La gestión de lodos de depuradora en plantas de tratamiento de aguas residuales se está convirtiendo en una tarea cada vez más desafiante. Aquí, se desarrolla un enfoque de modelado integrado innovador para investigar la optimización de una planta de tratamiento de aguas residuales municipales (MWWTP) mediante la inclusión de carbonización hidrotermal (HTC). Con este fin, se han considerado dos diseños alternativos de planta: (i) una planta de tratamiento convencional basada en lodos activados, es decir, basada en espesamiento, estabilización, acondicionamiento y deshidratación; (ii) carbonización hidrotermal adicional y tratamiento integrado del licor gastado en la línea de lodos. Se ha seleccionado una MWWTP italiana como estudio de caso, y se han implementado tres escenarios diferentes en el software de simulación de procesos World Wide Engine for Simulation Training and Automation (WEST) considerando el efecto de los diferentes tiempos de digestión en el reactor aeróbico. Luego, de acuerdo con la metodología de Diseño de Experimentos (DoE) aplicada tanto a datos simulados como experimentales, y mediante el uso de un código Python, se han desarrollado y comparado los modelos deseados. Finalmente, se ha llevado a cabo un estudio de Evaluación del Ciclo de Vida (LCA) para estimar los impactos en la salud humana, los ecosistemas y los recursos. La integración de HTC corresponde a la generación de un producto valioso (el hidrocarbón), mientras que el diseño convencional se asocia con altos costos de eliminación de los lodos de depuradora. Según los resultados de LCA, se recomienda una edad de lodo de 40 días debido a los menores impactos estimados, tanto con como sin una sección de HTC. Esto se ha atribuido principalmente a la demanda de electricidad de la línea de lodos, que aumenta con la tasa de flujo de lodos excedentes, es decir, a medida que disminuye la edad del lodo.