9 STAWY STABILIZACJI ODPADÓW

Stawy stabilizacji odpadów to seria jednego lub więcej hipereutroficznych basenów, zwykle o głębokości 1-2 m. Ze względu na aktywność glonów, WSP mają zazwyczaj wysoki poziom tlenu rozpuszczonego i wysokie wartości pH. Mają one bardzo niskie koszty bieżące i są proste w budowie, a podstawowym kosztem jest zazwyczaj koszt gruntu. Fizyczna prostota WSP nie odzwierciedla złożoności mechanizmów usuwania patogenów, które w nich zachodzą. W przeciwieństwie do systemów, które rozważaliśmy powyżej, WSP można zaprojektować tak, aby zoptymalizować usuwanie patogenów, a wydajność dwóch systemów w tym samym miejscu może się różnić o 3-4 rzędy wielkości. Nasza rosnąca wiedza na temat mechanizmów, dzięki którym jest to osiągane, nie została jeszcze w pełni uwzględniona w równaniach projektowych, a projektowanie takich systemów jest nadal stosunkowo prymitywne. Niemniej jednak, właściwe zrozumienie tych mechanizmów jest nieocenione przy projektowaniu WSP.

Wysokoobrotowe stawy algowe (HRAP) to specjalnie zaprojektowane stawy do stabilizacji odpadów, w których populacja alg jest delikatnie mieszana mechanicznie, zwykle w jakiejś formie konfiguracji toru wyścigowego w celu optymalizacji produkcji alg. Choć są one trudniejsze i droższe w eksploatacji niż stawy z glonami, HRAP z punktu widzenia patogenów bakteryjnych nie różnią się od WSP. HRAP osiągają również wysokie (czasami wyższe) pH i stężenia rozpuszczonego tlenu i mają odpowiednio wysokie wskaźniki usuwania wskaźników (Bahlaoui et al., 1997).

Bakterie coli typu kałowego są organizmami najczęściej używanymi do monitorowania usuwania patogenów z oczyszczalni ścieków. Wskaźnik ten został porównany z innymi wskaźnikami oraz z salmonellą, campylobacter (patrz Rys. 30.1) oraz z V. cholerae 01 (Curtis, 1996) i uznany za odpowiedni. Wrażliwe na tlen campylobacter przypuszczalnie giną z powodu wysokich stężeń tlenu. Usunięcie V. cholerae Ol jest nieco bardziej zagadkowe, ponieważ blisko spokrewnione niepatogenne V. cholerae były zgłaszane do wzrostu w WSP (patrz Curtis, 1996 w celu uzyskania wyczerpującego przeglądu). Niedawno odkryto, że gen toksyny, który odróżnia organizmy patogenne od niepatogennych jest kodowany przez nitkowatego bakteriofaga, który jest wbudowany w chromosom organizmu. Fag ten jest indukowany przez światło słoneczne (Faruque et al., 2000). Zmniejsza to tempo wzrostu organizmów i może spowodować, że organizm toksynotwórczy znajdzie się w wystarczająco niekorzystnej sytuacji, aby uniemożliwić jego przetrwanie w WSP.1

Mechanizmy usuwania bakterii coli typu kałowego są, co nie jest zaskakujące, wieloczynnikowe (Troussellier i in., 1986). Czynniki te można jednak podzielić na szybkie i powolne. Czynniki szybkie (3-0,1 log/h) to fotoutlenianie i pH i są one związane ze światłem, a więc z górnymi częściami stawu w godzinach dziennych. Wolne (> 0.1 log/h) czynniki są mniej dobrze zdefiniowane i przypuszczalnie obejmują głodzenie, drapieżnictwo i adsorpcję na ciałach stałych. Wolne procesy są niezależne od światła i uważa się, że działają przez cały czas na wszystkich głębokościach. Chociaż większość badań koncentrowała się na czynnikach szybkich, ich względne znaczenie zależy od głębokości i lokalizacji WSP. WSP są heterogeniczne w przestrzeni i czasie. Tak więc los bakterii patogennej w WSP zależy nie tylko od tego, jak długo pozostaje ona w tym stawie, ale także od tego, przez którą część stawu przechodzi i o jakiej porze dnia przez niego przechodzi.

W fotooksydacji światło zabija organizm, gdy energia zawarta w świetle jest absorbowana przez substancję chemiczną lub sensybilizator. Sensybilizator wchodzi w krótkotrwały stan wzbudzony, w którym może przekazać energię świetlną tlenowi i utworzyć toksyczne formy tlenu, w tym tlen singletowy, rodniki hydroksylowe, rodniki ponadtlenkowe lub nadtlenek wodoru. Toksyczne formy tlenu zabijają komórkę poprzez utlenianie istotnych składników komórkowych (Curtis, et al., 1992).

Szybkość fotoutleniania wzrasta liniowo wraz ze stężeniem tlenu, prawdopodobnie dlatego, że rosnące stężenie tlenu zwiększa prawdopodobieństwo spotkania wzbudzonego sensybilizatora z cząsteczką tlenu. Ponadto, proces ten jest synergistyczny z pH, przynajmniej w przypadku niektórych organizmów (Davies-Colley i in., 1999). Podłoże tego synergizmu nie jest jasne; może to być spowodowane tym, że rodniki tlenowe uszkadzają membranę, czyniąc komórki wrażliwymi na wysokie wartości pH. Może to być również spowodowane tym, że wysokie wartości pH przedłużają żywotność rodników hydroksylowych. Ponieważ nawet światło czerwone o długiej fali ma wystarczającą energię do wytworzenia tlenu singletowego, każda długość fali światła widzialnego lub ultrafioletowego może zainicjować uszkodzenia fotooksydacyjne. Tak więc względne znaczenie danej długości fali zależy od rodzaju sensybilizatora, zaangażowanych długości fal świetlnych i względnej zdolności tych długości fal do przenikania do stawu. W WSP głównym czynnikiem uczulającym na bakterie coli typu kałowego są substancje humusowe, które występują naturalnie w ściekach. Inne organizmy mogą mieć inne czynniki uczulające, w tym czynniki uczulające wewnątrz komórki (Davies-Colley et al., 1999).

Wysokie wartości pH są również uważane za odpowiedzialne za niektóre procesy szybkiego usuwania. Uważam, że śmierć następuje, gdy bakteria nie jest już w stanie zakwaszać własnej cytoplazmy. To wyjaśniałoby, dlaczego zależność pomiędzy szybkością usuwania a pH jest nieliniowa, przy czym wartości pH poniżej pewnej wartości progowej mają niewielki wpływ lub nie mają żadnego wpływu na usuwanie wskaźników bakteryjnych. Pracując z rzeczywistą wodą stawową, Parhad i Rao (1974) oraz Curtis (1991) podali wartość progową pH około 9,3, podczas gdy Pearson et al. (1987), pracując w buforze, podali wartość progową pH 8,9. Znaczna ilość energii jest wymagana dla komórki, aby zakwasić jej cytoplazmę (Booth, 1985), dlatego próg prawdopodobnie reprezentuje punkt, w którym ten mechanizm homeostazy jest przytłoczony. Pearson et al. (1987), stosując warunki o niskiej zawartości składników odżywczych, sztucznie obniżyli progową wartość pH. Tak więc, w rzeczywistych stawach, bardzo szybkie usuwanie związane z pH będzie miało miejsce tylko powyżej wyższego progu.

Więcej i lepsza praca (szczególnie ilościowa i modelowanie) pozostaje do wykonania w zakresie szybkich procesów. Jest jednak jasne, że doskonałe usuwanie obserwowane w WSP w ciepłym klimacie jest ściśle związane z hipereutroficznymi warunkami obserwowanymi w WSP. Wynika z tego, że stężenie glonów naprawdę powinno być brane pod uwagę przy projektowaniu usuwania patogenów bakteryjnych i że propozycje bardzo czystych stawów (James, 1987) prawdopodobnie się nie sprawdzą.

Procesy niezależne od światła mogą być napędzane przez różne czynniki, z których najbardziej oczywiste to głód, drapieżnictwo i adsorpcja na glonach. Jakiekolwiek są ciemne mechanizmy, będą one z pewnością bardzo ważne wszędzie tam, gdzie pH i efekty fotoutleniania są opóźnione przez głębokość lub położenie stawu, np. w głębokich VJSP lub WSP w zimie w klimacie umiarkowanym. Niestety, nie prowadzono dotychczas systematycznych badań nad tymi czynnikami w stawach. W znakomitej pracy Trousellier et al. (1986) poszukiwali liniowych zależności pomiędzy szeregiem powiązanych ze sobą czynników w WSP a usuwaniem bakterii coli typu kałowego w południowej Francji. Stwierdzono słabą ujemną zależność między stężeniem glonów a bakteriami coli typu kałowego, ale nie między organizmem wskaźnikowym a BZT5 lub stężeniem wirusa. Jednakże, jeśli efekty te były nieliniowe lub stosunkowo nieistotne w tym miejscu badawczym, w porównaniu z efektami światła i pH (które były znaczące), to badanie nie wykazało, że są one znaczące.

Oczywiście najszybsze procesy usuwania będą nieskuteczne, jeśli patogeny bakteryjne nie pozostaną zbyt długo w systemie. I odwrotnie, nawet powolne tempo usuwania może być odpowiednie, jeśli wytrzyma wystarczająco długo. Zawsze istniała niepewność co do charakteru reżimu hydraulicznego w WSP. Ostatnio wielu autorów zwróciło uwagę na znaczenie zwarcia w usuwaniu patogenów w WSP (James, 1987; Fredrick i Lloyd, 1996; Salter i in., 1999). Należy jednak zauważyć, że krótkotrwałe mieszanie wynika z pierwotnego założenia Maraisa (1974) o całkowitym wymieszaniu (część dopływu natychmiast znajdzie się w odpływie). Co więcej, ostatnie badania wykazały, że stawy w przybliżeniu przypominają reaktory z całkowitym wymieszaniem (Nameche i Vasel, 1998) i na razie założenie to można utrzymać i być może zastosować w połączeniu z niewielkim współczynnikiem bezpieczeństwa.

W chwili obecnej w praktyce najlepszym sposobem na zmniejszenie wpływu zwarcia jest zastosowanie więcej niż jednego stawu w szeregu (Mara, 1976). Można sobie wyobrazić inne sposoby poprawy hydrodynamiki WSP, np. zastosowanie przegród. Jednak, aby ulepszenia te były użyteczne, nie mogą mieć negatywnego wpływu na inne cechy WSP. Na przykład przegrody sprzyjające gromadzeniu się ciał stałych i wytwarzaniu siarczków w fakultatywnych WSP mogą powodować nieprzyjemny zapach i utrudniać fotosyntezę. Oprócz zastosowania w projektowaniu, ulepszenia muszą być przewidywalne. Mam nadzieję, że obecne zainteresowanie wykorzystaniem obliczeniowej dynamiki płynów zaowocuje zweryfikowanymi modelami, które będą wystarczająco tanie, aby uzasadnić ich powszechne zastosowanie w optymalizacji projektowania WSP w celu usuwania patogenów.

.