เครื่องคำนวณ MLVSS สำหรับการบำบัดน้ำเสีย

ของแข็งแขวนลอยระเหยได้ในน้ำผสม (Mixed Liquor Volatile Suspended Solids หรือ MLVSS) คือส่วนอินทรีย์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพของของแข็งแขวนลอยในถังเติมอากาศของระบบตะกอนเร่ง ใช้เป็นค่าประมาณแทนปริมาณจุลินทรีย์ที่กำลังบำบัดน้ำเสีย เครื่องคำนวณนี้หาค่า MLVSS จากข้อมูลห้องปฏิบัติการได้ทั้งวิธีคิดเป็นร้อยละของ VSS และวิธี FSS (ของแข็งแขวนลอยคงที่)

MLVSS คืออะไร?

โรงบำบัดน้ำเสียที่ใช้กระบวนการตะกอนเร่งอาศัยจุลินทรีย์ในการย่อยสลายมลพิษอินทรีย์ ส่วนผสมของน้ำ จุลินทรีย์ และของแข็งในถังเติมอากาศเรียกว่าน้ำผสม ของแข็งแขวนลอยบางส่วนในส่วนผสมนี้เป็นสารอินทรีย์ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นจุลินทรีย์ที่มีชีวิตและตายแล้ว ส่วนอินทรีย์นี้เรียกว่าของแข็งแขวนลอยระเหยได้ และเมื่อวัดในน้ำผสมจะเรียกว่า MLVSS

ของแข็งแขวนลอยส่วนที่เหลือเป็นสารอนินทรีย์ เช่น กรวด ทราย และแร่ธาตุ ส่วนอนินทรีย์นี้เรียกว่าของแข็งแขวนลอยคงที่ (FSS) หรือ MLFSS เมื่อวัดในน้ำผสม เนื่องจากส่วนนี้ไม่ถูกเผาไหม้ไปเมื่อได้รับความร้อน MLVSS และ MLFSS รวมกันเป็นของแข็งแขวนลอยในน้ำผสม (MLSS) ซึ่งเป็นความเข้มข้นของของแข็งแขวนลอยทั้งหมดในถัง

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

ผู้ควบคุมระบบติดตามค่า MLVSS เพราะเป็นค่าประมาณขนาดของกลุ่มจุลินทรีย์ที่ทำหน้าที่บำบัด โดยทั่วไป MLVSS ที่คงที่หมายถึงการบำบัดที่เสถียรและคาดการณ์ได้ การลดลงอย่างฉับพลันอาจบ่งชี้ว่าน้ำไหลเข้าเป็นพิษ มีการระบายตะกอนส่วนเกินมากเกินไป หรือพายุชะล้างมวลชีวภาพออกจากถัง

วิธีคำนวณ MLVSS

มีวิธีคำนวณ MLVSS ที่ใช้กันทั่วไปสองวิธี และหากการวัดในห้องปฏิบัติการถูกต้อง ทั้งสองวิธีควรให้คำตอบเดียวกัน

วิธีคิดเป็นร้อยละของ VSS

ห้องปฏิบัติการบางแห่งรายงานค่า VSS เป็นร้อยละของ TSS (ของแข็งแขวนลอยทั้งหมด) ในกรณีนี้:

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

• MLVSS = ของแข็งแขวนลอยระเหยได้ในน้ำผสม (มก./ลิตร)
• TSS = ของแข็งแขวนลอยทั้งหมด (มก./ลิตร)
• VSS% = สัดส่วนของของแข็งแขวนลอยที่ระเหยได้ โดยทั่วไปอยู่ที่ 65–85% ในระบบตะกอนเร่งแบบทั่วไป

วิธี FSS

ห้องปฏิบัติการอื่นรายงานส่วนคงที่ (อนินทรีย์) โดยตรง ในกรณีนี้ หาค่า MLVSS ได้ด้วยการลบ

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

เนื่องจาก VSS และ FSS รวมกันเท่ากับ TSS เสมอ สูตรนี้จึงให้ผลเดียวกับวิธีคิดเป็นร้อยละเมื่อค่าที่วัดพื้นฐานสอดคล้องกัน หากทั้งสองวิธีให้คำตอบแตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัดสำหรับตัวอย่างเดียวกัน ควรตรวจสอบข้อมูลห้องปฏิบัติการหรือการจัดการตัวอย่าง

ตัวอย่างการคำนวณ

ตัวอย่าง 1: วิธีคิดเป็นร้อยละของ VSS ผู้ควบคุมระบบวัดค่า TSS ได้ 3,500 mg/ลิตรในถังเติมอากาศ โดยมีค่า VSS เท่ากับ 75%

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

ตัวอย่าง 2: วิธี FSS นอกจากนี้ยังวัดถังเดียวกันโดยตรง โดยได้ค่า TSS เท่ากับ 3,500 mg/ลิตร และค่า FSS เท่ากับ 875 mg/ลิตร

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

ทั้งสองวิธีให้ผลตรงกันตามที่คาดไว้ เนื่องจาก FSS ปริมาณ 875 mg/ลิตรคิดเป็น 25% ของ TSS ปริมาณ 3,500 mg/ลิตรพอดี

วิธีใช้เครื่องคำนวณนี้

1. ป้อนค่า TSS (ของแข็งแขวนลอยทั้งหมด) เป็นหน่วยมก./ลิตร
2. เลือกวิธีคำนวณ: "ใช้ร้อยละ VSS" หรือ "ใช้ของแข็งแขวนลอยคงที่ (FSS)"
3. ป้อนค่าที่สอง ได้แก่ ร้อยละ VSS (0-100%) หรือค่า FSS เป็นหน่วยมก./ลิตร
4. อ่านผลลัพธ์ MLVSS เป็นหน่วยมก./ลิตร ซึ่งแสดงพร้อมสูตรและตัวเลขที่ใช้

เครื่องคำนวณตรวจสอบว่า TSS มีค่าเท่ากับศูนย์หรือมากกว่า ร้อยละ VSS อยู่ระหว่าง 0 ถึง 100 และ FSS ไม่เกิน TSS เนื่องจาก FSS เป็นส่วนหนึ่งของ TSS หากไม่ผ่านการตรวจสอบ จะแสดงข้อความอธิบายสิ่งที่ต้องแก้ไข

อัตราส่วน MLVSS/MLSS

ในโรงบำบัดระบบตะกอนเร่งแบบทั่วไป อัตราส่วน MLVSS/MLSS มักอยู่ระหว่าง 0.65 ถึง 0.85 ซึ่งหมายความว่าของแข็งแขวนลอย 65–85% เป็นสารอินทรีย์ หากอัตราส่วนลดลงต่ำกว่าช่วงนี้ อาจบ่งชี้ว่าของแข็งเฉื่อยสะสม หรือมีสารอนินทรีย์จากแหล่งอุตสาหกรรมไหลเข้าสู่ระบบเพิ่มขึ้น อัตราส่วนที่ใกล้ขอบบนของช่วงมักหมายความว่ามวลชีวภาพส่วนใหญ่เป็นสารอินทรีย์และยังทำงานอยู่

เหตุใด MLVSS จึงสำคัญต่อการควบคุมกระบวนการ

MLVSS เป็นค่าที่ใช้ในการคำนวณหลายรายการซึ่งผู้ควบคุมระบบใช้เป็นประจำทุกวัน:

• อัตราส่วนอาหารต่อจุลินทรีย์ (F/M): เปรียบเทียบภาระสารอินทรีย์ที่ไหลเข้ากับปริมาณมวลชีวภาพที่มีอยู่เพื่อบำบัดสารนั้น
• ระยะเวลาเก็บกักของแข็ง (SRT) หรือที่เรียกว่าอายุตะกอน: ระยะเวลาที่มวลชีวภาพคงอยู่ในระบบ ซึ่งมีผลต่อเสถียรภาพของการบำบัดและความสามารถในการกำจัดแอมโมเนีย (ไนตริฟิเคชัน)
• การผลิตตะกอน: โดยทั่วไปมวลชีวภาพที่มากขึ้นหมายถึงต้องระบายและกำจัดตะกอนมากขึ้น
• ความต้องการออกซิเจน: มวลชีวภาพต้องใช้ออกซิเจนในการทำงาน ดังนั้นการใช้พลังงานเติมอากาศจึงโดยประมาณแปรตาม MLVSS

วิธีมาตรฐานในห้องปฏิบัติการสำหรับ MLVSS อธิบายไว้ใน Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (วิธี 2540E) และวิธีของ EPA 160.4

วิธีคำนวณอัตราส่วน F/M

$\text{อัตราส่วน F/M} = \frac{\text{ภาระ BOD ของน้ำไหลเข้า (กก./วัน)}}{\text{มวล MLVSS ในถัง (กก.)}}$

ตัวอย่าง โรงบำบัดแห่งหนึ่งมีค่าดังนี้:

• อัตราการไหลเข้า = 10,000 m³/วัน
• BOD ของน้ำไหลเข้า = 250 mg/ลิตร
• ปริมาตรถังเติมอากาศ = 2,000 m³
• MLVSS = 2,500 mg/ลิตร

เนื่องจาก 1 mg/ลิตรในอัตราการไหลที่วัดเป็นลูกบาศก์เมตรต่อวันเท่ากับมวล 1 กรัมต่อวัน จึงหาภาระเป็นกิโลกรัมต่อวันได้โดยคูณแล้วหารด้วย 1,000:

• ภาระ BOD ของน้ำไหลเข้า = 10,000 m³/วัน × 250 mg/ลิตร ÷ 1,000 = 2,500 กก./วัน
• มวล MLVSS = 2,000 m³ × 2,500 mg/ลิตร ÷ 1,000 = 5,000 กก.
• อัตราส่วน F/M = 2,500 กก./วัน ÷ 5,000 กก. = 0.5 ต่อวัน

โดยทั่วไปโรงบำบัดระบบตะกอนเร่งแบบทั่วไปทำงานด้วยอัตราส่วน F/M ระหว่าง 0.2 ถึง 0.6 ต่อวัน อัตราส่วนที่สูงเกินไปอาจทำให้ตะกอนพองตัวจากแบคทีเรียเส้นใย ซึ่งทำให้ตะกอนตกตัวยาก อัตราส่วนที่ต่ำเกินไปทำให้สิ้นเปลืองพลังงานในการเติมอากาศให้มวลชีวภาพที่แทบไม่มีอาหารเหลือให้ใช้

ช่วงการทำงานโดยทั่วไป

ตารางออกแบบที่เผยแพร่มักระบุความเข้มข้นของของแข็งทั้งหมด (MLSS) แทนส่วนที่ระเหยได้ MLVSS คือสัดส่วนที่ระเหยได้ของค่าเหล่านี้ ดังนั้นจึงอยู่ที่ประมาณ 65–85% ของแต่ละช่วง

ถังปฏิกรณ์ชีวภาพแบบเมมเบรนสามารถทำงานที่ความเข้มข้นของของแข็งสูงกว่ามาก เนื่องจากแยกของแข็งด้วยเมมเบรน แทนการอาศัยการตกตะกอนด้วยแรงโน้มถ่วงในถังตกตะกอน

การวัด MLVSS ในห้องปฏิบัติการ

ขั้นตอนมาตรฐานมีการให้ความร้อนสองขั้นตอน:

1. ขั้นตอน TSS กรองน้ำผสมปริมาตรที่ทราบค่าผ่านแผ่นกรองใยแก้วที่ชั่งน้ำหนักไว้ล่วงหน้า อบที่อุณหภูมิ 103–105°C อย่างน้อยหนึ่งชั่วโมง ทำให้เย็น แล้วชั่งน้ำหนัก น้ำหนักที่เพิ่มขึ้นคือค่า TSS (หรือ MLSS เมื่อตัวอย่างเป็นน้ำผสม)
2. ขั้นตอนเผา ให้ความร้อนแผ่นกรองเดิมในเตาเผาที่อุณหภูมิ 550 °C เป็นเวลา 15–20 นาที สารอินทรีย์จะถูกเผาออก เหลือเถ้าอนินทรีย์ จากนั้นทำให้แผ่นกรองเย็นและชั่งน้ำหนักอีกครั้ง
3. ผลลัพธ์ น้ำหนักที่หายไประหว่างการเผาคือส่วนระเหยได้และเป็นสารอินทรีย์ ซึ่งก็คือ MLVSS

อุณหภูมิเตาเผามีความสำคัญ วิธีมาตรฐานกำหนดขั้นตอนการเผาที่ 550 °C โดยยอมให้คลาดเคลื่อนได้ 50 °C หากใช้อุณหภูมิสูงกว่านี้ คาร์บอเนตอนินทรีย์ เช่น แมกนีเซียมคาร์บอเนต จะเริ่มสลายตัว ทำให้น้ำหนักที่วัดได้ว่าหายไปเพิ่มขึ้นและให้ค่าของแข็งระเหยได้สูงเกินจริง หากใช้อุณหภูมิต่ำกว่านี้ สารอินทรีย์อาจเผาไหม้ไม่หมด

ทางเลือกอื่นนอกเหนือจาก MLVSS

MLVSS ใช้กันอย่างแพร่หลายเพราะเรียบง่ายและเชื่อถือได้ แต่ยังมีวิธีอื่นที่วัดมวลชีวภาพได้เฉพาะเจาะจงกว่า:

• ATP (อะดีโนซีนไตรฟอสเฟต) วัดโมเลกุลที่พบเฉพาะในเซลล์ที่มีชีวิต จึงนับมวลชีวภาพที่ทำงานอยู่โดยไม่รวมวัสดุที่ตายแล้ว แต่ต้องใช้เครื่องวิเคราะห์เฉพาะ
• การวัดอัตราการหายใจของจุลินทรีย์ วัดอัตราที่มวลชีวภาพใช้ออกซิเจน ซึ่งแสดงกิจกรรมทางชีวภาพโดยตรง เหมาะสำหรับทดสอบว่าน้ำไหลเข้ามีพิษต่อมวลชีวภาพหรือไม่
• การหาปริมาณ DNA และ FISH (การไฮบริไดเซชันแบบเรืองแสงในแหล่งกำเนิด) ใช้ระบุและนับจุลินทรีย์เฉพาะชนิด วิธีเหล่านี้ส่วนใหญ่ใช้ในงานวิจัย และมีประโยชน์ในการติดตามหาสาเหตุของตะกอนพองตัวจากแบคทีเรียเส้นใย

วิธีเหล่านี้ให้รายละเอียดมากกว่า แต่มีค่าใช้จ่ายและใช้เวลามากกว่า จึงยังคงใช้ MLVSS เป็นวิธีมาตรฐานสำหรับการควบคุมกระบวนการตามปกติ

คำถามที่พบบ่อย

MLSS และ MLVSS แตกต่างกันอย่างไร MLSS คือของแข็งแขวนลอยทั้งหมดในถังเติมอากาศ ซึ่งรวมทั้งสารอินทรีย์และอนินทรีย์ ส่วน MLVSS คือเฉพาะส่วนอินทรีย์ MLSS เท่ากับ MLVSS บวก MLFSS (ของแข็งแขวนลอยคงที่ในน้ำผสม)

อัตราส่วน MLVSS/MLSS โดยทั่วไปเป็นเท่าใด ในโรงบำบัดระบบตะกอนเร่งแบบทั่วไป อัตราส่วนนี้มักอยู่ที่ 0.65 ถึง 0.85 (65-85%) อัตราส่วนที่ต่ำกว่าบ่งชี้ว่ามีสารอนินทรีย์ในส่วนผสมมากขึ้น

MLVSS มีผลต่ออัตราส่วน F/M อย่างไร MLVSS เป็นตัวหารในอัตราส่วน F/M เมื่อภาระสารอินทรีย์เท่ากัน MLVSS ที่สูงขึ้นจะทำให้อัตราส่วน F/M ต่ำลง ส่วน MLVSS ที่ต่ำลงจะทำให้อัตราส่วน F/M สูงขึ้น ซึ่งอาจส่งเสริมการเจริญของแบคทีเรียเส้นใยที่ตกตะกอนได้ไม่ดี หากอัตราส่วนสูงเกินไป

อะไรทำให้ MLVSS ลดลงอย่างฉับพลัน สาเหตุทั่วไป ได้แก่ การระบายตะกอนมากเกินไป สารพิษในน้ำไหลเข้าที่ฆ่ามวลชีวภาพ ฝนตกหนักชะล้างมวลชีวภาพออกจากถัง และอาหารมีไม่เพียงพอในช่วงที่ภาระน้ำเสียต่ำ เช่น ช่วงวันหยุด

MLVSS สูงเกินไปได้หรือไม่ ได้ MLVSS ที่สูงทำให้ความต้องการออกซิเจนและต้นทุนพลังงานในการเติมอากาศเพิ่มขึ้น อาจทำให้ถังตกตะกอนขั้นที่สองรับภาระของแข็งมากเกินไป และอาจจำกัดการเข้าถึงของออกซิเจนบริเวณใจกลางอนุภาคฟล็อกที่หนาแน่น

ควรวัด MLVSS หลังเก็บตัวอย่างเร็วเพียงใด วิธีมาตรฐานระบุให้เริ่มโดยเร็วที่สุด เนื่องจากไม่สามารถเก็บรักษาของแข็งได้ ควรแช่เย็นตัวอย่างที่ 4 °C เก็บไว้ไม่เกิน 24 ชั่วโมงหากเป็นไปได้ และต้องไม่เกิน 7 วัน

เอกสารอ้างอิง

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