Wastewater Treatment and Reuse, Theory and Design Examples, Volume 2: Post-Treatment, Reuse, and Disposal
Contents:
11 Disinfection . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-1
11.1 Chapter Objectives . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-1
11.2 Objectives and Requirements of Disinfection. . . . . . . . . . . . . . . . 11-1
11.2.1 Pathogens and Indicator Organisms . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 11-1
11.2.2 Microbial Reduction in Wastewater Treatment Processes. . . . . . . . . . . . 11-3
11.2.3 Regulatory Process and Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 11-7
11.3 Disinfection Techniques . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-7
11.3.1 Chemical Disinfection Processes . . . . .. . . . . . . . . . . . . 11-8
11.3.2 Physical Disinfection Processes . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 11-8
11.3.3 Suitability of Disinfection Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-8
11.3.4 Chlorine and Ozone Doses for Required Disinfection . . . . . . . . . . . . . 11-9
11.3.5 Disinfection By-products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-9
11.4 Inactivation Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-9
11.5 Inactivation Kinetics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-11
11.5.1 Natural Die-Off Kinetics . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-11
11.5.2 Inactivation Kinetics for Chemical Disinfection Processes . . . . . . . . . . . . 11-15
11.6 Chlorination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-29
11.6.1 Physical Properties of Chlorine and Hypochlorite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-30
11.6.2 Basic Chlorine Chemistry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-36
11.6.3 Components of Chlorination System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-55
11.6.4 Other Beneficial Applications of Chlorine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-68
11.6.5 Disinfection with Chlorine Dioxide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-73
11.7 Dechlorination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-76
11.7.1 Dechlorination with Sulfur Dioxide (SO2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-76
11.7.2 Dechlorination with Sodium Bisulfite (NaHSO3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-77
11.7.3 Dechlorination with Other Reducing Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-78
11.7.4 Dechlorination with Activated Carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-78
11.7.5 Dechlorination of Chlorine Dioxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-78
11.8 Disinfection with Ozone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-81
11.8.1 Ozone Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-81
11.8.2 Properties of Ozone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-82
11.8.3 Ozone Dosage for Disinfection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-82
11.8.4 Ozone Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-83
11.8.5 Ozone Application. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-85
11.8.6 Kinetic Equations for Ozone Disinfection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-87
11.9 Disinfection with UV Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-97
11.9.1 Mechanism of UV Disinfection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-97
11.9.2 Source of UV Radiation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-97
11.9.3 Types of UV Reactors and Lamp Arrangements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-98
11.9.4 Microbial Repair after UV Disinfection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-98
11.9.5 Inactivation Kinetics for UV Irradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-100
11.9.6 UV Transmittance, Density, Intensity, and Dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-111
11.9.7 Major Components of Open-Channel UV Disinfection Systems . . . . . . . . . . . 11-115
11.9.8 Hydraulics of UV Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-116
11.10 Recent Developments in Disinfection Reactor Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-129
Discussion Topics and Review Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-130
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-134
12 Effluent Reuse and Disposal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-1
12.1 Chapter Objectives . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-1
12.2 Major Issues Related to Effluent Reuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-1
12.2.1 Quality Parameters of Reclaimed Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-1
12.2.2 Treatment Technology for Reclaimed Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-2
12.2.3 Regulations or Guidelines Regarding Reuse of Reclaimed Water . . . . . . . . . . . . . 12-7
12.3 Health Risk Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-7
12.3.1 Quantitative Toxicology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-7
12.3.2 Risk Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-12
12.3.3 Assessment of Noncarcinogenic Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-13
12.3.4 Assessment of Carcinogenic Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-16
12.4 Storage Facility for Reclaimed Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-24
12.4.1 Enclosed Storage Reservoirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-24
12.4.2 Open Storage Reservoirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-25
12.5 Reclaimed Water Reuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-27
12.5.1 Urban Water Reuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-27
12.5.2 Industrial Water Reuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-28
12.5.3 Agricultural Irrigation Reuse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-35
12.5.4 Impoundments for Recreational and Aesthetic Reuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-40
12.5.5 Environmental Reuse for Habitat Restoration and Enhancement. . . . . . . . . . . . 12-40
12.5.6 Groundwater Recharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-41
12.5.7 Augmentation of Potable Water Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-45
12.6 Effluent Discharge into Natural Waters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-48
12.6.1 Requirements of Outfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-48
12.6.2 Water Quality Models of Surface Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-49
12.6.3 Design of Outfall Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-65
Discussion Topics and Review Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-73
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-77
13 Residuals Processing, Disposal, and Reuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-1
13.1 Chapter Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-1
13.2 Conventional and Emerging Technologies for Sludge Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-1
13.3 Characteristics of Municipal Sludge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-2
13.3.1 Sources and Solids Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-2
13.3.2 Sludge Quantity Variations and Solids and Volume Relationship . . . . . . . . . . . . 13-2
13.3.3 Sludge and Scum Pumping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-4
13.3.4 Preliminary Sludge Preparation Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-6
13.4 Conventional Sludge Processing Systems, Process Diagrams, and
Regulatory Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-14
13.4.1 Sludge Processing Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-14
13.4.2 Sidestreams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-14
13.4.3 Process Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-14
13.4.4 Regulatory Requirements for Biosolids Reuse and Disposal . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-14
13.5 Sludge Thickening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-22
13.5.1 Gravity Thickening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-22
13.5.2 Dissolved Air Flotation Thickening. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-33
13.5.3 Centrifugal Thickening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-37
13.5.4 Gravity Belt Thickening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-38
13.5.5 Rotary Drum Thickener . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-40
13.5.6 Membrane Thickener . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-40
13.6 Sludge Stabilization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-41
13.6.1 Anaerobic Digestion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-41
13.6.2 Aerobic Digestion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-72
13.6.3 Chemical Stabilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-89
13.6.4 Heat Treatment or Thermal Stabilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-90
13.7 Sludge Conditioning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-90
13.7.1 Chemical Conditioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-90
13.7.2 Physical Conditioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-97
13.8 Sludge Dewatering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-97
13.8.1 Natural Dewatering Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-98
13.8.2 Mechanical Dewatering Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-109
13.9 Material Mass Balance Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-125
13.10 Emerging Technologies for Enhanced Sludge Stabilization
and Resource Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-134
13.10.1 Pretreatment of Sludge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-134
13.10.2 Enhanced Anaerobic Digestion Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-136
13.10.3 Resource Recovery from Municipal Sludge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-137
13.10.4 Nitrogen Removal by Partial Nitrification/Anammox
(PN/A) Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-139
13.11 Sludge Disposal and Biosolids Reuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-147
13.11.1 Composting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-148
13.11.2 Heat Drying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-159
13.11.3 Thermal Oxidations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-159
13.11.4 Recalcination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-164
13.11.5 Land Application of Biosolids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-164
13.11.6 Residuals Disposal by Landfilling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-176
Discussion Topics and Review Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-182
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-186
14 Plant Layout, Yard Piping, Plant Hydraulics, and Instrumentation
and Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-1
14.1 Chapter Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-1
14.2 Plant Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-1
14.2.1 Factors Affecting Plant Layout and Site Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-1
14.2.2 Construction Requirements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-2
14.2.3 Compact and Modular Site Development. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-3
14.2.4 Plant Utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-4
14.2.5 Environmental Considerations and Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-4
14.2.6 Occupational Health and Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-5
14.2.7 Future Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-5
14.3 Yard Piping. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-10
14.3.1 Organizing Yard Piping. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-10
14.3.2 Pipe Galleries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-10
14.3.3 Considerations for Plant Upgrading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-11
14.4 Plant Hydraulics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-11
14.4.1 Hydraulic Profile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-11
14.4.2 Head Losses through Treatment Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-12
14.4.3 Head Losses through Connecting Conduits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-12
14.5 Instrumentation and Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-21
14.5.1 Benefits of Instrumentation and Control Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-21
14.5.2 Components of Control Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-21
Discussion Topics and Review Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-37
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-40
15 Advanced Wastewater Treatment and Upgrading Secondary
Treatment Facility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-1
15.1 Chapter Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-1
15.2 Application of Advanced Treatment Technologies and Upgrading of
Secondary Effluent. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-1
15.3 Natural Treatment Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-1
15.3.1 Terrestrial Treatment Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-2
15.3.2 Aquatic Treatment Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-14
15.4 Advanced Wastewater Treatment Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-26
15.4.1 Biological Nutrient Removal (BNR) Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-26
15.4.2 Chemical Coagulation and Phosphorus Precipitation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-27
15.4.3 Lime Precipitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-28
15.4.4 Breakpoint Chlorination for Ammonia Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-28
15.4.5 Air Stripping for Removal of Dissolved Gases and VOCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-29
15.4.6 Granular Filtration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-40
15.4.7 Surface Filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-74
15.4.8 Carbon Adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-78
15.4.9 Ion Exchange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-100
15.4.10 Membrane Processes. . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 15-120
15.4.11 Concentration and Disposal of Waste Brine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-146
Discussion Topics and Review Problems . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-153
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-156
Appendix A: Abbreviations and Symbols, Basic Information about Elements, Useful
Constants, Common Chemicals Used in Water and Wastewater
Treatment, and the U.S. Standard Sieves and Size of Openings. . . . . . . . . . A-1
Appendix B: Physical Constants and Properties of Water, Solubility of
Dissolved Gases in Water, and Important Constants for Stability
and Sodicity of Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-1
Appendix C: Minor Head Loss Coefficients for Pressure Conduits and Open
Channels, Normal Commercial Pipe Sizes, and Design Information
of Parshall Flume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-1
Appendix D: Unit Conversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-1
Appendix E: Summary of Design Parameters for Wastewater
Treatment Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E-1
Appendix F: List of Examples and Solutions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F-1
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-1
Preface:
Volume 2: Post-Treatment, Reuse, and Disposal. Chapter 11 covers major processes for effluent disinfection, while Chapter 12 deals with effluent disposal and reuse. Chapter 13 is devoted to residuals management, recovery of resources, and biosolids reuse. The plant layout, yard piping, plant hydraulics, and instrumentation and controls are covered in Chapter 14. Upgrading of secondary treatment facility, land application, wetlands, filtration, carbon adsorption, BNR and MBR; and advanced wastewater treatment processes such as ion exchange, membrane processes, and distillation for demineralization are covered in Chapter 15.
This book will serve the needs of students, teachers, consulting engineers, equipment manufacturers, and technical personnel in city, state, and federal organizations who are involved with the review of designs, permitting, and enforcement. To maximize the usefulness of the book, the technical information is summarized in many tables that have been developed from a variety of sources. To further increase the utility of this book six appendices have been included. These appendices contain (a) abbreviations and symbols, basic information about elements, useful constants, common chemicals used in water and wastewater treatment, and U.S. standard sieves and size of openings; (b) physical constants and properties of water, solubility of dissolved gases in water, and important constants for solubility and sodicity of water; (c) minor head loss coefficients for pressure conduits and open channels, normal commercial pipe sizes, and design information of Parshall fumes; (d) unit conversions; (e) design parameters for wastewater treatment processes; and (f) list of examples presented and solved in this book. These appendices are included in both volumes. The numerical examples are integrated with the key words in the subject index. This gives additional benefit to the users of this book to identify and locate the solved examples that deal with the step-by-step calculations on the specific subject matter.
Enough material is presented in this textbook that cover supplemental material for a water treatment course, and a variety of wastewater treatment courses that can be developed and taught from this title. The supplemental material for a water treatment course include components of municipal water demand (Section 4.3), rapid mix, coagulation, flocculation, and sedimentation (Sections 9.6, 9.7, and 10.9), filtration (Section 15.4.6), carbon adsorption (Section 15.4.8), chlorine and ozone disinfection (Sections 11.6 and 11.8), demineralization by ion exchange and membrane processes (Sections 15.4.9 and 15.4.10), and residuals management (Sections 13.4.1 through 13.4.3, 13.5 through 13.8, and 13.11.6). At least three one-semester, and one two-semester sequential wastewater treatment courses at undergraduate or graduate levels can be developed and taught from this book. The specific topics to be covered will depend on time available, depth of coverage, and the course objectives. The suggested wastewater treatment and reuse courses are:
Course A: A one-semester introductory course on wastewater treatment and reuse
Course B: A sequential two-semester advance course on wastewater treatment and reuse
Course C: A one-semester course on physical and chemical unit operations and processes
Course D: A one-semester course on biological wastewater treatment
The suggested course outlines of these courses are provided in the tables below. The information in these tables is organized under three columns: topic, chapter, and sections. The examples are not included in these tables. It is expected that the instructor of the course will select the examples to achieve the depth of coverage required.