MLVSS計算機による廃水処理

はじめに

混合液揮発性懸濁物質（MLVSS）計算機は、廃水処理プラントのオペレーター、環境エンジニア、活性汚泥プロセスに関わる研究者にとって重要なツールです。MLVSSは、曝気タンク内の懸濁物質の有機成分を表し、生物処理効率を監視するための重要なパラメータとして機能します。この計算機は、全懸濁物質（TSS）と揮発性懸濁物質の割合（VSS%）、またはTSSと固定懸濁物質（FSS）の測定値に基づいてMLVSS値を簡単かつ正確に算出する方法を提供します。

適切なMLVSSの監視は、処理プロセスの最適化、運用コストの削減、排水品質基準の遵守を確保するのに役立ちます。適切なMLVSSレベルを維持することで、廃水処理施設は最適な栄養素除去を達成し、スラッジの生成を最小限に抑え、全体的な処理性能を向上させることができます。

MLVSS計算方法

MLVSSは、この計算機でサポートされている2つの主要な方法を使用して計算できます。

VSS割合法

最初の方法は、全懸濁物質（TSS）濃度と揮発性懸濁物質（VSS%）の割合を使用してMLVSSを計算します：

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

ここで：

• MLVSS = 混合液揮発性懸濁物質（mg/L）
• TSS = 全懸濁物質（mg/L）
• VSS% = 揮発性懸濁物質の割合（%）

FSS法

2番目の方法は、全懸濁物質（TSS）から固定懸濁物質（FSS）を引いてMLVSSを計算します：

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

ここで：

• MLVSS = 混合液揮発性懸濁物質（mg/L）
• TSS = 全懸濁物質（mg/L）
• FSS = 固定懸濁物質（mg/L）

どちらの方法も、測定が正確であれば同じ結果を得ることができます。なぜなら、VSSとFSSはTSSの補完的な成分だからです：

$\text{TSS} = \text{VSS} + \text{FSS}$

この計算機の使い方

1. 全懸濁物質（TSS）を入力：測定したTSS値をmg/Lで入力します。

2. 計算方法を選択：

   • VSS%データがある場合は「VSS割合を使用」を選択
   • FSS測定値がある場合は「固定懸濁物質（FSS）を使用」を選択

3. 追加パラメータを入力：

   • VSS割合法を使用する場合：VSS割合（0-100%）を入力
   • FSS法を使用する場合：FSS値をmg/Lで入力

4. 結果を表示：計算機は自動的に計算されたMLVSS値をmg/Lで表示します。

5. 公式の視覚化：結果の下に、使用された公式と計算手順が表示されます。

入力検証

計算機は、ユーザー入力に対して以下の検証を行います：

• TSSは正の数（≥ 0 mg/L）でなければならない
• VSS割合は0から100%の範囲でなければならない
• FSSは正の数（≥ 0 mg/L）でなければならない
• FSSはTSSを超えてはならない（FSSはTSSの成分であるため）

検証に失敗した場合、エラーメッセージが表示され、入力を修正するように案内されます。

廃水処理におけるMLVSSの理解

MLVSSは、活性汚泥プロセスの曝気タンク内の懸濁物質の有機成分を表します。これは、廃水中の有機物や栄養素を生物分解するための活性バイオマス（微生物）の代理測定として機能します。

MLVSSとMLSS（混合液懸濁物質）の比率は、通常、従来の活性汚泥システムでは0.65から0.85（65-85%）の範囲であり、影響を受ける特性、処理プロセス、運用条件によって変動します。

MLVSS濃度は、以下の計算に使用される重要なパラメータです：

• 食物対微生物（F/M）比
• スラッジ年齢または固体保持時間（SRT）
• バイオマス生成率およびスラッジ生成率
• 生物処理のための酸素需要

使用例

プロセス制御と最適化

MLVSSの監視は、最適な生物処理条件を維持するために重要です。プラントオペレーターは、MLVSSデータを使用して：

1. F/M比を調整：MLVSS濃度を流入有機負荷（BODまたはCOD）に対して制御することで、最適な処理効率のために必要なF/M比を維持できます。

2. スラッジ年齢を管理：MLVSS測定値は、目標固体保持時間（SRT）を維持するための適切な廃棄率を決定するのに役立ちます。

3. 曝気を最適化：MLVSSレベルは酸素需要計算に情報を提供し、エネルギー効率の良い曝気制御を可能にします。

4. バイオマスの健康を監視：MLVSSまたはMLVSS/MLSS比の急激な変化は、バイオマスの生存能力やプロセスの抑制に問題があることを示す可能性があります。

例：F/M比の計算

食物対微生物（F/M）比は次のように計算されます：

$\text{F/M比} = \frac{\text{流入BOD（kg/日）}}{\text{MLVSS（kg）}}$

ある処理プラントの条件：

• 流入流量 = 10,000 m³/日
• 流入BOD = 250 mg/L
• 曝気タンクの容積 = 2,000 m³
• MLVSS = 2,500 mg/L

F/M比は次のように計算されます：

• 流入BOD負荷 = 10,000 m³/日 × 250 mg/L ÷ 1,000,000 = 2,500 kg/日
• MLVSS質量 = 2,000 m³ × 2,500 mg/L ÷ 1,000,000 = 5,000 kg
• F/M比 = 2,500 kg/日 ÷ 5,000 kg = 0.5日⁻¹

研究および設計アプリケーション

環境エンジニアや研究者は、MLVSSデータを使用して：

1. プロセス設計：目標MLVSS濃度に基づいて曝気タンクや二次沈殿池のサイズを決定します。

2. 動力学研究：生分解速度や微生物成長パラメータを決定します。

3. プロセスモデリング：プロセスシミュレーションと最適化のために活性汚泥モデルをキャリブレーションします。

4. 技術評価：異なる処理技術や運用戦略の性能を比較します。

規制遵守

MLVSSの監視は、環境規制の遵守をサポートします：

1. 適切な処理の確保：適切なMLVSSレベルの維持は、必要な排水品質を達成するのに役立ちます。

2. プロセス制御の文書化：MLVSSデータは、規制機関に対して適切なプロセス制御を示します。

3. 遵守問題のトラブルシューティング：MLVSSの傾向は、排水品質問題の原因を特定するのに役立ちます。

MLVSSの代替手段

MLVSSは広く使用されていますが、廃水処理におけるバイオマスに関する補完的または代替的な情報を提供する他のパラメータもあります：

1. ATP（アデノシン三リン酸）：細胞エネルギーキャリアを定量化することで、活性バイオマスの直接的な測定を提供します。

2. DNA定量化：核酸定量化を通じて微生物バイオマスの正確な測定を提供します。

3. 呼吸計測：生物活性を直接評価するための酸素消費率（OUR）を測定します。

4. FISH（蛍光原位置ハイブリダイゼーション）：特定の微生物群集の同定と定量化を可能にします。

5. COD分画：バイオマス中の異なる生分解可能な成分を特定します。

これらの代替手段は、より具体的な情報を提供する場合がありますが、通常は比較的簡単なMLVSSテストに比べて、より高度な機器と専門知識を必要とします。

MLVSSの歴史

廃水処理における揮発性懸濁物質の測定という概念は、活性汚泥プロセスの発展とともに進化しました：

1. 20世紀初頭：活性汚泥プロセスは、1910年代にイギリスのマンチェスターでアーデンとロケットによって開発されました。初期のプロセス制御は主に視覚的観察と沈降テストに依存していました。

2. 1930年代-1940年代：微生物プロセスの理解が進むにつれて、研究者たちは懸濁物質の有機成分（揮発性）と無機成分（固定）を区別し始めました。

3. 1950年代-1960年代：MLVSSは、活性汚泥システムにおけるバイオマスを定量化するための標準パラメータとして登場し、「水と廃水の試験のための標準方法」のような出版物で方法が標準化されました。

4. 1970年代-1980年代：MLVSSと処理性能との関係が広く研究され、F/M比やSRTに基づく設計および運用ガイドラインが策定されました。

5. 1990年代-現在：微生物生態学と代謝の高度な理解は、より洗練されたモデルと制御戦略の開発につながりましたが、MLVSSはその実用性と性能との確立された相関関係のために基本的なパラメータとして残り続けています。

今日では、より高度な技術がバイオマスの特性評価に存在しますが、MLVSSはその実用性、性能との確立された相関関係、比較的簡単な分析手順のために、廃水処理操作で広く使用され続けています。

MLVSS計算のコード例

以下は、異なるプログラミング言語を使用してMLVSSを計算する方法の例です：

1' VSS割合を使用したMLVSS計算のExcel式
2Function MLVSS_from_VSS_Percentage(TSS As Double, VSS_Percentage As Double) As Double
3    ' 入力の検証
4    If TSS < 0 Or VSS_Percentage < 0 Or VSS_Percentage > 100 Then
5        MLVSS_from_VSS_Percentage = CVErr(xlErrValue)
6        Exit Function
7    End If
8    
9    ' MLVSSを計算
10    MLVSS_from_VSS_Percentage = TSS * (VSS_Percentage / 100)
11End Function
12
13' FSSを使用したMLVSS計算のExcel式
14Function MLVSS_from_FSS(TSS As Double, FSS As Double) As Double
15    ' 入力の検証
16    If TSS < 0 Or FSS < 0 Or FSS > TSS Then
17        MLVSS_from_FSS = CVErr(xlErrValue)
18        Exit Function
19    End If
20    
21    ' MLVSSを計算
22    MLVSS_from_FSS = TSS - FSS
23End Function
24

1def calculate_mlvss_from_vss_percentage(tss, vss_percentage):
2    """
3    TSSとVSS割合を使用してMLVSSを計算します。
4    
5    引数：
6        tss (float): 全懸濁物質（mg/L）
7        vss_percentage (float): VSS割合（0-100）
8        
9    戻り値：
10        float: MLVSS（mg/L）
11    """
12    # 入力の検証
13    if tss < 0 or vss_percentage < 0 or vss_percentage > 100:
14        raise ValueError("無効な入力：TSSは正でなければならず、VSS%は0-100の範囲でなければならない")
15        
16    # MLVSSを計算
17    return tss * (vss_percentage / 100)
18
19def calculate_mlvss_from_fss(tss, fss):
20    """
21    TSSとFSSを使用してMLVSSを計算します。
22    
23    引数：
24        tss (float): 全懸濁物質（mg/L）
25        fss (float): 固定懸濁物質（mg/L）
26        
27    戻り値：
28        float: MLVSS（mg/L）
29    """
30    # 入力の検証
31    if tss < 0 or fss < 0:
32        raise ValueError("無効な入力：TSSとFSSは正でなければならない")
33    if fss > tss:
34        raise ValueError("無効な入力：FSSはTSSを超えてはならない")
35        
36    # MLVSSを計算
37    return tss - fss
38

1/**
2 * TSSとVSS割合を使用してMLVSSを計算します。
3 * @param {number} tss - 全懸濁物質（mg/L）
4 * @param {number} vssPercentage - VSS割合（0-100）
5 * @returns {number} MLVSS（mg/L）
6 */
7function calculateMlvssFromVssPercentage(tss, vssPercentage) {
8  // 入力の検証
9  if (tss < 0 || vssPercentage < 0 || vssPercentage > 100) {
10    throw new Error("無効な入力：TSSは正でなければならず、VSS%は0-100の範囲でなければならない");
11  }
12  
13  // MLVSSを計算
14  return tss * (vssPercentage / 100);
15}
16
17/**
18 * TSSとFSSを使用してMLVSSを計算します。
19 * @param {number} tss - 全懸濁物質（mg/L）
20 * @param {number} fss - 固定懸濁物質（mg/L）
21 * @returns {number} MLVSS（mg/L）
22 */
23function calculateMlvssFromFss(tss, fss) {
24  // 入力の検証
25  if (tss < 0 || fss < 0) {
26    throw new Error("無効な入力：TSSとFSSは正でなければならない");
27  }
28  if (fss > tss) {
29    throw new Error("無効な入力：FSSはTSSを超えてはならない");
30  }
31  
32  // MLVSSを計算
33  return tss - fss;
34}
35

1public class MlvssCalculator {
2    /**
3     * TSSとVSS割合を使用してMLVSSを計算します。
4     * 
5     * @param tss 全懸濁物質（mg/L）
6     * @param vssPercentage VSS割合（0-100）
7     * @return MLVSS（mg/L）
8     * @throws IllegalArgumentException 入力が無効な場合
9     */
10    public static double calculateMlvssFromVssPercentage(double tss, double vssPercentage) {
11        // 入力の検証
12        if (tss < 0 || vssPercentage < 0 || vssPercentage > 100) {
13            throw new IllegalArgumentException("無効な入力：TSSは正でなければならず、VSS%は0-100の範囲でなければならない");
14        }
15        
16        // MLVSSを計算
17        return tss * (vssPercentage / 100);
18    }
19    
20    /**
21     * TSSとFSSを使用してMLVSSを計算します。
22     * 
23     * @param tss 全懸濁物質（mg/L）
24     * @param fss 固定懸濁物質（mg/L）
25     * @return MLVSS（mg/L）
26     * @throws IllegalArgumentException 入力が無効な場合
27     */
28    public static double calculateMlvssFromFss(double tss, double fss) {
29        // 入力の検証
30        if (tss < 0 || fss < 0) {
31            throw new IllegalArgumentException("無効な入力：TSSとFSSは正でなければならない");
32        }
33        if (fss > tss) {
34            throw new IllegalArgumentException("無効な入力：FSSはTSSを超えてはならない");
35        }
36        
37        // MLVSSを計算
38        return tss - fss;
39    }
40}
41

実用例

例1：VSS割合法を使用

廃水処理プラントのオペレーターが次のように測定します：

• 曝気タンク内のTSS = 3,500 mg/L
• VSS割合 = 75%

VSS割合法を使用すると： MLVSS = 3,500 mg/L × (75% ÷ 100) = 2,625 mg/L

例2：FSS法を使用

同じオペレーターが次のように測定します：

• 曝気タンク内のTSS = 3,500 mg/L
• 曝気タンク内のFSS = 875 mg/L

FSS法を使用すると： MLVSS = 3,500 mg/L - 875 mg/L = 2,625 mg/L

例3：MLVSS/MLSS比の低下のトラブルシューティング

オペレーターは、MLVSS/MLSS比が過去1か月で0.75から0.60に低下したことに気づきました：

• 現在のTSS = 3,200 mg/L
• 現在のVSS% = 60%
• 現在のMLVSS = 1,920 mg/L

この減少は、次のことを示している可能性があります：

• 工業排水からの無機物の増加
• 不十分な廃棄による不活性物質の蓄積
• 毒性による生物活性の低下

オペレーターは原因を調査し、プロセスを調整する必要があります。

よくある質問

MLVSSとは何ですか、なぜ重要ですか？

MLVSS（混合液揮発性懸濁物質）は、活性汚泥プロセスにおける懸濁物質の有機成分を表します。これは、廃水処理のための活性バイオマス（微生物）を示す指標として機能します。MLVSSの監視は、処理効率の最適化、スラッジ生成の制御、適切な栄養素除去の確保に役立ちます。

MLSSとMLVSSの違いは何ですか？

MLSS（混合液懸濁物質）は、曝気タンク内の懸濁物質の総濃度を測定し、有機（揮発性）および無機（固定）材料の両方を含みます。MLVSSは、MLSSの揮発性（有機）部分のみを測定し、活性バイオマスをよりよく表します。関係は次のとおりです：MLSS = MLVSS + MLFSS（混合液固定懸濁物質）。

一般的なMLVSS/MLSS比はどのくらいですか？

従来の活性汚泥システムでは、MLVSS/MLSS比は通常0.65から0.85（65-85%）の範囲です。低い比率は無機物の増加や不活性物質の蓄積を示す可能性があり、高い比率は主に有機バイオマスを示唆します。この比率は、影響を受ける特性、処理プロセス、運用条件によって変動します。

MLVSSはどのように実験室で測定されますか？

MLVSSは、2段階のプロセスを通じて測定されます：

1. サンプルはガラス繊維フィルターを通してろ過され、103-105°Cで乾燥され、MLSSを測定するために重さが測定されます。
2. 同じフィルターは550°Cでマッフル炉で点火され、有機物が燃焼し、再度重さが測定されます。
3. 点火中の重量損失は揮発性部分（MLVSS）を表します。

この手順は、「標準水および廃水試験法」2540EやEPA法160.4のような方法で標準化されています。

活性汚泥プロセスで維持すべきMLVSS濃度はどのくらいですか？

最適なMLVSS濃度はプロセスタイプによって異なります：

• 従来の活性汚泥：1,500-3,500 mg/L
• 拡張曝気：2,000-5,000 mg/L
• 膜生物反応器（MBR）：8,000-12,000 mg/L
• 逐次バッチ反応器（SBR）：2,000-4,000 mg/L

適切な濃度は設計パラメータ、処理目標、運用条件に依存します。

MLVSSはF/M比にどのように影響しますか？

MLVSSは、食物対微生物（F/M）比の計算において分母です：

F/M比 = 流入BOD負荷（kg/日）÷ システム内のMLVSS（kg）

MLVSS濃度が高いと、F/M比が低くなり、内因性呼吸を促進し、より良いスラッジ沈降を実現します。MLVSS濃度が低いと、F/M比が高くなりすぎると、フィラメント成長や沈降不良を引き起こす可能性があります。

MLVSSが活性汚泥システムで減少する原因は何ですか？

MLVSSの減少は、次のような要因から生じることがあります：

• 過剰なスラッジ廃棄
• 毒性物質によるバイオマスの死
• 低負荷期間中の内因性減衰が成長を超える
• 高流量イベント中の水の洗い流し
• 流入水中の無機物の増加
• 生物成長を制限する栄養素供給の不足

MLVSSは高すぎることがありますか？

はい、過剰に高いMLVSSは次のような問題を引き起こす可能性があります：

• 高い酸素需要と曝気コスト
• 二次沈殿池での沈降不良
• スラッジ生成と廃棄コストの増加
• 拡散制限による処理効率の低下
• フロック内部での嫌気条件の可能性

サンプリング後、MLVSSはどのくらいの速さで測定すべきですか？

MLVSS分析は、サンプリングから2時間以内に始めるのが理想的です。即時分析が不可能な場合、サンプルは4°Cで冷却保存し、最大24時間まで保存できます。長期間保存する場合、サンプルはpHを2未満にするために硫酸で保存し、冷蔵保存しますが、これはMLVSSの測定には理想的ではありません。

温度はMLVSSにどのように影響しますか？

温度はMLVSSにいくつかの方法で影響を与えます：

• 高温は微生物の成長率を増加させ、MLVSSを増加させる可能性があります
• 高温は内因性減衰率も増加させます
• 季節的な温度変化は微生物群集の組成を変える可能性があります
• 温度は酸素の溶解度に影響を与え、MLVSSに間接的に影響を与える可能性があります

オペレーターは、目標MLVSS濃度を維持するために、季節ごとに廃棄率を調整する必要がある場合があります。

参考文献

1. Water Environment Federation. (2018). 水資源回収施設の運営、第7版。McGraw-Hill Education。

2. Metcalf & Eddy, Inc. (2014). 廃水工学：処理と資源回収、第5版。McGraw-Hill Education。

3. American Public Health Association, American Water Works Association, & Water Environment Federation. (2017). 水および廃水の試験のための標準方法、第23版。

4. Jenkins, D., Richard, M. G., & Daigger, G. T. (2003). 活性汚泥の膨張、泡立ち、その他の固体分離問題の原因と制御に関するマニュアル、第3版。CRC Press。

5. U.S. Environmental Protection Agency. (2021). 廃水技術ファクトシート：活性汚泥プロセス。EPA 832-F-00-016。

6. Grady, C. P. L., Daigger, G. T., Love, N. G., & Filipe, C. D. M. (2011). 生物廃水処理、第3版。CRC Press。

7. Water Environment Research Foundation. (2003). 活性汚泥モデリングにおける廃水特性評価の方法。WERFレポート99-WWF-3。

8. Henze, M., van Loosdrecht, M. C. M., Ekama, G. A., & Brdjanovic, D. (2008). 生物廃水処理：原則、モデリング、設計。IWA Publishing。

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