Calcolatore MLVSS per il trattamento delle acque reflue

I solidi sospesi volatili nei fanghi attivi (MLVSS) costituiscono la frazione organica biodegradabile dei solidi sospesi presenti in una vasca di aerazione a fanghi attivi. Sono utilizzati come misura indiretta della quantità di microrganismi attivi che trattano le acque reflue. Questo calcolatore determina gli MLVSS a partire dai dati di laboratorio usando il metodo della percentuale di VSS oppure il metodo degli FSS (solidi sospesi fissi).

Che cosa sono gli MLVSS?

Gli impianti di trattamento delle acque reflue che utilizzano il processo a fanghi attivi si affidano ai microrganismi per degradare gli inquinanti organici. La miscela di acqua, microrganismi e solidi nella vasca di aerazione è chiamata liquame misto. Una parte dei solidi sospesi presenti nella miscela è costituita da materiale organico, principalmente microrganismi vivi e morti. Questa frazione organica è costituita dai solidi sospesi volatili e, quando viene misurata nel liquame misto, è chiamata MLVSS.

Il resto dei solidi sospesi è costituito da materiale inorganico, come particelle grossolane, sabbia e minerali. Questa frazione inorganica è chiamata solidi sospesi fissi (FSS), oppure MLFSS quando viene misurata nel liquame misto, perché non si volatilizza durante il riscaldamento. Insieme, MLVSS e MLFSS costituiscono i solidi sospesi nel liquame misto (MLSS), cioè la concentrazione totale dei solidi sospesi nella vasca.

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

Gli operatori monitorano gli MLVSS perché approssimano la dimensione della popolazione biologica che svolge il trattamento. Un livello stabile di MLVSS indica generalmente un trattamento stabile e prevedibile. Un calo improvviso può segnalare un afflusso tossico, un eccessivo spurgo dei fanghi o un evento di pioggia che trascina la biomassa fuori dalla vasca.

Come si calcolano gli MLVSS

Esistono due metodi comuni per calcolare gli MLVSS; entrambi dovrebbero dare lo stesso risultato se le misurazioni di laboratorio sono accurate.

Metodo della percentuale di VSS

Alcuni laboratori riportano i VSS come percentuale dei TSS (solidi sospesi totali). In tal caso:

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

• MLVSS = solidi sospesi volatili nel liquame misto (mg/L)
• TSS = solidi sospesi totali (mg/L)
• VSS% = la frazione dei solidi sospesi costituita da materiale volatile, generalmente 65–85% in un sistema convenzionale a fanghi attivi

Metodo degli FSS

Altri laboratori riportano direttamente la frazione fissa (inorganica). In tal caso, gli MLVSS si determinano per sottrazione:

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

Poiché VSS e FSS insieme danno sempre i TSS, questa formula fornisce lo stesso risultato del metodo percentuale quando le misurazioni di base concordano. Se i due metodi danno risultati sensibilmente diversi per lo stesso campione, occorre verificare i dati di laboratorio o la gestione del campione.

Esempio svolto

Esempio 1: metodo della percentuale di VSS. Un operatore misura TSS pari a 3.500 mg/L nella vasca di aerazione, con una percentuale di VSS del 75%.

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

Esempio 2: metodo degli FSS. La stessa vasca viene misurata anche direttamente: i TSS sono pari a 3.500 mg/L e gli FSS a 875 mg/L.

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

I due metodi concordano, come previsto, poiché 875 mg/L di FSS corrispondono esattamente a 25% di 3.500 mg/L di TSS.

Come utilizzare questo calcolatore

1. Inserire il valore dei solidi sospesi totali (TSS) in mg/L.
2. Scegliere un metodo di calcolo: «Usando la percentuale di VSS» oppure «Usando i solidi sospesi fissi (FSS)».
3. Inserire il secondo valore: la percentuale di VSS (0-100%) oppure il valore degli FSS in mg/L.
4. Leggere il risultato degli MLVSS in mg/L, mostrato insieme alla formula e ai numeri utilizzati.

Il calcolatore verifica che i TSS siano pari o superiori a zero, che la percentuale di VSS sia compresa tra 0 e 100 e che gli FSS non superino i TSS, poiché gli FSS fanno parte dei TSS. Se un controllo non viene superato, viene mostrato un messaggio che spiega come correggere il problema.

Il rapporto MLVSS/MLSS

In un impianto convenzionale a fanghi attivi, il rapporto MLVSS/MLSS è generalmente compreso tra 0,65 e 0,85, il che significa che 65–85% dei solidi sospesi è di natura organica. Un rapporto che scende al di sotto di questo intervallo può indicare l’accumulo di solidi inerti o l’ingresso di materiale inorganico aggiuntivo proveniente da una fonte industriale. Un rapporto vicino al limite superiore dell’intervallo indica generalmente che la biomassa è prevalentemente organica e attiva.

Perché gli MLVSS sono importanti per il controllo del processo

Gli MLVSS entrano in diversi calcoli utilizzati quotidianamente dagli operatori:

• Rapporto alimento/microrganismi (F/M): confronta il carico organico in ingresso con la quantità di biomassa disponibile per trattarlo.
• Tempo di ritenzione dei solidi (SRT), chiamato anche età del fango: indica per quanto tempo la biomassa rimane nel sistema e influisce sulla stabilità del trattamento e sulla capacità di rimuovere l’ammoniaca (nitrificazione).
• Produzione di fango: una maggiore quantità di biomassa comporta generalmente una maggiore quantità di fango da spurgare e smaltire.
• Fabbisogno di ossigeno: la biomassa ha bisogno di ossigeno per funzionare, quindi il consumo energetico dell’aerazione segue approssimativamente gli MLVSS.

I metodi di laboratorio standard per gli MLVSS sono descritti in Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (metodo 2540E) e nel metodo EPA 160,4.

Come si calcola il rapporto F/M

$\text{Rapporto F/M} = \frac{\text{Carico di BOD in ingresso (kg/giorno)}}{\text{Massa degli MLVSS nella vasca (kg)}}$

Esempio. Un impianto presenta i seguenti valori:

• Portata in ingresso = 10.000 m³/giorno
• BOD in ingresso = 250 mg/L
• Volume della vasca di aerazione = 2.000 m³
• MLVSS = 2.500 mg/L

Poiché 1 mg/L in una portata misurata in m³/giorno equivale a 1 grammo di massa al giorno, il carico in kg/giorno si ottiene moltiplicando e dividendo per 1.000:

• Carico di BOD in ingresso = 10.000 m³/giorno × 250 mg/L ÷ 1.000 = 2.500 kg/giorno
• Massa degli MLVSS = 2.000 m³ × 2.500 mg/L ÷ 1.000 = 5.000 kg
• Rapporto F/M = 2.500 kg/giorno ÷ 5.000 kg = 0,5 al giorno

Un impianto convenzionale a fanghi attivi funziona generalmente con un rapporto F/M compreso tra 0,2 e 0,6 al giorno. Un rapporto troppo elevato può causare il rigonfiamento filamentoso dei fanghi, nel quale batteri filamentosi rendono difficile la sedimentazione. Un rapporto troppo basso spreca energia per aerare una biomassa con poco alimento residuo da consumare.

Intervalli operativi tipici

Le tabelle di progetto pubblicate riportano la concentrazione dei solidi totali (MLSS), anziché la frazione volatile. Gli MLVSS rappresentano la frazione volatile di questi valori, quindi circa 65–85% di ciascun intervallo.

I bioreattori a membrane possono funzionare con concentrazioni di solidi molto più elevate perché separano i solidi mediante membrane, invece di affidarsi alla sedimentazione per gravità in un chiarificatore.

Come si misurano gli MLVSS in laboratorio

La procedura standard prevede due fasi di riscaldamento:

1. Fase dei TSS. Un volume noto di liquame misto viene filtrato attraverso un filtro in fibra di vetro precedentemente pesato, essiccato a 103–105°C per almeno un’ora, raffreddato e pesato. L’aumento di peso corrisponde ai TSS (o agli MLSS, quando il campione è costituito da liquame misto).
2. Fase di calcinazione. Lo stesso filtro viene riscaldato in una fornace a 550 °C per 15–20 minuti. Il materiale organico brucia, lasciando cenere inorganica. Il filtro viene nuovamente raffreddato e pesato.
3. Risultato. La perdita di peso durante la calcinazione corrisponde alla frazione volatile e organica, cioè agli MLVSS.

La temperatura della fornace è importante. Gli Standard Methods stabiliscono la fase di calcinazione a 550 °C con una tolleranza di 50 °C. A temperature superiori, carbonati inorganici come il carbonato di magnesio iniziano a decomporsi, contribuendo alla perdita di peso misurata e producendo una lettura del volatile falsamente elevata. A temperature inferiori, il materiale organico potrebbe non bruciare completamente.

Alternative agli MLVSS

Gli MLVSS sono ampiamente utilizzati perché sono semplici e affidabili, ma altri metodi misurano la biomassa in modo più specifico:

• ATP (adenosina trifosfato) misura una molecola presente solo nelle cellule vive, quindi conta la biomassa attiva senza il materiale morto. Richiede un analizzatore dedicato.
• Respirometria misura la velocità con cui la biomassa consuma ossigeno, mostrando direttamente l’attività biologica. È utile per verificare se l’afflusso è tossico per la biomassa.
• Quantificazione del DNA e FISH (ibridazione fluorescente in situ) identificano e contano microrganismi specifici. Sono principalmente strumenti di ricerca, utili per individuare la causa del rigonfiamento filamentoso dei fanghi.

Questi metodi forniscono maggiori dettagli, ma costano di più e richiedono più tempo; per questo gli MLVSS restano lo standard per il controllo ordinario del processo.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra MLSS e MLVSS? Gli MLSS sono i solidi sospesi totali nella vasca di aerazione, compresi i materiali organici e inorganici. Gli MLVSS sono soltanto la parte organica. Gli MLSS equivalgono agli MLVSS più gli MLFSS (solidi sospesi fissi nel liquame misto).

Qual è il rapporto MLVSS/MLSS tipico? In un impianto convenzionale a fanghi attivi, è generalmente compreso tra 0,65 e 0,85 (65-85%). Un rapporto inferiore indica una maggiore presenza di materiale inorganico nella miscela.

In che modo gli MLVSS influenzano il rapporto F/M? Gli MLVSS costituiscono il denominatore del rapporto F/M. A parità di carico organico, un valore maggiore di MLVSS produce un rapporto F/M inferiore. Un valore inferiore di MLVSS produce un rapporto F/M maggiore, che può favorire batteri filamentosi con scarsa sedimentabilità se aumenta troppo.

Che cosa causa un calo improvviso degli MLVSS? Tra le cause comuni vi sono un eccessivo spurgo dei fanghi, la presenza di materiale tossico nell’afflusso che uccide la biomassa, piogge intense che trascinano la biomassa fuori dalla vasca e una scarsa disponibilità di alimento durante periodi di basso carico, come le vacanze.

Gli MLVSS possono essere troppo elevati? Sì. Un valore elevato di MLVSS aumenta il fabbisogno di ossigeno e quindi il costo energetico dell’aerazione, può sovraccaricare di solidi il chiarificatore secondario e può limitare il trasferimento di ossigeno verso il centro delle particelle dense di fiocchi.

Quanto tempo dopo il campionamento occorre misurare gli MLVSS? Gli Standard Methods indicano di iniziare il prima possibile, perché i solidi non possono essere conservati. I campioni devono essere refrigerati a 4 °C, conservati preferibilmente per non più di 24 ore e mai per più di 7 giorni.

Riferimenti

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