Калкулатор за MLVSS при пречистване на отпадъчни води

Летливите суспендирани вещества в смесената течност (MLVSS) са органичната, биоразградима част от суспендираните вещества в аерационния резервоар на система с активна утайка. Те се използват като приблизителна мярка за количеството активни микроорганизми, които пречистват отпадъчните води. Този калкулатор изчислява MLVSS въз основа на лабораторни данни чрез метода на процентното съдържание на VSS или метода на FSS (фиксирани суспендирани вещества).

Какво представлява MLVSS?

Пречиствателните станции за отпадъчни води, които използват процес с активна утайка, разчитат на микроорганизми за разграждане на органичните замърсители. Сместа от вода, микроорганизми и твърди вещества в аерационния резервоар се нарича смесен ликьор. Част от суспендираните вещества в тази смес е органичен материал, състоящ се предимно от живи и мъртви микроорганизми. Тази органична фракция се нарича летливи суспендирани вещества, а когато се измерва в смесения ликьор, се означава като MLVSS.

Останалата част от суспендираните вещества е неорганичен материал, например чакъл, пясък и минерали. Тази неорганична фракция се нарича фиксирани суспендирани вещества (FSS), или MLFSS, когато се измерва в смесения ликьор, тъй като не изгаря при нагряване. Заедно MLVSS и MLFSS съставят суспендираните вещества в смесения ликьор (MLSS) — общата концентрация на суспендираните вещества в резервоара.

$\text{MLSS} = \text{MLVSS} + \text{MLFSS}$

Операторите следят MLVSS, защото той приблизително показва размера на биологичния „персонал“, извършващ пречистването. Постоянното ниво на MLVSS обикновено означава стабилно и предвидимо пречистване. Внезапното понижаване може да сигнализира за токсичен приток, прекомерно отвеждане на утайка или буря, която изнася биомаса от резервоара.

Как се изчислява MLVSS

Има два разпространени начина за изчисляване на MLVSS и при точни лабораторни измервания и двата трябва да дават един и същ резултат.

Метод с процент VSS

Някои лаборатории отчитат VSS като процент от TSS (общите суспендирани вещества). В този случай:

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

• MLVSS = летливи суспендирани вещества в смесения ликьор (mg/L)
• TSS = общи суспендирани вещества (mg/L)
• VSS% = делът на суспендираните вещества, който е летлив, обикновено 65–85% в конвенционална система с активна утайка

Метод с FSS

Други лаборатории отчитат директно фиксираната (неорганичната) фракция. В този случай MLVSS се намира чрез изваждане:

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

Тъй като VSS и FSS винаги дават сбор, равен на TSS, тази формула дава същия резултат като метода с процент, когато базовите измервания съвпадат. Ако двата метода дадат забележимо различни резултати за една и съща проба, лабораторните данни или обработката на пробата трябва да се проверят.

Пример с решение

Пример 1: метод с процент VSS. Оператор измерва TSS от 3 500 мг/L в аерационния резервоар при процент VSS 75%.

$\text{MLVSS} = 3{,}500 \times \frac{75}{100} = 2{,}625 \text{ mg/L}$

Пример 2: метод с FSS. Същият резервоар е измерен и директно: TSS е 3 500 мг/L, а FSS е 875 мг/L.

$\text{MLVSS} = 3{,}500 - 875 = 2{,}625 \text{ mg/L}$

Двата метода съвпадат, както се очаква, тъй като 875 мг/L FSS е точно 25% от 3 500 мг/L TSS.

Как се използва този калкулатор

1. Въведете стойността на общите суспендирани вещества (TSS) в mg/L.
2. Изберете метод за изчисление: „Използване на процент VSS“ или „Използване на фиксирани суспендирани вещества (FSS)“.
3. Въведете втората стойност: процента VSS (0-100%) или стойността на FSS в mg/L.
4. Вижте резултата за MLVSS в mg/L, показан заедно с формулата и използваните числа.

Калкулаторът проверява дали TSS е нула или по-голямо, дали процентът VSS е между 0 и 100 и дали FSS не надвишава TSS, тъй като FSS е част от TSS. Ако някоя проверка не бъде издържана, се показва съобщение с обяснение какво трябва да се коригира.

Съотношението MLVSS/MLSS

В конвенционална станция с активна утайка съотношението MLVSS/MLSS обикновено е между 0,65 и 0,85, което означава, че 65–85% от суспендираните вещества са органични. Съотношение, което се понижава под този диапазон, може да показва натрупване на инертни твърди вещества или постъпване на допълнителен неорганичен материал от промишлен източник. Съотношение близо до горната граница обикновено означава, че биомасата е предимно органична и активна.

Защо MLVSS е важен за управлението на процеса

MLVSS участва в няколко изчисления, които операторите използват ежедневно:

• Съотношение храна към микроорганизми (F/M): сравнява постъпващото органично натоварване с количеството налична биомаса за пречистването му.
• Време на задържане на твърдите вещества (SRT), наричано още възраст на утайката: времето, през което биомасата остава в системата; то влияе върху стабилността на пречистването и способността за отстраняване на амоняка (нитрификация).
• Производство на утайка: повече биомаса обикновено означава повече утайка за отвеждане и обезвреждане.
• Потребност от кислород: биомасата се нуждае от кислород, за да функционира, затова разходът на енергия за аерация приблизително следва MLVSS.

Стандартните лабораторни методи за MLVSS са описани в Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (метод 2540E) и в метод на EPA 160,4.

Как се изчислява съотношението F/M

$\text{Съотношение F/M} = \frac{\text{Натоварване с БПК от притока (kg/day)}}{\text{Маса на MLVSS в резервоара (kg)}}$

Пример. В дадена станция са измерени следните стойности:

• Дебит на притока = 10 000 м³/day
• БПК на притока = 250 мг/L
• Обем на аерационния резервоар = 2 000 м³
• MLVSS = 2 500 мг/L

Тъй като 1 мг/L при дебит, измерен в m³/day, е равен на 1 грам маса на ден, натоварването в kg/day се намира чрез умножение и деление на 1 000:

• Натоварване с БПК от притока = 10 000 м³/day × 250 мг/L ÷ 1 000 = 2 500 kg/day
• Маса на MLVSS = 2 000 м³ × 2 500 мг/L ÷ 1 000 = 5 000 kg
• Съотношение F/M = 2 500 kg/day ÷ 5 000 kg = 0,5 на ден

Конвенционална станция с активна утайка обикновено работи със съотношение F/M между 0,2 и 0,6 на ден. Прекалено високото съотношение може да доведе до нишковидно набъбване на утайката, при което нишковидните бактерии влошават утаяването ѝ. Прекалено ниското съотношение води до загуба на енергия за аериране на биомаса, за която е останало малко храна за усвояване.

Типични работни диапазони

Публикуваните проектни таблици дават общата концентрация на твърдите вещества (MLSS), а не летливата част. MLVSS е летливият дял от тези стойности, тоест приблизително 65–85% от всеки диапазон.

Мембранните биореактори могат да работят с много по-високи концентрации на твърди вещества, тъй като отделят твърдите вещества чрез мембрани, вместо да разчитат на гравитационно утаяване във вторичен утаител.

Как се измерва MLVSS в лаборатория

Стандартната процедура включва два етапа на нагряване:

1. Етап на TSS. Определен обем смесен ликьор се филтрира през предварително претеглен филтър от стъклени влакна, изсушава се при 103–105°C в продължение на поне един час, охлажда се и се претегля. Увеличението на теглото е TSS (или MLSS, когато пробата е смесен ликьор).
2. Етап на накаляване. Същият филтър се нагрява в пещ при 550 °C за 15–20 минути. Органичният материал изгаря, като остава неорганична пепел. Филтърът се охлажда и се претегля отново.
3. Резултат. Загубеното при накаляването тегло е летливата, органична част, тоест MLVSS.

Температурата на пещта е важна. Standard Methods определя етапа на накаляване при 550 °C с допустимо отклонение 50 °C. При по-висока температура неорганични карбонати като магнезиевия карбонат започват да се разлагат, което увеличава измерената загуба на тегло и дава фалшиво висока стойност за летливата фракция. При по-ниска температура органичният материал може да не изгори напълно.

Алтернативи на MLVSS

MLVSS се използва широко, защото е прост и надежден показател, но други методи измерват биомасата по-специфично:

• ATP (аденозинтрифосфат) измерва молекула, която се среща само в живи клетки, така че отчита активната биомаса без мъртвия материал. Необходим е специализиран анализатор.
• Респирометрията измерва скоростта, с която биомасата консумира кислород, и така показва пряко биологичната активност. Тя е полезна за проверка дали притокът е токсичен за биомасата.
• Количественото определяне на ДНК и FISH (флуоресцентна хибридизация in situ) идентифицират и преброяват специфични микроорганизми. Това са предимно изследователски средства, полезни за установяване на причината за нишковидното набъбване на утайката.

Тези методи дават повече подробности, но струват повече и изискват повече време, поради което MLVSS остава стандартът за рутинно управление на процеса.

Често задавани въпроси

Каква е разликата между MLSS и MLVSS? MLSS е общото количество суспендирани вещества в аерационния резервоар, включително органичния и неорганичния материал. MLVSS е само органичната част. MLSS е равно на MLVSS плюс MLFSS (фиксирани суспендирани вещества в смесения ликьор).

Какво е типичното съотношение MLVSS/MLSS? В конвенционална станция с активна утайка то обикновено е от 0,65 до 0,85 (65-85%). По-ниско съотношение показва наличие на повече неорганичен материал в сместа.

Как MLVSS влияе върху съотношението F/M? MLVSS е знаменателят в съотношението F/M. По-висока стойност на MLVSS при еднакво органично натоварване дава по-ниско съотношение F/M. По-ниска стойност на MLVSS дава по-високо съотношение F/M, което може да насърчи развитието на нишковидни бактерии с лошо утаяване, ако се повиши прекомерно.

Какво причинява внезапно понижаване на MLVSS? Честите причини включват прекомерно отвеждане на утайка, токсичен материал в притока, който унищожава биомасата, силен дъжд, измиващ биомасата от резервоара, и ниска наличност на храна през периоди с малко натоварване, например празници.

Може ли MLVSS да бъде прекалено висок? Да. Високият MLVSS увеличава потребността от кислород и съответно разходите за енергия за аерация, може да претовари вторичния утаител с твърди вещества и да ограничи достигането на кислород до центъра на плътните флокулни частици.

Колко скоро след вземането на пробата трябва да се измери MLVSS? Standard Methods препоръчва да се започне възможно най-скоро, тъй като твърдите вещества не могат да бъдат консервирани. Пробите трябва да се съхраняват в хладилник при 4 °C, за предпочитане не повече от 24 часа и никога повече от 7 дни.

Източници

1. Water Environment Federation. Operation of Water Resource Recovery Facilities, 7-о издание. McGraw-Hill Education, 2018.
2. Metcalf & Eddy. Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery, 5-о издание. McGraw-Hill Education, 2014.
3. American Public Health Association, American Water Works Association и Water Environment Federation. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 23-то издание, 2017.
4. U.S. Environmental Protection Agency. Wastewater Technology Fact Sheet: Activated Sludge Process. EPA 832-F-00-016.