Kalkulačka MLVSS na čistenie odpadových vôd

Prchavé nerozpustené látky v aktivačnej zmesi (MLVSS) predstavujú organickú, biologicky rozložiteľnú časť nerozpustených látok v aktivačnej nádrži. Používajú sa ako nepriamy ukazovateľ množstva aktívnych mikroorganizmov, ktoré čistia odpadovú vodu. Táto kalkulačka určuje MLVSS z laboratórnych údajov buď metódou percentuálneho podielu VSS, alebo metódou FSS (fixné nerozpustené látky).

Čo je MLVSS?

Čistiarne odpadových vôd, ktoré používajú proces aktivovaného kalu, sa pri rozklade organických znečisťujúcich látok spoliehajú na mikroorganizmy. Zmes vody, mikroorganizmov a pevných látok v aktivačnej nádrži sa nazýva aktivačná zmes. Časť nerozpustených látok v tejto zmesi tvorí organický materiál, najmä živé a odumreté mikroorganizmy. Táto organická frakcia sa nazýva prchavé nerozpustené látky a po zmeraní v aktivačnej zmesi sa označuje ako MLVSS.

Zvyšok nerozpustených látok tvorí anorganický materiál, napríklad štrk, piesok a minerály. Táto anorganická frakcia sa nazýva fixné nerozpustené látky (FSS), prípadne MLFSS, ak sa meria v aktivovanom kale, pretože sa pri zahrievaní neodparí ani nespáli. MLVSS a MLFSS spolu tvoria nerozpustené látky v aktivovanom kale (MLSS), teda celkovú koncentráciu nerozpustených látok v nádrži.

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

Prevádzkovatelia sledujú MLVSS, pretože približne vyjadruje veľkosť biologického „tímu“, ktorý zabezpečuje čistenie. Stabilná úroveň MLVSS spravidla znamená stabilné a predvídateľné čistenie. Náhly pokles môže signalizovať toxický prítok, nadmerné odčerpávanie prebytočného kalu alebo prívalový dážď, ktorý vyplavil biomasu z nádrže.

Ako vypočítať MLVSS

MLVSS možno bežne vypočítať dvoma spôsobmi a pri presných laboratórnych meraniach by mali oba poskytnúť rovnaký výsledok.

Metóda percentuálneho podielu VSS

Niektoré laboratóriá uvádzajú VSS ako percentuálny podiel TSS (celkových nerozpustených látok). V takom prípade platí:

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

• MLVSS = prchavé nerozpustené látky v aktivovanom kale (mg/L)
• TSS = celkové nerozpustené látky (mg/L)
• VSS % = podiel nerozpustených látok, ktorý je prchavý; v konvenčnom systéme aktivovaného kalu je to zvyčajne 65–85%

Metóda FSS

Iné laboratóriá uvádzajú priamo fixnú (anorganickú) frakciu. V takom prípade sa MLVSS určí odčítaním:

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

Keďže VSS a FSS vždy spolu tvoria TSS, tento vzorec poskytne rovnaký výsledok ako percentuálna metóda, ak sa príslušné merania zhodujú. Ak sa výsledky oboch metód pre tú istú vzorku výrazne líšia, treba skontrolovať laboratórne údaje alebo zaobchádzanie so vzorkou.

Vzorový príklad

Príklad 1: metóda percentuálneho podielu VSS. Prevádzkovateľ zmeria v aktivačnej nádrži TSS 3 500 mg/L pri percentuálnom podiele VSS 75 %.

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

Príklad 2: metóda FSS. V tej istej nádrži sa vykoná aj priame meranie: TSS je 3 500 mg/L a FSS je 875 mg/L.

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

Obe metódy sa podľa očakávania zhodujú, pretože 875 mg/L FSS je presne 25 % z 3 500 mg/L TSS.

Ako používať túto kalkulačku

1. Zadajte hodnotu celkových nerozpustených látok (TSS) v mg/L.
2. Vyberte metódu výpočtu: „Použiť percentuálny podiel VSS“ alebo „Použiť fixné nerozpustené látky (FSS)“.
3. Zadajte druhú hodnotu: buď percentuálny podiel VSS (0-100%), alebo hodnotu FSS v mg/L.
4. Zobrazí sa výsledok MLVSS v mg/L spolu so vzorcom a použitými číslami.

Kalkulačka kontroluje, či je TSS nulové alebo väčšie, či sa percentuálny podiel VSS nachádza medzi 0 a 100 a či FSS nepresahuje TSS, keďže FSS je jeho súčasťou. Ak kontrola zlyhá, zobrazí sa správa s vysvetlením, čo treba opraviť.

Pomer MLVSS/MLSS

V konvenčnej čistiarni s aktivovaným kalom sa pomer MLVSS/MLSS zvyčajne pohybuje medzi 0,65 a 0,85, čo znamená, že 65–85% nerozpustených látok je organických. Pokles pomeru pod toto rozpätie môže poukazovať na hromadenie inertných látok alebo na prísun ďalšieho anorganického materiálu z priemyselného zdroja. Pomer na hornej hranici rozpätia zvyčajne znamená, že biomasa je prevažne organická a aktívna.

Prečo je MLVSS dôležité na riadenie procesu

MLVSS vstupuje do viacerých výpočtov, ktoré prevádzkovatelia používajú každý deň:

• Pomer potrava/mikroorganizmy (F/M): porovnáva prichádzajúce organické zaťaženie s množstvom biomasy dostupnej na jeho spracovanie.
• Čas zdržania pevných látok (SRT), nazývaný aj vek kalu: čas, počas ktorého biomasa zostáva v systéme; ovplyvňuje stabilitu čistenia a schopnosť odstraňovať amoniak (nitrifikáciu).
• Produkcia kalu: väčšie množstvo biomasy spravidla znamená viac kalu na odčerpanie a zneškodnenie.
• Spotreba kyslíka: biomasa potrebuje na svoju činnosť kyslík, takže spotreba energie na prevzdušňovanie približne súvisí s MLVSS.

Štandardné laboratórne metódy stanovenia MLVSS sú opísané v publikácii Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (metóda 2540E) a v metóde EPA 160,4.

Ako vypočítať pomer F/M

$\text{Pomer F/M} = \frac{\text{Zaťaženie prítoku BSK (kg/deň)}}{\text{Hmotnosť MLVSS v nádrži (kg)}}$

Príklad. Čistiareň má tieto hodnoty:

• Prietok prítoku = 10 000 m³/deň
• BSK prítoku = 250 mg/L
• Objem aktivačnej nádrže = 2 000 m³
• MLVSS = 2 500 mg/L

Keďže 1 mg/L pri prietoku meranom v m³/deň zodpovedá 1 gramu hmotnosti za deň, zaťaženie v kg/deň sa vypočíta vynásobením a vydelením 1 000:

• Zaťaženie prítoku BSK = 10 000 m³/deň × 250 mg/L ÷ 1 000 = 2 500 kg/deň
• Hmotnosť MLVSS = 2 000 m³ × 2 500 mg/L ÷ 1 000 = 5 000 kg
• Pomer F/M = 2 500 kg/deň ÷ 5 000 kg = 0,5 za deň

Konvenčná čistiareň s aktivovaným kalom zvyčajne pracuje s pomerom F/M medzi 0,2 a 0,6 za deň. Príliš vysoký pomer môže spôsobiť vláknité objemnenie kalu, pri ktorom vláknité baktérie zhoršujú jeho sedimentáciu. Príliš nízky pomer vedie k plytvaniu energiou na prevzdušňovanie biomasy, ktorej zostáva málo potravy na spotrebu.

Typické prevádzkové rozsahy

Publikované návrhové tabuľky uvádzajú celkovú koncentráciu pevných látok (MLSS), nie prchavú časť. MLVSS predstavuje prchavý podiel týchto hodnôt, teda približne 65–85% každého rozpätia.

Membránové bioreaktory môžu pracovať s oveľa vyššou koncentráciou pevných látok, pretože ich oddeľujú membránami namiesto využitia gravitačnej sedimentácie v dosadzovacej nádrži.

Ako sa MLVSS meria v laboratóriu

Štandardný postup má dva kroky zahrievania:

1. Krok TSS. Známy objem aktivovaného kalu sa prefiltruje cez vopred odvážený sklený vláknový filter, suší sa pri 103–105°C najmenej hodinu, ochladí sa a odváži. Prírastok hmotnosti predstavuje TSS (alebo MLSS, ak ide o vzorku aktivovaného kalu).
2. Krok žíhania. Ten istý filter sa zahrieva v peci pri teplote 550 °C počas 15–20 minút. Organický materiál sa spáli a zostane anorganický popol. Filter sa znova ochladí a odváži.
3. Výsledok. Hmotnostný úbytok počas žíhania predstavuje prchavú organickú časť, teda MLVSS.

Teplota v peci je dôležitá. Publikácia Standard Methods stanovuje teplotu kroku žíhania na 550 °C s toleranciou 50 °C. Pri vyššej teplote sa začnú rozkladať anorganické uhličitany, ako je uhličitan horečnatý, čo zvýši nameraný hmotnostný úbytok a poskytne falošne vysokú hodnotu prchavej frakcie. Pri nižšej teplote sa organický materiál nemusí úplne spáliť.

Alternatívy k MLVSS

MLVSS sa široko používa, pretože je jednoduché a spoľahlivé, no iné metódy merajú biomasu špecifickejšie:

• ATP (adenozíntrifosfát) meria molekulu nachádzajúcu sa iba v živých bunkách, takže počíta aktívnu biomasu bez odumretého materiálu. Vyžaduje špecializovaný analyzátor.
• Respirometria meria rýchlosť, akou biomasa spotrebúva kyslík, čo priamo ukazuje biologickú aktivitu. Je užitočná pri testovaní, či je prítok toxický pre biomasu.
• Kvantifikácia DNA a FISH (fluorescenčná hybridizácia in situ) identifikujú a počítajú konkrétne mikroorganizmy. Ide najmä o výskumné nástroje užitočné pri hľadaní príčiny vláknitého objemnenia kalu.

Tieto metódy poskytujú viac podrobností, ale sú drahšie a časovo náročnejšie, preto MLVSS zostáva štandardom pri bežnom riadení procesu.

Najčastejšie otázky

Aký je rozdiel medzi MLSS a MLVSS? MLSS predstavuje celkové nerozpustené látky v aktivačnej nádrži vrátane organického aj anorganického materiálu. MLVSS je iba organická časť. MLSS sa rovná súčtu MLVSS a MLFSS (fixných nerozpustených látok v aktivovanom kale).

Aký je typický pomer MLVSS/MLSS? V konvenčnej čistiarni s aktivovaným kalom je zvyčajne od 0,65 do 0,85 (65-85%). Nižší pomer naznačuje väčšie množstvo anorganického materiálu v zmesi.

Ako MLVSS ovplyvňuje pomer F/M? MLVSS je menovateľom v pomere F/M. Vyššia hodnota MLVSS pri rovnakom organickom zaťažení vedie k nižšiemu pomeru F/M. Nižšia hodnota MLVSS vedie k vyššiemu pomeru F/M, čo môže pri príliš veľkom náraste podporiť rast vláknitých baktérií so zlou sedimentáciou.

Čo spôsobuje náhly pokles MLVSS? Medzi bežné príčiny patrí nadmerné odčerpávanie kalu, toxický materiál v prítoku, ktorý usmrcuje biomasu, silný dážď vyplavujúci biomasu z nádrže a nedostatok potravy počas období nízkeho zaťaženia, napríklad cez sviatky.

Môže byť MLVSS príliš vysoké? Áno. Vysoké MLVSS zvyšuje spotrebu kyslíka a tým aj náklady na energiu na prevzdušňovanie, môže preťažiť sekundárnu dosadzovaciu nádrž pevnými látkami a obmedziť prístup kyslíka do stredu hustých vločiek.

Ako skoro po odbere vzorky treba zmerať MLVSS? Publikácia Standard Methods uvádza, že treba začať čo najskôr, pretože pevné látky nemožno konzervovať. Vzorky treba uchovávať v chladničke pri 4 °C, prednostne nie dlhšie ako 24 hodín a nikdy nie dlhšie ako 7 dní.

Referencie

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