Wastewater Treatment and Reuse, Theory and Design Examples, Volume 1: Principles and Basic Treatment by Guang Zhu and Syed R Qasim pdf Download

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Wastewater Treatment and Reuse, Theory and Design Examples, Volume 1: Principles and Basic Treatment
by Guang Zhu and Syed R Qasim
Wastewater Treatment and Reuse, Theory and Design Examples, Volume 1: Principles and Basic Treatment

Contents
Preface . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . xv
Acknowledgment . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi
Authors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxiii
VOLUME 1 Principles and Basic Treatment
1 Introduction to Wastewater Treatment: An Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-1
1.1 Historical Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-1
1.2 Current Status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-1
1.3 Future Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-3
1.3.1 Health and Environmental Concerns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-3
1.3.2 Improved Wastewater Characterization and Sidestreams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-4
1.3.3 Rehabilitation of Aging Infrastructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-4
1.3.4 Energy Reduction and Recovery from Wastewater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-5
1.3.5 Building, Retrofitting, and Upgrading POTWs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-5
1.3.6 Process Selection, Performance, Reliability, and Resiliency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-5
1.3.7 Reduction in Sludge Quantity, Nutrients Recovery, and Biosolids Reuse . . . . . . 1-6
1.3.8 Effluent Disposal and Reuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-6
1.3.9 Control of Combined Sewer Overflows and Stormwater Management . . . . . . . . 1-7
1.3.10 Decentralized and On-Site Treatment and Disposal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-8
1.3.11 Technology Assessment and Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-8
1.4 Wastewater Treatment Plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-8
1.5 Scope of This Book . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-9
Discussion Topics and Review Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-9
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-9
2 Stoichiometry and Reaction Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-1
2.1 Chapter Objectives . . . . . . . . .  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-1
2.2 Stoichiometry. . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-1
2.2.1 Homogeneous Reactions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-1
2.2.2 Heterogeneous Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-2
2.3 Reaction Rates and Order of Reaction. . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-4
2.3.1 Reaction Rates . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-5
2.3.2 Saturation-Type or Enzymatic Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-8
2.4 Effect of Temperature on Reaction Rate . . .  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-11
2.5 Reaction Order Data Analysis and Design . .. . . . . . . . . . . . . . . . 2-12
2.5.1 Zero-Order Reaction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-12
2.5.2 First-Order Reaction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-15
2.5.3 Second-Order Reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-26
Discussion Topics and Review Problems . .  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-33
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-35
3 Mass Balance and Reactors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-1
3.1 Chapter Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-1
3.2 Mass Balance Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-1
3.2.1 Procedure for Mass Balance Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-2
3.2.2 Combining Flow Streams of a Single Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-3
3.2.3 Combining a Conservative Substance and Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-6
3.2.4 Mass or Concentration of Nonconservative Substances in Reactors . . . . . . . . . . 3-13
3.3 Flow Regime. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-16
3.4 Types of Reactors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-16
3.4.1 Batch Reactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-16
3.4.2 Continuous-Flow Stirred-Tank Reactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-18
3.4.3 Plug Flow Reactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-34
3.4.4 Comparative Performance of a PFR and CFSTR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-39
3.4.5 Performance of CFSTRs in Series (Cascade Arrangement) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-44
3.4.6 Graphical Solution of Series CFSTRs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-52
3.5 Plug Flow Reactors with Dispersion and Conversion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-56
3.5.1 Flow Regime and Dispersion of Tracer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-56
3.5.2 Performance Evaluation of Sedimentation Basin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-56
3.5.3 Dispersion with Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-62
3.6 Equalization of Flow and Mass Loadings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-69
3.6.1 Need and Types. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-69
3.6.2 Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-70
3.6.3 Design Volume of Equalization Basin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-71
Discussion Topics and Review Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-83
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-85
4 Sources and Flow Rates of Municipal Wastewater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-1
4.1 Chapter Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-1
4.2 Relationship between Municipal Water Demand and Wastewater Flow . . . . . . . . . . . . . . . . 4-1
4.3 Components of Municipal Water Demand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-3
4.3.1 Residential or Domestic Water Use. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-4
4.3.2 Commercial Water Use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-4
4.3.3 Institutional and Public Water Use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-4
4.3.4 Industrial Water Use. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-6
4.3.5 Water Unaccounted or or Lost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-6
4.3.6 Factors Affecting Water Use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-6
4.4 Wastewater Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-12
4.5 Wastewater Flow Variation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-13
4.5.1 Dry Weather Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-13
4.5.2 Infiltration and Inflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-14
4.5.3 Common Terms Used to Express Flow Variations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-15
Discussion Topics and Review Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-25
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-27
5 Characteristics of Municipal Wastewater. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-1
5.1 Chapter Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-1
5.2 Physical Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-1
5.2.1 Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-1
5.2.2 Color, Turbidity, and Odor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-1
5.2.3 Settleable and Suspended (Non), Dissolved (Filterable), Volatile
and Fixed Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-3
5.3 Chemical Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-7
5.4 Measurement of Organic Matter and Organic Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-7
5.4.1 Biochemical Oxygen Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-7
5.4.2 Nitrogenous Oxygen Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-24
5.4.3 Chemical Oxygen Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-30
5.4.4 Total Organic Carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-33
5.4.5 Total Oxygen Demand and Theoretical Oxygen Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-33
5.4.6 Relationship between BOD5 and Other Tests Used for
Organic Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-33
5.4.7 Other Nonspecific and Specific Tests for Organic Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-35
5.4.8 Nonbiodegradable and Toxic Compounds. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-36
5.5 Microbiological Quality. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-36
5.5.1 Basic Concepts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-36
5.5.2 Indicator Organisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-38
5.5.3 Measurement Techniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-39
5.6 Priority Pollutants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-50
5.7 Toxicity and Biomonitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-50
5.7.1 Toxicity Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-51
5.7.2 Toxicity Test Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-51
5.8 Unit Waste Loading and Population Equivalent. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-57
5.9 Mass Loadings and Sustained Mass Loadings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-60
Discussion Topics and Review Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-65
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-69
6 Wastewater Treatment Objectives, Design Considerations, and
Treatment Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-1
6.1 Chapter Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-1
6.2 Treatment Objectives and Regulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-1
6.2.1 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-1
6.2.2 Regulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-1
6.3 Basic Design Considerations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-3
6.3.1 Initial and Design Years and Design Population. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-4
6.3.2 Service Area and Treatment Plant Site Selection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-13
6.3.3 Regulatory Requirements and Effluent Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-15
6.3.4 Characteristics of Wastewater and Degree of Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-16
6.3.5 Treatment Processes, Process Diagrams, and Equipment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-17
6.3.6 Plant Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-38
6.3.7 Plant Hydraulic Conditions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-39
6.3.8 Plant Hydraulic Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-50
6.3.9 Energy and Resource Requirements and Plant Economics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-53
6.3.10 Environmental Impact Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-53
6.4 Wastewater Facility Planning, Design, and Management. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-57
6.4.1 Facility Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-57
6.4.2 Design Plans, Specifications, Cost Estimates, and Support Documents . . . . . . . 6-58
6.4.3 Construction and Construction Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-61
Discussion Topics and Review Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-61
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-63
7 Screening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-1
7.1 Chapter Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-1
7.2 Screening Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-1
7.2.1 Coarse Screens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-1
7.2.2 Design Considerations of Coarse Screens and Installations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-2
7.2.3 Fine Screens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-31
7.2.4 Design of Fine Screens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-32
7.2.5 Special Screens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-40
7.3 Quantity, Characteristics, and Disposal of Screeings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-41
7.3.1 Quantity and Characteristics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-41
7.3.2 Processing and Disposal of Screenings. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-41
Discussion Topics and Review Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-43
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-45
8 Grit Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-1
8.1 Chapter Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-1
8.2 Need and Location of Grit Removal Facility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-1
8.3 Gravity Settling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-2
8.3.1 Types of Gravity Settling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-2
8.3.2 Discrete Settling (Type I) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-2
8.4 Types of Grit Removal Facilities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-19
8.4.1 Horizontal-Flow Grit Chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-19
8.4.2 Design of Effluent Trough . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-36
8.4.3 Aerated Grit Chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-43
8.4.4 Vortex-Type Grit Chambers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-51
8.4.5 Sludge Degritting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-55
8.4.6 Grit Collection and Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-56
8.5 Grit Characteristics and Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-56
8.6 Grit Processing, Reuse, and Disposal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-57
Discussion Topics and Review Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-59
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-60
9 Primary and Enhanced Sedimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-1
9.1 Chapter Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-1
9.2 Flocculent Settling (Type II) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-1
9.3 Influent Quality of Primary Sedimentation Basin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-8
9.4 Types of Primary Sedimentation Basins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-11
9.4.1 Rectangular Basin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-11
9.4.2 Circular Basins. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-14
9.4.3 Square Tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-15
9.4.4 Stacked, Multilevel, or Multitray Tanks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-16
9.4.5 Basic Design and Performance Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-17
9.5 Enhanced Primary Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-52
9.5.1 Preaeration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-52
9.5.2 Chemical Coagulation and Precipitation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-53
9.5.3 Effluent Neutralization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-60
9.5.4 Sludge Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-60
9.5.5 Rapid Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-85
9.5.6 Slow Mixing or Flocculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-91
9.6 High-Rate Clarification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-143
9.6.1 Solids Contact Clarifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-143
9.6.2 Inclined Surface Clarifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-144
9.6.3 Micro-Sand Ballasted Flocculation Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-147
9.6.4 Solids-Ballasted Flocculation Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-150
9.7 Fine Mesh Screens for Primary Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-161
Discussion Topics and Review Problems . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-166
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-169

10 Biological Waste Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-1
10.1 Chapter Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-1
10.2 Fundamentals of Biological Waste Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-1
10.2.1 Biological Growth and Substrate Utilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-1
10.2.2 Types of Biological Treatment Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-9
10.3 Suspended Growth Aerobic Treatment Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-19
10.3.1 Microbial Growth Kinetics in Batch Reactor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-20
10.3.2 Microbial Growth Kinetics in Continuous Flow Reactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-30
10.3.3 Continuous Flow Completely Mixed Reactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-32
10.3.4 Determination of Biological Kinetic Coefficients in a Continuous Flow
Completely Mixed Reactor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-54
10.3.5 Continuous Plug-Flow Reactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-63
10.3.6 Operational Parameters of Activated Sludge Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-68
10.3.7 Activated Sludge Process Modifications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-74
10.3.8 Oxygen Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-103
10.3.9 Aeration Device, Equipment, and Hardware Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-142
10.3.10 Aeration System Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-144
10.3.11 Aerated Lagoon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-172
10.3.12 Stabilization Ponds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-191
10.4 Fixed-Film or Attached Growth Aerobic Treatment Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-209
10.4.1 Nonsubmerged Attached Growth Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-209
10.4.2 Combined Attached and Suspended Growth Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-247
10.4.3 Integrated Fixed-Film Media in Aeration Basin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-254
10.4.4 Submerged Attached Growth Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-260
10.5 Anaerobic Treatment Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-265
10.5.1 Capabilities of Anaerobic Treatment Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-265
10.5.2 Fundamentals of Anaerobic Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-265
10.5.3 Environmental Factors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-266
10.5.4 Process Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-267
10.5.5 Anaerobic Suspended Growth Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-279
10.5.6 Anaerobic Attached Growth Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-290
10.6 Biological Nitrogen Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-297
10.6.1 Nitrification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-297
10.6.2 Denitrification . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . . . . . . . . 10-337
10.7 Enhanced Biological Phosphorus Removal . . . . . . .  . . . . . . . . . . . 10-371
10.7.1 Process Fundamentals . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-371
10.7.2 Biochemical Reactions in Anaerobic Zone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-372
10.7.3 Biochemical Reactions in Aerobic Zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-375
10.7.4 Overall Process Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-375
10.7.5 Biosolids from EBPR Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-376
10.8 Biological Nutrient Removal. . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-384
10.8.1 General Description of BNR Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-385
10.8.2 Performance of BNR Processes . . . . . . . . . . . . . .  . . . 10-385
10.8.3 General Design Considerations for BNR Facilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-385
10.8.4 Computer Application for BNR Facility Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-408
10.9 Secondary Clarification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-412
10.9.1 Design Considerations for Secondary Clarifier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-412
10.9.2 Zone or Hindered Settling (Type III) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-412
10.9.3 Design of Secondary Clarifiers . . . . . . .  . . . . . . . . . . 10-427
Discussion Topics and Review Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-435
References . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-445

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