thesis e 49

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  • 8/12/2019 Thesis E 49

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    LOW TEMPERATURE EF FECTS

    ON ACT I VATED SLUDGE PROCESSES

    b y

    K a - Y u i Ng

    B . S c . Chu Ha i C o l l e g e , U. K. , 1968

    REPORT SUBMI TTED I N PART I AL FULF I LMENT

    OF THE REQUI REMENTS FOR THE DEGREE OF

    Ma s t e r o f E n g i n e e r i n g

    i n t h eDepa r t me111

    o f

    C i v i l E n g i n e e r i n g

    T h i s r e p o r t i s ; a c c e p t e d .

    Dean o f Gr a d u a t e

    THE UNI VERS I TY OF NEW BRUNSWI CK

    A p r i l , . 1973

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    my P a r e n

    i i

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    ABSTRACT

    T h i s w as a n e x p e r i m e n t a l s t u d y t o i n v e s t i g a t e

    t h e b e h a v i o u r o f a n a c t i v a t e d s l u d g e p r o c e s s u n d e r t h e

    l ow t e m p e r a t u r e e f f e c t t h r o u g h t h e u s e o f a s m a l l c o n

    t i n u o u s f l o w b e n c h - s c a l e p l a n t u n d e r c o n t r o l l e d e n v i r o n

    m e n t a l c o n d i t i o n s .

    T w e l v e e x p e r i m e n t s w e r e r u n f o r d i f f e r e n t temp

    e r a t u r e a n d r e t e n t i o n p e r i o d s . T e m p er a t u re , w as c h o s e n i n

    t h e r a n g e o f z e r o , f i v e , t e n a n d t w e n t y d e g r e e s C f o r

    e a c h r e t e n t i o n p e r i o d , a nd t h e r e t e n t i o n t i m e f o r e a c h

    e x p e r i m e n t w a s v a r i e d i n t h e r a n g e o f e i g h t f s i x t e e n ,

    a n d t w e n t y - f o u r h o u r s , s i m u l a t i n g t h e c o n v e n t i o n a l a nd

    e x t e n d e d a e r a t i o n t i m e s .

    T e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n t s 0 f o r t h e s u b s t r a t e

    r e m o v a l r a t e w e r e f o u n d t o b e 1,033, 1.038 a nd 1.038 f o r

    t h e r a n g e o f r e t e n t i o n t i m e s o f 8, 1 6 , a n d 2 4 h r s r e s p e c t

    i v e l y,

    T e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n t 0 f o r t h e s l u d g e y i e l d

    c o e f f i c i e n t w a s f o u n d t o b e 1.021.

    N i t r i f i c a t i o n w a s n o t s i g n i f i c a n t b e l o w 5C a nd

    was e q u a l t o 50% an d 8 0% a t 10C and 20C r e s p e c t i v e l y .

    i i i

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    TABLE OF CONTENTS

    Page

    ABSTRACT . i i i

    ACKNOWLEDGEMENTS v i i

    GLOSSARY OF SYMBOLS v i i i

    L I S T OF F I G U R E S x

    L I S T OF TABLES x i i

    CHAPTER 1 INTRODUCTION . 1

    1.1 B r i e f H i s t o r y o fA c t i v a t e d Slu dg e

    P r o c e s s 1

    1.2 B a s i c P r o c e s s o fA c t i v a t e d S l u d g e 2

    1.3 I m p o r t a n t E n v i r o n m e n t a l F a c t o r si n

    A c t i v a t e d S l u d g e 3

    1.4 O b j e c t i v e a n dS c o p e 3

    CHAPTER 2 THEARRHEN IUS EQU ATION 5

    2.1 A r r h e n i u s H y p o t h e s i s 5

    2.2 G e n e r a l C o n c e p t o f A r r h e n i u s

    E q u a t i o n 6

    2.3 M o d i f i c a t i o n of Va n1 1 H o f f -

    A r r h e n i u s E q u a t i o n 8

    CHAPTER 3 REVIEWOF P R E V I O U S I N V E S T I G A T I O N 11

    3.1 G e n e r a l 11

    3.2 S u b s t r a t e R e m o v a l i n t h e A c t i v a t e d

    S l u d g e S y s t e m 15

    3.2.a M i c r o b i o l o g i c a l Growth

    K i n e t i c M o d e l 16

    3.2.b M i c h a e l i s - M e n te n K i n e t i c

    M o d e l . 20

    i v

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    TABLE OF CONTENTS - c o n t i n u e d Page

    3.3 Oxygen T r a n s f e r a n d U t i l i z a t i o n .... 24

    3.4 S l u dg e P r o d u c t i o n 26

    3.5 S l u d g e S e t t l i n g 28

    3.6 N i t r i f i c a t i o n 30

    3.7 E f f e c t o f T e m p e r a t u r e on S u b s t r a t e

    R e m o v a l R a t e 32

    3.8 E f f e c t o f T e m p e r a t u r e on Oxygen

    T r a n s f e r R a t e 34

    3.9 E f f e c t o f T e m p e r a t u r e on S l u d g e

    Y i e l d 34

    3.10 E f f e c t o f T e m p e r a t u r e on A c t i v a t e d

    S l u d g e S e d i m e n t a t i o n 35

    3.11 E f f e c t o f T e m p e r a t u r e on

    N i t r i f i c a t i o n 35

    CHAPTER 4 DETERMINATION OF TEMPERATURE C O E F F I C I E N T 9 36

    4.1 T e m p e r a t u r e C o e f f i c i e n t 9 f o rS u b s t r a t e Re mo va l 36

    4.2 T e m p e r a t u r e C o e f f i c i e n t 9 f o r

    Oxygen T r a n s f e r 38

    4.3 T e m p e r a t u r e C o e f f i c i e n t 9 f o r

    S l u d g e Y i e l d 39

    4.4 T e m p e r a t u r e C o e f f i c i e n t 0 f o r

    N i t r i f i c a t i o n . 41

    CHAPTER 5 EXPERIMENTAL WORK 4 3

    5.1 A e r a t i o n U n i t - D e s i g n and

    M e t h o d o l o g y 4 3

    5.2 E x p e r i m e n t a l P r o c e d u r e 4 5

    5.3 A n a l y t i c a l Me th od 47

    5.4 E x p e r i m e n t a lR e s u l t s 48

    v

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    TABLE OF CONTENTS - c o n t i n u e d Page

    5.5 A n a l y s i s 53

    5.6 D i s c u s s i o n s 63

    CHA PTE R 6 CON CLU SIO NS AND RECOMMENDATIONS 78

    R E F E R E N C E S 80

    APPENDIX I P h o t o g r a p h o f t h eA c t i v a t e d S l u d g e

    P l a n t i nO p e r a t i o n 84

    APPENDIX I I C o m p o s i t i o n o f S y n t h e t i c Sewage 86

    APPENDIX I I I T a b u l a t i o n o f E x p e r i m e n t a l D a ta ....... 88

    v i

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    ACKNOWLEDGEMENTS

    The a u t h o r w i s h e s t oe x p r e s s h i ss i n c e r e t h a n k s

    t o h i ss u p e r v i s o r , P r o f e s s o rG.B. Ward, f o rh i s c o n t i n u e d

    g u i d a n c e ande n c o u r a g e m e n t , and s i n c e r e t h a n k s t o Dr . R.C.

    L a n d i n e an d D r . D.T. Ka n an da l lt h es t a f f o f E n v i r o n m e n t a l

    E n g i n e e r i n g L a b o r a t o r y f o rt h e i r a s s i s t a n c e .

    v i i

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    GLOSSARY OF SYMBOLS

    Symbol E x p l a n a t i o n

    a c o e f f i c i e n t o f s l u d g e y i e l d

    b c o e f f i c i e n t o r f r a c t i o n p e r day of s u s p e n d e d

    s o l i d s o x i d i z e d

    C p r o d u c t of th e c h e m i c a l r e a c t i o n e q u a t i o n

    c c o e f f i c i e n t o r c o n c e n t r a t i o n

    D p r o d u c t o f t h e c h e m i c a l r e a c t i o n e q u a t i o n

    d c o e f f i c i e n t

    E a c t i v a t i o n energy

    E n z enzyme

    E n z S enzyme s u b s t r a t e complex

    K e q u i l i b r i u m c o n s t a n t

    o x y g e n t r a n s f e r c o e f f i c i e n t

    K g s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n

    k r e a c t i o n r a t e

    L r e m a i n i n g BOD

    L Q i n i t i a l t o t a l amount of o r g a n i c m a t t e r

    M c o n s t a n t , E / R T 2 T 1

    R u n i v e r s a lg a s c o n s t a n t o r p e r c e n t r e m o v a l

    S s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n

    v m

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    Symbol E x p l a n a t i o n

    S g e f f l u e n t s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n

    S Q i n i t i a l s l u d g e c o n c e n t r a t i o n o r i n f l u e n t

    s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n

    S r TOC r e m o v a l

    T a b s o l u t e t e m p e r a t u r e

    t time

    U oxygen u t i l i z a t i o n r a t e

    V o v e r a l l v e l o c i t y o f t h e r e a c t i o n

    Vj zone s e t t l i n g v e l o c i t y a t

    V"2 z o n e s e t t l i n g v e l o c i t y a t

    v r a t e c o n s t a n t i nM i c h a e l i s - M e n t e n k i n e t i c model

    X^ MLSS, m i x e d l i q u o r s u s p e n d e d s o l i d s

    X v MLVSS, m i x e d l i q u o r v o l a t i l e s u s p e n d e d s o l i d s

    AX s l u d g e p r o d u c t i o n

    Y BOD removed o r e q u a l to R/ l- R

    Y^ BOD r e m o v e d by b i o s o r p t i o n

    k i n e m a t i c v i s c o s i t y a t

    ^2 v i s c o s i t y a t

    0 t e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n t

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    L I S T OF FI GU RE S

    F i g u r e Page

    2.1 En er g y Di ag ra m 7

    3.1 I d e a l A c t i v a t e d Sl ud ge Grow th Cu rv e 18

    3.2 S u b s t r a t e C o n c e n t r a t i o n W i t h R e a c t i o n R a t e 23

    3.3 Sc he ma ti c Dia gra m of O x y g e n T r a n s f e r i n

    A c t i v a t e d Sl ud ge 25

    3.4 Ranges of O p e r a t i o n of t h e A c t i v a t e d

    S l u d g e P r o c e s s 28

    3.5 Sl ud ge Gro wth and S e t t l i n g R e l a t i o n s h i p .. 31

    4.1 Temperature C o e f f i c i e n t f o r S u b s t r a t e

    Removal 38

    4.2 Tem per atu re C o e f f i c i e n t f o r Oxygen

    T r a n s f e r 39

    4.3 Slu dge P r o d u c t i o n as a F u n c t i o n o f S u b

    s t r a t e R e m o v a l R a t e 40

    4.4 Temperature C o e f f i c i e n t f o r S l u d g e Y i e l d . 41

    4.5 Tem per atu re C o e f f i c i e n t f o r N i t r i f i c a t i o n 42

    5.1 L a b o r a t o r y A c t i v a t e d S l u d g e U n i t 44

    5.2 Removal E f f i c i e n c y v s . Te mp er at ur e 54

    5.3 R e m o v a l E f f i c i e n c y v s . T i m e . , 55

    5.4 O x y g e n U t i l i z a t i o n Ra te v s . Te mp er at ur e 56

    5.5 O x y g e n U t i l i z a t i o n R a t e v s . T i m e 57

    5.6 S l u d g e A c c u m u l a t i o n v s . T i m e 58

    5.7 Slu dg e Ac cu mu la ti on v s . Te mp er at ur e 59

    5.8 Sludge Volume In de x v s . Te mp er at ur e 60

    x

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    L I S T OF FI GU RE S - c o n t i n u e d

    F i g u r e Page

    5.9 S l u d g e Volume I n d e x v s . Tim e 61

    5.10 A r r h e n i u s P l o t o f T e m p e r a t u r e E f f e c t on

    P e r c e n t o f TOC Re mo va l t = 8 h r s 69

    5.11 A r r h e n i u s P l o t o f T e m p e r a t u r e E f f e c t on

    P e r c e n t o f TOC Re mo va l t = 16 h r s 70

    5.12 A r r h e n i u s P l o t o f T e m p e r a t u r e E f f e c t on

    P e r c e n t o f TOC R em o va l t = 24 h r s 71

    5.13 A r r h e n i u s P l o t o f T e m p e r a t u r e E f f e c t on

    Oxygen T r a n s f e r C o e f f i c i e n t t - 8 h r s . .*.. 72

    5-.14 A r r h e n i u s P l o t o f T e m p e r a t u r e E f f e c t on

    Oxygen T r a n s f e r C o e f f i c i e n t t = 16 h r s ... 73

    5.15 A r r h e n i u s P l o t o f T e m p e r a t u r e E f f e c t on

    Oxygen T r a n s f e r C o e f f i c i e n t t = 24 h r s ... 74

    5.16 S l u d g e Y i e l d C o e f f i c i e n t 75

    5.17 A r r h e n i u s P l o t o f T e m p e r a t u r e E f f f e c t on

    S l u d g e Y i e l d C o e f f i c i e n t 76

    5.18 S l u d g e Volume I n d e x v s . F/M 77

    x i

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    L I S T OF TAB LE S

    T a b l e Page

    3.1 T e m p e r a t u r e C o e f f i c i e n t 0 f o r S u b s t r a t e

    R e m o v a l i n A c t i v a t e d S l u d g e P r o c e s s 33

    5.1 P e r c e n t Re mo va l o f TOC 49

    5.2 Oxygen U t i l i z a t i o n R a t e 49

    5.3 S l u d g e A c c u m u l a t i o n 50

    5.4 S l u d g e Volume I n d e x 51

    5.5 N i t r i f i c a t i o n 52

    5.6 pH an d DO i n t h e A e r a t i o n U n i t 53

    xi i

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    CHAPTER 1

    INTRODUCTION

    1.1 B r i e f H i s t o r y of th eA c t i v a t e d S l u d g e P r o c e s s

    B i o l o g i c a l t r e a t m e n t i s t h emost i m p o r t a n t and

    commonly u s e d method o f s e c o n d a r y t r e a t m e n t i np r o c e s s i n g

    m u n i c i p a l w a s t e w a t e r s . The s a n i t a r y e n g i n e e r u t i l i z e s

    b i o l o g i c a l o x i d a t i o n t o c o n v e r t t h e o r g a n i c w a s t e s o r

    t h e s o c a l l e d o x y g e n - c o n s u m i n g p o l l u t a n t s i n t o i n o r g a n i c

    f o r m s .

    T h e a c t i v a t e d s l u d g e p r o c e s s was d e v e l o p e d i n

    1 9 1 3 i n U.S.A. a t t h eL a w r e n c e E x p e r i m e n t S t a t i o n by a

    s e r i e s o f e x p e r i m e n t s t o d e t e r m i n e t h e e f f e c t of a e r a t i o n

    upon s e w a g e . T h i s k n o w l e d g e l e d t o o t h e r e x p e r i m e n t s

    a l o n g s i m i l a r l i n e s a t M a n c h e s t e r , E n g l a n d . T h i s p r o c e s s

    w as d e v e l o p e d by a e r a t i n g sewage i n t h e p r e s e n c e o f b i o l

    o g i c a l s l u d g e w h i c h t h e E n g l i s h i n v e s t i g a t o r s c a l l e d

    " A c t i v a t e d S l u d g e " . The t r e a t m e n t o f sewage by a e r a t i o n

    i n t h e p r e s e n c e o f s u c h s l u d g e i s now g e n e r a l l y c a l l e d

    " A c t i v a t e d S l u d g e T r e a t m e n t " . B u t , u n f o r t u n a t e l y , d u r i n g

    t h e s u b s e q u e n t y e a r s , b o t h e n g i n e e r s and o p e r a t o r s l a c k e d

    a n u n d e r s t a n d i n g of th em e c h a n i s m of th e a c t i v a t e d s l u d g e

    p r o c e s s u n t i l a b o u t 193 5 . G.P. E d w a r d s (1) s a i d t h a t the

    m e c h a n i sm of th e a c t i v a t e d s l u d g e p r o c e s s p r o b a b l y i n v o l v e s

    1

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    2

    p h y s i c o - c h e m i c a l , e n z y m a t i c , b i o l o g i c a l a nd b i o ~ c h e m i c a l

    r e a c t i o n s a n d t h a t a t some t i m e e a c h o n e o f t h e s e phenomena

    h a v e b e e n u s e d t o e x p l a i n t h e e n t i r e p r o c e s s . I t i s

    g e n e r a l l y a g r e e d t h a t e a c h p l a y s a p a r t i n t h e o p e r a t i o n

    an d t h a t a c o m b i n a t i o n o f a l l i s e s s e n t i a l f o r s a t i s f a c t o r y

    p u r i f i c a t i o n .

    2 B a s i c P r o c e s s o f A c t i v a t e d S l u d g e

    T h e a c t i v a t e d s l u d g e p r o c e s s i s a c o n t i n u o u s

    s y s t e m i n w h i c h f l o c c u l a t e d b i o l o g i c a l g r o w t h s a r e mixed

    w i t h t h e i n f l u e n t w a s t e w a t e r u n d e r a e r a t i o n f o r a c e r t a i n

    p e r i o d a nd t h e n s e p a r a t e d f r o m t h e t r e a t e d w a s t e by s e t t l i n g

    i n t h e s e t t l i n g t a n k . R e c i r c u l a t i o n i s r e q u i r e d t o r e t u r n

    t h e s l u d g e t o t h e a e r a t i o n t a n k a s s e e d w i t h e x c e s s s l u d g e

    b e i n g w a s t e d A s t h e r a w w a s t e w a t e r i s a d d e d t o t h e

    t h e a e r a t i o n t a n k , t h e a c t i v a t e d s l u d g e ( m i c r o o r g a n i s m s )

    a e r o b i c a l l y s t a b i l i z e t h e o r g a n i c m a t t e r ( p o l l u t a n t s ) i n

    t h e a e r a t i o n t a n k a n d f l o w i n t o a s e d i m e n t a t i o n t a n k .

    S e d i m e n t a t i o n a l l o w s t h e a c t i v a t e d s l u d g e t o s e t t l e o u t ,

    p r o d u c i n g t h e d e s i r e d c l e a r e f f l u e n t o f l o w o r g a n i c c o n t e n t ,

    a n d i s a n i n t e g r a l p a r t o f t h e b i o l o g i c a l t r e a t m e n t scheme.

    T h e m e c h a n i s m o f o r g a n i c m a t t e r r e m o v a l h a s been

    s t a t e d by W e s t o n a n d E c k e n f e l d e r ( 2 ) , w h i c h wa s t h e o r i z e d

    a s t h e f o l l o w i n g :

    (a) O r g a n i c m a t t e r i s removed from s o l u t i o n by r e a c t i o n

    w i t h enzymes t h a t b r i n g a b ou t c o a g u l a t i o n .

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    3

    (b) O r g a n i c m a t t e r i s o x i d i z e d .

    (c) B a c t e r i a l c e l l s a r e p r o d u c e d f r o m o r g a n i c m a t t e r removed.

    (d) C e l l m a t e r i a l i s o x i d i z e d .

    1.3 I m p o r t a n t E n v i r o n m e n t a l F a c t o r s i n t h e A c t i v a t e d

    S l u d g e J ? r o c e s s

    Two e n v i r o n m e n t a l f a c t o r s o f i m p o r t a n c e i n a n

    a c t i v a t e d s l u d g e s y s t e m a r e pH a n d t e m p e r a t u r e . T h e s e

    f a c t o r s a r e i n t e n s i t y m e a s u r e m e n t s r a t h e r t h a n q u a n t i t y

    m e a s u r e m e n t s . pH h a s a d i r e c t e f f e c t o n t h e b i o l o g i c a l

    g r o w t h . M c K i n n e y ( 3 8 ) h a s s t a t e d t h a t b e t w e e n pl l 6.5 a nd

    9.0 t h e r e i s n o r m a l b a c t e r i a l p r e d o m i n a t i o n a n d g r o w t h .

    B e l o w pH 6.5 t h e f u n g i w i l l b e g i n t o compete w i t h t h e

    b a c t e r i a , w i t h f u l l p r e d o m i n a t i o n a t pH 4. 5. Above pH

    9.0 we se e r e t a r d a t i o n o f t h e r a t e o f m e t a b o l i s m . T h e

    e f f e c t o f t e m p e r a t u r e on b i o l o g i c a l r e a c t i o n h a s a l r e a d y

    b e e n d i s c u s s e d by many i n v e s t i g a t o r s w i t h i n t h e r a n g e

    10C - 35C, i n c r e a s i n g t h e t e m p e r a t u r e 1 0 C r e s u l t s i n a

    d o u b l i n g o f t h e r a t e o f b i o l o g i c a l r e a c t i o n . W i t h a h i g h

    t e m p e r a t u r e t h e r a t e o f r e a c t i o n c a n e a s i l y e x c e e d t h e

    a b i l i t y o f t h e s y s t e m t o r e m a i n a e r o b i c . On t h e o t h e r

    hand a l o w t e m p e r a t u r e r e s u l t s i n a s l o w r a t e o f m e t a b o l i s m

    o f t h e m i c r o o r g a n i s m s i n t h e t a n k .

    O b j e c t i v e a n d Scope

    S i n c e t h e l o w t e m p e r a t u r e e f f e c t p l a y s a n i m p o r t

    a n t r o l e i n t h e r a t e o f s u b s t r a t e r e m o v a l a n d t h e r a t e o f

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    4

    d i s s o l v e d oxygen u t i l i z a t i o n b y m i c r o o r g a n i s m s i n a n

    a c t i v a t e d s l u d g e s y s t e m , i t i s i n t e n d e d i n t h i s e x p e r i

    m e n t a l work t o e v a l u a t e t h e t e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n t s f o r

    t h e s u b s t r a t e r e m o v a l r a t e , o x y g e n t r a n s f e r r a t e , o v e r a l l

    n i t r i f i c a t i o n r a t e a n d s l u d g e y i e l d . S e d i m e n t a t i o n o f

    t h e s l u d g e i n t h e s e t t l i n g t a n k a n d t h e o r g a n i c n i t r o g e n

    r e m o v a l d u r i n g s t a b i l i z a t i o n o f t h e w a s t e w a t e r w i l l a l s o

    be r e v i e w e d . S u c h c r i t e r i a a r e e s p e c i a l l y i m p o r t a n t i n

    t h e d e s i g n a nd o p e r a t i o n o f b i o l o g i c a l t r e a t m e n t p l a n t s

    urtder C a n a d i a n c l i m a t i c c o n d i t i o n s .

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    CHAPTER 2

    THE ARRHENIUS EQUATION

    2 1 A r r h e n i u s ' s H y p o t h e s i s

    T h e r e i s o ne f u n d a m e n t a l p r o b l e m i n r e a c t i o n

    k i n e t i c s t h a t ha s no tb e e n d e a l t w i t h . G e n e r a l l y ,t he

    c h e m i s t i sb r o u g h t up t o b e l i e v e t h a t a l l m o l e c u l e s o f

    a g i v e n compound a r e i d e n t i c a l (when t h e e x i s t e n c eo f

    i s o t o p e s i si g n o r e d ) . T h e r e f o r e , i tw o u l d be e x p e c t e d

    t h a t a l l m o l e c u l e s o f a g i v e n compound b e h a v e i n t he

    same way i n a c h e m i c a l r e a c t i o n . Bu t many of th e i n

    v e s t i g a t o r s h a v e f o u n d from e x p e r i m e n t a t i o n t h a t t h i s i s

    n o t s o , f o rc h e m i c a l r e a c t i o n s o c c u r a t a d e f i n i t e r a t e

    a n d w h e r e a s one m o l e c u l e may r e a c t i m m e d i a t e l y , a n o t h e r

    o f t h e same t y p e may h a v e t o w a i t s e v e r a l h o u r s b e f o r ei t

    c a n r e a c t .

    I f i t i sa c c e p t e d t h a t a l l m o l e c u l e s o f t h e

    same compound a r e e q u i v a l e n t , i tm i g h t be e x p e c t e d t h a t

    e i t h e r no r e a c t i o n w o u l d o c c u r o r t h a t e v e r y c o l l i s i o n

    b e t w e e n r e a c t a n t m o l e c u l e s w o u l d l e a d t o r e a c t i o n . I n

    t h e l a t t e r c a s e , t h e r e a c t i o n w o u l d o c c u r i n s t a n t a n e o u s ,

    t h e r e f o r e , from t h i s p o i n t o f v i e w , i t i sd i f f i c u l t t o

    s e e how i n t e r m e d i a t e r a t e s c a n o c c u r . A r r h e n i u s s o l v e d

    t h i s p r o b l e m i n 1897 by p o s t u l a t i n g t h a t n o r m a l c h e m i c a l

    5

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    6

    m o l e c u l e s do n o t t a k e p a r t i n c h e m i c a l r e a c t i o n s . O n l y

    t h o s e m o l e c u l e s w h i c h p o s s e s s more t h a n a c e r t a i n c r i t i -

    c a l e n e r g y , c a l l e d t h e " e n e r g y o f a c t i v a t i o n " , a r e a b l e

    t o r e a c t . T he m o l e c u l e s w i t h t h e a c t i v a t e d e n e r g y a r e

    e x t r e m e l y f ew i n number a n d a r i s e a s a r e s u l t o f random

    c o l l i s i o n b e t w e e n m o l e c u l e s w h i c h o c c a s i o n a l l y g i v e a

    m o l e c u l e many t i m e s t h e a v e r a g e e n e r g y .

    2 2 G e n e r a l C o n c e p t o f t h e A r r h e n i u s E q u a t i o n

    U s i n g t h e i d e a o f a c t i v a t i o n , A r r h e n i u s d e r i v e d

    a n e q u a t i o n t o d e s c r i b e t h e v a r i a t i o n o f r a t e c o n s t a n t

    w i t h t e m p e r a t u r e .

    T h e o r i g i n a l d e r i v a t i o n o f t h e A r r h e n i u s e q u a

    t i o n i s a s f o l l o w s . C o n s i d e r a r e v e r s i b l e r e a c t i o n ,

    aA* + bB 1 c C + dD

    T he e q u i l i b r i u m c o n s t a n t K o f t h i s r e a c t i o n may

    b e e x p r e s s e d a s f o l l o w s ,

    K = [ C JC [ D Jd = 111

    [ A ] a [ B ] b k 2

    w h e r e k ^ i s t h e r a t e c o n s t a n t o f t h e f o r w a r d r e a c t i o n

    k ^ i s t h e r a t e c o n s t a n t o f t h e b a c k w a r d r e a c t i o n .

    I t i s i m a g i n e d t h a t when t wo m o l e c u l e s , w h i c h

    b e t w e e n them p o s s e s s t h e a c t i v a t i o n e n e r g y , u n d e r g o a

    c o l l i s i o n , t h e y p a s s i n t o a t r a n s i t i o n s t a t e w h i c h i s

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    7

    i n t e r m e d i a t e b e t w e e n t h e r e a c t a n t s a nd t h e p r o d u c t s .

    A d i a g r a m o f t h e h e a t c o n t e n t ( e n t h a l p y H) o f

    t h e r e a c t a n t s , p r o d u c t s a nd t h e t r a n s i t i o n s t a t e i s shown

    i n F i g u r e 2 .1 . T h e d i s t a n c e AB c o r r e s p o n d s t o t h e d i f f e r

    ence i n e n e r g y b e t w e e n t h e t r a n s i t i o n s t a t e an d t h e r e

    a c t a n t s , w h i c h i s t h e a c t i v a t i o n e n e r g y o f t h e f o r w a r d

    r e a c t i o n ( E ^ ) . S i m i l a r l y BC c o r r e s p o n d s t o t h e a c t i v a

    t i o n e n e r g y o f t h e b a c k r e a c t i o n ( E 2 ) . T h e h e a t o f r e

    a c t i o n (AH) i s g i v e n b y A C, a n d s o b y g e o m e t r i c a l c o n s t r u c

    t i o n,

    AB - BC = AC

    o r

    E

    l ~ E 2 = A H

    Transit/'on Sfafe

    B

    H

    Reactanis Produc fs

    F i g u r e 2 . 1 E n e r g y Diagram

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    By t h e r m o d y n a m i c a r g u m e n t s , i t h a s b e e n shown

    t h a t t h e v a r i a t i o n of an e q u i l i b r i u m c o n s t a n t K w i t h ab

    s o l u t e t e m p e r a t u r e T i s r e l a t e d t o h e a t o f r e a c t i o n H

    by t h e e q u a t i o n :

    dln K) AH , T T , = ( v a n ' t H o f f E q u a t i o n ) ( 2 . 1 )

    dT , RT

    k

    l

    By s u b s t i t u t i n g t h e k i n e t i c r e s u l t s K = ^ ~ an d AH = E ^ - E ^

    i n t o t h e a b o v e e q u a t i o n , g i v e s :

    5 _ i nHi - E

    l " E

    2-LII .I . . . . . .

    dT k 2 RT

    o r r e w r i t i n g t h e a b o v e e q u a t i o n :

    a a E , E

    3 - m k, - m k = 1 21 2 2 2dT dT z RT RT

    B e c a u s e o f t h e e q u a t i o n s u g g e s t s t h a t t h e f o r w a r d

    a n d b a c k w a r d r e a c t i o n s h a v e i n d e p e n d e n t k i n e t i c e f f e c t s

    a nd t h u s A r r h e n i u s s u g g e s t e d t h a t t h e e q u a t i o n m i g h t b e

    s p l i t t o g i v e :

    E E

    I n k = - - a n d I n k = ( 2 . 2 )

    dT 1 RT dT A RT^

    2

    3

    M o d i f i c a t i o n o f v a n ' t H o f f - A r r h e n i u s E q u a t i o n

    A r r h e n i u s f o u n d b y e x p e r i m e n t t h a t t h e v a r i a t i o n

    o f t h e r a t e c o n s t a n t k w i t h t e m p e r a t u r e c o u l d b e e x p r e s s e d

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    9

    s a t i s f a c t o r i l y by t h e s i mp l i f i e d e q u a t i o n :

    I n k - - i L . ( 2 . 3 )

    dT RT

    w h e r e d I n k / dT r e p r e s e n t s t h e change i n t h e n a t u r a l l o g

    o f t h e r a t e c o n s t a n t w i t h t e m p e r a t u r e . E i s a c o n s t a n t

    f o r t h e r e a c t i o n t e r m e d t h e a c t i v a t i o n e n e r g y a n d R i s t h e

    u n i v e r s a l ga s c o n s t a n t .

    T a k i n g t h e l i m i t s o f r e a c t i o n r a t e k t o be from

    k^ t o k 2 a n d t e m p e r a t u r e f r o m T 1 t o T^f i n t e g r a t i n g t h e

    e q u a t i o n b e t w e e n l i m i t s g i v e s :

    k E (T_ ~" T.>)l n j E i = _ _ 2 _ _ l _ ( 2 . 4 )

    Most p r o c e s s e s o f c o n c e r n t o s a n i t a r y e n g i n e e r s

    o p e r a t e o v e r a s m a l l r a n g e o f t e m p e r a t u r e s n e a r a m b i e n t .

    F o r t h i s r e a s o n , t h e p r o d u c t o f ( T x T ^) c h a n g e s v e r y l i t t l e

    a n d f o r t h e p r a c t i c a l p u r p o s e s i t c a n b e c o n s i d e r e d a c o n

    s t a n t . Thus E / RT^T c a n b e c o n s i d e r e d e q u a l t o a c o n s t a n t

    M, s o t h a t a n a p p r o x i m a t e f o r m u l a c a n b e u s e d f o r t e m p e r a

    t u r e d e p e n d e n c e o f r e a c t i o n r a t e s w h i c h i s :

    l n ^ = M ( T 2 - T 1 )

    o r

    k 2 = k x eM ( T 2 " T l > ( 2 . 5 )

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    10

    A p p l i c a t i o n s o f c o n c e r n t o t h e s a n i t a r y e n g i n e e r

    c a n b e p r e d i c t e d b y a s s u m i n g o n e r e a c t i o n r a t e a t a s t a n d

    a r d t e m p e r a t u r e , s a y 20C, an d t h e n e v a l u a t i n g t h e r e a c t i o n

    r a t e a t a n y o t h e r t e m p e r a t u r e w i t h i n a d e f i n e d r a n g e .

    The above e q u a t i o n , t h e n , c a n b e w r i t t e n a s :

    , , M(T-20) , 0 c ,k'2 = k 2 0 C

    6 ( 2 ' 6 )

    M

    T h e f o r m u l a c a n b e r e w r i t t e n by c o n s i d e r i n g e

    e q u a l t o a c o n s t a n t 9 a n d r e f e r r e d t o a s t h e " T e m p e r a t u r e

    c o e f f i c i e n t " .

    k T = k 2 0 C e ( T " 2 0 ) ( 2 ' 7 )

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    CHAPTER 3

    REVIEW OF PREVIO US IN VES TIG ATI ONS

    3.1 G e n e r a l

    I n t h e p a s t t h i r t y y e a r s , c o n s i d e r a b l e work ha s

    b e e n done on the t e m p e r a t u r e e f f e c t s on a c t i v a t e d s l u d g e .

    A s Shommas (3) ha s show n,th e e f f e c t o f t e m p e r a t u r e on

    e f f i c i e n c y o f t h e p r o c e s s , a s g i v e n by p e r c e n t of BOD

    r e m o v a l , v a r i e s from p l a n t t o p l a n t . T a k i g u c h i (4 ) found

    t h a t t h e l o w e r t h e t e m p e r a t u r e ""the l o w e r t h e e f f i c i e n c y

    w i t h a c o n s t a n t l oa d, o f BOD. Gehm ( 5 ) , u s i n g d a t a from

    t h e l i t e r a t u r e , f o u n d l i t t l e d i f f e r e n c ei n t h e e f f i c i e n c y

    o f BOD r e m o v a l f o r a n a c t i v a t e d s l u d g e s y s t e m o p e r a t i n g

    a t e i t h e r 32 an d 49 C , he c o n c l u d e d t h a t t h ea c t i v a t e d

    s l u d g e p r o c e s s ca n be o p e r a t e d s u c c e s s f u l l y a t h i g h t e m p e r

    a t u r e up t o 52C. L u d z a c k e t a l ( 6 ) o p e r a t e d c o n t i n u o u s

    a c t i v a t e d s l u d g e u n i t s a t 5 an d 30C w i t h t h e same a p p l i e d

    l o a d , vo lume and c o n c e n t r a t i o n f o r s e v e r a l o r g a n i c com

    p o u n d s , and found t h a t BOD a nd COD r e m o v a l was a b o u t 10

    p e r c e n t h i g h e r a t 30C t h a n a t 5C. Okun (7 )f o u n d l i t t l e

    e f f e c t o f t e m p e r a t u r e on BOD r e m o v a l w i t h t e m p e r a t u r e

    r a n g i n g from 8 t o 35C . H u n t e r e t a l ( 8 )w o r k i n g w i t h

    b a t c h a c t i v a t e d s l u d g e u n i t s a t t e m p e r a t u r e 4, 20 , 28 , 3 5 ,

    45 a nd 55C, f o u n d t h a t o p e r a t i o n a t t e m p e r a t u r e s o f 4C

    11

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    12

    a n d 55 C gave l o w e r BOD r e m o v a l e f f i c i e n c y t h a n a t 20 ,

    2 8 , 35 an d45C. T h e y c o n c l u d e d t h a t i ng e n e r a l , e x c e p t

    f o r t e m p e r a t u r e e x t r e m e s o f 4C an d 55C, t h e r ew as n o

    p a r t i c u l a r t r e n d e v i d e n t i ne f f l u e n t l e v e l s o f BOD w i t h

    c h a n g e s i nt e m p e r a t u r e . A s r e t e n t i o n t i m e i n c r e a s e d , the

    BOD r e m o v a l e f f i c i e n c y i n c r e a s e d . S t r e e b i n a n d P h i l i p s

    (9) u s i n g b a t c h c u l t u r e s , f o u n d t h a t COD r e m o v a l s w e r e

    c o n s t a n t ( 9 6 % ) a tt e m p e r a t u r e s b e t w e e n 20C a n d 40C and

    dropped o n l y s l i g h t l y ( 9 0 % ) when t h et e m p e r a t u r e was

    r a i s e d f r o m 40 t o60C. C a r p e n t e r e t a l ( 1 0)u s i n g a

    c o n t i n u o u s f l o w l a b o r a t o r y s y s t e m , c o n c l u d e d t h a t maximum

    BOD r e m o v a l ( 8 0 . 5 p e r c e n t ) o c c u r r e d a t37C a n d d e c r e a s e d

    r a p i d l y a s t h et e m p e r a t u r e w as r a i s e d above 37C (3 7 p e r

    c e n t a t 5 2 C ) . G a r r e t t a n d S a w y e r ( 1 1 )f o u n d t h a t t h e

    maximum r a t e o f BOD r e m o v a l f r o m a s y n t h e t i c s e w a g e was

    a p p r o x i m a t e l y 3. 6, 11. 6 a n d 2 0.8 l b / d a y / l bo fm i x e d l i q u o r

    s o l i d s a t 10, 20 and30C, r e s p e c t i v e l y .

    I n t h ec a s e o fo x y g e n u t i l i z a t i o n , S a w y e r and

    N i c h o l s (16)h a v e shown f r o m t h e i r s t u d i e s , t h er a t e a t

    w h i c h oxygen w a s b e i n g u s e d a t25C w a s a p p r o x i m a t e l y f o u r

    t i m e s a s j r a p i d a s a t 10C. B l o o d g o o d ( 1 7 ) i n r e p o r t i n g

    s t u d i e s made upon I n d i a n a p o l i s a c t i v a t e d s l u d g e , f o u n d

    t h a t t h er a t e o f oxygen u t i l i z a t i o n i n c r e a s e s m a r k e d l y

    a n d q u i t e u n i f o r m l y b e t w e e n 10 an d30C. S a w y e r and

    R o h l i c h (18)d e t e r m i n e d t h ei n f l u e n c e o f t e m p e r a t u r e o n

    t h e r a t e o f o x y g e n u t i l i z a t i o n by a c t i v a t e d s l u d g e f r o m

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    s e v e r a l p l a n t s , when s u b j e c t e d t o b o t h summer an d w i n t e r

    c o n d i t i o n s . They f o u n d t h e a v e r a g e r a t e s a t 20 , 15 an d

    10C t o be 71 .2 , 45.2 a nd 2 5 . 5 % . W i n t e r s l u d g e s from a l l

    s o u r c e s w e r e f o u n d t o u s e more o x y g e n a t a g i v e n t e m p e r

    a t u r e t h a n t h e c o r r e s p o n d i n g summer s l u d g e s .

    F o r s l u d g e y i e l d a nd p r o d u c t i o n , L u d z a c k e t a l .

    (6) c o n c l u d e d t h a t s o l i d s p r o d u c t i o n v a r i e d w i t h BOD

    r e m o v a l a n d w a s r e l a t i v e l y i n d e p e n d e n t o f t e m p e r a t u r e ,

    b u t t h e c a l c u l a t i o n s b a s e d o n G a r r e t a n d S a w y e r ' s d a t a

    ( 1 1 ) i n d i c a t e d t h a t t h e y i e l d c o e f f i c i e n t ( t h e n e t mass

    o f o r g a n i cg r o w t hp e r m a s s o f s u b s t r a t e u t i l i z e d ) a t temp

    e r a t u r e of 10, 20 and 30C w e r e 0.5 3, 0.44 and 0.38 r e

    s p e c t i v e l y . From t h e i r c o n t i n u o u s f l o w l a b o r a t o r y s t u d y ,

    L u d z a c k e t a l . ( 6 ) f o u n d t h a t t h e s o l i d s a c c u m u l a t i o n p e r

    u n i t w e i g h t o f BOD i n p u t w a s g r e a t e r a t 5 C t h a n a t 30C.

    Sawyer e t a l . a s r e p o r t e d b y E c k e n f e l d e r ( 23 ) h a v e shown

    t h a t f o r sewage a n d s e v e r a l i n d u s t r i a l w a s t e s 0.5 gm VSS

    i s s y n t h e s i z e d p e r gm o f BOD^ removed. B u s c h ( 2 4 ) showed

    t h a t t o t a l s y n t h e s i s f r o m g l u c o s e t o be 0.44 gm c e l l s p e r

    gm C OD. P o r g e s e t a l . ( 2 5 ) s i m i l a r l y showed a s y n t h e s i s

    f r o m l a c t o s e t o be 0. 43 gm VSS p e r gm COD removed.

    F r i e d m a n e t a l . ( 21 ) c o n c l u d e d t h a t t h e s l u d g e y i e l d

    c o e f f i c i e n t was e q u a l t o 0.42 and 0.6 2 a t te mp er at ur e 4C

    and 19C r e s p e c t i v e l y f o r c o n t i n u o u s f l o w e x p e r i m e n t s .

    P i p e s (22) fo un d a l i n e a r r e l a t i o n s h i p betwe en growt h

    c o u n t s and th e COD removed f o r a c t i v a t e d s l u d g e b y u t i l i z a t i o n

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    o f s e v e r a l s u b s t r a t e s .

    F o r s l u d g e s e t t l i n g , Sherwood e t a l . (26) c o n

    c l u d e d t h a t t h e i n f l u e n c e o f t e m p e r a t u r e on s e t t l i n g

    v e l o c i t y d e c r e a s e s a s t h ec o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e s . T h i s

    i n f l u e n c e r a n g e s f r o m f u l l v i s c o s i t y e f f e c t s a tv e r y low

    c o n c e n t r a t i o n t o n e g l i g i b l e e f f e c t s a tv e r y h i g h c o n

    c e n t r a t i o n . T h e t h i c k e n i n g o r c o m p r e s s i o n o f s l u d g ei s

    i n d e p e n d e n t o f f l u i d t e m p e r a t u r e . H e u k e l e k i a n and

    W e i s b e r g (27)showed t h a t h i g h l o a d i n g c o n d i t i o n s p r o

    d u c e d a d i f f u s e g r a y i s h f l o e w i t h a h i g h bound w a t e r

    c o n t e n t a ndp o o r s e t t l i n g . F o r d and E c k e n f e l d e r(2 8)

    showed t h a t good s l u d g e s e t t l e a b i l i t y was o b t a i n e d b e

    tween 0.1 and 0.8 l b BOD p e r da y p e r l b MLSS i n t h e c a s e

    o f d o m e s t i c w a s t e , an dgood s l u d g e s e t t l e a b i l i t y was

    a l s o o b t a i n e d b e t w e e n.0.1 an d 0.5 l b BOD p e r d ay p e r l b

    MLSS f o rp e t r o c h e m i c a l w a s t e a n d 0.2 t o 0.6 l b BOD p e r

    d a y p e r l b MLSS f o rb r e w e r y w a s t e . Howland ( 2 9 )sho wed

    t h a t a r i s e i nt e m p e r a t u r e i n c r e a s e d t h ep e r c e n t a g er e

    m o v a l s by s e d i m e n t a t i o n b e c a u s e o f d e c r e a s e d v i s c o s i t y

    a n d i n c r e a s e d v e l o c i t i e s o f s e t t l i n g . He a l s o showed

    t h a t r a i s i n g t h e t e m p e r a t u r e f r o m 70F t o 80F, i n c r e a s e d

    p e r c e n t a g e r e m o v a l s by a b o u t 13 p e r c e n t . T a k i g u c h i (4)

    showed t h a t t h eh i g h e r t h et e m p e r a t u r e i n t h et a n k , t h e

    b e t t e r t h es e t t l i n g o f a c t i v a t e d s l u d g e . H u n t e r e ta l .(8 )

    showed t h a t t h e r ewas no p a r t i c u l a r v a r i a t i o n o f s l u d g e

    volume i n d e x w i t h r e t e n t i o n t i m e > b u t t h eh i g h e s t s l u d g e

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    volume i n d e x o c c u r r e d a t t h e l o w e s t t e m p e r a t u r e a n d t h e

    s l u d g e volume in d e x was 12 0, 77 an d 68 a t 4C , 20C and

    55C r e s p e c t i v e l y .

    F o r n i t r i f i c a t i o n , Sawyer e t a l . ( 34 ) found

    t h a t t e m p e r a t u r e d i d a f f e c t t h e r a t e o f n i t r i f i c a t i o n .

    The r a t e i n c r e a s e d t h r o u g h t h e r a n g e o f 5 t o 30C which

    i s i n r e a s o n a b l e a g r e e m e n t w i t h t h e v a n ' t H o f f - A r r h e n i u s

    fo rm ul a and pH a l s o d i d a f f e c t t h e r a t e o f n i t r i f i c a t i o n .

    Optimum pH was found to be 8.4. Sawyer e t a l . ( 36 )'

    showed t h a t n i t r a t e p r o d u c t i o n a t " 1 0 , 1 5 , 2 0, 25C was

    12 , 16 , 20 , 22 ppm ( a sppm-N) r e s p e c t i v e l y on t h e s e v e n t h

    day of t h e i r f e e d i n g e x p e r i m e n t .

    3.2 S u b s t r a t e Removal i n t h e A c t i v a t e d S l u d g e System

    T h e r e m o v a l of o r g a n i c m a t e r i a l s from t h e waste

    w a t e r s b y t h e a c t i v a t e d s l u d g e p r o c e s s ca n b e a t t r i b u t e d

    t o b i o s o r p t i o n and a s s i m i l a t i o n . B a c t e r i a u t i l i z e t h e

    o r g a n i c s u b s t r a t e f o r e n e r g y , w i t h t h e p r o d u c t i o n o f c a r b o n

    d i o x i d e a nd w a t e r a n d f o r s y n t h e s i s o f new c e l l u l a r p r o t o

    p l a sm , r e s u l t i n g i n s l u d g e g r o w t h . T h e s e phenomenona

    have been s t a t e d b y E c k e n f e l d e r ( 2 3) t o b e :

    (1) An i n i t i a l r e m o v a l o f o r g a n i c m a t e r i a l s o n t h e

    c o n t a c t o f a w a s t e w i t h a b i o l o g i c a l l y a c t i v e

    s l u d g e w h i c h i s s t o r e d i n t h e c e l l a s a r e s e r v e

    f o o d s o u r c e .

    (2 ) Removal of o r g a n i c m a t e r i a l s i n d i r e c t p r o p o r t i o n

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    t o b i o l o g i c a l growth.

    ( 3) O x i d a t i o n of b i o l o g i c a l c e l l u l a r m a t e r i a l t h r o u g h

    endogenous r e s p i r a t i o n .

    T h o s e r e a c t i o n s s t a t e d above c a n be i l l u s t r a t e d by t h e

    s e r i e s of c h e m i c a l e q u a t i o n s .

    O r g a n i c m a t t e r o x i d a t i o n :

    ( C x H y z ) + 2 e n Z Y m e C 0 2 + H 20 - AH

    C e l l m a t e r i a l s y n t h e s i s :

    ( C

    xH

    y z) + N H

    3 +

    2 e n Z y m e C e l l s + C 0 2 + H 20 - AH

    C e l l m a t e r i a l o x i d a t i o n :

    ( C e l l s ) + 0 2 e n z Y m e C 0 2 + H 20 + NH 3 - AH

    The t e r m AH r e p r e s e n t s t h e h e a t o f r e a c t i o n .

    T a m i y a (39) ha s s t a t e d t h a t a l l c e l l s y n t h e s i s r e a c t i o n s

    a r e e x o t h e r m i c and h e n c e e n e r g y i s s u p p l i e d by t h e r e a c t i o n .

    3.2,a M i c r o b i o l o g i c a l G r o w t h K i n e t i c Model

    A m a t h e m a t i c a l f o r m u l a t i o n of t he r e m o v a l o f

    o r g a n i c m a t e r i a l s d u r i n g a c t i v a t e d s l u d g e g r o w t h h a s been

    s u g g e s t e d by some i n v e s t i g a t o r s , w h i c h i sb a s e d on t h e

    k i n e t i c s of m i c r o b i o l o g i c a l g r o w t h a s i to c c u r s i n a b i o -

    o x i d a t i o n s y s t e m . G a r r e t t (11 ) h a s shown t h a t t h e r a t e o f

    g r o w t h f o ra c t i v a t e d s l u d g e ca n be r e p r e s e n t e d a s a

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    d i s c o n t i n u o u s f u n c t i o n , c o n s t a n t a t h i g h BOD v a l u e s , a nd

    d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o t h e r e m a i n i n g BOD p r e s e n t a t low

    c o n c e n t r a t i o n s . T h e s e two p h a s e s c o n s t i t u t e t h e s i g m o i d a l

    p o r t i o n o f t h e g r o w t h c u r v e e x h i b i t e d by b i o l o g i c a l popu

    l a t i o n s l i m i t e d f o r s p a c e o r food.

    T he f o l l o w i n g f i g u r e (3 .1 ) i s a n i d e a l growth

    c u r v e f o r a b a t c h o x i d a t i o n s t a r t e d a t a h i g h l o a d i n g r a t i o

    b u t a s s u m i n g n o l a g pha se .

    T h i s g r o w t h c u r v e e x p r e s s e s t h r e e d i s t i n c t

    p h a s e s :

    P h a s e I , a c o n s t a n t g r o w t h p h a s e (a-b)

    P h a s e I I . a d e c l i n i n g g r o w t h p h a s e ( b - c )

    P h a s e I ' l l ,a n a u t o o x i d a t i o n p h a s e (c -d ) .

    A t t h e b e g i n n i n g o f t h e o x i d a t i o n p e r i o d l e t :

    Sq = th e i n i t i a l s l u d g e c o n c e n t r a t i o n ,

    L Q = th e t o t a l amount o f o r g a n i c m a t t e r i n i t i a l l y

    p r e s e n t t h a t c a n be removed a s a l i m i t o f

    t h e o x i d a t i o n p r o c e s s .

    A t any t i m e ( t ) l e t :

    S = t h e s l u d g e c o n c e n t r a t i o n p r e s e n t ,

    AS = S~Sq = t h e i n c r e a s e i n s l u d g e c o n c e n t r a t i o n ,

    L = t h e o x i d i z a b l e BOD r e m a i n i n g ,

    Y = t h e BOD removed,

    Y^ = t h e BOD removed by b i o s o r p t i o n ,

    Y^-Y = t h e BOD removed b y a s s i m i l a t i o n f o r r e s p i r

    a t i o n and s y n t h e s i s ,

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    F i g u r e 3.1 I d e a l A c t i v a t e d S l u d g e G r o w t h Curve

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    a = t h ef r a c t i o n o f t h e BOD removed w h i c hi s

    s y n t h e s i z e d t o s l u d g e a t any t i m e . Then

    I f y. = 0, ay = AS and S = S Q -fAS = S Q + aY

    P h a s e I :L o g a r i t h m i c Growth P h a s e ( a t o b)

    The t w o - p h a s e f o r m u l a t i o n a s s u m e s t h a t t h egro wth

    r a t e i nphase I ,i n t h ep r e s e n c e o f a h i g h BOD c o n c e n t r a t i o n ,

    i s l i m i t e d o n l y by t h e minimum g e n e r a t i o n time of t h e

    o r g a n i s m s t h e m s e l v e s f o r t h etemp erat ure used. T h u s r e g u

    l a r and maximum m u l t i p l i c a t i o n o c c u r s , and t h eg r o w t h r a t e

    i s a c o n s t a n t maximum. P h a s e I i st h e r e f o r e d e f i n e d by a

    c o n s t a n t r a t e o f s l u d ge i n c r e a s e .

    = K Sd t * l b

    w h i c h i n t e g r a t e st o

    ( S Q + S )

    l o g = K , t (3 .1 )e b Q l

    o r i nterms o f BOD r e m o v a l ( Y ) ,a nd a s s u m i n g f o r t h e p r e s

    e n t no i n i t i a l rem oval .

    ( S N + aY)

    l o g u = *t (3. 2)

    e S 0 1

    w h e r e K^. i s t h el o g a r i t h m i c g r o w t h r a t e ( t i m e ) 1f o r

    n a t u r a l l o g a r i t h m s ; t h ec o n s t a n t f o r common l o g s i s k^.

    T he p l o t o f l o g ( S Q+ aY ) a g a i n s t t (shown a s s o l i d l i n e

    i n F i g . 3.1(b) i s a s t r a i g h t l i n e f u n c t i o n w i t h i n P h a s e I

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    (a- b) and th e s l o p e d e f i n e s k.^.

    P h a s e I I : D e c l i n i n g G r o w t h P h a s e (b t o c )

    T h e t w o - p h a s e f o r m u l a t i o n a s s u m e s t h a t t h e i n

    f l u e n c e o f d e c r e a s i n g BOD c o n c e n t r a t i o n b e g i n s t o l i m i t

    g r o w t h a t some t r a n s i t i o n p o i n t ( b ) , a f t e r w h i c h the

    g r o w t h r a t e , an d c o n s e q u e n t l y t h e BOD r e m o v a l r a t e , a r e

    p r o p o r t i o n a l t o t h e BOD r e m a i n i n g . P h a s e I I i s t h e r e f o r e

    d e f i n e d b y t h e r a t e o f BOD d e c r e a s e .

    " H = K 2 L

    w h i c h i n t e g r a t e s t o

    l o g = -K t ( 3 . 3 )e uQ a

    i s t h e l o g a r i t h m i c BOD r e m o v a l r a t e (t i m e ) ^ f o r n a t u r a l

    l o g a r i t h m s . T he c o n s t a n t f o r common l o g s i s k 2 . T h e p l o t

    o f L o g L a g a i n s t t (shown by th e d a s h e d l i n e i n F i g . 3.1(b)

    i s a s t r a i g h t l i n e f u n c t i o n w i t h i n P h a s e I I a nd t h e s l o p e

    d e f i n e s k 2 .

    P h a s e I I I :A u t o - O x i d a t i o n Phase

    P h a s e I I Ishows t h e d e c r e a s e i n s l u d g e mass b y

    s e l f - m e t a b o l i s m or a u t o - o x i d a t i o n o f c e l l u l a r p r o t o p l a s m

    a s t h e a v a i l a b l e f o o d becomes d e p l e t e d .

    3.2.b M i c h a e l i s - M e n t e n Ki n e t i c Mode1

    T h i s i s a n o t h e r m o d e l d e v e l o p e d from a n a n a l y s i s

    o f r e a c t i o n r a t e s i n a n e n z y m e - c a t a l y z e d r e a c t i o n i n a

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    b i o l o g i c a l s l u d g e s y s t e m . P e a r s o n (19)s t a t e d t h a t the

    r e s u l t o f h i sa n a l y s i s , e x p r e s s e d i n k i n e t i c t e r m s , i s

    e q u i v a l e n t t o t h a t b a s e d upon a m i c r o b i o l o g i c a l growth

    k i n e t i c model s u c h as th eM i c h a e l i s - M e n t e n o r M-M K i n e t i c

    model. The g e n e r a l e q u a t i o n . f o r enzyme s u b s t r a t er e

    a c t i o n s i sr e v i e w e d b r i e f l y h e r e f o r t h e c o m p l e t e k i n e t i c

    e x p r e s s i o n an d Enz., S, E n z S an d P r e p r e s e n t s enzyme,

    s u b s t r a t e , e n z y m e - s u b s t ra t e com plex and p r o d u c t sr e

    s p e c t i v e l y:

    Hi b.E n z + S --E n z S r En z + P ( n o n - r e a c t i v e ) (3.4)

    k 2 k 4

    t h e t o t a l enzyme c o n c e n t r a t i o n i n t h e s y s t e m , E n z ^ , rema ins

    c o n s t a n t a nd i se q u a l t o En z + E n z S . On t h e b a s i s o f t h e

    above r e l a t i o n s h i p ,t h e r a t e o f f o r m a t i o n of enzyme-

    s u b s t r a t e complexi s :

    ^ t l ~ = k i ( E n z > ( S > - < k 2

    + k 3 > ( E n z S )

    (3.5)

    = k 1 S ( E n z t - E n z S ) - ( k 2+ k 3 ) ( E n z S )

    F o r a p a r t i c u l a r s y s t e m o f c o n t i n u o u s s u b s t r a t e a d d i t i o n

    and enzyme c o n c e n t r a t i o n , th e enzyme s u b s t r a t e complex

    c o n c e n t r a t i o n w i l l r e a c h a c o n s t a n t v a l u e , s o d ( E n z S ) / d t = 0,

    T h e r e f o r e :

    k x S ( E n z t - En S) = ( k 2+ k 3 ) ( E n z S )

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    R e a r r a n g i n g we o b t a i n

    S ( E n z t - E n z S ) k 2 + k^

    KE n z S k

    n s

    (E nz ) (S )

    o r ( E n z S ) - - R \ (3.6)

    s

    The ra t e of p r o d u c t f o r m a t i o n i s e q u a l to t h e

    o v e r a l l v e l o c i t y o f t h e r e a c t i o n a nd i s g i v e n a s V .= v ( E n z S ) ,

    a nd t h u s from t he r e l a t i o n s h i p g i v e n by e q u a t i o n ( 3 . 6 ) , t h e

    o v e r a l l r a t e a s a f u n c t i o n o f E n z ^ a n d S becomes:

    v ( E n z ) (S )

    s

    V VS t o n\

    t s

    w h e r e K i s t h e s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n a t o n e - h a l f maximums

    g r o w t h r a t e .

    As f i g u r e (3 .2) shows a p l o t o f ~ v e r s u s S a sEnz t

    w e l l a s a r e c i p r o c a l p l o t o f t h e M-M g r o w t h e q u a t i o n show

    i n g a g r a p h i c a l method o f o b t a i n i n g t h e r a t e c o n s t a n t s v

    and K . Thus,s

    1 _ K s 1 + 1

    V v S v

    E n z t

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    T h e r e a r e two l i m i t i n g c a s e s f o r t h ee q u a t i o n ( 3 . 7 ) . When

    S

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    3.3 Oxygen T r a n s f e r a n d U t i l i z a t i o n i n A c t i v a t e d S l u d g e

    S y s t e m s

    Oxygen r e q u i r e m e n t s i n a s y s t e m i s r e l a t e d t o

    t h e oxygen consumed t o s u p p l y e n e r g y f o r s y n t h e s i s a n d t h e

    oxygen consumed f o r endogenous r e s p i r a t i o n . I n a c t i v a t e d

    s l u d g e s y s t e m s ,oxygen i s s u p p l i e d by m e c h a n i c a l equi pmen t

    a n d t r a n s f e r r e d i n t o t h e s u r r o u n d i n g m i x e d l i q u o r . The

    oxygen t r a n s f e r p r o c e s s c a n b e c o n s i d e r e d t o o c c u r i n

    t h r e e p h a s e s . Oxygen m o l e c u l e s from t h e g a s a r e i n i t i a l l y

    t r a n s f e r r e d t o t h e l i q u i d s u r f a c e r e s u l t i n g i n a s a t u r a t i o n

    o r e q u i l i b r i u m c o n d i t i o n a t t h e i n t e r f a c e . T h e l i q u i d

    i n t e r f a c e has a f i n i t e t h i c k n e s s w i t h u n i q u e p r o p e r t i e s .

    T h i s f i l m i scomposed o f w a t e r m o l e c u l e s w i t h t h e i r n e g a

    t i v e ends f a c i n g t h e g a s p h a s e a n d i s e s t i m a t e d t o b e a t

    l e a s t t h r e e m o l e c u l e s t h i c k . D u r i n g t h e s e c o n d p h a s e , t h e

    oxygen m o l e c u l e s must p a s s t h r o u g h t h i s f i l m b y m o l e c u l a r

    d i f f u s i o n . I n t h e t h i r d p h a s e oxygen i sm i x e d i n t h e body

    o f l i q u i d by d i f f u s i o n a nd c o n v e c t i o n .

    I n a n a c t i v a t e d s l u d g e s y s t e m o x y g e n i s c o n t i n

    u o u s l y s u p p l i e d t o t h e m i c r o o r g a n i s m b y d i f f u s i n g a i r i n t o

    t h e mixed l i q u o r . T h e oxygen i s d i s s o l v e d i n s o l u t i o n and

    e x t r a c t e d from t h e s o l u t i o n b y t h e b i o l o g i c a l c e l l s f o r

    m e t a b o l i s m .

    A d i a g r a m o f t h e commonly a c c e p t e d oxygen t r a n s

    f e r scheme i s g i v e n i n t h e f o l l o w i n g F i g u r e ( 3 . 3 ) .

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    F i g u r e 3.3 S c h e m a t i c Diagram o f Oxygen T r a n s f e r

    i n A c t i v a t e d Sludge

    I n t h e a e r a t i o n o f a c t i v a t e d s l u d g e t h e b a s i c

    mass t r a n s f e r e q u a t i o n must be m o d i f i e d t o a c c o u n t f o r

    t h e e f f e c t s o f t h e oxygen u t i l i z a t i o n r a t e U of th e

    mixed l i q u o r .

    It = K L a ( C S - - U ( 3 . 1 0 )

    where KT a i s an o v e r a l l t r a n s f e r c o e f f i c i e n t , w h i c h i s

    JLi

    u s u a l l y used t o compute t h e t r a n s f e r r a t e .

    dC

    Under s t e a d y s t a t e c o n d i t i o n s = 0, an d K^ a

    can be determ ined .

    K L a = C ^ C ( 3 - X 1 )

    s

    C = oxygen c o n c e n t r a t i o n a t s a t u r a t i o n mg/1s

    C = oxygen c o n c e n t r a t i o n i n t h e l i q u i d mg/1.

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    The oxygen u p t a k e r a t e s h o u l d b e m e a s u r e d i n t h e a b s e n c e

    o f immediate oxygen demand and when t h e mixed l i q u o r h a s

    a d i s s o l v e d oxygen l e v e l i n e x c e s s o f 1.0 m g / l i t r e ( 1 5 ) .

    T h e K ^a o b t a i n e d i n c l u d e s t h e e f f e c t s o f t h e s p e c i f i c

    oxygen t r a n s f e r c o e f f i c i e n t (a) of the w a s t e w a t e r . The

    w a s t e t r e a t m e n t s y s t e m must be u n d e r s t e a d y s t a t e c o n d i

    t i o n s d u r i n g th e e n t i r e t e s t p e r i o d . T h i s i n c l u d e s l o a d

    i n g , d i s s o l v e d oxygen c o n c e n t r a t i o n a nd f e e d c o m p o s i t i o n .

    T he r a t e o f a e r o b i c m i c r o b i a l m e t a b o l i s m i s i n d e p e n d e n t

    o f t h e d i s s o l v e d oxygen c o n c e n t r a t i o n above a c r i t i c a l

    v a l u e . Below c r i t i c a l v a l u e s t h e r a t e i s r e d u c e d by

    t h e l i m i t a t i o n o f oxygen r e q u i r e d f o r r e s p i r a t i o n . C r i t i c a l

    d i s s o l v e d oxygen c o n c e n t r a t i o n s r e p o r t e d i n t h e l i t e r a t u r e

    ( 15 ) f o r a c t i v a t e d - s l u d g e s y s t e m r a n g e from 0.2 t o 2.0

    mg/1, d e p e n d i n g upon t h e t y p e o f a c t i v a t e d s l u d g e p r o c e s s

    a nd c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e w a s t e w a t e r . T h e m o s t f r e

    q u e n t l y r e f e r e n c e d c r i t i c a l d i s s o l v e d oxygen v a l u e f o r

    c o n v e n t i o n a l an d h i g h - r a t e a e r a t i o n b a s i s i s 0.5 mg/1- ( 1 5 ) ,

    3.4 S l u d g e P r o d u c t i o n i n t h e A c t i v a t e d S l u d g e System

    The s t a b i l i z a t i o n o f t h e o r g a n i c m a t t e r i n

    w a s t e s i sbrought abo ut b y t h e m e t a b o l i c r e a c t i o n s o f t h e

    m i c r o o r g a n i s m s t h a t l i v e w i t h i n t h e a e r a t i o n t a n k . I t

    h a s been shown t h a t b a c t e r i a a r e t h e m i c r o o r g a n i s m s r e

    s p o n s i b l e f o r t h e u t i l i z a t i o n o f t h e o r g a n i c m a t t e r o f

    t h e w a s t e i n a c t i v a t e d s l u d g e sy s t e m s, t h e r e f o r e , knowl edge

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    o f b a c t e r i a l m e t a b o l i s m s h o u l d p e r m i t e v a l u a t i o n of the

    m e t a b o l i c r e a c t i o n s . B a c t e r i a m e t a b o l i z e o r g a n i c m a t t e r

    t o p r o d u c e p r o t o p l a s m f o r t h e c r e a t i o n of new c e l l s .

    P r o t o p l a s m i smade up by a m i x t u r e of hundreds o f d i f f e r

    e n t c h e m i c a l m o l e c u l e s , b a c t e r i a c a n produce a l l t h e s e

    by m e t a b o l i z i n g t h e o r g a n i c compounds a nd s i m p l e m i n e r a l

    s a l t s i n t h e w a s t e . T o d o t h i s , t h e b a c t e r i a must b e

    a b l e t o b r e a k down t h e o r g a n i c m o l e c u l e a n d s y n t h e s i z e

    t h e m o l e c u l e s f o r p r o t o p l a s m . T he s y n t h e s i s r e a c t i o n s

    r e q u i r e e n e r g y , w h i c h t h e b a c t e r i a o b t a i n by o x i d i z i n g

    a p o r t i o n o f t h e o r g a n i c m o l e c u l e s b e i n g m e t a b o l i z e d .

    McKinney (4 0) h a s i n d i c a t e d t h a t a b o u t o n e - t h i r d o f t h e

    u l t i m a t e oxygen demand o f a s u b s t r a t e i s u s e d f o r e n e r g y

    a nd t w o - t h i r d s f o r s y n t h e s i s . B e s i d e s t h e e n e r g y r e q u i r e d

    f o r t h e s y n t h e s i s r e a c t i o n , a s m a l l amount o f e n e r g y i s

    a l s o r e q u i r e d t o m a i n t a i n t h e a c t i v a t i o n o f enzymes and

    m o t i o n o f t h e b a c t e r i a . T h e b a s a l e n e r g y r e q u i r e m e n t o f

    t he b a c t e r i a h a s b e e n d e s i g n a t e d a s endogenous r e s p i r a t i o n .

    I t h a s been shown t h a t t h e endogenous r e s p i r a t i o n r e a c t i o n

    i s a c o n t i n u o u s r e a c t i o n t h a t r e s u l t s i n t h e m e t a b o l i s m o f

    c e r t a i n components o f p r o t o p l a s m . T h e r e f o r e t h e s l u d g e

    p r o d u c t i o n o r a c c u m u l a t i o n i s t h e d i f f e r e n c e between t h e

    s y n t h e s i s r e a c t i o n a n d t h e endogenous r e a c t i o n . A s i m p l e

    e q u a t i o n c a n b e c o n s i d e r e d t o i n d i c a t e t h e s l u d g e accumu

    l a t i o n i n t h e t r e a t m e n t s y s t e m a nd i sshown a s f o l l o w s :

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    N e t p r o t o p l a s m a c c u m u l a t i o n = P r o t o p l a s m s y n t h e s i z e d -

    E n d o g e n o u s r e s p i r a t i o n .

    From t h e p o i n t o f v i e w o f a c t u a l d e s i g n a n d

    o p e r a t i o n , s l u d g e p r o d u c t i o n c a n be c o n s i d e r e d d i f f e r e n t

    w i t h v a r i o u s a e r a t i o n p e r i o d s p r o v i d e d . T h i s i s d e p i c t e d

    i n F i g . ( 3 . 4 ) .

    .00

    s

    phase I phase JL phase M

    ext ended acra/ ( on

    F i g u r e 3. 4 Ranges o f O p e r a t i o n o f t h e

    A c t i v a t e d S l u d g e P r o c e s s

    3.5 S l u d g e S e t t l i n g i n A c t i v a t e d S l u d g e System

    Sherwood (26) ha s shown t h a t a t n o r m a l a c t i v a t e d

    s l u d ge c o n c e n t r a t i o n s t h e s e t t l i n g p r o c e s s i s c o n s i d e r e d t o

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    be h i n d e r e d . T h e s e t t l e m e n t o f a c t i v a t e d s l u d g e i s u s u a l l y

    d e s c r i b e d a s zone s e t t l i n g , b e c a u s e t h e p a r t i c l e s h i n d e r

    e a c h o t h e r a s t h e y s e t t l e . Under t h i s c o n d i t i o n , t h e

    zone s e t t l i n g sequence becomes e v i d e n t . I n b a t c h s e t t l i n g

    t e s t s a d i s t i n c t s o l i d - l i q u i d i n t e r f a c e a p p e a r s a nd s e t t l e s

    a t a u n i f o r m r a t e u n t i l a t r a n s i t i o n zone i s e n c o u n t e r e d .

    The t h e o r e t i c a l a n a l y s i s o f t h i s phenomena i s b a s e d upon

    t h e a s s u m p t i o n t h a t t h e s e t t l i n g v e l o c i t y a t a n y p o i n t i n

    t h e s u s p e n s i o n i s d e p e n d e n t on th e l o c a l c o n c e n t r a t i o n

    o n l y . T h i s i n d i c a t e s t h a t t h e i n i t i a l s u s p e n s i o n c o n c e n

    t r a t i o n a t t h e i n t e r f a c e r e m a i n s unchanged u n t i l i t e n

    c o u n t e r s a l a y e r o f h i g h e r c o n c e n t r a t i o n p r o p a g a t e d up

    from t h e bottom o f t h e v e s s e l o r th e so c a l l e d t r a n s i t i o n

    s t a t e . T h e r e a f t e r , t h e s e t t l i n g v e l o c i t y w i l l c o n t i n u a l l y

    d e c r e a s e u n t i l t h e c o m p r e s s i o n s t a g e i s r e a c h e d .

    One of t h e f a c t o r s e s s e n t i a l t o t h e performance

    o f t h e a c t i v a t e d s l u d g e p r o c e s s i s e f f e c t i v e f l o c c u l a t i o n

    o f t h e s l u d g e . McKinney (3 8) r e l a t e d f l o c c u l a t i o n to th e

    food-to-microorga.nism r a t i o a nd showed t h a t c e r t a i n

    o r g a n i s m s n o r m a l l y p r e s e n t i n a c t i v a t e d s l u d g e f l o c c u l a t e

    r a p i d l y u n d e r s t a r v a t i o n c o n d i t i o n . A t v e r y h i g h F/M

    r a t i o , t h e o r g a n i s m s h a v e a maximum g r o w t h r a t e w i t h optimum

    c o n v e r s i o n of o r g a n i c m a t t e r i n t o new c e l l s . T h e energy

    l e v e l i s s u f f i c i e n t l y h i g h t o keep a l l t he organ ism s

    c o m p l e t e l y d i s p e r s e d , t h e r e f o r e f l o c c u l a t i o n does not

    o c c u r a n d poor s e t t l i n g t a k i n g p l a c e . A t v e r y l ow l o a d i n g s ,

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    u n o x i d i z e d f r a g m e n ts o f f l o e r e m a i n i n s u s p e n s i o n , r e

    s u l t i n g i n p o o r e r s e t t l i n g . T h e r e f o r e , e f f e c t i v e f l o c c u

    l a t i o n r e q u i r e s a r e l a t i v e l y low f o o d - t o - m i c r o o r g a n i s m s

    r a t i o ( d e c l i n i n g gro wth and h i g h s l u d g e a g e ) .

    S l u d g e volume i n d e x ( S V I ) i s t h e m o s t e f f e c t i v e

    p a r a m e t e r t o i n d i c a t e t h e s e t t l e a b i l i t y o f t h e s l u d g e f o r

    t h e a c t i v a t e d s l u d g e p r o c e s s . I t i s e x p r e s s e d a s t h e

    volume o c c u p i e d b y one gram of d r y s l u d g e a f t e r s e t t l i n g

    f o r t h i r t y m i n u t e s i n a l i t e r g r a d u a t e d c y l i n d e r . A de

    c r e a s e i n s l u d g e d e n s i t y i sr e f l e c t e d by d i m i n i s h e d

    s e t t l e a b i l i t y . The g r e a t e r t h e s e t t l e d volume pe r u n i t

    w e i g h t , t h el a r g e r t h e s l u d g e volume i n d e x . I f sus pend ed

    s o l i d s c o n c e n t r a t i o n a r e k e p t c o n s t a n t and o n l y s l u d g e

    d e n s i t y c h a n g e s t h i s w i l l a f f e c t t h e s l u d g e volume i n d e x .

    I n g e n e r a l , t h e s l u d g e volume i n d e x ( S V I ) i n t h e

    r a n g e o f 50 to 150 i n d i c a t e s a goo d s e t t l i n g s l u d g e .

    D e n i t r i f i c a t i o n i sa l s o a f a c t o r by r a i s i n g of th e s l u d g e

    when l i b e r a t i n g n i t r o g e n g a s . F i g u r e 3.5 i sg i v e n be lo w

    t o i n d i c a t e t h e s e t t l e a b i l i t y of th e s l u d g e i n t e r m s o f

    s l u d g e l o a d i n g and gro wth p h a s e .

    3.6 N i t r i f i c a t i o n i n t h e A c t i v a t e d S l u d g e P r o c e s s

    The most e x t e n s i v ewor k on n i t r i f i c a t i o ni n

    r e c e n t y e a r s h as been r e p o r t e d by Downi ng ( 35 ) . N i t r i

    f i c a t i o n r e s u l t s from t h e o x i d a t i o n o f ammonia o r i g i n a l l y

    c o n t a i n e d i n t h ew a s t e i n t o n i t r i t e by t he a c t i o n o f t h e

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    31

    phQsex phase JZ phas- & M.

    cf / $pe.r secl growt h f / occu/ a ' f edOr gan / S

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    32.

    When t h es l u d g e age (G) i sg r e a t e r t h a n t h eg r o w t h r a t e o f

    t h e n i t r i f y i n g o r g a n i s m s , n i t r i f i c a t i o n c an be e f f e c t i v e l y

    t a k i n g p l a c e , r e s u l t i n g i n t h ef o r m a t i o n o f n i t r a t e s . A

    s l u d g e age o f f i v e d a y s h a sb e e n r e p o r t e d byDowninga t

    17C f o re f f e c t i v e n i t r i f i c a t i o n .

    3. 7 E f f e c t o fT e m p e r a t u r e on S u b s t r a t e Removal R a t e

    T e m p e r a t u r e v a r i a t i o n s i n f l u e n c e a l l c h e m i c a lan d

    b i o l o g i c a l p r o c e s s e s . I nmost o f t h eb i o l o g i c a l r e a c t i o n s ,

    t h e m e t a b o l i c r a t e may be i n c r e a s e d t w o f o l d f o re a c h 10C

    r i s e i n a r a n g e o foptimum b i o l o g i c a l a c t i v i t y . I n o r d e r

    t o e s t i m a t e a p p r o x i m a t e l y t h et h e r m a l i n f l u e n c e on t h e

    p r o c e s s o fb i o l o g i c a l t r e a t m e n t , a m o d i f i c a t i o no f t h e

    v a n ' t H o f f - A r r h e n i u s e q u a t i o n i su s e d ( E q .2 . 7 ) . E c k e n -

    f e l d e r andE n g l a n d e ( 1 4 )p o i n t e d o u tt h a t t h e r e l a t i o n

    s h i p o f t h a t e q u a t i o n i sv a l i d o n l y w i t h i n s p e c i f i c l i m i t s .

    A l o w e r l i m i t i si m p o s e d by r e t a r d a t i o n o f b a c t e r i a l

    a c t i v i t y f o rm e s o p h i l i c o r g a n i s m s a s t h e t e m p e r a t u r e

    a p p r o a c h e s f r e e z i n g . R e l a t i v e l y h i g h r e a c t i o n r a t e s may

    s t i l l e x i s t a tv e r y l ow t e m p e r a t u r e s f o r p s y c h r o p h i l i c

    o r g a n i s m s . F u r t h e r i n c r e a s e s i nt e m p e r a t u r e r e s u l t i n a

    d e c r e a s e d r a t e f o rm e s o p h i l i c o r g a n i s m s , and maximum b i o -

    d e g r a d a t i o n by t h e r m o p h i l i c o r g a n i s m s , however, w h i c h w i l l

    b e o b t a i n e d o v e r a t e m p e r a t u r e r a n g i n g from 35C t o 65C.

    T h e t e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n t 0 r e f l e c t s t h e r e a c t i o n -

    t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c ya sshown i n t h ef o l l o w i n g T a b l e ( 3 . 1 ) .

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    35

    3.10 E f f e c t o f T e m p e r a t u r e o n A c t i v a t e d S l u d g e S e d i m e n t a t i o n

    T e m p e r a t u r e e f f e c t s o n t h e s l u d g e s e t t l i n g i s

    e f f e c t i v e l y and d i r e c t l y c o n c e r n e d w i t h t h e k i n e m a t i c v i s

    c o s i t y o f t h e s o l u t i o n i n t h e a c t i v a t e d s l u d g e p r o c e s s , i f

    p a r t i c l e s i z e and s p e c i f i c g r a v i t y a r e assumed to be i n v a r

    i a n t w i t h t e m p e r at u r e . T e s a r i l e (3 3) gave a n e q u a t i o n t o

    r e p r e s e n t t h e zone s e t t l i n g v e l o c i t y a nd k i n e m a t i c v i s c o s i t y

    r e l a t i o n s h i p :

    V, y, 1/3

    0 (3.13)

    where and V2 a r e t h e zone s e t t l i n g v e l o c i t i e s of th e

    sl ud ge and and u 2 a r e t n e k i n e m a t i c v i s c o s i t y of T^ an d

    T 2 , where T r e p r e s e n t s t h e t e m p e r a t u r e .

    U s i n g t h e above e q u a t i o n i t c a n b e s a i d t h a t

    t h e h i g h e r t h e t e m p e r a t u r e c o n c e r n e d , t h e l o w e r t h e v i s

    c o s i t y o f t h e s o l u t i o n a n d t h e r e f o r e t h e h i g h e r t h e s e t t l i n g

    r a t e o f t h e s l u d g e .

    311 E f f e c t o f T e m p e r a t u r e on N i t r i f i c a t i o n i n t h e A c t i v a t e d

    S l u d g e P r o c e s s

    T e m p e r a t u r e w i l l e x e r t a p r o f o u n d e f f e c t on n i t r i

    f i c a t i o n . Downing ( 35 ) r e p o r t e d t h a t t h e r a t e and tempera

    t u r e r e l a t i o n s h i p i s i n d i c a t e d b y t h e a p p l i c a t i o n o f th e

    v a n ' t H o f f - A r r h e n i u s m o d i f i c a t i o n e q u a t i o n , a s shown by

    t h e f o l l o w i n g :

    k t = k 2 0 O c 1 . 1 4 3( T ~ 2 0 ) (3.14)

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    Combining e q u a t i o n s ( 4 . 1 ) a nd ( 4 . 2 ) o ne o b t a i n s :

    r - r K x v t (4-3)

    L e t t h e l e f t s i d e o f e q u a t i o n 3 e q u a l Y, t h e n , i f X v and

    t r e m a i n c o n s t a n t , i s p r o p o r t i o n a l t o Y one c a n r e -

    (T-20)w r i t e t h e e q u a t i o n K T

    = K 2 0 "*~n t h e ^ o r m

    (T-20)Y = G 0 v '

    where G i s a c o n s t a n t . Thus

    l o g Y = l o g G + ( T- 20 ) l o g 0 (4.4)

    As shown i n F i g u r e ( 4 . 1 ) , 0 i s computed from t h e s l o p e

    of a se mi lo g p l o t o f Y v e r s u s t e m p e r a t u r e f o r a c o n s t a n t

    t and X .

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    38

    o

    F i g u r e 4.1 Tem per atu re c o e f f i c i e n t f o r s u b s t r a t e r e m o v a l

    4.2 Temperature C o e f f i c i e n t 8 f o r Oxygen T r a n s f e r

    T e m p e r a t u r e v a r i a t i o n w i l l p l a y an i m p o r t a n t

    r o l e i n oxygen t r a n s f e r i n t h e a c t i v a t e d s l u d g e p r o c e s s .

    As i t ha s a l r e a d y b e e n shown t h a t u t i l i z a t i o n r a t e , w h i c h

    r e f l e c t s the ener gy t r a n s f e r of the p r o c e s s , can be e v a l

    u a t e d by u s i n g t h e v a n ' t H o f f - A r r h e n i u s m o d i f i c a t i o n .

    Then, from the e q u a t i o n

    and by u s i n g t h e v a n ' t H o f f - A r r h e n i u s e q u a t i o n whi ch can

    be r e w r i t t e n as

    U

    9( T - 2 0 )

    T "L 20C

    By s u b s t i t u t i o n

    (4.5)

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    s u s p e n d e d s o l i d s u s i n g t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n :

    a a

    where a i s th e s l u d g e y i e l d c o e f f i c i e n t and b i s t h e f r a c t i o n

    p e r day of s l u d g e o x i d i z e d , AX i s t h e s l u d g e p r o d u c t i o n

    p e r day , X^ i sMLSS i n t h e p r o c e s s and t i s t h e r e t e n t i o n

    t i m e o f t he p r o c e s s . From t h e abov e e q u a t i o n , t h e s l u d g e

    y i e l d ca n be d e t e r m i n e d by p l o t t i n g AX/X v e r s u s S /X t

    a r a

    a s t h e f o l l o w i n g f i g u r e shows:

    Xa

    6

    F i g u r e 4.3 S l u d g e P r o d u c t i o n a s a F u n c t i o n of Sub

    s t r a t e Removal R a t e

    Th e v a l u e of th e c o e f f i c i e n t 6 f o r d i f f e r e n t s l u d g e y i e l d s

    a t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e ca n be d e t e r m i n e d u s i n g t h e v a n ' t

    H o f f - A r r h e n i u s m o d i f i c a t i o n e q u a t i o n by a s e m i l o g p l o t o f

    s l u d g e y i e l d v e r s u s t e m p e r a t u r e b a se d, on t h e f o l l o w i n g

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    4 1

    e q u a t i o n :

    l o g a T= l o g& 20oc + ( T - 2 0 ) l o g 6 (4 . 8 )

    Zo9 Q

    7

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    4 2

    d i f f e r e n t t e m p e r a t u re c o n s i d e r e d . The van* t H o f f - A r r h e n i u s

    m o d i f i c a t i o n e q u a t i o n ca n be c o n s i d e r e d a s v a l i d f o r t h e

    e v a l u a t i o n o f th e c o e f f i c i e n t 0 f o rd i f f e r e n t p e r c e n tr e

    mo vals o f n i t r o g e n i n t h e p r o c e s s a t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s ,

    f u r t h e r m o r e , t h e p e r c e n t r em o v a l o f n i t r o g e n c a n b e r e

    l a t e d t o t h e t o t a l n i t r a t e formed a f t e r c o m p l e t e o x i d a t i o n .

    T he e q u a t i o n ca n be e v a l u a t e d i n a s i m i l a r manner t o t h e

    s u b s t r a t e r e m o v a l e q u a t i o n ( 4 . 4 ) :

    l o g Y = l o g G + ( T - 2 0 ) l o g 0 (4.9)

    0

    F i g u r e 4.5 T e m p e r a t u r e C o e f f i c i e n t f o r

    n i t r i f i c a t i o n

    T h e l o g 0 ca n be o b t a i n e d by p l o t t i n g t h e s e m i l o g p l o t o f

    Y v e r s u s t e m p e r a t u r e a s shown i nF i g u r e 4.5.

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    CHAPTER 5

    EXPERIMENTALWORK

    T h i s i n v e s t i g a t i o n i n v o l v e d t h e u s e of a s m a l l

    c o n t i n u o u s f l o w b e n c h s c a l e p l a n t t od e t e r m i n e t h e e f f e c t

    o f low t e m p e r a t u r e s on t h ea c t i v a t e d s l u d g e p r o c e s s I n

    t e r m s of th et e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n t 9 f o r t h er e m o v a l o f

    s u b s t r a t e , oxygen t r a n s f e r , s l u d g e a c c u m u l a t i o n and

    s e t t l e a b i l i t y and n i t r i f i c a t i o n .

    5.1 A e r a t i o n U n i t - D e s i g n and Methodology

    A p l e x i g l a s s a e r a t i o n u n i t was u s e d i n th e ex

    p e r i m e n t a l work. T h i s u n i t i s a c o n t i n u o u s t r e a t m e n t

    model t h a t combines b o t h an a e r a t i o n an d a s e t t l i n g com

    p a r t m e n t i n a s i n g l e u n i t u s i n g two b a f f l e s , b o t h o f which

    c a n be a d j u s t e d to th e i d e a l c o n d i t i o n . One of t h e b a f f l e s

    i s a v a i l a b l e f o ra d j u s t i n g t h e s l u d g e r e c i r c u l a t i o nan d

    i s l o c a t e d n e a r t h ebottom of t h ea e r a t i o n u n i t and

    c o n n e c t i n g i tw i t h t h e s e t t l i n g compartment. The o t h e r

    b a f f l e i sp r o v i d e d t o a d j u s t t h eo v e r f l o w w e i r t o t he de

    s i r e d e l e v a t i o n i n t h ea e r a t i o n u n i t a d j a c e n t t o t h e

    s e t t l i n g u n i t . Thev o l u m e of t h ea e r a t i o n t a n k i sapprox

    i m a t e l y 25 l i t e r s w i t h 11 x 12 s u r f a c e a r e a and 14 i n .

    d e p t h . The s e t t l i n g compartment i s a t r a n s v e r s e "V" shape

    t y p e c o n n e c t e d to th e a e r a t i o n u n i t . The a i r i s s u p p l i e d

    43

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    44

    by t h e t r a n s v e r s e c y l i n d r i c a l d i f f u s e r l o c a t e d n e a r the

    bot tom o f t h e a e r a t i o n t a n k . The d e t a i l e d c o n s t r u c t i o n

    of t h i s s m a l l b e n c h s c a l e p l a n t i s shown i n F i g u r e 5 . 1 .

    P h o t o g r a p h s o f t h e p l a n t i n a c t u a l o p e r a t i o n a r e shown

    i n A p p e n d i x I .

    5.2 E x p e r i m e n t a l P r o c e d u r e

    I d e a l l y , t h e f e e d t o t h e a c t i v a t e d s l u d g e p l a n t

    s h o u l d h a v e b e e n a f r e s h d o m e s t i c sewage. However, t o

    h a v e a f e e d of c o n s t a n t c o m p o s i t i o n f o r t h e d u r a t i o n o f

    t h e e x p e r i m e n t s w o u l d be d i f f i c u l t ; i n a d d i t i o n t h e r e

    w o u l d be th e p r o b l e m of d e l i v e r y o f t h e f r e s h d o m e s t i c

    sewage from t h e t r e a t m e n t p l a n t t o t h e l a b o r a t o r y . T h e r e

    f o r e a s y n t h e t i c sewage was re qu ir ed , to a c h i e v e the ex

    p e r i m e n t a l o b j e c t i v e s .

    The f e e d i n g w a s t e w as a s y n t h e t i c sewage, a s

    d e v e l o p e d from p r e v i o u s i n v e s t i g a t i o n s ( 3 7 ) . T ap w a t e r

    f r o m t h e c i t y o f F r e d e r i c t o n , N.B. w as u s e d i n t h e p r e p

    a r a t i o n o f t he s y n t h e t i c w a s t e .

    The s e e d i n g s l u d g e was t a k e n f r o m t h e a c t i v a t e d

    s l u d g e p l a n t o p e r a t e d by t h e F r e d e r i c t o n A r e a P o l l u t i o n

    C o n t r o l C o m m i s s i o n . I n o r d e r t o l e t t h e s e e d i n g s l u d g e

    a c c l i m a t i z e t o t h e s y n t h e t i c w a s t e , t h e m i x e d l i q u o r w a s

    f i r s t a d j u s t e d t o t h e r e q u i r e d c o n c e n t r a t i o n a nd a e r a t e d

    a b o u t two weeks a t room t e m p e r a t u r e .

    F o r e a c h of the e x p e r i m e n t a l r u n s , t h e c o n t i n

    u o u s a c t i v a t e d s l u d g e u n i t w as o p e r a t e d i n s i d e a t e m p e r a -

    o

    t u r e - c o n t r o l l e d w a l k - i n i n c u b a t o r a t t e m p e r a t u r e s of Q ,

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    5 , 10 and20C r e s p e c t i v e l y , a td e t e n t i o n t i m e s o f e i g h t ,

    s i x t e e n and t w e n t y - f o u r h o u r s f o re a c h t e m p e r a t u r e .

    D u r i n g t h ep r e p a r a t i o no f t h ee x p e r i m e n t , u n f o r

    t u n a t e l y , t h er e q u i r e d f l o w r a t e t o a c h i e v e a r e t e n t i o n

    p e r i o d o f f o u r h o u r s was d i f f i c u l t t o c o n t r o l a t a c o n s t a n t

    c o n t i n u o u s f e e d i n g to th ea e r a t i o n u n i t , t h e r e f o r e , c o n d i

    t i o n s t o s i m u l a t e h i g h - r a t e s y s t e m s was n o tp e r f o r m e d .

    Th e m i x e d l i q u o r c o n c e n t r a t i o ni n t h e a e r a t i o n

    u n i t was c h o s e n a t 1800 mg p e r l i t e r f o re a c h o f t h e

    t w e l v e r u n s . I no r d e r t okeep t h es y n t h e t i c w a s t e i n a

    f r e s h c o n d i t i o n i t was made e v e r y day an dk e p t i n s i d e a

    c o o l room and a d j u s t e d t o t h ei n t e n d e d a e r a t i o n u n i t

    t e m p e r a t u r e .

    S l u d g e a c c u m u l a t i o n o r p r o d u c t i o n was r e c o r d e d

    o n t h e f i r s t day o f e a c h e x p e r i m e n t a f t e r t h er e q u i r e d

    p e r i o d f o ra c c l i m a t i o nt o t h ea m b i e n t e n v i r o n m e n t was

    a c h i e v e d . No s l u d g e w a s t i n g was n e c e s s a r y d u r i n gt he

    r e c o r d i n g p e r i o d . E v e r y sample was t a k e n o n t h e t h i r d

    d a y w i t h s u f f i c i e n t s l u d g e w a s t i n g d e p e n d i n g uponth e

    s l u d g e a c c u m u l a t i o n , k e e p i n g t h e MLSS i n t h e a e r a t i o n

    u n i t a t 1800 mg p e r l i t e r .

    I n o r d e r t o g e tc o n s i s t e n t r e s u l t s , t h e f l o w

    r a t e was c h e c k e d e v e r y h o u r , and th ea e r a t i o n u n i t t e m p e r

    a t u r e a s w e l l . A l lt h es a m p l e s w e r e a n a l y s e d i m m e d i a t e l y .

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    5^ A n a l y t i c a l Method

    T he r e q u i r e d p a r a m e t e r s f o r t h i s e x p e r i m e n t

    w e r e c h o s e n a s f o l l o w s :

    (a) Suspended s o l i d s f o r b o t h t h e i n f l u e n t and

    e f f l u e n t w a s t e w a t e r .

    (b) Ammonia-nitrogen, n i t r i t e - n i t r o g e n , n i t r a t e -

    n i t r o g e n , f o r b o t h t h e i n f l u e n t a n d e f f l u e n t

    w a s t e w a t e r .

    ( c ) S l u d g e volume i n d e x , where t h e m i x e d l i q u o r

    w as s i p h o n e d o f f f r o m t h e a e r a t i o n u n i t .

    (d) TOC ( T o t a l o r g a n i c c a r b o n ) w as d e t e r m i n e d i n

    s t e a d o f BOD ( B i o c h e m i c a loxygen demand) b e

    c a u s e o f t h e l o n g t i m e r e q u i r e d f o r t h e d e t e r

    m i n a t i o n o f BOD.

    (e) Oxygen u t i l i z a t i o n r a t e w a s c h e c k e d b y s i p h o n

    i n g o f f t h e m i x e d l i q u o r i n t o a BOD b o t t l e ,

    a n d r e c o r d e d b y oxygen m e t e r .

    ( f ) D i s s o l v e d oxygen i n t h e a e r a t i o n u n i t w as r e

    c o r d e d b y oxygen m e t e r a t h o u r i n t e r v a l s .

    (g) MLSS i n a e r a t i o n u n i t w as c h e c k e d e v e r y t h r e e

    h o u r s e x c e p t a t n i g h t t i m e .

    (h) S l u d g e a c c u m u l a t i o n w as c h e c k e d b y 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 e v e r y h o u r , d u r i n g t h e p r o

    d u c t i o n r e c o r d i n g p e r i o d o f t h e f i r s t d a y .

    ( i ) pH v a l u e s f o r b o t h t h e i n f l u e n t , e f f l u e n t and

    t h e m i x e d l i q u o r i n t h e a e r a t i o n u n i t were

    me asu re d by pH me te r.

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    A l l t h ep a r a m e t e r s w e r e d e t e r m i n e d a c c o r d i n g t o t h e

    (41)

    t h i r t e e n t h e d i t i o n o f " S t a n d a r d Methods" . Sus pen de d

    s o l i d s an d MLSS w e r e d e t e r m i n e d by g r a v i m e t r i c methods.

    Ammonia n i t r o g e nby d i s t i l l a t i o n a n d t i t r a t i o n method,

    n i t r i t e - n i t r o g e n by p h o t o m e t r i c m e a s u r e m e n t , n i t r a t e -

    n i t r o g e n by b r u c i n e method and t o t a l o r g a n i c c a r b o n

    (TOC) by a c a r b o n a n a l y z e r .

    5.4 E x p e r i m e n t a l R e s u l t s

    The r e s u l t s o f t h e s e t w e l v e e x p e r i m e n t s were

    a n a l y s e d w i t h r e s p e c t t o t h ev a r i a t i o n i n r e t e n t i o n

    p e r i o d s and t e m p e r a t u r e s .

    (a) S u b s t r a t e R e m o v a l E f f i c i e n c y

    The e f f e c t o f t e m p e r a t u r e on t h ep e r c e n t a g e o f

    s u b s t r a t e re m ov a l r e p r e s e n t e d by TOC wa s c a l c u l a t e d a s a

    f u n c t i o n of th er e t e n t i o n p e r i o d . T a b l e ( 5 . 1 )g i v e s the

    r e d u c t i o n o f TOC a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e and shows

    t h a t t h ep e r c e n t a g e r e d u c t i o no f s u b s t r a t e i n c r e a s e d

    w i t h i n c r e a s i n g t e m p e r a t u r e from z e r o t o t w e n t y d e g r e e C.

    The s u b s t r a t e r e m o v a l e f f i c i e n c y a s a f u n c t i o n o f t e m p e r

    a t u r e f o rv a r i o u s r e t e n t i o n p e r i o d s were p l o t t e d a s shown

    i n f i g u r e (5.2 ) and ( 5 . 3 ) .

    (b) Oxygen U t i l i z a t i o n R a t e

    The e f f e c t o f t e m p e r a t u r e on t h eo x y g e n u t i l i z a

    t i o n r a t e was c a l c u l a t e d and t a b u l a t e d i nT a b l e ( 5 . 2 ) f o r

    v a r i o u s r e t e n t i o n p e r i o d s . D u r i n g t h ep r e s e n t s t u d i e s ,i t

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    I t i ss e e n t h a t t h e s l u d g e volume i n d e x ( S V I )d e c r e a s e d

    w i t h i n c r e a s i n g t e m p e r a t u r e i n t h e r a n g e o f z e r o t o

    t w e n t y d e g r e e C. Th e p l o t o f s l u d g e volume i n d e x a g a i n s t

    t e m p e r a t u r e and r e t e n t i o n t i m e i s s ho wn i n f i g u r e s (5.8)

    a n d (5.9) r e s p e c t i v e l y .

    T a b l e .(5.4) Sl ud ge Volume I n d e x

    T e m p e r a t u r e

    d e g r e e C

    S l u d g e Volume I n d e xT e m p e r a t u r e

    d e g r e e C8 h r s 16 h r s 24 h r s

    0 174 178 179

    5 132 137 134

    10 126 132 129

    20 120 122 121

    (e) N i t r i f i c a t i o n

    P e r c e n t n i t r i f i c a t i o n , a s d e f i n e d by E c k e n f e l d e r

    ( 3 8 ) , i s t h e p e r c e n t a g e o f t o t a l n i t r a t e formed a f t e r com

    p l e t e o x i d a t i o n . T e m p e r a t u re e x e r t e d a marked e f f e c t on

    n i t r i f i c a t i o n d u r i n g t h i s s t u d y . A t t e m p e r a t u r e s o f z e r o

    a n d f i v e d e g r e e C l i t t l e o r no n i t r i f i c a t i o n was o b s e r v e d .

    D a t a r e l a t i n g t h e r e s u l t s a t t h e l a t t e r and o t h e r t e m p e r a

    t u r e s, f o rv a r i o u s r e t e n t i o n p e r i o d s i st a b u l a t e d i n

    T a b l e ( 5 . 5 ) .

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    T a b l e (5.5) N i t r i f i c a t i o n

    Temperature R e t e n t i o n I n f l u e n t mg/1 E f f l u e n tmg/1

    degreeC Time (hr) Amm-N N i t r i t e - N N i t r a t e - N Amm-N N i t r i t e - N N i t r a t e - N

    8 75.2 -

    73.6 1.2 0.1

    0 16 74.8 - - 72.0 2.0 -

    24 75.7 - - 75.2 0.2 -

    8 76.0 - - 75.5 0.1 -

    5 16 76.2 - - 74.1 1.7 -

    24 75.2 - - 73.2 1.6 0.2

    8 75.7 - 0.1 32.0 2.6 37.0

    10 16 75.9 - - 33.2 1.2 42.2

    24 76.2 - - 30.1 2.6 43.5

    8 77.2 - - 8.2 4.1 63.2

    20 16 76.3-

    - . 7.31.4 66.7

    24 74.9 0.2 6.9 1.1 64.6

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    D i s s o l v e d oxygen i n the a e r a t i o n u n i t a nd t h e

    pH v a l u e were r e c o r d e d d u r i n g t h e p r e p a r a t i o n of th e

    e x p e r i m e n t and t a b u l a t e d a s i n T a b l e (5.6)-.

    T a b l e (5.6) pH and DO i n t h e A e r a t i o n U n i t

    Temperature

    d e g r e e C

    pH v a l u e D i s s o l v e d Ox yg en mg/1Temperature

    d e g r e e C8 h r s 16 h r s 24 h r s 8 h r s 16 h r s 24 h r s

    0 7.15 7.4 7 .4 1 1 .8 11 .7 11.7

    5 7.5 7.1 7 .0 10.2 10.0 10 .4

    10 7.3 7.3 7 .4 8.7 8.7 8.9

    20 7.1 7.0 7 .0 6.5 6.6 6.6

    5.5 A n a l y s i s ( T e mp e r at u r e C o e f f i c i e n t 0 D e t e r m i n a t i o n )

    (a) S u b s t r a t e Removal

    T e m p e r a t u r e e f f e c t s on th e s u b s t r a t e r e m o v a l can

    be p r e d i c t e d a d e q u a t e l y by t he c o e f f i c i e n t 9 i nt e r m s o f

    p e r c e n t a g e r e m o v a l w i t h r e s p e c t t o t e m p e r a t u r e . The temp

    e r a t u r e c o e f f i c i e n t 9 was e v a l u a t e d by p l o t t i n g t h e s e m i l o g

    p l o t of v e r s u s t e m p e r a t u r e as p r e v i o u s l y d e t a i l e d i n

    C h a p t e r 4. T he c o e f f i c i e n t 8 r e p o r t e d a s i n f i g u r e s ( 5 . 1 0 ),

    ( 5 . 1 1 ) and ( 5 . 1 2 ) was e q u a l t o 1.0 33, 1.038 and 1 .0 38 ,

    b a s e d on t h e v a r i a t i o n i n t h e r e t e n t i o n t i m e of 8 h r s , 16 h r s

    a n d 24 h r s , r e s p e c t i v e l y .

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    67/106

    /oo

    a /6 24

    Det ent / on Ti me ( f ?r )

    Fi g. 5. 3 Rem ova/ Ef f i c i en eg VS. Ti me

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    Fi g. 5F Oxygen Uf / Hzot i on Rof e

    V. S. Temper at ur e

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    69/106

    25

    z ' 1 'Q 16 24

    Det ent i on T/ me c/ i r >

    Fi g. 5. 5 Oxygen Ut i l i zat i on Rot e

    V. S. T/ me

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    71/106

    Fi g. S. 7 Sl udge Accumul at i on

    VS. Temper at ur e

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    73/106

    2oo

    /soA

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    62

    (k) O x ^ e n T r a n s f o r Coeficient

    Di s s o l v e d oxygen an d i t st r a n s f e r fro m th e

    s u r r o u n d i n g s a t u r a t e d medium t o t h e b a c t e r i a l c e l l was

    i n f l u e n c e d by the change o f t e m p e r a t u r e . T e m p e r a t u r e

    c o e f f i c i e n t 0 ca n be use d to p