Las aguas residuales urbanas (ARU) constituyen la fuente puntual de contaminantes más importante a escala global. Actualmente, un elevado porcentaje de las aguas residuales producidas a nivel mundial son vertidas al medio sin haber recibido ningún tipo de tratamiento, con consecuencias inmediatas, y en algunas ocasiones desastrosas, para la salud pública y la calidad del entorno natural. El tratamiento anaerobio está considerado como una de las alternativas más atractivas para el desarrollo de sistemas sostenibles de tratamiento de aguas residuales que ayuden a mitigar los efectos negativos de la urbanización y del desarrollo socioeconómico. El atractivo de estos sistemas reside en su mayor sostenibilidad, menor coste económico y energético, y menor impacto ambiental, comparado con los sistemas de tratamiento aerobios en los que se fundamenta el modelo actual de tratamiento de aguas residuales. Este tipo de sistemas pueden ser operados bajo configuraciones con demandas energéticas neutras o incluso negativas, dado que, por una parte, no requieren de un aporte energético para aireación, y por otra, poseen la capacidad de recuperar parte de la energía contenida en la materia orgánica en forma de metano. Adicionalmente, los organismos que intervienen en la degradación anaerobia de la materia orgánica se caracterizan por poseer un bajo rendimiento celular, por lo que la producción de fangos en sistemas de tratamiento anaerobio de aguas residuales es muy inferior a la de sus análogos aerobios. Los elevados caudales y bajas concentraciones de DQO típicas de las aguas residuales urbanas, junto con las reducidas velocidades de crecimiento de los microorganismos que llevan a cabo la degradación anaerobia de la materia orgánica a temperaturas típicas de climas templados de latitudes medias, exigen el desarrollo de sistemas que permitan combinar elevados tiempos de retención celular con tiempos de retención hidráulicos reducidos, mediante la aplicación de métodos que faciliten la retención de la biomasa en el interior del sistema. Entre los diferentes sistemas anaerobios que cumplen con estas características, los biorreactores anaerobios de membranas (AnMBR) destacan por su excelente capacidad para retener el material particulado en el interior del sistema, permitiendo alcanzar elevados tiempos de residencia que compensen la reducida velocidad de crecimiento de los diferentes grupos de microorganismos, incluso al operar el sistema a baja temperaturas, y ofreciendo un efluente con elevada calidad y libre de patógenos. Como consecuencia del creciente interés suscitado por los AnMBR dentro de la comunidad científica, las referencias bibliográficas sobre este tipo de sistemas se han multiplicado en los últimos años. Sin embargo, la mayoría de estos estudios se han desarrollado en sistemas a escala laboratorio o piloto, utilizando aguas residuales sintéticas, por lo que la escalabilidad y reproducibilidad de los resultados obtenidos resulta cuestionable. Así pues, para poder avanzar en la implantación de este tipo de sistemas a escala industrial, es necesario disponer de datos del funcionamiento del proceso que proporcionen una base fiable sobre la que escalar el proceso de forma directa. El objetivo principal de esta tesis ha sido evaluar la influencia de diferentes parámetros operacionales (tiempo de retención hidráulico y celular, y temperatura) sobre el funcionamiento del proceso de tratamiento anaerobio de ARU en AnMBR. Para ello se operó una planta AnMBR a escala demostración, tratando ARU real procedente de la estación depuradora de aguas residuales del Barranco del Carraixet (Valencia), durante un periodo total de más de 700 días de operación, que se subdividió en 10 periodos en función de las condiciones operacionales seleccionadas. Una vez alcanzado el estado pseudo-estacionario en cada periodo, se caracterizó el funcionamiento del proceso mediante la obtención de diferentes parámetros indicadores (eficiencia de eliminación de DQO, producción de fangos, producción de metano y eficiencia de recuperación de metano), cuya selección se basó en las ventajas asociadas a los AnMBR con respecto a los sistemas aerobios convencionales para el tratamiento de ARU.

Municipal wastewater is the most important punctual source of pollutants at global scale. Currently, a high percentage of globally produced wastewaters are still discharged without any treatment, causing immediate, and sometimes disastrous, consequences for public health and environmental quality. Anaerobic treatment is regarded as one of the most attractive options for the development of sustainable wastewater treatment systems for the mitigation of the negative effects derived from urbanization and socioeconomic development. Higher sustainability, lower economic and energetic costs, as well as a lower carbon footprint make these systems more attractive than the current aerobic-based ones. These systems can be operated under neutral to negative energy-demand configurations, since on the one hand, an external energy input for aeration is not required, and on the other hand, a fraction of the energy contained in the organic matter can be recovered as methane. Furthermore, microorganisms involved in the anaerobic degradation of organic matter have low growth yields, producing less sludge than their aerobic analogues. Municipal wastewater tipically exhibits high flow-rates and low COD-concentrations. On the other hand, given the low growth rates of organisms carrying out anaerobic degradation of organic matter at moderate temperatures (medium latitude temperate climates), large sludge retention times are required. Therefore, the success of the anaerobic treatment of municipal wastewater at low temperature depends on an efficient uncoupling of both solids and hydraulic retention time, by means of the application of biomass retention methods. Among the different systems able to retain biomass, anaerobic membrane bioreactors (AnMBR) exhibit an outstanding capacity for particulate matter retention. Therefore, AnMBR enable high residence times which offset the low growth rates of microorganisms, even at low temperature operation, as well as a pathogen-free, high-quality effluent. Literature references on AnMBR have increased in recent years as a result of the growing scientific interest in this subject. However, scaling-up and reproducibility of results is still questionable since most of these studies have been carried out treating synthetic wastewater in lab- or pilot-scale systems. Therefore, in order to increase knowledge at implementing AnMBR at industrial scale, it is necessary to have reliable process performance data that allow direct scaling-up. The main objective of this thesis has been to evaluate the influence of different operational parameters (solids and hydraulic retention times, and temperature) over the anaerobic municipal wastewater-treatment process performance in membrane bioreactors. To this aim, a demonstration-scale AnMBR treating real municipal wastewater coming from the Barranco del Carraixet wastewater treatment plant was operated for more than 700 days. The experimental period was subdivided in 10 periods depending on the selected operational conditions. Once a pseudo-steady state was achieved at each period, the process performance was characterized by means of different process performance indicators (COD removal efficiency, excess sludge production, methane production and methane recovery efficiency with biogas), which were selected based on the benefits of AnMBR compared to aerobic conventional systems for wastewater treatment.