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 Belebungsbecken 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 (nichtflüchtige suspendierte Feststoffe).

Was ist MLVSS?

Kläranlagen, die das Belebtschlammverfahren einsetzen, nutzen Mikroorganismen, um organische Schadstoffe abzubauen. Das Gemisch aus Wasser, Mikroorganismen und Feststoffen im Belebungsbecken 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 Rest der suspendierten Feststoffe besteht aus anorganischem Material wie Sand, Kies und Mineralien. Dieser anorganische Anteil heißt nichtflüchtige suspendierte Feststoffe (FSS), weil er beim Erhitzen nicht verbrennt. Zusammen bilden MLVSS und FSS die suspendierten Feststoffe im Belebtschlamm (MLSS), 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 flüchtige Anteil der suspendierten Feststoffe, in einem Belebtschlammsystem typischerweise 70 bis 80 Prozent

FSS-Methode

Andere Labore geben den nichtflüchtigen (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.

Rechenbeispiele

Beispiel 1: VSS-Prozentmethode. Ein Anlagenbediener misst im Belebungsbecken 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 „Nichtflüchtige 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

Das Schulungsmodul für Anlagenpersonal des Pennsylvania Department of Environmental Protection nennt ein typisches optimales MLVSS/MLSS-Verhältnis von 0,7 bis 0,8. Das bedeutet, dass 70 bis 80 Prozent der suspendierten Feststoffe organisch sind. Ein Verhältnis unterhalb dieses Bereichs kann darauf hindeuten, dass sich inerte Feststoffe ansammeln oder zusätzliches anorganisches Material aus einer industriellen Quelle in die Anlage gelangt. Ein Verhältnis nahe der Obergrenze bedeutet meist, 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.

Standardmäßige Labormethoden für MLVSS sind 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 Belebungsbeckens = 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 arbeitet typischerweise mit einem F/M-Verhältnis von 0,2 bis 0,5 pro Tag. Dieselbe Quelle nennt niedrigere Bereiche für die Langzeitbelüftung (0,01 bis 0,07) und die Kontaktstabilisierung (0,15 bis 0,2) und weist darauf hin, dass sich der beste Wert für eine bestimmte Anlage nur durch die Beobachtung ihres Betriebs finden lässt. Ein zu hohes Verhältnis kann Blähschlamm durch fädige Bakterien verursachen, bei dem sich der Schlamm schlecht absetzt. Ein zu niedriges Verhältnis verschwendet Energie, weil Biomasse belüftet wird, der kaum noch Nahrung bleibt.

Typische MLVSS-Betriebsbereiche

Membranbioreaktoren können mit deutlich höherem MLVSS arbeiten, weil sie Feststoffe mit Membranen abtrennen, statt sich auf das Absetzen durch Schwerkraft in einem Nachklärbecken zu verlassen.

So wird MLVSS im Labor gemessen

Das Standardverfahren umfasst zwei Erhitzungsschritte:

1. TSS-Schritt. Ein bekanntes Volumen Belebtschlamm wird durch einen vorgewogenen Glasfaserfilter filtriert, mindestens eine Stunde bei 103-105°C getrocknet, abgekühlt und gewogen. Die Gewichtszunahme ist der TSS (oder MLSS, wenn die Probe Belebtschlamm ist).
2. Glühschritt. Derselbe Filter wird im Muffelofen bei 550 °C geglüht. Das organische Material verbrennt, und anorganische Asche bleibt zurück. Der Filter wird abgekühlt und erneut gewogen.
3. Ergebnis. Der während des Glühens verlorene Anteil entspricht dem flüchtigen, organischen Anteil, also MLVSS.

Die Ofentemperatur ist wichtig. Ist der Ofen zu heiß, zersetzen sich einige anorganische Carbonate und führen zu einem fälschlich hohen Wert für den flüchtigen Anteil. Ist er zu kühl, verbrennt das organische Material möglicherweise nicht vollständig. Aus diesem Grund legt die Methode die Temperatur auf 550 °C fest.

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 sind die gesamten suspendierten Feststoffe im Belebungsbecken, organisches wie anorganisches Material. MLVSS ist nur der organische Teil. MLSS entspricht MLVSS plus MLFSS (nichtflüchtige suspendierte Feststoffe im Belebtschlamm).

Was ist ein typisches MLVSS/MLSS-Verhältnis? Schulungsunterlagen für Anlagenpersonal geben als typischen Optimalwert 0,7 bis 0,8 an (70 bis 80 Prozent). Ein niedrigeres Verhältnis deutet auf mehr anorganisches Material im Gemisch hin.

Wie wirkt sich MLVSS auf das F/M-Verhältnis aus? MLVSS steht im Nenner des F/M-Verhältnisses. Ein höherer MLVSS ergibt bei gleicher organischer Last ein niedrigeres F/M-Verhältnis. Ein niedrigerer MLVSS ergibt ein höheres F/M-Verhältnis, das schlecht absetzende fädige Bakterien begünstigen kann, wenn es zu stark ansteigt.

Was lässt MLVSS plötzlich absinken? Häufige Ursachen sind übermäßiger Schlammabzug, giftige Stoffe im Zulauf, die Biomasse abtöten, Starkregen, der Biomasse aus dem Becken spült, und geringes Nahrungsangebot bei schwacher Belastung, etwa an Feiertagen.

Kann MLVSS zu hoch sein? Ja. Ein hoher MLVSS erhöht den Sauerstoffbedarf und damit die Energiekosten der Belüftung, kann das Nachklärbecken mit Feststoffen überlasten und kann verhindern, dass Sauerstoff das Zentrum dichter Flockenpartikel erreicht.

Wie bald nach der Probenahme sollte MLVSS gemessen werden? So bald wie möglich. Die EPA-Methode 160.4 besagt, dass eine Konservierung der Probe nicht praktikabel ist, daher sollte die Analyse zügig beginnen. Lässt sich eine Verzögerung nicht vermeiden, sollte die Probe bei 4 °C gekühlt oder auf Eis gelagert werden.

Referenzen

1. U.S. Environmental Protection Agency. Method 160.4: Residue, Volatile (Gravimetric, Ignition at 550°C) by Muffle Furnace. EPA-Methode 160.4 — Glühen bei 550 °C; der Gewichtsverlust beim Glühen ist der flüchtige Rückstand, ein grobes Maß für organische Substanz im Belebtschlamm.
2. National Environmental Methods Index (USGS/EPA). EPA-NERL 160.2: Non-filterable Residue by Drying Oven. NEMI-Methodenübersicht 160,2 — suspendierte Feststoffe werden durch einen Glasfaserfilter filtriert und bei 103-105°C getrocknet.
3. Pennsylvania Department of Environmental Protection. Wastewater Treatment Plant Operator Certification Training, Module 16: The Activated Sludge Process, Part II. PA-DEP-Modul 16 — das typische optimale MLVSS-zu-MLSS-Verhältnis in Belebtschlammanlagen liegt zwischen 0,7 und 0,8.
4. Pennsylvania Department of Environmental Protection. Desired F/M Ratio. Hinweise des PA DEP zum F/M-Rechner — typische F/M-Bereiche nach Verfahrenstyp; konventioneller Belebtschlamm 0,2 bis 0,5.