9 ABFALLSTABILISIERUNGSTEICHE
Abfallstabilisierungsteiche sind eine Reihe von einem oder mehreren hypereutrophen Becken, typischerweise 1-2 m tief. Aufgrund der Algenaktivität haben WSP in der Regel einen hohen Gehalt an gelöstem Sauerstoff und einen hohen pH-Wert. Sie haben sehr niedrige Betriebskosten und sind einfach zu errichten, wobei die Hauptkosten in der Regel die Kosten für das Land sind. Die physikalische Einfachheit von WSP täuscht über die Komplexität der Mechanismen zur Entfernung von Krankheitserregern hinweg, die in ihnen stattfinden. Denn im Gegensatz zu den oben betrachteten Systemen können WSP so konzipiert werden, dass die Entfernung von Krankheitserregern optimiert wird, und die Leistung von zwei Systemen am gleichen Standort kann sich um 3-4 Größenordnungen unterscheiden. Unser zunehmendes Verständnis der Mechanismen, durch die dies erreicht wird, ist noch nicht vollständig in die Auslegungsgleichungen eingeflossen und die Auslegung solcher Systeme ist noch vergleichsweise grob. Nichtsdestotrotz ist ein angemessenes Verständnis dieser Mechanismen von unschätzbarem Wert für die Auslegung von WSP.
High Rate Algal Ponds (HRAP) sind speziell konzipierte Abfallstabilisierungsteiche, in denen die Algenpopulation sanft mechanisch gerührt wird, normalerweise in einer Art Rennbahnkonfiguration, um die Algenproduktion zu optimieren. Obwohl sie schwieriger und teurer zu betreiben sind als Algenteiche, sind HRAP aus Sicht der bakteriellen Krankheitserreger einem WSP nicht unähnlich. HRAP erreichen auch hohe (manchmal höhere) pH- und gelöste Sauerstoffkonzentrationen und haben entsprechend hohe Indikatorentfernungsraten (Bahlaoui et al., 1997).
Fäkalcoliforme Organismen sind die Organismen, die am häufigsten zur Überwachung der Entfernung von Krankheitserregern in Kläranlagen verwendet werden. Dieser Indikator wurde mit anderen Indikatoren sowie mit Salmonellen, Campylobacter (siehe Abb. 30.1) und mit V. cholerae 01 (Curtis, 1996) verglichen und für ausreichend befunden. Die sauerstoffempfindlichen Campylobacter sterben vermutlich aufgrund der hohen Sauerstoffkonzentrationen ab. Die Beseitigung von V. cholerae Ol ist etwas rätselhafter, denn es wurde berichtet, dass die eng verwandten, nicht-pathogenen V. cholerae in WSP wachsen (siehe Curtis, 1996 für eine umfassende Übersicht). Kürzlich wurde entdeckt, dass das Toxin-Gen, das die pathogenen Organismen von der nicht-pathogenen Form unterscheidet, von einem filamentösen Bakteriophagen kodiert wird, der in das Chromosom des Organismus eingebaut ist. Dieser Phage wird durch Sonnenlicht induziert (Faruque et al., 2000). Dies verringert die Wachstumsrate der Organismen und kann dem toxigenen Organismus einen ausreichenden Nachteil verschaffen, um sein Überleben in einer WSP zu verhindern.1
Die Mechanismen der Entfernung von Fäkalcoliformen sind, nicht überraschend, multifaktoriell (Troussellier et al., 1986). Die Faktoren können jedoch in schnell und langsam unterteilt werden. Die schnellen (3-0,1 log/h) Faktoren sind die Photooxidation und der pH-Wert und hängen mit dem Licht und damit den oberen Bereichen des Teiches während der Tageslichtstunden zusammen. Die langsamen (> 0,1 log/h) Faktoren sind weniger gut definiert und beinhalten vermutlich Hunger, Prädation und Adsorption an Feststoffe. Die langsamen Prozesse sind unabhängig vom Licht und es wird angenommen, dass sie zu allen Zeiten und in allen Tiefen funktionieren. Obwohl sich die meisten Forschungen auf die schnellen Faktoren konzentriert haben, hängt ihre relative Bedeutung von der Tiefe und der Lage des WSP ab. WSP sind in Raum und Zeit heterogen. So hängt das Schicksal eines pathogenen Bakteriums in einem WSP nicht nur davon ab, wie lange es in diesem Teich verbleibt, sondern auch davon, welchen Teil des Teiches es durchläuft und zu welcher Tageszeit es diesen durchläuft.
Bei der Photooxidation tötet Licht einen Organismus, wenn die Energie des Lichts von einer Chemikalie oder einem Sensibilisator absorbiert wird. Der Sensibilisator geht in einen kurzlebigen, angeregten Zustand über, in dem er die Lichtenergie an Sauerstoff weitergeben und toxische Formen von Sauerstoff bilden kann, darunter Singulett-Sauerstoff, Hydroxyl-Radikale, Super-Oxid-Radikale oder Wasserstoffperoxid. Die toxischen Formen des Sauerstoffs töten die Zelle, indem sie lebenswichtige zelluläre Komponenten oxidieren (Curtis, et al., 1992).
Die Rate der Photooxidation steigt linear mit der Sauerstoffkonzentration, vermutlich weil die steigende Sauerstoffkonzentration die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass der angeregte Sensibilisator auf ein Sauerstoffmolekül trifft. Darüber hinaus ist der Prozess synergistisch mit dem pH-Wert, zumindest bei einigen Organismen (Davies-Colley et al., 1999). Die Grundlage für den Synergismus ist nicht klar; es könnte daran liegen, dass die Sauerstoffradikale die Membran schädigen und so die Zellen empfindlich für hohe pH-Werte machen. Es könnte auch daran liegen, dass hohe pH-Werte die Lebensdauer der Hydroxylradikale verlängern. Da selbst langwelliges rotes Licht genug Energie besitzt, um Singulett-Sauerstoff zu erzeugen, kann jede Wellenlänge des sichtbaren oder ultravioletten Lichts photooxidative Schäden auslösen. Die relative Bedeutung einer bestimmten Wellenlänge hängt also von der Art des Sensibilisators, den beteiligten Wellenlängen des Lichts und der relativen Fähigkeit dieser Wellenlängen, in einen Teich einzudringen, ab. In WSP ist der Hauptsensibilisator für Fäkalcoliforme die Huminstoffe, die natürlich im Abwasser vorkommen. Andere Organismen können andere Sensibilisatoren haben, einschließlich Sensibilisatoren innerhalb der Zelle (Davies-Colley et al., 1999).
Es wird auch angenommen, dass hohe pH-Werte für einige schnelle Entfernungsprozesse verantwortlich sind. Ich glaube, dass der Tod eintritt, wenn das Bakterium nicht mehr in der Lage ist, sein eigenes Zytoplasma zu versauern. Dies würde erklären, warum die Beziehung zwischen der Entfernungsrate und dem pH-Wert nicht linear ist, wobei pH-Werte unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts wenig oder gar keinen Einfluss auf die bakterielle Indikatorentfernung haben. Bei der Arbeit mit echtem Teichwasser berichteten Parhad und Rao (1974) und Curtis (1991) von einem Schwellen-pH-Wert von etwa 9,3, während Pearson et al. (1987), die mit Puffer arbeiten, einen Schwellenwert von pH 8,9 angeben. Eine beträchtliche Menge an Energie ist erforderlich, damit eine Zelle ihr Zytoplasma ansäuert (Booth, 1985), daher stellt der Schwellenwert wahrscheinlich den Punkt dar, an dem dieser homöostatische Mechanismus überwältigt wird. Durch die Verwendung nährstoffarmer Bedingungen senkten Pearson et al. (1987) den Schwellen-pH-Wert künstlich ab. Daher wird in realen Teichen ein sehr schneller pH-bezogener Abbau nur oberhalb des höheren Schwellenwertes auftreten.
Mehr und bessere Arbeit (insbesondere quantitative Arbeit und Modellierung) muss noch über die schnellen Prozesse geleistet werden. Es ist jedoch klar, dass die hervorragende Entfernung, die in WSP in warmen Klimazonen beobachtet wird, eng mit den hypereutrophen Bedingungen verbunden ist, die in WSP beobachtet werden. Daraus folgt, dass die Algenkonzentration bei der Planung zur Entfernung von bakteriellen Krankheitserregern wirklich eine Rolle spielen sollte und dass Vorschläge für sehr klare Teiche (James, 1987) wahrscheinlich nicht funktionieren würden.
Die lichtunabhängigen Prozesse könnten durch eine Vielzahl von Faktoren angetrieben werden, von denen die offensichtlichsten Hunger, Prädation und Adsorption an Algen sind. Was auch immer die dunklen Mechanismen sind, sie werden sicherlich überall dort sehr wichtig sein, wo pH-Wert und Photooxidationseffekte durch die Tiefe oder Lage des Teiches verzögert werden, z.B. in tiefen VJSP oder WSP im Winter in gemäßigten Klimazonen. Leider gibt es im Wesentlichen keine systematischen Studien über diese Faktoren in Teichen. In einer ausgezeichneten Arbeit suchten Trousellier et al. (1986) nach linearen Beziehungen zwischen einer Reihe von zusammenhängenden Faktoren in WSP und der Entfernung von Fäkalcoliformen in Südfrankreich. Es wurde eine schwache negative Beziehung zwischen Algenkonzentrationen und fäkalcoliformen Keimen gefunden, aber nicht zwischen Indikatororganismen und dem BSB5 oder der Rädertierkonzentration. An diesem Untersuchungsort waren die Effekte jedoch nicht linear oder relativ unwichtig im Vergleich zu den Licht- und pH-Effekten (die signifikant waren).
Natürlich sind die schnellsten Entfernungsprozesse unwirksam, wenn die bakteriellen Krankheitserreger nicht sehr lange im System verweilen. Umgekehrt kann auch eine langsame Entfernungsrate ausreichend sein, wenn sie lange genug ausgehalten wird. Es gab schon immer Unsicherheiten über die Art des hydraulischen Regimes in WSP. In jüngster Zeit haben eine Reihe von Autoren auf die Bedeutung des Kurzschlusses bei der Entfernung von Krankheitserregern in WSP hingewiesen (James, 1987; Fredrick und Lloyd; 1996; Salter et al., 1999). Es ist jedoch anzumerken, dass die Kurzschlussbildung in Marais‘ (1974) ursprünglicher Annahme der vollständigen Durchmischung implizit enthalten ist (ein Teil des Zuflusses wird sich sofort im Abfluss wiederfinden). Darüber hinaus haben neuere Untersuchungen gezeigt, dass Teiche in grober Näherung vollständige Mischungsreaktoren darstellen (Nameche und Vasel, 1998), so dass diese Annahme vorerst beibehalten und vielleicht in Verbindung mit einem kleinen Sicherheitsfaktor verwendet werden kann.
In der Praxis besteht derzeit die beste Möglichkeit, die Auswirkungen von Kurzschlüssen zu reduzieren, darin, mehr als einen Teich in Reihe zu verwenden (Mara, 1976). Andere Möglichkeiten zur Verbesserung der Hydrodynamik von WSP, z. B. Umlenkungen, sind denkbar. Um brauchbar zu sein, dürfen die Verbesserungen jedoch andere Eigenschaften des WSP nicht beeinträchtigen. Zum Beispiel können Baffles in fakultativen WSP durch die Förderung der Feststoff- und Sulfidbildung Geruch verursachen und die Photosynthese beeinträchtigen. Neben dem Einsatz im Design müssen die Verbesserungen vorhersehbar sein. Ich hoffe, dass das derzeitige Interesse an der Verwendung von Computational Fluid Dynamics verifizierte Modelle hervorbringen wird, die kostengünstig genug sind, um ihren weit verbreiteten Einsatz bei der Optimierung des WSP-Designs für die Pathogenentfernung zu rechtfertigen.