9 ESTANQUES DE ESTABILIZACIÓN DE RESIDUOS
Los estanques de estabilización de residuos son una serie de una o más cuencas hipereutróficas, normalmente de 1-2 m de profundidad. Debido a la actividad de las algas, los WSP suelen tener altos niveles de oxígeno disuelto y altos valores de pH. Sus costes de funcionamiento son muy bajos y su construcción es sencilla, ya que el principal gasto suele ser el coste del terreno. La simplicidad física de los WSP contradice la complejidad de los mecanismos de eliminación de patógenos que tienen lugar en ellos. A diferencia de los sistemas que hemos considerado anteriormente, los WSP pueden diseñarse para optimizar la eliminación de patógenos y el rendimiento de dos sistemas en el mismo lugar puede variar en 3-4 órdenes de magnitud. Nuestra creciente apreciación del mecanismo por el que se consigue esto todavía tiene que incorporarse completamente a las ecuaciones de diseño y el diseño de tales sistemas es todavía comparativamente tosco. Sin embargo, una comprensión adecuada de estos mecanismos es inestimable en el diseño de los WSP.
Los estanques de algas de alta velocidad (HRAP) son estanques de estabilización de residuos especialmente diseñados en los que la población de algas se agita suavemente de forma mecánica, normalmente en algún tipo de configuración de pista de carreras para optimizar la producción de algas. Aunque su funcionamiento es más difícil y costoso que el de los estanques de algas, los HRAP no son, desde el punto de vista de los patógenos bacterianos, diferentes de los WSP. Las HRAP también alcanzan concentraciones de pH y oxígeno disuelto elevadas (a veces más altas) y tienen tasas de eliminación de indicadores correspondientemente altas (Bahlaoui et al., 1997).
Los coliformes fecales son los organismos más utilizados para controlar la eliminación de patógenos en las plantas de tratamiento de aguas residuales. Este indicador se ha comparado con otros indicadores y con la salmonela, el campylobacter (véase la Fig. 30.1) y con el V. cholerae 01 (Curtis, 1996) y se ha considerado adecuado. El campylobacter sensible al oxígeno presumiblemente muere debido a las altas concentraciones de oxígeno. La eliminación de V. cholerae Ol es un poco más misteriosa, porque se ha reportado que el V. cholerae no patógeno estrechamente relacionado crece en WSP (ver Curtis, 1996 para una revisión completa). Recientemente se ha descubierto que el gen de la toxina que distingue a los organismos patógenos de la forma no patógena está codificado por un bacteriófago filamentoso que se incorpora al cromosoma del organismo. Este fago es inducido por la luz solar (Faruque et al., 2000). Esto disminuye la tasa de crecimiento de los organismos y podría dejar al organismo toxigénico en una desventaja suficiente para inhibir su supervivencia en un PSA.1
Los mecanismos de eliminación de coliformes fecales son, como es lógico, multifactoriales (Troussellier et al., 1986). Sin embargo, los factores pueden dividirse en rápidos y lentos. Los factores rápidos (3-0,1 log/h) son la foto-oxidación y el pH y están asociados a la luz y, por tanto, a las partes superiores del estanque durante las horas de luz. Los factores lentos (> 0,1 log/h) están menos definidos, y presumiblemente incluyen la inanición, la depredación y la adsorción a los sólidos. Los procesos lentos son independientes de la luz y se cree que funcionan en todo momento y a todas las profundidades. Aunque la mayor parte de la investigación se ha centrado en los factores rápidos, su importancia relativa depende de la profundidad y la ubicación de la PSA. Las PSA son heterogéneas en el espacio y el tiempo. Así, el destino de una bacteria patógena en una PSA depende no sólo del tiempo que permanezca en esa laguna, sino de la parte de la laguna por la que pase y de la hora del día en que lo haga.
En la foto-oxidación la luz mata a un organismo cuando la energía de la luz es absorbida por una sustancia química o sensibilizador. El sensibilizador entra en un estado de excitación de corta duración en el que puede pasar la energía de la luz al oxígeno y formar formas tóxicas de oxígeno, como el oxígeno singlete, los radicales hidroxilo, los radicales superóxido o el peróxido de hidrógeno. Las formas tóxicas de oxígeno matan a la célula al oxidar componentes celulares vitales (Curtis, et al., 1992).
La tasa de fotooxidación aumenta linealmente con la concentración de oxígeno, presumiblemente porque el aumento de la concentración de oxígeno aumenta la probabilidad de que el sensibilizador excitado se encuentre con una molécula de oxígeno. Además, el proceso es sinérgico con el pH, al menos para algunos organismos (Davies-Colley et al., 1999). La base del sinergismo no está clara; podría deberse a que los radicales de oxígeno dañan la membrana, lo que hace que las células sean sensibles a los valores altos de pH. También podría deberse a que los valores altos de pH prolongan la vida de los radicales hidroxilo. Dado que incluso la luz roja de longitud de onda larga tiene suficiente energía para crear oxígeno singlete, cualquier longitud de onda de la luz visible o ultravioleta puede iniciar el daño foto-oxidativo. Por lo tanto, la importancia relativa de una determinada longitud de onda se rige por la naturaleza del sensibilizador, las longitudes de onda de la luz implicadas y la capacidad relativa de estas longitudes de onda para penetrar en un estanque. En la WSP, el principal sensibilizador para los coliformes fecales son las sustancias húmicas que se encuentran de forma natural en las aguas residuales. Otros organismos pueden tener otros sensibilizadores, incluso dentro de la célula (Davies-Colley et al., 1999).
También se cree que los valores altos de pH son responsables de algunos procesos de eliminación rápida. Se cree que la muerte se produce cuando la bacteria ya no es capaz de acidificar su propio citoplasma. Esto explicaría por qué la relación entre la tasa de eliminación y el pH no es lineal, y los valores de pH por debajo de un determinado valor umbral tienen poco o ningún efecto en la eliminación del indicador bacteriano. Trabajando con agua de estanque real, Parhad y Rao (1974) y Curtis (1991) informaron de un valor umbral de pH de aproximadamente 9,3, mientras que Pearson et al. (1987), trabajando en tampón, informan de un umbral de pH 8,9. Se requiere una cantidad considerable de energía para que una célula acidifique su citoplasma (Booth, 1985), por lo que el umbral probablemente representa el punto en el que este mecanismo homeostático se ve superado. Al utilizar condiciones de bajos nutrientes, Pearson et al. (1987) redujeron artificialmente el valor umbral de pH. Así, en los estanques reales, la eliminación muy rápida relacionada con el pH sólo ocurrirá por encima del umbral más alto.
Queda por hacer más y mejor trabajo (especialmente trabajo cuantitativo y modelización) sobre los procesos rápidos. Sin embargo, está claro que la excelente eliminación observada en WSP en climas cálidos está íntimamente relacionada con las condiciones hipereutróficas observadas en WSP. De esto se deduce que las concentraciones de algas realmente deberían figurar en el diseño para la eliminación de patógenos bacterianos y que las propuestas de estanques muy claros (James, 1987) probablemente no funcionarían.
Los procesos independientes de la luz podrían ser impulsados por una variedad de factores, los más obvios de los cuales son la inanición, la depredación y la adsorción a las algas. Cualesquiera que sean los mecanismos oscuros, ciertamente serán muy importantes donde el pH y los efectos de la foto-oxidación sean retardados por la profundidad o la ubicación del estanque, por ejemplo en VJSP profundos o WSP en invierno en climas templados. Desgraciadamente, no se ha realizado ningún estudio sistemático de estos factores en los estanques. En un excelente trabajo, Trousellier et al. (1986) buscaron relaciones lineales entre una serie de factores interrelacionados en WSP y la eliminación de coliformes fecales en el sur de Francia. Se encontró una débil relación negativa entre las concentraciones de algas y los coliformes fecales, pero no entre el organismo indicador y la DBO5 o la concentración de rotíferos. Sin embargo, si los efectos eran no lineales o relativamente poco importantes en este sitio de estudio, en comparación con los efectos de la luz y el pH (que eran significativos), entonces el estudio no los encontraría significativos.
Por supuesto, los procesos de eliminación más rápidos serán ineficaces si los patógenos bacterianos no pasan mucho tiempo en el sistema. Por el contrario, incluso una tasa de eliminación lenta puede ser adecuada si se soporta durante el tiempo suficiente. Siempre ha habido incertidumbre acerca de la naturaleza del régimen hidráulico en el WSP. Recientemente, varios autores han señalado la importancia del cortocircuito en la eliminación de patógenos en WSP (James, 1987; Fredrick y Lloyd; 1996; Salter et al., 1999). Sin embargo, hay que tener en cuenta que el cortocircuito está implícito en el supuesto original de Marais (1974) de mezcla completa (parte del afluente se encontrará instantáneamente en el efluente). Además, recientes trabajos de investigación han demostrado que los estanques se aproximan burdamente a los reactores de mezcla completa (Nameche y Vasel, 1998) y, por el momento, esta suposición puede mantenerse y quizás utilizarse junto con un pequeño factor de seguridad.
En la actualidad, en la práctica, la mejor manera de reducir el impacto del cortocircuito es utilizar más de un estanque en serie (Mara, 1976). Son concebibles otras formas de mejorar la hidrodinámica de los WSP, por ejemplo, los deflectores. Sin embargo, para que sean utilizables, las mejoras no deben perjudicar a otras características del WSP. Por ejemplo, al favorecer la acumulación de sólidos y la generación de sulfuros, los deflectores en las WSP facultativas pueden provocar olores y perjudicar la fotosíntesis. Además de utilizarse en el diseño, las mejoras deben ser predecibles. Espero que el interés actual en el uso de la dinámica de fluidos computacional produzca modelos verificados que sean lo suficientemente baratos de emplear como para justificar su uso generalizado en la optimización del diseño de WSP para la eliminación de patógenos.