Natural Wastewater Treatment Systems

Natural Wastewater Treatment Systems......Page 1
Dedication......Page 3
Preface......Page 4
About the Authors......Page 5
Table of Contents......Page 6
1.1.1 BACKGROUND......Page 18
Table of Contents......Page 0
1.1.2.1 Aquatic Treatment Units......Page 19
1.1.2.3 Terrestrial Treatment Methods......Page 21
1.1.2.5 Costs and Energy......Page 25
1.2 PROJECT DEVELOPMENT......Page 26
REFERENCES......Page 27
2.1 CONCEPT EVALUATION......Page 28
2.1.1 INFORMATION NEEDS AND SOURCES......Page 29
Facultative Ponds in Cold Climates......Page 31
2.1.2.2 Free Water Surface Constructed Wetlands......Page 32
2.1.2.4 Overland Flow Systems......Page 33
2.1.2.5 Slow-Rate Systems......Page 34
2.1.2.7 Land Area Comparison......Page 35
2.2 SITE IDENTIFICATION......Page 36
2.2.1 SITE SCREENING PROCEDURE......Page 37
2.2.3 FLOOD HAZARD......Page 43
2.2.4 WATER RIGHTS......Page 44
2.3.1 SOILS INVESTIGATION......Page 45
2.3.1.2 Soil Chemistry......Page 47
2.3.2.1 Saturated Permeability......Page 50
2.3.2.4 Specific Yield and Specific Retention......Page 52
2.3.2.5 Field Tests for Infiltration Rate......Page 53
Flooding Basin Test......Page 54
2.3.3 SUBSURFACE PERMEABILITY......Page 56
2.3.3.1 Buffer Zones......Page 57
REFERENCES......Page 58
3.1.1 FUNDAMENTAL RELATIONSHIPS......Page 60
3.1.1.1 Permeability......Page 61
3.1.1.4 Dispersion......Page 62
3.1.1.5 Retardation......Page 63
3.1.2 MOVEMENT OF POLLUTANTS......Page 64
Solution......Page 66
Solution......Page 67
3.1.3 GROUNDWATER MOUNDING......Page 68
Example 3.3......Page 72
Solution......Page 73
Solution......Page 74
3.1.4 UNDERDRAINAGE......Page 75
3.2.1 REMOVAL OF BOD......Page 77
3.2.2 REMOVAL OF SUSPENDED SOLIDS......Page 78
3.3.1.1 Volatilization......Page 79
3.3.1.2 Adsorption......Page 82
Solution......Page 83
3.3.2 REMOVAL PERFORMANCE......Page 86
3.3.3 TRAVEL TIME IN SOILS......Page 87
3.4.1.2 Bacteria and Virus Removal......Page 88
3.4.2 WETLAND SYSTEMS......Page 90
3.4.3.2 Groundwater Contamination......Page 92
3.4.4 SLUDGE SYSTEMS......Page 93
3.4.5 AEROSOLS......Page 94
Solution......Page 96
3.5 METALS......Page 98
3.5.1 AQUATIC SYSTEMS......Page 99
3.5.3 LAND TREATMENT SYSTEMS......Page 101
3.6.1 NITROGEN......Page 103
3.6.1.2 Aquatic Systems......Page 104
3.6.2 PHOSPHORUS......Page 105
3.6.3 POTASSIUM AND OTHER MICRONUTRIENTS......Page 107
3.6.3.3 Sodium......Page 108
REFERENCES......Page 109
4.1.1 TRENDS......Page 112
4.2 FACULTATIVE PONDS......Page 113
4.2.1 AREAL LOADING RATE METHOD......Page 114
4.2.2 GLOYNA METHOD......Page 116
4.2.3 COMPLETE-MIX MODEL......Page 118
4.2.4 PLUG-FLOW MODEL......Page 119
4.2.5 WEHNER–WILHELM EQUATION......Page 120
Solution......Page 122
4.2.6 COMPARISON OF FACULTATIVE POND DESIGN MODELS......Page 124
4.3 PARTIAL-MIX AERATED PONDS......Page 126
4.3.1 PARTIAL-MIX DESIGN MODEL......Page 127
Solution......Page 128
4.3.2 POND CONFIGURATION......Page 129
4.3.3 MIXING AND AERATION......Page 130
Solution......Page 131
4.4 COMPLETE-MIX AERATED POND SYSTEMS......Page 140
4.4.1 DESIGN EQUATIONS......Page 141
Solution......Page 142
4.4.2 POND CONFIGURATION......Page 143
4.4.3 MIXING AND AERATION......Page 144
Solution......Page 145
4.5.1 INTRODUCTION......Page 150
Example 4.6......Page 153
Solution......Page 155
Example 4.7......Page 156
4.8 HYDROGRAPH CONTROLLED RELEASE......Page 157
4.9 HIGH-PERFORMANCE AERATED POND SYSTEMS (RICH DESIGN)......Page 158
4.9.1 PERFORMANCE DATA......Page 159
4.10.1 ADVANCED INTEGRATED WASTEWATER POND SYSTEMS......Page 161
4.10.1.1 Hotchkiss, Colorado......Page 163
4.10.1.2 Dove Creek, Colorado......Page 164
4.10.2 BIOLAC® PROCESS (ACTIVATED SLUDGE IN EARTHEN PONDS)......Page 166
4.10.2.1 BIOLAC® Processes......Page 171
4.10.2.1.1 BIOLAC-R System......Page 172
4.10.2.1.2 BIOLAC-L System......Page 173
4.10.2.1.4 Other Applications......Page 174
4.10.2.2.3 Clarification and Solids Handling......Page 176
4.10.2.3 Performance Data......Page 177
4.10.3.1 Lemna Duckweed System......Page 181
4.10.3.3 LemTec™ Biological Treatment Process......Page 182
4.10.4 LAS INTERNATIONAL, LTD.......Page 188
4.11.1 INTRODUCTION......Page 189
4.11.2 FACULTATIVE SYSTEMS......Page 190
4.11.2.1 Theoretical Considerations......Page 193
4.11.2.2 Design Models......Page 195
4.11.2.4 Summary......Page 198
4.11.3.1 Comparison of Equations......Page 199
4.11.3.2 Summary......Page 204
Example 4.8......Page 205
4.11.5.1 Add Solids Recycle......Page 206
4.11.5.3 Install Biomass Carrier Elements......Page 209
4.11.5.4.2 CLEAR™ Process......Page 210
4.11.5.4.4 AquaMat® Process......Page 211
4.11.5.5 Other Process Notes......Page 213
4.11.5.7 BIOLAC® Process (Parkson Corporation)......Page 215
4.13 NITROGEN REMOVAL IN PONDS COUPLED WITH WETLANDS AND GRAVEL BED NITRIFICATION FILTERS......Page 216
4.15 HYDRAULIC CONTROL OF PONDS......Page 217
4.16 REMOVAL OF PHOSPHORUS......Page 218
4.16.2 CONTINUOUS-OVERFLOW CHEMICAL TREATMENT......Page 219
REFERENCES......Page 220
5.1.2 INTERMITTENT SAND FILTRATION......Page 227
5.1.2.1 Summary of Performance......Page 230
5.1.3.5 Design of Intermittent Sand Filters......Page 231
Design data and assumptions:......Page 241
Influent distribution system......Page 242
5.1.3 ROCK FILTERS......Page 243
5.1.3.1 Performance of Rock Filters......Page 244
5.1.4 NORMAL GRANULAR MEDIA FILTRATION......Page 246
5.1.5 COAGULATION–FLOCCULATION......Page 254
5.1.6 DISSOLVED-AIR FLOTATION......Page 255
5.2.1 CONTROLLED DISCHARGE......Page 259
5.2.2 HYDROGRAPH CONTROLLED RELEASE......Page 261
5.2.3 COMPLETE RETENTION PONDS......Page 262
5.2.5 BAFFLES AND ATTACHED GROWTH......Page 263
5.2.7.3 Daphnia and Brine Shrimp......Page 264
5.2.8.3 Barley Straw......Page 265
5.3 PERFORMANCE COMPARISONS WITH OTHER REMOVAL METHODS......Page 266
REFERENCES......Page 268
6.1 PROCESS DESCRIPTION......Page 274
6.2.1 TYPES OF PLANTS......Page 276
6.2.2.2 Bulrush......Page 277
6.2.2.5 Sedges......Page 278
6.2.5 EVAPOTRANSPIRATION LOSSES......Page 279
6.2.6 OXYGEN TRANSFER......Page 280
6.2.8 PLANT FUNCTIONS......Page 281
6.2.9 SOILS......Page 282
6.3 PERFORMANCE EXPECTATIONS......Page 283
6.3.3 NITROGEN REMOVAL......Page 284
6.3.4 PHOSPHORUS REMOVAL......Page 287
6.3.5 METALS REMOVAL......Page 288
6.3.7 TRACE ORGANICS REMOVAL......Page 289
6.3.8 PATHOGEN REMOVAL......Page 290
6.3.9 BACKGROUND CONCENTRATIONS......Page 292
6.4.1 MUNICIPAL WASTEWATERS......Page 293
6.4.2 COMMERCIAL AND INDUSTRIAL WASTEWATERS......Page 296
6.4.3 STORMWATER RUNOFF......Page 297
6.4.4 COMBINED SEWER OVERFLOW......Page 298
6.4.5 AGRICULTURAL RUNOFF......Page 301
6.4.6 LIVESTOCK WASTEWATERS......Page 303
6.4.8 LANDFILL LEACHATES......Page 304
6.4.9 MINE DRAINAGE......Page 306
6.5 PLANNING AND DESIGN......Page 311
6.5.3 GENERAL DESIGN PROCEDURES......Page 312
6.6 HYDRAULIC DESIGN PROCEDURES......Page 314
6.7 THERMAL ASPECTS......Page 317
6.7.1 CASE 1. FREE WATER SURFACE WETLAND PRIOR TO ICE FORMATION......Page 318
6.7.2 CASE 2. FLOW UNDER AN ICE COVER......Page 319
6.7.3 CASE 3. FREE WATER SURFACE WETLAND AND THICKNESS OF ICE FORMATION......Page 320
6.7.4 SUMMARY......Page 322
6.8.1.1 Advantages......Page 323
6.8.3 EFFLUENT QUALITY PREDICTION......Page 324
6.9.1 EARTHWORK......Page 329
6.9.3 INLET AND OUTLET STRUCTURES......Page 331
6.9.4 VEGETATION......Page 333
6.10.1 VEGETATION ESTABLISHMENT......Page 335
6.10.3 MOSQUITO CONTROL......Page 338
6.11 COSTS......Page 339
6.11.1 GEOTECHNICAL INVESTIGATIONS......Page 340
6.11.3 EARTHWORK......Page 341
6.11.6 INLET AND OUTLET STRUCTURES......Page 342
6.12 TROUBLESHOOTING......Page 343
REFERENCES......Page 344
7.1 HYDRAULICS OF SUBSURFACE FLOW WETLANDS......Page 350
7.2 THERMAL ASPECTS......Page 354
Comment......Page 357
7.3 PERFORMANCE EXPECTATIONS......Page 358
7.3.3 NITROGEN REMOVAL......Page 359
7.3.6 PATHOGEN REMOVAL......Page 360
7.4.1 BOD REMOVAL......Page 361
7.4.3 NITROGEN REMOVAL......Page 362
7.4.3.1 Nitrification......Page 364
7.4.3.2 Denitrification......Page 366
7.4.4 ASPECT RATIO......Page 367
7.5.3 VEGETATION......Page 368
7.5.4 INLET DISTRIBUTION......Page 369
7.6.1 BATCH FLOW......Page 370
7.7.1 DOMESTIC WASTEWATER......Page 371
7.8 CASE STUDY: MINOA, NEW YORK......Page 372
7.9 NITRIFICATION FILTER BED......Page 375
7.10 DESIGN OF ON-SITE SYSTEMS......Page 379
7.11 VERTICAL-FLOW WETLAND BEDS......Page 382
7.11.1 MUNICIPAL SYSTEMS......Page 383
7.11.3 WINERY WASTEWATER......Page 384
7.12 CONSTRUCTION CONSIDERATIONS......Page 385
7.12.1 VEGETATION ESTABLISHMENT......Page 387
7.14 COSTS......Page 388
REFERENCES......Page 389
8.1.2 OVERLAND FLOW SYSTEMS......Page 393
8.1.3 SOIL AQUIFER TREATMENT SYSTEMS......Page 396
8.2.2 PREAPPLICATION TREATMENT......Page 398
8.2.2.2 Water Quality Considerations......Page 400
8.2.4.1 Type 1 System Crops......Page 402
8.2.5.1 Hydraulic Loading for Type 1 Slow-Rate Systems......Page 404
8.2.5.2 Hydraulic Loading for Type 2 Slow-Rate Systems......Page 405
8.2.6.1 Nitrogen Loading Rate......Page 406
8.2.6.3 Land Requirements......Page 408
Solution......Page 409
Example 8.2. Storage Requirements for a Slow-Rate System......Page 410
Solution......Page 411
Comment......Page 413
8.2.6.5 Distribution Techniques......Page 414
8.2.7 CONSTRUCTION CONSIDERATIONS......Page 415
8.3.1 DESIGN OBJECTIVES......Page 416
8.3.3.2 Suspended Solids Removal......Page 417
8.3.3.3 Nitrogen Removal......Page 419
8.3.3.5 Trace Organics......Page 420
8.3.4 PREAPPLICATION TREATMENT......Page 421
8.3.5.2 Slope Length......Page 422
8.3.6.2 Industrial Wastewater, Secondary Treatment......Page 423
8.3.7.1 Land Requirements......Page 424
Solution......Page 425
8.3.9 OPERATION AND MAINTENANCE......Page 426
8.4.3.2 Nitrogen Removal......Page 427
8.4.3.5 Trace Organics......Page 429
8.4.3.6 Endocrine Disruptors......Page 433
8.4.5 DESIGN PROCEDURE......Page 434
8.4.6 DESIGN CONSIDERATIONS......Page 435
8.4.6.2 Nitrogen Loading Rates......Page 436
8.4.6.5 Hydraulic Loading Cycle......Page 437
8.4.6.7 Groundwater Mounding......Page 438
8.4.7 CONSTRUCTION CONSIDERATIONS......Page 439
8.5 PHYTOREMEDIATION......Page 440
8.6.1 ORGANIC LOADING RATES AND OXYGEN BALANCE......Page 441
8.6.2 TOTAL ACIDITY LOADING......Page 443
8.6.3 SALINITY......Page 444
REFERENCES......Page 445
9.1 SLUDGE QUANTITY AND CHARACTERISTICS......Page 450
9.1.1 SLUDGES FROM NATURAL TREATMENT SYSTEMS......Page 453
9.1.2 SLUDGES FROM DRINKING-WATER TREATMENT......Page 454
9.2.1 METHODS FOR PATHOGEN REDUCTION......Page 455
9.3.2 PROCESS REQUIREMENTS......Page 456
Solution......Page 457
9.3.3 DESIGN PROCEDURES......Page 458
9.3.3.4 Design Limits......Page 459
9.3.4 SLUDGE FREEZING FACILITIES AND PROCEDURES......Page 461
Example 9.2......Page 462
9.4 REED BEDS......Page 463
9.4.1 FUNCTION OF VEGETATION......Page 464
9.4.2 DESIGN REQUIREMENTS......Page 465
9.4.3 PERFORMANCE......Page 466
9.4.4 BENEFITS......Page 467
9.4.5 SLUDGE QUALITY......Page 468
9.5.2 LOADING CRITERIA......Page 469
Solution:......Page 470
9.6 COMPARISON OF BED-TYPE OPERATIONS......Page 471
9.7 COMPOSTING......Page 472
Example 9.5......Page 476
9.8 LAND APPLICATION AND SURFACE DISPOSAL OF BIOSOLIDS......Page 477
9.8.1 CONCEPT AND SITE SELECTION......Page 483
9.8.2 PROCESS DESIGN, LAND APPLICATION......Page 484
9.8.2.1 Metals......Page 486
9.8.2.2 Phosphorus......Page 488
9.8.2.3 Nitrogen......Page 489
9.8.2.4 Calculation of Land Area......Page 491
Solution......Page 492
9.8.3.1 Design Approach......Page 495
9.8.3.3 Half-Life Determination......Page 496
Solution......Page 499
9.8.3.5 Site Details for Surface Disposal Systems......Page 500
REFERENCES......Page 501
10.1 TYPES OF ON-SITE SYSTEMS......Page 506
10.3 SITE EVALUATION AND ASSESSMENT......Page 507
10.3.2 APPLICABLE REGULATIONS......Page 510
10.3.3 DETAILED SITE ASSESSMENT......Page 511
10.4.1 NITROGEN LOADING FROM CONVENTIONAL EFFLUENT LEACHFIELDS......Page 512
Solution......Page 513
10.5.1.1 Intermittent Sand Filters......Page 514
10.5.1.2 Recirculating Gravel Filters......Page 515
10.5.1.3 Septic Tank with Attached Growth Reactor......Page 518
10.5.1.4 RSF2 Systems......Page 520
10.5.1.5 Other Nitrogen Removal Methods......Page 522
10.6 DISPOSAL OF VARIOUSLY TREATED EFFLUENTS IN SOILS......Page 524
10.7.1 GRAVITY LEACHFIELDS......Page 525
10.7.2 SHALLOW GRAVITY DISTRIBUTION......Page 526
10.7.3 PRESSURE-DOSED DISTRIBUTION......Page 528
10.7.6 MOUND SYSTEMS......Page 529
10.7.8 CONSTRUCTED WETLANDS......Page 530
10.7.9 EVAPOTRANSPIRATION SYSTEMS......Page 531
10.8.1 DRIP IRRIGATION......Page 532
Comment......Page 533
10.9.1 USE OF EFFLUENT SCREENS......Page 534
10.10 ROLE OF ON-SITE MANAGEMENT......Page 535
REFERENCES......Page 536
Appendix 1: Metric Conversion Factors (SI to U.S. Customary Units)......Page 541
Appendix 2: Conversion Factors for Commonly Used Design Parameters......Page 544
Appendix 3: Physical Properties of Water......Page 545
Appendix 4: Dissolved Oxygen Solubility in Freshwater......Page 546