9 WASTE STABILISATIEVIJVEREN

Afvalstabilisatievijvers zijn een reeks van één of meer hypereutrofe bassins, doorgaans 1-2 m diep. Als gevolg van de algenactiviteit hebben WSP’s gewoonlijk hoge opgeloste zuurstofniveaus en hoge pH-waarden. Zij hebben zeer lage exploitatiekosten en zijn eenvoudig aan te leggen, waarbij de voornaamste kosten gewoonlijk de kosten van het land zijn. De fysieke eenvoud van WSP’s logenstraft de complexiteit van de mechanismen voor het verwijderen van pathogenen die er plaatsvinden. In tegenstelling tot de systemen die we hierboven besproken hebben, kunnen WSP ontworpen worden om de verwijdering van pathogenen te optimaliseren en de prestaties van twee systemen op dezelfde plaats kunnen 3-4 ordes van grootte verschillen. Ons toenemend inzicht in het mechanisme waardoor dit wordt bereikt moet nog volledig worden verwerkt in de ontwerpvergelijkingen en het ontwerp van dergelijke systemen is nog betrekkelijk ruw. Niettemin is een goed begrip van deze mechanismen van onschatbare waarde voor het ontwerp van WSP’s.

Hoge snelheid algenvijvers (HRAP) zijn speciaal ontworpen afvalstabilisatievijvers waarin de algenpopulatie zachtjes mechanisch wordt geroerd, gewoonlijk in een of andere vorm van race-track configuratie om de algenproductie te optimaliseren. Hoewel moeilijker en duurder te exploiteren dan algenvijvers, zijn HRAP, vanuit het oogpunt van bacteriële pathogenen, niet ongelijk aan een WSP. HRAP bereiken ook hoge (soms hogere) pH- en opgeloste zuurstofconcentraties en hebben dienovereenkomstig hoge verwijderingspercentages van indicatoren (Bahlaoui et al., 1997).

Faecale coliformen zijn de organismen die het meest worden gebruikt om de verwijdering van pathogenen uit afvalwaterzuiveringsinstallaties te monitoren. Deze indicator is vergeleken met andere indicatoren en salmonellae, campylobacter (zie fig. 30.1) en met V. cholerae 01 (Curtis, 1996) en toereikend bevonden. De zuurstofgevoelige campylobacter sterft vermoedelijk als gevolg van de hoge zuurstofconcentraties. De verwijdering van V. cholerae Ol is iets raadselachtiger, omdat de nauw verwante niet-pathogene V. cholerae in WSP blijken te groeien (zie Curtis, 1996 voor een uitgebreid overzicht). Onlangs is ontdekt dat het toxinegen dat de pathogene organismen onderscheidt van de niet-pathogene vorm, wordt gecodeerd door een filamenteuze bacteriofaag die in het chromosoom van het organisme is opgenomen. Deze faag wordt geïnduceerd door zonlicht (Faruque et al., 2000). Dit verlaagt de groeisnelheid van de organismen en kan het toxigene organisme voldoende benadelen om zijn overleving in een WSP te verhinderen.1

De mechanismen van faecale coliform verwijdering zijn niet verrassend, multifactorieel (Troussellier et al., 1986). De factoren kunnen echter worden onderverdeeld in snel en langzaam. De snelle (3-0,1 log/h) factoren zijn foto-oxidatie en pH en houden verband met licht en dus met de bovenste delen van de vijver tijdens de uren van daglicht. De langzame (> 0,1 log/h) factoren zijn minder goed gedefinieerd, en omvatten vermoedelijk verhongering, predatie en adsorptie aan vaste stoffen. De langzame processen zijn onafhankelijk van het licht en worden geacht op alle diepten en op alle tijdstippen te functioneren. Hoewel het meeste onderzoek zich heeft toegespitst op de snelle factoren, hangt hun relatieve belang af van de diepte en de plaats van het WSP. WSP’s zijn heterogeen in ruimte en tijd. Het lot van een pathogene bacterie in een WSP hangt dus niet alleen af van hoe lang hij in dat bassin blijft, maar ook door welk deel van het bassin hij gaat en op welk tijdstip van de dag.

Bij foto-oxidatie doodt licht een organisme wanneer de energie in het licht wordt geabsorbeerd door een chemische stof of sensibilisator. De sensibilisator komt in een kortlevende aangeslagen toestand terecht waarin hij de lichtenergie kan doorgeven aan zuurstof en toxische vormen van zuurstof kan vormen, waaronder singletzuurstof, hydroxylradicalen, superoxide-radicalen of waterstofperoxide. De toxische vormen van zuurstof doden de cel door oxidatie van vitale celbestanddelen (Curtis, et al., 1992).

De snelheid van foto-oxidatie neemt lineair toe met de zuurstofconcentratie, vermoedelijk omdat de toenemende zuurstofconcentratie de kans vergroot dat de aangeslagen sensibilisator een zuurstofmolecuul ontmoet. Bovendien is het proces synergetisch met de pH, althans voor sommige organismen (Davies-Colley et al., 1999). De basis voor het synergisme is niet duidelijk; het zou kunnen zijn omdat de zuurstofradicalen het membraan beschadigen, waardoor de cellen gevoelig worden voor hoge pH-waarden. Het zou ook kunnen komen doordat hoge pH-waarden de levensduur van hydroxylradicalen verlengen. Aangezien zelfs rood licht met een lange golflengte voldoende energie heeft om singletzuurstof te creëren, kan elke golflengte van zichtbaar of ultraviolet licht foto-oxidatieve schade inleiden. Het relatieve belang van een bepaalde golflengte wordt dus bepaald door de aard van de sensibilisator, de golflengten van het betrokken licht en het relatieve vermogen van deze golflengten om in een vijver door te dringen. In WSP is de belangrijkste sensibilisator voor fecale coliformen de humusachtige stoffen die van nature in afvalwater voorkomen. Andere organismen kunnen andere sensibilisatoren hebben, waaronder sensibilisatoren binnenin de cel (Davies-Colley et al., 1999).

Hoge pH-waarden worden ook verantwoordelijk geacht voor sommige snelle verwijderingsprocessen. Ik denk dat de dood optreedt wanneer de bacterie niet langer in staat is zijn eigen cytoplasma aan te zuren. Dit zou verklaren waarom de relatie tussen verwijderingssnelheid en pH niet-lineair is, waarbij pH-waarden onder een bepaalde drempelwaarde weinig of geen effect hebben op de verwijdering van bacteriële indicatoren. Parhad en Rao (1974) en Curtis (1991), die met echt vijverwater werkten, rapporteerden een drempel pH-waarde van ongeveer 9,3, terwijl Pearson et al. (1987), die met buffers werkten, een drempelwaarde van pH 8,9 rapporteerden. Er is een aanzienlijke hoeveelheid energie nodig voor een cel om zijn cytoplasma aan te zuren (Booth, 1985), dus de drempelwaarde geeft waarschijnlijk het punt aan waarop dit homeostatische mechanisme wordt overweldigd. Door gebruik te maken van omstandigheden met weinig voedingsstoffen hebben Pearson et al. (1987) de drempel pH-waarde kunstmatig verlaagd. In echte vijvers zal een zeer snelle pH-gerelateerde verwijdering dus pas boven de hogere drempel optreden.

Meer en beter werk (vooral kwantitatief werk en modellering) moet nog worden verricht met betrekking tot de snelle processen. Het is echter duidelijk dat de uitstekende verwijdering die in WSP in warme klimaten wordt waargenomen, nauw samenhangt met de hypereutrofe omstandigheden die in WSP worden waargenomen. Hieruit volgt dat algenconcentraties echt een rol moeten spelen bij het ontwerp voor de verwijdering van bacteriële pathogenen en dat voorstellen voor zeer heldere vijvers (James, 1987) waarschijnlijk niet zouden werken.

De lichtonafhankelijke processen kunnen worden gestuurd door een verscheidenheid van factoren, waarvan de meest voor de hand liggende zijn verhongering, predatie en adsorptie aan algen. Wat ook de donkere mechanismen zijn, zij zullen zeker zeer belangrijk zijn overal waar pH en foto-oxidatie-effecten vertraagd worden door de diepte of de ligging van de vijver, b.v. in diepe VJSP of WSP in de winter in gematigde klimaten. Helaas zijn deze factoren in vijvers nauwelijks systematisch bestudeerd. In een uitstekend artikel zochten Trousellier et al. (1986) naar lineaire verbanden tussen een aantal onderling samenhangende factoren in WSP en de verwijdering van fecale coliformen in het zuiden van Frankrijk. Er werd een zwak negatief verband gevonden tussen algenconcentraties en fecale coliformen, maar niet tussen indicatororganismen en het BZV5 of de rotiferenconcentratie. Als de effecten echter niet-lineair of relatief onbelangrijk waren op deze onderzoekslocatie, vergeleken met de licht- en pH-effecten (die wel significant waren), dan zouden ze in de studie niet significant worden bevonden.

De snelste verwijderingsprocessen zullen natuurlijk ineffectief zijn als de bacteriële pathogenen niet erg lang in het systeem blijven. Omgekeerd kan zelfs een langzame verwijderingssnelheid voldoende zijn, als men er maar lang genoeg mee doorgaat. Er is altijd onzekerheid geweest over de aard van het hydraulische regime in WSP. Recentelijk hebben een aantal auteurs gewezen op het belang van kortsluiting bij de verwijdering van pathogenen in WSP (James, 1987; Fredrick en Lloyd; 1996; Salter et al., 1999). Er moet echter worden opgemerkt dat kortsluiting impliciet is in de oorspronkelijke veronderstelling van Marais (1974) van volledige menging (een deel van het influent zal onmiddellijk in het effluent terechtkomen). Bovendien is uit recent onderzoek gebleken dat vijvers een ruwe benadering geven van volledig gemengde reactoren (Nameche en Vasel, 1998) en vooralsnog kan deze aanname worden gehandhaafd en wellicht worden gebruikt in combinatie met een kleine veiligheidsfactor.

Op dit moment is in de praktijk de beste manier om het effect van kortsluiting te verminderen het gebruik van meer dan één vijver in serie (Mara, 1976). Andere manieren om de hydrodynamica van WSP’s te verbeteren, b.v. keerschotten, zijn denkbaar. Echter, om bruikbaar te zijn mogen de verbeteringen geen afbreuk doen aan andere eigenschappen van het WSP. Zo kunnen baffles in facultatieve WSP’s, door de ophoping van vaste stoffen en de sulfidevorming te bevorderen, stank veroorzaken en de fotosynthese schaden. De verbeteringen moeten niet alleen bij het ontwerp worden toegepast, maar ook voorspelbaar zijn. Ik hoop dat de huidige belangstelling voor het gebruik van computationele vloeistofdynamica zal leiden tot geverifieerde modellen die goedkoop genoeg zijn om te worden gebruikt om een wijdverbreid gebruik ervan te rechtvaardigen bij de optimalisatie van het ontwerp van WSP’s voor de verwijdering van pathogenen.