Universität Stuttgart ENEXIO Water Technologies EXPOVAL - Modification and Validation of German Design Standards for Wastewater treatment plants elsewhere - Design and Operation of New Generation Trickling Filters Presented by: Stephan Jakobs (Global Sales Director) Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau-, Wassergüte- und Abfallwirtschaft ISWA) Prof. Dr.-Ing. H. Steinmetz Dipl.-Ing. RBM C. Meyer M.Sc. M. Seeger ENEXIO Water Technologies Office Hürth Dr. Dipl.-Ing. (FH) C.-D. Henrich Dipl.-Wi.-Ing. M. Marggraff

Table of Contents Introduction Borders of the current design method of DWA A281 in climates other than central Germany Goals for the „New Dimensioning method“ Design of New Generation Trickling filters Results

1. Trickling Filters and the ATV-A 281, 2001 Biological wastewater treatment Biomass grows on the filter medias surface Plug flow reactor: Continuous treatment along the height Black-Box Method: Biomass concentration, active biomass fraction and type of biomass (wetted surface, clogging…) cannot be measured Trickling Filter plant schematic Trickling Filter Primary Secondary Optional recirculation Optional sludge recirculation

1. Trickling Filters and the ATV-A 281, 2001 For carbon removal: BOD loading <0,4 kg-BOD/m³-day For Nitrification: TKN loading <0,1 kg/m³-day Resulting volumes of media are added together No influence of temperature, concentration, location, or media type Abwassercharakteristik: Wie viel partikulärer oder gelöst inerter CSB liegt vor Abwassertemperatur: Über- und Unterdimensionierung von Anlagen  Bsp. Managua Ablaufkonzentrationen: - Weitergehende Abwasserbehandlung

2. ATV-A 281, 2001: Issues during design in other climates For example: without using the temperature or media type during design, it can lead to … over dimensioning in warm Climates or… …under dimensioning in cold climates

3. Goals for the Design Method Validation Including water temperatures from 5 to 30 °C Easy to use and practical Transparent methodology Using of typical, available, easy to measure input data, e.g. COD, TN Based on COD, following the trend of using COD fractionation Possible combination with pre or post unit design (Denitrification, P removal etc.)

4. Validating the Dimensioning Methods MOST important was the generation of a data base Data collection from warm and cold climate treatment plants Extensive measurement campaigns at selected plants Sweden, 5-10° Am Anfang der Entwicklung stand neben einer ausführlichen Literaturrecherche zu den Prozessen im Tropfkörper, den Betriebseinstellungen von Tropfkörpern und den Einflussfaktoren auf die Reinigungsleistung auch die Durchführung von Messkampagnen an technischen Anlagen, sowie Versuche an halbtechnischen Anlagen. Damit sollte eine Datenbasis für die spätere Auswertung des Algorithmus geschaffen werden und Erkenntnisse über die Leistung und den Betrieb von Tropfkörpern in anderen Klimaten gesammelt werden.

4. Validating the Dimensioning Methods The current knowledge about trickling filters and the existing dimensioning methods were investigated and validated. The best fitting method was further investigated and optimized on the following criteria: Amunt of input data Application Uses concentrations transparency Uses temperature Carbon removal Nitrification Mod. Velz, 1984 average easy x Gujer & Boller, 1986 Pressinotti, 2007 (x)* ATV-A 281, 2001 lesser Wolf, 1987 x (up to 20°C) Logan, 1987 A lot difficult Wik, 1999 Very difficult (x)** U.S. EPA 2000a minimal U.S. EPA 2000b NRC, 1946 … * Partial Nitrification **partial C-oxidation in following N-TF

modified Velz-Equation: 4. Validating the Dimensioning Methods C-Oxidation based on modified Velz-Equation: C-TK 𝑆 𝑜𝑢𝑡 = 𝑆 𝑖𝑛 exp 𝑘 20 ∙ 𝐴 𝑠 ∙𝐷∙ 𝜽 𝑻−𝟐𝟎 𝑞 𝐴 𝑛 Amunt of input data Application Uses concentrations transparency Uses temperature Carbon removal Nitrification Mod. Velz average easy x Gujer & Boller …

modified Velz-Equation: 4. Validating the Dimensioning Methods SCSB, abb C-Oxidation based on modified Velz-Equation: C-TK 𝑆 𝑪𝑺𝑩,𝒂𝒃𝒃,𝑨𝑻 = 𝑆 𝑪𝑺𝑩,𝒂𝒃𝒃,𝒁𝑻 exp 𝑘 20 ∙ 𝐴 𝑠 ∙𝐷∙ 𝜽 𝑻−𝟐𝟎 𝑞 𝐴 𝑛 Umstellung auf CSB eliminiert Nachteile des BSB: Fehlende Aussage über Restverschmutzung Abhängigkeit der Organismenkultur Große Streuung der Ergebnisse […] Kann aufgrund der langen Bestimmungsdauer nicht zu Steuer- / Regelungszwecken eingesetzt werden Amunt of input data Application Uses concentrations transparency Uses temperature Carbon removal Nitrification Mod. Velz average easy x Gujer & Boller …

4. Validating the Dimensioning Methods Influent COD fractions derived from DWA ATV A131 (2016) Is passing the Filter unchanged Reduction based on modified Velz Equation(analogy to BOD reduction) 𝑆 𝑪𝑺𝑩,𝒂𝒃𝒃,𝑨𝑻 = 𝑆 𝑪𝑺𝑩,𝒂𝒃𝒃,𝒁𝑻 exp 𝑘 20 ∙ 𝐴 𝑠 ∙𝐷∙ 𝜽 𝑻−𝟐𝟎 𝑞 𝐴 𝑛 Wie stellen wir die Mod. Velz Gleichung auf CSB um? - Durch die Verwendung der Fraktionierung nach dem ATV-A 281 Fraktionierung erfolgt anhand von ATV-A 131, oder durch Übergabe des vorgeschalteten Verfahrens. Für die Reine TK Dimensionierung hat sich bewährt --> SCSB,bio = 20 mg/l anzusetzen für kommunales Abwasser XCOD will be degraded by hydrolysis and this will be assumed by 50% or determined through pilot testing

Nitrification based on 4. Validating the Dimensioning Methods Nitrification based on Gujer & Boller: 𝛿𝑆 𝛿ℎ =− 𝐴 𝑠 𝑞 𝐴 ∙𝑗 𝑁,𝑚𝑎𝑥 𝑇 N-TK 𝑗 𝑁,𝑚𝑎𝑥 (𝑇)= 𝑗 𝑁,𝑚𝑎𝑥 (10)∙ 𝒆 𝟎,𝟎𝟒𝟒(𝑻−𝟏𝟎) ∙ 𝑆 𝑁 𝑁+𝑆 𝑁 Keine Anpassung nötig, da der Ansatz schon auf N basiert Amunt of input data Application Uses concentrations transparency Uses temperature Carbon removal Nitrification Mod. Velz average easy x Gujer & Boller … * Teilnitrifikation **Restoxidation im N-TK

4. Validating the Dimensioning Methods Combination of equations to generate full trickling filter concentration profile Concentration Carbon reduction Region Transition region with starting Nitrification Nitrification Region Trickling filter Solange SCSB,bio vorhanden ist wird die mod. Velz Gleichung angewendet [from Gujer, 1999 (modifeid)]

4. Validating the Dimensioning Methods Combination of equations to generate full trickling filter concentration profile Concentration C-Oxidation based on modified Velz equation Over the complete fill height: 𝑆 𝑪𝑺𝑩,𝒂𝒃𝒃,𝑨𝑻 = 𝑆 𝑪𝑺𝑩,𝒂𝒃𝒃,𝒁𝑻 exp 𝑘 20 ∙ 𝐴 𝑠 ∙𝐷∙ 𝜃 𝑇−20 𝑞 𝐴 𝑛

4. Validating the Dimensioning Methods Combination of equations to generate full trickling filter concentration profile Nitrification based on Gujer & Boller Equation In dependency of SCSB,abb : Concentration

4. Validating the Dimensioning Methods Combination of equations to generate full trickling filter concentration profile Nitrification based on Gujer & Boller Equation In dependency of SCSB,abb : Concentration 𝑁𝑜 𝑁𝑖𝑡𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛

4. Validating the Dimensioning Methods Combination of equations to generate full trickling filter concentration profile Nitrification based on Gujer & Boller Equation In dependency of SCSB,abb : Concentration 𝑁𝑜 𝑁𝑖𝑡𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑅𝑒𝑠𝑡𝑟𝑖𝑐𝑡𝑒𝑑 𝑁𝑖𝑡𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝛿𝑆 𝛿ℎ =− 𝐴 𝑠 𝑞 𝐴 ∙𝑗 𝑁,𝑚𝑎𝑥 𝑇 ∙ 100− 𝑆 𝐶𝑆𝐵,𝑎𝑏𝑏 80 3 Vorgeschlagener Gewichtungsterm in Abhängigkeit der SCSB,abb Konzentration. Keine Scharfe Trennung der Prozesse C-Oxidation / Nitrifikation. Gewichtungsterm: Nitrifikation beginnt bei 100 mg/l SCSB,abb (sehr gering) und nimmt bis 20 mg/l SCSB,abb zu. Ab 20 mg/l SCSB,abb wird von rechnerisch ungestörten Nitrifikation ausgegangen. Rechtfertigung: 20 mg/l SCSB,abb decken sich mit Literaturangaben von: - Wanner & Gujer, 1986 --> 27 mg/l gelöster biologisch abbaubarer CSB - Parker et al., 1998 --> 20 mg/l SBSB - Logan Course CE572 --> 12 mg/l SBSB 100 mg/l SCSB,abb decken sich mit Aussagen aus der Literatur von: - Zhang and Bishop, 1996 --> Unter 170 mg/l gelösten CSB konnten sich Nitrifikanten im Biofilm ansiedeln woraus eine Nitrifikation resultierte - Pearce and Edwards, 2011: […]These observations mean that nitrifying biomass must be present in the top sections of the filter and are able to survive in the presence of substantial BOD loads and soluble BOD concentrations of up to 45 mg/L. The approach of designing combined treatment filters by adding together the volumes required for BOD removal and for nitrification as separate processes fails to account for the simultaneous removal of soluble BOD and NH4-N in the upper sections of the filter.

4. Validating the Dimensioning Methods Combination of equations to generate full trickling filter concentration profile Nitrification based on Gujer & Boller Equation In dependency of SCSB,abb : Concentration 𝑁𝑜 𝑁𝑖𝑡𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑅𝑒𝑠𝑡𝑟𝑖𝑐𝑡𝑒𝑑 𝑁𝑖𝑡𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝛿𝑆 𝛿ℎ =− 𝐴 𝑠 𝑞 𝐴 ∙𝑗 𝑁,𝑚𝑎𝑥 𝑇 ∙ 100− 𝑆 𝐶𝑆𝐵,𝑎𝑏𝑏 80 3 N𝑜𝑛 𝑟𝑒𝑠𝑡𝑟𝑖𝑐𝑡𝑒𝑑 𝑁𝑖𝑡𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝛿𝑆 𝛿ℎ =− 𝐴 𝑠 𝑞 𝐴 ∙𝑗 𝑁,𝑚𝑎𝑥 𝑇

4. Plug flow calculation of SCSB and NH4-N Choose configuration Segmental calculation Correction of configuration Iteration Meeting the needed effluent limit of NH4-N Eine Folie um zu erklären wie der Algorithmus den Abbau von SCSB und NH4-N schrittweise (Segmentweise) über die Tropfkörperhöhe berechnet und wie man die nötige Tropfkörperhöhe findet (Unterschreitung der geforderten Grenzwerte).

5. Results validation: Dubai 15 nitrifying trickling filters (H = 2,75 m; Ø = 35 m; V = 2.511 m³); TW ≈ 30 °C BR,TKN = 0,49 kg/(m³·d) Übergabevektor an den Verfahrensschnittstellen

5. Results Validation: Managua 3 / 4 active carbon removal Filters (H = 5,2 m; Ø = 35 m; V = 4.907 m³); TW ≈ 30 °C 4 operating TF: BR,BSB = 1,09 kg/(m³·d) Übergabevektor an den Verfahrensschnittstellen 3 operating TF: BR,BSB = 1,33 kg/(m³·d)

5. Results Validation: Götheborg 4 N-filters (H = 7,2 m; Kantenl.= 20 m; V = 2.880 m³); TW ≈ 14 °C BR,TKN = 0,33 kg/(m³·d) Übergabevektor an den Verfahrensschnittstellen

5. Results Validation: Junkersdorf 1 C/N-trickling filter (H = 3,0 m; Ø = 8,9 m; V = 187 m³); TW ≈ 16 °C BR,BSB = 0,16 kg/(m³·d) Übergabevektor an den Verfahrensschnittstellen

5. Validation Results: Dubai pilot plant for Nitrification 1 N-Filter (H = 2,4 m; Ø = 5,8 m; V = 61 m³); TW ≈ 32 °C BR,TKN = 0,44 kg/(m³·d) Übergabevektor an den Verfahrensschnittstellen 𝛿𝑆 𝛿ℎ =− 𝐴 𝑠 𝑞 𝐴 ∙ 𝒋 𝑵,𝒎𝒂𝒙 (𝟏𝟎)∙ 𝒆 𝟎,𝟎𝟒𝟒(𝑻−𝟏𝟎) ∙ 𝑆 𝑁 𝑁+𝑆 𝑁

5. Results Validation: SCSB effluent comparison Übergabevektor an den Verfahrensschnittstellen

5. Results Validation: NH4-N Effluent Values Übergabevektor an den Verfahrensschnittstellen

Project Example A Stone-trickling filter revamp in Walvis Bay, Namibia - From flooded filters to >90% Nitrification- Old Generation TF: ponding, clogging, and poor  

Construction and Installation

Construction and Installation

Construction and Installation New Generation TF: Both filters started in the end of 2012 and are functioning very well.

Dr. Christian-D. Henrich Thank You! www.expoval.de/dwa-themenband Dr. Christian-D. Henrich