MLVSS-calculator voor afvalwaterbehandeling

Mixed Liquor Volatile Suspended Solids (MLVSS) vormen de organische, biologisch afbreekbare fractie van de zwevende stoffen in een beluchtingstank met actiefslib. Deze waarde wordt gebruikt als maat voor de hoeveelheid actieve micro-organismen die het afvalwater behandelen. Deze calculator bepaalt MLVSS op basis van laboratoriumgegevens, met de methode voor het VSS-percentage of de FSS-methode (Fixed Suspended Solids).

Wat is MLVSS?

Afvalwaterzuiveringsinstallaties die het actiefslibproces gebruiken, zijn afhankelijk van micro-organismen om organische verontreinigingen af te breken. Het mengsel van water, micro-organismen en vaste stoffen in de beluchtingstank heet actiefslibmengsel. Een deel van de zwevende stoffen in dat mengsel bestaat uit organisch materiaal, voornamelijk levende en dode micro-organismen. Deze organische fractie bestaat uit vluchtige zwevende stoffen; wanneer deze in het actiefslibmengsel wordt gemeten, heet zij MLVSS.

De rest van de zwevende stoffen bestaat uit anorganisch materiaal, zoals gruis, zand en mineralen. Deze anorganische fractie heet vaste zwevende stoffen (FSS), of MLFSS wanneer zij in het actiefslibmengsel wordt gemeten, omdat zij bij verhitting niet verbrandt. Samen vormen MLVSS en MLFSS de totale zwevende stoffen in het actiefslibmengsel (MLSS), de totale concentratie zwevende stoffen in de tank.

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

Operators volgen MLVSS omdat deze waarde bij benadering de omvang aangeeft van de biologische populatie die voor de behandeling zorgt. Een stabiel MLVSS-niveau wijst doorgaans op een stabiele, voorspelbare behandeling. Een plotselinge daling kan wijzen op toxisch influent, een teveel aan slibafvoer of een storm die biomassa uit de tank spoelt.

MLVSS berekenen

Er zijn twee gebruikelijke manieren om MLVSS te berekenen. Bij nauwkeurige laboratoriummetingen zouden beide dezelfde uitkomst moeten geven.

Methode met het VSS-percentage

Sommige laboratoria rapporteren VSS als percentage van TSS (Total Suspended Solids). In dat geval:

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

• MLVSS = Vluchtige zwevende stoffen in het actief-slibmengsel (mg/L)
• TSS = Totale zwevende stoffen (mg/L)
• VSS% = het aandeel van de zwevende stoffen dat vluchtig is, doorgaans 65–85% in een conventioneel actiefslibsysteem

FSS-methode

Andere laboratoria rapporteren de vaste (anorganische) fractie rechtstreeks. In dat geval wordt MLVSS door aftrekking bepaald:

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

Omdat VSS en FSS samen altijd TSS vormen, geeft deze formule dezelfde uitkomst als de percentage-methode wanneer de onderliggende metingen overeenkomen. Als de twee methoden voor hetzelfde monster merkbaar verschillende uitkomsten geven, moeten de laboratoriumgegevens of de monsterbehandeling worden gecontroleerd.

Uitgewerkt voorbeeld

Voorbeeld 1: methode met het VSS-percentage. Een operator meet in de beluchtingstank een TSS van 3.500 mg/L, met een VSS-percentage van 75%.

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

Voorbeeld 2: FSS-methode. In dezelfde tank wordt ook rechtstreeks gemeten: TSS is 3.500 mg/L en FSS is 875 mg/L.

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

Beide methoden komen, zoals verwacht, overeen, omdat 875 mg/L FSS precies 25% is van 3.500 mg/L TSS.

Deze calculator gebruiken

1. Voer de waarde voor Total Suspended Solids (TSS) in mg/L in.
2. Kies een berekeningsmethode: "Met VSS-percentage" of "Met Fixed Suspended Solids (FSS)".
3. Voer de tweede waarde in: het VSS-percentage (0-100%) of de FSS-waarde in mg/L.
4. Lees het MLVSS-resultaat in mg/L af, weergegeven met de formule en de gebruikte getallen.

De calculator controleert of TSS nul of groter is, of het VSS-percentage tussen 0 en 100 ligt en of FSS niet groter is dan TSS, omdat FSS deel uitmaakt van TSS. Als een controle mislukt, verschijnt een bericht waarin wordt uitgelegd wat moet worden gecorrigeerd.

De MLVSS/MLSS-verhouding

In een conventionele actiefslibinstallatie ligt de MLVSS/MLSS-verhouding gewoonlijk tussen 0,65 en 0,85. Dat betekent dat 65–85% van de zwevende stoffen organisch is. Een verhouding die onder dit bereik zakt, kan wijzen op ophoping van inerte vaste stoffen of op extra anorganisch materiaal uit een industriële bron. Een verhouding aan de bovenkant van het bereik betekent doorgaans dat de biomassa voornamelijk organisch en actief is.

Waarom MLVSS belangrijk is voor procesregeling

MLVSS wordt gebruikt in verschillende berekeningen die operators dagelijks uitvoeren:

• Voedsel-micro-organismeverhouding (F/M): vergelijkt de binnenkomende organische belasting met de hoeveelheid biomassa die beschikbaar is om deze te behandelen.
• Slibretentietijd (SRT), ook slibleeftijd genoemd: de tijd dat biomassa in het systeem blijft, wat de behandelingsstabiliteit en het vermogen om ammonium te verwijderen (nitrificatie) beïnvloedt.
• Slibproductie: meer biomassa betekent doorgaans meer slib dat moet worden afgevoerd en verwerkt.
• Zuurstofbehoefte: de biomassa heeft zuurstof nodig om te functioneren, waardoor het energiegebruik voor beluchting ongeveer meebeweegt met MLVSS.

Standaardlaboratoriummethoden voor MLVSS worden beschreven in Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (methode 2540E) en in EPA-methode 160,4.

De F/M-verhouding berekenen

$\text{F/M-verhouding} = \frac{\text{BZV-belasting van het influent (kg/dag)}}{\text{MLVSS-massa in de tank (kg)}}$

Voorbeeld. Een installatie heeft de volgende waarden:

• Influentdebiet = 10.000 m³/dag
• BZV van het influent = 250 mg/L
• Volume van de beluchtingstank = 2.000 m³
• MLVSS = 2.500 mg/L

Omdat 1 mg/L bij een debiet in m³/dag overeenkomt met 1 gram massa per dag, wordt de belasting in kg/dag gevonden door te vermenigvuldigen en te delen door 1.000:

• BZV-belasting van het influent = 10.000 m³/dag × 250 mg/L ÷ 1.000 = 2.500 kg/dag
• MLVSS-massa = 2.000 m³ × 2.500 mg/L ÷ 1.000 = 5.000 kg
• F/M-verhouding = 2.500 kg/dag ÷ 5.000 kg = 0,5 per dag

Een conventionele actiefslibinstallatie werkt doorgaans met een F/M-verhouding tussen 0,2 en 0,6 per dag. Een te hoge verhouding kan bulking door draadvormige bacteriën veroorzaken, waarbij draadvormige bacteriën het slib slecht laten bezinken. Een te lage verhouding verspilt energie aan het beluchten van biomassa die nog maar weinig voedsel te verbruiken heeft.

Typische bedrijfsbereiken

Gepubliceerde ontwerptabellen geven de totale concentratie vaste stoffen (MLSS), niet het vluchtige deel. MLVSS is het vluchtige aandeel van deze waarden, dus ongeveer 65–85% van elk bereik.

Membraanbioreactoren kunnen werken met veel hogere concentraties vaste stoffen, omdat zij vaste stoffen met membranen scheiden in plaats van te vertrouwen op bezinking door zwaartekracht in een nabezinktank.

Hoe MLVSS in een laboratorium wordt gemeten

De standaardprocedure omvat twee verhittingsstappen:

1. TSS-stap. Een bekend volume actiefslibmengsel wordt door een vooraf gewogen glasvezelfilter gefiltreerd, ten minste een uur gedroogd bij 103–105°C, afgekoeld en gewogen. De gewichtstoename is de TSS (of MLSS wanneer het monster actiefslibmengsel is).
2. Gloeistap. Hetzelfde filter wordt in een oven verhit bij 550 °C gedurende 15–20 minuten. Het organische materiaal verbrandt, waardoor anorganische as achterblijft. Het filter wordt opnieuw afgekoeld en gewogen.
3. Resultaat. Het gewichtsverlies tijdens het gloeien is de vluchtige, organische fractie, oftewel de MLVSS.

De oventemperatuur is belangrijk. Standard Methods schrijft voor dat de gloeistap plaatsvindt bij 550 °C, met een tolerantie van 50 °C. Bij een hogere temperatuur beginnen anorganische carbonaten, zoals magnesiumcarbonaat, uiteen te vallen. Daardoor neemt het gemeten gewichtsverlies toe en wordt de vluchtige fractie ten onrechte te hoog ingeschat. Bij een lagere temperatuur verbrandt het organische materiaal mogelijk niet volledig.

Alternatieven voor MLVSS

MLVSS wordt veel gebruikt omdat de methode eenvoudig en betrouwbaar is, maar andere methoden meten biomassa specifieker:

• ATP (adenosinetrifosfaat) meet een molecuul dat alleen in levende cellen voorkomt en telt daardoor actieve biomassa zonder dood materiaal. Hiervoor is een speciale analysator nodig.
• Respirometrie meet de snelheid waarmee biomassa zuurstof verbruikt, wat de biologische activiteit rechtstreeks laat zien. De methode is nuttig om te testen of influent toxisch is voor de biomassa.
• DNA-kwantificering en FISH (Fluorescence In Situ Hybridization) identificeren en tellen specifieke micro-organismen. Dit zijn voornamelijk onderzoeksmethoden, die nuttig zijn om de oorzaak van bulking door draadvormige bacteriën op te sporen.

Deze methoden geven meer informatie, maar kosten meer en nemen meer tijd in beslag. Daarom blijft MLVSS de standaard voor routinematige procesregeling.

Veelgestelde vragen

Wat is het verschil tussen MLSS en MLVSS? MLSS is de totale hoeveelheid zwevende stoffen in de beluchtingstank, inclusief organisch en anorganisch materiaal. MLVSS is alleen het organische deel. MLSS is gelijk aan MLVSS plus MLFSS (Mixed Liquor Fixed Suspended Solids).

Wat is een typische MLVSS/MLSS-verhouding? In een conventionele actiefslibinstallatie ligt deze gewoonlijk tussen 0,65 en 0,85 (65-85%). Een lagere verhouding wijst op meer anorganisch materiaal in het mengsel.

Welke invloed heeft MLVSS op de F/M-verhouding? MLVSS is de noemer in de F/M-verhouding. Een hogere MLVSS geeft bij dezelfde organische belasting een lagere F/M-verhouding. Een lagere MLVSS geeft een hogere F/M-verhouding, wat slecht bezinkende draadvormige bacteriën kan bevorderen als de verhouding te hoog oploopt.

Waardoor kan MLVSS plotseling dalen? Veelvoorkomende oorzaken zijn een teveel aan slibafvoer, toxisch materiaal in het influent dat biomassa doodt, hevige regen die biomassa uit de tank spoelt en een lage voedselbeschikbaarheid tijdens perioden met een lage belasting, zoals vakanties.

Kan MLVSS te hoog zijn? Ja. Een hoge MLVSS verhoogt de zuurstofbehoefte en daarmee de energiekosten voor beluchting, kan de nabezinktank met te veel vaste stoffen belasten en kan de toevoer van zuurstof naar het midden van dichte vlokdeeltjes beperken.

Hoe snel na monstername moet MLVSS worden gemeten? Volgens Standard Methods moet zo snel mogelijk worden begonnen, omdat vaste stoffen niet kunnen worden geconserveerd. Monsters moeten worden gekoeld bij 4 °C, bij voorkeur niet langer dan 24 uur worden bewaard en nooit langer dan 7 dagen.

Referenties

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