废水处理的 MLVSS 计算器

引言

混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）计算器是废水处理厂操作员、环境工程师和研究人员在活性污泥过程中使用的重要工具。MLVSS 代表曝气池中悬浮固体的有机部分，是监测生物处理效率的关键参数。该计算器提供了一种简单、准确的方法，根据总悬浮固体（TSS）和挥发性悬浮固体百分比（VSS%）或 TSS 和固定悬浮固体（FSS）测量值来确定 MLVSS 值。

适当的 MLVSS 监测有助于优化处理过程、降低运营成本，并确保符合出水质量标准。通过维持适当的 MLVSS 水平，废水处理设施可以实现最佳的生物营养去除、最小化污泥产生并提高整体处理性能。

MLVSS 计算方法

MLVSS 可以通过两种主要方法计算，计算器支持这两种方法：

VSS 百分比法

第一种方法使用总悬浮固体（TSS）浓度和挥发性悬浮固体百分比（VSS%）计算 MLVSS：

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

其中：

• MLVSS = 混合液挥发性悬浮固体（mg/L）
• TSS = 总悬浮固体（mg/L）
• VSS% = 悬浮固体中挥发性部分的百分比（%）

FSS 法

第二种方法通过从总悬浮固体（TSS）中减去固定悬浮固体（FSS）来计算 MLVSS：

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

其中：

• MLVSS = 混合液挥发性悬浮固体（mg/L）
• TSS = 总悬浮固体（mg/L）
• FSS = 固定悬浮固体（mg/L）

当测量准确时，这两种方法产生相同的结果，因为 VSS 和 FSS 是 TSS 的互补组成部分：

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

如何使用此计算器

1. 输入总悬浮固体（TSS）：在 mg/L 中输入测得的 TSS 值。

2. 选择计算方法：

   • 如果您有 VSS% 数据，请选择“使用 VSS 百分比”
   • 如果您有 FSS 测量值，请选择“使用固定悬浮固体（FSS）”

3. 输入附加参数：

   • 如果使用 VSS 百分比法：输入 VSS 百分比（0-100%）
   • 如果使用 FSS 方法：输入 FSS 值（mg/L）

4. 查看结果：计算器将自动显示计算出的 MLVSS 值（mg/L）。

5. 公式可视化：在结果下方，您将看到使用的公式和计算步骤。

输入验证

计算器对用户输入执行以下验证：

• TSS 必须是正数（≥ 0 mg/L）
• VSS 百分比必须在 0 到 100% 之间
• FSS 必须是正数（≥ 0 mg/L）
• FSS 不能超过 TSS（因为 FSS 是 TSS 的组成部分）

如果任何验证失败，将显示错误消息以指导您纠正输入。

理解废水处理中的 MLVSS

MLVSS 代表活性污泥过程曝气池中悬浮固体的有机部分。它作为活性生物量（微生物）的代理测量，负责废水中有机物和营养物的生物降解。

在传统活性污泥系统中，MLVSS 与 MLSS（混合液悬浮固体）的比率通常在 0.65 到 0.85（65-85%）之间，具体取决于进水特性、处理过程和操作条件的变化。

MLVSS 浓度是用于计算的关键参数：

• 食物与微生物（F/M）比率
• 污泥龄或固体滞留时间（SRT）
• 生物量产率和污泥产生率
• 生物处理的氧需求

用例

过程控制和优化

MLVSS 监测对于维持最佳生物处理条件至关重要。工厂操作员使用 MLVSS 数据来：

1. 调整 F/M 比率：通过控制 MLVSS 浓度相对于进水有机负荷（BOD 或 COD），操作员可以维持所需的 F/M 比率，以实现最佳处理效率。

2. 管理污泥龄：MLVSS 测量有助于确定适当的排污率，以维持目标固体滞留时间（SRT）。

3. 优化曝气：MLVSS 水平为氧需求计算提供信息，从而实现节能的曝气控制。

4. 监测生物量健康：MLVSS 或 MLVSS/MLSS 比率的突然变化可能表明生物量的活力或过程抑制存在问题。

示例：计算 F/M 比率

食物与微生物（F/M）比率计算为：

$\text{F/M Ratio} = \frac{\text{进水 BOD（kg/day）}}{\text{MLVSS（kg）}}$

对于一个处理厂：

• 进水流量 = 10,000 m³/day
• 进水 BOD = 250 mg/L
• 曝气池体积 = 2,000 m³
• MLVSS = 2,500 mg/L

F/M 比率将是：

• 进水 BOD 负荷 = 10,000 m³/day × 250 mg/L ÷ 1,000,000 = 2,500 kg/day
• MLVSS 质量 = 2,000 m³ × 2,500 mg/L ÷ 1,000,000 = 5,000 kg
• F/M 比率 = 2,500 kg/day ÷ 5,000 kg = 0.5 day⁻¹

研究和设计应用

环境工程师和研究人员使用 MLVSS 数据进行：

1. 过程设计：根据目标 MLVSS 浓度确定曝气池和二次沉淀池的尺寸。

2. 动力学研究：确定生物降解速率和微生物生长参数。

3. 过程建模：为过程模拟和优化校准活性污泥模型。

4. 技术评估：比较不同处理技术或操作策略的性能。

合规性

MLVSS 监测通过以下方式支持环境法规的合规性：

1. 确保适当处理：维持适当的 MLVSS 水平有助于实现所需的出水质量。

2. 记录过程控制：MLVSS 数据向监管机构证明了适当的过程控制。

3. 排查合规问题：MLVSS 趋势可以帮助识别出水质量问题的原因。

MLVSS 的替代品

虽然 MLVSS 被广泛使用，但其他参数可以提供关于废水处理生物量的补充或替代信息：

1. ATP（腺苷三磷酸）：通过量化细胞能量载体直接测量活性生物量。

2. DNA 定量：通过核酸定量提供微生物生物量的精确测量。

3. 呼吸法：直接测量氧消耗速率（OUR）以评估生物活性。

4. FISH（荧光原位杂交）：允许识别和定量特定微生物种群。

5. COD 分级：表征生物质中的不同可降解组分。

这些替代品可能提供更具体的信息，但通常需要比相对简单的 MLVSS 测试更复杂的设备和专业知识。

MLVSS 在废水处理中的历史

测量挥发性悬浮固体作为废水处理中的生物活性指标的概念随着活性污泥过程的发展而演变：

1. 20 世纪初：活性污泥过程于 1910 年代由阿登和洛克特在英国曼彻斯特开发。最初的过程控制主要依赖于视觉观察和沉降测试。

2. 1930 年代-1940 年代：随着对微生物过程理解的加深，研究人员开始区分悬浮固体的有机（挥发性）和无机（固定）部分。

3. 1950 年代-1960 年代：MLVSS 成为量化活性污泥系统中生物量的标准参数，方法在《水和废水检查的标准方法》等出版物中标准化。

4. 1970 年代-1980 年代：MLVSS 与处理性能之间的关系被广泛研究，导致基于 F/M 比率和 SRT 等参数的设计和操作指南。

5. 1990 年代至今：对微生物生态和代谢的深入理解导致了更复杂的模型和控制策略的发展，尽管由于其简单性和可靠性，MLVSS 仍然是一个基本参数。

今天，尽管存在更先进的技术来表征生物量，MLVSS 由于其实用性、与性能的既定相关性和相对简单的分析程序，仍在废水处理操作中被广泛使用。

MLVSS 计算的代码示例

以下是如何使用不同编程语言计算 MLVSS 的示例：

1' 使用 VSS 百分比计算 MLVSS 的 Excel 公式
2Function MLVSS_from_VSS_Percentage(TSS As Double, VSS_Percentage As Double) As Double
3    ' 验证输入
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    ' 计算 MLVSS
10    MLVSS_from_VSS_Percentage = TSS * (VSS_Percentage / 100)
11End Function
12
13' 使用 FSS 计算 MLVSS 的 Excel 公式
14Function MLVSS_from_FSS(TSS As Double, FSS As Double) As Double
15    ' 验证输入
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    ' 计算 MLVSS
22    MLVSS_from_FSS = TSS - FSS
23End Function
24

1def calculate_mlvss_from_vss_percentage(tss, vss_percentage):
2    """
3    使用 TSS 和 VSS 百分比计算 MLVSS
4    
5    参数：
6        tss (float): 总悬浮固体（mg/L）
7        vss_percentage (float): VSS 百分比（0-100）
8        
9    返回：
10        float: MLVSS（mg/L）
11    """
12    # 验证输入
13    if tss < 0 or vss_percentage < 0 or vss_percentage > 100:
14        raise ValueError("无效输入：TSS 必须为正数，VSS% 必须在 0-100 之间")
15        
16    # 计算 MLVSS
17    return tss * (vss_percentage / 100)
18
19def calculate_mlvss_from_fss(tss, fss):
20    """
21    使用 TSS 和 FSS 计算 MLVSS
22    
23    参数：
24        tss (float): 总悬浮固体（mg/L）
25        fss (float): 固定悬浮固体（mg/L）
26        
27    返回：
28        float: MLVSS（mg/L）
29    """
30    # 验证输入
31    if tss < 0 or fss < 0:
32        raise ValueError("无效输入：TSS 和 FSS 必须为正数")
33    if fss > tss:
34        raise ValueError("无效输入：FSS 不能大于 TSS")
35        
36    # 计算 MLVSS
37    return tss - fss
38

1/**
2 * 使用 TSS 和 VSS 百分比计算 MLVSS
3 * @param {number} tss - 总悬浮固体（mg/L）
4 * @param {number} vssPercentage - VSS 百分比（0-100）
5 * @returns {number} MLVSS（mg/L）
6 */
7function calculateMlvssFromVssPercentage(tss, vssPercentage) {
8  // 验证输入
9  if (tss < 0 || vssPercentage < 0 || vssPercentage > 100) {
10    throw new Error("无效输入：TSS 必须为正数，VSS% 必须在 0-100 之间");
11  }
12  
13  // 计算 MLVSS
14  return tss * (vssPercentage / 100);
15}
16
17/**
18 * 使用 TSS 和 FSS 计算 MLVSS
19 * @param {number} tss - 总悬浮固体（mg/L）
20 * @param {number} fss - 固定悬浮固体（mg/L）
21 * @returns {number} MLVSS（mg/L）
22 */
23function calculateMlvssFromFss(tss, fss) {
24  // 验证输入
25  if (tss < 0 || fss < 0) {
26    throw new Error("无效输入：TSS 和 FSS 必须为正数");
27  }
28  if (fss > tss) {
29    throw new Error("无效输入：FSS 不能大于 TSS");
30  }
31  
32  // 计算 MLVSS
33  return tss - fss;
34}
35

1public class MlvssCalculator {
2    /**
3     * 使用 TSS 和 VSS 百分比计算 MLVSS
4     * 
5     * @param tss 总悬浮固体（mg/L）
6     * @param vssPercentage VSS 百分比（0-100）
7     * @return MLVSS（mg/L）
8     * @throws IllegalArgumentException 如果输入无效
9     */
10    public static double calculateMlvssFromVssPercentage(double tss, double vssPercentage) {
11        // 验证输入
12        if (tss < 0 || vssPercentage < 0 || vssPercentage > 100) {
13            throw new IllegalArgumentException("无效输入：TSS 必须为正数，VSS% 必须在 0-100 之间");
14        }
15        
16        // 计算 MLVSS
17        return tss * (vssPercentage / 100);
18    }
19    
20    /**
21     * 使用 TSS 和 FSS 计算 MLVSS
22     * 
23     * @param tss 总悬浮固体（mg/L）
24     * @param fss 固定悬浮固体（mg/L）
25     * @return MLVSS（mg/L）
26     * @throws IllegalArgumentException 如果输入无效
27     */
28    public static double calculateMlvssFromFss(double tss, double fss) {
29        // 验证输入
30        if (tss < 0 || fss < 0) {
31            throw new IllegalArgumentException("无效输入：TSS 和 FSS 必须为正数");
32        }
33        if (fss > tss) {
34            throw new IllegalArgumentException("无效输入：FSS 不能大于 TSS");
35        }
36        
37        // 计算 MLVSS
38        return tss - fss;
39    }
40}
41

实际示例

示例 1：使用 VSS 百分比法

废水处理厂操作员测量以下数据：

• 曝气池中的 TSS = 3,500 mg/L
• VSS 百分比 = 75%

使用 VSS 百分比法： MLVSS = 3,500 mg/L × (75% ÷ 100) = 2,625 mg/L

示例 2：使用 FSS 方法

同一操作员测量：

• 曝气池中的 TSS = 3,500 mg/L
• 曝气池中的 FSS = 875 mg/L

使用 FSS 方法： MLVSS = 3,500 mg/L - 875 mg/L = 2,625 mg/L

示例 3：排查低 MLVSS/MLSS 比率

操作员注意到 MLVSS/MLSS 比率在过去一个月内从 0.75 降至 0.60：

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

这种下降可能表明：

• 工业排放导致无机固体增加
• 由于排污不足而导致惰性固体积累
• 由于毒性导致生物活性降低

操作员应调查原因并相应调整过程。

常见问题解答

什么是 MLVSS，为什么重要？

MLVSS（混合液挥发性悬浮固体）代表活性污泥过程中的悬浮固体的有机部分。它重要的原因在于它作为处理废水的活性生物量（微生物）的指标。监测 MLVSS 有助于优化处理效率、控制污泥产生并确保适当的生物营养去除。

MLSS 和 MLVSS 有什么区别？

MLSS（混合液悬浮固体）测量曝气池中悬浮固体的总浓度，包括有机（挥发性）和无机（固定）材料。MLVSS 仅测量 MLSS 的挥发性（有机）部分，更好地代表活性生物量。两者的关系是：MLSS = MLVSS + MLFSS（混合液固定悬浮固体）。

典型的 MLVSS/MLSS 比率是多少？

在传统活性污泥系统中，MLVSS/MLSS 比率通常在 0.65 到 0.85（65-85%）之间。较低的比率可能表明无机含量高或惰性固体积累，而较高的比率则表明生物量主要是有机的。该比率会根据进水特性、处理过程和操作条件的变化而变化。

MLVSS 如何在实验室中测量？

MLVSS 通过以下两步过程测量：

1. 样品通过玻璃纤维过滤器过滤，在 103-105°C 下干燥并称重，以确定 MLSS。
2. 然后在 550°C 的马弗炉中点燃同一过滤器，燃烧有机物，并重新称重。
3. 点燃过程中损失的重量代表挥发性部分（MLVSS）。

该程序在《标准水和废水检查方法》等方法中标准化。

在活性污泥过程中应维持多少 MLVSS 浓度？

最佳 MLVSS 浓度因过程类型而异：

• 传统活性污泥：1,500-3,500 mg/L
• 延长曝气：2,000-5,000 mg/L
• 膜生物反应器（MBR）：8,000-12,000 mg/L
• 序批反应器（SBR）：2,000-4,000 mg/L

适当的浓度取决于设计参数、处理目标和操作条件。

MLVSS 如何影响 F/M 比率？

MLVSS 是食物与微生物（F/M）比率计算中的分母：

F/M 比率 = 进水 BOD 负荷（kg/day）÷ 系统中的 MLVSS（kg）

较高的 MLVSS 浓度会导致较低的 F/M 比率，从而促进内源呼吸和更好的污泥沉降。较低的 MLVSS 浓度会导致较高的 F/M 比率，如果过高，可能会导致丝状菌生长和沉降不良。

什么原因导致活性污泥系统中的 MLVSS 下降？

MLVSS 的下降可能由以下原因造成：

• 过量排污
• 毒性进水杀死生物量
• 在低负荷期间内源衰减超过生长
• 在高流量事件中造成的水力冲刷
• 进水中的无机含量增加
• 营养供应不足限制生物生长

MLVSS 会过高吗？

是的，过高的 MLVSS 可能会导致以下问题：

• 高氧需求和曝气成本
• 二次沉淀池中的沉降不良
• 增加污泥产生和处置成本
• 由于扩散限制而降低处理效率
• 潜在的厌氧条件出现在絮凝体内部

采样后多快应测量 MLVSS？

MLVSS 分析应在采样后尽量在 2 小时内开始，以防止由于生物活性而导致的变化。如果无法立即分析，样品应在 4°C 下冷藏，最多可保存 24 小时。对于更长时间的存储，样品应用硫酸保留至 pH < 2 并冷藏，但这对于 MLVSS 确定并不理想。

温度如何影响 MLVSS？

温度以多种方式影响 MLVSS：

• 较高的温度会增加微生物的生长速率，可能导致 MLVSS 增加
• 较高的温度还会增加内源衰减速率
• 季节性温度变化可能改变微生物群落组成
• 温度影响氧的溶解度，这可能间接影响 MLVSS

操作员通常需要根据季节性调整排污率，以维持目标 MLVSS 浓度。

参考文献

1. 水环境联合会.（2018）. 水资源回收设施的操作，第 7 版. 麦格劳-希尔教育.

2. Metcalf & Eddy, Inc.（2014）. 废水工程：处理与资源回收，第 5 版. 麦格劳-希尔教育.

3. 美国公共卫生协会、美国水务协会和水环境联合会.（2017）. 水和废水检查的标准方法，第 23 版.

4. Jenkins, D., Richard, M. G., & Daigger, G. T.（2003）. 活性污泥膨胀、起泡和其他固体分离问题的原因和控制手册，第 3 版. CRC Press.

5. 美国环境保护署.（2021）. 废水技术事实表：活性污泥过程. EPA 832-F-00-016.

6. Grady, C. P. L., Daigger, G. T., Love, N. G., & Filipe, C. D. M.（2011）. 生物废水处理，第 3 版. CRC Press.

7. 水环境研究基金会.（2003）. 活性污泥建模中的废水特征化方法. WERF 报告 99-WWF-3.

8. Henze, M., van Loosdrecht, M. C. M., Ekama, G. A., & Brdjanovic, D.（2008）. 生物废水处理：原理、建模与设计. IWA 出版社.

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