9 WASTE STABILIZATION PONDS

Gli stagni di stabilizzazione dei rifiuti sono una serie di uno o più bacini ipereutrofici, in genere profondi 1-2 m. A causa dell’attività algale, i WSP avranno di solito alti livelli di ossigeno disciolto e alti valori di pH. Hanno costi di gestione molto bassi e sono semplici da costruire, la spesa principale di solito è il costo del terreno. La semplicità fisica dei WSP smentisce la complessità dei meccanismi di rimozione dei patogeni che avvengono al loro interno. Infatti, a differenza dei sistemi che abbiamo considerato sopra, i WSP possono essere progettati per ottimizzare la rimozione dei patogeni e le prestazioni di due sistemi nello stesso sito possono variare di 3-4 ordini di grandezza. Il nostro crescente apprezzamento del meccanismo con cui questo viene raggiunto deve ancora essere completamente incorporato nelle equazioni di progettazione e la progettazione di tali sistemi è ancora relativamente grezza. Tuttavia, una corretta comprensione di questi meccanismi è inestimabile nella progettazione di WSP.

Gli stagni algali ad alto tasso (HRAP) sono stagni di stabilizzazione dei rifiuti appositamente progettati in cui la popolazione algale è delicatamente agitata meccanicamente, di solito in una qualche forma di configurazione a pista per ottimizzare la produzione algale. Anche se più difficile e costoso da gestire rispetto agli stagni algali, gli HRAP sono, dal punto di vista dei patogeni batterici, non dissimili da un WSP. Gli HRAP raggiungono anche alte (a volte più alte) concentrazioni di pH e ossigeno disciolto e hanno corrispondentemente alti tassi di rimozione degli indicatori (Bahlaoui et al., 1997).

I coliformi fecali sono gli organismi più comunemente usati per monitorare la rimozione dei patogeni dagli impianti di trattamento delle acque reflue. Questo indicatore è stato confrontato con altri indicatori e con salmonelle, campylobacter (vedi Fig. 30.1) e con V. cholerae 01 (Curtis, 1996) e trovato adeguato. Il campylobacter sensibile all’ossigeno presumibilmente muore a causa delle alte concentrazioni di ossigeno. La rimozione di V. cholerae Ol è leggermente più misteriosa, perché il V. cholerae non patogeno strettamente correlato è stato segnalato per crescere in WSP (vedi Curtis, 1996 per una revisione completa). È stato recentemente scoperto che il gene della tossina che distingue gli organismi patogeni dalla forma non patogena è codificato da un batteriofago filamentoso che è incorporato nel cromosoma dell’organismo. Questo fago è indotto dalla luce del sole (Faruque et al., 2000). Questo diminuisce il tasso di crescita degli organismi e potrebbe lasciare l’organismo tossigeno in uno svantaggio sufficiente per inibire la sua sopravvivenza in una WSP.1

I meccanismi di rimozione dei coliformi fecali sono, non a caso, multifattoriali (Troussellier et al., 1986). Tuttavia, i fattori possono essere divisi in veloci e lenti. I fattori veloci (3-0,1 log/h) sono la foto-ossidazione e il pH e sono associati alla luce e quindi alle parti superiori dello stagno durante le ore di luce. I fattori lenti (> 0,1 log/h) sono meno ben definiti e presumibilmente includono la fame, la predazione e l’adsorbimento dei solidi. I processi lenti sono indipendenti dalla luce e si pensa che funzionino sempre e a tutte le profondità. Anche se la maggior parte della ricerca si è concentrata sui fattori veloci, la loro importanza relativa dipende dalla profondità e dalla posizione del WSP. Le WSP sono eterogenee nello spazio e nel tempo. Così il destino di un batterio patogeno in una WSP dipende non solo da quanto tempo rimane in quello stagno, ma da quale parte dello stagno passa e a che ora del giorno lo attraversa.

Nella foto-ossidazione la luce uccide un organismo quando l’energia della luce viene assorbita da una sostanza chimica o sensibilizzatore. Il sensibilizzatore entra in uno stato eccitato di breve durata in cui può passare l’energia luminosa all’ossigeno e formare forme tossiche di ossigeno, tra cui l’ossigeno singoletto, i radicali idrossili, i radicali super-ossidi o il perossido di idrogeno. Le forme tossiche di ossigeno uccidono la cellula ossidando componenti cellulari vitali (Curtis, et al., 1992).

Il tasso di foto-ossidazione aumenta linearmente con la concentrazione di ossigeno, presumibilmente perché la crescente concentrazione di ossigeno aumenta la probabilità che il sensibilizzatore eccitato incontri una molecola di ossigeno. Inoltre, il processo è sinergico con il pH, almeno per alcuni organismi (Davies-Colley et al., 1999). La base del sinergismo non è chiara; potrebbe essere perché i radicali dell’ossigeno danneggiano la membrana, rendendo così le cellule sensibili ad alti valori di pH. Potrebbe anche essere perché alti valori di pH prolungano la vita dei radicali idrossilici. Poiché anche la luce rossa a lunga lunghezza d’onda ha abbastanza energia per creare ossigeno singoletto, qualsiasi lunghezza d’onda della luce visibile o ultravioletta può avviare un danno foto-ossidativo. Quindi l’importanza relativa di una data lunghezza d’onda è governata dalla natura del sensibilizzatore, dalle lunghezze d’onda della luce coinvolte e dalla relativa capacità di queste lunghezze d’onda di penetrare in uno stagno. In WSP il principale sensibilizzatore per i coliformi fecali sono le sostanze umiche che si trovano naturalmente nelle acque reflue. Altri organismi possono avere altri sensibilizzatori, compresi quelli all’interno della cellula (Davies-Colley et al., 1999).

Alti valori di pH sono anche ritenuti responsabili di alcuni processi di rimozione rapida. Credo che la morte avvenga quando il batterio non è più in grado di acidificare il proprio citoplasma. Questo spiegherebbe perché la relazione tra il tasso di rimozione e il pH non è lineare, con valori di pH al di sotto di un certo valore soglia che hanno poco o nessun effetto sulla rimozione dell’indicatore batterico. Lavorando con acqua di stagno reale, Parhad e Rao (1974) e Curtis (1991) hanno riportato un valore soglia di pH di circa 9,3, mentre Pearson et al. (1987), lavorando in tampone, riportano una soglia di pH 8,9. Una quantità considerevole di energia è richiesta da una cellula per acidificare il suo citoplasma (Booth, 1985), quindi la soglia rappresenta probabilmente il punto in cui questo meccanismo omeostatico è sopraffatto. Usando condizioni di bassi nutrienti, Pearson et al. (1987) hanno abbassato artificialmente il valore soglia del pH. Quindi, in stagni reali, la rimozione molto rapida legata al pH si verificherà solo al di sopra della soglia più alta.

Rimane da fare un lavoro maggiore e migliore (specialmente un lavoro quantitativo e di modellazione) sui processi veloci. Tuttavia, è chiaro che l’eccellente rimozione vista in WSP in climi caldi è intimamente legata alle condizioni ipereutrofiche osservate in WSP. Ne consegue che le concentrazioni algali dovrebbero davvero essere presenti nella progettazione per la rimozione dei patogeni batterici e che le proposte di stagni molto chiari (James, 1987) probabilmente non funzionerebbero.

I processi indipendenti dalla luce potrebbero essere guidati da una varietà di fattori, i più ovvi dei quali sono la fame, la predazione e l’adsorbimento alle alghe. Qualunque siano i meccanismi oscuri, essi saranno certamente molto importanti laddove gli effetti del pH e della foto-ossidazione sono ritardati dalla profondità o dalla posizione dello stagno, per esempio in VJSP profonde o WSP in inverno nei climi temperati. Purtroppo, non c’è stato essenzialmente uno studio sistematico di questi fattori negli stagni. In un eccellente documento, Trousellier et al. (1986) hanno cercato relazioni lineari tra una serie di fattori interrelati in WSP e la rimozione dei coliformi fecali nel sud della Francia. Una debole relazione negativa è stata trovata tra le concentrazioni algali e i coliformi fecali, ma non tra l’organismo indicatore e il BOD5 o la concentrazione di rotiferi. Tuttavia, se gli effetti fossero non lineari o relativamente poco importanti in questo sito di studio, rispetto agli effetti della luce e del pH (che erano significativi), allora lo studio non li troverebbe significativi.

Ovviamente i processi di rimozione più veloci saranno inefficaci se i patogeni batterici non passano molto tempo nel sistema. Al contrario, anche un lento tasso di rimozione può essere adeguato se sopportato abbastanza a lungo. C’è sempre stata incertezza sulla natura del regime idraulico in WSP. Recentemente, un certo numero di autori ha sottolineato l’importanza del cortocircuito nella rimozione dei patogeni in WSP (James, 1987; Fredrick e Lloyd; 1996; Salter et al., 1999). Tuttavia, si dovrebbe notare che il cortocircuito è implicito nell’ipotesi originale di Marais (1974) di miscelazione completa (una parte dell’influente si troverà istantaneamente nell’effluente). Inoltre, un recente lavoro di indagine ha dimostrato che gli stagni si avvicinano grossolanamente ai reattori a miscelazione completa (Nameche e Vasel, 1998) e, per il momento, questa assunzione può essere mantenuta e forse usata insieme ad un piccolo fattore di sicurezza. Altri modi per migliorare l’idrodinamica del WSP, per esempio i deflettori, sono concepibili. Tuttavia, per essere utilizzabili, i miglioramenti non devono pregiudicare altre caratteristiche del WSP. Per esempio, promuovendo l’accumulo di solidi e la generazione di solfuri i deflettori in WSP facoltativi, i deflettori possono causare odori e pregiudicare la fotosintesi. Oltre ad essere utilizzati nella progettazione, i miglioramenti devono essere prevedibili. Spero che l’attuale interesse nell’uso della fluidodinamica computazionale produca modelli verificati e sufficientemente economici da giustificare il loro uso diffuso nell’ottimizzazione del design WSP per la rimozione dei patogeni.