Kalkulator MLVSS do oczyszczania ścieków

Lotne zawiesiny w osadzie czynnym (MLVSS) stanowią organiczną, biodegradowalną część zawiesin w zbiorniku napowietrzania osadu czynnego. Wykorzystuje się je jako przybliżoną miarę ilości aktywnych mikroorganizmów oczyszczających ścieki. Ten kalkulator wyznacza MLVSS na podstawie danych laboratoryjnych, metodą procentowej zawartości VSS albo metodą FSS (stałych substancji zawieszonych).

Czym jest MLVSS?

Oczyszczalnie ścieków wykorzystujące proces osadu czynnego polegają na mikroorganizmach rozkładających zanieczyszczenia organiczne. Mieszanina wody, mikroorganizmów i substancji stałych w zbiorniku napowietrzania nosi nazwę cieczy osadowej. Część zawiesin w tej mieszaninie stanowi materia organiczna, głównie żywe i martwe mikroorganizmy. Ta frakcja organiczna to lotne zawiesiny, a gdy mierzy się ją w cieczy mieszanej, określa się ją jako MLVSS.

Pozostałą część zawiesin stanowi materia nieorganiczna, taka jak żwir, piasek i minerały. Ta frakcja nieorganiczna jest nazywana stałymi substancjami zawieszonymi (FSS), a po pomiarze w cieczy mieszanej — MLFSS, ponieważ nie ulega spaleniu podczas ogrzewania. Łącznie MLVSS i MLFSS tworzą całkowitą ilość substancji zawieszonych w cieczy mieszanej (MLSS), czyli całkowite stężenie zawiesin w zbiorniku.

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

Operatorzy monitorują MLVSS, ponieważ stanowi ono przybliżoną miarę wielkości biologicznego zespołu odpowiedzialnego za oczyszczanie. Stały poziom MLVSS zazwyczaj oznacza stabilne i przewidywalne oczyszczanie. Nagły spadek może wskazywać na toksyczny dopływ, nadmierne usuwanie osadu albo wypłukanie biomasy ze zbiornika podczas burzy.

Jak obliczać MLVSS

Istnieją dwa powszechnie stosowane sposoby obliczania MLVSS i oba powinny dawać ten sam wynik, jeśli pomiary laboratoryjne są dokładne.

Metoda procentowej zawartości VSS

Niektóre laboratoria podają VSS jako procent TSS (całkowitej ilości substancji zawieszonych). W takim przypadku:

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

• MLVSS = lotne zawiesiny w cieczy mieszanej (mg/L)
• TSS = całkowite zawiesiny (mg/L)
• VSS% = udział zawiesin, który jest lotny; w konwencjonalnym systemie osadu czynnego zwykle wynosi 65–85%

Metoda FSS

Inne laboratoria podają bezpośrednio frakcję stałą (nieorganiczną). W takim przypadku MLVSS wyznacza się przez odejmowanie:

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

Ponieważ VSS i FSS zawsze sumują się do TSS, ten wzór daje taki sam wynik jak metoda procentowa, jeśli wyjściowe pomiary są zgodne. Jeśli obie metody dają wyraźnie różne wyniki dla tej samej próbki, należy sprawdzić dane laboratoryjne lub sposób postępowania z próbką.

Przykład obliczeń

Przykład 1: metoda procentowej zawartości VSS. Operator mierzy w zbiorniku napowietrzania TSS o wartości 3 500 mg/L, przy procentowej zawartości VSS równej 75%.

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

Przykład 2: metoda FSS. W tym samym zbiorniku wykonuje się także pomiar bezpośredni: TSS wynosi 3 500 mg/L, a FSS 875 mg/L.

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

Obie metody dają zgodny wynik, zgodnie z oczekiwaniami, ponieważ 875 mg/L FSS stanowi dokładnie 25% z 3 500 mg/L TSS.

Jak korzystać z tego kalkulatora

1. Wprowadź wartość całkowitych zawiesin (TSS) w mg/L.
2. Wybierz metodę obliczeń: „z użyciem procentowej zawartości VSS” albo „z użyciem stałych substancji zawieszonych (FSS)”.
3. Wprowadź drugą wartość: procentową zawartość VSS (0-100%) albo wartość FSS w mg/L.
4. Odczytaj wynik MLVSS w mg/L, przedstawiony wraz ze wzorem i użytymi liczbami.

Kalkulator sprawdza, czy TSS jest równe zero lub większe, czy procentowa zawartość VSS mieści się między 0 a 100 oraz czy FSS nie przekracza TSS, ponieważ FSS jest częścią TSS. Jeśli kontrola wykaże błąd, kalkulator wyświetla komunikat wyjaśniający, co należy poprawić.

Stosunek MLVSS/MLSS

W konwencjonalnej oczyszczalni osadu czynnego stosunek MLVSS/MLSS zwykle mieści się między 0,65 a 0,85, co oznacza, że 65–85% zawiesin stanowi materia organiczna. Spadek stosunku poniżej tego zakresu może wskazywać na gromadzenie się substancji inertnych lub dopływ dodatkowej materii nieorganicznej ze źródła przemysłowego. Stosunek bliski górnej granicy zakresu zwykle oznacza, że biomasa jest w większości organiczna i aktywna.

Dlaczego MLVSS ma znaczenie w sterowaniu procesem

MLVSS jest uwzględniane w kilku obliczeniach wykonywanych codziennie przez operatorów:

• Stosunek pokarmu do mikroorganizmów (F/M): porównuje dopływające obciążenie organiczne z ilością biomasy dostępnej do jego przetworzenia.
• Czas zatrzymania substancji stałych (SRT), nazywany także wiekiem osadu: określa, jak długo biomasa pozostaje w systemie, co wpływa na stabilność oczyszczania i zdolność usuwania amoniaku (nitryfikację).
• Produkcja osadu: większa ilość biomasy oznacza zazwyczaj więcej osadu do usunięcia i zagospodarowania.
• Zapotrzebowanie na tlen: biomasa potrzebuje tlenu do działania, dlatego zużycie energii na napowietrzanie jest w przybliżeniu powiązane z MLVSS.

Standardowe metody laboratoryjne oznaczania MLVSS opisano w Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (metoda 2540E) oraz w metodzie EPA 160,4.

Jak obliczać stosunek F/M

$\text{Stosunek F/M} = \frac{\text{Obciążenie BZT w dopływie (kg/dzień)}}{\text{Masa MLVSS w zbiorniku (kg)}}$

Przykład. Oczyszczalnia ma następujące wartości:

• Przepływ dopływu = 10 000 m³/dzień
• BZT dopływu = 250 mg/L
• Objętość zbiornika napowietrzania = 2 000 m³
• MLVSS = 2 500 mg/L

Ponieważ 1 mg/L przy przepływie mierzonym w m³/dzień odpowiada 1 gramowi masy na dzień, obciążenie w kg/dzień oblicza się przez mnożenie i dzielenie przez 1 000:

• Obciążenie BZT dopływu = 10 000 m³/dzień × 250 mg/L ÷ 1 000 = 2 500 kg/dzień
• Masa MLVSS = 2 000 m³ × 2 500 mg/L ÷ 1 000 = 5 000 kg
• Stosunek F/M = 2 500 kg/dzień ÷ 5 000 kg = 0,5 na dzień

W konwencjonalnej oczyszczalni osadu czynnego stosunek F/M zwykle wynosi od 0,2 do 0,6 na dzień. Zbyt wysoki stosunek może powodować puchnięcie osadu wywołane przez bakterie nitkowate, podczas którego bakterie nitkowate pogarszają sedymentację osadu. Zbyt niski stosunek prowadzi do marnowania energii na napowietrzanie biomasy, której pozostało niewiele pokarmu do zużycia.

Typowe zakresy eksploatacyjne

Opublikowane tabele projektowe podają całkowite stężenie substancji stałych (MLSS), a nie ich część lotną. MLVSS stanowi lotny udział tych wartości, czyli w przybliżeniu 65–85% każdego zakresu.

Bioreaktory membranowe mogą pracować przy znacznie większym stężeniu substancji stałych, ponieważ oddzielają je za pomocą membran, zamiast polegać na sedymentacji grawitacyjnej w osadniku wtórnym.

Jak mierzy się MLVSS w laboratorium

Standardowa procedura obejmuje dwa etapy ogrzewania:

1. Etap TSS. Znana objętość cieczy mieszanej jest filtrowana przez uprzednio zważony filtr z włókna szklanego, suszona w temperaturze 103–105°C przez co najmniej godzinę, chłodzona i ważona. Przyrost masy stanowi TSS (lub MLSS, gdy próbka jest cieczą mieszaną).
2. Etap prażenia. Ten sam filtr ogrzewa się w piecu w temperaturze 550 °C przez 15–20 minut. Materia organiczna spala się, pozostawiając popiół nieorganiczny. Filtr ponownie się chłodzi i waży.
3. Wynik. Utrata masy podczas prażenia odpowiada lotnej, organicznej części, czyli MLVSS.

Temperatura w piecu ma znaczenie. Standard Methods określa temperaturę etapu prażenia na 550 °C, z tolerancją 50 °C. Przy wyższej temperaturze nieorganiczne węglany, takie jak węglan magnezu, zaczynają się rozkładać, zwiększając zmierzoną utratę masy i powodując zawyżoną zawartość frakcji lotnej. Przy niższej temperaturze materia organiczna może nie spalić się całkowicie.

Alternatywy dla MLVSS

MLVSS jest szeroko stosowane, ponieważ jest proste i wiarygodne, ale inne metody pozwalają dokładniej mierzyć biomasę:

• ATP (trifosforan adenozyny) mierzy cząsteczkę występującą wyłącznie w żywych komórkach, dzięki czemu określa aktywną biomasę bez martwej materii. Wymaga specjalistycznego analizatora.
• Respirometria mierzy szybkość zużywania tlenu przez biomasę, co bezpośrednio pokazuje aktywność biologiczną. Jest przydatna do sprawdzania, czy dopływ jest toksyczny dla biomasy.
• Ilościowe oznaczanie DNA i FISH (hybrydyzacja fluorescencyjna in situ) pozwalają identyfikować i zliczać określone mikroorganizmy. Są to głównie narzędzia badawcze, przydatne do ustalania przyczyny pęcznienia włóknistego.

Metody te dostarczają bardziej szczegółowych informacji, ale są droższe i wymagają więcej czasu, dlatego MLVSS pozostaje standardem rutynowego sterowania procesem.

Najczęściej zadawane pytania

Jaka jest różnica między MLSS a MLVSS? MLSS to całkowita ilość substancji zawieszonych w zbiorniku napowietrzania, obejmująca zarówno materię organiczną, jak i nieorganiczną. MLVSS stanowi tylko część organiczną. MLSS równa się MLVSS plus MLFSS (stałe substancje zawieszone w cieczy osadowej).

Jaki jest typowy stosunek MLVSS/MLSS? W konwencjonalnej oczyszczalni osadu czynnego zwykle wynosi od 0,65 do 0,85 (65-85%). Niższy stosunek wskazuje na większą ilość materii nieorganicznej w mieszaninie.

Jaki wpływ MLVSS ma na stosunek F/M? MLVSS jest mianownikiem w stosunku F/M. Wyższe MLVSS przy takim samym obciążeniu organicznym daje niższy stosunek F/M. Niższe MLVSS daje wyższy stosunek F/M, co może sprzyjać bakteriom nitkowatym powodującym słabą sedymentację, jeśli stosunek wzrośnie zbyt wysoko.

Co powoduje nagły spadek MLVSS? Do częstych przyczyn należą nadmierne usuwanie osadu, toksyczne substancje w dopływie zabijające biomasę, intensywne opady wypłukujące biomasę ze zbiornika oraz mała dostępność pokarmu w okresach małego obciążenia, takich jak święta.

Czy MLVSS może być zbyt wysokie? Tak. Wysokie MLVSS zwiększa zapotrzebowanie na tlen, a tym samym koszt energii napowietrzania, może przeciążać osadnik wtórny substancjami stałymi i ograniczać dopływ tlenu do wnętrza gęstych cząstek kłaczków.

Jak szybko po pobraniu próbki należy zmierzyć MLVSS? Standard Methods zaleca rozpoczęcie oznaczenia jak najszybciej, ponieważ zawiesin nie można zakonserwować. Próbki należy przechowywać w temperaturze 4 °C, najlepiej nie dłużej niż 24 godziny i nigdy dłużej niż 7 dni.

Piśmiennictwo

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