SBP style.pptx 1

San Diego’s Advanced Water Purification Demonstration Project: Performance & Integrity 

Wednesday February 11th, 2015

GateWay Community College 

James DeCarolis (Black&Veatch), Bill Pearce (City of San Diego)

Arizona Water Association

Water Treatment Committee Seminar Series

Next Horizons in Water Treatment    

Outline of Discussion

• Project Background

• Testing and Monitoring Objectives

• Performance Monitoring Water Quality Monitoring

Challenge Testing

Integrity Monitoring 

• Summary & Conclusions

• Acknowledgments

• Pure Water San Diego Update

SBP style.pptx 2

PROJECT BACKGROUND

Project Background

• 2004 the City Council approved a study to evaluate options to increase the use of recycled water. 

• 2006 Water Reuse Study identified six (6) potential options to maximize reuse with Reservoir Augmentation of the City’s San Vicente Reservoir as the preferred reuse strategy.

• 2007 City Council voted to proceed with a Demonstration Project to evaluate the feasibility of augmentation San Vicente with advanced treated purified water.

SBP style.pptx 3

Demonstration Facility 

• Located at the North City Water Reclamation Plant (North City)

• Construction period ‐March to June 2011

• 1 MGD capacity consisting of microfiltration/ ultrafiltration, reverse osmosis, ultraviolet light/advanced oxidation

• Final product water (Purified water) used to supplement  the North City recycled water system

AWP Unit Processes 

• Full‐scale alternative comparisons

• Low Pressure Membranes – MF and UF side‐by‐side

– Pressurized hollow fiber, PVDF membranes

• Reverse Osmosis Membranes– Two stage and three stage

– Energy recovery turbochargers

• Ultraviolet Light / Advanced Oxidation– Trojan PHOX low pressure, 

high output lamps

– Single reactor, 72 lamp configuration

SBP style.pptx 4

ACE13 A

NNUAL C

ONFERENCE A

ND E

XPOSIT

ION

Demonstration Facility Processes

6

TESTING AND MONITORING OBJECTIVES

SBP style.pptx 5

Testing & Monitoring Objectives

• Verify that final product (purified water) water quality meets public health and reservoir augmentation criteria

• Demonstrate integrity monitoring techniques and performance reliability measures

• Monitor Constituents of Emerging Concern

• Collect operational performance data of the various AWP unit processes to assess O&M requirements of potential full‐scale facility

8

Testing and Monitoring Approach

• Developed & Implemented Testing & Monitoring Plan 

• 12 Month Testing Period

• Water Quality Monitoring 

• Multiple Certified & Specialty Labs

• Challenge Testing 

• Integrity Monitoring 

• Operational Performance Monitoring

ACE13 A

NNUAL C

ONFERENCE A

ND E

XPOSIT

ION

INDEPENDENT ADVISORY PANEL(NWRI)

9

SBP style.pptx 6

PERFORMANCE MONITORING 

Performance Monitoring 

• Water Quality Monitoring – Regulated  

– Non Regulated  

• Challenge Testing – Nitrosdimethlyamine (NDMA)

– 1,4 Dioxane

• Integrity Testing– Direct & Indirect Methods

– Critical Control Point Monitoring

– CEC Performance

11

ACE13 A

NNUAL C

ONFERENCE A

ND E

XPOSIT

ION

ADVANCED PURIFIED WATER

AWP DEMONSTRATION  FACILITY SCADA OVERVIEW SCREEN 

SBP style.pptx 7

Water Quality Monitoring 

• Federal and State Primary and Secondary Drinking Water Maximum Contaminant Levels (MCLs)

• California Department of Public Health (CDPH) Notification Levels (NLs)

• CDPH Groundwater Replenishment Reuse DRAFT Regulation 

• San Diego Regional Water Quality Control Board– Basin Plan Objectives

– California Toxic Rule

– State Implementation Policy

• Constituents of Emerging Concern (State Water Resources Control Board Recycled Water Policy)A

CE13 A

NNUAL C

ONFERENCE A

ND E

XPOSIT

ION

12

Quarterly Water Quality Monitoring  

Constituent Group Sampling Location Purpose

Federal & StateRegulated Drinking Water Standards

• Tertiary Effluent• Purified Water• Raw Water

Public Health Regulatory

USEPA’s Priority Pollutant List

•Tertiary Effluent• Purified Water• Raw Water 

Public Health Regulatory / Reservoir Regulatory

CDPH Notification Limits & UCMR3

•Tertiary Effluent • Purified Water• Raw Water 

Public Health Regulatory

CEC’s •Tertiary Effluent • Purified Water• Raw Water 

Public Health / AWP Performance

13

SBP style.pptx 8

Comparison of Water Quality Results to Demonstration Goals

14Note: Phosphorus was determined to be the limiting nutrient in the reservoir. Spiking tests showed RO removes 99.8 to 99.9% of the phosphorous present in the feedwater.

Regulation and Guideline Group

Number of Constituents /

Parameters

Total Number of Tests1

Purified Water Results

Primary Drinking Water

MCL 90 1781 √ Meets all

Secondary Drinking Water

MCL 18 1290 √ Meets all

Microbial 4 1547 √ Non-DetectCDPH Notification

Level 30 716 √ Below all

CDPH Groundwater

Replenishment 142 2244 √ Meets all

Reservoir Limits 143 4404 √ Meets allTotal Number of Constituents /

Parameters231 7,523 -----------------

Water Quality Monitoring Results of Regulated Constituents 

15

SBP style.pptx 9

Water quality monitoring results of non‐regulated constituents

• Majority were below quantifiable concentrations in the purified water 

• Quantifiable concentrations were below public health concerns (i.e. at least 18 times lower than DWELS and / or other health reference levels.)

< Reporting Limit 

> Reporting Limit 

Bromochloromethane, hexavalent chromium, acesulfame potassium, iohexal, triclosan , and strontium 

111 Constituents 

16

UV/AOP Challenge Testing

To Main PLC

• Purpose:  

– Demonstrate removal of target constituents

– Gather information related to the impact of UV/peroxide dose on removal efficiency

• Limited feedwater concentrations of  target constituents 

• Required spiking of concentrated solutions 

LAB PREPARED “SPIKING” SOLUTION 

SPIKING SOLUTION INJECTION PUMP  

17

SBP style.pptx 10

UV/AOP Challenge Testing Results 

ChallengeConstituent

1 Target Log Removal   

2 Measured Removal (n=3)

EE/O Calculated(kWh/1000 gallons/log removal)

NDMA 1.2 (93.7%) 1.5 (98.6%) 0.188

1,4 Dioxane 0.5 (68.4%) 0.6 (74.9%) 0.302

Notes:1 Target removal based on 2008 DRAFT Groundwater Recharge Regulations, 

subsequently revised in 2011 and 2013. 2 Operating under design conditions: 1 MGD, 97% UVT, 3 mg/L hydrogen 

peroxide dose

ACE13 A

NNUAL C

ONFERENCE A

ND E

XPOSIT

ION

18

18

Impact of UV Dose on Removal Efficiency  

SBP style.pptx 11

Log removal = 0.1152*peroxide dose (mg/L) + 0.2297R² = 0.9927

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

0 1 2 3 4 5 6 7

1,4

Dio

xan

e L

og

Rem

ova

l

Target Peroxide Dose (mg/L)

Target 1,4 Dioxane Removal

Average EED = 0.31 kWh/1000 gallons

Impact of Peroxide Dose on 1,4 Dioxane  Removal

20

Integrity Monitoring Objectives 

• Demonstrate the reliability of the AWP unit processes  

• Establish baseline performance of each unit process under “intact” conditions  

• Maintain routine / continuous verification of integrity throughout the testing period

• Demonstrate integrity monitoring methods

• Develop measureable performance criteria and action plan response 

ACE13 A

NNUAL C

ONFERENCE A

ND E

XPOSIT

ION

RO MEMBRANE VESSEL PROBING 

MF MEMBRANE FIBERS 

21

SBP style.pptx 12

Membrane Integrity Monitoring Results ACE13 A

NNUAL C

ONFERENCE A

ND E

XPOSIT

ION

Unit Process Method Frequency ResultMF/UF Pressure Decay

Testing1 per 24 hours Pressure decay <0.08 psi/5 min.

RO Vessel Probing Post membrane installation

Conductivity increased by stage in direction. No leaks detected.

RO Pressure / vacuum decay testing

Pre membrane installation

Vacuum decay <= 0.37 inches Hg/min.

.RO Continuous on-line

RO permeate conductivity monitoring

Continuous Permeate conductivity < 30 µS/cm

RO RO permeate TOC monitoring

Continuous Permeate TOC between 30-60 ug/L

22

Critical Control Point Monitoring 

• Critical Control Points– Main unit processes (MF,UF, RO, UV/AOP) 

• Critical Limit Parameters (CLPs)– Membrane pressure decay rate to assess the integrity of the 

MF/UF membranes 

– Online TOC to assess the performance of the RO membranes

– On‐line power consumption to assess electrical energy applied to the UV/AOP system

• Establish performance limits for each CLP

• Develop corrective actions in the event performance limits are exceeded.

23

SBP style.pptx 13

ACE13 A

NNUAL C

ONFERENCE A

ND E

XPOSIT

ION

24

Critical Control Point

Critical Limit Parameter

Monitoring Frequency

Alert Limit Critical LimitExample Corrective 

ActionsMF/UF Pressure Decay 1 per day  Value above 

baseline that approaches Critical limit. 

0.4 psi / 5 min. based on the maximum decay predicted to achieve 4 log removal Cryptosporidium. 

Confirm Results. Assess fiber breakage. Isolate/ repair/replace damaged membrane.

RO TOC,

Conductivity  

Continuous   % change of measured concentration in combined RO permeate.

Online permeate conductivity = 150 µs/cm. Online permeate TOC = 100 ppb or greater for five consecutive measurements.

Automatic shutdown (conductivity). Monitor individual RO trains. Verify analyzer accuracy. Conduct vessel probing.

UV/AOP Reactor Power Level 

Continuous   100% (2 to 7 lamp failures or 1 to 3 ballast failures).

0% (8 or more lamp failures or 4 ballast failures ). 

System alarm. Automatic increase of reactor power to 100% or system shutdown. Check / replace lamps and/or ballasts.

UV/AOP Hydrogen peroxide dose rate

Continuous (flow confirmation)

1 per day by draw down

Continuous flow confirmation

minimum dose (~22 ml/min.) to provide 3 mg/L peroxide

0 ml/min. indicating pump failure or loss of flow confirmation,

Check dosing system. Recalibrate pump. Auto switch to standby pump.

Critical Control Point Monitoring ACE13 A

NNUAL C

ONFERENCE A

ND E

XPOSIT

ION

24

Critical Control Point

Critical Limit Parameter

Monitoring Frequency

Alert Limit Critical LimitExample Corrective Actions

RO TOC,

Conductivity  

Continuous   % change of measured concentration in combined RO permeate.

Online permeate conductivity = 150 µs/cm. Online permeate TOC = 100 ppb or greater for five consecutive measurements.

Automatic shutdown (conductivity). Monitor individual RO trains. Verify analyzer accuracy. Conduct vessel probing.

Critical Control Point Monitoring 

SBP style.pptx 14

Performance Based CEC Monitoring 

• Indicators:  “Individual chemical occurring at quantifiable level which represents certain physiochemical and biological characteristics of a family of trace organics that are relevant to the fate and transport during treatment and provide a conservative assessment of removal”.   

• Surrogates: “quantifiable change of a bulk parameter that can serve as a measure in quantifying the performance of individual unit processes or operation regarding their removal of trace compounds”.

25

Reference: Monitoring Strategies for Chemicals of Emerging Concern (CECs) in Recycled Water,  Recommendations of a Science Advisory Panel, Panel Members: Paul Anderson, Jorg E. Drewes (Chair), Adam Olivieri, Daniel Schlenk, and Shane Snyder.  State Water Resources Control Board, June 25, 2010.

Performance Based CEC Monitoring  Results

• Out of 92 CECs, 37 were identified as possible performance based indicator compounds based on occurrence and relevance in first 4 sampling events. 

• 37 reduced to 16 based on consistent presence in RO feed in 4 weekly sampling events.– Typically >90% removal across RO

– None are consistently above detection limit in RO permeate, so they are not adequately present to determine removal across 

AOP. presented. 

26

SBP style.pptx 15

Differential Removal of Indicator Compounds

27

Indicator

1 Avg. RO Feed (ng/L)

1 Avg. RO Permeate (ng/L)

1 Avg.  UV/AOPProduct (ng/L)

RO UV/AOP

Δ Removal (%)

Δ Removal 

(%)

Acesulfame‐K 33000  <27 <22 >99.9 >16.5

Sucraloase 55000 <100 <42 >99.9‐‐‐‐‐‐‐‐‐

NDMA 3 <2 <0.96 >65.5‐‐‐‐‐‐‐‐‐

Carbamezapine 190 <5 <1.2 >99 ‐‐‐‐‐‐‐‐‐

1 N=5

Differential removal of Surrogate Compounds 

28

SurrogateRO UV/AOP

Δ Removal (%) Δ Removal (%)

TOC 99.6% NA

UV 254 88.8% 68.7%

Monochloramines ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 72.8%

Conductivity 99.0% NA

SBP style.pptx 16

SUMMARY AND CONCLUSIONS 

Summary & Conclusions

• Regulated Constituents ‐ water quality monitoring of regulated constituents  has shown the Purified Water meets or exceeds all water quality goals established from anticipated regulatory requirements for IPR via surface water augmentation. 

• Non Regulated Constituents ‐ water quality monitoring of 111 non‐regulated constituents showed only 6 were reported above the RL at least one time at concentrations order of magnitude lower than Drinking Water Equivalent Levels or other health based reference levels.  

• Integrity Monitoring – results showed the AWP unit processes to be reliable and allowed for the identification and quick response to the few exceedances of alert limits. 30

SBP style.pptx 17

Summary & Conclusions (Cont.)

• UV/AOP Challenge Testing ‐ demonstrated the target log removal of NDMA  & 1,4 Dioxane was achieved and provided information required to assess the electrical efficiency of the UV/AOP system.

• CEC Indicator Compounds ‐ were identified which could be useful to monitor RO & UV/AOP performance. 

• CEC Surrogates ‐ surrogates for verifying RO and UV performance have been identified. Further research is needed to identify surrogates for the oxidation aspect of AOP.

31

Acknowledgments 

• City Demonstration Project Team

• AWP Operations and Data Management Team

• North City Water Reclamation Plant Operations

• Regulatory Agencies:– California Division of Drinking Water – California Regional Water Quality Control Board San Diego 

Region

• National Water Research Institute: Independent Advisory Panel (IAP) Members

• Funding Partners: – United States Bureau of Reclamation – California Department of Water Resources

32

SBP style.pptx 18

Pure Water San Diego Program Update2013  ‐ Present 

• City Council adopted the Water Purification Project Report and Directed by City Council to explore all potable reuse options including DPR. 

• On going operation & testing at the Demonstration Facility supported by CA Proposition 50, CA Proposition 84 and the WateReuse Research Foundation (WRRF) funding to demonstrate DPR.

• Completion of Siting and Planning Studies for full scale potable reuse facilities.

• The City is working on a 20 year Pure Water Program consisting of a 15 mgdwater purification facility to be operational by 2023 and an additional 83 mgd by 2035.

DOWNLOAD FULL PROJECT REPORTS:http://www.purewatersd.org

Statements of fact and opinion expressed are those of the author(s) and presenter(s). AZ Water Association, AZAWWA and AZWEA assume no responsibility for the content, nor do they represent official policy of the Association.

Q&A