محاسبه‌گر MLVSS برای تصفیه فاضلاب

جامدات معلق فرّارِ مایع مخلوط (MLVSS)، بخش آلی و زیست‌تجزیه‌پذیر جامدات معلق در مخزن هوادهی لجن فعال است. از آن به‌عنوان معیاری جایگزین برای مقدار ریزسازواره‌های فعالی استفاده می‌شود که فاضلاب را تصفیه می‌کنند. این محاسبه‌گر MLVSS را از داده‌های آزمایشگاهی، با استفاده از روش درصد VSS یا روش FSS (جامدات معلق غیر فرّار) به دست می‌آورد.

MLVSS چیست؟

تصفیه‌خانه‌های فاضلاب که از فرایند لجن فعال استفاده می‌کنند، برای تجزیه آلاینده‌های آلی از ریزسازواره‌ها استفاده می‌کنند. مخلوط آب، ریزسازواره‌ها و جامدات در مخزن هوادهی، مایع مخلوط نام دارد. بخشی از جامدات معلق این مخلوط، مواد آلی و عمدتاً ریزسازواره‌های زنده و مرده هستند. این بخش آلی، جامدات معلق فرّار است و هنگامی که در مایع مخلوط اندازه‌گیری شود، MLVSS نامیده می‌شود.

بقیه جامدات معلق، مواد غیرآلی مانند شن‌ریزه، ماسه و کانی‌ها هستند. این بخش غیرآلی، جامدات معلق ثابت (FSS) نام دارد و اگر در مایع مخلوط اندازه‌گیری شود، جامدات معلق ثابت مایع مخلوط (MLFSS) نامیده می‌شود؛ زیرا هنگام گرم‌شدن نمی‌سوزد. MLVSS و MLFSS در مجموع جامدات معلق مایع مخلوط (MLSS)، یعنی غلظت کل جامدات معلق در مخزن، را تشکیل می‌دهند.

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

بهره‌برداران MLVSS را پایش می‌کنند، زیرا این مقدار تقریباً اندازه نیروی زیستیِ انجام‌دهنده تصفیه را نشان می‌دهد. سطح ثابت MLVSS معمولاً به معنای تصفیه پایدار و قابل پیش‌بینی است. افت ناگهانی می‌تواند نشانه ورود جریان سمی، دفع بیش‌ازحد لجن یا شسته‌شدن زیست‌توده از مخزن بر اثر طوفان باشد.

نحوه محاسبه MLVSS

دو روش رایج برای محاسبه MLVSS وجود دارد و اگر اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی دقیق باشند، هر دو باید نتیجه یکسانی بدهند.

روش درصد VSS

برخی آزمایشگاه‌ها VSS را به‌صورت درصدی از TSS (کل جامدات معلق) گزارش می‌کنند. در این حالت:

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

• MLVSS = جامدات معلق فرّار مایع مخلوط (mg/L)
• TSS = جامدات معلق کل (mg/L)
• VSS% = سهم جامدات معلق فرّار، که در یک سامانه متعارف لجن فعال معمولاً ۶۵–۸۵% است

روش FSS

آزمایشگاه‌های دیگر بخش ثابت (غیرآلی) را مستقیماً گزارش می‌کنند. در این حالت، MLVSS با تفریق به دست می‌آید:

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

از آنجا که VSS و FSS همیشه جمعاً برابر TSS هستند، هرگاه اندازه‌گیری‌های پایه با هم سازگار باشند، این فرمول همان نتیجه روش درصدی را می‌دهد. اگر دو روش برای یک نمونه یکسان نتایج محسوسی متفاوت بدهند، باید داده‌های آزمایشگاهی یا نحوه کار با نمونه بررسی شود.

مثال حل‌شده

مثال ۱: روش درصد VSS. بهره‌بردار TSS را در مخزن هوادهی برابر ۳٬۵۰۰ mg/L و درصد VSS را برابر ۷۵٪ اندازه‌گیری می‌کند.

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

مثال ۲: روش FSS. همان مخزن به‌صورت مستقیم نیز اندازه‌گیری می‌شود: TSS برابر ۳٬۵۰۰ mg/L و FSS برابر ۸۷۵ mg/L است.

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

همان‌طور که انتظار می‌رود، هر دو روش نتیجه یکسانی دارند، زیرا ۸۷۵ mg/L FSS دقیقاً ۲۵٪ از ۳٬۵۰۰ mg/L TSS است.

روش استفاده از این محاسبه‌گر

1. مقدار جامدات معلق کل (TSS) را برحسب mg/L وارد کنید.
2. یک روش محاسبه انتخاب کنید: «با استفاده از درصد VSS» یا «با استفاده از جامدات معلق ثابت (FSS)».
3. مقدار دوم را وارد کنید: یا درصد VSS (۰-۱۰۰%) یا مقدار FSS برحسب mg/L.
4. نتیجه MLVSS را برحسب mg/L بخوانید؛ فرمول و اعداد استفاده‌شده نیز نمایش داده می‌شوند.

محاسبه‌گر بررسی می‌کند که TSS صفر یا بیشتر باشد، درصد VSS بین ۰ و ۱۰۰ قرار گیرد و FSS از TSS بیشتر نباشد، زیرا FSS بخشی از TSS است. اگر بررسی‌ای ناموفق باشد، پیامی درباره موردی که باید اصلاح شود نمایش داده می‌شود.

نسبت MLVSS/MLSS

در یک تصفیه‌خانه متعارف لجن فعال، نسبت MLVSS/MLSS معمولاً بین ۰٫۶۵ و ۰٫۸۵ قرار دارد؛ یعنی ۶۵–۸۵% از جامدات معلق آلی هستند. کاهش نسبت به کمتر از این دامنه می‌تواند نشان‌دهنده تجمع جامدات بی‌اثر یا ورود مواد غیرآلی اضافی از یک منبع صنعتی باشد. نسبت نزدیک به حد بالای دامنه معمولاً به این معناست که زیست‌توده عمدتاً آلی و فعال است.

اهمیت MLVSS در کنترل فرایند

MLVSS در چندین محاسبه‌ای که بهره‌برداران هر روز انجام می‌دهند به کار می‌رود:

• نسبت غذا به ریزسازواره (F/M): بار آلی ورودی را با مقدار زیست‌توده موجود برای تصفیه آن مقایسه می‌کند.
• زمان ماند جامدات (SRT)، که سن لجن نیز نامیده می‌شود: مدت ماند زیست‌توده در سامانه است و بر پایداری تصفیه و توانایی حذف آمونیاک (نیتریفیکاسیون) اثر می‌گذارد.
• تولید لجن: زیست‌توده بیشتر معمولاً به معنای لجن بیشتر برای دفع و دورریزی است.
• نیاز اکسیژن: زیست‌توده برای فعالیت به اکسیژن نیاز دارد، بنابراین مصرف انرژی هوادهی تقریباً با MLVSS متناسب است.

روش‌های استاندارد آزمایشگاهی MLVSS در روش‌های استاندارد آزمون آب و فاضلاب (روش ۲۵۴۰E) و روش EPA ۱۶۰٫۴ شرح داده شده‌اند.

نحوه محاسبه نسبت F/M

$\text{نسبت F/M} = \frac{\text{بار BOD فاضلاب ورودی (kg/day)}}{\text{جرم MLVSS در مخزن (kg)}}$

مثال. یک تصفیه‌خانه مقادیر زیر را دارد:

• دبی ورودی = ۱۰٬۰۰۰ m³/day
• BOD ورودی = ۲۵۰ mg/L
• حجم مخزن هوادهی = ۲٬۰۰۰ m³
• MLVSS = ۲٬۵۰۰ mg/L

از آنجا که ۱ mg/L در دبی اندازه‌گیری‌شده برحسب m³/day برابر ۱ گرم جرم در روز است، بار برحسب kg/day با ضرب و تقسیم بر ۱٬۰۰۰ به دست می‌آید:

• بار BOD ورودی = ۱۰٬۰۰۰ m³/day × ۲۵۰ mg/L ÷ ۱٬۰۰۰ = ۲٬۵۰۰ kg/day
• جرم MLVSS = ۲٬۰۰۰ m³ × ۲٬۵۰۰ mg/L ÷ ۱٬۰۰۰ = ۵٬۰۰۰ kg
• نسبت F/M = ۲٬۵۰۰ kg/day ÷ ۵٬۰۰۰ kg = ۰٫۵ در روز

یک تصفیه‌خانه متعارف لجن فعال معمولاً با نسبت F/M بین ۰٫۲ و ۰٫۶ در روز کار می‌کند. نسبت بیش‌ازحد بالا می‌تواند موجب حجیم‌شدن رشته‌ای شود؛ در این حالت، باکتری‌های رشته‌ای ته‌نشینی لجن را مختل می‌کنند. نسبت بیش‌ازحد پایین انرژی را صرف هوادهی زیست‌توده‌ای می‌کند که غذای اندکی برای مصرف دارد.

دامنه‌های معمول بهره‌برداری

جداول منتشرشده طراحی، غلظت کل جامدات (MLSS) را به‌جای بخش فرّار ارائه می‌کنند. MLVSS سهم فرّار این مقادیر است، بنابراین تقریباً ۶۵–۸۵% هر دامنه را تشکیل می‌دهد.

بیوراکتورهای غشایی می‌توانند با غلظت جامدات بسیار بالاتری کار کنند، زیرا جامدات را به‌جای تکیه بر ته‌نشینی گرانشی در زلال‌ساز، با غشا جدا می‌کنند.

نحوه اندازه‌گیری MLVSS در آزمایشگاه

روش استاندارد شامل دو مرحله گرمایشی است:

1. مرحله TSS. حجم مشخصی از مایع مخلوط از یک صافی الیاف شیشه‌ای که از پیش وزن شده است عبور داده می‌شود، حداقل به مدت یک ساعت در دمای ۱۰۳–۱۰۵°C خشک می‌شود، سپس سرد و وزن می‌شود. افزایش وزن، TSS است؛ یا هنگامی که نمونه مایع مخلوط باشد، MLSS محسوب می‌شود.
2. مرحله احتراق. همان فیلتر در کوره، در دمای ۵۵۰ °C به مدت ۱۵–۲۰ دقیقه حرارت داده می‌شود. مواد آلی می‌سوزند و خاکستر غیرآلی باقی می‌ماند. فیلتر دوباره سرد و وزن می‌شود.
3. نتیجه. وزن ازدست‌رفته هنگام سوزاندن، بخش فرّار و آلی، یعنی MLVSS، است.

دمای کوره اهمیت دارد. روش‌های استاندارد، مرحله سوزاندن را در ۵۵۰ °C با تحمل ۵۰ °C تعیین می‌کند. اگر دما بالاتر باشد، کربنات‌های غیرآلی مانند کربنات منیزیم شروع به تجزیه می‌کنند و به کاهش وزن اندازه‌گیری‌شده می‌افزایند و قرائت فرّار را به‌طور کاذب بالا می‌برند. اگر دما پایین‌تر باشد، ممکن است مواد آلی به‌طور کامل نسوزند.

جایگزین‌های MLVSS

MLVSS به دلیل سادگی و قابلیت اطمینان گسترده استفاده می‌شود، اما روش‌های دیگری زیست‌توده را اختصاصی‌تر اندازه‌گیری می‌کنند:

• ATP (آدنوزین تری‌فسفات) مولکولی را اندازه‌گیری می‌کند که فقط در سلول‌های زنده یافت می‌شود؛ بنابراین زیست‌توده فعال را بدون مواد مرده شمارش می‌کند. این روش به تحلیل‌گر اختصاصی نیاز دارد.
• تنفس‌سنجی سرعت مصرف اکسیژن توسط زیست‌توده را اندازه‌گیری می‌کند و فعالیت زیستی را مستقیماً نشان می‌دهد. از این روش برای بررسی سمی‌بودن فاضلاب ورودی برای زیست‌توده استفاده می‌شود.
• کمّی‌سازی DNA و FISH (هیبریداسیون فلورسانس درجا) ریزسازواره‌های مشخص را شناسایی و شمارش می‌کنند. این روش‌ها عمدتاً ابزارهای پژوهشی هستند و برای یافتن علت حجیم‌شدن رشته‌ای کاربرد دارند.

این روش‌ها جزئیات بیشتری ارائه می‌کنند، اما پرهزینه‌تر و زمان‌برتر هستند؛ به همین دلیل MLVSS همچنان استاندارد کنترل معمول فرایند است.

پرسش‌های متداول

تفاوت MLSS و MLVSS چیست؟ MLSS کل جامدات معلق در مخزن هوادهی است و مواد آلی و غیرآلی را شامل می‌شود. MLVSS فقط بخش آلی است. MLSS برابر مجموع MLVSS و MLFSS (جامدات معلق ثابت مایع مخلوط) است.

نسبت معمول MLVSS/MLSS چقدر است؟ در یک تصفیه‌خانه متعارف لجن فعال، این نسبت معمولاً از ۰٫۶۵ تا ۰٫۸۵ (۶۵-۸۵%) است. نسبت پایین‌تر نشان‌دهنده مواد غیرآلی بیشتر در مخلوط است.

MLVSS چگونه بر نسبت F/M اثر می‌گذارد؟ MLVSS مخرج نسبت F/M است. با ثابت‌بودن بار آلی، MLVSS بالاتر نسبت F/M پایین‌تری ایجاد می‌کند. MLVSS پایین‌تر نسبت F/M بالاتری ایجاد می‌کند و اگر این نسبت بیش‌ازحد افزایش یابد، می‌تواند رشد باکتری‌های رشته‌ای با ته‌نشینی ضعیف را تقویت کند.

چه چیزی باعث افت ناگهانی MLVSS می‌شود؟ علت‌های رایج شامل دفع بیش‌ازحد لجن، کشتن زیست‌توده به‌وسیله مواد سمی در فاضلاب ورودی، شسته‌شدن زیست‌توده از مخزن بر اثر بارندگی شدید و کمبود غذا در دوره‌های بارگذاری سبک، مانند تعطیلات، است.

آیا MLVSS می‌تواند بیش‌ازحد بالا باشد؟ بله. MLVSS بالا نیاز به اکسیژن و در نتیجه هزینه انرژی هوادهی را افزایش می‌دهد، می‌تواند زلال‌ساز ثانویه را با جامدات بیش‌ازحد بارگذاری کند و رسیدن اکسیژن به مرکز ذرات متراکم لخته را محدود سازد.

MLVSS چه مدت پس از نمونه‌برداری باید اندازه‌گیری شود؟ روش‌های استاندارد توصیه می‌کنند کار هرچه سریع‌تر آغاز شود، زیرا جامدات را نمی‌توان نگهداری کرد. نمونه‌ها باید در دمای ۴ °C در یخچال نگهداری شوند، ترجیحاً بیش از ۲۴ ساعت و هرگز بیش از ۷ روز نگهداری نشوند.

منابع

1. فدراسیون محیط زیست آب. بهره‌برداری از تأسیسات بازیابی منابع آب، ویرایش ۷. انتشارات مک‌گراو هیل، ۲۰۱۸.
2. متکالف و ادی. مهندسی فاضلاب: تصفیه و بازیابی منابع، ویرایش ۵. انتشارات مک‌گراو هیل، ۲۰۱۴.
3. انجمن بهداشت عمومی آمریکا، انجمن آب آمریکا و فدراسیون محیط زیست آب. روش‌های استاندارد آزمون آب و فاضلاب، ویرایش ۲۳، ۲۰۱۷.
4. آژانس حفاظت محیط زیست ایالات متحده. برگه اطلاعات فناوری فاضلاب: فرایند لجن فعال. EPA ۸۳۲-F-00-016.