Thiết kế HỆ THỐNG NƯỚC THẢI

CLARIFIER DESIGN


Prepared by Clarifier Design Task Force of the Water Environment Federation
Thomas E. Wilson, P.E., DEE, Ph.D.,
Chair
Charles Applegate
Richard G. Atoulikian
William H. Boyle
William C. Boyle
David Chapman
Patrick F. Coleman
Glen T. Daigger
Bryan N. Davis
Douglass D. Drury
John K. Esler
Charles G. Farley
Brent R. Gill
Rodney Gross
Lesley Jane Halladey
Samuel S. Jeyanayagam, P.E., DEE,
Ph.D.
Hans F. Larrson

Yiliang Ma
Krishnanand Y. Maillacheruvu
J. Alex McCorquodale
Mark V. Pettit, P.E.
Albert B. Pincince
Roderick D. Reardon, Jr.

John Edward Richardson
Michael W. Selna, P.E., DEE
James F. Stahl, P.E., DEE
Robert B. Stallings
Rudy J. TeKippe, P.E., DEE, Ph.D.
David A. Vaccari
Nikolay S. Voutchkov, P.E., DEE
Eric J. Wahlberg, P.E., Ph.D.
Jim Weidler
Russell Wright
Siping Zhou

Under the Direction of the MOP-8 Subcommittee of the Technical Practice
Committee
2005
Water Environment Federation
601 Wythe Street
Alexandria, VA 22314–1994 USA



CLARIFIER DESIGN

WEF Manual of Practice No. FD-8
Second Edition
Prepared by Clarifier Design Task Force
of the Water Environment Federation

McGraw-Hill
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Copyright © 2005 by the Water Environment Federation. All rights reserved. Manufactured in the United States of America. Except as permitted under the United States Copyright Act of 1976, no part of this publication may be reproduced or distributed in any form or by any
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DOI: 10.1036/0071464166


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Water Environment Federation
Improving Water Quality for 75 Years
Founded in 1928, the Water Environment Federation (WEF) is a not-for-profit
technical and educational organization with members from varied disciplines who
work toward the WEF vision of preservation and enhancement of the global water
environment. The WEF network includes water quality professionals from 76
Member Associations in 30 countries.
For information on membership, publications, and conferences, contact
Water Environment Federation
601 Wythe Street
Alexandria, VA 22314-1994 USA
(703) 684-2400



Manuals of Practice of the Water Environment Federation
The WEF Technical Practice Committee (formerly the Committee on Sewage and

Industrial Wastes Practice of the Federation of Sewage and Industrial Wastes Associations) was created by the Federation Board of Control on October 11, 1941. The primary function of the Committee is to originate and produce, through appropriate
subcommittees, special publications dealing with technical aspects of the broad interests of the Federation. These publications are intended to provide background information through a review of technical practices and detailed procedures that research
and experience have shown to be functional and practical.
Water Environment Federation Technical Practice
Committee Control Group
B. G. Jones, Chair
A. B. Pincince, Vice-Chair
S. Biesterfeld
R. Fernandez
L. Ford
G. T. Daigger
Z. Li
M. D. Moore
M. D. Nelson
S. Rangarajan
J. D. Reece
E. P. Rothstein
A. T. Sandy
J. Witherspoon

vi


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Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xxxix

Chapter 1 Introduction
Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

Traditional and Vendor Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
A Word about Thickening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
Chapter Descriptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

Chapter 2 Primary Clarifier Design Concepts
and Considerations
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
Process Objective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
Factors Affecting Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
Chemically Enhanced Primary Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24
Design Concepts and Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
Wastewater Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
Configuration and Depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
Flow Splitting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
Inlet Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
Sludge Collection and Withdrawal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
vii


viii

Contents

Scum Collection and Withdrawal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
Effluent Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
Research Needs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40

Chapter 3 High-Rate and Wet Weather Clarifier Design
Concepts and Considerations
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
Current Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
Regulatory Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
Role of Clarification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46
Role of Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
Basics—The Science of Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
Wastewater Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
First Flush . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
Settling Velocities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
Measurement of Settling Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
Estimation of Settling Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
Coagulation/Flocculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
Plates and Tubes (Lamella䉸) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
Example 3.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66
Changes in Suspended Solids Concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
Changes in Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
Conventional Primary Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
Rerated Conventional Primary Clarification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
Chemically Enhanced Primary Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
Retention Treatment Basins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
Lamella (Plate or Tube) Clarifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
High-Rate Clarification Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79
Dense Sludge Process. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Contents

Ballasted Flocculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

Aeration Tank Settling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
Step-Feed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92
Vortex Separators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94
Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99
Ballasted Flocculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99
Combined Storage/Settling Tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
Pilot Testing of High-Rate Clarification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108
Aeration Tank Settling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113
Vortex Separators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117
Process Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128

Chapter 4 Secondary Clarifier Design Concepts
and Considerations
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144
Functions of a Final Clarifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
Clarifier Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147
Basics—The Science of Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
Sedimentation Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
Type I Settling (Discrete Settling) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Type II Settling (Flocculent Settling) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Type III Settling (Hindered Settling or Zone Settling) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Type IV Settling (Compression Settling). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

Factors Affecting Sludge Settleability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164

Microbial Makeup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Nonsettleable Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Effect of Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

Measurement of Sludge Settleability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171
Sludge Volume Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Dilute Sludge Volume Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
Stirred Specific Volume Index at 3.5 g MLSS/L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

ix


x

Contents

Clarifier Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
Flux Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
State Point Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Other Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
The Daigger Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
The Keinath Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180
The Wilson Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182
The Ekama–Marais Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182

Design Parameters of Importance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183
Solids Loading Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Overflow Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
Side Water Depth. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
Weir Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

Hydraulic Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187
Internal and External
Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
Effect of Flow Variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
Flow Regimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Flow Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

Clarifier Performance Enhancements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .192
Process Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .192
Selectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .193
Foam Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .196
Dissolved Oxygen and Food-to-Microorganism Ratio . . . . . . . . . . . . . .196
Chemical Addition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .196
Hydraulic Improvements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .198
Aeration Tank Settling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199
Miscellaneous Items . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199
Special Considerations with Nutrient Removal Sludges . . . . . . . . . . . .199
Clarifiers Following Fixed-Film Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .200
Interaction with Other Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .201
Cost Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202


Contents

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202
Suggested Readings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .209

Chapter 5 Tertiary Clarifier Design Concepts
and Considerations

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .212
Historical Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .212
Current and Future Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213
Phosphorus Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Metals Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Pathogen Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Membrane Pretreatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

Basics
The Science of Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215
Particle Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217
Settling Velocities and Overflow Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225
Dispersed Activated Sludge Effluent Suspended Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
Chemical Precipitates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

Coagulation and Flocculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .230
Coagulants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239
Metal Precipitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .240
Chemical Phosphorus-Removal Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .244
Design Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .246
Chemical Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
Sludge Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

Aluminum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .251
Alum Dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
Sludge Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Alkalinity Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

Iron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .253
Ferric Chloride Dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
Sludge Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255

Alkalinity Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255

xi


xii

Contents

Lime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .255
Types of Tertiary Clarifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .256
Existing Facilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .256
Lime Clarification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .257
One-Stage versus Two-Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Metal Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
Silica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

High-Rage Clarification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .264
Clarifiers in Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .265
Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .266
Rock Creek Advanced Wastewater Treatment Plant, Hillsboro,
Oregon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .266
Water Factory 21, Fountain Valley, California . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .275
Upper Occoquan Sewage Authority (UOSA) Water Reclamation
Plant, Centreville, Virginia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .280
Iowa Hill Water Reclamation Facility Breckenridge, Colorado . . . . . . .288
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .293
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .294

Chapter 6 Mathematical Modeling of Secondary

Settling Tanks
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .305
General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .305
Types of Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .305
Mathematical Models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
Physical Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306

The Role of Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .308
Clarifier Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
Plant Operation and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
Training . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
Troubleshooting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310


Contents

Field and Laboratory Support of Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .310
General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
Solids Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
Hydraulic Loading Rate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
Settling Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
Floc and Sludge Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
Compression Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
Sludge Rheology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
Flocculation Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
Calibration Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
Example of a Two-Dimensional Model Calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327

Governing Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .328

General Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .328
Continuity (Conservation of Fluid Mass) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
Conservation of Momentum in the Radial Direction (r or x) . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
Conservation of Momentum in the Vertical Direction (y) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
Conservation of Particulate Mass (Solids Transport) or Concentration . . . . . . . . . 330
Conservation of Energy (Heat) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
Turbulence Closure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332

Drift-Flux Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .332
One-Dimensional Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .333
State Point Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
Multilayered One-Dimensional Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340

Numerical Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .343
Commercial Computational Fluid Dynamics Programs . . . . . . . . . . . . . . . .344
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .344
Commercial Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .345
Advantages and Disadvantages of Commercial Computational Fluid
Dynamics Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .345
Applications of Computational Fluid Dynamics Models . . . . . . . . . . . . . . .346
Application of Computational Fluid Dynamics Models to
Primary Settling Tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .346

xiii


xiv

Contents

Application of Computational Fluid Dynamics Models to Secondary
Settling Tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .347
Brief Historical Review of Two- and Three-Dimensional Clarifier Modeling of
Secondary Settling Tanks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347

Guidelines for Selection of Design Features for Clarifiers . . . . . . . . . . .349
Inlet Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
Clarifier Effluent Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
Sludge Drawoff Facilities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
Clarifier Water Depth and Bottom Slope. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
Modification Packages and Cost-Effectiveness Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
Storing Biosolids Temporarily in Aeration Basins During High Flow. . . . . . . . . . 352
Optimization of Construction,Operation, and Overall Cost. . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
Assessment Aspects of the Clarifier Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
Field Validation of Computational Fluid Dynamics Models for
Secondary Settling Tanks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354

Practical Example of the Application of Computational Fluid Dynamics
Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .355
Circular Clarifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .355
Modifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356

Limitations and New Directions
in Modeling Clarifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .360
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .362
Suggested Readings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .371

Chapter 7 Field Testing
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .374

Purpose of Field Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .375
Initial Steps in Analyzing a
Clarifier’s Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .375
Determining Clarifier Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .375
Assessing the Biological or Chemical Process Performance . . . . . . . . . .376
Conditions for Testing for the Formation of the Floc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377


Contents

Testing for Activated Sludge Settling Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377

Determining Individual Clarifier Effluent Quality . . . . . . . . . . . . . . . . .378
Monitoring Blanket Profiles at Selected Locations . . . . . . . . . . . . . . . . . .378
Observing ETSS Variations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .379
Determining Hydraulic Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .379
Flow Curve Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .379
General Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
Flow Curves in a Single Clarifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
Flow Curves in a Clarifier System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
Flow Curves at Different Locations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382

Dye Tracer Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .383
Drogue Current Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .384
Determining Hydraulic Characteristics for Different Conditions . . . . .387
Additional Field Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .388
Vertical Solids Profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .388
Temperature Profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .391
Salinity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .391
State Point Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .391

Relevance to Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .393
Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .393
Circular Clarifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .393
Rectangular Clarifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .394
Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .396

Chapter 8 Circular Clarifiers
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .398
Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .400
Inlet Pipe and Ports . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .400
Pipe Size and Velocities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .401
Inlet Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .403
Center Feed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
Flocculating Center Feed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407

xv


xvi

Contents

Center Feed Bottom Release Clarifiers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
Tertiary Treatment Clarifier Inlets. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
Peripheral Feed. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420

Diameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .422
Depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .422
General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
Definition of Tank Depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423

Better Performance with Deeper Tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
Depth Determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
Free Board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
Integration of Walls and Handrails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428

Outlets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .428
Peripheral Weir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
Cantilevered Double or Multiple Launders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
Launders Suspended from the Bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
Full-Surface Radial Launders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
Submerged Orifices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
Safety Concerns and Provisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
Performance Comparison. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431

Interior Baffles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .432
Sludge Removal Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .435
Scrapers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .435
Hydraulic Suction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
Riser Pipe Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
Manifold. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
Hoppers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
Collection Rings and Drums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
Drive Location . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
Floor Slopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
Return Activated Sludge Pumping Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448

Skimming Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .448


Contents

Blanket Level Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .456
Algae Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .456
Walkways and Platforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .458
Railings and Safety Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .460
Railings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
Lighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460

Drains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .460
Equipment Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .461
Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .462
Materials of Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .467
Trends and Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .467
Feed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .469
Sludge Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .469
Skimmers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .472
Weirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .472
Depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .472
Blanket Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .472
Internal Baffles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .472
Algae Covers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .472
Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .473
Hyperion Wastewater Treatment
Plant (Los Angeles, California) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .473
Denver Metro, Colorado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .476
Kenosha, Wisconsin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .479
Summary of Advantages and Disadvantages of Various Circular Clarifier
Design Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .485
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .485
Suggested Readings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .488

Chapter 9 Rectangular Clarifiers
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .490

xvii


xviii

Contents

Typical Hydraulic Flow Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .492
Longitudinal Flow Tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .492
Cocurrent, Countercurrent, and Crosscurrent Sludge Removal . . . . . .492
Transverse Flow Tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .494
Vertical Flow Tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .495
Stacked Clarifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .495
Dimensions of Rectangular Clarifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .495
Surface Area and Relative
Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .495
Length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .497
Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .497
Depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .498
Flow Distribution to Multiple Clarifier Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .499
Inlet Conditions and Designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .501
General Inlet Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .501
Flow Distribution within the Clarifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .502
Inlet Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .504
Inlet Baffles and Flocculation Zones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .504
Location of the Sludge Hopper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .508

Influent End Hoppers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .511
Effluent End Hoppers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .513
Midlength Hoppers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .513
Multiple Hopper Locations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .514
Sludge Removal Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .514
Chain-and-Flight Collectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .515
Traveling Bridge Collectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .517
Traveling Bridge Scraper Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
Traveling Bridge Suction Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518

Discussion of Other Considerations in Designing Sludge Removal
Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .519


Contents

Outlet Conditions and Effluent Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .522
Surface Launders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .523
End Wall Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .523
Weir Loading Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .527
Submerged Launders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .530
Removal of Floatables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .532
Internal Tank Baffles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .535
Solid Baffles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .535
Perforated Baffles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .538
Single Perforated Baffles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538
Multiple Perforated Baffles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539

Sludge Removal with Internal Baffles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .540
Stacked Clarifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .542

Materials of Construction and Equipment Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . .547
Materials of Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .547
Equipment Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .550
Drives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550
Chain and Flights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551
Valves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551

Case Histories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .551
Increase in Length of Rectangular Clarifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .551
Retrofit of Midlength Hopper Crosscollector to Manifold
Suction Header . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .552
Comparison of Shallow Rectangular Clarifier with Deep Circular
Tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .556
Depth Requirement Study for High-Purity-Oxygen Activated Sludge
Clarifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .562
Conversion of Longitudinal Flow Rectangular Clarifiers to
Transverse Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .568
Summary, Conclusions, and Recommended Research . . . . . . . . . . . . . . . . .570
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .575

xix


xx

Contents

Chapter 10 Clarifier Performance Monitoring and Control
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .584
Key Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .585

Primary Clarifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .585
Secondary Clarifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .587
Monitoring of Activated Sludge Solids Inventory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587
Monitoring of Sludge Settleability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589
Plant Influent Flow and Load Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589

Monitoring and Control Equipment and Instrumentation . . . . . . . . . . . . . .589
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .589
Monitoring of Clarifier Drive Unit Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .590
Clarifier Drive Torque Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 590
Clarifier Drive Power Monitoring and Sludge Pump Withdrawal Rate Control. . 591
Clarifier Drive Motion Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592

Sludge Concentration and Density Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . .592
Light Emitting (Optical) Analyzers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593
Principle of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .593
Typical Areas of Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .594
Key Advantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .595
Key Technology Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .595
Ultrasonic Analyzers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596
Principle of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .596
Typical Areas of Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .597
Key Advantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .597
Key Technology Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .597
Nuclear Density Analyzers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597
Principle of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .597
Typical Areas of Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .598
Key Advantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .598
Key Technology Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .598

Contents

Installation of Solids Analyzers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .599
Sludge Blanket Depth Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .601
Manual Sludge Blanket Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602
Automated Sludge Blanket Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602
Sludge Blanket Level Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .603
Ultrasonic Sludge Blanket
Level Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .603
Optical Sludge Blanket Level
Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .604
Typical Areas of Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .606
Key Technology Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .606
Installation of Sludge Blanket
Level Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .608
Selection of Monitoring
Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .609

Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .611
Case Study for Activated Sludge Solids Inventory Monitoring—San
Jose/Santa Clara Water Pollution Control Plant, California . . . . . . . . . .611
Case Study for Sludge Control Monitoring—Clark County Sanitation
District, Las Vegas, Nevada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .613
Case Study for Sludge Blanket Depth Monitoring—Lumberton, Texas 615
Case Study for Sludge Blanket Depth Monitoring—Ashbridges Bay
Wastewater Treatment Plant,
Toronto, Canada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .615
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .616

Chapter 11 International Approaches
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .621
United Kingdom History and Development of Clarifiers . . . . . . . . . . .621
Water Industry Trends and their
Effect on Design Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .622
Changes in Design Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622
Current European Focus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622

xxi


xxii

Contents

Staffing Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622
Planning Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622
Legislation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
Consents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
Site Conditions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624
Effect of Collection Systems on
Settling Tank Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624

Process Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .625
Types of Settling Tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .625
Functions of the Settling Tank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .625
Settling Tank Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .625
Primary Tank Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .626
Typical United Kingdom Design Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .626

Retention Period . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626
Surface Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626
Upward Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626
Weir Overflow Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626
Horizontal Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626

Horizontal Flow Tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .627
Radial Flow Tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .627
Desludging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .628
Cosettlement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .628
Odor Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .629
Humus Tank Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .629
Typical United Kingdom Design Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .629
Surface Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .629
Horizontal Flow Tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .630
Upward Flow Tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .630
Final Tank Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .630
Typical United Kingdom Design Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .630


Contents

Retention Period . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 630
Mass Flux Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 630

Settleability Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .631
Settlement Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631
Initial Settling Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631
Sludge Volume Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631
Stirred Specific Sludge Volume Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632

Sludge Density Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632
Stirred Sludge Density Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633
Diluted Sludge Volume Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633
Differences between the Two Design
Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633

Design of Sludge Scrapers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .634
Desludging Settling Tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .634
Scum Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .635
Deep Sidewall Depths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .635
Parabolic Floors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .635
Alternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .636
Tertiary Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .636
Septic Tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .636
Alternatives to Conventional Clarifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .636
Spiral Lamella Separators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637
Theory of the Spiral Separator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637
Process Design Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 639
Design Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 640
Upstream Requirements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641
Desludge Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641
Maintenance and Inspection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641
Dissolved Air Flotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641

Single Tank React/Settle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .643
Sequencing Batch Reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643
Advantages and Disadvantages of Sequencing Batch Reactors . . . . . . . . . . . . . . . 644

xxiii