3Lecture;Waste Water Characteristics

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L E C T U R E 3 - W a s t e w a t e r c h a r a c t e r i s t i c s a n dW a s t e W a t e r c o m p o s i t i o nM s . N a d e e k a M i g u n t a n n a , S e n i o r L e c t u r e r ,F a c u l t y o f E n g i n e e r i n g , U n i v e r s i t y o f R u h u n an a d e e 8 3 0 @ g m a i l . c o m 1L e a r n i n g O u t c o m e sO n c o m p l e t i o n o f t h i s u n i t y o u s h o u l d b e a b l e t o :• U n d e r s t a n d t h e i m p o r t a n c e o f w a t e r a n d w a s t e w a t e rt r a n s f e r a n d t r e a t m e n t .• U n d e r s t a n d t h e p r i n c i p l e s o f u n i t p r o c e s s e s i n w a t e r a n dw a s t e w a t e r t r e a t m e n t i n c l u d i n g : p h y s i c a l , c h e m i c a l , a n db i o l o g i c a l t r e a t m e n t p r i n c i p l e s a n d t h e i m p a c t s o f w a t e rp o l l u t a n t s o n h u m a n h e a l t h a n d t h e e n v i r o n m e n t .• A p p l y t h e f u n d a m e n t a l p r i n c i p l e s o f w a t e r a n dw a s t e w a t e r t r e a t m e n t i n d e s i g n i n g w a t e r a n d w a s t e w a t e rt r e a t m e n t s c h e m e s t o r e m o v e p o l l u t a n t s . 2

C o n t e n t�

W a s t e w a t e r c o l l e c t i o n a n d t r e a t m e n t•• I n t r o d u c t i o n a n d T e r m i n o l o g yI n t r o d u c t i o n a n d T e r m i n o l o g y••

W a s t e w a t e r f l o w r a t e sW a s t e w a t e r f l o w r a t e s••

W a s t e w a t e r c h a r a c t e r i s t i c sW a s t e w a t e r c h a r a c t e r i s t i c s••

W a s t e w a t e r c o m p o s i t i o nW a s t e w a t e r c o m p o s i t i o n•

W a s t e w a t e r c h a r a c t e r i z a t i o n s t u d i e s• P r i m a r y a n d s e c o n d a r y t r e a t m e n t o f w a s t e w a t e r3

S o u r c e s o f W a s t e w a t e r( M a j o r C o m p o n e n t s )1 . D o m e s t i c : f o o d , s o a p a n d d e t e r g e n t s ,b a t h r o o m ( f e c a l a n d u r i n e ) , a n d p a p e r .2 . C o m m e r c i a l : b a t h r o o m a n d f o o d f r o mr e s t a u r a n t s a n d o t h e r “ s t o r e s . ”3 . I n d u s t r i a l : h i g h l y v a r i a b l e , d e p e n d e n t o ni n d u s t r y , c o n t r o l l e d b y p r e - t r e a t m e n tr e g u l a t i o n s .4 . R u n o f f f r o m s t r e e t s : s a n d a n d p e t r o l e u ma n d t i r e r e s i d u e s ( i n f i l t r a t i o n , n o t a d i r e c td i s c h a r g e ) . 4

1 1 / 4 / 2 0 1 1

2

5S o u r c e s o f W a s t e

• D o m e s t i c w a s t e w a t e r– R e s i d e n c e s , n o n - i n d u s t r i a lb u s i n e s s e s , i n s t i t u t i o n s– R e l a t i v e l y u n i f o r m i nc o m p o s i t i o n

• I n d u s t r i a l w a s t e w a t e r– I n d u s t r i e s a n d c o m m e r c i a l u s e r s– V a r i a b l e i n c o m p o s i t i o n– M a y c o n t a i n t o x i c s u b s t a n c e s

C h a r a c t e r i s t i c s o f W a s t e• D o m e s t i c W a s t e w a t e r– 9 9 . 9 4 % w a t e r– 0 . 0 6 % w a s t e

• C h a r a c t e r i s t i c s d e p e n d o n n a t u r e o f s o u r c e•

W i d e v a r i a t i o n s b e t w e e n w a s t e s t r e a m s• S e a s o n a l v a r i a t i o n s w i t h i n o n e w a s t e s t r e a m 6

T y p e s o f W a s t e• O r g a n i c– P l a n t o r a n i m a l o r i g i n– C o n t a i n o r g a n i c c a r b o n– B i o d e g r a d a b l e

• I n o r g a n i c– M a t e r i a l s o f n o n - o r g a n i c o r i g i n– S a n d , s i l t , n u t r i e n t s , m e t a l s , s a l t s– R e s i s t a n t t o d e c o m p o s i t i o n 7 8

1 1 / 4 / 2 0 1 1

3

♦ I n o r d e r t o d i s p o s e o f f t h e w a s t e w a t e r , i t s h o u l dm e e t s o m e s t a n d a r d s s e t b y l o c a l a u t h o r i t i e s .W i t h t h e s e s t a n d a r d s w a s t e w a t e r s h o u l d b et r e a t e d . M o r e t h a n o n e t r e a t m e n t i s n e e d e d t oa c h i e v e t h e d e s i r e d c h a n g e i n q u a l i t y . T h u s , i t i s ac h a i n p r o c e s s e s o p e r a t i n g i n s e q u e n c e . 9

W a s t e w a t e r C h a r a c t e r i s t i c sT h e n a t u r e o f w a s t e w a t e r d e p e n d o n t h e w a t e ru s a g e i n t h e c o m m u n i t y , t h e i n d u s t r i a l a n dc o m m e r c i a l a n d r e s i d e n t i a l c o n t r i b u t i o n s , w e a t h e ra n d i n f i l t r a t i o n / i n f l o w .A n u n d e r s t a n d i n g o f i t s p h y s i c a l , c h e m i c a l , a n db i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f w a s t e w a t e r i s i n c r u c i a li m p o r t a n c e .D e s i g n , o p e r a t i o n a n d m a n a g e m e n t o f c o l l e c t i o n ,D e s i g n , o p e r a t i o n a n d m a n a g e m e n t o f c o l l e c t i o n ,t r e a t m e n t a n d p r o p e r d i s p o s a l o f w a s t e w a t e r .t r e a t m e n t a n d p r o p e r d i s p o s a l o f w a s t e w a t e r . 1 0

M a n y o f t h e p h y s i c a l p r o p e r t i e s a n d c h e m i c a l a n db i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s a r e i n t e r r e l a t e d . F o re x a m p l e , t e m p e r a t u r e , a p h y s i c a l p r o p e r t y , a f f e c t sb o t h t h e a m o u n t s o f g a s e s d i s s o l v e d i n t h ew a s t e w a t e r a n d t h e b i o l o g i c a l a c t i v i t y i n t h ew a s t e w a t e r … . . .T h e r e f o r e , h i g h a t t e n t i o n f o r a l l t h e p a r a m e t e r st o g e t h e r i s i m p o r t a n t r a t h e r t h a n t h i n k i n g o f t h e ms e p a r a t e l y . 1 1

C l a s s i f i c a t i o n o f w a s t e w a t e rc h a r a c t e r i s t i c s P h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c sC h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sB i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s 1 2

1 1 / 4 / 2 0 1 1

4

I n t e r m s o f C o n c e n t r a t i o n s w a s t e w a t e rc h a r a c t e r i z e w a s t e w a t e r a s :•

w e a k ,•

m e d i u m , a n d•

s t r o n g .1 3 1 4

P h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s�

S o l i d s�

P a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n� O d o r s� T e m p e r a t u r e�

C l o u r�

D e n s i t y� T u r b i d i t y

T h e p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f w a s t e w a t e r i n c l u d e t h o s e i t e m s t h a tc a n b e d e t e c t e d u s i n g t h e p h y s i c a l s e n s e s1 5

� C o l o r– R a w w a s t e w a t e r : g r a y .– A f t e r m o r e a n a e r o b i c c o n d i t i o n s a r e d e v e l o p e d , i tt u r n s t o d a r k g r a y a n d u l t i m a t e l y , t o b l a c k .– P r e t r e a t m e n t a n d i n d u s t r i a l i n p u t s a f f e c t c o l o r– W h e n t h e c o l o r o f w a s t e w a t e r i s b l a c k , i t i s c a l l e d' s e p t i c ' .– T h e s e c o l o r s a r e d u e t o f o r m a t i o n o f m e t a l l i cs u l p h i d e s . T h e s u l p h i d e s p r o d u c e d i n t h ea n a e r o b i c c o n d i t i o n s r e a c t w i t h m e t a l s i n t h ew a s t e w a t e r t o p r o d u c e m e t a l l i c s u l p h i d e s .

P h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s C o n t d :1 6

1 1 / 4 / 2 0 1 1

5

� O d o rR a w w a s t e w a t e r : m u s t y o d o rO d o r s i n d o m e s t i c w a s t e w a t e r u s u a l l y a r e c a u s e d b yg a s e s p r o d u c e d b y t h e d e c o m p o s i t i o n o f o r g a n i cm a t t e r o r b y s u b s t a n c e s a d d e d t o t h e w a s t e w a t e r .I n d u s t r i a l w a s t e w a t e r m a y c o n t a i n e i t h e r o d o r o u sc o m p o u n d s o r c o m p o u n d s t h a t p r o d u c e o d o r s d u r i n gt h e p r o c e s s o f w a s t e w a t e r t r e a t m e n t .O d o r s h a v e b e e n r a t e d a s t h e f o r e m o s t c o n c e r n o f t h ep u b l i c r e l a t i v e t o t h e i m p l e m e n t a t i o n o f w a s t e w a t e rt r e a t m e n t f a c i l i t i e s .P h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s C o n t d :

1 7P h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s C o n t d :O d o r C o n t d :W i t h i n t h e p a s t f e w y e a r s , t h e c o n t r o l o f o d o r s h a sb e c o m e a m a j o r c o n s i d e r a t i o n i n t h e d e s i g n a n do p e r a t i o n o f w a s t e w a t e r c o l l e c t i o n , t r e a t m e n t , a n dd i s p o s a l f a c i l i t i e s , e s p e c i a l l y w i t h r e s p e c t t o t h ep u b l i c a c c e p t a n c e o f t h e s e f a c i l i t i e s .I n m a n y a r e a s , p r o j e c t s h a v e b e e n r e j e c t e d b e c a u s eo f t h e c o n c e r n o v e r t h e p o t e n t i a l f o r o d o r s . 1 8

�E f f e c t s o f O d o r sE f f e c t s o f o d o r s i s r e l a t e d p r i m a r i l y t o t h ep s y c h o l o g i c a l s t r e s s r a t h e r t h a n t o t h e h a r m t h e y d ot o t h e b o d y .O f f e n s i v e o d o r s c a n c a u s e p o o r a p p e t i t e f o r f o o d ,l o w e r e d w a t e r c o n s u m p t i o n , i m p a i r e d r e s p i r a t i o n ,n a u s e a a n d v o m i t i n g , a n d m e n t a l p e r t u r b a t i o n , a n dc a n l e a d t o t h e d e t e r i o r a t i o n o f p e r s o n a l a n dc o m m u n i t y p r i d e , i n t e r f e r e w i t h h u m a n r e l a t i o n s ,d i s c o u r a g e c a p i t a l i n v e s t m e n t , l o w e r s o c i o e c o n o m i cs t a t u s , a n d d e t e r g r o w t h .T h e s e p r o b l e m s c a n r e s u l t i n a d e c l i n e i n m a r k e ta n d r e n t a l p r o p e r t y v a l u e s , t a x r e v e n u e s , p a y r o l l s ,a n d s a l e s . 1 9

P h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s C o n t d :O d o r C o n t d :2 0

1 1 / 4 / 2 0 1 1

6

O d o r s i n W a s t e w a t e r T r e a t m e n t P l a n t

2 1� T e m p e r a t u r e• T h e t e m p e r a t u r e o f w a s t e w a t e r i s m o s t p r o b a b l y h i g h e r t h a n t h a to f t h e w a t e r s u p p l y .• T h a t i s b e c a u s e o f a d d i t i o n o f w a r m w a t e r f r o m h o u s e h o l d s a n di n d u s t r i a l a c t i v i t i e s .• I t e f f e c t s o n c h e m i c a l r e a c t i o n s a n d r e a c t i o n r a t e s , a q u a t i c l i f ea n d s u i t a b i l i t y o f t h e w a t e r f o r b e n e f i c i a l u s e s .• E l e v a t e d t e m p e r a t u r e :

– M a k e s o x y g e n l e s s s o l u b l e i n w a t e r ( D e p l e t i o n i n d i s s o l v e do x y g e n ) .– C a n c a u s e a c h a n g e i n t h e s p e c i e s o f f i s h t h a t c a n e x i s t i n t h ew a t e r b o d y r e c e i v i n g t h e w a s t e w a t e r .– I n c r e a s e s t h e r a t e o f b i o c h e m i c a l r e a c t i o n s .


�T u r b i d i t y• Turbidity is a measure of the light-

transmitting properties of water.

• The colloidal and residual suspended

matter cause turbidity.


�T u r b i d i t y i s a n i s s u e b e c a u s e :1 . I t “ l o o k s ” b a d – h u m a n a e s t h e t i c .2 . I t c a u s e s f i l t e r c o n t a m i n a t i o n – f i n a n c i a la e s t h e t i c .3 . I t c a u s e s i n t e r f e r e n c e i n a n a l y s i s , e s p e c i a l l yo p t i c a l – c h e m i s t ’ s a e s t h e t i c2 4

1 1 / 4 / 2 0 1 1

7

25

M e a s u r e m e n t o f T u r b i d i t y� T h e s m a l l e r t h e v a l u eo b t a i n e d f r o m t h i sm e t h o d , t h e l e s s t u r b i dt h e w a t e r� I n g e n e r a l , a t u r b i d i t yv a l u e o f > 4 0 N T U f o r a tl e a s t t w e n t y - f o u r h o u r si n d i c a t e s a p r o b l e m� A t u r b i d i m e t e r i s a n o p t i c a l d e v i c e t h a t m e a s u r e s t h e s c a t t e r i n g o f l i g h t ,a n d p r o v i d e s a r e l a t i v e m e a s u r e o f t u r b i d i t y i n N e p h e l o m e t e r T u r b i d i t yU n i t s ( N T U s )T u r b i d m e t e r c a n b e u s e d t o m e a s u r e t u r b i d i t y i n t h e u n i t s o f N T U o rJ T U .

� D e n s i t y• The density of a wastewater sample is the

mass for unit volume.

• This is temperature dependent.

• This value varies with the concentration of

the total solids in the wastewater.


� I n f o r m a t i o n o n p a r t i c l e s i z e i s o f i m p o r t a n c e i n a s s e s s i n gt h e e f f e c t i v e n e s s o f t r e a t m e n t p r o c e s s e s ( e . g . , s e c o n d a r ys e d i m e n t a t i o n , e f f l u e n t f i l t r a t i o n a n d e f f l u e n t d i s i n f e c t i o n ) .� T h e b i o l o g i c a l c o n v e r s i o n r a t e o f t h e s e p a r t i c l e s i sd e p e n d e n t o n s i z e .� A t t a c h m e n t o f o t h e r p o l l u t a n t s t o t h e s o l i d s i s d e p e n d e n to n p a r t i c l e s i z e sT h e m e t h o d s u s e d m o s t c o m m o n l y t o s t u d y a n d q u a n t i f y t h ep a r t i c l e s i n w a s t e w a t e r a r e s e r i a l f i l t r a t i o n , e l e c t r o n i c p a r t i c l ec o u n t i n g , a n d m i c r o s c o p i c o b s e r v a t i o n .

P h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s C o n t d :� P a r t i c l e S i z e D i s t r i b u t i o n

2 7 2 8

1 1 / 4 / 2 0 1 1

8

S o l i d s : w h o c a r e s ?• B i o l o g i c a l t r e a t m e n t d e m a n d– L o t s o f o r g a n i c s a s s o c i a t e d w i t h s o l i d s– H a s t o b e a c c o u n t e d f o r i n d e s i g n

• P h y s i c a l d e m a n d– S o l i d s t a k e u p s p a c e i n t a n k s– S e t t l e a b l e s o l i d s d i c t a t e i n i t i a l t r e a t m e n t s t e p s– S a n d a n d “ g r i t ” w e a r s p u m p s a n d p i p e s– A t t e n u a t e U V l i g h t d u r i n g d i s i n f e c t i o n

• Q u a n t i t y o f u l t i m a t e r e s i d u e ( s l u d g e o r b i o s o l i d s )a f f e c t e d b y i n f l u e n t s o l i d sP h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s C o n t d :

2 9� S o l i d s� S o l i d s c o m p r i s e m a t t e r o f s u s p e n d e d o r d i s s o l v e d i nw a t e r a n d w a s t e w a t e r .� R e m o v a l f r o m w a s t e w a t e r i s c r i t i c a l

• D e c r e a s e e f f i c i e n c y o f d i s i n f e c t i o n s y s t e m s• C l o g s u r f a c e i r r i g a t i o n e q u i p m e n t

� S o l i d s a r e d i v i d e d i n t o s e v e r a l d i f f e r e n t f r a c t i o n s ;P h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s C o n t d :

3 0

S a m p l eI m h o f fC o n eS e t t a l e a b l eS o l i d s T SE v a p o r a t i o nF i l t e r ( G l a s sF i b e r )E v a p o r a t i o n o f F i l t e r E v a p o r a t i o n o f F i l t r a t eM u f f l e O v e n M u f f l e O v e nV S S F S S V D S F D ST V ST S S T D ST F ST S�

T S - T o t a l S o l i d s�

T S S - T o t a l S u s p e n d e d S o l i d s�

T D S - T o t a l D i s s o l v e d S o l i d s� V S S - V o l a t i l e S u s p e n d e d S o l i d s� F S S - F i x e d S u s p e n d e d S o l i d s� V D S - V o l a t i l e D i s s o l v e d S o l i d s� F D S - F i x e d D i s s o l v e d S o l i d s�

T V S - T o t a l V o l a t i l e S o l i d s�

T F S - T o t a l F i x e d S o l i d s 3 2

1 1 / 4 / 2 0 1 1

9

S o l i d s C o n t d :��

T o t a l s o l i d s ( T S )T o t a l s o l i d s ( T S )– M a t e r i a l l e f t a f t e r e v a p o r a t i o n o f w a s t e w a t e r– I n c l u d e s d i s s o l v e d a n d s u s p e n d e d s o l i d sT S = T D S + T S ST S = T D S + T S S

�� D e t e r m i n a t i o n o f t o t a l s o l i d s :D e t e r m i n a t i o n o f t o t a l s o l i d s : --– A w e l l m i x e d s a m p l e i s e v a p o r a t e d i n a w e i g h e dd i s h a n d d r i e d t o a c o n s t a n t w e i g h t i n a n o v e n a t1 0 3 ° C t o 1 0 5 ° C . T h e i n c r e a s e i n w e i g h t o v e r t h a to f t h e e m p t y d i s h r e p r e s e n t s t h e t o t a l s o l i d s . 3 3

S o l i d s C o n t d :W h e r e , A = W e i g h t o f d r i e d r e s i d u e p l u s d i s h , m gB = W e i g h t o f d i s h m g1 0 0 0 = C o n v e r s i o n o f 1 0 0 0 m l / L

�� C a l c u l a t i o n o f T SC a l c u l a t i o n o f T S3 4

T o t a l s o l i d s ( T S ) , o r r e s i d u e u p o n e v a p o r a t i o n , c a n b ef u r t h e r c l a s s i f i e d a s n o n f i l t e r a b l e ( s u s p e n d e d - T S S ) o rf i l t e r a b l e ( d i s s o l v e d - T D S ) s o l i d s .S o l i d s C o n t d :T S T D ST S S

3 5

S o l i d s C o n t d :��

T o t a l s u s p e n d e d s o l i d s ( T S S )T o t a l s u s p e n d e d s o l i d s ( T S S )– T h e s o l i d s r e m a i n i n g o n a g l a s s - f i b e r f i l t e r p a p e ra f t e r a k n o w n v o l u m e o f a w a s t e w a t e r i s p a s s e dt h r o u g h t h e f i l t e r p a p e r .– R e m o v e d b y p h y s i c a l , b i o l o g i c a l o r c h e m i c a lp r o c e s s e s

3 6

1 1 / 4 / 2 0 1 1

1 0

�� D e t e r m i n a t i o n o f s u s p e n d e d s o l i d s :D e t e r m i n a t i o n o f s u s p e n d e d s o l i d s : --• A well-mixed sample is filtered through aweighed standard glass- fiber filter paper andthe residue retained on the filter is dried to aconstant weight at 103°C to 105 °C.

• The increase in weight of the filter represents thetotal suspended solids.

• Nominal pore size of the filter paper is 1.2-2micrometers.

S o l i d s C o n t d :

3 7

D e t e r m i n a t i o n o f s u s p e n d e d s o l i d s :D e t e r m i n a t i o n o f s u s p e n d e d s o l i d s : --c o n t dc o n t d ::3 8

S o l i d s C o n t d :W h a t m a n 9 3 4 - A H G l a s s M i c r o f i b e rf i l t e r s a r e d e s i g n e d f o rt h e a n a l y s i s o f s u s p e n d e d s o l i d s .A g e n e r a l i z e d p r o t o c o l f o r t h e a n a l y s i s o fs u s p e n d e d s o l i d s w i t h W h a t m a n 9 3 4 - A HG l a s s M i c r o f i b e r f i l t e r s . 3 9

�� C a l c u l a t i o n o f T S SC a l c u l a t i o n o f T S SS o l i d s C o n t d :W h e r e , C = W e i g h t o f f i l t e r p a p e r a n d c r u c i b l e p l u s d r i e dr e s i d u e , m gD = W e i g h t o f f i l t e r p a p e r a n d c r u c i b l e , m g 4 0

1 1 / 4 / 2 0 1 1

1 1

��T o t a l d i s s o l v e d s o l i d s ( T D S )T o t a l d i s s o l v e d s o l i d s ( T D S ) -- F i l t e r a b l e S o l i d sF i l t e r a b l e S o l i d s– S o l i d s t h a t p a s s t h r o u g h v e r y f i n e f i l t e r– D i f f i c u l t t o r e m o v e f r o m w a s t e w a t e rS o l i d s C o n t d :

4 1�� D e t e r m i n a t i o n o f f i l t e r a b l e s o l i d s :D e t e r m i n a t i o n o f f i l t e r a b l e s o l i d s : --•

A w e l l - m i x e d s a m p l e i s f i l t e r e d t h r o u g h as t a n d a r d g l a s s - f i b e r f i l t e r p a p e r a n d t h ef i l t r a t e i s e v a p o r a t e d t o d r y n e s s i n a w e i g h e dd i s h a n d d r i e d t o a c o n s t a n t w e i g h t a t 1 8 0 ° C .•

T h e i n c r e a s e i n w e i g h t r e p r e s e n t s t h e t o t a lf i l t e r a b l e s o l i d s .S o l i d s C o n t d :

4 2

�� C a l c u l a t i o n o f T D SC a l c u l a t i o n o f T D SS o l i d s C o n t d :W h e r e , E = W e i g h t o f d r i e d r e s i d u e p l u s d i s h , m gF = W e i g h t o f d i s h , m g 4 3

S o l i d s C o n t d :�� V o l a t i l e a n d f i x e d s o l i d sV o l a t i l e a n d f i x e d s o l i d s• T h e o r g a n i c f r a c t i o n o f s o l i d s i s c a l l e d t h e v o l a t i l es o l i d s .• T h i s w i l l o x i d i z e a n d b e d r i v e n o f f a s g a s a t t h et e m p e r a t u r e 5 5 0

° C ±5 0° C .i . e . V o l a t i l e S o l i d s = s o l i d s b u r n e d a w a y @ 5 5 0 – 6 0 0

°C

• T h e i n o r g a n i c f r a c t i o n r e m a i n s i n a s h .T h eT h e o r g a n i co r g a n i c f r a c t i o nf r a c t i o n p r e s e n tp r e s e n t i ni n t h et h e s u s p e n d e ds u s p e n d e d s o l i d ss o l i d s i si s c a l l e dc a l l e dv o l a t i l ev o l a t i l e s u s p e n d e ds u s p e n d e d s o l i d ss o l i d s a n da n d t h et h e i n o r g a n i ci n o r g a n i c f r a c t i o nf r a c t i o n i ni ns u s p e n d e ds u s p e n d e d s o l i d ss o l i d s i si s d e n o t e dd e n o t e d a sa s f i x e df i x e d s u s p e n d e ds u s p e n d e d s o l i d ss o l i d s .. 4 4

1 1 / 4 / 2 0 1 1

1 2

�� D e t e r m i n a t i o n o f v o l a t i l e a n d f i x e d s o l i d s /D e t e r m i n a t i o n o f v o l a t i l e a n d f i x e d s o l i d s /S u s p e n d e d s o l i d s :S u s p e n d e d s o l i d s : --• The residue from the total solid test is ignited to a

constant weight at 550°C.

• The remaining solids represent the total fixed solidswhile the weightweightweightweight lostlostlostlost onononon ignitionignitionignitionignition isisisis thethethethe totaltotaltotaltotal volatilevolatilevolatilevolatile solidssolidssolidssolids.

• The residue from the suspended solids test is ignited to aconstant weight at 550°C.

• The remaining solids represents the fixed suspendedsolids while thethethethe weightweightweightweight lostlostlostlost onononon ignitionignitionignitionignition isisisis thethethethe volatilevolatilevolatilevolatilesuspendedsuspendedsuspendedsuspended solidssolidssolidssolids.... 4 5

•S e t t l e a b l e s o l i d s r e f e r s t o t h o s e s o l i d s t h a t w i l l f o r ms e d i m e n t i f n o t s t i r r e d u p . C a n b e d e t e r m i n e d b ys i m p l y a l l o w i n g t h e m a t e r i a l t o s i t i n a n I m h o f f c o n ef o r a n h o u r .

• I t i s e x p r e s s e d a s m L / L .• T h i s i s a p p r o x i m a t e l y t h e q u a n t i t y o f s l u d g e t h a t i sr e m o v e d b y p r i m a r y s e d i m e n t a t i o n .

S o l i d s C o n t d :�� S e t t l e a b l eS e t t l e a b l e s o l i d ss o l i d s

4 6

I m h o f f c o n e f o r s e t t l e a b l e s o l i d sS o l i d s C o n t d :4 7 4 8

1 1 / 4 / 2 0 1 1

1 3

S o l i d s - S u m m a r yD e f i n e d b y r e s i d u e r e m a i n i n g f o l l o w i n g t e s t– T S : w h a t ’ s l e f t a f t e r e v a p o r a t i n g a t 1 0 3

° C - 1 0 5° C

– T V S : t h e T S t h a t c o m b u s t / i g n i t e a t 5 0 0° C

– T F S : r e s i d u e o f T S t h a t r e m a i n s a f t e r c o m b u s t i o n /i g n i t i o n– T S S : d r y ( 1 0 3

° C - 1 0 5° C ) s o l i d s r e t a i n e d o nf i l t e r ( 1 . 2 - 2 µ m )

–V S S : c o m b u s t i b l e T S S

– F S S : n o n c o m b u s t i b l e T S S– T D S : d r y s o l i d s t h a t p a s s t h r o u g h f i l t e r–

V D S a n d F D S ( a s a b o v e )– S e t t l e a b l e s o l i d s : w h a t s e t t l e s o u t o v e r a s e t t i m e p e r i o d4 9

E X A M P L E 1 :T h e f o l l o w i n g t e s t r e s u l t s w e r e o b t a i n e d f o r a w a s t e w a t e r s a m p l e t a k e na t t h e h e a d w o r k s t o a w / w t r e a t m e n t p l a n t . A l l o f t h e t e s t s w e r ep e r f o r m e d u s i n g a s a m p l e o f 5 0 m l . D e t e r m i n e t h e c o n c e n t r a t i o n o ft o t a l s o l i d s , t o t a l v o l a t i l e s o l i d s , s u s p e n d e d s o l i d s , a n d v o l a t i l es u s p e n d e d s o l i d s . T h e s a m p l e s u s e d i n t h e s o l i d a n a l y s i s w e r e a l l e i t h e re v a p o r a t e d , d r i e d , o r i g n i t e d t o c o n s t a n t w e i g h t .I n i t i a l M a s s o f t h e e v a p o r a t i n g d i s h - 5 3 . 5 4 3 3 gM a s s o f t h e e v a p o r a t i n g d i s h p l u s r e s i d u e a f t e re v a p o r a t i o n a t 1 0 5 o C - 5 3 . 5 7 9 3 gM a s s o f t h e e v a p o r a t i n g d i s h p l u s r e s i d u e a f t e ri g n i t i o n a t 5 5 0 o C - 5 3 . 5 7 7 2 gI n i t i a l m a s s o f W h a t m a n G f / C f i l t e r - 1 . 5 4 3 3 gR e s i d u e o n W h a t m a n G f / C f i l t e r a f t e r d r y i n g a t 1 0 5 o C - 1 . 5 5 5 3 gR e s i d u e o n W h a t m a n G f / C f i l t e r a f t e r i g n i t i o n a t 5 5 0 o C - 1 . 5 5 3 1 g 5 0

I . D e t e r m i n e T o t a l S o l i d sW h e r e , A = W e i g h t o f d r i e d r e s i d u e p l u s d i s h , m gB = W e i g h t o f d i s h m g1 0 0 0 = C o n v e r s i o n o f 1 0 0 0 m l / L

A n s w e r5 1

A n s w e r C o n t d :

5 2

1 1 / 4 / 2 0 1 1

1 4

I I D e t e r m i n e v o l a t i l e S o l i d sTheTheTheThe weightweightweightweight lostlostlostlost onononon ignitionignitionignitionignition ––––VolatileVolatileVolatileVolatile SolidsSolidsSolidsSolids (VS)(VS)(VS)(VS)


5 3M a s s o f t h e e v a p o r a t i n g d i s h p l u s r e s i d u e a f t e re v a p o r a t i o n a t 1 0 5 o C - 5 3 . 5 7 9 3 gM a s s o f t h e e v a p o r a t i n g d i s h p l u s r e s i d u e a f t e ri g n i t i o n a t 5 5 0 o C - 5 3 . 5 7 7 2 g I I I D e t e r m i n e t h e S u s p e n d e d S o l i d s ( S S )A n s w e r C o n t d :

5 4I n i t i a l m a s s o f W h a t m a n G f / C f i l t e r - 1 . 5 4 3 3 gR e s i d u e o n W h a t m a n G f / C f i l t e r a f t e r d r y i n g a t 1 0 5 o C - 1 . 5 5 5 3 g

I V D e t e r m i n e t h e V o l a t i l e S u s p e n d e d S o l i d s ( V S S )A n s w e r C o n t d :5 5

R e s i d u e o n W h a t m a n G f / C f i l t e r a f t e r d r y i n g a t 1 0 5 o C -1 . 5 5 5 3 gR e s i d u e o n W h a t m a n G f / C f i l t e r a f t e r i g n i t i o n a t 5 5 0 o C -1 . 5 5 3 1 gE X A M P L E 2 :1 L o f w a s t e w a t e r i s c o l l e c t e d . 1 h o u r s e t t l i n g i n a n I m h o f fc o n e r e s u l t s i n 1 5 . 3 m L o f s e d i m e n t . T h e r e m a i n i n g l i q u i d i sd e c a n t e d a n d f i l t e r e d u s i n g a 1 m i c r o n f i l t e r ( i n i t i a l w e i g h t2 . 0 4 6 0 g ) , t h e s o l i d i s o l a t e d i n t h e I m h o f f c o n e i s d r i e d a t 1 0 5 ° Ca n d f o u n d t o w e i g h t 2 0 . 0 2 1 0 g . T h e f i l t e r p a p e r i s d r i e d a n dw e i g h e d = 2 . 1 0 5 2 g . T h e r e m a i n i n g l i q u i d i s e v a p o r a t e d a n dd r i e d a t 1 0 5 ° C r e s u l t i n g i n 1 . 2 3 7 5 g o f r e s i d u e . F u r t h e r d r y i n ga t 1 8 0 ° C r e s u l t s i n 0 . 9 4 6 7 g o f r e m a i n i n g r e s i d u e f r o m t h ee v a p o r a t i o n . A l l t h r e e r e s i d u e s w e r e c o m b i n e d a n d i g n i t e d a t5 5 0 ° C , r e s u l t i n g i n 6 . 4 5 4 7 g o f r e s i d u e .F i n d t h e c o n c e n t r a t i o n o f s e t t l e a b l e s o l i d s , s u s p e n d e d s o l i d s ,t o t a l s o l i d s , t o t a l v o l a t i l e s o l i d s , a n d t o t a l d i s s o l v e d s o l i d s ?( W i t h a p p r o p r i a t e u n i t s . ) 5 6

1 1 / 4 / 2 0 1 1

1 5

A n s w e rC o n c e n t r a t i o n o f s e t t l e a b l e s o l i d s ?A s g i v e n i n t h e p r o b l e m1 h o u r s e t t l i n g i n a n I m h o f f c o n e r e s u l t s i n 1 5 . 3m l o f s e d i m e n t .T h e s e t t l e a b l e s o l i d s a r e e a s y t o m e a s u r e - t h e y c o m ed i r e c t l y f r o m t h e I m h o f f c o n e :1 5 . 3 m L s e d i m e n t / 1 L w a s t e w a t e rT h e r e f o r e , 1 5 . 3 m L / L s e t t l e a b l e s o l i d s . 5 7A s g i v e n i n t h e p r o b l e mT h e r e m a i n i n g l i q u i d i s d e c a n t e d a n d f i l t e r e du s i n g a 1 m i c r o n f i l t e r ( i n i t i a l w e i g h t 2 . 0 4 6 0 g ) ,t h e s o l i d i s o l a t e d i n t h e I m h o f f c o n e i s d r i e d a t1 0 5 ° C a n d f o u n d t o w e i g h 2 0 . 0 2 1 0 g . T h e f i l t e rp a p e r i s d r i e d a n d w e i g h e d = 2 . 1 0 5 2 g .

C o n c e n t r a t i o n o f s u s p e n d e d s o l i d s ?A n s w e r C o n t d :5 8

S u s p e n d e d s o l i d s a r e e q u a l l y e a s y t o d e t e r m i n e , b u tt h e y S O M E T I M E S I N C L U D E S E T T L E A B L E S O L I D S ( u s u a l l yf o r n a t u r a l s y s t e m s w h e r e t i m e i s l e s s l i m i t e d ) :I n c l u d i n g s e t t l e a b l e s o l i d s , t o t a l s u s p e n d e d s o l i d s= 2 0 . 0 2 1 0 g + ( 2 . 1 0 5 2 g - 2 . 0 4 6 0 g )= 2 0 . 0 8 0 2 gC o n c e n t r a t i o n o f S u s p e n d e d s o l i d s = 2 0 . 0 8 0 2 g / L= 2 0 , 0 8 0 . 2 m g / LE x c l u d i n g s e t t l e a b l e s o l i d s , t o t a l s u s p e n d e d s o l i d s= 2 . 1 0 5 2 g - 2 . 0 4 6 0 g = 0 . 0 5 9 2 gC o n c e n t r a t i o n o f S u s p e n d e d s o l i d s = 0 . 0 5 9 2 g / 1 L= 5 9 . 2 m g / L


5 9C o n c e n t r a t i o n o f t o t a l s o l i d s ?A s g i v e n i n t h e p r o b l e mT h e r e m a i n i n g l i q u i d i s e v a p o r a t e d a n d d r i e d a t1 0 5 ° C r e s u l t i n g i n 1 . 2 3 7 5 g o f r e s i d u e .

A n s w e r C o n t d :T o t a l s o l i d s w o u l d i n c l u d e e v e r y t h i n g l e f t a f t e r d r y i n g a t1 0 5 ° C ( s e t t l e a b l e + s u s p e n d e d + d r i e d r e s i d u e ) :T o t a l s o l i d s m a s s = 2 0 . 0 8 0 2 g + 1 . 2 3 7 5 g= 2 1 . 3 1 7 7 gC o n c e n t r a t i o n o f t o t a l s o l i d s = 2 1 . 3 1 7 7 g / L= 2 1 , 3 1 7 . 7 m g / L 6 0

1 1 / 4 / 2 0 1 1

1 6

F u r t h e r d r y i n g a t 1 8 0 ° C r e s u l t s i n 0 . 9 4 6 7 g o fr e m a i n i n g r e s i d u e f r o m t h e e v a p o r a t i o n .C o n c e n t r a t i o n o f d i s s o l v e d s o l i d s ?A n s w e r C o n t d :A s g i v e n i n t h e p r o b l e mT o t a l d i s s o l v e d s o l i d s a r e t h o s e l e f t a f t e r f i l t e r i n ga n d 1 8 0 C d r y i n g ( E X C L U D I N G t h es u s p e n d e d / s e t t l e a b l e ) :T o t a l d i s s o l v e d s o l i d s = 0 . 9 4 6 7 g= 0 . 9 4 6 7 g / 1 L= 9 4 6 . 7 m g / L 6 1A l l t h r e e r e s i d u e s w e r e c o m b i n e d a n d i g n i t e da t 5 5 0 ° C , r e s u l t i n g i n 6 . 4 5 4 7 g o f r e s i d u e .C o n c e n t r a t i o n o f t o t a l v o l a t i l e s o l i d s ?A n s w e r C o n t d :A s g i v e n i n t h e p r o b l e m

6 . 4 5 4 7 g r e s i d u e = 6 . 4 5 4 7 g f i x e d s o l i d s ( B YD E F I N I T I O N )T o t a l s o l i d s = 2 1 . 3 1 7 7 gT o t a l s o l i d s = f i x e d + v o l a t i l e2 1 . 3 1 7 7 = 6 . 4 5 4 7 + v o l a t i l eV o l a t i l e s o l i d s = 1 4 . 8 6 3 0 g 6 2

C o n c e n t r a t i o n o f T o t a l f i x e d s o l i d s = 6 . 4 5 4 7 g / 1 L= 6 4 5 4 . 7 m g / LC o n c e n t r a t i o n o f T o t a l v o l a t i l e s o l i d s = 1 4 . 8 6 3 0 g / 1 L= 1 4 , 8 6 3 . 0 m g / LA n s w e r C o n t d :

6 3C h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c s

O rgani c matt er I norgani c matt er G asses6 4

1 1 / 4 / 2 0 1 1

1 7

•O r g a n i c c o m p o u n d s a r e n o r m a l l y c o m p o s e do f a c o m b i n a t i o n o f c a r b o n , h y d r o g e n , a n do x y g e n t o g e t h e r w i t h n i t r o g e n i n s o m ec a s e s .

•O t h e r i m p o r t a n t e l e m e n t s , s u c h a s s u l p h u r ,p h o s p h o r u s , a n d i r o n , m a y a l s o b e p r e s e n t .

C h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c s c o n t d :O r g a n i c m a t t e r6 5

• T h e p r i n c i p a l g r o u p s o f o r g a n i c c o m p o u n d s f o u n d i nw a s t e w a t e r a r e :�

P r o t e i n s� C a r b o h y d r a t e s�

F a t o i l s a n d g r e a s e�

S u r f a c t a n t s�

P r i o r i t y p o l l u t a n t s� V o l a t i l e o r g a n i c c o m p o u n d s�

P e s t i c i d e s a n d a g r i c u l t u r a l c h e m i c a l sO r g a n i c m a t t e r C o n t d :

6 6

T h e a m o u n t o f o r g a n i c m a t t e r p r e s e n td e t e r m i n e s :• T h e a m o u n t o f O 2 n e e d e d f o r b i o l o g i c a lt r e a t m e n t• T h e s i z e o f w a s t e t r e a t m e n t f a c i l i t y n e e d e d• T h e e f f i c i e n c y o f t h e t r e a t m e n t p r o c e s s 6 7

• T h e r e a r e t h r e e m e t h o d s c o m m o n l y u s e di n d e t e r m i n i n g g r o s s o r g a n i c c o n t e n t .–

C h e m i c a l O x y g e n D e m a n d ( C O D )– T o t a l O r g a n i c C a r b o n ( T O C )–

B i o c h e m i c a l O x y g e n D e m a n d ( B O D )O r g a n i c m a t t e r C o n t d :

6 8

1 1 / 4 / 2 0 1 1

1 8

Chemical Oxygen Demand(COD)

• A m o u n t o f o r g a n i c m a t t e r o x i d i z e d b yc h e m i c a l o x i d a n t• A n o t h e r w a y t o m e a s u r e o r g a n i c c o n t e n t–

R e s u l t s i n 3 – 4 h o u r s• T y p i c a l l y h i g h e r t h a n B O D–

B u t n o t a d i r e c t c o r r e l a t i o n– N e e d t o e s t a b l i s h r a t i o s 6 9

Total Organic Carbon ( TOC )

•T O C i s m e a s u r e d u s i n g a T O C a n a l y z e r . T h es a m p l e i s c o m b u s t e d a n d o r g a n i c c a r b o nq u a n t i f i e d u s i n g i n f r a r e d d e t e c t i o n

.

7 0

B i o c h e m i c a l ( B i o l o g i c a l ) O x y g e n D e m a n d( B O D )• R a t e t h a t o r g a n i s m s u s e o x y g e n t o b r e a k d o w no r g a n i c m a t t e r .• H i g h l e v e l s i n d i c a t e h i g h l e v e l s o f o r g a n i c m a t t e r .• T h e B O D t e s t w a s d e v e l o p e d i n 1 9 3 0 ’ s . T h i s i s af i v e d a y t e s t t h a t m e a s u r e s t h e a m o u n t o f O 2c o n s u m e d i n a w a s t e w a t e r s a m p l e b y a m i x e dp o p u l a t i o n o f h e t e r o t r o p h i c b a c t e r i a i n t h e d a r ka t 2 0 o C .• B O D o f i n f l u e n t d e t e r m i n e s p r e a p p l i c a t i o nt r e a t m e n t• B O D 5 t e s t t a k e s 5 d a y s 7 1

Biochemical Oxygen Demand ( BOD)

� D e f i n i t i o n : T h e a m o u n t o f d i s s o l v e d o x y g e n u t i l i z e d( d e m a n d ) b y m i c r o b e s d u r i n g t h e d e g r a d a t i o n o f o r g a n i cm a t t e r t o C O 2 a n d H 2 O u n d e r a e r o b i c c o n d i t i o n s u n d e rp a r t i c u l a r t e m p e r a t u r e a n d i n c u b a t i o n p e r i o d .� B O D o f w a s t e w a t e r i s t y p i c a l l y 1 1 0 - 4 4 0 m g / L a n d m u s t b er e d u c e d t o 2 0 m g / L f o r d i s c h a r g e . 7 2

1 1 / 4 / 2 0 1 1

1 9

• S t a n d a r d B O D - B O D P o l l u t i o ns t r e n g t h o fw a s t e w a t e rO r g a n i c m a t t e r + D . O + h e t e r o t r o p i c m i c r o b e sC O 2 + H 2 O + m o r e c e l l s + E n e r g y2 0 ° C5 d a y s

7 32 2 2Organic matter + O CO +H O + cell mass→C CB i o c h e m i c a l O x y g e n D e m a n d ( B O D ) e x e r t e d b yd u r i n g b a c t e r i a l o x i d a t i o n( 2 5 % )( 7 5 % )B O D i s d i f f i c u l t t o c a l c u l a t e s o a n e x p e r i m e n t a lp r o c e d u r e i s u s e d t o m e a s u r e i t . 7 4

7 5D i s s o l v e d O x y g e n ( D O )

• A m o u n t o f o x y g e n d i s s o l v e d i nw a t e r– P r e s e n c e o f D O• A e r o b i c c o n d i t i o n s

– A b s e n c e o f D O• A n a e r o b i c c o n d i t i o n s

• M o s t w a s t e w a t e r t r e a t m e n tp r o c e s s e s– R e q u i r e a e r o b i c c o n d i t i o n s– C a n n o t o c c u r i n a n a e r o b i cc o n d i t i o n s 7 6

D i s s o l v e d O x y g e n ( D O )•

A d e q u a t e l e v e l s– A l l o w b i o l o g i c a l t r e a t m e n t– M i n i m i z e o b j e c t i o n a b l e o d o r s

•L o w l e v e l s c a n i n d i c a t e– I n a d e q u a t e a e r a t i o n–

E x c e s s i v e a m o u n t s o f o r g a n i c m a t e r i a l ( B O D )

1 1 / 4 / 2 0 1 1

2 0

L a b o r a t o r y – B O D T e s t• P r o v i d e m i c r o b e s w i t h D . O a n d m e a s u r e D . Oc o n s u m p t i o n a f t e r 5 d a y s i n a c l o s e d e n v i r o n m e n t( B O D b o t t l e )•

A l s o p r o v i d e a l l n u t r i e n t s f o r t h e g r o w t h( D o m e s t i c w a s t e w a t e r i s a n e x c e p t i o n )B O D = [ ( D . O ) i - ( D . O ) f ] × D i l u t i o n f a c t o rI f ( D . O ) i = 9 . 0 m g / L ( S a t u r a t i o n l e v e l @ 2 0 ° C ) 7 7M e a s u r e m e n t o f B O D• S t a n d a r d i z e d• N e e d :

� I n c u b a t o r� B o t t l e s� D O m e t e r� D i l u t i o n w a t e r� S e e d ( o p t . )E x p r e s s e d i n m g / L7 8

E s s e n t i a l s f o r B O D T e s t�

D i s s o l v e d O x y g e n ( D . O o r D )� O r g a n i c M a t t e r�

M i c r o o r g a n i s m s� N u t r i e n t s

7 9B O D T e s t C o n t d :

• C a s e 1( D . O ) f = 5 . 0 m g / lB O D = ( 9 . 0 - 5 . 0 ) * 1 = 4 . 0 m g / l• C a s e 2( D . O ) f = 0 . 0 m g / lB O D = ( 9 . 0 - 0 . 0 ) * 1 = 9 . 0 m g / l I n v a l i d r e s u l t ,B O D c a n n o t b e d e t e r m i n e d .S o t h i s c a l l s f o r d i l u t i o n o f s a m p l e .T e s t t o b e v a l i d ( D . O ) f 1 . 0 m g / l 8 0

1 1 / 4 / 2 0 1 1

2 1

• C a s e 3( D . O ) f = 8 . 8 m g / lB O D = ( 9 . 0 - 8 . 8 ) * 1 = 0 . 2 m g / l I n v a l i d r e s u l t ,T e s t t o b e v a l i d ( D . O ) c o n s u m p t i o n ≥ 2 . 0 m g / lB O D T e s t C o n t d :

8 1c o n t d :

• 5 - d a y ( B O D 5 ) a n d 2 0 - d a y ( B O D 2 0 )• C a r b o n a c e o u s ( C B O D )• N i t r o g e n o u s ( N B O D )•

U l t i m a t e ( U B O D )B i o c h e m i c a l O x y g e n D e m a n d ( B O D )

�D i f f e r e n t M e a s u r e m e n t s o f B O D

8 2

C a l c u l a t i o n o f B O D� U n d i l u t e d s a m p l em g B O D / L = D 1 - D 2W h e r e , D 1 = I n i t i a l D i s s o l v e d O x y g e nD 2 = F i n a l D i s s o l v e d O x y g e n a f t e r 5 d a y s� D i l u t e d s a m p l e : I f d i l u t i o n w a t e r i s n o t s e e d e dA

B 8 3A i rE s s e n t i a ln u t r i e n t s( N , P , K , F e , e t c . )a n d o t h e ra d d i t i v e sG l a s s c o n t a i n e r( ≈ 2 0 L ) D i s t i l l e dw a t e rA i r s t o n eU n s e e d e dd i l u t i o nw a t e r

D i l u t i o n w a t e r( 3 0 0 m l - V s ) T e s t ( w a s t e ) s a m p l e ,V s ,c o n t a i n i n g o r g a n i cm a t t e r a n d a na d e q u a t e n u m b e r o fb a c t e r i a ( v o l u m e o ft e s t s a m p l e d e p e n d so n e s t i m a t e d B O D )G l a s s s t o p p e r e dB O D b o t t l e( v o l u m e = 3 0 0 m l )B O D b o t t l e f i l l e d w i t h t e s ts a m p l e p l u s u n s e e d e dd i l u t i o n w a t e r ( u n s e e d e dt e s t s a m p l e )P r o c e d u r e f o r s e t t i n g u p B O D t e s t b o t t l e s - w i t hu n s e e d e d d i l u t i o n w a t e r

1 1 / 4 / 2 0 1 1

2 2

E x a m p l e : 5 m l w a s t e w a t e r i s a d d e d t o a 3 0 0 m l B O Df l a s kD i = 8 m g / L D f = 2 m g / LP = 5 = 0 . 0 1 6 73 0 0 B O D = 8 – 2 = 3 5 9 m g / L0 . 0 1 6 7

B O D = D 1 – D 2P8 5

� D i l u t e d s a m p l e : I f d i l u t i o n w a t e r i s s e e d e dW h e n t e s t i n g w a t e r s w i t h l o w c o n c e n t r a t i o n so f m i c r o o r g a n i s m s , a s e e d e d B O D t e s t i sc o n d u c t e d .T h e o r g a n i s m s c o n t a i n e d i n t h e e f f l u e n t f r o mp r i m a r y s e d i m e n t a t i o n f a c i l i t i e s a r e u s e dc o m m o n l y a s t h e s e e d f o r t h e B O D t e s t . S e e do r g a n i s m s c a n a l s o b e o b t a i n e d c o m m e r c i a l l y .W h e n t h e s a m p l e c o n t a i n s a l a r g e p o p u l a t i o no f m i c r o o r g a n i s m s ( e . g . , u n t r e a t e d w a s t e w a t e r ) ,s e e d i n g i s n o t n e c e s s a r y . 8 6

E s s e n t i a ln u t r i e n t s a n da d d i t i v e s A i r D i l u t i o n w a t e r( 3 0 0 m l - V s )B O D b o t t l e f i l l e d w i t h t e s ts a m p l e p l u s s e e d e d d i l u t i o nw a t e r ( s e e d e d t e s t s a m p l e )S e e d e dd i l u t i o nw a t e r

B a c t e r i a( s e e d ) D i s t i l l e dw a t e r D i l u t i o n w a t e r( 3 0 0 m l ) T e s t ( w a s t e ) s a m p l e ,V s ,c o n t a i n i n g o r g a n i cm a t t e r a n d n ob a c t e r i a o r a l i m i t e dn u m b e r o f b a c t e r i aB O D b o t t l e f i l l e d w i t hs e e d e d d i l u t i o n w a t e r( s e e d e d b l a n k )

P r o c e d u r e f o r s e t t i n g u p B O D t e s t b o t t l e s - w i t hs e e d e d d i l u t i o n w a t e r8 8

1 1 / 4 / 2 0 1 1

2 3

O R�D i l u t e d s a m p l e : I f d i l u t i o n w a t e r i s s e e d e dC o n t d : CD

8 9 9 0

B O D T e s t C o n t d :�

L o n g e r t i m e p e r i o d s ( t y p i c a l l y 7 d a y s ) , w h i c h c o r r e s p o n dt o w o r k s c h e d u l e s , a r e o f t e n u s e d , e s p e c i a l l y i n s m a l lp l a n t s w h e r e t h e l a b o r a t o r y s t a f f i s n o t a v a i l a b l e o n t h ew e e k e n d s .�

T h e 2 0 t e m p e r a t u r e u s e d i s a n a v e r a g e v a l u e f o r s l o w -m o v i n g s t r e a m s i n t e m p e r a t e c l i m a t e s a n d i s e a s i l yd u p l i c a t e d i n a n i n c u b a t o r .�

A f t e r i n c u b a t i o n , t h e d i s s o l v e d o x y g e n o f t h e s a m p l e i sm e a s u r e d a n d t h e B O D i s c a l c u l a t e d u s i n g o n e o f t h ea b o v e f o r m u l a s A , B o r ( C o r D ) .�

W i t h i n a 2 0 - d a y p e r i o d , t h e o x i d a t i o n o f t h ec a r b o n a c e o u s o r g a n i c m a t t e r i s a b o u t 9 5 t o 9 9 p e r c e n tc o m p l e t e , a n d i n t h e 5 - d a y p e r i o d u s e d f o r t h e B O D t e s t ,o x i d a t i o n i s f r o m 6 0 t o 7 0 p e r c e n t c o m p l e t e . 9 1 T i m e ( d a y s )O x y g e nc o n s u m e d 5 2 0

B O D LB O D 5B O D 5 = 2 / 3 B O D LE f f e c t o f p a r t i c l e s i z e o n B O D R e a c t i o n R a t e sT h e o b s e r v e d B O D r e a c t i o n r a t e c o e f f i c i e n t s a r e a f f e c t e ds i g n i f i c a n t l y b y t h e s i z e o f t h e p a r t i c l e s i n w a s t e w a t e r . 9 2

1 1 / 4 / 2 0 1 1

2 4

T h e l i m i t a t i o n s o f t h e B O D t e s t a r e :( 1 ) A h i g h c o n c e n t r a t i o n o f a c t i v e , a c c l i m a t e d s e e db a c t e r i a i s r e q u i r e d ;( 2 ) P r e t r e a t m e n t i s n e e d e d w h e n d e a l i n g w i t h t o x i cw a s t e s , a n d t h e e f f e c t s o f n i t r i f y i n g o r g a n i s m s m u s tb e r e d u c e d ;( 3 ) O n l y t h e b i o d e g r a d a b l e o r g a n i c s a r e m e a s u r e d ;( 4 ) T h e r e l a t i v e l y l o n g p e r i o d o f t i m e r e q u i r e d t o o b t a i nt e s t r e s u l t s .O f t h e a b o v e , p e r h a p s t h e m o s t s e r i o u s l i m i t a t i o n i s t h a tt h e 5 - d a y p e r i o d m a y o r m a y n o t c o r r e s p o n d t o t h e p o i n tw h e r e t h e s o l u b l e o r g a n i c m a t t e r t h a t i s p r e s e n t h a s b e e nu s e d . 9 3K i n e t i c A s p e c t s o f B O D

• M i c r o b e s c o n s u m e o r g a n i c m a t t e r a s af u n c t i o n o f t i m e ( N o i n s t a n t a n e o u sc o n s u m p t i o n o f D O )• B O D e x e r t i o n / O r g a n i c m a t t e r c o n s u m p t i o n• F i r s t o r d e r e q u a t i o n

9 4

K – B O D r a t e i s c o n s t a n tL 0 i s U l t i m a t e o x y g e n d e m a n d . O x y g e n f o r t h eo x i d a t i o n o f i n i t i a l o r g a n i c m a t t e r ( f i r s t s t a g e B O D ,m g / l )L i s B O D r e m a i n i n g a f t e r t i m e t d a y s , m g / lK i s d e o x y g e n a t i o n r a t ee i s b a s e o f n a t u r a l l o g a r i t h m 9 5

F o r m a t i o n o f t h e f i r s t s t a g e B O D c u r v e

9 6O M w h a t e v e r r e m a i n i n g i n t h e s y s t e ma f t e r t i m e tB O D E x e r t e d

1 1 / 4 / 2 0 1 1

2 5

C a r b o n a c e o u s & N i t r o g e n o u s B O D9 7

Nitrification in the BOD test

• N o n - c a r b o n a c e o u s m a t t e r , s u c h a s a m m o n i a , i sp r o d u c e d d u r i n g t h e h y d r o l y s i s o f p r o t e i n s .• T w o g r o u p s o f a u t o t r o p h i c b a c t e r i a a r e c a p a b l e o fo x i d i z i n g a m m o n i a t o n i t r i t e a n d s u b s e q u e n t l y t on i t r a t e .

N i t r i f i c a t i o n o c c u r s I f n i t r o g e n i s p r e s e n t , a s o r g a n i c n i t r o g e n o ra s a m m o n i a9 8

• T h e o x y g e n d e m a n d a s s o c i a t e d w i t h t h e o x i d a t i o n o f a m m o n i a t o n i t r a t e i sc a l l e d t h e n i t r o g e n o u s b i o c h e m i c a l o x y g e n d e m a n d ( N B O D ) .• B e c a u s e t h e r e p r o d u c t i v e r a t e o f n i t r i f y i n g b a c t e r i a i s s l o w , i t n o r m a l l y t a k e sf r o m 6 t o 1 0 d a y s f o r t h e m t o r e a c h s i g n i f i c a n t n u m b e r s a n d t o e x e r t am e a s u r a b l e o x y g e n d e m a n d .• W h e n n i t r i f i c a t i o n o c c u r s , B O D t e s t i s e r r o n e o u s .• H o w e v e r , i f a s u f f i c i e n t n u m b e r o f n i t r i f y i n g b a c t e r i a a r e p r e s e n t i n i t i a l l y ,t h e i n t e r f e r e n c e c a u s e d b y n i t r i f i c a t i o n c a n b e s i g n i f i c a n t .• T h e i n t e r f e r e n c e c a u s e d b y t h e p r e s e n c e o f n i t r i f y i n g b a c t e r i a f o r C B O D t e s tc a n b e e l i m i n a t e d b y p r e t r e a t m e n t o f t h e s a m p l e o r b y t h e u s e o f i n h i b i t o r ya g e n t s .• P r e t r e a t m e n t p r o c e d u r e s i n c l u d e p a s t e u r i z a t i o n , c h l o r i n a t i o n a n d a c i dt r e a t m e n t . 9 9

E X A M P L E 3F o r a B O D t e s t 7 5 m l o f a w a s t e w a t e r s a m p l e i su s e d i n t h e 3 0 0 m l o f B O D b o t t l e s w i t h o u ts e e d i n g w i t h t h r e e d u p l i c a t i o n s . T h e i n i t i a l D O i nt h r e e B O D b o t t l e s r e a d 8 . 8 6 , 8 . 8 8 a n d 8 . 8 3 m g / Lr e s p e c t i v e l y . T h e D O l e v e l s a f t e r 5 d a y s a t 2 0 ° Ci n c u b a t i o n a r e 5 . 4 9 , 5 . 6 5 a n d 5 . 5 3 m g / Lr e s p e c t i v e l y . F i n d t h e 5 - d a y B O D ( B O D 5 ) f o r t h ew a s t e w a t e r s a m p l e . 1 0 0

1 1 / 4 / 2 0 1 1

2 6

A n s w e rD i l u t e d , b u t n o t s e e d e d1 0 1

A i rE s s e n t i a ln u t r i e n t s( N , P , K , F e , e t c . )a n d o t h e ra d d i t i v e sG l a s s c o n t a i n e r( ≈ 2 0 L ) D i s t i l l e dw a t e rA i r s t o n eU n s e e d e dd i l u t i o nw a t e rD i l u t i o n w a t e r( 3 0 0 m l - V s ) T e s t ( w a s t e ) s a m p l e ,V s ,c o n t a i n i n g o r g a n i cm a t t e r a n d a na d e q u a t e n u m b e r o fb a c t e r i a ( v o l u m e o ft e s t s a m p l e d e p e n d so n e s t i m a t e d B O D )G l a s s s t o p p e r e dB O D b o t t l e( v o l u m e = 3 0 0 m l )B O D b o t t l e f i l l e d w i t h t e s ts a m p l e p l u s u n s e e d e dd i l u t i o n w a t e r ( u n s e e d e dt e s t s a m p l e )

P r o c e d u r e f o r s e t t i n g u p B O D t e s t b o t t l e s - w i t hu n s e e d e d d i l u t i o n w a t e r

T e s t 1D 1 = 8 . 8 6 m g / L ; D 2 = 5 . 4 9 m g / Lp = 7 5 / 3 0 0 = 0 . 2 51 0 3

T e s t 2D 1 = 8 . 8 8 m g / L ; D 2 = 5 . 6 5 m g / Lp = 7 5 / 3 0 0 = 0 . 2 51 0 4

1 1 / 4 / 2 0 1 1

2 7

T e s t 3D 1 = 8 . 8 3 m g / L ; D 2 = 5 . 5 3 m g / Lp = 7 5 / 3 0 0 = 0 . 2 51 0 5

A n s w e r C o n t d :A s t h e s e a r e d u p l i c a t e d s a m p l e s w e c a n u s e a v e r a g ev a l u e o f a l l B O D 5 v a l u e s a s t h e B O D 5 o f t h e s a m p l e .1 0 6

E X A M P L E 4T h e f o l l o w i n g i n f o r m a t i o n i s a v a i l a b l e f o r as e e d e d 5 d a y B O D t e s t c o n d u c t e d o n aw a s t e w a t e r s a m p l e . 1 5 m l o f t h e w a s t e s a m p l ew a s a d d e d d i r e c t l y i n t o a 3 0 0 m l B O D i n c u b a t i o nb o t t l e . T h e i n i t i a l D O o f t h e d i l u t e d s a m p l e w a s8 . 8 m g / l a n d t h e f i n a l D O a f t e r 5 d a y s w a s 1 . 9m g / l . T h e c o r r e s p o n d i n g i n i t i a l a n d f i n a l D O o ft h e s e e d e d d i l u t i o n w a t e r w a s 9 . 1 a n d 7 . 9 m g / lr e s p e c t i v e l y . W h a t i s t h e 5 d a y B O D ( B O D 5 ) o ft h e w a s t e w a t e r s a m p l e ? 1 0 7E s s e n t i a ln u t r i e n t s a n da d d i t i v e s A i r D i l u t i o n w a t e r( 3 0 0 m l - V s )

B O D b o t t l e f i l l e d w i t h t e s ts a m p l e p l u s s e e d e d d i l u t i o nw a t e r ( s e e d e d t e s t s a m p l e )S e e d e dd i l u t i o nw a t e rB a c t e r i a( s e e d ) D i s t i l l e dw a t e r D i l u t i o n w a t e r( 3 0 0 m l ) T e s t ( w a s t e ) s a m p l e ,V s ,c o n t a i n i n g o r g a n i cm a t t e r a n d n ob a c t e r i a o r a l i m i t e dn u m b e r o f b a c t e r i a

B O D b o t t l e f i l l e d w i t hs e e d e d d i l u t i o n w a t e r( s e e d e d b l a n k )P r o c e d u r e f o r s e t t i n g u p B O D t e s t b o t t l e s - w i t hs e e d e d d i l u t i o n w a t e r

S e e dC o n t r o l V s = 1 5 m l

1 1 / 4 / 2 0 1 1

2 8

A n s w e rS e e d e d 5 d a y B O D t e s tS t e p 1 – C o m p u t e f a n d p1 0 9

A n s w e r C o n t d :1 1 0

T h e w a s t e w a t e r i s d i l u t e d b y a f a c t o r o f 1 / 2 0u s i n g s e e d e d c o n t r o l w a t e r . D O l e v e l s i n t h es a m p l e a n d c o n t r o l b o t t l e s a r e m e a s u r e d a t 1 –d a y i n t e r v a l s . T h e r e s u l t s a r e s h o w n i n T a b l e .O n e m i l l i l i t e r o f s e e d m a t e r i a l i s a d d e d d i r e c t l yt o d i l u t e d a n d t o c o n t r o l b o t t l e s . F i n d d a i l y B O Dv a l u e s .E X A M P L E 5

1 1 1C h a n g e i n D i s s o l v e d O x y g e n a n dB i o l o g i c a l O x y g e n D e m a n d w i t h t i m eT i m ed a y s D i s s o l v e d O x y g e n , m g / LD i l u t e d S a m p l e S e e d e d c o n t r o l B O D , m g / L0 7 . 9 8 8 . 2 5 -1 5 . 0 5 8 . 1 8 5 7 . 22 4 . 1 3 8 . 1 2 7 4 . 43 3 . 4 2 8 . 0 7 8 7 . 64 2 . 9 5 8 . 0 3 9 6 . 25 2 . 6 0 7 . 9 9 1 0 2 . 46 2 . 3 2 7 . 9 6 1 0 7 . 47 2 . 1 1 7 . 9 3 1 1 1 . 0 1 1 2

1 1 / 4 / 2 0 1 1

2 9

S t e p 1 – C o m p u t e f a n d pA n s w e r

1 1 3F i n d B O D s f o r e a c h d a yA n s w e r C o n t d :

D a y 1 :1 1 4

D a y 2 : A n s w e r C o n t d :F o r t h e o t h e r d a y s a l s o B O D c a n b e d e t e r m i n e d i n t h es a m e m a n n e r . T h e r e s u l t s o f B O D s a r e p r e s e n t e d i n t h eT a b l e . I t c a n b e s e e n t h a t B O D 5 f o r t h i s w a s t e w a t e r i s1 0 2 . 4 m g / l 1 1 5

�A l k a l i n i t y

� A l k a l i n i t y i n w a s t e w a t e r r e s u l t s f r o m t h e p r e s e n c e o f t h eh y d r o x i d e s [ O H - ] , c a r b o n a t e s [ C O 3 2 - ] , a n d b i c a r b o n a t e s [ H C O 3 - ]o f e l e m e n t s s u c h a s c a l c i u m , m a g n e s i u m , s o d i u m , p o t a s s i u m ,a n d a m m o n i a . O f t h e s e , c a l c i u m a n d m a g n e s i u m b i c a r b o n a t e sa r e m o s t c o m m o n .� T h e a l k a l i n i t y i n w a s t e w a t e r h e l p s t o r e s i s t c h a n g e s i n p Hc a u s e d b y t h e a d d i t i o n o f a c i d s .� A l k a l i n i t y i s d e t e r m i n e d b y t i t r a t i n g a g a i n s t a s t a n d a r da c i d .� I n p r a c t i c e , a l k a l i n i t y i s e x p r e s s e d i n t e r m s o f c a l c i u mc a r b o n a t e . 3 m e q / L ( m i l l i e q u i v a l e n t s p e r l i t e r ) o f a l k a l i n i t yw o u l d b e e x p r e s s e d a s 1 5 0 m g / L a s C a C O 3 .

C h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c s c o n t d :I n o r g a n i c m a t t e r1 1 6

1 1 / 4 / 2 0 1 1

3 0

�H e a v y m e t a l sI n o r g a n i c m a t t e r C o n t d :• I n o r g a n i c c h e m i c a l e l e m e n t s– S t a b l e c o m p o u n d s t h a t r e s i s t d e c o m p o s i t i o n– S o m e a r e e s s e n t i a l n u t r i e n t s f o r p l a n t s a n da n i m a l s– T o x i c a t h i g h c o n c e n t r a t i o n s– L o w l e v e l s u s u a l l y i n d o m e s t i c w a s t e w a t e r– H i g h l e v e l s m o r e c o m m o n i n i n d u s t r i a l w w 1 1 7 1 1 8

H e a v y M e t a l s C o n t d :• M e t a l s o f c o n c e r n– C a d m i u m – M o l y b d e n u m– A r s e n i c – L e a d– C o p p e r – M a n g a n e s e– M e r c u r y – N i c k e l– Z i n c

� N u t r i e n t s :• T h e e l e m e n t s w h i c h a r e e s s e n t i a l t o t h e g r o w t h o f p l a n t sa n d a s s u c h a r e k n o w n a s n u t r i e n t s o r b i o - s t i m u l a n t s .• N u t r i e n t s a r e c h e m i c a l c o m p o u n d s s u c h a s n i t r o g e n ,p h o s p h o r u s , c a r b o n , c a l c i u m , p o t a s s i u m , i r o n a n dm a n g a n e s e .• E x c e s s n u t r i e n t s c a n b e c o n s i d e r e d a s p o l l u t a n t s w h e nt h e i r c o n c e n t r a t i o n s a r e s u f f i c i e n t t o a l l o w e x c e s s i v eg r o w t h o f a q u a t i c p l a n t s s u c h a s a l g a e .• N u t r i e n t e n r i c h m e n t w h i c h i s r e f e r r e d t o a se u t r o p h i c a t i o n c a n l e a d t o b l o o m s o f a l g a e w h i c he v e n t u a l l y d i e a n d d e c o m p o s e r e s u l t i n g i n o x y g e nd e p l e t i o n .• F r o m a w a t e r q u a l i t y p e r s p e c t i v e , n u t r i e n t s t h a t p l a yt h e m o s t v i t a l r o l e i n t h e d e t e r i o r a t i o n o f w a t e r q u a l i t ya r e n i t r o g e n a n d p h o s p h o r o u s . 1 1 9 1 2 0

� N i t r o g e n ( N )• F o u r f o r m s o f N o c c u r i n w a s t e w a t e r– O r g a n i c n i t r o g e n– A m m o n i a ( N H 3 ) / a m m o n i u m ( N H 4 + )– N i t r i t e ( N O 2 - )– N i t r a t e ( N O 3 - )

•O r g a n i c N i s c o n v e r t e d t o N H 4 +

• N H 4 + i s t h e n c o n v e r t e d t o N O 2 - a n d N O 3 -T h e c h e m i s t r y o f n i t r o g e n i s c o m p l e x b e c a u s e o f t h e s e v e r a lo x i d a t i o n s t a t e s .

1 1 / 4 / 2 0 1 1

3 1

1 2 1N i t r o g e n ( N ) c o n t d :

• T o t a l N– O r g a n i c N + N H 3 + N O 2 - + N O 3 -

• T o t a l K j e l d a h l N ( T K N ) - T o t a l K j e l d a h l n i t r o g e n i st h e t o t a l o f t h e o r g a n i c a n d a m m o n i a n i t r o g e n .( O r g a n i c N + N H 3 )• T o d e t e r m i n e o r g a n i c N , N H 3 m u s t b em e a s u r e d a n d s u b t r a c t e d f r o m T K N

• P l a n t a v a i l a b l e N ( P A N )– N t h a t i s r e a d i l y a v a i l a b l e t o p l a n t s– N H 4 + & N O 3 -

T o t a l = ( T K N ) + ( N O 2 - + N O 3 - ) �A m m o n i a n i t r o g e n e x i s t s i n a q u e o u s s o l u t i o n a s e i t h e rt h e a m m o n i u m i o n ( N H 4 + ) o r a m m o n i a g a s ( N H 3 ) ,d e p e n d i n g o n t h e p H o f t h e s o l u t i o n .

�N i t r i t e n i t r o g e n , d e t e r m i n e d c o l o r i m e t r i c a l l y , i sr e l a t i v e l y u n s t a b l e o x i d i z e d t o t h e n i t r a t e f o r m . N i t r i t ec a n b e v e r y i m p o r t a n t i n w a s t e w a t e r o r w a t e r p o l l u t i o ns t u d i e s b e c a u s e i t i s e x t r e m e l y t o x i c t o m o s t f i s h a n do t h e r a q u a t i c s p e c i e s . N i t r i t e s p r e s e n t i n w a s t e w a t e re f f l u e n t s a r e o x i d i z e d b y c h l o r i n e a n d t h u s i n c r e a s e t h ec h l o r i n e d o s a g e r e q u i r e m e n t s a n d t h e c o s t o fd i s i n f e c t i o n .

�T h e U . S . E P A p r i m a r y d r i n k i n g w a t e r s t a n d a r d s l i m i tn i t r o g e n t o 4 5 m g / L a s N O 3 - , b e c a u s e o f i t s s e r i o u s a n do c c a s i o n a l l y f a t a l e f f e c t s o n i n f a n t s . N i t r a t e s m a y v a r yi n c o n c e n t r a t i o n f r o m 0 t o 2 0 m g / L a s N i n w a s t e w a t e re f f l u e n t s .

N i t r o g e n ( N ) c o n t d :

1 2 2

� D e c o m p o s i t i o n b y b a c t e r i a r e a d i l y c h a n g e s t h e o r g a n i cf o r m t o a m m o n i a . T h e a g e o f w a s t e w a t e r i s i n d i c a t e db y t h e r e l a t i v e a m o u n t o f a m m o n i a t h a t i s p r e s e n t .�

T h e p r e d o m i n a n c e o f n i t r a t e n i t r o g e n i n w a s t e w a t e ri n d i c a t e s t h a t t h e w a s t e h a s b e e n s t a b i l i z e d w i t hr e s p e c t t o o x y g e n d e m a n d . N i t r a t e s , h o w e v e r , c a n b eu s e d b y p l a n t s a n d a n i m a l s t o f o r m p r o t e i n .N i t r o g e n ( N ) c o n t d :

1 2 3�

P h o s p h o r u s•

O r i g i n a t e s f r o m w a s t e s a n d p h o s p h a t eb u i l d e r s i n d e t e r g e n t s a n d s o a p p o w d e r s .• M u n i c i p a l w a s t e w a t e r s m a y c o n t a i n f r o m 4 t o1 6 m g / L o f p h o s p h o r u s a s P .•

T h r e e m a j o r f o r m s i n w a s t e w a t e r :– O r t h o p h o s p h a t e ( s o l u b l e )– O r g a n i c p h o s p h a t e ( s o l u b l e a n d p a r t i c u l a t e )– P o l y p h o s p h a t e ( h y d r o l y s e t o f o r mo r t h o p h o s p h a t e )O r g a n i c s ( B O D ) l i m i t s N a n d P r e d u c t i o n . A d v a n c e dt r e a t m e n t i s r e q u i r e d t o r e m o v e e x c e s s i v e N a n d P . 1 2 4

1 1 / 4 / 2 0 1 1

3 2

• L o g o f H + i o n s i n s o l u t i o n– 7 i s n e u t r a l– < 7 i n d i c a t e s a c i d c o n d i t i o n s– > 7 i n d i c a t e s b a s i c c o n d i t i o n s

• D o m e s t i c w a s t e w a t e r– R a n g e s f r o m 6 . 5 t o 7 . 5

• R a p i d c h a n g e s– K i l l b a c t e r i a– P o o r w a s t e w a t e r t r e a t m e n t

�p H

1 2 5

�Sulfur

�T h e s u l f a t e i o n o c c u r s n a t u r a l l y i n m o s t w a t e r s u p p l i e sa n d i s p r e s e n t i n w a s t e w a t e r a s w e l l . S u l f u r i s r e q u i r e d i nt h e s y n t h e s i s o f p r o t e i n s a n d i s r e l e a s e d i n t h e i rd e g r a d a t i o n .

�H y d r o g e n s u l f i d e g a s , w h i c h w i l l d i f f u s e i n t o t h eh e a d s p a c e a b o v e t h e w a s t e w a t e r s e w e r s t h a t a r e n o tf l o w i n g f u l l , t e n d s t o c o l l e c t a t t h e c r o w n o f t h e p i p e .T h e a c c u m u l a t e d H 2 S c a n t h e n b e o x i d i z e d b i o l o g i c a l l yt o s u l f u r i c a c i d , w h i c h i s c o r r o s i v e t o c o n c r e t e s e w e rp i p e s . T h i s c o r r o s i v e e f f e c t , k n o w n a s " c r o w n r o t , " c a ns e r i o u s l y t h r e a t e n e d t h e s t r u c t u r a l i n t e g r i t y o f t h es e w e r p i p e .

�S u l f a t e s m a y u p s e t t h e b i o l o g i c a l p r o c e s s i f t h e s u l f i d ec o n c e n t r a t i o n e x c e e d s 2 0 0 m g / L . I f b u r n e d i n g a se n g i n e s , t h e p r o d u c t s o f c o m b u s t i o n c a n d a m a g e t h ee n g i n e . 1 2 6

G a s e s c o m m o n l y f o u n d i n u n t r e a t e d w a s t e w a t e ri n c l u d e n i t r o g e n ( N 2 ) , o x y g e n ( O 2 ) , c a r b o nd i o x i d e ( C O 2 ) , h y d r o g e n s u l f i d e ( H 2 S ) , a m m o n i a( N H 3 ) , a n d m e t h a n e ( C H 4 ) . T h e l a t t e r t h r e e a r ed e r i v e d f r o m t h e d e c o m p o s i t i o n o f t h e o r g a n i cm a t t e r p r e s e n t i n w a s t e w a t e r a n d a r e o fc o n c e r n w i t h r e s p e c t t o w o r k e r h e a l t h a n ds a f e t y .G a s e sC h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c s c o n t d :

1 2 7H y d r o g e n S u l f i d eH y d r o g e n s u l f i d e i s f o r m e d f r o m t h e r e d u c t i o no f m i n e r a l s u l f i t e s a n d s u l f a t e s . T h i s g a s i s ac o l o r l e s s , i n f l a m m a b l e c o m p o u n d h a v i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c o d o r o f r o t t e n e g g s . T h e l o s s o fs m e l l c a n l e a d t o a f a l s e s e n s e o f s e c u r i t y t h a t i sv e r y d a n g e r o u s . T h e b l a c k e n i n g o f w a s t e w a t e ra n d s l u d g e u s u a l l y r e s u l t s f r o m t h e f o r m a t i o n o fh y d r o g e n s u l f i d e . V a r i o u s o t h e r m e t a l l i c s u l f i d e sa r e a l s o f o r m e d . 1 2 8

1 1 / 4 / 2 0 1 1

3 3

M e t h a n eM e t h a n e i s a c o l o r l e s s , o d o r l e s s , c o m b u s t i b l eh y d r o c a r b o n o f h i g h f u e l v a l u e .B e c a u s e m e t h a n e i s h i g h l y c o m b u s t i b l e a n d t h ee x p l o s i o n h a z a r d i s h i g h , a c c e s s p o r t s ( m a n h o l e s )a n d s e w e r j u n c t i o n s o r j u n c t i o n c h a m b e r s w h e r et h e r e i s a n o p p o r t u n i t y f o r g a s t o c o l l e c t .S h o u l d b e v e n t i l a t e d w i t h a p o r t a b l e b l o w e r d u r i n ga n d b e f o r e t h e t i m e r e q u i r e d f o r o p e r a t i n g p e r s o n n e lt o w o r k i n t h e m f o r i n s p e c t i o n r e n e w a l s , o r r e p a i r s . 1 2 9T h e b i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f w a s t e w a t e r a r eo f f u n d a m e n t a l i m p o r t a n c e i n t h e c o n t r o l o fd i s e a s e s c a u s e d b y p a t h o g e n i c o r g a n i s m s o fh u m a n o r i g i n , a n d b e c a u s e o f t h e e x t e n s i v e a n df u n d a m e n t a l r o l e p l a y e d b y b a c t e r i a a n d o t h e rm i c r o o r g a n i s m s i n t h e d e c o m p o s i t i o n a n ds t a b i l i z a t i o n o f o r g a n i c m a t t e r , b o t h i n n a t u r ea n d i n w a s t e w a t e r t r e a t m e n t p l a n t s .

B i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s

1 3 0

• O r g a n i s m s f o u n d i n s u r f a c e w a t e r a n dw a s t e w a t e r i n c l u d e b a c t e r i a , f u n g i , a l g a e ,p r o t o z o a , p l a n t s a n d a n i m a l s , a n d v i r u s e s .• L i v i n g s i n g l e - c e l l m i c r o o r g a n i s m s t h a t c a n o n l y b es e e n w i t h a m i c r o s c o p e a r e r e s p o n s i b l e f o r t h ea c t i v i t y i n b i o l o g i c a l w a s t e w a t e r t r e a t m e n t .• T h e p r o k a r y o t e s h a v e t h e s i m p l e s t c e l l s t r u c t u r ea n d i n c l u d e b a c t e r i a , b l u e g r e e n a l g a e( c y a n o b a c t e r ) , a n d a r c h a e a .

� M i c r o - o r g a n i s m s1 3 1

• P a t h o g e n i c o r g a n i s m s m a y b e i n f e c t e d w i t h d i s e a s e o rt h e y m a y b e c a r r i e r s o f a p a r t i c u l a r d i s e a s e .• S o m e t i m e s , p a t h o g e n i c o r g a n i s m s m a y b e d i s c h a r g e d b yh u m a n b e i n g s .• B a c t e r i a , v i r u s e s , p r o t o z o a a n d h e l m i n t h e s ( p a r a s i t i cw o r m s ) a r e c a t e g o r i z e d a s p a t h o g e n i c o r g a n i s m s .• M a n y c a n ’ t s u r v i v e o u t s i d e h u m a n i n t e s t i n a l t r a c t• E n o u g h r e m a i n t o c a u s e s e v e r e p r o b l e m s i f n o t p r o p e r l yt r e a t e d� P a t h o g e n i c o r g a n i s m s

1 3 2

1 1 / 4 / 2 0 1 1

3 4

I n d i c a t o r O r g a n i s m s� T e s t i n g f o r a l l p a t h o g e n s i s i m p r a c t i c a l• T h e p a t h o g e n i c o r g a n i s m s b e i n g p r e s e n t i nw a s t e w a t e r a r e f e w a n d d i f f i c u l t t o b e i s o l a t e d a n di d e n t i f i e d .• C o l i f o r m o r g a n i s m s a r e v e r y h i g h i n n u m b e r . T h e yc a n b e v e r y e a s i l y t e s t e d .• T h e r e f o r e , c o l i f o r m o r g a n i s m i s u s e d a s a n i n d i c a t o ro r g a n i s m .E x : T o t a l c o l i f o r m , f e c a l c o l i f o r m , e n t e r c o c c iT h e s e a r e u s e d t o c h a r a c t e r i z e w a s t e w a t e r i n / o u t o ft r e a t m e n t p r o c e s s , a n d t o m o n i t o r w a t e r s a f e t y 1 3 3

B a c t e r i o l o g i c I n d i c a t o r sT o t a l C o l i f o r mF e c a l C o l i f o r mE s c h e r i c h i aE . C o l i E n t e r o c o c c u sF e c a lS t r e p t o c o c c u s1 3 4

I n d i c a t o r O r g a n i s m s C o n t d :• F e c a l c o l i f o r m u s e d a s i n d i c a t o r o r g a n i s m– P r e s e n t i n d i g e s t i v e s y s t e m o f w a r m b l o o d e d a n i m a l s– H i g h l e v e l s i n w a s t e w a t e r i n d i c a t e h i g h l e v e l s o fp a t h o g e n s

1 3 5C o l i f o r m c o n c e n t r a t i o n i s m e a s u r e d b y :1 . M P N m u l t i p l e t u b e f e r m e n t a t i o n2 . M e m b r a n e f i l t e r t e c h n i q u e

1 3 6

1 1 / 4 / 2 0 1 1

3 5

M e m b r a n e f i l t r a t i o n m e t h o d• T h i s c a n b e u s e d t o f i n d t h e n u m b e r o f c o l i f o r mo r g a n i s m s p r e s e n t i n t h e w a t e r .• A k n o w n v o l u m e o f w a t e r s a m p l e i s p a s s e dt h r o u g h a m e m b r a n e f i l t e r t h a t h a s a v e r y s m a l lp o r e s i z e .• T h e b a c t e r i a r e t a i n o n t h e f i l t e r p a p e r b e c a u s et h e s i z e o f t h e m i s l a r g e r t h a n t h e f i l t e r p o r e s i z e .• T h e n t h e s e b a c t e r i a a r e c o n t a c t e d w i t h a s u i t a b l em e d i u m ( M - E n d o b r o t h f o r t o t a l c o l i f o r m s ) t h a tc o n t a i n s n e c e s s a r y n u t r i e n t s f o r t h e g r o w t h o ft h e b a c t e r i a . 1 3 7 1 3 8

• A f t e r i n c u b a t i o n a t t h e a p p r o p r i a t e t e m p e r a t u r e ,t h e c o l i f o r m o r g a n i s m s ( c o l o r e d c o l o n i e s ) c a n b ec o u n t e d u s i n g t h e ( t o t a l c o l i f o r m s - 3 7 ° C f o r 2 4 h ;f e c a l c o l i f o r m s - 4 4 . 5 ± O . 2 ° C f o r 2 4 ± 2 h ) .• T h e a d v a n t a g e o f t h i s m e t h o d o v e r t h e m u l t i p l et u b e f e r m e n t a t i o n m e t h o d i s t h a t i t i s v e r y q u i c ka n d a b l e t o g i v e t h e d i r e c t c o u n t o f p r e s e n tb a c t e r i a .• B u t , t h e m u l t i p l e t u b e m e t h o d g i v e s t h e M P Nv a l u e ( m o s t p r o b a b l e n u m b e r ) o f b a c t e r i a .

T e s t i n g f o r C o l i f o r m B a c t e r i a :M e m b r a n e F i l t r a t i o n•

M e m b r a n e f i l t e r– 0 . 4 5 μ m p o r e s– 4 7 m m i n d i a m e t e r

• F i l t e r 1 0 0 m L o f w a t e rt o b e t e s t e d t h r o u g ht h e m e m b r a n e f i l t e r 1 3 9M e m b r a n e F i l t r a t i o n

Petri dish with sterile absorbent nutrient pad

Add 2 mL of m-endo broth (selective media)

Place membrane filter in the petri dish on top of

the nutrient pad

1 4 0

1 1 / 4 / 2 0 1 1

3 6

M e m b r a n e F i l t r a t i o n :I n c u b a t i o n a n d R e s u l t s• I n c u b a t e f o r 2 4 h o u r s a t3 5 ° C• C o l i f o r m b a c t e r i a g r o wi n t o c o l o n i e s w i t h am e t a l l i c s h e e n• N o n - c o l i f o r m b a c t e r i am a y g r o w i n t o b u t w i l lh a v e a d i f f e r e n t s h e e na n d / o r c o l o r

12

34

5 6

78 1 4 1

U n i t s o f M e a s u r e m e n t f o r P h y s i c a l a n dC h e m i c a l P a r a m e t e r sk g / m 3 , % ( b y v o l u m e o r b y m a s s ) , p g / L , n g / L , µ g / L , m g / L ,g / L , p p b , p p m , m o l / L , e q / L , m e q / L .T h e c o n c e n t r a t i o n o f t r a c e c o n s t i t u e n t s i s u s u a l l ye x p r e s s e d a s m i c r o g r a m s p e r l i t e r ( µ g / L ) o r n a n o g r a m sp e r l i t e r ( n g / L ) .F o r d i l u t e s y s t e m s , o n e l i t e r o f s a m p l e w e i g h sa p p r o x i m a t e l y o n e k i l o g r a m , t h e u n i t s o f m g / L o r g / m 3a r e i n t e r c h a n g e a b l e w i t h p p m ." p a r t s p e r b i l l i o n " ( p p b ) a n d " p a r t s p e r t r i l l i o n " ( p p t ) a r eu s e d i n t e r c h a n g e a b l y w i t h µ g / L a n d n g / L 1 4 2

1 4 3

C o m p o s i t i o n o f W a s t e w a t e r• 9 9 . 5 – 9 9 . 9 % w a t e r• V a r y d e p e n d i n g o n c o n t r i b u t i o n o f d o m e s t i c ,i n d u s t r i a l a n d c o m m e r c i a l f a c i l i t i e s• S o l u b l e i n o r g a n i c m a t t e r ( e . g . a m m o n i a )• S o l u b l e o r g a n i c m a t t e r ( e . g . B O D )• I n s o l u b l e i n o r g a n i c m a t t e r ( e . g . g r i t / s a n d )• I n s o l u b l e o r g a n i c m a t t e r ( e . g . c e l l u l o s i c f i b r e s ) 1 4 4

1 1 / 4 / 2 0 1 1

3 7

F a c t o r s A f f e c t C o m p o s i t i o n• R a t i o o f d o m e s t i c t o t r a d e ( i n d u s t r i a l )w a s t e• C l i m a t e – t e m p e r a t u r e• T o p o g r a p h y• I n f l o w a n d i n f i l t r a t i o n• R a t e s o f w a t e r u s e i n t h e c a t c h m e n t• A f f l u e n c e o f s u b u r b 1 4 5

W a s t e w a t e r C o m p o s i t i o n

1 4 6

1 4 7

3Lecture;Waste Water Characteristics

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