MLVSS-laskuri jäteveden käsittelyyn

Mixed Liquor Volatile Suspended Solids (MLVSS) tarkoittaa ilmastusaltaan sekalietteen suspendoituneiden kiintoaineiden orgaanista, biologisesti hajoavaa osaa. Sitä käytetään korvaavana mittana jäteveden käsittelyyn osallistuvien aktiivisten mikro-organismien määrälle. Tämä laskuri määrittää MLVSS-arvon laboratoriotietojen perusteella joko VSS-prosenttimenetelmällä tai FSS-menetelmällä (Fixed Suspended Solids).

Mikä on MLVSS?

Aktiivilieteprosessia käyttävät jätevedenpuhdistamot hyödyntävät mikro-organismeja orgaanisten epäpuhtauksien hajottamiseen. Ilmastusaltaan veden, mikro-organismien ja kiintoaineiden seosta kutsutaan sekalietteeksi. Osa seoksen suspendoituneista kiintoaineista on orgaanista ainesta, joka koostuu pääasiassa elävistä ja kuolleista mikro-organismeista. Tätä orgaanista osuutta kutsutaan haihtuviksi suspendoituneiksi kiintoaineiksi, ja sekalietteestä mitattuna sen nimi on MLVSS.

Loput suspendoituneista kiintoaineista ovat epäorgaanista ainesta, kuten soraa, hiekkaa ja mineraaleja. Tätä epäorgaanista osuutta kutsutaan haihtumattomiksi suspendoituneiksi kiintoaineiksi (FSS) tai sekalietteestä mitattuna MLFSS:ksi, koska se ei pala pois kuumennettaessa. Yhdessä MLVSS ja MLFSS muodostavat Mixed Liquor Suspended Solids -arvon (MLSS), joka on altaan suspendoituneiden kiintoaineiden kokonaispitoisuus.

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

Käyttäjät seuraavat MLVSS-arvoa, koska se antaa likimääräisen kuvan käsittelystä vastaavan biologisen työvoiman määrästä. Tasainen MLVSS-taso tarkoittaa yleensä vakaata ja ennakoitavaa käsittelyä. Äkillinen lasku voi viitata myrkylliseen tulevaan jätevesivirtaan, liialliseen ylijäämälietteen poistoon tai myrskyn aiheuttamaan biomassan huuhtoutumiseen altaasta.

MLVSS-arvon laskeminen

MLVSS-arvo voidaan laskea kahdella yleisellä tavalla, ja molempien pitäisi antaa sama tulos, jos laboratoriomittaukset ovat tarkkoja.

VSS-prosenttimenetelmä

Jotkin laboratoriot ilmoittavat VSS:n TSS:n (Total Suspended Solids) prosenttiosuutena. Tällöin:

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

• MLVSS = sekalipeän haihtuvat suspendoituneet kiintoaineet (mg/L)
• TSS = suspendoituneiden kiintoaineiden kokonaismäärä (mg/L)
• VSS% = haihtuvien suspendoituneiden kiintoaineiden osuus, yleensä 65–85% tavanomaisessa aktiivilieteprosessissa

FSS-menetelmä

Muut laboratoriot ilmoittavat kiinteän, epäorgaanisen osuuden suoraan. Tällöin MLVSS saadaan vähennyslaskulla:

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

Koska VSS:n ja FSS:n summa on aina TSS, tämä kaava antaa saman tuloksen kuin prosenttimenetelmä, jos lähtömittaukset täsmäävät. Jos menetelmät antavat samasta näytteestä huomattavasti erilaiset tulokset, laboratoriotiedot tai näytteen käsittely on tarkistettava.

Ratkaistu esimerkki

Esimerkki 1: VSS-prosenttimenetelmä. Käyttäjä mittaa ilmastusaltaan TSS-arvoksi 3 500 mg/L ja VSS-prosentiksi 75 %.

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

Esimerkki 2: FSS-menetelmä. Samasta altaasta tehdään myös suora mittaus: TSS on 3 500 mg/L ja FSS on 875 mg/L.

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

Molemmat menetelmät antavat odotetusti saman tuloksen, koska 875 mg/L FSS:ää on täsmälleen 25 % 3 500 mg/L:n TSS-määrästä.

Tämän laskimen käyttö

1. Syötä suspendoituneiden kiintoaineiden kokonaismäärä (TSS) yksikössä mg/L.
2. Valitse laskentamenetelmä: ”VSS-prosentin käyttö” tai ”Kiinteiden suspendoituneiden kiintoaineiden (FSS) käyttö”.
3. Syötä toinen arvo: joko VSS-prosentti (0-100%) tai FSS-arvo yksikössä mg/L.
4. Lue MLVSS-tulos yksikössä mg/L; tuloksen yhteydessä esitetään käytetty kaava ja siinä käytetyt luvut.

Laskuri tarkistaa, että TSS on vähintään nolla, VSS-prosentti on välillä 0–100 ja FSS ei ylitä TSS:ää, koska FSS on osa TSS:ää. Jos tarkistus epäonnistuu, laskuri näyttää viestin, jossa kerrotaan, mitä on korjattava.

MLVSS/MLSS-suhde

Tavanomaisessa aktiivilietelaitoksessa MLVSS/MLSS-suhde on yleensä välillä 0,65–0,85, mikä tarkoittaa, että 65–85% suspendoituneista kiintoaineista on orgaanista. Suhteen laskeminen tämän vaihteluvälin alapuolelle voi viitata inerttien kiintoaineiden kertymiseen tai teollisuuslähteestä tulevaan ylimääräiseen epäorgaaniseen ainekseen. Vaihteluvälin yläpäätä lähestyvä suhde tarkoittaa yleensä, että biomassa on pääosin orgaanista ja aktiivista.

Miksi MLVSS on tärkeä prosessinohjauksessa

MLVSS-arvoa käytetään useissa laskelmissa, joita käyttäjät tekevät päivittäin:

• Ravinnon ja mikro-organismien suhde (F/M): vertaa tulevan orgaanisen kuormituksen määrää sen käsittelyyn käytettävissä olevan biomassan määrään.
• Kiintoaineen viipymäaika (SRT), jota kutsutaan myös lieteiäksi: kuinka kauan biomassa pysyy järjestelmässä; tämä vaikuttaa käsittelyn vakauteen ja ammoniakin poistokykyyn (nitrifikaatioon).
• Lietteen muodostuminen: suurempi biomassamäärä tarkoittaa yleensä suurempaa poistettavan ja käsiteltävän lietteen määrää.
• Hapentarve: biomassa tarvitsee happea toimiakseen, joten ilmastuksen energiankulutus seuraa likimäärin MLVSS-arvoa.

MLVSS:n vakiolaboratoriomenetelmät kuvataan teoksessa Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (menetelmässä 2540E) ja EPA:n menetelmässä 160,4.

F/M-suhteen laskeminen

$\text{F/M-suhde} = \frac{\text{Tulevan jäteveden BOD-kuormitus (kg/vrk)}}{\text{Altaan MLVSS-massa (kg)}}$

Esimerkki. Laitoksella on seuraavat arvot:

• Tulevan jäteveden virtaama = 10 000 m³/vrk
• Tulevan jäteveden BOD = 250 mg/L
• Ilmastusaltaan tilavuus = 2 000 m³
• MLVSS = 2 500 mg/L

Koska 1 mg/L yksikössä m³/vrk mitattuna vastaa 1 grammaa massaa vuorokaudessa, kuormitus kilogrammoina vuorokaudessa saadaan kertomalla ja jakamalla luvulla 1 000:

• Tulevan jäteveden BOD-kuormitus = 10 000 m³/vrk × 250 mg/L ÷ 1 000 = 2 500 kg/vrk
• MLVSS-massa = 2 000 m³ × 2 500 mg/L ÷ 1 000 = 5 000 kg
• F/M-suhde = 2 500 kg/vrk ÷ 5 000 kg = 0,5 vuorokaudessa

Tavanomaisen aktiivilietelaitoksen F/M-suhde on yleensä välillä 0,2–0,6 vuorokaudessa. Liian suuri suhde voi aiheuttaa rihmakasvuun liittyvää lietteen paisuntaa, jossa rihmamaiset bakteerit heikentävät lietteen laskeutumista. Liian pieni suhde kuluttaa energiaa sellaisen biomassan ilmastamiseen, jolla on vain vähän ravintoa jäljellä.

Tyypilliset käyttöalueet

Julkaistuissa mitoitustaulukoissa ilmoitetaan haihtuvan osuuden sijaan kiintoaineiden kokonaispitoisuus (MLSS). MLVSS on näiden arvojen haihtuva osuus, joten se on kussakin vaihteluvälissä noin 65–85%.

Kalvobioreaktoreissa voidaan käyttää paljon suurempia kiintoainepitoisuuksia, koska kiintoaineet erotetaan kalvoilla eikä laskeuteta painovoiman avulla selkeyttimessä.

MLVSS:n mittaaminen laboratoriossa

Vakiomenettelyssä on kaksi kuumennusvaihetta:

1. TSS-vaihe. Tunnettu määrä sekalipeää suodatetaan ennalta punnitun lasikuitusuodattimen läpi, kuivataan vähintään tunnin ajan lämpötilassa 103–105°C, jäähdytetään ja punnitaan. Massan lisäys on TSS-arvo (tai MLSS, kun näyte on sekalipeää).
2. Hehkutusvaihe. Sama suodatin kuumennetaan uunissa lämpötilassa 550 °C 15–20 minuutin ajan. Orgaaninen aines palaa pois ja jäljelle jää epäorgaaninen tuhka. Suodatin jäähdytetään ja punnitaan uudelleen.
3. Tulos. Hehkutuksessa menetetty massa on haihtuva orgaaninen osuus eli MLVSS.

Uunin lämpötilalla on merkitystä. Standard Methods määrittää hehkutusvaiheen lämpötilaksi 550 °C ja sallii poikkeaman 50 °C. Korkeammassa lämpötilassa epäorgaaniset karbonaatit, kuten magnesiumkarbonaatti, alkavat hajota, mikä lisää mitattua massahäviötä ja antaa virheellisen suuren haihtuvan osuuden. Matalammassa lämpötilassa orgaaninen aines ei välttämättä pala kokonaan.

MLVSS:n vaihtoehdot

MLVSS:ää käytetään laajalti, koska menetelmä on yksinkertainen ja luotettava, mutta muut menetelmät mittaavat biomassaa spesifisemmin:

• ATP (adenosiinitrifosfaatti) mittaa vain elävissä soluissa esiintyvää molekyyliä, joten se laskee aktiivisen biomassan ilman kuollutta ainesta. Menetelmä edellyttää tarkoitukseen sopivaa analysaattoria.
• Respirometria mittaa nopeutta, jolla biomassa kuluttaa happea, mikä osoittaa biologisen aktiivisuuden suoraan. Se soveltuu sen testaamiseen, onko tuleva jätevesi biomassalle myrkyllistä.
• DNA:n kvantifiointi ja FISH (fluoresenssi-in situ -hybridisaatio) tunnistavat ja laskevat tiettyjä mikro-organismeja. Ne ovat pääasiassa tutkimustyökaluja, joista on hyötyä rihmakasvuun liittyvän lietteen paisunnan syyn selvittämisessä.

Nämä menetelmät antavat enemmän tietoa, mutta maksavat enemmän ja vievät enemmän aikaa. Siksi MLVSS on edelleen rutiininomaisen prosessinohjauksen vakiomenetelmä.

Usein kysyttyä

Mitä eroa on MLSS:llä ja MLVSS:llä? MLSS on ilmastusaltaan suspendoituneiden kiintoaineiden kokonaismäärä, joka sisältää sekä orgaanisen että epäorgaanisen aineksen. MLVSS on vain orgaaninen osa. MLSS on MLVSS:n ja MLFSS:n (Mixed Liquor Fixed Suspended Solids) summa.

Mikä on tyypillinen MLVSS/MLSS-suhde? Tavanomaisessa aktiivilietelaitoksessa suhde on yleensä 0,65–0,85 (65-85%). Pienempi suhde viittaa suurempaan epäorgaanisen aineksen määrään seoksessa.

Miten MLVSS vaikuttaa F/M-suhteeseen? MLVSS on F/M-suhteen nimittäjä. Kun orgaaninen kuormitus pysyy samana, suurempi MLVSS tuottaa pienemmän F/M-suhteen. Pienempi MLVSS tuottaa suuremman F/M-suhteen, mikä voi edistää huonosti laskeutuvien rihmamaisten bakteerien kasvua, jos suhde nousee liian suureksi.

Mikä aiheuttaa MLVSS-arvon äkillisen laskun? Yleisiä syitä ovat liiallinen ylijäämälietteen poisto, tulevan jäteveden sisältämä biomassaa tappava myrkyllinen aine, rankkasateen aiheuttama biomassan huuhtoutuminen altaasta ja vähäinen ravinnonsaanti kevyen kuormituksen aikana, kuten lomakausina.

Voiko MLVSS-arvo olla liian suuri? Kyllä. Suuri MLVSS lisää hapentarvetta ja siten ilmastuksen energiakustannuksia, voi ylikuormittaa jälkiselkeytintä kiintoaineella ja voi estää hapen pääsyn tiheiden flokkipartikkelien keskelle.

Kuinka pian näytteenoton jälkeen MLVSS pitäisi mitata? Standard Methods -ohjeen mukaan mittaus pitäisi aloittaa mahdollisimman pian, koska kiintoaineita ei voi säilöä. Näytteet on säilytettävä jääkaapissa lämpötilassa 4 °C, mieluiten enintään 24 tuntia ja aina enintään 7 päivää.

Lähteet

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