BIOLOGICAL NUTRIENTREMOVAL (BNR) OPERATION

IN WASTEWATERTREATMENT PLANTS

Under the Direction of the Municipal Subcommittee of the Technical PracticeCommittee

2005

Water Environment Federation601 Wythe StreetAlexandria, VA 22314-1994 USAhttp://www.wef.organdAmerican Society of Civil Engineers/Environmental and Water Resources Institute1801 Alexander Bell DriveReston, VA 20191-4400http://www.asce.org

Jeanette A. Brown, P.E., DEE, Co-ChairCarl M. Koch, P.E., DEE, Ph.D., Co-Chair

James L. Barnard, P. Eng., Ph.D.Mario Benisch Stephen A. Black, P. Eng., M.A.Sc. Bob Bower William C. Boyle, P.E., DEE, Ph.D. Rhodes R. Copithorn Glen T. Daigger Christine deBarbadillo, P.E. Paul A. Dombrowski, P.E., DEE Alex Ekster, P.E., DEE, Ph.D. Ufuk G. Erdal, Ph.D. Zeynep K. Erdal, Ph.D.

John R. Harrison Joseph A. Husband Samuel S. Jeyanayagam, P.E., DEE, Ph.D.Philip R. KiserEdmund A. Kobylinski, P.E. Curtis I. Kunihiro, P.E., DEE Troy A. Larson Neil Massart, P.E.Krishna R. Pagilla, P.E., Ph.D. Barry Rabinowitz, P. Eng., Ph.D.Keith A. Radick Andrew R. ShawTroy Stinson, P.E. Cindy Wallis-Lage, P.E.Richard Watson

Prepared by the Biological Nutrient Removal (BNR) Operation in Wastewater Treat-ment Plants Task Force of the Water Environment Federation and the AmericanSociety of Civil Engineers/Environmental and Water Resources Institute

BIOLOGICAL NUTRIENTREMOVAL (BNR)OPERATION INWASTEWATER

TREATMENT PLANTS

WEF Manual of Practice No. 29

ASCE/EWRI Manuals and Reports onEngineering Practice No. 109

Prepared by the Biological Nutrient Removal (BNR) Operation in Wastewater Treatment Plants Task Force of the Water Environment

Federation and the American Society of Civil Engineers/Environmental and Water Resources Institute

Water Environment Federation and

American Society of Civil Engineers/Environmental and Water Resources Institute

WEF Press

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DOI: 10.1036/0071464158

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Water Environment Federation

Improving Water Quality for 75 Years

Founded in 1928, the Water Environment Federation (WEF) is a not-for-profittechnical and educational organization with members from varied disciplines whowork toward the WEF vision of preservation and enhancement of the global waterenvironment. The WEF network includes water quality professionals from 79Member Associations in over 30 countries.

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Water Environment Federation601 Wythe StreetAlexandria, VA 22314-1994 USA(703) 684-2400http://www.wef.org

American Society of Civil Engineers/Environmental and WaterResources Institute

A Better World by Design

Founded in 1852, the American Society of Civil Engineers (ASCE) representsmore than 133,000 members of the civil engineering profession worldwide, and isAmerica's oldest national engineering society. Created in 1999, the Environmental &Water Resources Institute (EWRI) is an Institute of the American Society of CivilEngineers. EWRI services are designed to complement ASCE's traditional civil engi-neering base and to attract new categories of members (non-civil engineer allied pro-fessionals) who seek to enhance their professional and technical development.

For more information on membership, publications, and conferences, contact

ASCE/EWRI1801 Alexander Bell DriveReston, VA 20191-4400703-295-6000http://www.asce.org

v

vi

Manuals of Practice of the Water Environment FederationThe WEF Technical Practice Committee (formerly the Committee on Sewage and

Industrial Wastes Practice of the Federation of Sewage and Industrial Wastes Associ-ations) was created by the Federation Board of Control on October 11, 1941. The pri-mary function of the Committee is to originate and produce, through appropriatesubcommittees, special publications dealing with technical aspects of the broad inter-ests of the Federation. These publications are intended to provide background infor-mation through a review of technical practices and detailed procedures that researchand experience have shown to be functional and practical.

Water Environment Federation Technical PracticeCommittee Control Group

G. T. Daigger, Vice ChairB. G. Jones, Vice Chair

S. BiesterfeldR. FernandezL. FordZ. LiM. D. MooreM. D. NelsonA. B. PincinceS. RangarajanJ. D. ReeceE. P. RothsteinA. T. SandyJ. Witherspoon

Manuals and Reports on Engineering Practice(As developed by the ASCE Technical Procedures Committee, July 1930, and revisedMarch 1935, February 1962, and April 1982)

A manual or report in this series consists of an orderly presentation of facts on aparticular subject, supplemented by an analysis of limitations and applications ofthese facts. It contains information useful to the average engineer in his everydaywork, rather than the findings that may be useful only occasionally or rarely. It is notin any sense a standard, however; nor is it so elementary or so conclusive as to pro-vide a rule of thumb for nonengineers.

Furthermore, material in this series, in distinction from a paper (which expressedonly one persons observations or opinions), is the work of a committee or groupselected to assemble and express information on a specific topic. As often as practi-cable the committee is under the direction of one or more of the Technical Divisionsand Councils, and the product evolved has been subjected to review by the ExecutiveCommittee of the Division or Council. As a step in the process of this review, pro-posed manuscripts are often brought before the members of the Technical Divisionsand Councils for comment, which may serve as the basis for improvement. Whenpublished, each work shows the names of the committees by which it was compiledand indicates clearly the several processes through which it has passed in review, inorder that its merit may be definitely understood.

In February 1962 (and revised in April 1982) the Board of Direction voted toestablish:

A series entitled Manuals and Reports on Engineering Practice, to include theManuals published and authorized to date, future Manuals of Professional Practice,and Reports on Engineering Practice. All such Manual or Report material of theSociety would have been refereed in a manner approved by the Board Committee onPublications and would be bound, with applicable discussion, in books similar topast Manuals. Numbering would be consecutive and would be a continuation of pre-sent Manual numbers. In some cases of reports of joint committees, bypassing ofJournal publications may be authorized.

vii

This page intentionally left blank

Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xliii

Chapter 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

Chapter 2 Overall Process ConsiderationsIntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6Nutrient Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

Sources of Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8Source of Phosphorus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

Effects of Nutrients on Receiving Waters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12Eutrophication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12Ammonia Toxicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12Nitrate in Groundwater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

Wastewater Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13Carbonaceous Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16Phosphorus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24Alkalinity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24

Variations in Flows and Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25Effect of Recycle Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27

ix

Contents

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x Contents

Review of Recycle Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27Management of Return Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28

Effect of Effluent Permit Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29Technology-Based Permits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29

Monthly Average. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Annual Average. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Seasonal Permit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Water-Quality-Based Permit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31

Chapter 3 Nitrification and DenitrificationIntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35Wastewater Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35

Assimilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35Hydrolysis and Ammonification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35Nitrifier Growth Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37

Nitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37Process Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37Stoichiometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37Nitrification Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

Biomass Growth and Ammonium Use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38Wastewater Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Dissolved Oxygen Concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42pH and Alkalinity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42Inhibition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Flow and Load Variations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Suspended-Growth Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Determining the Target SRTaerobic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50Example 3.1Single Sludge Suspended-Growth Nitrification . . . . . . . .51

Single Sludge Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Separate Sludge Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Contents xi

Attached Growth Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55Trickling Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Rotating Biological Contactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62Biological Aerated Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Coupled Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67Denitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68

Process Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68Stoichiometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70Denitrification KineticsBiomass Growth and Nitrate Use . . . . . . . . . .71Example 3.2Single Sludge Suspended-Growth Postdenitrification . .73Carbon Augmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74Separate-Stage Denitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75

Suspended-Growth Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75Attached-Growth Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

Denitrification Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76Moving Bed Biofilm Reactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77

Combined Nitrification and Denitrification Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78Basic Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78Suspended-Growth Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78

Wuhrmann Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79Modified Ludzack-Ettinger Process. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79Bardenpho Process (Four-Stage) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82Sequencing Batch Reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84Cyclically Aerated Activated Sludge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86Oxidation Ditch Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86Countercurrent Aeration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

Hybrid Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87Integrated Fixed-Film Activated Sludge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87

Descriptions of Integrated Fixed-Film Activated Sludge Processes . . . . . . . . . . . . . 88Rope-Type Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88

xii Contents

Sponge-Type Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90Plastic Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90Rotating Biological Contactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92

Operational Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92Rope-Type Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92

Media Location . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92GROWTH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92KINETIC RATE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92

Worms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93Media Breakage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93Adequate Dissolved Oxygen Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94Access To Diffusers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94Odor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94

Sponge Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94

Screen Clogging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94Sinking Sponges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95Loss of Sponges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95Taking Tank Out of Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96Loss of Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96Air Distribution System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96

Plastic Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96

Startup Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97Worms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97Media Breakage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97Media Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97Accumulation of Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97

SCREEN CLOGGING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97FOAMING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98TAKING TANK OUT OF SERVICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98

Membrane Bioreactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98

Contents xiii

Secondary Clarification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100Suspended Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100

Denitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101Flocculation Problem 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101Flocculation Problem 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101High Sludge Blanket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101Hydraulic Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

Attached Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102

Chapter 4 Enhanced Biological Phosphorus RemovalIntroduction and Basic Theory of Enhanced Biological Phosphorus Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106Basic Enhanced Biological Phosphorus Removal Theory . . . . . . . . . . . . . . .107Basic Enhanced Biological Phosphorus Removal Design Principles . . . . . .108Operational Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113

Influent Composition and Chemical-Oxygen-Demand-to-Phosphorus Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113Solids Retention Time and Hydraulic Retention Time . . . . . . . . . . . . . .117Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122Recycle Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127

Internal Recycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127Plant Recycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

Types of Enhanced Biological Phosphorus Removal Systems . . . . . . . . . . .129Suspended-Growth Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130

Anaerobic/Oxic and Anaerobic/Anoxic/Oxic Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . 130Modified Bardenpho Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132University of Cape Town, Modified University of Cape Town, and Virginia Initiative Process Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133Johannesburg Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135Oxidation Ditches, BioDenipho, and VT2 Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

Hybrid Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138PhoStrip Configuration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

xiv Contents

Biological Chemical Phosphorus and Nitrogen Removal Configuration . . . . . . . . 139Process Control Methodologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140

Influent Carbon Augmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140Volatile Fatty Acid Addition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140Pre-Fermentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

Solids Separation and Sludge Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143Chemical Polishing and Effluent Filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144

Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146The Lethbridge Wastewater Treatment Plant, Alberta, Canada . . . . . . .146Durham, Tigard, Oregon, Clean Water Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148Unique New Designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149

McAlpine Creek Wastewater Management Facility of Charlotte, North Carolina 150Traverse City Regional Wastewater Treatment Plant, Traverse City, Michigan . . 150

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153

Chapter 5 Combined Nutrient Removal SystemsCombined Nitrogen and Phosphorus Removal Processes . . . . . . . . . . . . . .162 Flow Sheets for Combined Nutrient Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .162

The Five-Stage Bardenpho Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .165Phoredox (A2/O) Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166 The University of Cape Town and Virginia Initiative Processes . . . . . . .166Modified University of Cape Town Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168Johannesburg and Modified Johannesburg Processes . . . . . . . . . . . . . . .168Westbank Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169The Orange Water and Sewer Authority Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171 Phosphorus Removal Combined with Channel-Type Systems . . . . . . .171Cyclical Nitrogen and Phosphorus Removal Systems . . . . . . . . . . . . . . . .173General Remarks about the Various Process Configurations . . . . . . . . . .174

Interaction of Nitrates and Phosphorus in Biological Nutrient RemovalPlants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178Process Control Methodologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182

Effect of Oxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182

Contents xv

Temperature Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183pH Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184Sufficient Dissolved Oxygen in the Aeration Zone . . . . . . . . . . . . . . . . .185Chemical Oxygen Demand to Total Kjeldahl Nitrogen Ratio . . . . . . . .186Selection of Aeration Device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187Clarifier Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187

Effect of Chemical Phosphorus Removal on Biological Nutrient RemovalSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189

Primary Clarifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189Secondary Clarifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190Tertiary Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190

Process Selection for Combined Nitrogen and Phosphorus Removal . . . . .192Effluent Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .192Phosphate Removal but No Nitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .192Phosphate Removal with Nitrification but No Denitrification . . . . . . .193Phosphate Removal with Nitrification Only in Summer . . . . . . . . . . . .194High-Percentage Nitrogen and Phosphate Removal . . . . . . . . . . . . . . . .195

Benefits from Converting to Biological-Nutrient-Removal-Type Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .196

Reliable Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .196Restoring Alkalinity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .198Improving the Alpha Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199Improving Sludge Settleability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199

Troubleshooting Biological Nutrient Removal Plants . . . . . . . . . . . . . . . . . .202Plant not Designed for Nitrification but Nitrification in Summer Causes Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202

Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

xvi Contents

Plant Designed for Nitrification but No Denitrification . . . . . . . . . . . . .203Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

Plant Designed for Nitrification and Denitrification . . . . . . . . . . . . . . . .204Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

Plant Designed for Phosphorus Removal Only . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

Plant Designed for Ammonia and Phosphorus Removal . . . . . . . . . . . .207Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

Contents xvii

Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

Retrofitting Plants for Nutrient Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208Return Activated Sludge and Internal Recycle Rates . . . . . . . . . . . . . . .212Minimizing the Adverse Effect of Storm Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213Foam Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .214Waste Sludge and Return Stream Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215

Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .216Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .216

City of Bowie Wastewater Treatment Plant (Bowie, Maryland) . . . . . . .216Facility Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216Effluent Limits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216Wastewater Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217Performance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

Potsdam Wastewater Treatment Plant (Germany) . . . . . . . . . . . . . . . . . .217Facility Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217Performance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

Goldsboro Water Reclamation Facility, North Carolina . . . . . . . . . . . . .217Facility Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217Effluent Limits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218Wastewater Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218Performance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

South Cary Water Reclamation Facility, North Carolina . . . . . . . . . . . . .218Facility Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218Effluent Limits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218Wastewater Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219Performance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

North Cary Water Reclamation Facility, North Carolina . . . . . . . . . . . .219

xviii Contents

Facility Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219Effluent Limits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219Wastewater Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220Performance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

Wilson Hominy Creek Wastewater Management Facility, North Carolina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220

Facility Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220Effluent Limits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220Wastewater Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220Performance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

Greenville Utilities Commission Wastewater Treatment Plant, NorthCarolina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .221

Facility Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221Effluent Limits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221Wastewater Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221Performance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

Virginia Initiative Plant, Norfolk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .222Facility Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222Effluent Limits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222Wastewater Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222Performance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223

Chapter 6 Models for Nutrient RemovalIntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .227History and Development of Models for Biological Nutrient Removal . . .227Description of Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .228

Mechanistic Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .228Simulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .228

Use of Simulators for Plant Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .230Ease of Use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .230Developing Data for Model Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .230Using Simulators to Troubleshoot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .231

Contents xix

Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .232

Chapter 7 Sludge Bulking and FoamingIntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .233Microscopic Examination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .234Filamentous Bulking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .236Process Control for Filamentous Bulking Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239

Dissolved Oxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239Nutrient Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .240pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241Chemical Addition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241

Chlorination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241Biological Selectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242Nonfilamentous Bulking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

Troubleshooting Sludge Bulking Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .243Foaming Problems and Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .243

Stiff White Foam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247Excessive Brown Foam and Dark Tan Foam. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247Dark Brown Foam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247Very Dark or Black Foam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247Filamentous Foaming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .248References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .248

Chapter 8 Chemical Addition and Chemical Feed ControlIntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .256Carbon Supplementation for Denitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .257

Methanol Addition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .257Methanol Addition to Activated Sludge Biological Nutrient Removal Processes . 259Methanol Addition to Tertiary Denitrification Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263Methanol Feed Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

Manual Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .265Flow-Paced Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .265

xx Contents

Feed-Forward Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .265Feed-Forward and Feedback with Effluent Concentration Control . . .266

Alternate Carbon Sources for Denitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .266 Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .268

Havelock Wastewater Treatment Plant, Havelock, North Carolina . . . . . . . . . . . . 268Long Creek Wastewater Treatment Plant, Gastonia, North Carolina . . . . . . . . . . 269

Volatile Fatty Acid Supplementation for Biological Phosphorus Removal 271Acetic Acid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .273Alternate Chemical Volatile Fatty Acid Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .274Case Study: McDowell Creek Wastewater Treatment Plant, Charlotte, North Carolina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .274

Effect of Dewatering Filtrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275Optimization of Chemical Dosages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

Alkalinity Supplementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .277Alkalinity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .277Alkalinity Supplementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .279

Sodium Hydroxide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279Calcium Hydroxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281Quicklime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281Magnesium Hydroxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282Sodium Carbonate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282Sodium Bicarbonate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

Alkalinity Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .282Usable Alkalinity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282Volatile Fatty Acids and Other Alkalinity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283Alkalinity Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284High-Purity-Oxygen Activated Sludge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284Phosphorus Precipitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285

Practical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .285Example 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285

Step 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .285

Contents xxi

Step 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .285Example 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286

Step 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .286Step 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .286

Example 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287Step 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .287Step 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .287

Phosphorus Precipitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .288Iron Compound Chemical Addition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .290Aluminum Compound Chemical Addition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .297Lime Addition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .303Other Options for Chemical Precipitation of Phosphorus . . . . . . . . . . .305Chemical Feed Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .306Case Study: Northwest Cobb Water Reclamation Facility, Cobb County, Georgia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .306

Chemical Feed System Design and Operational Considerations . . . . . . . . .309References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .311

Chapter 9 Sludge FermentationOverview of Fermentation Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .314

Function and Relationship to Biological Nutrient Removal Process . . .314Hydrolysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317Acidogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317Acetogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318Methanogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318

Primary Sludge Fermentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .319Return Activated Sludge Fermentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .320

Primary Sludge Fermenter Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .322Activated Primary Sedimentation Tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .322Complete-Mix Fermenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .326Single-Stage Static Fermenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .327Two-Stage Complete-Mix/Thickener Fermenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . .328

xxii Contents

Unified Fermentation and Thickening Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .329

Primary Sludge Fermentation Equipment Considerations . . . . . . . . . . . . . .329

Sludge Collector Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .329

Primary Sludge Pumping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .330

Fermented Sludge Pumping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330

Sludge Grinders or Screens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330

Fermentate Pumping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .330

Mixers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .331

Scum Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .331

Odor Control and Covers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .331

Corrosion and Protective Coatings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .332

Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .332

Flow Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332

OxidationReduction Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332

Level Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333

Sludge Density Meters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333

pH Meters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333

Headspace Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333

Return Activated Sludge Fermentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .333

Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .333

Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .334

Control Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .335

Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .337

Kelowna Wastewater Treatment Plant, Canada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .337

Kalispell, Montana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .338

South Cary Water Reclamation Facility, North Carolina . . . . . . . . . . . . .341

Plant Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341

Fermentation Process Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341

Operating Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .345

Contents xxiii

Chapter 10 Solids Handling and ProcessingIntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .350Issues and Concerns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .351

Influent Load Variations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .351Influent Amenability to Biological Nutrient Removal . . . . . . . . . . . . . .351Mean Cell Residence Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .352Struvite Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .352

Sludge Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .353Nutrient Release . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .353

Release Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .353Sources of Secondary Release . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .354

Primary Clarification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354Final Clarification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354Thickening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354Stabilization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355Dewatering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355

Estimating Recycle Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .357Eliminating or Minimizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Recycle Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .360Sidestream Management and Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .362

Sidestream Management Alternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .365Recycle Equalization and Semitreatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .366

Equalization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366Solids Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366Aeration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366Operational Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367

Sidestream Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .367Nitrogen Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367Stand-Alone Sidestream Treatment and Full-Centrate Nitrification . . . . . . . . . . . 368Operational Issues with Separate Recycle Nitrification Process . . . . . . . . . . . . . . 370

Influent Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .370

xxiv Contents

Struvite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .371

Alkalinity Feed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .371

Aeration Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .372

Reactor Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .372

Foaming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .372

Separate Recycle TreatmentNitrogen Removal (Nitrification and Denitrification) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372

Single Reactor System for High Activity Ammonium Removal over Nitrite . . . . 372

ANAMMOX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .373

Ammonia Stripping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .374

Combination Sidestream Treatment and Biological Nutrient Removal ProcessReturn Activated Sludge Reaeration . . . . . . . . . . . .374

Formation of Struvite and Other Precipitates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .376

Struvite Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .377

Biological Nutrient Removal and Struvite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .380

Areas Most Susceptible to Struvite Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .382

Struvite Control Alternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .387

Phosphate Precipitating Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388

Dilution Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389

Cleaning Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389

Hydroblasting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389

Equipment and Pipe Lining Selection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389

Magnetic and Ultrasonic Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389

Lagoon Flushing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391

Controlled Struvite Crystallization (Phosphorus Recovery) . . . . . . . . . . . . . . . . . 391

Facility Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391

Process Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392

Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .395

Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .395

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .396

Contents xxv

Chapter 11 Laboratory AnalysesNitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .400

Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .400Sampling and Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .400Analyses Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .401

Ammonia-Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401Colorimetric Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .401Titrimetric Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .402Ion Selective Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .402Ion Chromatography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .403

Nitrite-Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404Colorimetric Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .404Ion Chromatography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .404

Nitrate-Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404Nitrate Electrode Screening Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .405Chromotropic Acid Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .406Ion Chromatography for Nitrite and Nitrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .407

Organic Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408Kjeldahl Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409

Storage of Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .409Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .410

Phosphorus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .411Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .411Sampling and Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .411Analyses Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .412

Digestion Methods for Total Phosphorus Analyses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412Methods for Orthophosphate Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413

Vanadomolydophosphoric Acid Colorimetric Method . . . . . . . . . . . . . .413Ascorbic Acid Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .413Ion Chromatography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .413

Short-Chain Volatile Fatty Acid Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .415

xxvi Contents

Analytical Methods for Short-Chain Volatile Fatty Acid Measurement . . .416References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .417

Chapter 12 Optimization and Troubleshooting Techniques

Process Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .422Sampling and Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .422

Sampling Locations and Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .422Sampling Plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422Sample Handling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423

In Situ Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .424Grab Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .424Interval Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .427Composite Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .428

Sample Location . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428Mixed Liquor Suspended Solids, Mixed Liquor Volatile SuspendedSolids, Return Activated Sludge, and Waste Activated Sludge . . . . . . .430

What . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430Where. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431Why . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431When . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432How . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432

Settleability and Sludge Volume Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .432What . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432Where. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433Why . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433When . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433How . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433

pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .434What . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434Where. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434Why . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434

Contents xxvii

When . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434How . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434

Alkalinity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .435What . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435Where . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435Why . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435When . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435How . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436

Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .436What . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436Where. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436Why . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436When . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437How . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437

Dissolved Oxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .437What . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437Why . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437Where and When . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438How . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438

OxidationReduction Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .438What . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438Where. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439Why . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440When . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440How . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440

Ammonia and Total Kjeldahl Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .440What . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440Where . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441Why . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441When . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441How . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442

xxviii Contents

Nitrite-Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .442What . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442Where. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442Why . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442When . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442How . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442

Nitrate-Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .442What . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442Where. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442Why . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443When . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443How . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443

Total Phosphorus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .443What . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443When and Where . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443Why . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443How . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444

Orthophosphorus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .444What . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444When and Where . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444Why . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444How . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445

Chemical Oxygen Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .445What . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445Where. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446Why . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446When . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446How . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446

Volatile Fatty Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .448What . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448Where. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448

Why . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449When . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449How . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449

Soluble Biochemical Oxygen Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .450What . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450Where . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450Why . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450When . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451How . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451

Nitrification Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .451What . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451Where. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451Why . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451When . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452How . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452

Denitrification Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .453What . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453Where . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453Why . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453When . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453How . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454

Biological Phosphorus Removal Potential Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .454What . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454Where. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454Why . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455When . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455How . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455

Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .455Preservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .455Analyze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .455Equipment and Supplies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .456Reagents and Chemicals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .456

Contents xxix

xxx Contents

Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .456Preparation of Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .457Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .457Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .458Test Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .459

Microbiological Activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .460What . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460Where. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461Why . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461When . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462How . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462

Data Analysis and Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .462Nitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .462

Chemical Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463Solids Retention Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463Performance Indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463

Denitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .463Chemical Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464Solids Retention Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464Performance Indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464

Biological Phosphorus Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .464Chemical Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464Solids Retention Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465Performance Indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465

Optimization and Troubleshooting Guides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .465Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .465Optimization and Troubleshooting Guide Format . . . . . . . . . . . . . . . . .466

Indicator and Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466Probable Cause . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466Check or Monitor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468Optimization and Troubleshooting Guides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .468

Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .468Wolf Treatment Plant, Shawano, Wisconsin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .468City of Stevens Point, Wisconsin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .491City of Dodgeville, Wisconsin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .491Eastern Water Reclamation Facility, Orange County, Florida . . . . . . . .495Wastewater Treatment Plant, Stamford, Connecticut . . . . . . . . . . . . . . .497

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .499

Chapter 13 Instrumentation and Automated Process Control

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .505Online Analyzers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .506

General Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .506Meters Reproducibility and Accuracy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506Instrument Maintenance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507

Specific Analyzers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .508Basic Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .508

Total Suspended Solids Meters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509Measuring Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .509Accuracy and Repeatability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .509Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .509Maintenance Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .510Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .510

Dissolved Oxygen Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510Introduction .