Calculadora de MLVSS per al Tractament d'Aigües Residuals

Introducció

La calculadora de Sòlids Suspendits Volàtils de Llot Mixt (MLVSS) és una eina essencial per als operadors d'estacions de tractament d'aigües residuals, enginyers ambientals i investigadors que treballen amb processos de llot activat. El MLVSS representa la fracció orgànica dels sòlids en suspensió als dipòsits d'aeració i serveix com a paràmetre crític per al seguiment de l'eficiència del tractament biològic. Aquesta calculadora proporciona un mètode simple i precís per determinar els valors de MLVSS basant-se en la concentració de Sòlids Suspendits Totals (TSS) i el percentatge de Sòlids Suspendits Volàtils (VSS%), o les mesures de TSS i Sòlids Suspendits Fixos (FSS).

Un seguiment adequat del MLVSS ajuda a optimitzar els processos de tractament, reduir els costos operatius i assegurar el compliment dels estàndards de qualitat de l'efluent. Mantenint nivells adequats de MLVSS, les instal·lacions de tractament d'aigües residuals poden aconseguir una eliminació òptima de nutrients biològics, minimitzar la producció de llot i millorar el rendiment general del tractament.

Mètodes de Càlcul de MLVSS

El MLVSS es pot calcular mitjançant dos mètodes principals, ambdós suportats per aquesta calculadora:

Mètode del Percentatge de VSS

El primer mètode calcula el MLVSS utilitzant la concentració de Sòlids Suspendits Totals (TSS) i el percentatge de Sòlids Suspendits Volàtils (VSS%):

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

On:

• MLVSS = Sòlids Suspendits Volàtils de Llots Mixt (mg/L)
• TSS = Sòlids Suspendits Totals (mg/L)
• VSS% = Percentatge de sòlids en suspensió que són volàtils (%)

Mètode de FSS

El segon mètode calcula el MLVSS restant els Sòlids Suspendits Fixos (FSS) dels Sòlids Suspendits Totals (TSS):

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

On:

• MLVSS = Sòlids Suspendits Volàtils de Llots Mixt (mg/L)
• TSS = Sòlids Suspendits Totals (mg/L)
• FSS = Sòlids Suspendits Fixos (mg/L)

Ambdós mètodes donen el mateix resultat quan les mesures són precises, ja que VSS i FSS són components complementaris de TSS:

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

Com Utilitzar Aquesta Calculadora

1. Introduïu Sòlids Suspendits Totals (TSS): Introduïu el vostre valor mesurat de TSS en mg/L.

2. Seleccioneu el Mètode de Càlcul:

   • Trieu "Utilitzant Percentatge de VSS" si teniu dades de VSS%
   • Trieu "Utilitzant Sòlids Suspendits Fixos (FSS)" si teniu mesures de FSS

3. Introduïu el Paràmetre Addicional:

   • Si utilitzeu el mètode de Percentatge de VSS: Introduïu el percentatge de VSS (0-100%)
   • Si utilitzeu el mètode de FSS: Introduïu el valor de FSS en mg/L

4. Veure Resultats: La calculadora mostrarà automàticament el valor de MLVSS calculat en mg/L.

5. Visualització de la Fórmula: A sota del resultat, veureu la fórmula utilitzada i els passos del càlcul.

Validació d'Entrades

La calculadora realitza les següents validacions sobre les entrades de l'usuari:

• TSS ha de ser un número positiu (≥ 0 mg/L)
• El percentatge de VSS ha de ser entre 0 i 100%
• FSS ha de ser un número positiu (≥ 0 mg/L)
• FSS no pot excedir TSS (ja que FSS és un component de TSS)

Si alguna validació falla, un missatge d'error us guiarà per corregir l'entrada.

Comprendre el MLVSS en el Tractament d'Aigües Residuals

El MLVSS representa la fracció orgànica dels sòlids en suspensió al dipòsit d'aeració d'un procés de llot activat. Serveix com a mesura proxy per a la biomassa activa (microorganismes) responsable de la biodegradació de la matèria orgànica i dels nutrients en les aigües residuals.

La relació entre MLVSS i MLSS (Sòlids Suspendits Mixts) normalment varia del 0,65 al 0,85 (65-85%) en sistemes convencionals de llot activat, amb variacions segons les característiques de l'entrada, el procés de tractament i les condicions operatives.

La concentració de MLVSS és un paràmetre clau utilitzat per calcular:

• Relació Alimentació-Microorganisme (F/M)
• Edat del Llot o Temps de Retenció de Sòlids (SRT)
• Producció de biomassa i taxes de producció de llot
• Demanda d'oxigen per al tractament biològic

Casos d'Ús

Control i Optimització de Processos

El seguiment del MLVSS és crucial per mantenir condicions òptimes de tractament biològic. Els operadors d'instal·lacions utilitzen les dades de MLVSS per:

1. Ajustar la Relació F/M: Controlant la concentració de MLVSS en relació amb la càrrega orgànica entrant (BOD o COD), els operadors poden mantenir la relació F/M desitjada per a una eficiència de tractament òptima.

2. Gestionar l'Edat del Llot: Les mesures de MLVSS ajuden a determinar la taxa de rebuig adequada per mantenir el temps de retenció de sòlids (SRT) objectiu.

3. Optimitzar l'Aeració: Els nivells de MLVSS informen els càlculs de demanda d'oxigen, permetent un control d'aeració energèticament eficient.

4. Monitoritzar la Salut de la Biomassa: Canvis sobtats en MLVSS o en la relació MLVSS/MLSS poden indicar problemes amb la viabilitat de la biomassa o inhibició del procés.

Exemple: Càlcul de la Relació F/M

La relació Alimentació-Microorganisme (F/M) es calcula com:

$\text{Relació F/M} = \frac{\text{BOD d'entrada (kg/dia)}}{\text{MLVSS (kg)}}$

Per a una planta de tractament amb:

• Flux d'entrada = 10,000 m³/dia
• BOD d'entrada = 250 mg/L
• Volum del dipòsit d'aeració = 2,000 m³
• MLVSS = 2,500 mg/L

La relació F/M seria:

• Càrrega de BOD d'entrada = 10,000 m³/dia × 250 mg/L ÷ 1,000,000 = 2,500 kg/dia
• Massa de MLVSS = 2,000 m³ × 2,500 mg/L ÷ 1,000,000 = 5,000 kg
• Relació F/M = 2,500 kg/dia ÷ 5,000 kg = 0.5 dia⁻¹

Aplicacions de Recerca i Disseny

Els enginyers ambientals i investigadors utilitzen les dades de MLVSS per:

1. Disseny de Processos: Dimensionar dipòsits d'aeració i clarificadors secundaris basats en les concentracions objectiu de MLVSS.

2. Estudis Cinètics: Determinar taxes de biodegradació i paràmetres de creixement microbials.

3. Modelització de Processos: Calibrar models de llot activat per a la simulació i optimització de processos.

4. Avaluació de Tecnologies: Comparar el rendiment de diferents tecnologies de tractament o estratègies operatives.

Compliment Regulatori

El seguiment de MLVSS suporta el compliment de les regulacions ambientals mitjançant:

1. Assegurant un Tractament Adequat: Mantenir nivells de MLVSS adequats ajuda a aconseguir la qualitat d'efluent requerida.

2. Documentant el Control del Procés: Les dades de MLVSS demostren un control adequat del procés davant les agències reguladores.

3. Resolent Problemes de Compliment: Les tendències de MLVSS poden ajudar a identificar les causes dels problemes de qualitat de l'efluent.

Alternatives al MLVSS

Si bé el MLVSS és àmpliament utilitzat, altres paràmetres poden proporcionar informació complementària o alternativa sobre la biomassa en el tractament d'aigües residuals:

1. ATP (Adenosina Trifosfat): Proporciona una mesura directa de la biomassa activa quantificant els portadors d'energia cel·lular.

2. Quantificació de DNA: Ofereix una mesura precisa de la biomassa microbiana mitjançant la quantificació d'àcids nucleics.

3. Respirometria: Mesura la taxa d'absorció d'oxigen (OUR) per avaluar l'activitat biològica directament.

4. FISH (Hibridació In Situ per Fluorescència): Permet la identificació i quantificació de poblacions microbianes específiques.

5. Fraccionament de COD: Caracteritza diferents fraccions biodegradables en la biomassa.

Aquestes alternatives poden proporcionar informació més específica però normalment requereixen equips i coneixements més sofisticats en comparació amb la prova de MLVSS relativament simple.

Història del MLVSS en el Tractament d'Aigües Residuals

El concepte de mesurar sòlids suspendits volàtils com a indicador de l'activitat biològica en el tractament d'aigües residuals va evolucionar al costat del desenvolupament de processos de llot activat:

1. Inici del segle XX: El procés de llot activat es va desenvolupar als anys 1910 per Ardern i Lockett a Manchester, Anglaterra. El control inicial del procés es basava principalment en observacions visuals i proves de sedimentació.

2. Anys 1930-1940: A mesura que la comprensió dels processos microbials va millorar, els investigadors van començar a distingir entre fraccions orgàniques (volàtils) i inorgàniques (fixes) dels sòlids en suspensió.

3. Anys 1950-1960: El MLVSS va emergir com un paràmetre estàndard per quantificar la biomassa en sistemes de llot activat, amb mètodes estandarditzats en publicacions com "Mètodes Estàndard per a l'Examen d'Aigua i Aigües Residuals".

4. Anys 1970-1980: La relació entre MLVSS i el rendiment del tractament va ser àmpliament estudiada, donant lloc a directrius de disseny i operatives basades en paràmetres com la relació F/M i el SRT.

5. Anys 1990-Actualitat: La comprensió avançada de l'ecologia microbiana i el metabolisme ha donat lloc a models i estratègies de control més sofisticats, tot i que el MLVSS continua sent un paràmetre fonamental a causa de la seva simplicitat i fiabilitat.

Avui dia, mentre que existeixen tècniques més avançades per caracteritzar la biomassa, el MLVSS continua sent àmpliament utilitzat en les operacions de tractament d'aigües residuals a causa de la seva practicitat, les correlacions establertes amb el rendiment i el procediment analític relativament simple.

Exemples de Codi per al Càlcul de MLVSS

Aquí hi ha exemples de com calcular el MLVSS utilitzant diferents llenguatges de programació:

1' Fórmula d'Excel per al càlcul de MLVSS utilitzant el percentatge de VSS
2Function MLVSS_from_VSS_Percentage(TSS As Double, VSS_Percentage As Double) As Double
3    ' Validar entrades
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    ' Calcular MLVSS
10    MLVSS_from_VSS_Percentage = TSS * (VSS_Percentage / 100)
11End Function
12
13' Fórmula d'Excel per al càlcul de MLVSS utilitzant FSS
14Function MLVSS_from_FSS(TSS As Double, FSS As Double) As Double
15    ' Validar entrades
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    ' Calcular MLVSS
22    MLVSS_from_FSS = TSS - FSS
23End Function
24

1def calculate_mlvss_from_vss_percentage(tss, vss_percentage):
2    """
3    Calcular MLVSS utilitzant TSS i percentatge de VSS
4    
5    Args:
6        tss (float): Sòlids Suspendits Totals en mg/L
7        vss_percentage (float): Percentatge de VSS (0-100)
8        
9    Returns:
10        float: MLVSS en mg/L
11    """
12    # Validar entrades
13    if tss < 0 or vss_percentage < 0 or vss_percentage > 100:
14        raise ValueError("Entrada no vàlida: TSS ha de ser positiu i VSS% entre 0-100")
15        
16    # Calcular MLVSS
17    return tss * (vss_percentage / 100)
18
19def calculate_mlvss_from_fss(tss, fss):
20    """
21    Calcular MLVSS utilitzant TSS i FSS
22    
23    Args:
24        tss (float): Sòlids Suspendits Totals en mg/L
25        fss (float): Sòlids Suspendits Fixos en mg/L
26        
27    Returns:
28        float: MLVSS en mg/L
29    """
30    # Validar entrades
31    if tss < 0 or fss < 0:
32        raise ValueError("Entrada no vàlida: TSS i FSS han de ser positius")
33    if fss > tss:
34        raise ValueError("Entrada no vàlida: FSS no pot ser més gran que TSS")
35        
36    # Calcular MLVSS
37    return tss - fss
38

1/**
2 * Calcular MLVSS utilitzant TSS i percentatge de VSS
3 * @param {number} tss - Sòlids Suspendits Totals en mg/L
4 * @param {number} vssPercentage - Percentatge de VSS (0-100)
5 * @returns {number} MLVSS en mg/L
6 */
7function calculateMlvssFromVssPercentage(tss, vssPercentage) {
8  // Validar entrades
9  if (tss < 0 || vssPercentage < 0 || vssPercentage > 100) {
10    throw new Error("Entrada no vàlida: TSS ha de ser positiu i VSS% entre 0-100");
11  }
12  
13  // Calcular MLVSS
14  return tss * (vssPercentage / 100);
15}
16
17/**
18 * Calcular MLVSS utilitzant TSS i FSS
19 * @param {number} tss - Sòlids Suspendits Totals en mg/L
20 * @param {number} fss - Sòlids Suspendits Fixos en mg/L
21 * @returns {number} MLVSS en mg/L
22 */
23function calculateMlvssFromFss(tss, fss) {
24  // Validar entrades
25  if (tss < 0 || fss < 0) {
26    throw new Error("Entrada no vàlida: TSS i FSS han de ser positius");
27  }
28  if (fss > tss) {
29    throw new Error("Entrada no vàlida: FSS no pot ser més gran que TSS");
30  }
31  
32  // Calcular MLVSS
33  return tss - fss;
34}
35

1public class MlvssCalculator {
2    /**
3     * Calcular MLVSS utilitzant TSS i percentatge de VSS
4     * 
5     * @param tss Sòlids Suspendits Totals en mg/L
6     * @param vssPercentage Percentatge de VSS (0-100)
7     * @return MLVSS en mg/L
8     * @throws IllegalArgumentException si les entrades són no vàlides
9     */
10    public static double calculateMlvssFromVssPercentage(double tss, double vssPercentage) {
11        // Validar entrades
12        if (tss < 0 || vssPercentage < 0 || vssPercentage > 100) {
13            throw new IllegalArgumentException("Entrada no vàlida: TSS ha de ser positiu i VSS% entre 0-100");
14        }
15        
16        // Calcular MLVSS
17        return tss * (vssPercentage / 100);
18    }
19    
20    /**
21     * Calcular MLVSS utilitzant TSS i FSS
22     * 
23     * @param tss Sòlids Suspendits Totals en mg/L
24     * @param fss Sòlids Suspendits Fixos en mg/L
25     * @return MLVSS en mg/L
26     * @throws IllegalArgumentException si les entrades són no vàlides
27     */
28    public static double calculateMlvssFromFss(double tss, double fss) {
29        // Validar entrades
30        if (tss < 0 || fss < 0) {
31            throw new IllegalArgumentException("Entrada no vàlida: TSS i FSS han de ser positius");
32        }
33        if (fss > tss) {
34            throw new IllegalArgumentException("Entrada no vàlida: FSS no pot ser més gran que TSS");
35        }
36        
37        // Calcular MLVSS
38        return tss - fss;
39    }
40}
41

Exemples Pràctics

Exemple 1: Utilitzant el Mètode del Percentatge de VSS

Un operador d'una planta de tractament d'aigües residuals mesura el següent:

• TSS al dipòsit d'aeració = 3,500 mg/L
• Percentatge de VSS = 75%

Utilitzant el mètode del percentatge de VSS: MLVSS = 3,500 mg/L × (75% ÷ 100) = 2,625 mg/L

Exemple 2: Utilitzant el Mètode de FSS

El mateix operador mesura:

• TSS al dipòsit d'aeració = 3,500 mg/L
• FSS al dipòsit d'aeració = 875 mg/L

Utilitzant el mètode de FSS: MLVSS = 3,500 mg/L - 875 mg/L = 2,625 mg/L

Exemple 3: Resolent Problemes de Baixa Relació MLVSS/MLSS

Un operador observa que la relació MLVSS/MLSS ha baixat del 0.75 al 0.60 durant el darrer mes:

• TSS actual = 3,200 mg/L
• Percentatge de VSS actual = 60%
• MLVSS actual = 1,920 mg/L

Aquesta disminució podria indicar:

• Augment de sòlids inorgànics per descàrrega industrial
• Acumulació de sòlids inerts a causa d'un rebuig insuficient
• Activitat biològica reduïda a causa de toxicitat

L'operador hauria d'investigar la causa i ajustar el procés en conseqüència.

Preguntes Freqüents

Què és el MLVSS i per què és important?

El MLVSS (Sòlids Suspendits Volàtils de Llots Mixt) representa la fracció orgànica dels sòlids en suspensió en un procés de llot activat. És important perquè serveix com a indicador de la biomassa activa (microorganismes) responsable del tractament d'aigües residuals. El seguiment del MLVSS ajuda a optimitzar l'eficiència del tractament, controlar la producció de llot i assegurar una correcta eliminació de nutrients biològics.

Quina és la diferència entre MLSS i MLVSS?

MLSS (Sòlids Suspendits Mixts) mesura la concentració total de sòlids en suspensió al dipòsit d'aeració, incloent tant materials orgànics (volàtils) com inorgànics (fixos). MLVSS mesura només la porció volàtil (orgànica) de MLSS, que representa millor la biomassa activa. La relació és: MLSS = MLVSS + MLFSS (Sòlids Suspendits Fixos de Llots Mixts).

Quina és una relació típica MLVSS/MLSS?

En sistemes convencionals de llot activat, la relació MLVSS/MLSS normalment varia del 0,65 al 0,85 (65-85%). Relacions més baixes poden indicar un alt contingut inorgànic o acumulació de sòlids inerts, mentre que relacions més altes suggereixen una biomassa predominantment orgànica. La relació varia segons les característiques de l'entrada, el procés de tractament i les condicions operatives.

Com es mesura el MLVSS en un laboratori?

El MLVSS es mesura mitjançant un procés de dues etapes:

1. Una mostra es filtra a través d'un filtre de fibra de vidre, es seca a 103-105°C i es pesa per determinar el MLSS.
2. El mateix filtre es crema a 550°C en un forn de mufla, cremant la matèria orgànica, i es torna a pesar.
3. La pèrdua de pes durant la combustió representa la porció volàtil (MLVSS).

Aquest procediment està estandarditzat en mètodes com els Mètodes Estàndard 2540E o el Mètode EPA 160.4.

Quin ha de ser el nivell de MLVSS mantingut en un procés de llot activat?

Les concentracions òptimes de MLVSS varien segons el tipus de procés:

• Llot activat convencional: 1,500-3,500 mg/L
• Aeració estesa: 2,000-5,000 mg/L
• Bioreactors de membrana (MBR): 8,000-12,000 mg/L
• Reactors en lot seqüencial (SBR): 2,000-4,000 mg/L

La concentració adequada depèn dels paràmetres de disseny, els objectius de tractament i les condicions operatives.

Com afecta el MLVSS la relació F/M?

El MLVSS és el denominador en el càlcul de la relació Alimentació-Microorganisme (F/M):

Relació F/M = Càrrega de BOD d'entrada (kg/dia) ÷ MLVSS en el sistema (kg)

Concentracions més altes de MLVSS donen lloc a relacions F/M més baixes, promovent la respiració endògena i una millor sedimentació del llot. Concentracions més baixes de MLVSS condueixen a relacions F/M més altes, que poden causar creixement filamentós i mala sedimentació si són massa altes.

Què causa la disminució del MLVSS en un sistema de llot activat?

Disminucions en el MLVSS poden resultar de:

• Rebuig excessiu de llot
• Influent tòxic que mata la biomassa
• Descomposició endògena que supera el creixement durant períodes de baixa càrrega
• Rentat hidràulic durant esdeveniments de flux alt
• Augment del contingut inorgànic a l'entrada
• Subministrament inadequat de nutrients que limita el creixement biològic

Pot ser massa alt el MLVSS?

Sí, un MLVSS excessivament alt pot causar problemes com ara:

• Alta demanda d'oxigen i costos d'aeració
• Mala sedimentació en clarificadors secundaris
• Augment de la producció de llot i costos d'eliminació
• Reducció de l'eficiència del tractament a causa de limitacions de difusió
• Potencial per a condicions anaeròbiques a l'interior del floc

Com de ràpid s'ha de mesurar el MLVSS després de la mostra?

L'anàlisi de MLVSS hauria d'iniciar-se idealment dins de les 2 hores posteriors a la mostra per evitar canvis a causa de l'activitat biològica. Si no és possible l'anàlisi immediata, les mostres s'han de refrigerar a 4°C durant un màxim de 24 hores. Per a un emmagatzematge més llarg, les mostres s'han de preservar amb àcid sulfuric a pH < 2 i refrigerar, encara que això no és ideal per a la determinació de MLVSS.

Com afecta la temperatura el MLVSS?

La temperatura afecta el MLVSS de diverses maneres:

• Temperatures més altes augmenten les taxes de creixement microbials, potencialment augmentant el MLVSS
• Temperatures més altes també augmenten les taxes de descomposició endògena
• Canvis estacionals de temperatura poden alterar la composició de la comunitat microbiana
• La temperatura afecta la solubilitat de l'oxigen, que pot afectar indirectament el MLVSS

Els operadors sovint necessiten ajustar les taxes de rebuig estacionalment per mantenir les concentracions de MLVSS objectiu.

Referències

1. Water Environment Federation. (2018). Operació d'Instal·lacions de Recuperació d'Aigua, 7a Edició. McGraw-Hill Education.

2. Metcalf & Eddy, Inc. (2014). Enginyeria de Tractament d'Aigües Residuals: Tractament i Recuperació de Recursos, 5a Edició. McGraw-Hill Education.

3. American Public Health Association, American Water Works Association, & Water Environment Federation. (2017). Mètodes Estàndard per a l'Examen d'Aigua i Aigües Residuals, 23a Edició.

4. Jenkins, D., Richard, M. G., & Daigger, G. T. (2003). Manual sobre les Causes i el Control de la Floculació, Escuma i Altres Problemes de Separació de Sòlids en Llots Activats, 3a Edició. CRC Press.

5. U.S. Environmental Protection Agency. (2021). Full de Tecnologia de Tractament d'Aigües Residuals: Procés de Llots Activats. EPA 832-F-00-016.

6. Grady, C. P. L., Daigger, G. T., Love, N. G., & Filipe, C. D. M. (2011). Tractament Biològic d'Aigües Residuals, 3a Edició. CRC Press.

7. Water Environment Research Foundation. (2003). Mètodes per a la Caracterització d'Aigües Residuals en la Modelització de Llots Activats. Informe WERF 99-WWF-3.

8. Henze, M., van Loosdrecht, M. C. M., Ekama, G. A., & Brdjanovic, D. (2008). Tractament Biològic d'Aigües Residuals: Principis, Modelització i Disseny. IWA Publishing.

Proveu la nostra calculadora de MLVSS avui mateix per optimitzar el seguiment i control del vostre procés de tractament d'aigües residuals!