Calculadora de SSVLM per al tractament d’aigües residuals

Els sòlids suspesos volàtils del licor mesclat (SSVLM) són la fracció orgànica i biodegradable dels sòlids suspesos d’un tanc d’aeració de fangs activats. S’utilitzen com a mesura indirecta de la quantitat de microorganismes actius que tracten les aigües residuals. Aquesta calculadora determina els SSVLM a partir de dades de laboratori mitjançant el mètode del percentatge de SSV o el mètode dels SSF (sòlids suspesos fixos).

Què són els SSVLM?

Les plantes de tractament d’aigües residuals que utilitzen el procés de fangs activats depenen dels microorganismes per descompondre els contaminants orgànics. La mescla d’aigua, microorganismes i sòlids del tanc d’aeració s’anomena licor mesclat. Una part dels sòlids suspesos d’aquesta mescla és material orgànic, format principalment per microorganismes vius i morts. Aquesta fracció orgànica són els sòlids suspesos volàtils, i quan es mesuren en el licor mesclat s’anomenen SSVLM.

La resta dels sòlids suspesos està formada per material inorgànic, com ara grava, sorra i minerals. Aquesta fracció inorgànica s’anomena sòlids suspesos fixos (SSF), o SSLMF quan es mesura en el licor mesclat, perquè no es crema quan s’escalfa. En conjunt, els SSVLM i els SSLMF formen els sòlids suspesos del licor mesclat (SSLM), la concentració total de sòlids suspesos del tanc.

$\text{SSLM} = \text{SSVLM} + \text{SSLMF}$

Els operadors controlen els SSVLM perquè aproximen la mida de la força biològica que duu a terme el tractament. Un nivell estable de SSVLM generalment indica un tractament estable i predictible. Una disminució sobtada pot indicar un afluent tòxic, una purga excessiva de fangs o una tempesta que arrossega la biomassa fora del tanc.

Com es calculen els SSVLM

Hi ha dues maneres habituals de calcular els SSVLM, i totes dues haurien de donar el mateix resultat si les mesures de laboratori són exactes.

Mètode del percentatge de SSV

Alguns laboratoris indiquen els SSV com un percentatge dels SST (sòlids suspesos totals). En aquest cas:

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

• SSVLM = sòlids suspesos volàtils del licor mesclat (mg/L)
• SST = sòlids suspesos totals (mg/L)
• SSV% = proporció de sòlids suspesos que és volàtil, habitualment 65–85% en un sistema convencional de fangs activats

Mètode dels SSF

Altres laboratoris indiquen directament la fracció fixa (inorgànica). En aquest cas, els SSVLM es determinen per sostracció:

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

Com que els SSV i els SSF sempre sumen els SST, aquesta fórmula dona el mateix resultat que el mètode del percentatge sempre que les mesures subjacents coincideixin. Si els dos mètodes donen resultats notablement diferents per a la mateixa mostra, cal revisar les dades del laboratori o la manipulació de la mostra.

Exemple resolt

Exemple 1: mètode del percentatge de SSV. Un operador mesura uns SST de 3.500 mg/L al tanc d’aeració, amb un percentatge de SSV del 75 %.

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

Exemple 2: mètode dels SSF. El mateix tanc també es mesura directament: els SST són 3.500 mg/L i els SSF són 875 mg/L.

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

Tots dos mètodes coincideixen, com era d’esperar, ja que 875 mg/L de SSF equival exactament al 25 % de 3.500 mg/L de SST.

Com s’utilitza aquesta calculadora

1. Introduïu el valor dels sòlids suspesos totals (SST) en mg/L.
2. Trieu un mètode de càlcul: «Amb el percentatge de SSV» o «Amb els sòlids suspesos fixos (SSF)».
3. Introduïu el segon valor: el percentatge de SSV (0-100%) o el valor dels SSF en mg/L.
4. Llegiu el resultat dels SSVLM en mg/L, que es mostra amb la fórmula i els nombres utilitzats.

La calculadora comprova que els SST siguin iguals o superiors a zero, que el percentatge de SSV estigui entre 0 i 100, i que els SSF no superin els SST, ja que els SSF formen part dels SST. Si una comprovació falla, mostra un missatge que explica què cal corregir.

La relació SSVLM/SSLM

En una planta convencional de fangs activats, la relació SSVLM/SSLM sol situar-se entre 0,65 i 0,85, és a dir, 65–85% dels sòlids suspesos són orgànics. Una relació que disminueix per sota d’aquest interval pot indicar una acumulació de sòlids inerts o l’entrada de material inorgànic addicional procedent d’una font industrial. Una relació propera al límit superior de l’interval sol significar que la biomassa és principalment orgànica i activa.

Per què són importants els SSVLM per al control del procés

Els SSVLM intervenen en diversos càlculs que els operadors utilitzen cada dia:

• Relació aliment/microorganismes (A/M): compara la càrrega orgànica entrant amb la quantitat de biomassa disponible per tractar-la.
• Temps de retenció de sòlids (TRS), també anomenat edat dels fangs: temps durant el qual la biomassa roman en el sistema, que afecta l’estabilitat del tractament i la capacitat d’eliminar l’amoníac (nitrificació).
• Producció de fangs: en general, més biomassa significa més fangs per purgar i eliminar.
• Demanda d’oxigen: la biomassa necessita oxigen per funcionar, de manera que el consum d’energia d’aeració varia aproximadament amb els SSVLM.

Els mètodes de laboratori estàndard per als SSVLM es descriuen a Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (mètode 2540E) i en el mètode 160,4 de l’EPA.

Com es calcula la relació A/M

$\text{Relació A/M} = \frac{\text{Càrrega de DBO de l’afluent (kg/dia)}}{\text{Massa de SSVLM al tanc (kg)}}$

Exemple. Una planta presenta aquests valors:

• Cabal de l’afluent = 10.000 m³/dia
• DBO de l’afluent = 250 mg/L
• Volum del tanc d’aeració = 2.000 m³
• SSVLM = 2.500 mg/L

Com que 1 mg/L en un cabal mesurat en m³/dia equival a 1 gram de massa per dia, la càrrega en kg/dia es determina multiplicant i dividint per 1.000:

• Càrrega de DBO de l’afluent = 10.000 m³/dia × 250 mg/L ÷ 1.000 = 2.500 kg/dia
• Massa de SSVLM = 2.000 m³ × 2.500 mg/L ÷ 1.000 = 5.000 kg
• Relació A/M = 2.500 kg/dia ÷ 5.000 kg = 0,5 per dia

Una planta convencional de fangs activats sol funcionar amb una relació A/M d’entre 0,2 i 0,6 per dia. Una relació massa alta pot causar un esponjament filamentós, en què els bacteris filamentosos fan que els fangs sedimentin malament. Una relació massa baixa malbarata energia en airejar biomassa a la qual queda poc aliment per consumir.

Intervals de funcionament habituals

Les taules de disseny publicades indiquen la concentració total de sòlids (SSLM), en lloc de la part volàtil. Els SSVLM són la fracció volàtil d’aquestes xifres, aproximadament 65–85% de cada interval.

Els bioreactors de membranes poden funcionar amb concentracions de sòlids molt més altes perquè separen els sòlids amb membranes, en lloc de dependre de la sedimentació per gravetat en un clarificador.

Com es mesuren els SSVLM al laboratori

El procediment estàndard consta de dues etapes d’escalfament:

1. Etapa dels SST. Es filtra un volum conegut de licor mesclat a través d’un filtre de fibra de vidre prèviament pesat, s’asseca a 103–105°C durant almenys una hora, es refreda i es pesa. L’augment de pes és el valor dels SST (o dels SSLM, quan la mostra és de licor mesclat).
2. Etapa d’ignició. El mateix filtre s’escalfa en un forn a 550 °C durant 15–20 minuts. El material orgànic es crema i deixa cendres inorgàniques. El filtre es refreda i es torna a pesar.
3. Resultat. La pèrdua de pes durant la ignició és la part volàtil i orgànica, que correspon als SSVLM.

La temperatura del forn és important. Els Standard Methods estableixen l’etapa d’ignició a 550 °C amb una tolerància de 50 °C. Si s’escalfa més, els carbonats inorgànics, com el carbonat de magnesi, comencen a descompondre’s, cosa que augmenta la pèrdua de pes mesurada i dona una lectura de volàtils falsament elevada. Si s’escalfa menys, és possible que el material orgànic no es cremi completament.

Alternatives als SSVLM

Els SSVLM s’utilitzen àmpliament perquè són simples i fiables, però altres mètodes mesuren la biomassa de manera més específica:

• ATP (trifosfat d’adenosina) mesura una molècula que només es troba a les cèl·lules vives, de manera que compta la biomassa activa sense el material mort. Requereix un analitzador específic.
• Respirometria mesura la velocitat a la qual la biomassa consumeix oxigen, fet que mostra directament l’activitat biològica. És útil per comprovar si l’afluent és tòxic per a la biomassa.
• Quantificació d’ADN i FISH (hibridació fluorescent in situ) identifiquen i compten microorganismes específics. Són principalment eines de recerca, útils per rastrejar la causa de l’esponjament filamentós.

Aquests mètodes proporcionen més detall, però costen més i requereixen més temps; per això els SSVLM continuen sent l’estàndard per al control rutinari del procés.

Preguntes més freqüents

Quina diferència hi ha entre els SSLM i els SSVLM? Els SSLM són els sòlids suspesos totals del tanc d’aeració, incloent-hi el material orgànic i l’inorgànic. Els SSVLM són només la part orgànica. Els SSLM són iguals als SSVLM més els SSLMF (sòlids suspesos fixos del licor mesclat).

Quina és una relació SSVLM/SSLM habitual? En una planta convencional de fangs activats, sol ser d’entre 0,65 i 0,85 (65-85%). Una relació inferior suggereix una quantitat més elevada de material inorgànic en la mescla.

Com afecten els SSVLM la relació A/M? Els SSVLM són el denominador de la relació A/M. Amb la mateixa càrrega orgànica, un valor més alt de SSVLM dona una relació A/M més baixa. Un valor més baix de SSVLM dona una relació A/M més alta, cosa que pot afavorir els bacteris filamentosos de mala sedimentació si aquesta relació augmenta massa.

Què fa que els SSVLM baixin sobtadament? Entre les causes habituals hi ha una purga excessiva de fangs, material tòxic a l’afluent que mata la biomassa, pluges intenses que arrosseguen la biomassa fora del tanc i una disponibilitat baixa d’aliment durant períodes de càrrega lleugera, com ara les vacances.

Els SSVLM poden ser massa alts? Sí. Uns SSVLM elevats augmenten la demanda d’oxigen i, per tant, el cost energètic de l’aeració; poden sobrecarregar de sòlids el clarificador secundari i poden limitar l’arribada d’oxigen al centre de les partícules denses de floc.

Quant temps després del mostreig cal mesurar els SSVLM? Els Standard Methods indiquen que cal començar tan aviat com sigui possible, perquè els sòlids no es poden conservar. Les mostres s’han de refrigerar a 4 °C, preferiblement durant no més de 24 hores i mai durant més de 7 dies.

Referències

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