Calculadora de MLVSS para el tratamiento de aguas residuales

Los sólidos suspendidos volátiles del licor mezclado (MLVSS) son la fracción orgánica y biodegradable de los sólidos suspendidos en un tanque de aireación de lodos activados. Se utilizan como medida indirecta de la cantidad de microorganismos activos que tratan las aguas residuales. Esta calculadora obtiene los MLVSS a partir de datos de laboratorio mediante el método del porcentaje de VSS o el método de FSS (sólidos suspendidos fijos).

¿Qué son los MLVSS?

Las plantas de tratamiento de aguas residuales que utilizan el proceso de lodos activados dependen de microorganismos para descomponer los contaminantes orgánicos. La mezcla de agua, microorganismos y sólidos en el tanque de aireación se denomina licor mezclado. Parte de los sólidos suspendidos de esa mezcla es materia orgánica, compuesta principalmente por microorganismos vivos y muertos. Esta fracción orgánica son los sólidos suspendidos volátiles y, cuando se miden en el licor mezclado, se denominan MLVSS.

El resto de los sólidos suspendidos es materia inorgánica, como arenilla, arena y minerales. Esta fracción inorgánica se denomina sólidos suspendidos fijos (FSS), o MLFSS cuando se mide en el licor mezclado, porque no se quema al calentarse. En conjunto, los MLVSS y los MLFSS forman los sólidos suspendidos del licor mezclado (MLSS), la concentración total de sólidos suspendidos en el tanque.

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

Los operadores controlan los MLVSS porque aproximan el tamaño de la población biológica encargada del tratamiento. Un nivel estable de MLVSS generalmente indica un tratamiento estable y predecible. Una disminución repentina puede indicar un afluente tóxico, una extracción excesiva de lodos o una tormenta que arrastre la biomasa fuera del tanque.

Cómo calcular los MLVSS

Hay dos formas habituales de calcular los MLVSS, y ambas deberían dar el mismo resultado si las mediciones de laboratorio son precisas.

Método del porcentaje de VSS

Algunos laboratorios informan los VSS como porcentaje de los TSS (sólidos suspendidos totales). En ese caso:

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

• MLVSS = sólidos suspendidos volátiles del licor mezclado (mg/L)
• TSS = sólidos suspendidos totales (mg/L)
• VSS% = proporción de sólidos suspendidos que es volátil, normalmente de 65–85% en un sistema convencional de lodos activados

Método de FSS

Otros laboratorios informan directamente la fracción fija (inorgánica). En ese caso, los MLVSS se obtienen mediante una resta:

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

Como los VSS y los FSS siempre suman los TSS, esta fórmula da el mismo resultado que el método porcentual cuando las mediciones subyacentes coinciden. Si los dos métodos dan resultados notablemente diferentes para la misma muestra, deben revisarse los datos de laboratorio o la manipulación de la muestra.

Ejemplo resuelto

Ejemplo 1: método del porcentaje de VSS. Un operador mide TSS de 3.500 mg/L en el tanque de aireación, con un porcentaje de VSS de 75 %.

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

Ejemplo 2: método de FSS. También se realiza una medición directa en el mismo tanque: los TSS son 3.500 mg/L y los FSS son 875 mg/L.

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

Ambos métodos coinciden, como era de esperar, ya que 875 mg/L de FSS es exactamente 25 % de 3.500 mg/L de TSS.

Cómo utilizar esta calculadora

1. Introduzca el valor de sólidos suspendidos totales (TSS) en mg/L.
2. Elija un método de cálculo: «Usando el porcentaje de VSS» o «Usando sólidos suspendidos fijos (FSS)».
3. Introduzca el segundo valor: el porcentaje de VSS (0-100%) o el valor de FSS en mg/L.
4. Lea el resultado de MLVSS en mg/L, mostrado junto con la fórmula y los números utilizados.

La calculadora comprueba que los TSS sean iguales o mayores que cero, que el porcentaje de VSS esté entre 0 y 100, y que los FSS no superen los TSS, ya que los FSS forman parte de los TSS. Si una comprobación falla, muestra un mensaje que explica cómo corregirlo.

La relación MLVSS/MLSS

En una planta convencional de lodos activados, la relación MLVSS/MLSS suele situarse entre 0,65 y 0,85, lo que significa que 65–85% de los sólidos suspendidos son orgánicos. Una relación que desciende por debajo de ese intervalo puede indicar la acumulación de sólidos inertes o la entrada de material inorgánico adicional desde una fuente industrial. Una relación cercana al límite superior del intervalo normalmente significa que la biomasa es mayoritariamente orgánica y activa.

Por qué son importantes los MLVSS para el control del proceso

Los MLVSS intervienen en varios cálculos que los operadores utilizan a diario:

• Relación alimento/microorganismos (F/M): compara la carga orgánica entrante con la cantidad de biomasa disponible para tratarla.
• Tiempo de retención de sólidos (SRT), también llamado edad del lodo: indica cuánto tiempo permanece la biomasa en el sistema, lo que afecta la estabilidad del tratamiento y la capacidad de eliminar amoníaco (nitrificación).
• Producción de lodos: una mayor cantidad de biomasa generalmente significa más lodos que extraer y eliminar.
• Demanda de oxígeno: la biomasa necesita oxígeno para funcionar, por lo que el consumo de energía de aireación se relaciona aproximadamente con los MLVSS.

Los métodos normalizados de laboratorio para los MLVSS se describen en Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (método 2540E) y en el método 160,4 de la EPA.

Cómo calcular la relación F/M

$\text{Relación F/M} = \frac{\text{Carga de DBO del afluente (kg/día)}}{\text{Masa de MLVSS en el tanque (kg)}}$

Ejemplo. Una planta tiene los siguientes valores:

• Caudal del afluente = 10.000 m³/día
• DBO del afluente = 250 mg/L
• Volumen del tanque de aireación = 2.000 m³
• MLVSS = 2.500 mg/L

Como 1 mg/L en un caudal medido en m³/día equivale a 1 gramo de masa por día, la carga en kg/día se obtiene multiplicando y dividiendo por 1.000:

• Carga de DBO del afluente = 10.000 m³/día × 250 mg/L ÷ 1.000 = 2.500 kg/día
• Masa de MLVSS = 2.000 m³ × 2.500 mg/L ÷ 1.000 = 5.000 kg
• Relación F/M = 2.500 kg/día ÷ 5.000 kg = 0,5 por día

Una planta convencional de lodos activados suele funcionar con una relación F/M de entre 0,2 y 0,6 por día. Una relación demasiado alta puede causar esponjamiento filamentoso, en el que las bacterias filamentosas hacen que el lodo sedimente mal. Una relación demasiado baja desperdicia energía al airear biomasa a la que le queda poco alimento por consumir.

Intervalos de funcionamiento habituales

Las tablas de diseño publicadas proporcionan la concentración total de sólidos (MLSS), no la fracción volátil. Los MLVSS son la fracción volátil de esas cifras, aproximadamente 65–85% de cada intervalo.

Los biorreactores de membrana pueden funcionar con concentraciones de sólidos mucho mayores porque separan los sólidos mediante membranas, en lugar de depender de la sedimentación por gravedad en un clarificador.

Cómo se miden los MLVSS en el laboratorio

El procedimiento normalizado consta de dos etapas de calentamiento:

1. Etapa de TSS. Se filtra un volumen conocido de licor mezclado a través de un filtro de fibra de vidrio previamente pesado, se seca a 103–105°C durante al menos una hora, se enfría y se pesa. El aumento de peso corresponde a los TSS (o MLSS, cuando la muestra es licor mezclado).
2. Etapa de ignición. El mismo filtro se calienta en un horno a 550 °C durante 15–20 minutos. La materia orgánica se quema y deja cenizas inorgánicas. El filtro se enfría y se vuelve a pesar.
3. Resultado. La pérdida de peso durante la ignición corresponde a la fracción orgánica volátil, es decir, a los MLVSS.

La temperatura del horno es importante. Standard Methods establece la etapa de ignición a 550 °C, con una tolerancia de 50 °C. Si se trabaja a mayor temperatura, los carbonatos inorgánicos, como el carbonato de magnesio, comienzan a descomponerse, lo que aumenta la pérdida de peso medida y produce una lectura de materia volátil falsamente alta. Si se trabaja a menor temperatura, es posible que la materia orgánica no se queme por completo.

Alternativas a los MLVSS

Los MLVSS se utilizan ampliamente porque son sencillos y fiables, pero otros métodos miden la biomasa de manera más específica:

• ATP (trifosfato de adenosina) mide una molécula que se encuentra únicamente en las células vivas, por lo que cuantifica la biomasa activa sin incluir material muerto. Requiere un analizador específico.
• Respirometría mide la velocidad a la que la biomasa consume oxígeno, lo que muestra directamente la actividad biológica. Es útil para comprobar si el afluente es tóxico para la biomasa.
• Cuantificación de ADN e hibridación fluorescente in situ (FISH) permiten identificar y cuantificar microorganismos específicos. Se utilizan principalmente como herramientas de investigación y son útiles para determinar la causa del esponjamiento filamentoso.

Estos métodos proporcionan más detalles, pero cuestan más y requieren más tiempo, por lo que los MLVSS siguen siendo el método estándar para el control rutinario del proceso.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre MLSS y MLVSS? Los MLSS son los sólidos suspendidos totales del tanque de aireación, incluidos los materiales orgánicos e inorgánicos. Los MLVSS son únicamente la fracción orgánica. MLSS equivale a MLVSS más MLFSS (sólidos suspendidos fijos del licor mezcla).

¿Cuál es la relación MLVSS/MLSS habitual? En una planta convencional de lodos activados, suele ser de 0,65 a 0,85 (65-85%). Una relación menor sugiere una mayor cantidad de material inorgánico en la mezcla.

¿Cómo afectan los MLVSS a la relación F/M? Los MLVSS son el denominador de la relación F/M. Unos MLVSS mayores, con la misma carga orgánica, producen una relación F/M menor. Unos MLVSS menores producen una relación F/M mayor, lo que puede favorecer la proliferación de bacterias filamentosas de mala sedimentabilidad si aumenta demasiado.

¿Qué causa una disminución repentina de los MLVSS? Entre las causas habituales se encuentran la extracción excesiva de lodos, la presencia de sustancias tóxicas en el afluente que matan la biomasa, las lluvias intensas que arrastran la biomasa fuera del tanque y la baja disponibilidad de alimento durante periodos de carga reducida, como las vacaciones.

¿Pueden ser demasiado altos los MLVSS? Sí. Unos MLVSS altos aumentan la demanda de oxígeno y, por tanto, el costo energético de la aireación; pueden sobrecargar de sólidos el clarificador secundario y limitar la llegada de oxígeno al centro de las partículas densas de los flóculos.

¿Cuánto tiempo después del muestreo deben medirse los MLVSS? Standard Methods indica que se debe comenzar lo antes posible, porque los sólidos no pueden conservarse. Las muestras deben refrigerarse a 4 °C, conservarse preferiblemente durante no más de 24 horas y nunca durante más de 7 días.

Referencias

1. Water Environment Federation. Operation of Water Resource Recovery Facilities, edición 7. McGraw-Hill Education, 2018.
2. Metcalf & Eddy. Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery, edición 5. McGraw-Hill Education, 2014.
3. American Public Health Association, American Water Works Association y Water Environment Federation. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, edición 23, 2017.
4. Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. Ficha técnica sobre tecnología de aguas residuales: proceso de lodos activados. EPA 832-F-00-016.