Calculator MLVSS pentru tratarea apelor uzate

Solidele suspendate volatile din amestecul de nămol (MLVSS) reprezintă partea organică, biodegradabilă, a solidelor suspendate dintr-un bazin de aerare cu nămol activ. Acestea sunt utilizate ca măsură indirectă a cantității de microorganisme active care tratează apa uzată. Acest calculator determină MLVSS din date de laborator folosind fie metoda procentului de VSS, fie metoda FSS (solide suspendate fixe).

Ce este MLVSS?

Stațiile de tratare a apelor uzate care utilizează procesul cu nămol activ se bazează pe microorganisme pentru descompunerea poluanților organici. Amestecul de apă, microorganisme și solide din bazinul de aerare se numește lichid mixt. O parte dintre solidele suspendate din acest amestec este formată din material organic, în principal microorganisme vii și moarte. Această fracție organică reprezintă solidele suspendate volatile, iar atunci când este măsurată în lichidul mixt se numește MLVSS.

Restul solidelor suspendate este format din material anorganic, precum particule grosiere, nisip și minerale. Această fracție anorganică se numește solide suspendate fixe (FSS) sau MLFSS atunci când este măsurată în nămolul activ în amestec, deoarece nu se pierde prin ardere la încălzire. Împreună, MLVSS și MLFSS formează solidele suspendate din nămolul activ în amestec (MLSS), concentrația totală de solide suspendate din bazin.

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

Operatorii urmăresc MLVSS deoarece aceasta aproximează dimensiunea forței biologice care efectuează tratarea. Un nivel MLVSS constant indică, în general, o tratare stabilă și previzibilă. O scădere bruscă poate semnala un influent toxic, evacuarea excesivă a nămolului sau o furtună care spală biomasa din bazin.

Cum se calculează MLVSS

Există două modalități uzuale de calculare a MLVSS, iar ambele ar trebui să dea același rezultat dacă măsurătorile de laborator sunt exacte.

Metoda procentului de VSS

Unele laboratoare raportează VSS ca procent din TSS (solidele suspendate totale). În acest caz:

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

• MLVSS = solide suspendate volatile din nămolul activ în amestec (mg/L)
• TSS = solide suspendate totale (mg/L)
• VSS% = proporția solidelor suspendate care este volatilă, de obicei 65–85% într-un sistem convențional cu nămol activ

Metoda FSS

Alte laboratoare raportează direct fracția fixă (anorganică). În acest caz, MLVSS se determină prin scădere:

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

Deoarece VSS și FSS însumate dau întotdeauna TSS, această formulă oferă același rezultat ca metoda procentuală atunci când măsurătorile de bază coincid. Dacă cele două metode dau rezultate vizibil diferite pentru aceeași probă, trebuie verificate datele de laborator sau manipularea probei.

Exemplu de calcul

Exemplul 1: metoda procentului de VSS. Un operator măsoară TSS de 3.500 mg/L în bazinul de aerare, cu un procent VSS de 75 %.

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

Exemplul 2: metoda FSS. În același bazin se efectuează și o măsurare directă: TSS este 3.500 mg/L, iar FSS este 875 mg/L.

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

Ambele metode concordă, așa cum era de așteptat, deoarece 875 mg/L de FSS reprezintă exact 25 % din 3.500 mg/L de TSS.

Cum se utilizează acest calculator

1. Introduceți valoarea solidelor suspendate totale (TSS) în mg/L.
2. Alegeți o metodă de calcul: „Folosind procentul de VSS” sau „Folosind solidele suspendate fixe (FSS)”.
3. Introduceți a doua valoare: fie procentul de VSS (0-100%), fie valoarea FSS în mg/L.
4. Citiți rezultatul MLVSS în mg/L, afișat împreună cu formula și valorile utilizate.

Calculatorul verifică dacă TSS este zero sau mai mare, dacă procentul de VSS se situează între 0 și 100 și dacă FSS nu depășește TSS, deoarece FSS face parte din TSS. Dacă o verificare eșuează, este afișat un mesaj care explică ce trebuie corectat.

Raportul MLVSS/MLSS

Într-o stație convențională cu nămol activ, raportul MLVSS/MLSS se situează de obicei între 0,65 și 0,85, ceea ce înseamnă că 65–85% din solidele suspendate sunt organice. Un raport care scade sub acest interval poate indica acumularea de solide inerte sau pătrunderea unei cantități suplimentare de material anorganic dintr-o sursă industrială. Un raport apropiat de limita superioară a intervalului înseamnă, de obicei, că biomasa este în principal organică și activă.

De ce este important MLVSS pentru controlul procesului

MLVSS intră în mai multe calcule utilizate zilnic de operatori:

• Raportul hrană/microorganisme (F/M): compară încărcarea organică afluentă cu cantitatea de biomasă disponibilă pentru tratarea acesteia.
• Timpul de retenție a solidelor (SRT), numit și vârsta nămolului: perioada în care biomasa rămâne în sistem, care influențează stabilitatea tratării și capacitatea de îndepărtare a amoniacului (nitrificarea).
• Producția de nămol: în general, o cantitate mai mare de biomasă înseamnă mai mult nămol care trebuie evacuat și eliminat.
• Necesarul de oxigen: biomasa are nevoie de oxigen pentru a funcționa, astfel încât consumul de energie pentru aerare urmărește aproximativ nivelul MLVSS.

Metodele standard de laborator pentru MLVSS sunt descrise în Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (metoda 2540E) și în metoda EPA 160,4.

Cum se calculează raportul F/M

$\text{Raportul F/M} = \frac{\text{Încărcarea cu CBO a influentului (kg/zi)}}{\text{Masa MLVSS din bazin (kg)}}$

Exemplu. O stație are următoarele valori:

• Debitul influentului = 10.000 m³/zi
• CBO influent = 250 mg/L
• Volumul bazinului de aerare = 2.000 m³
• MLVSS = 2.500 mg/L

Deoarece 1 mg/L într-un debit măsurat în m³/zi este egal cu 1 gram de masă pe zi, încărcarea în kg/zi se determină prin înmulțire și împărțire la 1.000:

• Încărcarea cu CBO a influentului = 10.000 m³/zi × 250 mg/L ÷ 1.000 = 2.500 kg/zi
• Masa MLVSS = 2.000 m³ × 2.500 mg/L ÷ 1.000 = 5.000 kg
• Raportul F/M = 2.500 kg/zi ÷ 5.000 kg = 0,5 pe zi

O stație convențională cu nămol activ funcționează, de obicei, cu un raport F/M între 0,2 și 0,6 pe zi. Un raport prea mare poate provoca fenomenul de bulking filamentos al nămolului, în care bacteriile filamentoase fac ca nămolul să se sedimenteze necorespunzător. Un raport prea mic irosește energie pentru aerarea unei biomase căreia îi rămâne puțină hrană de consumat.

Intervale tipice de funcționare

Tabelele de proiectare publicate indică concentrația totală de solide (MLSS), nu partea volatilă. MLVSS reprezintă fracția volatilă a acestor valori, aproximativ 65–85% din fiecare interval.

Bioreactoarele cu membrane pot funcționa cu concentrații de solide mult mai mari, deoarece separă solidele cu ajutorul membranelor, în loc să se bazeze pe decantarea gravitațională într-un bazin de decantare.

Cum se măsoară MLVSS în laborator

Procedura standard are două etape de încălzire:

1. Etapa TSS. Un volum cunoscut de nămol activ în amestec este filtrat printr-un filtru din fibră de sticlă cântărit în prealabil, uscat la 103–105°C timp de cel puțin o oră, răcit și cântărit. Creșterea în greutate reprezintă TSS (sau MLSS, când proba este nămol activ în amestec).
2. Etapa de incinerare. Același filtru este încălzit într-un cuptor la 550 °C timp de 15–20 minute. Materialul organic arde, lăsând cenușă anorganică. Filtrul este răcit și cântărit din nou.
3. Rezultatul. Pierderea în greutate în timpul calcinării reprezintă partea volatilă și organică, adică MLVSS.

Temperatura cuptorului este importantă. Standard Methods stabilește etapa de calcinare la 550 °C, cu o toleranță de 50 °C. La o temperatură mai mare, carbonații anorganici, precum carbonatul de magneziu, încep să se descompună, contribuind la pierderea măsurată în greutate și producând o valoare aparentă prea mare pentru fracția volatilă. La o temperatură mai mică, materialul organic poate să nu ardă complet.

Alternative la MLVSS

MLVSS este utilizat pe scară largă deoarece este simplu și fiabil, dar alte metode măsoară biomasa mai specific:

• ATP (adenozin trifosfat) măsoară o moleculă prezentă numai în celulele vii, astfel încât cuantifică biomasa activă, fără material mort. Este necesar un analizor specializat.
• Respirometria măsoară viteza cu care biomasa consumă oxigen, indicând direct activitatea biologică. Este utilă pentru testarea toxicității influentului asupra biomasei.
• Cuantificarea ADN-ului și FISH (hibridizarea fluorescentă in situ) identifică și numără microorganisme specifice. Acestea sunt în principal instrumente de cercetare, utile pentru identificarea cauzei umflării filamentoase a nămolului.

Aceste metode oferă mai multe detalii, dar costă mai mult și necesită mai mult timp, motiv pentru care MLVSS rămâne standardul pentru controlul de rutină al procesului.

Întrebări frecvente

Care este diferența dintre MLSS și MLVSS? MLSS reprezintă totalul solidelor suspendate din bazinul de aerare, incluzând atât material organic, cât și anorganic. MLVSS reprezintă doar partea organică. MLSS este egal cu MLVSS plus MLFSS (solidele suspendate fixe din nămolul activ în amestec).

Care este un raport MLVSS/MLSS tipic? Într-o stație convențională cu nămol activ, acesta este de obicei între 0,65 și 0,85 (65-85%). Un raport mai mic sugerează o cantitate mai mare de material anorganic în amestec.

Cum influențează MLVSS raportul F/M? MLVSS este numitorul raportului F/M. Pentru aceeași încărcare organică, o valoare MLVSS mai mare duce la un raport F/M mai mic. O valoare MLVSS mai mică duce la un raport F/M mai mare, ceea ce poate favoriza bacteriile filamentoase cu sedimentare slabă dacă raportul crește prea mult.

Ce cauzează scăderea bruscă a MLVSS? Printre cauzele frecvente se numără evacuarea excesivă a nămolului, materialul toxic din influent care omoară biomasa, ploile abundente care evacuează biomasa din bazin și disponibilitatea redusă a hranei în perioadele cu încărcare mică, cum ar fi vacanțele.

MLVSS poate fi prea mare? Da. Un MLVSS ridicat crește necesarul de oxigen și, prin urmare, costul energiei pentru aerare, poate supraîncărca decantorul secundar cu solide și poate limita pătrunderea oxigenului în centrul particulelor dense de flocoane.

Cât de curând după prelevare trebuie măsurat MLVSS? Standard Methods recomandă începerea cât mai curând posibil, deoarece solidele nu pot fi conservate. Probele trebuie refrigerate la 4 °C, păstrate de preferință cel mult 24 de ore și niciodată mai mult de 7 zile.

Referințe

1. Water Environment Federation. Exploatarea instalațiilor de recuperare a resurselor din apă, ediția a 7-a. McGraw-Hill Education, 2018.
2. Metcalf & Eddy. Ingineria apelor uzate: tratare și recuperarea resurselor, ediția a 5-a. McGraw-Hill Education, 2014.
3. Asociația Americană de Sănătate Publică, Asociația Americană pentru Lucrări de Alimentare cu Apă și Federația pentru Mediul Acvatic. Metode standard pentru examinarea apei și a apelor uzate, ediția a 23-a, 2017.
4. Agenția pentru Protecția Mediului din S.U.A. Fișă informativă privind tehnologia apelor uzate: procesul cu nămol activ. EPA 832-F-00-016.