Calcolatore MLVSS per il trattamento delle acque reflue

I solidi sospesi volatili nella miscela aerata (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 miscela aerata. 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 nella miscela aerata, è chiamata MLVSS.

Il resto dei solidi sospesi è materiale inorganico come sabbia, graniglia e minerali. Questa frazione inorganica è detta solidi sospesi fissi (FSS), perché non brucia quando viene riscaldata. Insieme, gli MLVSS e gli FSS costituiscono i solidi sospesi nella miscela aerata (MLSS), la concentrazione totale di 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 nella miscela aerata (mg/L)
• TSS = solidi sospesi totali (mg/L)
• VSS% = la quota di solidi sospesi che è volatile, in genere dal 70 all'80 percento in un sistema 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.

Esempi svolti

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 usare 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

Il modulo di formazione per operatori del Dipartimento per la protezione ambientale della Pennsylvania indica come rapporto MLVSS/MLSS ottimale tipico da 0,7 a 0,8, cioè dal 70 all'80 percento dei solidi sospesi è organico. Un rapporto che scende sotto questo intervallo può indicare un accumulo di solidi inerti o l'ingresso di materiale inorganico aggiuntivo da una fonte industriale. Un rapporto vicino al limite superiore dell'intervallo significa di solito che la biomassa è in prevalenza 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 a fanghi attivi convenzionale funziona in genere con un rapporto F/M compreso tra 0,2 e 0,5 al giorno. La stessa fonte riporta intervalli più bassi per l'aerazione prolungata (da 0,01 a 0,07) e per la stabilizzazione per contatto (da 0,15 a 0,2), e osserva che il valore migliore per un dato impianto si può trovare solo monitorandone le prestazioni. Un rapporto troppo alto può causare bulking filamentoso, in cui batteri a forma di filamento fanno sedimentare male i fanghi. Un rapporto troppo basso spreca energia per aerare una biomassa che ha poco nutrimento da consumare.

Intervalli operativi tipici degli MLVSS

I bioreattori a membrana possono funzionare con MLVSS molto più alti perché separano i solidi con 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 TSS. Un volume noto di miscela aerata viene filtrato attraverso un filtro in fibra di vetro pesato in precedenza, essiccato a 103-105°C per almeno un'ora, raffreddato e pesato. Il peso guadagnato è il TSS (o MLSS, quando il campione è miscela aerata).
2. Fase di calcinazione. Lo stesso filtro viene calcinato in un forno a muffola a 550 °C. Il materiale organico brucia, lasciando ceneri inorganiche. Il filtro viene raffreddato e pesato di nuovo.
3. Risultato. La perdita di peso durante la calcinazione corrisponde alla frazione volatile e organica, cioè agli MLVSS.

La temperatura del forno conta. Se il forno è troppo caldo, alcuni carbonati inorganici si decompongono e danno una lettura dei volatili falsamente alta. Se è troppo freddo, il materiale organico può non bruciare del tutto. Per questo il metodo fissa la temperatura a 550 °C.

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 nella miscela aerata).

Qual è un rapporto MLVSS/MLSS tipico? I materiali di formazione per operatori indicano come ottimale tipico un valore da 0,7 a 0,8 (dal 70 all'80 percento). Un rapporto più basso suggerisce più 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 dei fiocchi di fango densi.

Quanto tempo dopo il campionamento vanno misurati gli MLVSS? Il prima possibile. Il metodo EPA 160.4 afferma che conservare il campione non è praticabile, quindi l'analisi deve iniziare subito. Se un ritardo è inevitabile, il campione va refrigerato o tenuto in ghiaccio a 4 °C.

Riferimenti

1. U.S. Environmental Protection Agency. Method 160.4: Residue, Volatile (Gravimetric, Ignition at 550°C) by Muffle Furnace. Metodo EPA 160.4 — calcinazione a 550 °C; il peso perso per calcinazione è il residuo volatile, una misura approssimativa della sostanza organica nei fanghi attivi.
2. National Environmental Methods Index (USGS/EPA). EPA-NERL 160.2: Non-filterable Residue by Drying Oven. Sintesi del metodo NEMI 160,2 — i solidi sospesi vengono filtrati attraverso un filtro in fibra di vetro ed essiccati a 103-105°C.
3. Pennsylvania Department of Environmental Protection. Wastewater Treatment Plant Operator Certification Training, Module 16: The Activated Sludge Process, Part II. Modulo 16 del PA DEP — il rapporto ottimale tipico tra MLVSS e MLSS negli impianti a fanghi attivi è compreso tra 0,7 e 0,8.
4. Pennsylvania Department of Environmental Protection. Desired F/M Ratio. Note sul calcolatore F/M del PA DEP — intervalli F/M tipici per tipo di processo; fanghi attivi convenzionali da 0,2 a 0,5.