Калькулятор MLVSS для очистки сточных вод

Взвешенные летучие вещества в иловой смеси (MLVSS) — это органическая, биоразлагаемая часть взвешенных веществ в аэротенке с активным илом. Этот показатель используют как приближённую оценку количества активных микроорганизмов, очищающих сточные воды. Калькулятор рассчитывает MLVSS по лабораторным данным двумя методами: по доле VSS или по FSS (фиксированным взвешенным веществам).

Что такое MLVSS?

Очистные сооружения, использующие процесс активного ила, полагаются на микроорганизмы, разлагающие органические загрязнители. Смесь воды, микроорганизмов и твёрдых веществ в аэротенке называют иловой смесью. Часть взвешенных веществ в этой смеси представляет собой органический материал, в основном живые и мёртвые микроорганизмы. Эта органическая фракция называется летучими взвешенными веществами, а при измерении в иловой смеси — MLVSS.

Остальная часть взвешенных веществ представляет собой неорганический материал, например абразивные частицы, песок и минералы. Эта неорганическая фракция называется фиксированными взвешенными веществами (FSS), а при измерении в иловой смеси — MLFSS, поскольку не выгорает при нагревании. Вместе MLVSS и MLFSS образуют взвешенные вещества иловой смеси (MLSS), то есть общую концентрацию взвешенных веществ в аэротенке.

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

Операторы отслеживают MLVSS, поскольку этот показатель приблизительно отражает размер биологической «рабочей силы», выполняющей очистку. Стабильный уровень MLVSS обычно означает стабильную и предсказуемую очистку. Резкое снижение может указывать на поступление токсичных веществ, избыточный отвод избыточного ила или вымывание биомассы из аэротенка во время ливня.

Как рассчитать MLVSS

Существуют два распространённых способа расчёта MLVSS; при точных лабораторных измерениях оба должны давать одинаковый результат.

Метод расчёта по процентному содержанию VSS

Некоторые лаборатории указывают VSS как процент от TSS (общего содержания взвешенных веществ). В этом случае:

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

• MLVSS = летучие взвешенные вещества иловой смеси (мг/л)
• TSS = общее содержание взвешенных веществ (мг/л)
• VSS% = доля взвешенных веществ, являющаяся летучей; обычно 65–85% в традиционной системе активного ила

Метод расчёта по FSS

Другие лаборатории непосредственно указывают фиксированную (неорганическую) фракцию. В этом случае MLVSS находят вычитанием:

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

Поскольку VSS и FSS в сумме всегда дают TSS, эта формула даёт тот же результат, что и метод по процентному содержанию, если исходные измерения согласуются. Если для одной и той же пробы два метода дают заметно разные результаты, следует проверить лабораторные данные или обращение с пробой.

Пример расчёта

Пример 1: метод расчёта по процентному содержанию VSS. Оператор измеряет в аэротенке TSS, равное 3 500 mg/л, при процентном содержании VSS 75 %.

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

Пример 2: метод расчёта по FSS. В том же аэротенке также проводят непосредственное измерение: TSS составляет 3 500 mg/л, а FSS — 875 mg/л.

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

Оба метода дают одинаковый результат, как и ожидалось, поскольку 875 mg/л FSS составляет ровно 25 % от 3 500 mg/л TSS.

Как пользоваться этим калькулятором

1. Введите значение общего содержания взвешенных веществ (TSS) в мг/л.
2. Выберите метод расчёта: «По процентному содержанию VSS» или «По фиксированным взвешенным веществам (FSS)».
3. Введите второе значение: процентное содержание VSS (0-100%) или значение FSS в мг/л.
4. Просмотрите результат MLVSS в мг/л, отображаемый вместе с формулой и использованными числами.

Калькулятор проверяет, что TSS не меньше нуля, процентное содержание VSS находится между 0 и 100, а FSS не превышает TSS, поскольку FSS является частью TSS. Если проверка не пройдена, отображается сообщение с объяснением, что нужно исправить.

Соотношение MLVSS/MLSS

На традиционных сооружениях с активным илом соотношение MLVSS/MLSS обычно находится между 0,65 и 0,85, то есть 65–85% взвешенных веществ являются органическими. Снижение соотношения ниже этого диапазона может указывать на накопление инертных веществ или поступление дополнительного неорганического материала от промышленного источника. Соотношение, близкое к верхней границе диапазона, обычно означает, что биомасса в основном органическая и активная.

Зачем MLVSS нужен для управления процессом

MLVSS используется в нескольких расчётах, которые операторы выполняют ежедневно:

• Соотношение «пища—микроорганизмы» (F/M): сопоставляет поступающую органическую нагрузку с количеством биомассы, доступной для её переработки.
• Возраст ила (SRT), также называемый временем удерживания твёрдых веществ: время пребывания биомассы в системе, влияющее на стабильность очистки и способность удалять аммоний (нитрификация).
• Образование ила: большее количество биомассы обычно означает больше ила, который нужно отводить и утилизировать.
• Потребность в кислороде: биомассе нужен кислород для работы, поэтому энергозатраты на аэрацию примерно пропорциональны MLVSS.

Стандартные лабораторные методы определения MLVSS описаны в Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (метод 2540E) и методике EPA 160,4.

Как рассчитать соотношение F/M

$\text{Соотношение F/M} = \frac{\text{Нагрузка по БПК поступающей воды (кг/сут)}}{\text{Масса MLVSS в аэротенке (кг)}}$

Пример. На очистном сооружении имеются следующие значения:

• Расход поступающей воды = 10 000 m³/сут
• БПК поступающей воды = 250 mg/л
• Объём аэротенка = 2 000 m³
• MLVSS = 2 500 mg/л

Поскольку 1 mg/л при расходе, измеряемом в кубических метрах в сутки, соответствует 1 грамму массы в сутки, нагрузку в кг/сут находят умножением и делением на 1 000:

• Нагрузка по БПК поступающей воды = 10 000 m³/сут × 250 mg/л ÷ 1 000 = 2 500 кг/сут
• Масса MLVSS = 2 000 m³ × 2 500 mg/л ÷ 1 000 = 5 000 кг
• Соотношение F/M = 2 500 кг/сут ÷ 5 000 кг = 0,5 в сутки

На традиционных сооружениях с активным илом соотношение F/M обычно составляет от 0,2 до 0,6 в сутки. Слишком высокое соотношение может вызвать вспухание ила из-за нитчатых бактерий, при котором ил плохо оседает. Слишком низкое соотношение приводит к напрасным энергозатратам на аэрацию биомассы, которой почти нечем питаться.

Типичные рабочие диапазоны

В опубликованных проектных таблицах приводится общая концентрация твёрдых веществ (MLSS), а не летучая часть. MLVSS составляет летучую долю этих значений, то есть примерно 65–85% каждого диапазона.

В мембранных биореакторах могут поддерживаться значительно более высокие концентрации твёрдых веществ, поскольку их отделяют мембраны, а не гравитационное осаждение во вторичном отстойнике.

Как MLVSS измеряют в лаборатории

Стандартная процедура включает два этапа нагревания:

1. Этап определения TSS. Известный объём иловой смеси фильтруют через предварительно взвешенный стекловолоконный фильтр, высушивают при температуре 103–105°C не менее часа, охлаждают и взвешивают. Прирост массы соответствует TSS (или MLSS, если проба представляет собой иловую смесь).
2. Этап прокаливания. Тот же фильтр прокаливают в печи при температуре 550 °C в течение 15–20 минут. Органический материал выгорает, оставляя неорганическую золу. Фильтр снова охлаждают и взвешивают.
3. Результат. Потеря массы при прокаливании — это летучая органическая часть, то есть MLVSS.

Температура печи имеет значение. В Standard Methods температура этапа прокаливания установлена на уровне 550 °C с допуском 50 °C. При более высокой температуре начинают разлагаться неорганические карбонаты, такие как карбонат магния, что увеличивает измеренную потерю массы и даёт завышенное значение летучих веществ. При более низкой температуре органический материал может выгореть не полностью.

Альтернативы MLVSS

MLVSS широко используют благодаря простоте и надёжности, однако существуют и другие методы, позволяющие точнее измерять биомассу:

• АТФ (аденозинтрифосфат) измеряет молекулу, присутствующую только в живых клетках, поэтому позволяет учитывать активную биомассу без мёртвого материала. Для этого нужен специализированный анализатор.
• Респирометрия измеряет скорость потребления кислорода биомассой, что непосредственно показывает биологическую активность. Метод полезен для проверки токсичности поступающей воды для биомассы.
• Количественное определение ДНК и FISH (флуоресцентная гибридизация in situ) позволяют идентифицировать и подсчитывать определённые микроорганизмы. В основном это исследовательские методы, полезные для выяснения причины вспухания ила из-за нитчатых бактерий.

Эти методы дают больше информации, но стоят дороже и требуют больше времени, поэтому MLVSS остаётся стандартным показателем для текущего управления процессом.

Часто задаваемые вопросы

В чём разница между MLSS и MLVSS? MLSS — это общее содержание взвешенных веществ в аэротенке, включая органический и неорганический материал. MLVSS — только органическая часть. MLSS равен сумме MLVSS и MLFSS (фиксированных взвешенных веществ иловой смеси).

Каким обычно бывает соотношение MLVSS/MLSS? На традиционных сооружениях с активным илом оно обычно составляет от 0,65 до 0,85 (65-85%). Более низкое соотношение указывает на повышенное содержание неорганического материала в смеси.

Как MLVSS влияет на соотношение F/M? MLVSS является знаменателем в соотношении F/M. При одинаковой органической нагрузке более высокое MLVSS даёт более низкое соотношение F/M. Более низкое MLVSS даёт более высокое соотношение F/M, что при чрезмерном росте может способствовать развитию плохо оседающих нитчатых бактерий.

Что вызывает резкое снижение MLVSS? К распространённым причинам относятся избыточный отвод ила, токсичные вещества в поступающей воде, вызывающие гибель биомассы, вымывание биомассы из аэротенка сильными дождями и недостаток питания в периоды низкой нагрузки, например во время праздников.

Может ли MLVSS быть слишком высоким? Да. Высокое значение MLVSS увеличивает потребность в кислороде и, следовательно, энергозатраты на аэрацию, может перегрузить вторичный отстойник твёрдыми веществами и ограничить поступление кислорода в центральную часть плотных хлопьев ила.

Как скоро после отбора пробы следует измерить MLVSS? Согласно Standard Methods, анализ следует начать как можно скорее, поскольку твёрдые вещества невозможно законсервировать. Пробы следует хранить в холодильнике при 4 °C, желательно не более 24 часов и ни в коем случае не более 7 дней.

Источники

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