valors dels paràmetres inclosos en aquests. Per això, els objectius generals d'aquesta tesi són el desenvolupament d'un model general del procés de nitrificació via nitrit que considere tant l'oxidació d'amoni a nitrit, com de nitrit a nitrat, i la metodologia de calibratge per als paràmetres dels bacteris implicats. Com es pretén validar el model en dos sistemes d'operació amb característiques completament diferents, un reactor SHARON a escala de laboratori i una planta pilot de fangs activats, ha sigut necessari el desenvolupament d'una metodologia de calibratge adaptada a cada un dels sistemes. La metodologia de calibratge del procés en el reactor SHARON inclou únicament la determinació dels valors dels paràmetres corresponents als bacteris amonioxidants, ja que són els únics presents en aquest sistema. En canvi, a la planta pilot es desenvolupen tant bacteris nitritoxidants com amonioxidants, amb la qual cosa el calibratge exigeix assajos enfocats a la determinació dels paràmetres de cada grup de bacteris per separat. Les metodologies de calibratge estan basades fonamentalment en tècniques respiromètriques i en l'estudi individualitzat dels diferents processos involucrats per mitjà d'experiments en discontinu realitzats en laboratori. Aquestes metodologies s'han desenvolupat amb un especial èmfasi en la simplicitat i facilitat per a poder reproduir-les amb la freqüència necessària i sense la necessitat d’un equip específic ni tècniques de laboratori especialment complexes.

Les metodologies de calibratge desenvolupades han sigut aplicades en cada un dels sistemes mencionats. Per mitjà de l'aplicació d'aquestes metodologies i el seguiment de les poblacions bacterianes presents en cada un dels sistemes s'ha pogut comprovar, en el cas dels bacteris amonioxidants, que els bacteris característics del reactor SHARON són diferents dels de la planta pilot, la qual cosa comporta valors dels paràmetres del model totalment diferents. El calibratge del model a la planta pilot ha permès observar també les diferències entre els bacteris amonioxidants i els bacteris nitritoxidants pel que fa a l’afinitat per l'oxigen, l’efecte del pH, la velocitat màxima de creixement... A més, la planta pilot va ser operada en una primera etapa amb la inclusió d'un reactor BABE en l'esquema d'operació, que posteriorment va ser eliminat, la qual cosa ha permès observar l'efecte que té la presència d’aquest reactor sobre els bacteris calibrats.

Finalment, el model desenvolupat ha sigut validat en el reactor SHARON per mitjà de l’ajustament del model als resultats experimentals obtinguts a partir del seguiment analític d’aquests reactors. Les simulacions realitzades utilitzant el model matemàtic amb el conjunt de paràmetres obtinguts, implementat en el programari DESASS, reprodueixen amb precisió els resultats experimentals dels reactors.