wastewater engineering - notes for design of activated sludge processes

126
Wastewater Engineering Notes for Design of Activated Sludge Processes Alfonso José García Laguna Wastewater Engineering Notes for Design of Activated Sludge Processes Alfonso José García Laguna February 2016

Upload: alfonso-jose-garcia-laguna

Post on 13-Jan-2017

92 views

Category:

Engineering


5 download

TRANSCRIPT

Page 1: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes  

Alfonso José García Laguna   

 

 

 

 Wastewater Engineering 

Notes for Design of Activated Sludge Processes 

 

 Alfonso José García Laguna 

February 2016 

 

   

Page 2: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 1 of 126  

Index   

1.  Biology, Kinetics and Stoichiometry ................................................................................................ 4 

1.1.  Nitrification ............................................................................................................................. 4 

Steps of Nitrification ........................................................................................................................... 5 

Type of Bacteria – Nitrosomonas and Nitrobacter ............................................................................. 5 

Nitrification ‐ Kinetics .......................................................................................................................... 5 

Nitrification ‐ Stoichiometry ............................................................................................................... 5 

1.2.  Denitrification ......................................................................................................................... 7 

Steps of Denitrification ....................................................................................................................... 7 

Type of Bacteria – Heterotroph Facultative Microorganisms under Anoxic Conditions .................... 7 

Denitrification – Kinetics ..................................................................................................................... 8 

1.3.  Phosphorus Biological Removal (Bio‐P) .................................................................................. 9 

Type of Bacteria – Acinetobacter, Slow Growth and Simple Substrates as VFAs (Volatile Fatty acids) ............................................................................................................................................................ 9 

Steps of Phosphorus Biological Removal (Bio‐P) .............................................................................. 10 

Ratio BOD/PT and COD/PT for a Proper Bio‐P .................................................................................. 11 

2.  Process Selection .......................................................................................................................... 12 

2.1.  Nitrogen Removal Processes ................................................................................................ 12 

Metcalf & Eddy – Description and Selection of Nitrogen Removal Processes ................................. 12 

Process Selection .............................................................................................................................. 13 

CEDEX – Description and Selection on Nitrogen Removal Processes ............................................... 23 

2.2.  Biological Phosphorus Removal Processes (BPR) (Bio‐P) ...................................................... 28 

Metcalf & Eddy – Biological Phosphorus Removal Processes (BRP) ................................................. 28 

Process Description and Selection .................................................................................................... 29 

CEDEX – Description and Selection on Biological Phosphorus Removal Processes (BRPs) .............. 32 

3.  Typical Design Parameters ............................................................................................................ 39 

3.1.  Nitrogen Removal Processes – Typical Design Parameters .................................................. 39 

Metcalf & Eddy .................................................................................................................................. 39 

CEDEX ................................................................................................................................................ 40 

3.2.  Biological Phosphorus Removal Processes (BPRs) – Typical Design Parameters .................. 41 

Metcalf & Eddy – Observed Influent BOD/P and COD/P Ratios for Different BPR Processes .......... 41 

CEDEX – Design Considerations and Parameters .............................................................................. 42 

4.  Process Design .............................................................................................................................. 50 

Page 3: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 2 of 126  

4.1.  BOD/COD Removal and Nitrification .................................................................................... 50 

4.1.1.  Metcalf and Eddy Method ............................................................................................ 51 

Equations and Variables .................................................................................................................... 51 

Kinetic Coefficients ........................................................................................................................... 52 

Design Steps ...................................................................................................................................... 53 

Example ............................................................................................................................................. 54 

4.1.2.  ATV‐131 Method ........................................................................................................... 67 

Symbols and Abbreviations ............................................................................................................... 67 

Plants without Nitrification ............................................................................................................... 72 

Step 1 – Calculation of the Sludge Age ............................................................................................. 72 

Step 2 – Calculation of the Sludge Production.................................................................................. 73 

Step 3 – Calculation of Biological Reactor Volume ........................................................................... 75 

Step 4 – Calculation of Required Recirculation and Cycle Time ....................................................... 76 

Step 4 – Calculation of Oxygen Requirements .................................................................................. 77 

Step 5 – Calculation of Alkalinity ...................................................................................................... 80 

4.2.  BOD/COD Removal and Nitrification‐Denitrification – Anoxic/Aerobic Reactor Design ...... 82 

4.2.1.  Metcalf and Eddy Method ............................................................................................ 82 

Anoxic/Aerobic Reactor Design Considerations ............................................................................... 83 

Anoxic Tank Design using the Specific Denitrification Rate (SDNR) ................................................. 84 

Kinetic Coefficients ........................................................................................................................... 86 

Design Steps ...................................................................................................................................... 88 

Example ............................................................................................................................................. 90 

4.2.2.  ATV‐131 Method ........................................................................................................... 94 

Plants with Nitrification and Nitrification‐Denitrification ................................................................. 95 

Step 1 – Calculation of the Sludge Age ............................................................................................. 95 

Plants with Nitrification .................................................................................................................... 96 

Plants with Nitrification – Denitrification ......................................................................................... 97 

Step 2 – Calculation of the Proportion of Reactor Volume for Denitrification ................................. 98 

Step 3 – Calculation of the Sludge Production................................................................................ 101 

Step 4 – Calculation of Biological Reactor Volume ......................................................................... 103 

Step 5 – Calculation of Required Recirculation and Cycle Time ..................................................... 104 

Step 6 – Calculation of Oxygen Requirements ................................................................................ 105 

Step 7 – Calculation of Alkalinity .................................................................................................... 108 

4.2.3.  CEDEX Method ............................................................................................................ 110 

Page 4: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 3 of 126  

4.3.  Phosphorus Biological Removal (BPR) (Bio‐P) .................................................................... 111 

4.3.1.  Metcalf and Eddy Method .......................................................................................... 111 

Process Design Considerations ....................................................................................................... 111 

Wastewater Characteristics ............................................................................................................ 112 

Anaerobic Contact Time .................................................................................................................. 114 

Solids Retention Time (SRT) ............................................................................................................ 114 

Waste Sludge Processing ................................................................................................................ 115 

Chemical Addition Capability .......................................................................................................... 116 

Process Control ............................................................................................................................... 117 

Effect of Dissolved Oxygen and Nitrate in Recycle Flows ............................................................... 117 

Effect of Recycle Streams with Released Phosphorus .................................................................... 117 

Effluent Suspended Solids ............................................................................................................... 118 

Solids Separation Facilities .............................................................................................................. 118 

Methods to Improve Phosphorus‐Removal Efficiency in BPR Systems .......................................... 119 

Biological Phosphorus‐Removal Process Performance .................................................................. 120 

Example ........................................................................................................................................... 122 

5.  Bibliography ................................................................................................................................ 125 

 

   

Page 5: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 4 of 126  

1. Biology, Kinetics and Stoichiometry  

Autotroph Microorganisms:  Organisms  that  are  able  to make  energy‐containing  organic molecules  from  inorganic  raw material  by  using  basic  energy  sources  such  as  sunlight  or chemical reactions.  

Heterotroph Microorganisms:  Organisms  that make  use  of  food  that  comes  from  other organisms in the form of fats, carbohydrates and proteins.   

1.1. Nitrification  

Nitrification  is  the  Biological  Aerobic  Process  by  which  the  Ammonia  Nitrogen  (N‐NH4+)  is transformed in Nitrates (N‐NO3‐). 

 

 

 

Organic Biodegradable Nitrogen is Hydrolyzed by Heterotroph bacteria called  Nitrosomonas and Nitrobacter producing Ammonia Nitrogen (NH4+). 

   

Fig.1. Nitrification Stoichiometry 

Page 6: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 5 of 126  

Steps of Nitrification  

1. Organic Biodegradable Nitrogen  is hydrolyzed by Heterotrophs Bacteria, giving as a  result Ammonia Nitrogen.  

2. Ammonia  Nitrogen  (N‐NH4+)  is  converted  in  Nitrates  (NO3‐)  by  bacteria  called Nitrosomonas and Nitrobacter.  

Type of Bacteria – Nitrosomonas and Nitrobacter  

Nitrosomonas and Nitrobacter, called globally “Nitrifying Microorganism”, are Chemoautotroph: 

Source of Energy: Inorganic Red‐Ox Reactions  Source of Cell Carbon (Biomass Carbon): Inorganic Carbon  Acceptor of Electrons: Oxygen 

Nitrification ‐ Kinetics 

 

 

 

The  velocity  of  reaction  of  the  first  reaction,  the  formation  of  Nitrites  (NO2‐)  starting  from Ammonia  (NH4+)  is  significantly  lower  than  the  velocity of  formation of Nitrates  (NO3‐)  starting from Nitrites (NO2‐). 

So the kinetic of the Global Reaction is controlled by the First Reaction and the Limiting Substrate is the Ammonia Nitrogen (N‐NH4+). 

 

Nitrification ‐ Stoichiometry  

Fig.1. Nitrification Stoichiometry 

Page 7: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 6 of 126  

1. Oxidation of 1 g of Ammonia Nitrogen (N‐NH4+) generates 1 g of Nitrogen as Nitrates (N‐NO3‐) and consumes 4.57 g of Oxygen (O2).  

2. Oxidation of 14 g of Ammonia Nitrogen (NH4+) generates 2 ions Hydrogen (H+) (acidity) that consumes  2  equivalents  of  Alkalinity  (Bicarbonate)  (HCO3‐)  from  the  wastewater.  As  1 equivalent of Alkalinity are 50 g/L as CaCO3 we have the following: Oxidation  of  1  mg  of  Ammonia  Nitrogen  (N‐NH4+)  consumes  7.14  mg  CaCO3/L  of Alkalinity. 

 

   

Page 8: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 7 of 126  

1.2. Denitrification  

Denitrification is the Biological Anoxic Process by which the Nitrate Nitrogen (NO3‐) is transformed in Nitrogen Gas (N2) released to the atmosphere. 

 

 

 

Steps of Denitrification  

1. Ammonia Nitrogen (NH4+) is transformed in Nitrogen Gas (N2) released to the atmosphere.   

Type of Bacteria – Heterotroph Facultative Microorganisms under Anoxic Conditions  

“Denitrifying Bacteria” are Heterotroph Facultative under Anoxic Conditions: 

Source of Energy: Carbonaceous Organic Matter  Source of Cell Carbon (Biomass Carbon): Carbonaceous Organic Matter  Acceptor of Electrons: Nitrates 

   

Fig.2. Denitrification Stoichiometry 

Page 9: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 8 of 126  

Denitrification – Kinetics  

 

 

 

 

 

1. Removal/Consumption of 1  g of Nitrate  (NO3‐)  as Nitrogen  consumes 2.86  g of Oxygen (O2).  

2. Removal/Consumption  of  14  g  of  Nitrate  Nitrogen  (N‐NO3)  generates  1  equivalents  of Alkalinity (OH‐). As 1 equivalent of Alkalinity are 50 g/L as CaCO3 we have the following: Removal/Consumption of 1 g of N‐NO3 generates 3.57 g CaCO3 of Alkalinity. 

   

Fig.2. Denitrification Stoichiometry 

Page 10: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 9 of 126  

1.3. Phosphorus Biological Removal (Bio‐P)  

Heterotroph Bacteria called PAOs (Phosphorus Accumulation Organisms) have the following characteristics: 

1. PAOs release P in Anaerobic Conditions.  

2. PAOs accumulate P in Aerobic Conditions. 

 

Type of Bacteria – Acinetobacter, Slow Growth and Simple Substrates as VFAs (Volatile Fatty acids)  

PAOs are Heterotroph Bacteria under Anoxic and Oxic Conditions: 

Source of Energy: VFA (Volatile Fatty Acids)  Source of Cell Carbon (Biomass Carbon): VFA (Volatile Fatty Acids)  Acceptor of Electrons: Nitrate (Anoxic Conditions) Oxygen (Oxic Conditions) 

PAOs and Non‐PAOs 

PAOs o Nitrifying PAOs (NPAOs):  They respire Oxygen (O2). o Denitrifying PAOs (DPAOs): They respire Nitrate (N‐NO3) 

  

Non‐PAOs  

Page 11: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 10 of 126  

o Glycogen‐Accumulating Organisms  (GAOs):  Carry  out  the  COD  Removal  because they  are  able  to  recycle  carbon  in  similar  fashion  as  PAOs  and  aerobically accumulate glycogen instead of polyphosphate. 

 

Steps of Phosphorus Biological Removal (Bio‐P)  

 

1. Step 1 ‐ Anaerobic Conditions – Uptake of VFAs and Release of Poly‐P  

1. PAOs mainly  take up carbon sources such as Volatile Fatty Acids  (VFAs) and store them  intracellularly  as  Polyhydroxybutyrate  (PHB)  and Polyhydroxyalkanoates (PHAs).  

2. In  the  PAOs,  the  excision  of  Polyphosphate  (Poly‐P)  and  release  of  Phosphate (PO4,3‐) from the cell supply the required energy for the bio‐transformations. 

 3. Moreover,  the  glycolysis  of  internally  stored  glycogen  also  can  provide  reducing 

power for PHA formation.   

4. However,  the metabolic pathways of both  the PAOs and GAOs are  still unclear  to some extent, so is the indirect role that GAOs play in P‐removal. 

  

 2. Step 2 – Aerobic/Oxic Conditions ‐ Uptake of Poly‐P and Oxidation of Stored PHAs 

 1. PAOs takes Phosphate (PO4,3‐) and store it as intracellular Poly‐P. 

Page 12: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 11 of 126  

 2. Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are oxidized.  

The amount of Phosphate excreted during the Anaerobic phase is less than the amount taken up during the Aerobic or Denitrifying phase. 

Net phosphorus is taken up into the organisms, and Phosphorus can be removed readily from the wastewater by wasting Phosphorus‐Rich Sludge. 

 

 

 

 

Ratio BOD/PT and COD/PT for a Proper Bio‐P  

Total P (TP) concentration in the Effluent is a function of the Ratio BOD/TP or COD/TP. 

TP (Effluent) = f(BOD/TP) = f(COD/TP) 

For  a DBO/PT  <  20  or  COD/PT  <  40  the  Efficiency  of  the  Bio‐P  is  low,  and  need  the  Chemical Precipitation with FeCl3. 

   

Page 13: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 12 of 126  

2. Process Selection  

2.1. Nitrogen Removal Processes  

Metcalf & Eddy – Description and Selection of Nitrogen Removal Processes  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 14: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 13 of 126  

Process Selection 

 

   

Page 15: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 14 of 126  

 

 

 

Page 16: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes  

Alfonso José García Laguna     Page 15 of 126  

Processes Description – Nitrogen Removal Processes

 

 

Page 17: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 16 of 126  

 

Page 18: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 17 of 126  

 

 

 

Page 19: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 18 of 126  

 

Page 20: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 19 of 126  

 

 

 

   

 

Page 21: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 20 of 126  

 

Page 22: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes  

Alfonso José García Laguna   

Advantages and Limitations of Nitrogen Removal Processes 

 

Page 23: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes  

Alfonso José García Laguna   

 

 

 

Page 24: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 23 of 126  

CEDEX – Description and Selection on Nitrogen Removal Processes  

   

Page 25: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 24 of 126  

 

 

Page 26: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 25 of 126  

 

 

 

 

Page 27: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 26 of 126  

 

 

Page 28: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 27 of 126  

 

Page 29: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes  

Alfonso José García Laguna   

2.2. Biological Phosphorus Removal Processes (BPR) (Bio‐P)  

Metcalf & Eddy – Biological Phosphorus Removal Processes (BRP)  

   

Page 30: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 29 of 126  

Process Description and Selection  

 

 

 

   

Page 31: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 30 of 126  

 

 

 

Page 32: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 31 of 126  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

Page 33: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 32 of 126  

CEDEX – Description and Selection on Biological Phosphorus Removal Processes (BRPs)    

Page 34: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 33 of 126  

 

 

 

 

Page 35: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 34 of 126  

 

Page 36: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 35 of 126  

 

   

Page 37: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 36 of 126  

 

 

 

 

Page 38: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 37 of 126  

 

   

Page 39: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 38 of 126  

 

 

Page 40: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 39 of 126  

3. Typical Design Parameters  

3.1. Nitrogen Removal Processes – Typical Design Parameters  

Metcalf & Eddy  

 

 

 

 

 

 

 

 

   

Page 41: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 40 of 126  

CEDEX   

 

   

Page 42: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 41 of 126  

3.2. Biological Phosphorus Removal Processes (BPRs) – Typical Design Parameters  

Metcalf & Eddy – Observed Influent BOD/P and COD/P Ratios for Different BPR Processes  

 

   

Page 43: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 42 of 126  

CEDEX – Design Considerations and Parameters  

 

 

Page 44: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 43 of 126  

 

   

Page 45: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 44 of 126  

 

Page 46: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 45 of 126  

 

   

Page 47: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 46 of 126  

 

   

Page 48: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 47 of 126  

 

   

Page 49: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 48 of 126  

 

   

Page 50: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 49 of 126  

 

 

   

Page 51: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 50 of 126  

4. Process Design  

4.1. BOD/COD Removal and Nitrification    

Page 52: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 51 of 126  

4.1.1. Metcalf and Eddy Method 

Equations and Variables 

 

   

Page 53: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 52 of 126  

Kinetic Coefficients  

 

 

 

 

 

 

   

Page 54: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 53 of 126  

Design Steps  

 

   

Page 55: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 54 of 126  

Example 

 

   

Page 56: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 55 of 126  

 

   

Page 57: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 56 of 126  

 

   

Page 58: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 57 of 126  

 

Page 59: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 58 of 126  

 

Page 60: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 59 of 126  

 

Page 61: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 60 of 126  

 

Page 62: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 61 of 126  

 

Page 63: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 62 of 126  

 

 

Page 64: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 63 of 126  

 

Page 65: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 64 of 126  

 

 

Page 66: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 65 of 126  

 

Page 67: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 66 of 126  

 

 

   

Page 68: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 67 of 126  

4.1.2. ATV‐131 Method  

Symbols and Abbreviations  

 

Page 69: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 68 of 126  

 

Page 70: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 69 of 126  

 

Page 71: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 70 of 126  

 

Page 72: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 71 of 126  

 

   

Page 73: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 72 of 126  

Plants without Nitrification  

Step 1 – Calculation of the Sludge Age 

 

   

Page 74: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 73 of 126  

Step 2 – Calculation of the Sludge Production  

 

Page 75: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 74 of 126  

 

 

 

 

Page 76: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 75 of 126  

Step 3 – Calculation of Biological Reactor Volume 

 

 

   

Page 77: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 76 of 126  

Step 4 – Calculation of Required Recirculation and Cycle Time  

 

   

Page 78: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 77 of 126  

Step 4 – Calculation of Oxygen Requirements 

 

Page 79: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 78 of 126  

 

 

 

 

Page 80: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 79 of 126  

 

Page 81: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 80 of 126  

 

Step 5 – Calculation of Alkalinity  

Page 82: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 81 of 126  

 

   

Page 83: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 82 of 126  

4.2. BOD/COD Removal and Nitrification‐Denitrification – Anoxic/Aerobic Reactor Design  

4.2.1. Metcalf and Eddy Method  

   

Page 84: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 83 of 126  

Anoxic/Aerobic Reactor Design Considerations  

 

 

   

Page 85: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 84 of 126  

Anoxic Tank Design using the Specific Denitrification Rate (SDNR)  

 

   

Page 86: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 85 of 126  

 

Page 87: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 86 of 126  

 

Kinetic Coefficients  

Page 88: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 87 of 126  

 

   

Page 89: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 88 of 126  

Design Steps 

 

Page 90: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 89 of 126  

 

Page 91: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 90 of 126  

Example 

 

Page 92: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 91 of 126  

 

Page 93: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 92 of 126  

 

Page 94: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 93 of 126  

 

Page 95: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 94 of 126  

 

 

 

 

 

4.2.2. ATV‐131 Method  

Page 96: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 95 of 126  

Plants with Nitrification and Nitrification‐Denitrification  

Step 1 – Calculation of the Sludge Age  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 97: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 96 of 126  

Plants with Nitrification 

 

Page 98: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 97 of 126  

Plants with Nitrification – Denitrification 

 

Page 99: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 98 of 126  

Step 2 – Calculation of the Proportion of Reactor Volume for Denitrification 

 

Page 100: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 99 of 126  

 

Page 101: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 100 of 126  

 

   

Page 102: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 101 of 126  

Step 3 – Calculation of the Sludge Production  

 

Page 103: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 102 of 126  

 

 

 

 

Page 104: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 103 of 126  

Step 4 – Calculation of Biological Reactor Volume 

 

 

   

Page 105: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 104 of 126  

Step 5 – Calculation of Required Recirculation and Cycle Time  

 

   

Page 106: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 105 of 126  

Step 6 – Calculation of Oxygen Requirements 

 

Page 107: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 106 of 126  

 

 

 

 

Page 108: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 107 of 126  

 

Page 109: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 108 of 126  

 

Step 7 – Calculation of Alkalinity  

Page 110: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 109 of 126  

 

   

Page 111: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 110 of 126  

4.2.3. CEDEX Method    

Page 112: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 111 of 126  

4.3. Phosphorus Biological Removal (BPR) (Bio‐P)  

4.3.1. Metcalf and Eddy Method  

Process Design Considerations  

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 113: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 112 of 126  

Wastewater Characteristics 

 

   

Page 114: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 113 of 126  

 

 

 

   

Page 115: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 114 of 126  

Anaerobic Contact Time 

 

Solids Retention Time (SRT)  

 

 

 

   

Page 116: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 115 of 126  

Waste Sludge Processing 

 

 

   

Page 117: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 116 of 126  

Chemical Addition Capability  

 

 

   

Page 118: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 117 of 126  

Process Control 

 

Effect of Dissolved Oxygen and Nitrate in Recycle Flows  

 

Effect of Recycle Streams with Released Phosphorus  

Page 119: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 118 of 126  

 

Effluent Suspended Solids  

 

 

Solids Separation Facilities  

 

Page 120: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 119 of 126  

Methods to Improve Phosphorus‐Removal Efficiency in BPR Systems 

 

   

Page 121: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 120 of 126  

 

 

Biological Phosphorus‐Removal Process Performance  

Page 122: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 121 of 126  

 

 

   

Page 123: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 122 of 126  

Example  

 

   

Page 124: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 123 of 126  

 

Page 125: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 124 of 126  

 

   

Page 126: Wastewater Engineering - Notes for Design of Activated Sludge Processes

Wastewater Engineering ‐ Notes for Design of Activated Sludge Processes 

Alfonso José García Laguna    Page 125 of 126  

5. Bibliography  

1. Wastewater Engineering Treatment and Reuse (4th  Edition) ‐ Metcalf & Eddy   

2. Handbook Biological Wastewater Treatment ‐ Design of Activated Sludge Systems (2nd Edition) ‐ Adrianus van Haandel and Jeroen van der Lubbe 

  

3. STANDARD ATV‐DVWK‐A 131E  ‐ (May 2000) ‐ Dimensioning of Single‐Stage Activated Sludge Plants ‐ German Association for Water, Wastewater and Waste  

4. XXV Course about Wastewater Treatment and O&M of WWTPs – (November 2007) ‐ CEDEX – Spain Government – Ministry of Environment and Ministry of Infrastructures 

 5. ONDEO DEGREMONT – Water Treatment Handbook