Rechner für flüchtige suspendierte Feststoffe im Belebtschlamm (MLVSS) zur Abwasserbehandlung

Flüchtige suspendierte Feststoffe im Belebtschlamm (MLVSS) sind der organische, biologisch abbaubare Anteil der suspendierten Feststoffe in einem Belüftungsbecken mit Belebtschlamm. Sie dienen als Ersatzmessgröße für die Menge aktiver Mikroorganismen, die das Abwasser behandeln. Dieser Rechner ermittelt den MLVSS-Wert anhand von Labordaten entweder mit der VSS-Prozentmethode oder der FSS-Methode (feste suspendierte Feststoffe).

Was ist MLVSS?

Kläranlagen, die das Belebtschlammverfahren einsetzen, nutzen Mikroorganismen, um organische Schadstoffe abzubauen. Das Gemisch aus Wasser, Mikroorganismen und Feststoffen im Belüftungsbecken wird als Belebtschlamm bezeichnet. Ein Teil der suspendierten Feststoffe in diesem Gemisch besteht aus organischem Material, hauptsächlich lebenden und abgestorbenen Mikroorganismen. Dieser organische Anteil sind die flüchtigen suspendierten Feststoffe; bei der Messung im Belebtschlamm werden sie als MLVSS bezeichnet.

Der verbleibende Anteil der suspendierten Feststoffe besteht aus anorganischem Material wie Splitt, Sand und Mineralien. Dieser anorganische Anteil wird als fixe suspendierte Feststoffe (FSS) bezeichnet, bei der Messung im Belebtschlamm als MLFSS, da er beim Erhitzen nicht verbrennt. Zusammen bilden MLVSS und MLFSS die suspendierten Feststoffe im Belebtschlamm (MLSS), also die Gesamtkonzentration der suspendierten Feststoffe im Becken.

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

Anlagenbediener überwachen MLVSS, weil dieser Wert annähernd die Größe der biologischen Arbeitskraft angibt, die für die Behandlung zuständig ist. Ein gleichbleibender MLVSS-Wert weist im Allgemeinen auf eine stabile und vorhersehbare Behandlung hin. Ein plötzlicher Abfall kann auf toxischen Zulauf, übermäßigen Überschussschlammabzug oder einen Sturm hindeuten, der Biomasse aus dem Becken spült.

So wird MLVSS berechnet

Es gibt zwei übliche Methoden zur Berechnung von MLVSS. Bei genauen Labormessungen sollten beide zum selben Ergebnis führen.

VSS-Prozentmethode

Einige Labore geben VSS als Prozentsatz der gesamten suspendierten Feststoffe (TSS) an. In diesem Fall gilt:

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

• MLVSS = flüchtige suspendierte Feststoffe im Belebtschlamm (mg/L)
• TSS = gesamte suspendierte Feststoffe (mg/L)
• VSS% = der Anteil der suspendierten Feststoffe, der flüchtig ist; in einer konventionellen Belebtschlammanlage gewöhnlich 65–85%

FSS-Methode

Andere Labore geben den festen (anorganischen) Anteil direkt an. In diesem Fall wird MLVSS durch Subtraktion ermittelt:

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

Da VSS und FSS zusammen immer TSS ergeben, liefert diese Formel dasselbe Ergebnis wie die Prozentmethode, sofern die zugrunde liegenden Messungen übereinstimmen. Weichen die beiden Methoden bei derselben Probe deutlich voneinander ab, sollten die Labordaten oder die Probenbehandlung überprüft werden.

Durchgerechnetes Beispiel

Beispiel 1: VSS-Prozentmethode. Ein Anlagenbediener misst im Belüftungsbecken einen TSS-Wert von 3.500 mg/L und einen VSS-Anteil von 75 %.

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

Beispiel 2: FSS-Methode. Im selben Becken werden die Werte außerdem direkt gemessen: TSS beträgt 3.500 mg/L und FSS 875 mg/L.

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

Beide Methoden stimmen erwartungsgemäß überein, da 875 mg/L FSS genau 25 % von 3.500 mg/L TSS entspricht.

So verwenden Sie diesen Rechner

1. Geben Sie den Wert der gesamten suspendierten Feststoffe (TSS) in mg/L ein.
2. Wählen Sie eine Berechnungsmethode: „VSS-Prozentsatz verwenden“ oder „Fixe suspendierte Feststoffe (FSS) verwenden“.
3. Geben Sie den zweiten Wert ein: entweder den VSS-Prozentsatz (0-100%) oder den FSS-Wert in mg/L.
4. Lesen Sie das MLVSS-Ergebnis in mg/L ab, das zusammen mit der Formel und den verwendeten Zahlen angezeigt wird.

Der Rechner prüft, ob TSS mindestens null beträgt, ob der VSS-Prozentsatz zwischen 0 und 100 liegt und ob FSS TSS nicht übersteigt, da FSS ein Bestandteil von TSS ist. Bei einem fehlgeschlagenen Prüfschritt wird eine Meldung angezeigt, die erklärt, was zu korrigieren ist.

Das Verhältnis MLVSS/MLSS

In einer konventionellen Belebtschlammanlage liegt das Verhältnis MLVSS/MLSS gewöhnlich zwischen 0,65 und 0,85. Das bedeutet, dass 65–85% der suspendierten Feststoffe organisch sind. Ein Verhältnis, das unter diesen Bereich sinkt, kann auf eine Anreicherung inerter Feststoffe oder auf zusätzlichen Eintrag anorganischen Materials aus einem Industriebetrieb hindeuten. Ein Verhältnis nahe dem oberen Ende des Bereichs bedeutet gewöhnlich, dass die Biomasse überwiegend organisch und aktiv ist.

Warum MLVSS für die Prozesssteuerung wichtig ist

MLVSS fließt in mehrere Berechnungen ein, die Anlagenbediener täglich verwenden:

• Nahrungs-Mikroorganismen-Verhältnis (F/M): vergleicht die ankommende organische Belastung mit der verfügbaren Biomasse, die sie behandeln soll.
• Feststoffverweilzeit (SRT), auch Schlammalter genannt: die Zeit, die Biomasse im System verbleibt; sie beeinflusst die Behandlungsstabilität und die Fähigkeit zur Ammoniakentfernung (Nitrifikation).
• Schlammproduktion: Mehr Biomasse bedeutet im Allgemeinen mehr Schlamm, der abgezogen und entsorgt werden muss.
• Sauerstoffbedarf: Die Biomasse benötigt Sauerstoff für ihre Tätigkeit, daher folgt der Energieverbrauch der Belüftung ungefähr dem MLVSS-Wert.

Standardverfahren für die Bestimmung von MLVSS werden in Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (Methode 2540E) und in der EPA-Methode 160,4 beschrieben.

So wird das F/M-Verhältnis berechnet

$\text{F/M-Verhältnis} = \frac{\text{BSB-Fracht im Zulauf (kg/Tag)}}{\text{MLVSS-Masse im Becken (kg)}}$

Beispiel. Eine Anlage weist folgende Werte auf:

• Zulaufmenge = 10.000 m³/Tag
• BSB im Zulauf = 250 mg/L
• Volumen des Belüftungsbeckens = 2.000 m³
• MLVSS = 2.500 mg/L

Da 1 mg/L bei einem Durchfluss in m³/Tag 1 Gramm Masse pro Tag entspricht, wird die Fracht in kg/Tag durch Multiplikation und Division durch 1.000 ermittelt:

• BSB-Fracht im Zulauf = 10.000 m³/Tag × 250 mg/L ÷ 1.000 = 2.500 kg/Tag
• MLVSS-Masse = 2.000 m³ × 2.500 mg/L ÷ 1.000 = 5.000 kg
• F/M-Verhältnis = 2.500 kg/Tag ÷ 5.000 kg = 0,5 pro Tag

Eine konventionelle Belebtschlammanlage wird typischerweise mit einem F/M-Verhältnis zwischen 0,2 und 0,6 pro Tag betrieben. Ein zu hoher Wert kann Blähschlamm verursachen, bei dem fadenförmige Bakterien die Sedimentation des Schlamms verschlechtern. Ein zu niedriger Wert verschwendet Energie für die Belüftung von Biomasse, der nur wenig Nahrung zum Verbrauch bleibt.

Typische Betriebsbereiche

Veröffentlichte Auslegungstabellen geben die Gesamtkonzentration der Feststoffe (MLSS) statt des flüchtigen Anteils an. MLVSS ist der flüchtige Anteil dieser Werte, also ungefähr 65–85% jedes Bereichs.

Membranbioreaktoren können mit wesentlich höheren Feststoffkonzentrationen betrieben werden, da sie die Feststoffe mithilfe von Membranen trennen, statt auf die Schwerkraftsedimentation in einem Nachklärbecken angewiesen zu sein.

So wird MLVSS im Labor gemessen

Das Standardverfahren umfasst zwei Erhitzungsschritte:

1. TSS-Schritt. Ein bekanntes Volumen Belebtschlamm wird durch einen zuvor gewogenen Glasfaserfilter filtriert, mindestens eine Stunde lang bei 103–105°C getrocknet, abgekühlt und gewogen. Die Gewichtszunahme entspricht TSS (oder MLSS, wenn es sich bei der Probe um Belebtschlamm handelt).
2. Glühschritt. Derselbe Filter wird in einem Muffelofen bei 550 °C für 15–20 Minuten erhitzt. Das organische Material verbrennt, und anorganische Asche bleibt zurück. Der Filter wird erneut abgekühlt und gewogen.
3. Ergebnis. Der während des Glühens verlorene Anteil entspricht dem flüchtigen, organischen Anteil, also MLVSS.

Die Ofentemperatur ist wichtig. Standard Methods legt für den Glühschritt 550 °C mit einer Toleranz von 50 °C fest. Bei höheren Temperaturen beginnen sich anorganische Karbonate wie Magnesiumkarbonat zu zersetzen. Dadurch steigt der gemessene Gewichtsverlust, und der flüchtige Anteil wird zu hoch bestimmt. Bei niedrigeren Temperaturen verbrennt das organische Material möglicherweise nicht vollständig.

Alternativen zu MLVSS

MLVSS wird häufig verwendet, weil die Methode einfach und zuverlässig ist. Andere Verfahren messen die Biomasse jedoch spezifischer:

• ATP (Adenosintriphosphat) misst ein Molekül, das nur in lebenden Zellen vorkommt. Daher wird aktive Biomasse ohne abgestorbenes Material erfasst. Dafür ist ein spezielles Analysegerät erforderlich.
• Respirometrie misst die Geschwindigkeit, mit der Biomasse Sauerstoff verbraucht, und zeigt dadurch die biologische Aktivität direkt. Sie eignet sich, um zu prüfen, ob der Zulauf für die Biomasse toxisch ist.
• DNA-Quantifizierung und FISH (Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung) identifizieren und zählen bestimmte Mikroorganismen. Diese Verfahren werden hauptsächlich in der Forschung eingesetzt, etwa zur Ermittlung der Ursache von Blähschlamm.

Diese Methoden liefern mehr Details, kosten aber mehr und benötigen mehr Zeit. Deshalb bleibt MLVSS der Standard für die routinemäßige Prozesssteuerung.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen MLSS und MLVSS? MLSS bezeichnet die gesamten suspendierten Feststoffe im Belüftungsbecken und umfasst organisches sowie anorganisches Material. MLVSS ist nur der organische Anteil. MLSS entspricht MLVSS plus MLFSS (fixe suspendierte Feststoffe im Belebtschlamm).

Wie hoch ist ein typisches MLVSS/MLSS-Verhältnis? In einer konventionellen Belebtschlammanlage liegt es gewöhnlich zwischen 0,65 und 0,85 (65-85%). Ein niedrigeres Verhältnis deutet auf einen höheren Anteil anorganischen Materials im Gemisch hin.

Wie beeinflusst MLVSS das F/M-Verhältnis? MLVSS ist der Nenner im F/M-Verhältnis. Bei gleicher organischer Belastung führt ein höherer MLVSS-Wert zu einem niedrigeren F/M-Verhältnis. Ein niedrigerer MLVSS-Wert führt zu einem höheren F/M-Verhältnis, was schlecht sedimentierende fadenförmige Bakterien begünstigen kann, wenn der Wert zu stark ansteigt.

Was verursacht einen plötzlichen Abfall von MLVSS? Häufige Ursachen sind übermäßiger Überschussschlammabzug, toxische Stoffe im Zulauf, die Biomasse abtöten, starker Regen, der Biomasse aus dem Becken spült, sowie eine geringe Nahrungsverfügbarkeit bei niedriger Belastung, etwa während Ferienzeiten.

Kann MLVSS zu hoch sein? Ja. Ein hoher MLVSS-Wert erhöht den Sauerstoffbedarf und damit die Energiekosten der Belüftung, kann das Nachklärbecken mit Feststoffen überlasten und den Sauerstofftransport in das Innere dichter Flockenpartikel begrenzen.

Wie bald nach der Probenahme sollte MLVSS gemessen werden? Laut Standard Methods sollte die Messung möglichst bald beginnen, da Feststoffe nicht konserviert werden können. Die Proben sollten bei 4 °C gekühlt, möglichst nicht länger als 24 Stunden und keinesfalls länger als 7 Tage aufbewahrt werden.

Referenzen

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