Калькулятор MLVSS для очистки сточных вод

Введение

Калькулятор смешанных летучих взвешенных твердых веществ (MLVSS) является важным инструментом для операторов очистных сооружений, экологических инженеров и исследователей, работающих с процессами активного ила. MLVSS представляет собой органическую долю взвешенных твердых веществ в аэрационных танках и служит критическим параметром для мониторинга эффективности биологической очистки. Этот калькулятор предоставляет простой и точный метод для определения значений MLVSS на основе либо общего содержания взвешенных твердых веществ (TSS) и процента летучих взвешенных твердых веществ (VSS%), либо измерений TSS и фиксированных взвешенных твердых веществ (FSS).

Правильный мониторинг MLVSS помогает оптимизировать процессы очистки, снижать эксплуатационные расходы и обеспечивать соответствие стандартам качества сточных вод. Поддерживая соответствующие уровни MLVSS, очистные сооружения сточных вод могут достичь оптимального удаления биологических питательных веществ, минимизировать образование осадка и повысить общую эффективность очистки.

Методы расчета MLVSS

MLVSS можно рассчитать с помощью двух основных методов, оба из которых поддерживаются этим калькулятором:

Метод процента VSS

Первый метод рассчитывает MLVSS, используя концентрацию общего содержания взвешенных твердых веществ (TSS) и процент летучих взвешенных твердых веществ (VSS%):

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

Где:

• MLVSS = смешанные летучие взвешенные твердые вещества (мг/л)
• TSS = общее содержание взвешенных твердых веществ (мг/л)
• VSS% = процент взвешенных твердых веществ, которые являются летучими (%)

Метод FSS

Второй метод рассчитывает MLVSS, вычитая фиксированные взвешенные твердые вещества (FSS) из общего содержания взвешенных твердых веществ (TSS):

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

Где:

• MLVSS = смешанные летучие взвешенные твердые вещества (мг/л)
• TSS = общее содержание взвешенных твердых веществ (мг/л)
• FSS = фиксированные взвешенные твердые вещества (мг/л)

Оба метода дают одинаковый результат при точных измерениях, так как VSS и FSS являются взаимодополняющими компонентами TSS:

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

Как использовать этот калькулятор

1. Введите общее содержание взвешенных твердых веществ (TSS): Введите ваше измеренное значение TSS в мг/л.

2. Выберите метод расчета:

   • Выберите "Используя процент VSS", если у вас есть данные о VSS%
   • Выберите "Используя фиксированные взвешенные твердые вещества (FSS)", если у вас есть измерения FSS

3. Введите дополнительный параметр:

   • Если используете метод процента VSS: введите процент VSS (0-100%)
   • Если используете метод FSS: введите значение FSS в мг/л

4. Просмотрите результаты: Калькулятор автоматически отобразит рассчитанное значение MLVSS в мг/л.

5. Визуализация формулы: Под результатом вы увидите использованную формулу и шаги расчета.

Проверка ввода

Калькулятор выполняет следующие проверки пользовательских вводов:

• TSS должен быть положительным числом (≥ 0 мг/л)
• Процент VSS должен быть между 0 и 100%
• FSS должен быть положительным числом (≥ 0 мг/л)
• FSS не может превышать TSS (так как FSS является компонентом TSS)

Если какая-либо проверка не пройдена, сообщение об ошибке подскажет вам исправить ввод.

Понимание MLVSS в очистке сточных вод

MLVSS представляет собой органическую долю взвешенных твердых веществ в аэрационном танке процесса активного ила. Он служит косвенным измерением активной биомассы (микроорганизмов), ответственной за биодеградацию органических веществ и питательных веществ в сточных водах.

Соотношение MLVSS к MLSS (смешанные взвешенные твердые вещества) обычно колеблется от 0,65 до 0,85 (65-85%) в обычных системах активного ила, с вариациями в зависимости от характеристик сточных вод, процесса очистки и эксплуатационных условий.

Концентрация MLVSS является ключевым параметром, используемым для расчета:

• Соотношение пищи к микроорганизмам (F/M)
• Возраст осадка или время удержания твердых веществ (SRT)
• Удельный выход биомассы и скорость образования осадка
• Потребление кислорода для биологической очистки

Случаи использования

Контроль и оптимизация процессов

Мониторинг MLVSS имеет решающее значение для поддержания оптимальных условий биологической очистки. Операторы очистных сооружений используют данные MLVSS для:

1. Корректировки соотношения F/M: Контролируя концентрацию MLVSS относительно входной органической нагрузки (BOD или COD), операторы могут поддерживать желаемое соотношение F/M для оптимальной эффективности очистки.

2. Управления возрастом осадка: Измерения MLVSS помогают определить соответствующую скорость отводки для поддержания целевого времени удержания твердых веществ (SRT).

3. Оптимизации аэрации: Уровни MLVSS информируют расчеты потребности в кислороде, позволяя контролировать аэрацию с учетом экономии энергии.

4. Мониторинга состояния биомассы: Внезапные изменения в MLVSS или соотношении MLVSS/MLSS могут указывать на проблемы с жизнеспособностью биомассы или ингибированием процесса.

Пример: Расчет соотношения F/M

Соотношение пищи к микроорганизмам (F/M) рассчитывается как:

$\text{F/M Ratio} = \frac{\text{Входной BOD (кг/день)}}{\text{MLVSS (кг)}}$

Для очистного сооружения с:

• Входной поток = 10,000 м³/день
• Входной BOD = 250 мг/л
• Объем аэрационного танка = 2,000 м³
• MLVSS = 2,500 мг/л

Соотношение F/M будет:

• Нагрузка входного BOD = 10,000 м³/день × 250 мг/л ÷ 1,000,000 = 2,500 кг/день
• Масса MLVSS = 2,000 м³ × 2,500 мг/л ÷ 1,000,000 = 5,000 кг
• Соотношение F/M = 2,500 кг/день ÷ 5,000 кг = 0.5 день⁻¹

Приложения в исследованиях и проектировании

Экологические инженеры и исследователи используют данные MLVSS для:

1. Проектирования процессов: Определения размеров аэрационных танков и вторичных отстойников на основе целевых концентраций MLVSS.

2. Кинетических исследований: Определения скоростей биодеградации и параметров роста микроорганизмов.

3. Моделирования процессов: Калибровки моделей активного ила для симуляции и оптимизации процессов.

4. Оценки технологий: Сравнения эффективности различных технологий очистки или операционных стратегий.

Соответствие нормативам

Мониторинг MLVSS поддерживает соответствие экологическим нормам, обеспечивая:

1. Обеспечение надлежащей очистки: Поддержание соответствующих уровней MLVSS помогает достичь необходимого качества сточных вод.

2. Документирование контроля процессов: Данные MLVSS демонстрируют надлежащий контроль процессов для регулирующих органов.

3. Устранение проблем с соблюдением норм: Тенденции MLVSS могут помочь выявить причины проблем с качеством сточных вод.

Альтернативы MLVSS

Хотя MLVSS широко используется, другие параметры могут предоставить дополнительную или альтернативную информацию о биомассе в очистке сточных вод:

1. ATP (аденозинтрифосфат): Предоставляет прямую меру активной биомассы, количественно оценивая клеточные носители энергии.

2. Квантование ДНК: Предлагает точное измерение микробной биомассы через количественное определение нуклеиновых кислот.

3. Респирометрия: Измеряет скорость потребления кислорода (OUR) для прямой оценки биологической активности.

4. FISH (флуоресцентная гибридизация in situ): Позволяет идентифицировать и количественно оценивать конкретные микробные популяции.

5. Фракционирование COD: Характеризует различные биоразлагаемые фракции в биомассе.

Эти альтернативы могут предоставить более специфическую информацию, но обычно требуют более сложного оборудования и экспертизы по сравнению с относительно простым тестом MLVSS.

История MLVSS в очистке сточных вод

Концепция измерения летучих взвешенных твердых веществ как индикатора биологической активности в очистке сточных вод развивалась вместе с развитием процессов активного ила:

1. Начало 20 века: Процесс активного ила был разработан в 1910-х годах Ардерном и Локкеттом в Манчестере, Англия. Первоначальный контроль процесса основывался в основном на визуальных наблюдениях и тестах на оседание.

2. 1930-е-1940-е годы: По мере улучшения понимания микробных процессов исследователи начали различать органические (летучие) и неорганические (фиксированные) фракции взвешенных твердых веществ.

3. 1950-е-1960-е годы: MLVSS стал стандартным параметром для количественной оценки биомассы в системах активного ила, с методами, стандартизированными в публикациях, таких как "Стандартные методы для анализа воды и сточных вод".

4. 1970-е-1980-е годы: Связь между MLVSS и эффективностью очистки была широко изучена, что привело к разработке проектных и эксплуатационных рекомендаций на основе таких параметров, как соотношение F/M и SRT.

5. 1990-е - настоящее время: Расширенное понимание микробной экологии и метаболизма привело к более сложным моделям и стратегиям контроля, хотя MLVSS остается фундаментальным параметром благодаря своей простоте и надежности.

Сегодня, хотя существуют более современные методы для характеристики биомассы, MLVSS продолжает широко использоваться в операциях по очистке сточных вод благодаря своей практичности, установленным корреляциям с производительностью и относительно простой аналитической процедуре.

Примеры кода для расчета MLVSS

Вот примеры того, как рассчитать MLVSS с использованием различных языков программирования:

1' Excel формула для расчета MLVSS с использованием процента VSS
2Function MLVSS_from_VSS_Percentage(TSS As Double, VSS_Percentage As Double) As Double
3    ' Проверка вводов
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    ' Расчет MLVSS
10    MLVSS_from_VSS_Percentage = TSS * (VSS_Percentage / 100)
11End Function
12
13' Excel формула для расчета MLVSS с использованием FSS
14Function MLVSS_from_FSS(TSS As Double, FSS As Double) As Double
15    ' Проверка вводов
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    ' Расчет MLVSS
22    MLVSS_from_FSS = TSS - FSS
23End Function
24

1def calculate_mlvss_from_vss_percentage(tss, vss_percentage):
2    """
3    Рассчитать MLVSS, используя TSS и процент VSS
4    
5    Аргументы:
6        tss (float): Общее содержание взвешенных твердых веществ в мг/л
7        vss_percentage (float): Процент VSS (0-100)
8        
9    Возвращает:
10        float: MLVSS в мг/л
11    """
12    # Проверка вводов
13    if tss < 0 or vss_percentage < 0 or vss_percentage > 100:
14        raise ValueError("Неверный ввод: TSS должен быть положительным, а VSS% между 0-100")
15        
16    # Расчет MLVSS
17    return tss * (vss_percentage / 100)
18
19def calculate_mlvss_from_fss(tss, fss):
20    """
21    Рассчитать MLVSS, используя TSS и FSS
22    
23    Аргументы:
24        tss (float): Общее содержание взвешенных твердых веществ в мг/л
25        fss (float): Фиксированные взвешенные твердые вещества в мг/л
26        
27    Возвращает:
28        float: MLVSS в мг/л
29    """
30    # Проверка вводов
31    if tss < 0 or fss < 0:
32        raise ValueError("Неверный ввод: TSS и FSS должны быть положительными")
33    if fss > tss:
34        raise ValueError("Неверный ввод: FSS не может превышать TSS")
35        
36    # Расчет MLVSS
37    return tss - fss
38

1/**
2 * Рассчитать MLVSS, используя TSS и процент VSS
3 * @param {number} tss - Общее содержание взвешенных твердых веществ в мг/л
4 * @param {number} vssPercentage - Процент VSS (0-100)
5 * @returns {number} MLVSS в мг/л
6 */
7function calculateMlvssFromVssPercentage(tss, vssPercentage) {
8  // Проверка вводов
9  if (tss < 0 || vssPercentage < 0 || vssPercentage > 100) {
10    throw new Error("Неверный ввод: TSS должен быть положительным, а VSS% между 0-100");
11  }
12  
13  // Расчет MLVSS
14  return tss * (vssPercentage / 100);
15}
16
17/**
18 * Рассчитать MLVSS, используя TSS и FSS
19 * @param {number} tss - Общее содержание взвешенных твердых веществ в мг/л
20 * @param {number} fss - Фиксированные взвешенные твердые вещества в мг/л
21 * @returns {number} MLVSS в мг/л
22 */
23function calculateMlvssFromFss(tss, fss) {
24  // Проверка вводов
25  if (tss < 0 || fss < 0) {
26    throw new Error("Неверный ввод: TSS и FSS должны быть положительными");
27  }
28  if (fss > tss) {
29    throw new Error("Неверный ввод: FSS не может превышать TSS");
30  }
31  
32  // Расчет MLVSS
33  return tss - fss;
34}
35

1public class MlvssCalculator {
2    /**
3     * Рассчитать MLVSS, используя TSS и процент VSS
4     * 
5     * @param tss Общее содержание взвешенных твердых веществ в мг/л
6     * @param vssPercentage Процент VSS (0-100)
7     * @return MLVSS в мг/л
8     * @throws IllegalArgumentException если вводы неверны
9     */
10    public static double calculateMlvssFromVssPercentage(double tss, double vssPercentage) {
11        // Проверка вводов
12        if (tss < 0 || vssPercentage < 0 || vssPercentage > 100) {
13            throw new IllegalArgumentException("Неверный ввод: TSS должен быть положительным, а VSS% между 0-100");
14        }
15        
16        // Расчет MLVSS
17        return tss * (vssPercentage / 100);
18    }
19    
20    /**
21     * Рассчитать MLVSS, используя TSS и FSS
22     * 
23     * @param tss Общее содержание взвешенных твердых веществ в мг/л
24     * @param fss Фиксированные взвешенные твердые вещества в мг/л
25     * @return MLVSS в мг/л
26     * @throws IllegalArgumentException если вводы неверны
27     */
28    public static double calculateMlvssFromFss(double tss, double fss) {
29        // Проверка вводов
30        if (tss < 0 || fss < 0) {
31            throw new IllegalArgumentException("Неверный ввод: TSS и FSS должны быть положительными");
32        }
33        if (fss > tss) {
34            throw new IllegalArgumentException("Неверный ввод: FSS не может превышать TSS");
35        }
36        
37        // Расчет MLVSS
38        return tss - fss;
39    }
40}
41

Практические примеры

Пример 1: Использование метода процента VSS

Оператор очистных сооружений измеряет следующее:

• TSS в аэрационном танке = 3,500 мг/л
• Процент VSS = 75%

Используя метод процента VSS: MLVSS = 3,500 мг/л × (75% ÷ 100) = 2,625 мг/л

Пример 2: Использование метода FSS

Тот же оператор измеряет:

• TSS в аэрационном танке = 3,500 мг/л
• FSS в аэрационном танке = 875 мг/л

Используя метод FSS: MLVSS = 3,500 мг/л - 875 мг/л = 2,625 мг/л

Пример 3: Устранение проблем с низким соотношением MLVSS/MLSS

Оператор замечает, что соотношение MLVSS/MLSS упало с 0.75 до 0.60 за последний месяц:

• Текущий TSS = 3,200 мг/л
• Текущий VSS% = 60%
• Текущий MLVSS = 1,920 мг/л

Это снижение может указывать на:

• Увеличение неорганических твердых веществ от промышленного сброса
• Накопление инертных твердых веществ из-за недостаточной отводки
• Снижение биологической активности из-за токсичности

Оператор должен выяснить причину и скорректировать процесс соответственно.

Часто задаваемые вопросы

Что такое MLVSS и почему он важен?

MLVSS (смешанные летучие взвешенные твердые вещества) представляет собой органическую долю взвешенных твердых веществ в процессе активного ила. Он важен, потому что служит индикатором активной биомассы (микроорганизмов), ответственной за очистку сточных вод. Мониторинг MLVSS помогает оптимизировать эффективность очистки, контролировать образование осадка и обеспечивать надлежащее удаление биологических питательных веществ.

В чем разница между MLSS и MLVSS?

MLSS (смешанные взвешенные твердые вещества) измеряет общую концентрацию взвешенных твердых веществ в аэрационном танке, включая как органические (летучие), так и неорганические (фиксированные) материалы. MLVSS измеряет только летучую (органическую) часть MLSS, что лучше отражает активную биомассу. Связь такова: MLSS = MLVSS + MLFSS (смешанные фиксированные взвешенные твердые вещества).

Каково типичное соотношение MLVSS/MLSS?

В обычных системах активного ила соотношение MLVSS/MLSS обычно колеблется от 0.65 до 0.85 (65-85%). Более низкие соотношения могут указывать на высокое содержание неорганических веществ или накопление инертных твердых веществ, в то время как более высокие соотношения указывают на преобладание органической биомассы. Соотношение варьируется в зависимости от характеристик сточных вод, процесса очистки и эксплуатационных условий.

Как MLVSS измеряется в лаборатории?

MLVSS измеряется через двухступенчатый процесс:

1. Образец фильтруется через фильтр из стекловолокна, сушится при 103-105°C и взвешивается для определения MLSS.
2. Тот же фильтр затем сжигается при 550°C в муфельной печи, сжигая органическое вещество, и снова взвешивается.
3. Падение веса во время сжигания представляет собой летучую часть (MLVSS).

Эта процедура стандартизирована в методах, таких как Стандартные методы 2540E или EPA Метод 160.4.

Какую концентрацию MLVSS следует поддерживать в процессе активного ила?

Оптимальные концентрации MLVSS варьируются в зависимости от типа процесса:

• Обычный активный ил: 1,500-3,500 мг/л
• Расширенная аэрация: 2,000-5,000 мг/л
• Мембранные биореакторы (MBR): 8,000-12,000 мг/л
• Реакторы с последовательным циклом (SBR): 2,000-4,000 мг/л

Соответствующая концентрация зависит от проектных параметров, целей очистки и эксплуатационных условий.

Как MLVSS влияет на соотношение F/M?

MLVSS является знаменателем в расчете соотношения пищи к микроорганизмам (F/M):

Соотношение F/M = Нагрузка входного BOD (кг/день) ÷ MLVSS в системе (кг)

Более высокие концентрации MLVSS приводят к более низким соотношениям F/M, способствуя эндогенной респирации и лучшему оседанию осадка. Более низкие концентрации MLVSS приводят к более высоким соотношениям F/M, что может вызвать рост филаментов и плохое оседание, если слишком высокое.

Что вызывает снижение MLVSS в системе активного ила?

Снижения MLVSS могут быть вызваны:

• Чрезмерной отводкой осадка
• Токсичным сбросом, убивающим биомассу
• Эндогенным распадом, превышающим рост в периоды низкой нагрузки
• Гидравлическим вымыванием во время высоких потоков
• Увеличением неорганического содержания в сточных водах
• Недостатком питательных веществ, ограничивающим биологический рост

Может ли MLVSS быть слишком высоким?

Да, чрезмерно высокие уровни MLVSS могут вызвать проблемы, включая:

• Высокую потребность в кислороде и затраты на аэрацию
• Плохое оседание в вторичных отстойниках
• Увеличение производства осадка и затрат на его утилизацию
• Снижение эффективности очистки из-за ограничений диффузии
• Потенциальные анаэробные условия в внутренней части хлопьев

Как быстро следует измерять MLVSS после отбора проб?

Анализ MLVSS должен начинаться в идеале в течение 2 часов после отбора проб, чтобы предотвратить изменения из-за биологической активности. Если немедленный анализ невозможен, образцы следует хранить в холодильнике при 4°C в течение до 24 часов. Для более длительного хранения образцы следует консервировать серной кислотой до pH < 2 и хранить в холодильнике, хотя это не идеально для определения MLVSS.

Как температура влияет на MLVSS?

Температура влияет на MLVSS несколькими способами:

• Более высокие температуры увеличивают скорость роста микроорганизмов, потенциально увеличивая MLVSS
• Более высокие температуры также увеличивают скорость эндогенного распада
• Сезонные изменения температуры могут изменить состав микробной популяции
• Температура влияет на растворимость кислорода, что может косвенно повлиять на MLVSS

Операторы часто должны корректировать скорость отводки в зависимости от сезона, чтобы поддерживать целевые концентрации MLVSS.

Ссылки

1. Water Environment Federation. (2018). Operation of Water Resource Recovery Facilities, 7-е издание. McGraw-Hill Education.

2. Metcalf & Eddy, Inc. (2014). Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery, 5-е издание. McGraw-Hill Education.

3. American Public Health Association, American Water Works Association, & Water Environment Federation. (2017). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 23-е издание.

4. Jenkins, D., Richard, M. G., & Daigger, G. T. (2003). Manual on the Causes and Control of Activated Sludge Bulking, Foaming, and Other Solids Separation Problems, 3-е издание. CRC Press.

5. U.S. Environmental Protection Agency. (2021). Wastewater Technology Fact Sheet: Activated Sludge Process. EPA 832-F-00-016.

6. Grady, C. P. L., Daigger, G. T., Love, N. G., & Filipe, C. D. M. (2011). Biological Wastewater Treatment, 3-е издание. CRC Press.

7. Water Environment Research Foundation. (2003). Methods for Wastewater Characterization in Activated Sludge Modeling. WERF Report 99-WWF-3.

8. Henze, M., van Loosdrecht, M. C. M., Ekama, G. A., & Brdjanovic, D. (2008). Biological Wastewater Treatment: Principles, Modelling and Design. IWA Publishing.

Попробуйте наш калькулятор MLVSS сегодня, чтобы оптимизировать мониторинг и контроль вашего процесса очистки сточных вод!