Калькулятор MLVSS для очищення стічних вод

Змішані леткі завислі речовини (MLVSS) — це органічна біорозкладна частина завислих речовин в аеротенку з активним мулом. Її використовують як непрямий показник кількості активних мікроорганізмів, що очищують стічні води. Цей калькулятор визначає MLVSS за лабораторними даними методом відсотка VSS або методом FSS (фіксованих завислих речовин).

Що таке MLVSS?

На очисних спорудах, де застосовують процес активного мулу, мікроорганізми розкладають органічні забруднювачі. Суміш води, мікроорганізмів і твердих речовин в аеротенку називають муловою сумішшю. Частина завислих речовин у цій суміші є органічним матеріалом, переважно живими та мертвими мікроорганізмами. Ця органічна фракція називається леткими завислими речовинами, а під час вимірювання у муловій суміші — MLVSS.

Решта завислих речовин — це неорганічні матеріали, зокрема гравій, пісок і мінерали. Цю неорганічну фракцію називають фіксованими завислими речовинами (FSS), або MLFSS, коли її вимірюють у змішаному лікері, оскільки під час нагрівання вона не вигорає. Разом MLVSS і MLFSS утворюють завислі речовини змішаного лікеру (MLSS) — загальну концентрацію завислих речовин в аеротенку.

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

Оператори відстежують MLVSS, оскільки цей показник приблизно характеризує чисельність біологічної «робочої сили», що здійснює очищення. Стабільний рівень MLVSS зазвичай означає стабільне й передбачуване очищення. Раптове падіння може свідчити про токсичний приплив, надмірне видалення надлишкового мулу або вимивання біомаси з аеротенка зливовими водами.

Як розрахувати MLVSS

Є два поширені способи розрахунку MLVSS, і за точних лабораторних вимірювань обидва мають давати однаковий результат.

Метод відсотка VSS

Деякі лабораторії подають VSS як відсоток TSS (загальної кількості завислих речовин). У такому разі:

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

• MLVSS = леткі завислі речовини змішаного лікеру (мг/л)
• TSS = загальна кількість завислих речовин (мг/л)
• VSS% = частка завислих речовин, що є леткою; у звичайній системі активного мулу зазвичай становить 65–85%

Метод FSS

Інші лабораторії безпосередньо визначають фіксовану (неорганічну) фракцію. У такому разі MLVSS знаходять відніманням:

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

Оскільки VSS і FSS у сумі завжди дорівнюють TSS, ця формула дає такий самий результат, як і метод відсотка, якщо вихідні вимірювання узгоджуються. Якщо два методи дають помітно різні результати для тієї самої проби, слід перевірити лабораторні дані або поводження із пробою.

Приклад обчислення

Приклад 1: метод відсотка VSS. Оператор вимірює TSS на рівні 3 500 мг/л в аеротенку, причому відсоток VSS становить 75%.

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

Приклад 2: метод FSS. У тому самому аеротенку також виконують пряме вимірювання: TSS становить 3 500 мг/л, а FSS — 875 мг/л.

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

Як і очікувалося, обидва методи узгоджуються, оскільки 875 мг/л FSS — це рівно 25% від 3 500 мг/л TSS.

Як користуватися цим калькулятором

1. Введіть значення загальної кількості завислих речовин (TSS) у мг/л.
2. Виберіть метод розрахунку: «За відсотком VSS» або «За фіксованими завислими речовинами (FSS)».
3. Введіть друге значення: відсоток VSS (0-100%) або значення FSS у мг/л.
4. Перегляньте результат MLVSS у мг/л, показаний разом із формулою та використаними числами.

Калькулятор перевіряє, що TSS дорівнює нулю або більше, відсоток VSS перебуває між 0 і 100, а FSS не перевищує TSS, оскільки FSS є частиною TSS. Якщо перевірку не пройдено, відображається повідомлення з поясненням, що потрібно виправити.

Співвідношення MLVSS/MLSS

На звичайних очисних спорудах з активним мулом співвідношення MLVSS/MLSS зазвичай перебуває між 0,65 і 0,85, тобто 65–85% завислих речовин є органічними. Зниження співвідношення нижче цього діапазону може вказувати на накопичення інертних речовин або надходження додаткового неорганічного матеріалу з промислового джерела. Співвідношення, близьке до верхньої межі діапазону, зазвичай означає, що біомаса переважно органічна й активна.

Чому MLVSS важливий для керування процесом

MLVSS використовують у кількох розрахунках, які оператори виконують щодня:

• Співвідношення їжа/мікроорганізми (F/M): порівнює органічне навантаження, що надходить, із кількістю доступної для його перероблення біомаси.
• Час утримання твердих речовин (SRT), або вік мулу: тривалість перебування біомаси в системі, що впливає на стабільність очищення та здатність видаляти аміак (нітрифікацію).
• Утворення мулу: більша кількість біомаси зазвичай означає більше мулу, який потрібно видаляти та утилізувати.
• Потреба в кисні: біомасі потрібен кисень для роботи, тому енергоспоживання на аерацію приблизно відповідає рівню MLVSS.

Стандартні лабораторні методи визначення MLVSS описані в Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (метод 2540E) та в методі EPA 160,4.

Як розрахувати співвідношення F/M

$\text{Співвідношення F/M} = \frac{\text{Навантаження за БСК припливу (кг/добу)}}{\text{Маса MLVSS в аеротенку (кг)}}$

Приклад. На очисних спорудах мають такі значення:

• Витрата припливу = 10 000 м³/добу
• БСК припливу = 250 мг/л
• Об’єм аеротенка = 2 000 м³
• MLVSS = 2 500 мг/л

Оскільки 1 мг/л за витрати, виміряної в м³/добу, дорівнює 1 граму маси на добу, навантаження в кг/добу знаходять множенням і діленням на 1 000:

• Навантаження за БСК припливу = 10 000 м³/добу × 250 мг/л ÷ 1 000 = 2 500 кг/добу
• Маса MLVSS = 2 000 м³ × 2 500 мг/л ÷ 1 000 = 5 000 кг
• Співвідношення F/M = 2 500 кг/добу ÷ 5 000 кг = 0,5 на добу

На звичайних очисних спорудах з активним мулом співвідношення F/M зазвичай становить від 0,2 до 0,6 на добу. Надто високе співвідношення може спричинити нитчасте розбухання мулу, за якого ниткоподібні бактерії погіршують його осідання. Надто низьке співвідношення призводить до марного витрачання енергії на аерацію біомаси, якій майже нічого споживати.

Типові робочі діапазони

Опубліковані проєктні таблиці наводять загальну концентрацію твердих речовин (MLSS), а не летку частину. MLVSS є леткою часткою цих значень, тому для кожного діапазону це приблизно 65–85%.

У мембранних біореакторах можна підтримувати значно вищу концентрацію твердих речовин, оскільки вони відокремлюють тверді речовини мембранами, а не покладаються на осідання під дією сили тяжіння у відстійнику.

Як вимірюють MLVSS у лабораторії

Стандартна процедура передбачає два етапи нагрівання:

1. Етап TSS. Відомий об’єм змішаного лікеру фільтрують через попередньо зважений скловолоконний фільтр, висушують за температури 103–105°C щонайменше годину, охолоджують і зважують. Приріст маси — це TSS (або MLSS, якщо проба є змішаним лікером).
2. Етап прожарювання. Той самий фільтр нагрівають у печі за температури 550 °C протягом 15–20 хвилин. Органічний матеріал вигорає, залишаючи неорганічну золу. Фільтр знову охолоджують і зважують.
3. Результат. Втрата маси під час прожарювання — це летка органічна частина, тобто MLVSS.

Температура печі має значення. У Standard Methods для етапу прожарювання встановлено температуру 550 °C із допустимим відхиленням 50 °C. За вищої температури неорганічні карбонати, такі як карбонат магнію, починають розкладатися, збільшуючи виміряну втрату маси й даючи хибно високе значення летких речовин. За нижчої температури органічний матеріал може вигоріти не повністю.

Альтернативи MLVSS

MLVSS широко застосовують, оскільки цей метод простий і надійний, але інші методи дають змогу точніше вимірювати біомасу:

• ATP (аденозинтрифосфат) визначає молекулу, що міститься лише в живих клітинах, тому враховує активну біомасу без мертвого матеріалу. Для цього потрібен спеціальний аналізатор.
• Респірометрія вимірює швидкість споживання кисню біомасою, що безпосередньо показує біологічну активність. Метод корисний для перевірки токсичності припливу для біомаси.
• Кількісне визначення ДНК і FISH (флуоресцентна гібридизація in situ) дають змогу ідентифікувати й підраховувати конкретні мікроорганізми. Це переважно дослідницькі інструменти, корисні для встановлення причини нитчастого спухання мулу.

Ці методи дають більше інформації, але коштують дорожче й потребують більше часу, тому MLVSS залишається стандартом для повсякденного керування процесом.

Поширені запитання

У чому різниця між MLSS і MLVSS? MLSS — це загальна кількість завислих речовин в аеротенку, що включає органічний і неорганічний матеріал. MLVSS — лише органічна частина. MLSS дорівнює сумі MLVSS і MLFSS (фіксованих завислих речовин змішаного лікеру).

Яке типове співвідношення MLVSS/MLSS? На звичайних очисних спорудах з активним мулом воно зазвичай становить від 0,65 до 0,85 (65-85%). Нижче співвідношення свідчить про більшу кількість неорганічного матеріалу в суміші.

Як MLVSS впливає на співвідношення F/M? MLVSS є знаменником у співвідношенні F/M. За однакового органічного навантаження вище значення MLVSS дає нижче співвідношення F/M. Нижче значення MLVSS дає вище співвідношення F/M, що може сприяти розвитку нитчастих бактерій, які погано осідають, якщо воно стане надто високим.

Що спричиняє раптове падіння MLVSS? Поширені причини включають надмірне видалення мулу, токсичні речовини у припливі, що вбивають біомасу, вимивання біомаси з аеротенка сильними дощами та низьку доступність їжі в періоди слабкого навантаження, наприклад під час свят.

Чи може MLVSS бути надто високим? Так. Високе MLVSS збільшує потребу в кисні й, відповідно, витрати енергії на аерацію, може перевантажити вторинний відстійник твердими речовинами та обмежити надходження кисню до центральної частини щільних пластівців мулу.

Як скоро після відбору проби слід вимірювати MLVSS? У Standard Methods зазначено, що аналіз слід розпочати якомога швидше, оскільки тверді речовини неможливо законсервувати. Проби слід зберігати в холодильнику за температури 4 °C, бажано не довше 24 годин і в жодному разі не довше 7 днів.

Джерела

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