Калькулятор MLVSS за пречистване на отпадъчни води

Въведение

Калкулаторът за смесени летливи суспендирани твърди вещества (MLVSS) е основен инструмент за оператори на пречиствателни станции за отпадъчни води, екологични инженери и изследователи, работещи с активни утайки. MLVSS представлява органичната фракция на суспендираните твърди вещества в аерационните резервоари и служи като критичен параметър за мониторинг на ефективността на биологичното третиране. Този калкулатор предоставя прост и точен метод за определяне на стойностите на MLVSS на базата на концентрацията на общи суспендирани твърди вещества (TSS) и процента на летливи суспендирани твърди вещества (VSS%), или TSS и измервания на фиксирани суспендирани твърди вещества (FSS).

Правилният мониторинг на MLVSS помага за оптимизиране на процесите на третиране, намаляване на оперативните разходи и осигуряване на спазване на стандартите за качество на отпадъчните води. Чрез поддържане на подходящи нива на MLVSS, пречиствателните станции за отпадъчни води могат да постигнат оптимално отстраняване на хранителни вещества, да минимизират производството на утайки и да подобрят общата ефективност на третиране.

Методи за изчисление на MLVSS

MLVSS може да бъде изчислено с помощта на два основни метода, и двата от които са поддържани от този калкулатор:

Метод на процента VSS

Първият метод изчислява MLVSS, използвайки концентрацията на общи суспендирани твърди вещества (TSS) и процента на летливи суспендирани твърди вещества (VSS%):

$\text{MLVSS} = \text{TSS} \times \frac{\text{VSS\%}}{100}$

Където:

• MLVSS = Смесени летливи суспендирани твърди вещества (mg/L)
• TSS = Общи суспендирани твърди вещества (mg/L)
• VSS% = Процент на суспендираните твърди вещества, които са летливи (%)

Метод на FSS

Вторият метод изчислява MLVSS, като изважда фиксираните суспендирани твърди вещества (FSS) от общите суспендирани твърди вещества (TSS):

$\text{MLVSS} = \text{TSS} - \text{FSS}$

Където:

• MLVSS = Смесени летливи суспендирани твърди вещества (mg/L)
• TSS = Общи суспендирани твърди вещества (mg/L)
• FSS = Фиксирани суспендирани твърди вещества (mg/L)

И двата метода дават същия резултат, когато измерванията са точни, тъй като VSS и FSS са взаимно допълващи се компоненти на TSS:

$\text{TSS} = \text{VSS} + \text{FSS}$

Как да използвате този калкулатор

1. Въведете общите суспендирани твърди вещества (TSS): Въведете измерената стойност на TSS в mg/L.

2. Изберете метод на изчисление:

   • Изберете "Използвайки процента VSS", ако имате данни за VSS%
   • Изберете "Използвайки фиксирани суспендирани твърди вещества (FSS)", ако имате измервания на FSS

3. Въведете допълнителен параметър:

   • Ако използвате метода на процента VSS: Въведете процента VSS (0-100%)
   • Ако използвате метода на FSS: Въведете стойността на FSS в mg/L

4. Прегледайте резултатите: Калкулаторът автоматично ще покаже изчислената стойност на MLVSS в mg/L.

5. Визуализация на формулата: Под резултата ще видите формулата, използвана и стъпките на изчисление.

Валидиране на входните данни

Калкулаторът извършва следните валидирания на входните данни на потребителя:

• TSS трябва да бъде положително число (≥ 0 mg/L)
• Процентът VSS трябва да бъде между 0 и 100%
• FSS трябва да бъде положително число (≥ 0 mg/L)
• FSS не може да надвишава TSS (тъй като FSS е компонент на TSS)

Ако някое от валидирането не успее, съобщение за грешка ще ви насочи да коригирате входа.

Разбиране на MLVSS в пречистването на отпадъчни води

MLVSS представлява органичната фракция на суспендираните твърди вещества в аерационния резервоар на процеса с активни утайки. Той служи като прокси измерване за активната биомаса (микроорганизми), отговорна за биодеградацията на органични вещества и хранителни вещества в отпадъчните води.

Съотношението на MLVSS към MLSS (смесени суспендирани твърди вещества) обикновено варира от 0.65 до 0.85 (65-85%) в конвенционалните системи с активни утайки, с вариации в зависимост от характеристиките на входящите води, процеса на третиране и оперативните условия.

Концентрацията на MLVSS е ключов параметър, използван за изчисляване на:

• Отношение храна към микроорганизми (F/M)
• Възраст на утайките или време за задържане на твърди вещества (SRT)
• Добив на биомаса и темпове на производство на утайки
• Оксигенна нужда за биологично третиране

Случаи на употреба

Контрол на процеса и оптимизация

Мониторингът на MLVSS е от съществено значение за поддържане на оптимални условия за биологично третиране. Операторите на станции използват данни за MLVSS, за да:

1. Регулират F/M съотношението: Чрез контролиране на концентрацията на MLVSS спрямо входящото органично натоварване (BOD или COD), операторите могат да поддържат желаното F/M съотношение за оптимална ефективност на третиране.

2. Управляват възрастта на утайките: Измерванията на MLVSS помагат да се определи подходящата скорост на изхвърляне, за да се поддържа целевото време за задържане на твърди вещества (SRT).

3. Оптимизират аерацията: Нивата на MLVSS информират изчисленията за нуждата от кислород, позволявайки енергийно ефективен контрол на аерацията.

4. Мониторинг на здравето на биомасата: Рязките промени в MLVSS или съотношението MLVSS/MLSS могат да индикират проблеми с жизнеспособността на биомасата или инхибиране на процеса.

Пример: Изчисляване на F/M съотношение

Съотношението храна към микроорганизми (F/M) се изчислява като:

$\text{F/M Ratio} = \frac{\text{Influent BOD (kg/day)}}{\text{MLVSS (kg)}}$

За пречиствателна станция с:

• Входящ поток = 10,000 m³/day
• Входящ BOD = 250 mg/L
• Обем на аерационния резервоар = 2,000 m³
• MLVSS = 2,500 mg/L

F/M съотношението ще бъде:

• Входящо BOD натоварване = 10,000 m³/day × 250 mg/L ÷ 1,000,000 = 2,500 kg/day
• Маса на MLVSS = 2,000 m³ × 2,500 mg/L ÷ 1,000,000 = 5,000 kg
• F/M съотношение = 2,500 kg/day ÷ 5,000 kg = 0.5 day⁻¹

Приложения за изследвания и проектиране

Екологичните инженери и изследователите използват данни за MLVSS за:

1. Проектиране на процеси: Размер на аерационни резервоари и вторични утаители на базата на целеви концентрации на MLVSS.

2. Кинетични изследвания: Определяне на скорости на биодеградация и параметри на растежа на микроорганизми.

3. Моделиране на процеси: Калибриране на модели на активни утайки за симулация и оптимизация на процесите.

4. Оценка на технологии: Сравняване на производителността на различни технологии за третиране или оперативни стратегии.

Регулаторно съответствие

Мониторингът на MLVSS подкрепя спазването на екологичните регулации чрез:

1. Осигуряване на правилно третиране: Поддържането на подходящи нива на MLVSS помага за постигане на изискваното качество на отпадъчните води.

2. Документиране на контрол на процеса: Данните за MLVSS демонстрират правилния контрол на процеса пред регулаторните органи.

3. Отстраняване на проблеми с качеството на отпадъчните води: Тенденциите на MLVSS могат да помогнат за идентифициране на причините за проблеми с качеството на отпадъчните води.

Алтернативи на MLVSS

Докато MLVSS е широко използван, други параметри могат да предоставят допълнителна или алтернативна информация за биомасата в пречистването на отпадъчни води:

1. ATP (Аденозин трифосфат): Осигурява директно измерване на активната биомаса чрез количествено определяне на клетъчните енергийни носители.

2. Квантifizierung на ДНК: Предлага прецизно измерване на микробната биомаса чрез количествено определяне на нуклеинови киселини.

3. Респирометрия: Измерва скоростта на усвояване на кислород (OUR), за да оцени директно биологичната активност.

4. FISH (Флуоресцентна хибридизация в ситу): Позволява идентификация и количествено определяне на специфични микробни популации.

5. Фракциониране на COD: Характеризира различни биоразградими фракции в биомасата.

Тези алтернативи могат да предоставят по-специфична информация, но обикновено изискват по-сложна апаратура и експертиза в сравнение с относително простия тест за MLVSS.

История на MLVSS в пречистването на отпадъчни води

Концепцията за измерване на летливи суспендирани твърди вещества като индикатор за биологична активност в пречистването на отпадъчни води се е развила паралелно с развитието на процесите с активни утайки:

1. Ранен 20-ти век: Процесът с активни утайки е разработен през 1910-те години от Ардън и Локет в Манчестър, Англия. Първоначалният контрол на процеса разчиташе основно на визуални наблюдения и тестове за утаяване.

2. 1930-1940-те години: С подобряването на разбирането за микробиологичните процеси, изследователите започнаха да различават между органични (летливи) и неорганични (фиксирани) фракции на суспендираните твърди вещества.

3. 1950-1960-те години: MLVSS се утвърди като стандартен параметър за количествено определяне на биомасата в системите с активни утайки, с методи, стандартизирани в публикации като "Стандартни методи за изследване на вода и отпадъчни води."

4. 1970-1980-те години: Връзката между MLVSS и производителността на третиране беше обширно проучена, водеща до насоки за проектиране и експлоатация на базата на параметри като F/M съотношение и SRT.

5. 1990-до настоящия момент: Разширеното разбиране на микробната екология и метаболизъм доведе до по-сложни модели и стратегии за контрол, въпреки че MLVSS остава основен параметър поради своята простота и надеждност.

Днес, въпреки че съществуват по-напреднали техники за характеризиране на биомасата, MLVSS продължава да се използва широко в операциите за пречистване на отпадъчни води поради своята практичност, установени корелации с производителността и относително проста аналитична процедура.

Примери за код за изчисление на MLVSS

Ето примери за това как да се изчисли MLVSS, използвайки различни програмни езици:

1' Excel формула за изчисление на MLVSS, използвайки процента VSS
2Function MLVSS_from_VSS_Percentage(TSS As Double, VSS_Percentage As Double) As Double
3    ' Валидиране на входните данни
4    If TSS < 0 Or VSS_Percentage < 0 Or VSS_Percentage > 100 Then
5        MLVSS_from_VSS_Percentage = CVErr(xlErrValue)
6        Exit Function
7    End If
8    
9    ' Изчисляване на MLVSS
10    MLVSS_from_VSS_Percentage = TSS * (VSS_Percentage / 100)
11End Function
12
13' Excel формула за изчисление на MLVSS, използвайки FSS
14Function MLVSS_from_FSS(TSS As Double, FSS As Double) As Double
15    ' Валидиране на входните данни
16    If TSS < 0 Or FSS < 0 Or FSS > TSS Then
17        MLVSS_from_FSS = CVErr(xlErrValue)
18        Exit Function
19    End If
20    
21    ' Изчисляване на MLVSS
22    MLVSS_from_FSS = TSS - FSS
23End Function
24

1def calculate_mlvss_from_vss_percentage(tss, vss_percentage):
2    """
3    Изчислява MLVSS, използвайки TSS и процента VSS
4    
5    Аргументи:
6        tss (float): Общи суспендирани твърди вещества в mg/L
7        vss_percentage (float): Процент VSS (0-100)
8        
9    Връща:
10        float: MLVSS в mg/L
11    """
12    # Валидиране на входните данни
13    if tss < 0 or vss_percentage < 0 or vss_percentage > 100:
14        raise ValueError("Невалиден вход: TSS трябва да бъде положителен и VSS% между 0-100")
15        
16    # Изчисляване на MLVSS
17    return tss * (vss_percentage / 100)
18
19def calculate_mlvss_from_fss(tss, fss):
20    """
21    Изчислява MLVSS, използвайки TSS и FSS
22    
23    Аргументи:
24        tss (float): Общи суспендирани твърди вещества в mg/L
25        fss (float): Фиксирани суспендирани твърди вещества в mg/L
26        
27    Връща:
28        float: MLVSS в mg/L
29    """
30    # Валидиране на входните данни
31    if tss < 0 or fss < 0:
32        raise ValueError("Невалиден вход: TSS и FSS трябва да бъдат положителни")
33    if fss > tss:
34        raise ValueError("Невалиден вход: FSS не може да бъде по-голямо от TSS")
35        
36    # Изчисляване на MLVSS
37    return tss - fss
38

1/**
2 * Изчислява MLVSS, използвайки TSS и процента VSS
3 * @param {number} tss - Общи суспендирани твърди вещества в mg/L
4 * @param {number} vssPercentage - Процент VSS (0-100)
5 * @returns {number} MLVSS в mg/L
6 */
7function calculateMlvssFromVssPercentage(tss, vssPercentage) {
8  // Валидиране на входните данни
9  if (tss < 0 || vssPercentage < 0 || vssPercentage > 100) {
10    throw new Error("Невалиден вход: TSS трябва да бъде положителен и VSS% между 0-100");
11  }
12  
13  // Изчисляване на MLVSS
14  return tss * (vssPercentage / 100);
15}
16
17/**
18 * Изчислява MLVSS, използвайки TSS и FSS
19 * @param {number} tss - Общи суспендирани твърди вещества в mg/L
20 * @param {number} fss - Фиксирани суспендирани твърди вещества в mg/L
21 * @returns {number} MLVSS в mg/L
22 */
23function calculateMlvssFromFss(tss, fss) {
24  // Валидиране на входните данни
25  if (tss < 0 || fss < 0) {
26    throw new Error("Невалиден вход: TSS и FSS трябва да бъдат положителни");
27  }
28  if (fss > tss) {
29    throw new Error("Невалиден вход: FSS не може да бъде по-голямо от TSS");
30  }
31  
32  // Изчисляване на MLVSS
33  return tss - fss;
34}
35

1public class MlvssCalculator {
2    /**
3     * Изчислява MLVSS, използвайки TSS и процента VSS
4     * 
5     * @param tss Общи суспендирани твърди вещества в mg/L
6     * @param vssPercentage Процент VSS (0-100)
7     * @return MLVSS в mg/L
8     * @throws IllegalArgumentException ако входните данни са невалидни
9     */
10    public static double calculateMlvssFromVssPercentage(double tss, double vssPercentage) {
11        // Валидиране на входните данни
12        if (tss < 0 || vssPercentage < 0 || vssPercentage > 100) {
13            throw new IllegalArgumentException("Невалиден вход: TSS трябва да бъде положителен и VSS% между 0-100");
14        }
15        
16        // Изчисляване на MLVSS
17        return tss * (vssPercentage / 100);
18    }
19    
20    /**
21     * Изчислява MLVSS, използвайки TSS и FSS
22     * 
23     * @param tss Общи суспендирани твърди вещества в mg/L
24     * @param fss Фиксирани суспендирани твърди вещества в mg/L
25     * @return MLVSS в mg/L
26     * @throws IllegalArgumentException ако входните данни са невалидни
27     */
28    public static double calculateMlvssFromFss(double tss, double fss) {
29        // Валидиране на входните данни
30        if (tss < 0 || fss < 0) {
31            throw new IllegalArgumentException("Невалиден вход: TSS и FSS трябва да бъдат положителни");
32        }
33        if (fss > tss) {
34            throw new IllegalArgumentException("Невалиден вход: FSS не може да бъде по-голямо от TSS");
35        }
36        
37        // Изчисляване на MLVSS
38        return tss - fss;
39    }
40}
41

Практически примери

Пример 1: Използване на метода на процента VSS

Оператор на пречиствателна станция за отпадъчни води измерва следното:

• TSS в аерационния резервоар = 3,500 mg/L
• Процент VSS = 75%

Използвайки метода на процента VSS: MLVSS = 3,500 mg/L × (75% ÷ 100) = 2,625 mg/L

Пример 2: Използване на метода на FSS

Същият оператор измерва:

• TSS в аерационния резервоар = 3,500 mg/L
• FSS в аерационния резервоар = 875 mg/L

Използвайки метода на FSS: MLVSS = 3,500 mg/L - 875 mg/L = 2,625 mg/L

Пример 3: Отстраняване на проблеми с ниско MLVSS/MLSS съотношение

Оператор забелязва, че съотношението MLVSS/MLSS е спаднало от 0.75 на 0.60 през последния месец:

• Текущ TSS = 3,200 mg/L
• Текущ процент VSS = 60%
• Текущ MLVSS = 1,920 mg/L

Тази намаление може да индикира:

• Увеличени неорганични твърди вещества от индустриално изхвърляне
• Натрупване на инертни твърди вещества поради недостатъчно изхвърляне
• Намалена биологична активност поради токсичност

Операторът трябва да проучи причината и да коригира процеса.

Често задавани въпроси

Какво е MLVSS и защо е важно?

MLVSS (Смесени летливи суспендирани твърди вещества) представлява органичната фракция на суспендираните твърди вещества в процеса с активни утайки. Той е важен, защото служи като индикатор за активната биомаса (микроорганизми), отговорна за третиране на отпадъчните води. Мониторингът на MLVSS помага за оптимизиране на ефективността на третиране, контрол на производството на утайки и осигуряване на правилно отстраняване на хранителни вещества.

Каква е разликата между MLSS и MLVSS?

MLSS (Смесени суспендирани твърди вещества) измерва общата концентрация на суспендирани твърди вещества в аерационния резервоар, включително както органични (летливи), така и неорганични (фиксирани) материали. MLVSS измерва само летливата (органична) част от MLSS, което по-добре представлява активната биомаса. Връзката е: MLSS = MLVSS + MLFSS (Смесени фиксирани суспендирани твърди вещества).

Какво е типичното съотношение MLVSS/MLSS?

В конвенционалните системи с активни утайки, съотношението MLVSS/MLSS обикновено варира от 0.65 до 0.85 (65-85%). По-ниските съотношения могат да индикират високо неорганично съдържание или натрупване на инертни твърди вещества, докато по-високите съотношения предполагат предимно органична биомаса. Съотношението варира в зависимост от характеристиките на входящите води, процеса на третиране и оперативните условия.

Как се измерва MLVSS в лаборатория?

MLVSS се измерва чрез двустепенен процес:

1. Проба се филтрира през филтър от стъклена влакна, изсушава се при 103-105°C и се претегля, за да се определи MLSS.
2. Същият филтър след това се запалва при 550°C в муфелна пещ, изгаряйки органичната материя, и се претегля отново.
3. Загубата на тегло по време на запалването представлява летливата част (MLVSS).

Тази процедура е стандартизирана в методи като Стандартни методи 2540E или EPA Метод 160.4.

Каква концентрация на MLVSS трябва да се поддържа в процеса с активни утайки?

Оптималните концентрации на MLVSS варират в зависимост от типа на процеса:

• Конвенционални активни утайки: 1,500-3,500 mg/L
• Разширена аерация: 2,000-5,000 mg/L
• Мембранни биореактори (MBR): 8,000-12,000 mg/L
• Секвениращи партидни реактори (SBR): 2,000-4,000 mg/L

Подходящата концентрация зависи от проектните параметри, целите на третиране и оперативните условия.

Как MLVSS влияе на F/M съотношението?

MLVSS е в знаменателя на изчислението на съотношението храна към микроорганизми (F/M):

F/M Ratio = Входящо BOD натоварване (kg/day) ÷ MLVSS в системата (kg)

По-високите концентрации на MLVSS водят до по-ниски F/M съотношения, насърчавайки ендогенна респирация и по-добро утаяване на утайките. По-ниските концентрации на MLVSS водят до по-високи F/M съотношения, което може да доведе до растеж на филamentos и лошо утаяване, ако е твърде високо.

Какво причинява намаление на MLVSS в система с активни утайки?

Намаленията на MLVSS могат да бъдат резултат от:

• Прекомерно изхвърляне на утайки
• Токсичен вход, убиващ биомасата
• Ендогенен разпад, надвишаващ растежа по време на периоди на ниско натоварване
• Хидравлично измиване по време на високи потоци
• Увеличено неорганично съдържание в входящите води
• Недостатъчно предлагане на хранителни вещества, ограничаващо биологичния растеж

Може ли MLVSS да бъде твърде висок?

Да, прекомерно високият MLVSS може да предизвика проблеми, включително:

• Висока нужда от кислород и разходи за аерация
• Лошо утаяване в вторичните утаители
• Увеличени разходи за производство и изхвърляне на утайки
• Намалена ефективност на третиране поради ограничения на дифузията
• Потенциал за анаеробни условия в интериора на флокулите

Колко бързо трябва да се измерва MLVSS след вземане на проби?

Анализът на MLVSS трябва да започне идеално в рамките на 2 часа след вземане на пробата, за да се предотвратят промени поради биологична активност. Ако незабавният анализ не е възможен, пробите трябва да се съхраняват в хладилник при 4°C за до 24 часа. За по-дълго съхранение пробите трябва да се запазят с сулфурна киселина до pH < 2 и да се охладят, въпреки че това не е идеално за определяне на MLVSS.

Как температурата влияе на MLVSS?

Температурата влияе на MLVSS по няколко начина:

• По-високите температури увеличават скоростите на растеж на микроорганизмите, потенциално увеличавайки MLVSS
• По-високите температури също увеличават скоростите на ендогенен разпад
• Сезонните температурни промени могат да променят състава на микробната общност
• Температурата влияе на разтворимостта на кислорода, което може индиректно да повлияе на MLVSS

Операторите често трябва да регулират скоростите на изхвърляне сезонно, за да поддържат целевите концентрации на MLVSS.

Източници

1. Water Environment Federation. (2018). Operation of Water Resource Recovery Facilities, 7th Edition. McGraw-Hill Education.

2. Metcalf & Eddy, Inc. (2014). Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery, 5th Edition. McGraw-Hill Education.

3. American Public Health Association, American Water Works Association, & Water Environment Federation. (2017). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 23rd Edition.

4. Jenkins, D., Richard, M. G., & Daigger, G. T. (2003). Manual on the Causes and Control of Activated Sludge Bulking, Foaming, and Other Solids Separation Problems, 3rd Edition. CRC Press.

5. U.S. Environmental Protection Agency. (2021). Wastewater Technology Fact Sheet: Activated Sludge Process. EPA 832-F-00-016.

6. Grady, C. P. L., Daigger, G. T., Love, N. G., & Filipe, C. D. M. (2011). Biological Wastewater Treatment, 3rd Edition. CRC Press.

7. Water Environment Research Foundation. (2003). Methods for Wastewater Characterization in Activated Sludge Modeling. WERF Report 99-WWF-3.

8. Henze, M., van Loosdrecht, M. C. M., Ekama, G. A., & Brdjanovic, D. (2008). Biological Wastewater Treatment: Principles, Modelling and Design. IWA Publishing.

Опитайте нашия калкулатор MLVSS днес, за да оптимизирате мониторинга и контрола на процеса на пречистване на отпадъчни води!