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 material inorgánico, como arenilla, arena y minerales. Esta fracción inorgánica se llama sólidos suspendidos fijos (FSS), porque no se quema al calentarse. Juntos, el MLVSS y los FSS 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% = la proporción de sólidos suspendidos que es volátil, típicamente de 70 a 80 por ciento en un sistema 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.

Ejemplos resueltos

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

El módulo de capacitación para operadores del Departamento de Protección Ambiental de Pensilvania da una relación MLVSS/MLSS óptima típica de 0,7 a 0,8, lo que significa que de 70 a 80 por ciento de los sólidos suspendidos son orgánicos. Una relación que baja de ese intervalo puede indicar acumulación de sólidos inertes o la entrada de material inorgánico adicional desde una fuente industrial. Una relación cercana al extremo superior del intervalo suele significar que la biomasa es en su mayor parte 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 de laboratorio estándar para el 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 operar con una relación F/M de 0,2 a 0,5 por día. La misma fuente indica intervalos más bajos para la aireación extendida (0,01 a 0,07) y la estabilización por contacto (0,15 a 0,2), y señala que el mejor valor para una planta concreta solo puede hallarse vigilando su funcionamiento. Una relación demasiado alta puede causar esponjamiento filamentoso, en el que bacterias en forma de hilos hacen que el lodo sedimente mal. Una relación demasiado baja malgasta energía en airear biomasa que tiene poco alimento que consumir.

Intervalos operativos típicos de MLVSS

Los biorreactores de membrana pueden operar con un MLVSS mucho más alto porque separan los sólidos con 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. Un volumen conocido de licor mezclado se filtra 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 peso ganado es el TSS (o el MLSS, cuando la muestra es licor mezclado).
2. Etapa de ignición. El mismo filtro se calcina en un horno de mufla a 550 °C. El material orgánico se quema y deja ceniza inorgánica. 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 importa. Si el horno funciona demasiado caliente, algunos carbonatos inorgánicos se descomponen y dan una lectura volátil falsamente alta. Si funciona demasiado frío, puede que el material orgánico no se queme por completo. Por eso el método fija la temperatura en 550 °C.

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? El MLSS son los sólidos suspendidos totales del tanque de aireación, incluidos el material orgánico y el inorgánico. El MLVSS es solo la parte orgánica. El MLSS es igual al MLVSS más el MLFSS (sólidos suspendidos fijos del licor mezclado).

¿Cuál es una relación MLVSS/MLSS típica? El material de capacitación para operadores sitúa el óptimo típico en 0,7 a 0,8 (70 a 80 por ciento). Una relación menor sugiere más material inorgánico en la mezcla.

¿Cómo afecta el MLVSS a la relación F/M? El MLVSS es el denominador de la relación F/M. Un MLVSS más alto, con la misma carga orgánica, da una relación F/M más baja. Un MLVSS más bajo da una relación F/M más alta, lo que puede favorecer las bacterias filamentosas de mala sedimentación si sube demasiado.

¿Qué causa que el MLVSS baje de repente? Las causas comunes incluyen la purga excesiva de lodos, material tóxico en el afluente que mata la biomasa, lluvias intensas que arrastran la biomasa fuera del tanque y la poca disponibilidad de alimento en periodos de carga ligera, como los días festivos.

¿Puede el MLVSS ser demasiado alto? Sí. Un MLVSS alto aumenta la demanda de oxígeno y, con ella, el costo energético de la aireación, puede sobrecargar de sólidos el clarificador secundario y puede limitar la llegada de oxígeno al centro de las partículas densas de flóculo.

¿Cuánto tiempo después del muestreo debe medirse el MLVSS? Lo antes posible. El método 160,4 de la EPA establece que conservar la muestra no es práctico, por lo que el análisis debe comenzar de inmediato. Si no se puede evitar una demora, la muestra debe refrigerarse o mantenerse con hielo a 4 °C.

Referencias

1. U.S. Environmental Protection Agency. Method 160.4: Residue, Volatile (Gravimetric, Ignition at 550°C) by Muffle Furnace. Método 160,4 de la EPA — ignición a 550 °C; el peso perdido por ignición es el residuo volátil, una medida aproximada de la materia orgánica en los lodos activados.
2. National Environmental Methods Index (USGS/EPA). EPA-NERL 160.2: Non-filterable Residue by Drying Oven. Resumen del método 160,2 de NEMI — los sólidos suspendidos se filtran a través de un filtro de fibra de vidrio y se secan a 103-105°C.
3. Pennsylvania Department of Environmental Protection. Wastewater Treatment Plant Operator Certification Training, Module 16: The Activated Sludge Process, Part II. Módulo 16 del PA DEP — la relación MLVSS/MLSS óptima típica en las plantas de lodos activados está entre 0,7 y 0,8.
4. Pennsylvania Department of Environmental Protection. Desired F/M Ratio. Notas de la calculadora F/M del PA DEP — intervalos F/M típicos según el tipo de proceso; lodos activados convencionales de 0,2 a 0,5.