Diseño y evaluación de un tanque séptico de flujo ascendente, con un filtro de zeolita para el tratamiento descentralizado de bajo costo de aguas residuales municipales

Abstract

Actualmente, el tanque séptico convencional sigue siendo utilizado como alternativa para tratar las aguas residuales domésticas en viviendas individuales y zonas sin conexión al sistema centralizado de tratamiento de recolección de aguas residuales (AR). Sin embargo, la baja calidad del efluente de los tanques sépticos los convierte en una fuente de contaminación del ambiente y un contribuidor potencial de la eutroficación de los recursos acuáticos. En la búsqueda de preservar la calidad de los recursos acuáticos se diseñó un tanque séptico de flujo ascendente (TSFA) con tres compartimientos al cual, a su vez, se le instaló un filtro de zeolita con el objetivo de mejorar su desempeño en la remoción de materia orgánica y amonio y producir un efluente de mejor calidad. Para evaluar el desempeño se construyeron dos TSFA de las mismas dimensiones y a uno se le instaló un filtro de zeolita en el último compartimiento. Esta configuración del TSFA se identificó como tanque séptico de flujo ascendente hibrido (TSFAH). Para evaluar el efecto del cambio en la configuración, al instalar el filtro, se analizó el comportamiento hidráulico del TSFA a través de pruebas con trazadores y modelado matemático utilizando los modelos de dispersión axial y tanque en serie (TIS) bajo diferentes TRH (12 h, 18 h y 24 h) y configuraciones (TSFA solo, TSFA con lodo y TSFAH con lodo) y la eficiencia del tratamiento bajo cinco TRH diferentes (48 h, 36 h, 24 h, 18 h y 12 h) utilizando modelos cinéticos que correlacionaron la eficiencia del proceso con la tasas de carga hidráulica y orgánica utilizando agua residual doméstica sintética. De acuerdo con el modelo TIS y la curva de distribución de los tiempos de residencia (RTD), el TSFA tiene un patrón de flujo no ideal intermedio entre flujo pistón y flujo completamente mezclado. El TRH no tiene influencia significativa en el patrón de flujo del sistema. Por el contrario, la configuración del sistema tiene un efecto significativo en el flujo induciendo el comportamiento hacia flujo pistón con la adición del lodo y el filtro de zeolita. El número de Peclet mostró que la advección fue el factor predominante en el transporte de masa. El modelo de dispersión axial se ajustó adecuadamente a los datos experimentales para 12 h TRH (R2=0.9262). Mientras, el modelo TIS (N=4) basado en ⱷ mostró un mejor ajuste para 18 h (R²=0.9911) y 24 h TRH (R2=0.9833) y fue más adecuado para determinar el comportamiento hidráulico del TSFA. El TSFA y la configuración TSFAH alcanzaron remociones de materia orgánica y sólidos que indican un buen desempeño y robustez; aunque, la eficiencia del tratamiento disminuyó notablemente cuando el reactor operó bajo TRH por debajo de las 24 h. La evaluación de los modelos cinéticos demostró que el modelo modificado de Stover-Kincannon se ajusta mejor a ambos sistemas dado los datos experimentales, con un R² superior al 98% en el análisis de regresión lineal. Además, los valores de DQO predichos con este modelo se ajustaron adecuadamente a los datos experimentales, ya que el porcentaje de error medio fue del 7.97 %. La adición del filtro de zeolita demostró la viabilidad de su aplicación para la remoción de amonio del agua residual alcanzando remociones de hasta el 98% de amonio y aumentando la capacidad de pulimento del sistema y de remoción de DQO. Sin embargo, a medida que pasa el tiempo el filtro de zeolita se va saturando y la remoción de amonio disminuye significativamente.

Today, the conventional septic tank is still widely used as an alternative to treat domestic wastewater in individual homes and areas without connection to the centralized wastewater collection treatment system (AR). However, the low quality of the effluent from septic tanks makes them a source of environmental pollution and a potential contributor to the eutrophication of aquatic resources. In the pursuit to preserve the quality of aquatic resources, an Upflow Septic Tank (TSFA) with three compartments was modified installing a zeolite filter in order to improve its performance in the removal of organic matter and ammonia and to produce an effluent with a better quality. To evaluate the performance, two TSFAs of the same dimensions were built and a zeolite filter was installed in the last compartment of one of the TSFAs. This configuration of the TSFA was identified as a Hybrid Upflow Septic Tank (TSFAH). To evaluate the effect of the change in the configuration, when installing the filter, the hydraulic behavior of the TSFA was analyzed using tracers tests and mathematical modeling using the axial dispersion and the tank in series (TIS) models under different TRH (12 h , 18 h, and 24 h) and configurations (TSFA only, TSFA with sludge, and TSFAH with sludge) and the treatment efficiency under five different HRTs (48 h, 36 h, 24 h, 18 h, and 12 h) using kinetic models that correlated the process efficiency with hydraulic and organic loading rate, using synthetic domestic wastewater. According to the TIS model and the RTD curve the TSFA has a non-ideal flow pattern intermediate between plug flow and completely mixed flow. According to the results, the TRH has no significant influence on the flow pattern of the system. On the contrary, the configuration of the system has a significant effect on the flow inducing behavior towards plug flow with the addition of the sludge and the zeolite filter. The Peclet number showed that advection was the predominant factor in mass transport. The axial dispersion model was adequately adjusted to the experimental data for 12 h HRT (R²=0.9262). Meanwhile, the TIS model (N=4) based on ᵩ showed a better fit for 18 h (R2=0.9911) and 24 h HRT (R²=0.9833) and was more adequate to determine the hydraulic behavior of the TSFA. The TSFA and the TSFAH configuration reached organic matter and solids removals that indicate good performance and robustness; although, the efficiency of the treatment was reduced when the reactor operated with TRHs below of 24 h. The evaluation of the kinetic models shows that the modified Stover-Kincannon model fits better to both systems given the experimental data, with an R² greater than 98% in the linear regression analysis. In addition, the COD values predicted with this model were well adjusted to the experimental data, since the mean percentage error was 7.97%. The addition of the zeolite filter increased the viability of the application of this material for the removal of ammonia from wastewater, reaching removals of up to 98% of ammonia and increasing the polishing capacity of the system to increase the soluble COD removal efficiency. However, as time passes, the zeolite filter becomes saturated and ammonium removal decreases significantly.