Aeration: Principles and Practice, Volume 11 (Water Quality Management Library)

index.pdf......Page 1
AERATION: Principles and Practice: VOLUME 11......Page 3
WATER QUALITY MANAGEMENT LIBRARY......Page 2
Dedication......Page 5
Preface......Page 6
Table of Contents......Page 10
1.1.1 NEED AND GROWTH IN FIELD......Page 12
Table of Contents......Page 0
1.1.2 Long-Term Involvement of ASCE Committee......Page 16
1.1.3 Summarize State of the Art in One Location......Page 17
1.3 BIBLIOGRAPHY......Page 18
2.1.2 Fick’s Law–Quiescent Conditions......Page 19
2.1.3 COMPARISON OF DIFFUSIVE TO CONVECTIVE TRANSPORT......Page 24
2.1.4 GAS–LIQUID TRANSFER......Page 25
2.1.4.3 Overall Driving Force......Page 27
2.1.4.4 Liquid Film Coefficient......Page 28
2.2.1 BASIC EQUATION......Page 30
2.2.2.1 Oxygen Saturation, C • *......Page 31
2.2.2.1.2 Wastewater......Page 32
2.2.2.1.3 Submergence......Page 34
2.2.2.1.4 Barometric Pressure......Page 35
2.2.2.2 Oxygen Transfer Coefficient, KLa......Page 36
2.2.2.2.2 Wastewater......Page 37
2.2.2.3 Dissolved Oxygen Concentration in Bulk Liquid, CL......Page 41
2.3 DESIGN EQUATIONS......Page 42
2.3.1 Standard Oxygen Transfer Rate, SOTR......Page 43
2.3.3 Standard Aeration Efficiency, SAE......Page 44
2.3.4 Standard Oxygen Transfer Efficiency, SOTE......Page 47
2.3.5 Application to Process Conditions......Page 48
2.4 NOMENCLATURE......Page 49
2.5 BIBLIOGRAPHY......Page 52
3.1 INTRODUCTION......Page 55
3.2.1.1.1 Ceramics......Page 57
3.2.1.1.3 Perforated Membranes......Page 58
3.2.1.2.2 Panel Diffusers......Page 60
3.2.1.2.3 Tube Diffusers......Page 61
3.2.1.2.5 Disc Diffusers......Page 64
3.2.2 NONPOROUS DIFFUSER SYSTEMS......Page 68
3.2.2.3 Static Tubes......Page 69
3.2.2.4.1 Jets......Page 71
3.2.2.4.3 U-Tube Aeration......Page 73
3.3 DIFFUSED AIR SYSTEM LAYOUTS......Page 74
3.3.1 FULL FLOOR GRID......Page 75
3.3.3 DUAL SPIRAL ROLL......Page 78
3.3.4 MID-WIDTH ARRANGEMENT......Page 79
3.3.7 DEEP TANKS......Page 80
3.4.1 FACTORS AFFECTING PERFORMANCE......Page 83
3.4.2.1 Steady-State DO Saturation Concentration......Page 84
3.4.2.2 Oxygen Transfer Data......Page 85
3.4.2.2.1 Diffuser Type......Page 87
3.4.2.2.2 Diffuser Airflow Rate......Page 91
3.4.2.2.3 Diffuser Densities......Page 93
3.4.2.2.4 Diffuser Placement......Page 99
3.4.2.2.5 Diffuser Submergence......Page 101
3.4.2.2.6 Horizontal Flow......Page 102
3.4.3.1 Introduction......Page 104
3.4.3.2 Process Water Database......Page 106
3.4.3.3 Wastewater Characteristics......Page 112
3.4.3.5 Diffuser Layout......Page 115
3.4.3.6 Flow Regime......Page 117
3.4.3.7 Process Loading Effects......Page 119
3.4.4 MIXING CHARACTERISTICS......Page 120
3.4.5 DIFFUSER FOULING......Page 122
3.4.5.1 Air-Side Fouling......Page 123
3.4.5.2 Liquor-Side Fouling......Page 124
3.4.6 MEDIA DETERIORATION......Page 129
3.4.7 FOULING AND DETERIORATION CHARACTERIZATION......Page 132
3.5.1 STEPS IN DESIGN......Page 133
3.5.1.1 Determine Flows and Loads......Page 134
3.5.1.2 Select Process Flowsheet......Page 135
3.5.1.3 Establish Process Design Criteria — Oxygen Transfer Considerations......Page 137
3.5.1.6 Determine Temporal and Spatial Oxygen Demand......Page 138
3.5.1.7 Selection of Diffusers......Page 139
3.5.1.8 Determine Aeration Rates......Page 142
3.5.1.11 Blower System Design......Page 144
3.5.1.13 Air Piping Design......Page 145
3.5.1.15 Retrofit Considerations......Page 146
3.5.2 DESIGN EXAMPLE......Page 147
Zone 1......Page 150
Zone 2......Page 151
Summary......Page 152
Zone 3......Page 154
3.6 NOMENCLATURE......Page 155
3.7 BIBLIOGRAPHY......Page 156
4.1 INTRODUCTION......Page 161
4.2.1 CHARACTERIZATION OF THE PROCESS OF OXYGEN TRANSFER IN DEEP TANKS......Page 163
4.2.2.1 Influence of Depth and Water Pressure on the Transfer Parameters......Page 165
4.2.2.2 Development of the Model......Page 169
4.2.2.3 Model Results......Page 171
4.2.3 MODEL VERIFICATION......Page 173
4.2.3.1 Qualitative Verification......Page 174
4.2.3.2 Full-Scale Experimental Verification in Clean Water......Page 177
4.2.4 MODEL APPLICATIONS......Page 182
4.3.1.1 Introduction......Page 186
4.3.1.2 Air Filtration and Noise Control......Page 187
4.3.1.3 Air Supply Piping and Diffusers......Page 188
4.3.2.2 Types of Blowers and Compressors and Their Characteristics......Page 189
4.3.2.3 Airflow Control of Blowers and Compressors......Page 193
4.3.2.4 Power Demand of Blowers and Compressors......Page 196
4.3.3.1 Introduction......Page 200
4.3.3.2 Factors Affecting Power Demand and Energy Consumption......Page 201
4.3.3.3 Modeling of the Aeration Efficiency in Deep Tanks......Page 203
4.3.3.4 Model Verification......Page 205
4.3.3.5 Model Application......Page 208
4.4 NOMENCLATURE......Page 210
4.5 BIBLIOGRAPHY......Page 211
5.1 INTRODUCTION......Page 212
5.2.1 DESCRIPTION......Page 217
5.2.3 PERFORMANCE RANGE......Page 222
5.3.1 DESCRIPTION......Page 223
5.3.2 APPLICATIONS......Page 225
5.4.1 DESCRIPTION......Page 226
5.4.2 APPLICATIONS......Page 228
5.5.1 DESCRIPTION......Page 229
5.6.1 DESCRIPTION......Page 231
5.6.2 APPLICATION......Page 232
5.7.1 GENERAL......Page 234
5.7.2 FACTORS AFFECTING LOW-SPEED SURFACE
AERATOR PERFORMANCE......Page 239
5.7.3 FACTORS AFFECTING HIGH-SPEED AERATOR PERFORMANCE......Page 241
5.7.4 FACTORS AFFECTING HORIZONTAL ROTOR PERFORMANCE......Page 242
5.7.5 FACTORS AFFECTING SUBMERGED TURBINE
AERATOR PERFORMANCE......Page 243
5.8 PERFORMANCE OF MECHANICAL AERATION DEVICES......Page 244
5.9.1 GENERAL......Page 249
5.9.2 DESIGN EXAMPLE......Page 250
5.11 BIBLIOGRAPHY......Page 252
6.1.1 INITIAL DEVELOPMENTS......Page 254
6.1.2 COVERED TANK DEVELOPMENTS......Page 255
6.1.3 OPEN TANK DEVELOPMENTS......Page 257
6.1.4 PUMPED LIQUID SYSTEMS......Page 260
6.2 COVERED TANK SYSTEMS......Page 262
6.2.1 GAS TRANSFER KINETICS......Page 263
6.2.2 APPLICATIONS OF STEADY-STATE KINETICS......Page 266
6.2.3 FULL-SCALE APPLICATIONS......Page 272
6.3.1 DESCRIPTION......Page 274
6.3.2 I-SO ™ DESIGN EXAMPLE......Page 278
6.4 NOMENCLATURE......Page 282
6.5 BIBLIOGRAPHY......Page 283
7.1 INTRODUCTION......Page 286
7.2 AERATION TANK MASS BALANCE......Page 287
7.3 CLEAN WATER PERFORMANCE TESTING......Page 288
7.4 IN-PROCESS OXYGEN TRANSFER TESTING......Page 293
7.5 QUALITY ASSURANCE FOR FINE-PORE DIFFUSERS......Page 300
7.6.1 PERMEABILITY......Page 301
7.6.2 DYNAMIC WET PRESSURE......Page 302
7.6.3 EFFECTIVE FLUX RATIO (UNIFORMITY)......Page 303
7.6.4 OTHER CHARACTERISTICS......Page 304
7.7 NOMENCLATURE......Page 305
7.8 BIBLIOGRAPHY......Page 308
8.1 AERATION — STREAMS AND RIVERS......Page 309
8.2 METROPOLITAN WATER DISTRICT OF
GREATER CHICAGO: FULL-SCALE INSTREAM
AERATION SYSTEMS......Page 310
8.2.1 DIFFUSED AND SURFACE AERATION......Page 311
8.2.2.1 Principles of Weir Aeration......Page 316
8.2.2.2 SEPA Results......Page 322
8.2.2.3 Design Application......Page 329
8.2.2.4 Cost Analysis......Page 332
8.3 NOMENCLATURE......Page 333
8.4 BIBLIOGRAPHY......Page 334
9.1.1 START-UP — DIFFUSED AIR......Page 336
9.1.3 SHUT-DOWN — DIFFUSED AIR......Page 337
9.1.5 NORMAL OPERATION......Page 338
9.2 SYSTEM MONITORING......Page 340
9.3 AERATION SYSTEM CONTROL......Page 342
9.4.2 DIFFUSERS......Page 345
In Situ – Process Noninterruptive......Page 346
9.6 NOMENCLATURE......Page 348
9.7 BIBLIOGRAPHY......Page 349