Calculadora de MLVSS para tratamento de águas residuárias

Os sólidos suspensos voláteis do licor misto (MLVSS) são a parcela orgânica e biodegradável dos sólidos suspensos em um tanque de aeração de lodos ativados. Eles são usados como medida indireta da quantidade de microrganismos ativos que tratam as águas residuárias. Esta calculadora determina o MLVSS a partir de dados laboratoriais usando o método da porcentagem de VSS ou o método de FSS (sólidos suspensos fixos).

O que é MLVSS?

As estações de tratamento de águas residuárias que usam o processo de lodos ativados dependem de microrganismos para decompor poluentes orgânicos. A mistura de água, microrganismos e sólidos no tanque de aeração é chamada de licor misto. Parte dos sólidos suspensos dessa mistura é material orgânico, composto principalmente por microrganismos vivos e mortos. Essa fração orgânica corresponde aos sólidos suspensos voláteis e, quando medida no licor misto, é chamada de MLVSS.

O restante dos sólidos suspensos é material inorgânico, como areia, cascalho fino e minerais. Essa fração inorgânica é chamada de sólidos suspensos fixos (FSS), porque não queima quando aquecida. Juntos, o MLVSS e o FSS formam os sólidos suspensos do licor misto (MLSS), a concentração total de sólidos suspensos no tanque.

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

Os operadores acompanham o MLVSS porque ele estima o tamanho da população biológica responsável pelo tratamento. Um nível estável de MLVSS geralmente indica um tratamento estável e previsível. Uma queda repentina pode indicar afluente tóxico, descarte excessivo de lodo ou uma tempestade que arrastou a biomassa para fora do tanque.

Como calcular o MLVSS

Há duas formas comuns de calcular o MLVSS, e ambas devem produzir o mesmo resultado se as medições laboratoriais forem precisas.

Método da porcentagem de VSS

Alguns laboratórios informam o VSS como porcentagem do TSS (sólidos suspensos totais). Nesse caso:

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

• MLVSS = sólidos suspensos voláteis do licor misto (mg/L)
• TSS = sólidos suspensos totais (mg/L)
• VSS% = a parcela dos sólidos suspensos que é volátil, tipicamente de 70 a 80 por cento em um sistema de lodo ativado

Método de FSS

Outros laboratórios informam diretamente a fração fixa (inorgânica). Nesse caso, o MLVSS é obtido por subtração:

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

Como VSS e FSS sempre totalizam o TSS, esta fórmula produz o mesmo resultado que o método da porcentagem quando as medições de base são concordantes. Se os dois métodos produzirem resultados significativamente diferentes para a mesma amostra, os dados laboratoriais ou o manuseio da amostra devem ser verificados.

Exemplos resolvidos

Exemplo 1: método da porcentagem de VSS. Um operador mede TSS de 3.500 mg/L no tanque de aeração, com uma porcentagem de VSS de 75%.

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

Exemplo 2: método de FSS. O mesmo tanque também é medido diretamente: o TSS é 3.500 mg/L e o FSS é 875 mg/L.

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

Os dois métodos concordam, como esperado, pois 875 mg/L de FSS correspondem exatamente a 25% de 3.500 mg/L de TSS.

Como usar esta calculadora

1. Insira o valor de sólidos suspensos totais (TSS) em mg/L.
2. Escolha um método de cálculo: "Usando a porcentagem de VSS" ou "Usando sólidos suspensos fixos (FSS)".
3. Insira o segundo valor: a porcentagem de VSS (0-100%) ou o valor de FSS em mg/L.
4. Leia o resultado de MLVSS em mg/L, exibido com a fórmula e os números utilizados.

A calculadora verifica se o TSS é igual ou maior que zero, se a porcentagem de VSS está entre 0 e 100 e se o FSS não excede o TSS, pois o FSS é parte do TSS. Se uma verificação falhar, ela exibirá uma mensagem explicando o que deve ser corrigido.

A razão MLVSS/MLSS

O módulo de treinamento de operadores do Departamento de Proteção Ambiental da Pensilvânia indica uma razão MLVSS/MLSS ótima típica de 0,7 a 0,8, ou seja, de 70 a 80 por cento dos sólidos suspensos são orgânicos. Uma razão que fica abaixo dessa faixa pode indicar acúmulo de sólidos inertes ou entrada de material inorgânico extra vindo de uma fonte industrial. Uma razão perto do topo da faixa costuma significar que a biomassa é composta em sua maior parte por material orgânico e ativo.

Por que o MLVSS é importante para o controle do processo

O MLVSS é usado em vários cálculos realizados diariamente pelos operadores:

• Razão alimento/microrganismos (F/M): compara a carga orgânica afluente com a quantidade de biomassa disponível para tratá-la.
• Tempo de retenção de sólidos (SRT), também chamado de idade do lodo: período durante o qual a biomassa permanece no sistema, afetando a estabilidade do tratamento e a capacidade de remover amônia (nitrificação).
• Produção de lodo: mais biomassa geralmente significa mais lodo para descartar e destinar.
• Demanda de oxigênio: a biomassa precisa de oxigênio para funcionar, portanto o consumo de energia para aeração acompanha aproximadamente o MLVSS.

Os métodos de laboratório padrão para o MLVSS são descritos em Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (Método 2540E) e no Método 160,4 da EPA.

Como calcular a razão F/M

$\text{Razão F/M} = \frac{\text{Carga de DBO afluente (kg/dia)}}{\text{Massa de MLVSS no tanque (kg)}}$

Exemplo. Uma estação apresenta os seguintes valores:

• Vazão afluente = 10.000 m³/dia
• DBO afluente = 250 mg/L
• Volume do tanque de aeração = 2.000 m³
• MLVSS = 2.500 mg/L

Como 1 mg/L em uma vazão medida em m³/dia equivale a 1 grama de massa por dia, a carga em kg/dia é obtida multiplicando e dividindo por 1.000:

• Carga de DBO afluente = 10.000 m³/dia × 250 mg/L ÷ 1.000 = 2.500 kg/dia
• Massa de MLVSS = 2.000 m³ × 2.500 mg/L ÷ 1.000 = 5.000 kg
• Razão F/M = 2.500 kg/dia ÷ 5.000 kg = 0,5 por dia

Uma estação convencional de lodo ativado costuma operar com uma razão F/M de 0,2 a 0,5 por dia. A mesma fonte lista faixas menores para aeração prolongada (0,01 a 0,07) e para estabilização por contato (0,15 a 0,2) e observa que o melhor valor para uma estação específica só pode ser encontrado monitorando o seu desempenho. Uma razão alta demais pode causar intumescimento filamentoso, em que bactérias em forma de fios fazem o lodo sedimentar mal. Uma razão baixa demais desperdiça energia aerando uma biomassa que tem pouco alimento restante para consumir.

Faixas operacionais típicas de MLVSS

Os biorreatores de membrana podem operar com um MLVSS muito mais alto, porque separam os sólidos por membranas em vez de depender da sedimentação por gravidade em um decantador.

Como o MLVSS é medido em laboratório

O procedimento padrão tem duas etapas de aquecimento:

1. Etapa de TSS. Um volume conhecido de licor misto é filtrado por um filtro de fibra de vidro previamente pesado, seco a 103-105°C por pelo menos uma hora, resfriado e pesado. O peso ganho é o TSS (ou o MLSS, quando a amostra é licor misto).
2. Etapa de calcinação. O mesmo filtro é calcinado em um forno mufla a 550 °C. O material orgânico queima, deixando cinzas inorgânicas. O filtro é resfriado e pesado de novo.
3. Resultado. A massa perdida durante a ignição é a parcela volátil e orgânica, correspondente ao MLVSS.

A temperatura do forno é importante. Se o forno ficar quente demais, alguns carbonatos inorgânicos se decompõem e dão uma leitura de voláteis falsamente alta. Se ficar frio demais, o material orgânico pode não queimar por completo. Por essa razão, o método fixa a temperatura em 550 °C.

Alternativas ao MLVSS

O MLVSS é amplamente utilizado porque é simples e confiável, mas outros métodos medem a biomassa de forma mais específica:

• ATP (adenosina trifosfato) mede uma molécula encontrada apenas em células vivas, portanto contabiliza a biomassa ativa sem o material morto. É necessário um analisador específico.
• Respirometria mede a taxa de consumo de oxigênio pela biomassa, mostrando diretamente a atividade biológica. É útil para testar se o afluente é tóxico para a biomassa.
• Quantificação de DNA e FISH (hibridização fluorescente in situ) identificam e contam microrganismos específicos. São principalmente ferramentas de pesquisa, úteis para identificar a causa do intumescimento filamentoso.

Esses métodos fornecem mais detalhes, mas custam mais e demandam mais tempo, razão pela qual o MLVSS continua sendo o padrão para o controle rotineiro do processo.

Perguntas frequentes

Qual é a diferença entre MLSS e MLVSS? O MLSS é o total de sólidos suspensos no tanque de aeração, incluindo material orgânico e inorgânico. O MLVSS é apenas a parte orgânica. O MLSS é igual ao MLVSS mais o MLFSS (sólidos suspensos fixos do licor misto).

Qual é uma razão MLVSS/MLSS típica? O material de treinamento de operadores indica o ótimo típico em 0,7 a 0,8 (70 a 80 por cento). Uma razão menor sugere mais material inorgânico na mistura.

Como o MLVSS afeta a razão F/M? O MLVSS é o denominador da razão F/M. Um MLVSS maior, para a mesma carga orgânica, resulta em uma razão F/M menor. Um MLVSS menor resulta em uma razão F/M maior, o que pode favorecer bactérias filamentosas de má sedimentação se ela subir demais.

O que faz o MLVSS cair de repente? As causas comuns incluem o descarte excessivo de lodo, material tóxico no afluente que mata a biomassa, chuva forte que arrasta a biomassa para fora do tanque e baixa disponibilidade de alimento em períodos de carga leve, como feriados.

O MLVSS pode ser alto demais? Sim. Um MLVSS alto aumenta a demanda de oxigênio e, portanto, o custo de energia da aeração, pode sobrecarregar o decantador secundário com sólidos e pode impedir que o oxigênio chegue ao centro dos flocos densos.

Quanto tempo depois da coleta o MLVSS deve ser medido? O mais rápido possível. O Método 160,4 da EPA afirma que preservar a amostra não é viável, de modo que a análise deve começar logo. Se o atraso não puder ser evitado, a amostra deve ser refrigerada ou mantida no gelo a 4 °C.

Referências

1. U.S. Environmental Protection Agency. Method 160.4: Residue, Volatile (Gravimetric, Ignition at 550°C) by Muffle Furnace. Método 160,4 da EPA — calcinação a 550 °C; o peso perdido na calcinação é o resíduo volátil, uma medida aproximada da matéria orgânica no lodo ativado.
2. National Environmental Methods Index (USGS/EPA). EPA-NERL 160.2: Non-filterable Residue by Drying Oven. Resumo do método 160,2 no NEMI — os sólidos suspensos são filtrados em um filtro de fibra de vidro e secos a 103-105°C.
3. Pennsylvania Department of Environmental Protection. Wastewater Treatment Plant Operator Certification Training, Module 16: The Activated Sludge Process, Part II. Módulo 16 do PA DEP — a razão MLVSS/MLSS ótima típica em estações de lodo ativado fica entre 0,7 e 0,8.
4. Pennsylvania Department of Environmental Protection. Desired F/M Ratio. Notas da calculadora de razão F/M do PA DEP — faixas típicas de F/M por tipo de processo; lodo ativado convencional 0,2 a 0,5.