Υπολογιστής MLVSS για την επεξεργασία λυμάτων

Τα αιωρούμενα στερεά μικτού υγρού που είναι πτητικά (MLVSS) αποτελούν το οργανικό, βιοαποδομήσιμο τμήμα των αιωρούμενων στερεών σε μια δεξαμενή αερισμού με ενεργό ιλύ. Χρησιμοποιούνται ως έμμεσο μέτρο της ποσότητας ενεργών μικροοργανισμών που επεξεργάζονται τα λύματα. Ο υπολογιστής βρίσκει τα MLVSS από εργαστηριακά δεδομένα, χρησιμοποιώντας είτε τη μέθοδο ποσοστού VSS είτε τη μέθοδο FSS (σταθερά αιωρούμενα στερεά).

Τι είναι τα MLVSS;

Οι εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων που χρησιμοποιούν τη διεργασία της ενεργού ιλύος βασίζονται σε μικροοργανισμούς για τη διάσπαση των οργανικών ρύπων. Το μείγμα νερού, μικροοργανισμών και στερεών στη δεξαμενή αερισμού ονομάζεται μικτό υγρό. Μέρος των αιωρούμενων στερεών του μείγματος είναι οργανικό υλικό, κυρίως ζωντανοί και νεκροί μικροοργανισμοί. Αυτό το οργανικό κλάσμα είναι τα πτητικά αιωρούμενα στερεά και, όταν μετράται στο μικτό υγρό, ονομάζεται MLVSS.

Το υπόλοιπο των αιωρούμενων στερεών αποτελείται από ανόργανη ύλη, όπως αδρανή στερεά, άμμο και ορυκτά. Αυτό το ανόργανο κλάσμα ονομάζεται μη πτητά αιωρούμενα στερεά (FSS) ή MLFSS όταν μετράται στο μικτό υγρό, επειδή δεν καίγεται κατά τη θέρμανση. Μαζί, τα MLVSS και MLFSS αποτελούν τα αιωρούμενα στερεά μικτού υγρού (MLSS), δηλαδή τη συνολική συγκέντρωση αιωρούμενων στερεών στη δεξαμενή.

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

Οι χειριστές παρακολουθούν τα MLVSS επειδή προσεγγίζουν το μέγεθος του βιολογικού «εργατικού δυναμικού» που εκτελεί την επεξεργασία. Ένα σταθερό επίπεδο MLVSS γενικά σημαίνει σταθερή και προβλέψιμη επεξεργασία. Μια απότομη πτώση μπορεί να υποδεικνύει τοξική εισροή, υπερβολική απομάκρυνση ιλύος ή καταιγίδα που παρασύρει τη βιομάζα έξω από τη δεξαμενή.

Πώς υπολογίζονται τα MLVSS

Υπάρχουν δύο συνήθεις τρόποι υπολογισμού των MLVSS και, αν οι εργαστηριακές μετρήσεις είναι ακριβείς, και οι δύο πρέπει να δίνουν το ίδιο αποτέλεσμα.

Μέθοδος ποσοστού VSS

Ορισμένα εργαστήρια αναφέρουν τα VSS ως ποσοστό των TSS (συνολικά αιωρούμενα στερεά). Σε αυτή την περίπτωση:

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

• MLVSS = Πτητικά αιωρούμενα στερεά μικτού υγρού (mg/L)
• TSS = Συνολικά αιωρούμενα στερεά (mg/L)
• VSS% = το ποσοστό των αιωρούμενων στερεών που είναι πτητικό, συνήθως 65–85% σε ένα συμβατικό σύστημα ενεργού ιλύος

Μέθοδος FSS

Άλλα εργαστήρια αναφέρουν απευθείας το σταθερό (ανόργανο) κλάσμα. Σε αυτή την περίπτωση, τα MLVSS βρίσκονται με αφαίρεση:

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

Επειδή τα VSS και FSS αθροίζονται πάντα στα TSS, ο τύπος αυτός δίνει το ίδιο αποτέλεσμα με τη μέθοδο ποσοστού, όταν οι υποκείμενες μετρήσεις συμφωνούν. Αν οι δύο μέθοδοι δίνουν αισθητά διαφορετικά αποτελέσματα για το ίδιο δείγμα, πρέπει να ελεγχθούν τα εργαστηριακά δεδομένα ή ο χειρισμός του δείγματος.

Λυμένο παράδειγμα

Παράδειγμα 1: Μέθοδος ποσοστού VSS. Ένας χειριστής μετρά TSS 3.500 mg/L στη δεξαμενή αερισμού, με ποσοστό VSS 75%.

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

Παράδειγμα 2: Μέθοδος FSS. Η ίδια δεξαμενή μετράται επίσης απευθείας: τα TSS είναι 3.500 mg/L και τα FSS είναι 875 mg/L.

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

Οι δύο μέθοδοι συμφωνούν, όπως αναμένεται, επειδή τα 875 mg/L FSS είναι ακριβώς 25% των 3.500 mg/L TSS.

Τρόπος χρήσης αυτού του υπολογιστή

1. Καταχωρίστε την τιμή των συνολικών αιωρούμενων στερεών (TSS) σε mg/L.
2. Επιλέξτε μέθοδο υπολογισμού: «Με χρήση του ποσοστού VSS» ή «Με χρήση των σταθερών αιωρούμενων στερεών (FSS)».
3. Καταχωρίστε τη δεύτερη τιμή: είτε το ποσοστό VSS (0-100%) είτε την τιμή FSS σε mg/L.
4. Διαβάστε το αποτέλεσμα MLVSS σε mg/L, το οποίο εμφανίζεται μαζί με τον τύπο και τους αριθμούς που χρησιμοποιήθηκαν.

Ο υπολογιστής ελέγχει ότι τα TSS είναι μηδέν ή μεγαλύτερα, ότι το ποσοστό VSS βρίσκεται μεταξύ 0 και 100 και ότι τα FSS δεν υπερβαίνουν τα TSS, αφού τα FSS αποτελούν μέρος των TSS. Αν κάποιος έλεγχος αποτύχει, εμφανίζεται μήνυμα που εξηγεί τι πρέπει να διορθωθεί.

Ο λόγος MLVSS/MLSS

Σε μια συμβατική εγκατάσταση ενεργού ιλύος, ο λόγος MLVSS/MLSS συνήθως κυμαίνεται μεταξύ 0,65 και 0,85, δηλαδή 65–85% των αιωρούμενων στερεών είναι οργανικά. Ένας λόγος που μειώνεται κάτω από αυτό το εύρος μπορεί να υποδεικνύει συσσώρευση αδρανών στερεών ή εισροή επιπλέον ανόργανου υλικού από βιομηχανική πηγή. Ένας λόγος κοντά στο ανώτερο όριο του εύρους συνήθως σημαίνει ότι η βιομάζα είναι κυρίως οργανική και ενεργή.

Γιατί έχουν σημασία τα MLVSS για τον έλεγχο της διεργασίας

Τα MLVSS χρησιμοποιούνται σε αρκετούς υπολογισμούς που εκτελούν καθημερινά οι χειριστές:

• Λόγος τροφής προς μικροοργανισμούς (F/M): συγκρίνει το οργανικό φορτίο εισόδου με την ποσότητα διαθέσιμης βιομάζας για την επεξεργασία του.
• Χρόνος παραμονής στερεών (SRT), γνωστός και ως ηλικία ιλύος: ο χρόνος παραμονής της βιομάζας στο σύστημα, ο οποίος επηρεάζει τη σταθερότητα της επεξεργασίας και την ικανότητα απομάκρυνσης της αμμωνίας (νιτροποίηση).
• Παραγωγή ιλύος: περισσότερη βιομάζα γενικά σημαίνει περισσότερη ιλύ προς απομάκρυνση και διάθεση.
• Απαίτηση σε οξυγόνο: η βιομάζα χρειάζεται οξυγόνο για να λειτουργήσει, επομένως η κατανάλωση ενέργειας για αερισμό μεταβάλλεται περίπου ανάλογα με τα MLVSS.

Οι πρότυπες εργαστηριακές μέθοδοι για τα MLVSS περιγράφονται στο Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (Μέθοδος 2540E) και στη μέθοδο EPA 160,4.

Πώς υπολογίζεται ο λόγος F/M

$\text{Λόγος F/M} = \frac{\text{Φορτίο BOD εισροής (kg/day)}}{\text{Μάζα MLVSS στη δεξαμενή (kg)}}$

Παράδειγμα. Μια εγκατάσταση έχει τις εξής τιμές:

• Παροχή εισροής = 10.000 m³/day
• BOD εισροής = 250 mg/L
• Όγκος δεξαμενής αερισμού = 2.000 m³
• MLVSS = 2.500 mg/L

Επειδή 1 mg/L σε παροχή μετρημένη σε m³/day ισοδυναμεί με 1 γραμμάριο μάζας ανά ημέρα, το φορτίο σε kg/day βρίσκεται με πολλαπλασιασμό και διαίρεση με 1.000:

• Φορτίο BOD εισροής = 10.000 m³/day × 250 mg/L ÷ 1.000 = 2.500 kg/day
• Μάζα MLVSS = 2.000 m³ × 2.500 mg/L ÷ 1.000 = 5.000 kg
• Λόγος F/M = 2.500 kg/day ÷ 5.000 kg = 0,5 ανά ημέρα

Μια συμβατική εγκατάσταση ενεργού ιλύος συνήθως λειτουργεί με λόγο F/M μεταξύ 0,2 και 0,6 ανά ημέρα. Ένας υπερβολικά υψηλός λόγος μπορεί να προκαλέσει νηματοειδή διόγκωση της ιλύος, κατά την οποία βακτήρια με μορφή νημάτων προκαλούν κακή καθίζηση της ιλύος. Ένας υπερβολικά χαμηλός λόγος σπαταλά ενέργεια για τον αερισμό βιομάζας που έχει ελάχιστη τροφή για κατανάλωση.

Τυπικά εύρη λειτουργίας

Οι δημοσιευμένοι πίνακες σχεδιασμού δίνουν τη συνολική συγκέντρωση στερεών (MLSS) και όχι το πτητικό τμήμα. Τα MLVSS αντιπροσωπεύουν το πτητικό ποσοστό αυτών των τιμών, επομένως αντιστοιχούν περίπου στο 65–85% κάθε εύρους.

Οι βιοαντιδραστήρες μεμβρανών μπορούν να λειτουργούν με πολύ υψηλότερες συγκεντρώσεις στερεών, επειδή διαχωρίζουν τα στερεά με μεμβράνες αντί να βασίζονται στη βαρυτική καθίζηση σε δεξαμενή καθίζησης.

Πώς μετρώνται τα MLVSS στο εργαστήριο

Η πρότυπη διαδικασία περιλαμβάνει δύο στάδια θέρμανσης:

1. Στάδιο TSS. Γνωστός όγκος μικτού υγρού διηθείται μέσω προζυγισμένου φίλτρου από ίνες υάλου, ξηραίνεται στους 103–105°C για τουλάχιστον μία ώρα, ψύχεται και ζυγίζεται. Η αύξηση του βάρους είναι τα TSS (ή τα MLSS, όταν το δείγμα είναι μικτό υγρό).
2. Στάδιο ανάφλεξης. Το ίδιο φίλτρο θερμαίνεται σε κλίβανο σε θερμοκρασία 550 °C για 15–20 λεπτά. Το οργανικό υλικό καίγεται, αφήνοντας ανόργανη τέφρα. Το φίλτρο ψύχεται και ζυγίζεται ξανά.
3. Αποτέλεσμα. Η απώλεια βάρους κατά την ανάφλεξη είναι το πτητικό, οργανικό τμήμα, δηλαδή τα MLVSS.

Η θερμοκρασία του κλιβάνου έχει σημασία. Το πρότυπο Standard Methods ορίζει το στάδιο ανάφλεξης στους 550 °C με ανοχή 50 °C. Σε υψηλότερη θερμοκρασία, ανόργανα ανθρακικά άλατα, όπως το ανθρακικό μαγνήσιο, αρχίζουν να διασπώνται, αυξάνοντας την καταγεγραμμένη απώλεια βάρους και δίνοντας ψευδώς υψηλή ένδειξη πτητικών στερεών. Σε χαμηλότερη θερμοκρασία, το οργανικό υλικό μπορεί να μην καεί πλήρως.

Εναλλακτικές λύσεις αντί των MLVSS

Τα MLVSS χρησιμοποιούνται ευρέως επειδή είναι απλά και αξιόπιστα, αλλά άλλες μέθοδοι μετρούν τη βιομάζα πιο ειδικά:

• ATP (τριφωσφορική αδενοσίνη) μετρά ένα μόριο που βρίσκεται μόνο σε ζωντανά κύτταρα, επομένως καταγράφει την ενεργή βιομάζα χωρίς νεκρό υλικό. Απαιτεί ειδικό αναλυτή.
• Αναπνευσιμετρία μετρά τον ρυθμό κατανάλωσης οξυγόνου από τη βιομάζα, ο οποίος δείχνει άμεσα τη βιολογική δραστηριότητα. Είναι χρήσιμη για τον έλεγχο της τοξικότητας της εισροής για τη βιομάζα.
• Ποσοτικοποίηση DNA και FISH (υβριδοποίηση φθορισμού in situ) εντοπίζουν και καταμετρούν συγκεκριμένους μικροοργανισμούς. Χρησιμοποιούνται κυρίως στην έρευνα και είναι χρήσιμες για τον εντοπισμό της αιτίας της διόγκωσης από νηματοειδείς μικροοργανισμούς.

Αυτές οι μέθοδοι παρέχουν περισσότερες λεπτομέρειες, αλλά κοστίζουν περισσότερο και απαιτούν περισσότερο χρόνο, γι’ αυτό τα MLVSS παραμένουν το πρότυπο για τον συνήθη έλεγχο της διεργασίας.

Συχνές ερωτήσεις

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ MLSS και MLVSS; Τα MLSS είναι τα συνολικά αιωρούμενα στερεά στη δεξαμενή αερισμού και περιλαμβάνουν οργανικό και ανόργανο υλικό. Τα MLVSS είναι μόνο το οργανικό τμήμα. Τα MLSS ισούνται με MLVSS συν MLFSS (σταθερά αιωρούμενα στερεά μικτού υγρού).

Ποιος είναι ένας τυπικός λόγος MLVSS/MLSS; Σε μια συμβατική εγκατάσταση ενεργού ιλύος, είναι συνήθως από 0,65 έως 0,85 (65-85%). Χαμηλότερος λόγος υποδηλώνει περισσότερο ανόργανο υλικό στο μείγμα.

Πώς επηρεάζουν τα MLVSS τον λόγο F/M; Τα MLVSS είναι ο παρονομαστής στον λόγο F/M. Υψηλότερες τιμές MLVSS, για το ίδιο οργανικό φορτίο, δίνουν χαμηλότερο λόγο F/M. Χαμηλότερες τιμές MLVSS δίνουν υψηλότερο λόγο F/M, γεγονός που μπορεί να ευνοήσει νηματοειδή βακτήρια με κακή καθίζηση, αν ο λόγος αυξηθεί υπερβολικά.

Τι προκαλεί απότομη πτώση των MLVSS; Συνήθεις αιτίες είναι η υπερβολική απομάκρυνση ιλύος, τοξικό υλικό στην εισροή που σκοτώνει τη βιομάζα, έντονη βροχή που παρασύρει τη βιομάζα έξω από τη δεξαμενή και χαμηλή διαθεσιμότητα τροφής σε περιόδους μικρού φορτίου, όπως οι αργίες.

Μπορούν τα MLVSS να είναι υπερβολικά υψηλά; Ναι. Υψηλά MLVSS αυξάνουν την απαίτηση σε οξυγόνο και, επομένως, το ενεργειακό κόστος αερισμού, μπορούν να υπερφορτώσουν τη δευτεροβάθμια δεξαμενή καθίζησης με στερεά και να περιορίσουν τη διάχυση οξυγόνου στο κέντρο πυκνών κροκίδων.

Πόσο σύντομα μετά τη δειγματοληψία πρέπει να μετρώνται τα MLVSS; Η μέθοδος Standard Methods αναφέρει ότι η διαδικασία πρέπει να αρχίζει το συντομότερο δυνατό, επειδή τα στερεά δεν μπορούν να διατηρηθούν. Τα δείγματα πρέπει να ψύχονται στους 4 °C, να διατηρούνται κατά προτίμηση για διάστημα που δεν υπερβαίνει τις 24 ώρες και ποτέ για περισσότερο από 7 ημέρες.

Παραπομπές

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