Marshalltown Wastewater Treatment Plant Phosphorus Removal Upgrade

Iowa State University

Steven Dickey

Dan Fleege

Overview

• Marshalltown overview

• Problem statement and proposal

• Biowin modeling results

• Recommendation

• Questions

Marshalltown, Iowa

Des Moines

Marshalltown

Marshalltown Water Pollution Control Plant

• Began service in 1940

• Currently serves 26,000 people

• Plant divided into 2 processes– Mechanical plant to treat municipal waste

– Sequencing Batch Reactor to treat hog waste

• Effluent combined before UV disinfection

• Methane capture from stabilization basins

• Sludge land applied after stabilization

Population Projection

Mechanical Plant 1

Mechanical Plant 2

Mechanical Plant 3

Sequencing Batch Reactor Plant

Aging Infrastructure

Problem Selection and Goals

1.0 mg/L effluent limit for total phosphorus

• Minimize construction by utilizing existing process equipment and configuration where possible

• Meet simulated permit limits for phosphorus

• Biowin v3 Model similar or better effluent

• Flexibility for plant operator

SBR Plant Proposal

SBR Plant

• Need– 1.6 MGD wastewater from a local hog processing plant

– Hog waste caused “foaming” in biological reactors

– High Organic Nitrogen Content: 200 mg/L

• Two Sequencing Batch Reactors– Operational in 1992– 2 MGD capacity

Current SBR Configuration

Total Cycle Time: 360 min (6 hr)

Current 15 – 25% P removal

Stage 1Anaerobi

c120 min

Influent

Stage 2Aerobic120 min

Stage 3Settle60 min

Stage 4Decant60 min

Effluent

SBR During Aeration

SBR During Settle/Decant

SBR During Settle/Decant

SBR with BPR Process

• Anaerobic HRT: 1.5 ‐ 3 hr

• Aerobic HRT: 2 ‐ 4 hr

• Anoxic HRT: 1 ‐ 3 hr

• HRT range: 6.5 ‐ 12 hr

Table 8‐25 Metcalf & Eddy Wastewater Engineering

System Properties

• SRT range: 20 ‐ 40 days

• Settle/decant: 2 hr

Proposed SBR Process

Cycle time: 540 min = 9 hr

HRT range: 6.5 – 12 hr

Stage 2Aerobic180 min

Stage 3Settle60 min

Effluent

Stage 3Anoxic 110 min

Stage 4Aerobic10 min

Stage 1Anaerobic 120 min

Influent Alum Addition

Stage 4Decant60 min

Expected Performance

SBR 

Flow (MGD)

VSS (mg/L)

TSS(mg/L)

BOD(mg/L)

TKN(mg/L)

NH3‐N(mg/L)

Total P(mg/L)

Influent 1.66 308 367 372 200 160 34

• Process cannot be simulated in Biowin

• BOD:P ratio 18:1

• Compare to Metcalf and Eddy ratios

• Expect 40 ‐ 60% P Removal

Process Comparison

Existing SBR Process• 2 MGD capacity

• Note: 1.6 MGD average annual flow

• 5 Stages

• No anoxic phase

• Total cycle time: 6 hr

• No flow diversion to Mechanical Plant

• 10 – 25% P removal

Proposed SBR Process• 1.33 MGD capacity

• 33% flow diversion to Mechanical Plant

• 7 Stages

• Anoxic phase

• Plant operator flexibility– Max cycle time: 9 hr

– HRT range: 6.5 ‐ 9 hr

• 40 – 60% P removal

Mechanical Plant Design

• Treats municipal waste

• Conventional activated sludge system divided into 3 separate plants

• 14 MG Equalization basin

• 14 MGD firm capacity for facility

• Modifications in 1965, 1972, 1982, 1987 and 2001

Plant 1 and Plant 2 Identical

Biological Process Plan View

• Tank 1‐4: 90ft x 19ft x 12ft (27.4m x 5.8m x 3.7m)

• Tank 5: 42 ft x 84 ft x 13 ft (12.8m x 25.6m x 4m)

• Total available volume: 128,000 ft³

FinalClarifier

Tank 1

Tank 2

Tank 3

Tank 4

Tank 5

Influent

Influent

Influent

Influent

Plant 1 Flow Diagram

Return Activated Sludge

Influent

Aerobic

Aerobic

AerobicFinal

Clarifier

P

Effluent

Aerobic

Aerobic

Waste Activated Sludge

Flow Splitter

Flow Distribution

Jetflow Injection Points

Mechanical Plant 3

Plant 3

• No modifications

• Still available for periods of high flow

• Available to reduce ammonia‐N levels if necessary

• Alum addition to treat Phosphorus

BPR Systems Considered

• Anaerobic‐Anoxic‐Oxic (A2/O) • Virginia Initiative Plant (VIP)• University of Cape Town (UCT)• Bardenpho™ (5‐stage)

• Initial evaluation– Compare HRT to available tank volume– Eliminated UCT and Bardenpho ™ processes

Preliminary VIP and A²/O Comparison 

VIPBenefits

• Good nitrogen removal

• Low oxygen requirement

• Higher Phosphorus Removal

Drawbacks• Additional Recycle Line 

required

• Higher HRT

A²/OBenefits

• Good nitrogen removal• Low oxygen removal• Lower HRT• Less Reactor volume 

required• More process flexibility

Drawbacks• Less phosphorus removal 

capability

BOD:P Ratio Comparison

BPR Process BOD/P ratio

VIP 15‐20

A2/O 20‐25

BPR ProcessMax Month Flow BOD/P

Average Annual Flow BOD/P

Mechanical Influent 56 39

Mechanical with 33% SBR Influent

44 28

Table 8‐24 Metcalf & Eddy Wastewater Engineering

VIP Process Outline

• Anaerobic HRT: 1 ‐ 2 hr

• Anoxic HRT: 1 ‐ 2 hr

• Aerobic HRT: 4 ‐ 6 hr

• HRT range: 6 ‐ 10 hr

Table 8‐25 Metcalf & Eddy Wastewater Engineering

• SRT range: 5 ‐ 10 days

• RAS: 80 ‐ 100%

• Anoxic recycle: 100 ‐ 200%

• Aerobic recycle: 100 ‐ 300%

System Properties

VIP Process Plan View

Aerobic

Aerobic

FinalClarifier

Anoxic

Anaerobic

Flow Splitter

Aerobic

Influent

VIP Flow Diagram

Return Activated Sludge

Aerobic

Aerobic

Aerobic FinalClarifier

P

Effluent

Anoxic

Anaerobic

Waste Activated Sludge

Flow Splitter

PP

A2/O Process Outline

• Anaerobic HRT: 0.5 ‐ 1.5 hr

• Anoxic HRT: 0.5 ‐ 1 hr

• Aerobic HRT: 4 ‐ 8 hr

• HRT range: 5 ‐ 10.5 hr

Table 8‐25 Metcalf & Eddy Wastewater Engineering

• SRT range: 5 ‐ 25 days

• RAS: 25‐100%

• Internal Recycle: 100‐400%

System Properties

A2/O Process Plan Layout

Aerobic

Aerobic

FinalClarifier

Anoxic

Anaerobic

Flow Splitter

Aerobic

A²/O Flow Diagram

Influent

Return Activated Sludge

Aerobic

Aerobic

Aerobic FinalClarifier

P

Effluent

Anoxic

Anaerobic

Waste Activated Sludge

Flow Splitter

P

BPR Model PerformanceMax Month Influent

Flow (MGD)

VSS (mg/L)

TSS(mg/L)

BOD(mg/L)

TKN(mg/L)

NH3‐N(mg/L)

Total P(mg/L)

Projected Mechanical

10.5 196 249 213 26 11 5.0

Max Month Effluent

VSS(mg/L)

TSS (mg/L)

BOD (mg/L)

COD (mg/L)

TKN (mg/L)

NH3‐N (mg/L)

Total P (mg/L)

VIP 5.1 7.6 3.6 34 2.9 0.93 0.56

A2/O 7.1 11 4.0 37 2.8 0.71 0.75

BPR Model PerformanceAverage Annual Influent

Flow (MGD)

VSS (mg/L)

TSS(mg/L)

BOD(mg/L)

TKN(mg/L)

NH3‐N(mg/L)

Total P(mg/L)

Projected Mechanical

7.5 162 206 185 35 11 5.0

Average Annual Effluent

VSS(mg/L)

TSS (mg/L)

BOD (mg/L)

COD (mg/L)

TKN (mg/L)

NH3‐N (mg/L)

Total P (mg/L)

VIP 11 14 5.0 25 4.3 2.2 0.86

A2/O 5.3 7.5 3.7 30 3.5 0.87 0.79

Equipment Requirements

VIP• 4 Additional recycle pumps

• Power: 450 HP

• 6 New Recycle Pipes

• 3000 Siemens DualAir®Diffusers

• 16 Hayward Gordon ST®Mixers

A2/O• 2 Additional recycle pumps

• Power: 400HP

• 2 New Recycle Pipes

• 3000 Siemens DualAir®Diffusers

• 16 Hayward Gordon ST®Mixers

Chemical Treatment

• Alum addition considered for all plants

• A²/O required no alum addition for any model simulation

• VIP process required alum addition during winter months

• SBR requires a constant chemical addition

Mechanical Plant: Current Flow

Average Annual FlowBiological Removal Percentage

Alum Dosage

ppd

1.5 2.0

0 399 532

10 359 478

20 319 425

30 279 372

40 239 319

50 199 266

60 159 213

70 120 159

80 80 106

90 40 53

100 0 0

Max Month FlowBiological Removal Percentage

Alum Dosage

ppd

1.5 2.0

0 530 707

10 477 636

20 424 565

30 371 495

40 318 424

50 265 353

60 212 283

70 159 212

80 106 141

90 53 71

100 0 0

Mechanical Plant: Projected Flow

Average Annual FlowBiological Removal Percentage

Alum Dosage

ppd

1.5 2.0

0 480 640

10 432 576

20 384 512

30 336 448

40 288 384

50 240 320

60 192 256

70 144 192

80 96 128

90 48 64

100 0 0

Max Month FlowBiological Removal Percentage

Alum Dosage

ppd

1.5 2.0

0 626 835

10 563 751

20 501 668

30 438 584

40 376 501

50 313 417

60 250 334

70 188 250

80 125 167

90 63 83

100 0 0

SBR Plant

Existing ProcessBiological Removal Percentage

Alum Dosage

ppd

1.5 2.0

0 727 970

10 655 873

20 582 776

30 509 679

40 436 582

50 364 485

60 291 388

70 218 291

80 145 194

90 73 97

100 0 0

Proposed ProcessBiological Removal Percentage

Alum Dosage

ppd

1.5 2.0

0 486 648

10 438 584

20 389 519

30 340 454

40 292 389

50 243 324

60 195 259

70 146 195

80 97 130

90 49 65

100 0 0

Comparative AnalysisQualitative Cost Analysis

Initial Cost Operational

A2/O $$ $

VIP $$$ $$

Chemical $ $$$

Operational Performance

Flexibility Simplicity

A2/O ** **

VIP * *

Chemical *** ***

Recommendation

Implement A²/O system

• Lowest relative cost

• Most operator flexibility

• Least construction required

• Capable of meeting effluent standard

• Better ammonia‐N removal in winter models

Design Objective Achieved?

• Minimum construction– SBR system remain physically unaltered– Construction in areas of aging concrete– Only two new recycle pumps needed for the recommended A2/O design

• A2/O meets proposed permit limits• Flexibility for plant operator 

– Recycle rates– SRT– SBR phases 

Special Thanks

• Lance Aldrich ‐ Design information

• Eric Evans ‐ Biown

• Kris Evans ‐Mentor

• Fred Beyer– Monthly monitoring reports

– Plant tours

– Design information

• IWPCA

Questions?