CONTENTS
Preface  ... xvii
CHAPTER 1 Introduction  ... 1
  References  ... 5
CHAPTER 2 Water Management : Institutions and Technology  ... 6
  2.1 From Projects to Issues  ... 6
  2.2 Institutions  ... 7
  2.3 Legal Considerations  ... 8
  2.4 Technology and Water Management  ... 14
  2.5 Outlook for the Future  ... 16
  Problems  ... 16
  References  ... 17
CHAPTER 3 Water Management : Environmental Considerations  ... 18
  3.1 Environmental Regulation and Protection  ... 20
  3.2 Effects of Environmental Regulations  ... 24
  3.3 The Future of Pollution Control Efforts in the United States  ... 25
  Problems  ... 26
  References  ... 26
CHAPTER 4 Water Requirements, Water Supply, and Waste Volumes  ... 27
  4.1 Primary Water­Using Sectors  ... 27
  4.2 Water Supply Considerations  ... 41
  4.3 Quantities of Wastes  ... 50
  4.4 Industrial Waste Volumes  ... 54
  4.5 Agricultural Wastes  ... 54
  Problems  ... 54
  References  ... 56
CHAPTER 5 Development of Water Supplies  ... 60
  Water Quantity  ... 60
    5.1 Soil Moisture  ... 60
    5.2 Surface Waters and Groundwater  ... 61
    5.3 Runoff Distribution  ... 61
    5.4 Groundwater Distribution  ... 62
  Water Quality  ... 64
    5.5 Groundwater  ... 65
    5.6 Surface Water  ... 65
  Objectives of Water Resources Development  ... 66
    5.7 Planning for Water Resources Development  ... 66
    5.8 The Water Budget  ... 69
  Surface­Water Supplies  ... 71
    5.9 Basin Characteristics Affecting Runoff  ... 71
    5.10 Natural and Regulated Runoff  ... 71
    5.11 Storage  ... 72
  Reservoirs  ... 73
    5.12 Determination of Required Reservoir Capacity  ... 73
    5.13 Classical Method of Computation  ... 73
    5.14 Frequency of Extreme Events  ... 76
    5.15 Probabilistic Mass Type of Analysis  ... 77
    5.16 Losses from Storage  ... 78
  Groundwater  ... 80
    5.17 The Subsurface Distribution of Water  ... 80
    5.18 Aquifers  ... 81
    5.19 Fluctuations in Groundwater Level  ... 82
    5.20 Safe Yield of an Aquifer  ... 82
    5.21 Groundwater Flow  ... 84
    5.22 Hydraulics of Wells  ... 87
    5.23 Boundary Effects  ... 95
    5.24 Regional Groundwater Systems  ... 96
    5.25 Saltwater Intrusion  ... 100
    5.26 Groundwaler Recharge  ... 101
    5.27 Concurrent Development of Groundwater and Surface­Water Sources  ... 102
  Problems  ... 103
  References  ... 105
CHAPTER 6 Transportation and Distribution of Water  ... 107
  6.1 Types of Aqueducts  ... 107
  6.2 Hydraulic Considerations  ... 108
  6.3 Design of Transportation Systems  ... 112
  Distribution Systems  ... 117
    6.4 System Configurations  ... 117
    6.5 Basic System Requirements  ... 117
    6.6 Hydraulic Design  ... 119
    6.7 Distribution System Design and Analysis  ... 148
    6.8 Distribution Reservoirs and Service Storage  ... 151
  Pumping  ... 159
    6.9 Pumping Head  ... 159
    6.10 Power  ... 159
    6.11 Cavitation  ... 160
    6.12 System Head  ... 161
    6.13 Pump Characteristics  ... 161
    6.14 Selection of Pumping Units  ... 163
  Problems  ... 165
  References  ... 169
CHAPTER 7 Wastewater Systems  ... 171
  Hydraulic Considerations  ... 171
    7.1 Uniform Flow  ... 171
    7.2 Gradually Varied Flow and Surface Profiles  ... 174
    7.3 Velocity Considerations  ... 178
  Design of Sanitary Sewers  ... 179
    7.4 House and Building Connections  ... 179
    7.5 Collecting Sewers  ... 179
    7.6 Intercepting Sewers  ... 180
    7.7 Materials  ... 180
    7.8 System Layout  ... 180
    7.9 Hydraulic Design  ... 183
    7.10 Protection Against Floodwaters  ... 185
    7.11 Inverted Siphons  ... 185
    7.12 Wastewater Pumping Stations  ... 187
  Design of Storm Drainage Systems  ... 187
    7.13 Hydrologic Considerations  ... 188
    7.14 Design Flow  ... 188
    7.15 Procedures for Estimating Runoff  ... 189
    7.16 Stormwater Inlets  ... 200
    7.17 System Layout  ... 203
    7.18 Hydraulic Design of Lurhan Storm Drainage Systems  ... 205
  Problems  ... 212
  References  ... 214
CHAPTERS fWater Quality  ... 216
  Drinking­Water Standards  ... 216
    8.1 Microbiology of Drinking Water  ... 216
    8.2 Inorganic Chemicals  ... 220
    8.3 Organic Chemicals  ... 223
    8.4 Trihalomethanes  ... 227
    8.5 Radionuclidcs  ... 228
    8.6 Turbidity  ... 229
    8.7 Secondary Standards  ... 230
  Toxic Water Pollutants  ... 231
    8.8 Priority Toxic Pollutants  ... 231
    8.9 Volatile Organic Chemicals  ... 235
  Quality Criteria for Surface Waters  ... 237
    8.10 Conventional Water Pollutants  ... 237
    8.11 Toxic Water Pollutants  ... 240
  Selected Pollution Parameters  ... 242
    8.12 Total and Suspended Solids  ... 242
    8.13 Biochemical and Chemical Oxygen Demands  ... 244
    8.14 Coliform Bacteria  ... 248
  Problems  ... 251
  References  ... 252
CHAPTER 9 Systems for Treating Wastewater and Water  ... 254
  Wastewater Treatment Systems  ... 254
    9.1 Industrial Wastewaters  ... 254
    9.2 Infiltration and Inflow  ... 257
    9.3 Combined Sewers  ... 257
    9.4 Purposes of Wastewater Treatment  ... 258
    9.5 Selection of Treatment Processes  ... 261
  Water Treatment Systems  ... 270
    9.6 Water Sources  ... 270
    9.7 Purpose of Water Treatment  ... 272
    9.8 Selection of Water­Treatment Processes  ... 273
    9.9 Water­Processing Sludges  ... 279
CHAPTER 10 Physical­Treatment Processes  ... 281
  Flow­Measuring Devices  ... 281
    10.1 Measurement of Water Flow  ... 281
    10.2 Measurement of Wastewater Flow  ... 282
  Screening Devices  ... 283
    10.3 Water­Intake Screens  ... 284
    10.4 Screens in Wastewater Treatment  ... 285
    10.5 Comminutors  ... 286
  Hydraulic Characteristics of Reactors  ... 287
    10.6 Residence Time Distribution  ... 287
    10.7 Ideal Reactors  ... 287
    10.8 Dispersed Plug Flow  ... 291
  Mixing and Flocculation  ... 296
    10.9 Rapid­Mixing Devices  ... 296
    10.10 Flocculation  ... 296
    10.11 Recommended Standards for Water Works  ... 301
  Sedimentation  ... 301
    10.12 Type I Sedimentation  ... 302
    10.13 Type II Sedimentation  ... 306
    10.14 Zone Settling  ... 308
    10.15 Compression  ... 311
    10.16 Sedimentation in Water Treatment  ... 312
    10.17 Sedimentation in Wastewater Treatment  ... 315
    10.18 Grit Chambers in Wastewater Treatment  ... 320
  Filtration  ... 322
    10.19 Gravity Granular­Media Filtration  ... 322
    10.20 Description of a Typical Gravity Filter System  ... 325
    10.21 Flow Control Through Gravity Filters  ... 328
    10.22 Head Losses Through Filter Media  ... 336
    10.23 Backwashing and Media Fluidization  ... 338
    10.24 Pressure Filters  ... 344
    10.25 Diatomaceous­Earth Filters  ... 345
    10.26 Slow Sand Filters  ... 345
  Problems  ... 346
  References  ... 349
CHAPTER 11 Chemical­Treatment Processes  ... 351
  Chemical Considerations  ... 351
    11.1 Inorganic Chemicals and Compounds  ... 351
    11.2 Hydrogen Ion Concentration  ... 356
    11.3 Alkalinity and pH Relationships  ... 356
    11.4 Chemical Equilibria  ... 358
    11.5 Ways of Shifting Chemical Equilibria  ... 359
    11.6 Chemical Process Kinetics  ... 360
    11.7 Colloidal Dispersions  ... 365
    11.8 Coagulation and Flocculation  ... 367
  Coagulation  ... 371
    11.9 Coagulants  ... 371
    11.10 Coagulant Aids  ... 374
    11.11 Jar Test  ... 376
  Water Softening  ... 377
    11.12 Chemistry of Lime­Soda Ash Process  ... 377
    11.13 Process Variations in Lime­Soda Ash Softening  ... 378
    11.14 Ion Exchange Softening and Nitrate Removal  ... 386
  Iron and Manganese Removal  ... 388
    11.15 Chemistry of Iron and Manganese  ... 388
    11.16 Preventativc Treatment  ... 389
    11.17 Iron and Manganese Removal Processes  ... 389
  Corrosion and Corrosion Control  ... 391
    11.18 Electrochemical Mechanism of Iron Corrosion  ... 392
    11.19 Water Stabilization  ... 393
    11.20 Cathodic Protection  ... 397
    11.21 Corrosion of Sewer Pipes  ... 398
  Disinfection  ... 398
    11.22 Chemistry of Chlorination  ... 399
    11.23 Disinfection of Drinking Water  ... 401
    11.24 Disinfection of Wastewater Effluents  ... 403
    11.25 Chlorine Handling and Dosing  ... 404
    11.26 Chlorine Dioxide  ... 404
    11.27 Ozone  ... 405
    11.28 Control of Trihalomethanes  ... 406
  Taste and Odor  ... 407
    11.29 Control of Taste and Odor  ... 407
  Fluoridation  ... 408
    11.30 Fluoridation  ... 409
    11.31 Defluoridation  ... 410
  Reduction of Dissolved Salts  ... 411
    11.32 Distillation of Seawater  ... 411
    11.33 Reverse Osmosis  ... 413
    11.34 Electrodialysis  ... 419
  Problems  ... 419
  References  ... 425
CHAPTER 12 Biological Treatment Processes  ... 428
  Biological Considerations  ... 428
    12.1 Bacteria and Fungi  ... 428
    12.2 Algae  ... 431
    12.3 Protozoans and Higher Animals  ... 433
    12.4 Viruses  ... 435
    12.5 Metabolism, Energy, and Synthesis  ... 438
    12.6 Enzyme Kinetics  ... 442
    12.7 Growth Kinetics of Pure Bacterial Cultures  ... 444
    12.8 Biological Growth in Wastewater Treatment  ... 447
    12.9 Factors Affecting Growth  ... 450
    12.10 Population Dynamics  ... 452
  Characteristics of Wastewater  ... 457
    12.11 Flow and Strength Variations  ... 457
    12.12 Composition of Wastewater  ... 461
  Trickling(Biological) Filters  ... 463
    12.13 Description of a Trickling Filter  ... 465
    12.14 Trickling­Filter Secondary Systems  ... 466
    12.15 Loading Standards for Stone­Media Trickling Filters  ... 469
    12.16 Efficiency Equations for Stone­Media Trickling Filters  ... 471
    12.17 Operational Problems of Stone­Media Filters  ... 477
  Biological Filters with Synthetic Media  ... 478
    12.18 Description of Plastic­Media Filters  ... 478
    12.19 Efficiency Equations for Plastic­Media Trickling Filters  ... 480
    12.20 Biological Towers with Redwood Media  ... 487
  Rotating Biological Contactors  ... 490
    12.21 Description of Rotating Biological Contactor Media  ... 490
    12.22 Application of the RBC Process  ... 492
    12.23 Design of the RBC Process  ... 495
  Activated Sludge  ... 497
    12.24 BOD Loadings and Aeration Periods  ... 498
    12.25 Activated­Sludge Treatment Systems  ... 501
    12.26 High­Purity­Oxygen Activated Sludge  ... 513
    12.27 Design Criteria for High­Purity­Oxygen Aeration  ... 516
    12.28 Kinetics Model of the Activated­Sludge Process  ... 519
    12.29 Laboratory Determination of Kinetic Constants  ... 524
    12.30 Application of the Kinetics Model in Process Design  ... 528
    12.31 Oxygen Transfer and Oxygenation Requirements  ... 532
    12.32 Determination of Oxygen­Transfer Coefficients  ... 537
    12.33 Operation and Control of Activated­Sludge Processes  ... 543
  Stabilization Ponds  ... 546
    12.34 Description of a Stabilization Pond  ... 546
    12.35 BOD Loadings  ... 546
    12.36 Operation of Stabilization Ponds  ... 548
    12.37 Advantages and Disadvantages of Stabilization Ponds  ... 548
    12.38 Completely Mixed Aerated Lagoons  ... 550
  Odor Control  ... 554
    12.39 Sources of Odors in Wastewater Treatment  ... 555
    12.40 Methods of Odor Control  ... 556
    12.41 Individual On­Site Waste­water Disposal  ... 557
  Marine Wastewater Disposal  ... 559
    12.42 Ocean Outfalls  ... 559
  Problems  ... 559
  References  ... 567
CHAPTER 13 Processing of Sludges  ... 569
  Sources, Characteristics, and Quantities of Waste Sludges  ... 569
    13.1 Weight and Volume Relationships  ... 569
    13.2 Characteristics and Quantities of Wastewater Sludges  ... 572
    13.3 Characteristics and Quantities of Water­Processing Sludges  ... 579
  Arrangement of Unit Processes in Sludge Disposal  ... 582
    13.4 Selection of Processes for Wastewater Sludges  ... 583
    13.5 Selection of Processes for Water Treatment Sludges  ... 589
  Gravity Thickening  ... 593
    13.6 Description of Gravity Thickeners  ... 593
    13.7 Design of Wastewater Sludge Thickeners  ... 595
    13.8 Design of Water­Treatment Sludge Thickeners  ... 596
  Flotation Thickening  ... 597
    13.9 Description of Dissolved­Air Flotation  ... 597
    13.10 Design of Dissolved­Air Flotation Units  ... 598
  Biological Sludge Digestion  ... 600
    13.11 Anaerobic Sludge Digestion  ... 601
    13.12 Single­Stage Floating­Cover Digesters  ... 601
    13.13 High­Rate(Completely Mixed) Digesters  ... 603
    13.14 Volatile Solids Loadings and Detention Times  ... 605
    13.15 Anaerobic Digester Capacity  ... 606
    13.16 Startup and Monitoring of Digesters  ... 609
    13.17 Aerobic Sludge Digestion  ... 609
    13.18 Open­Air Drying Beds  ... 610
    13.19 Composting  ... 611
  Vacuum Filtration  ... 613
    13.20 Description of Rotary Vacuum Filtration  ... 614
    13.21 Theory of Vacuum Filtration  ... 616
    13.22 Sizing Vacuum Filters  ... 619
    13.23 Vacuum Filtration of Wastewater Sludges  ... 621
  Pressure Filtration  ... 623
    13.24 Description of Belt Filter Press Dewatering  ... 624
    13.25 Application of Belt Filter Dewatering  ... 625
    13.26 Sizing of Belt Filter Presses  ... 628
    13.27 Description of Filter Press Dewatering  ... 631
    13.28 Application of Pressure Filtration  ... 633
  Centrifugation  ... 636
    13.29 Description of Centrifugation  ... 636
    13.30 Applications of Centrifugation  ... 639
    13.31 Suspended­Solids­Removal Efficiency  ... 640
  Recovery of Chemicals  ... 642
    13.32 Lime Recovery  ... 642
    13.33 Alum Recovery  ... 643
  Ultimate Disposal  ... 644
    13.34 Land Application of Sludge  ... 644
    13.35 Land Burial of Dewatered Sludge  ... 649
    13.36 Combustion of Organic Sludges  ... 649
    13.37 Sludge Incinerators  ... 651
    13.38 Ocean Disposal of Sludge  ... 653
  Problems  ... 654
  References  ... 661
CHAPTER 14 Advanced Wastewater Treatment Processes  ... 662
  Limitations of Secondary Treatment  ... 662
    14.1 Effluent Standards  ... 663
    14.2 Flow Equalization  ... 664
  Selection of Advanced Wastewater Treatment Processes  ... 666
    14.3 Selecting and Combining Unit Processes  ... 666
  Suspended­Solids Removal  ... 669
    14.4 Granular­Media Filtration  ... 669
    14.5 Filtration and Chlorination for Virus Removal  ... 674
    14.6 Microscreening  ... 676
  Carbin Adsorption  ... 677
    14.7 Granular­Carbon Columns  ... 677
    14.8 Carbon Regeneration  ... 680
  Phosphorus Removal  ... 680
    14.9 Biological Phosphorus Removal  ... 682
    14.10 Biological­Chemical Phosphorus Removal  ... 683
    14.11 Tracing Phosphorus Through Treatment Processes  ... 687
    14.12 Physical­Chemical Processing  ... 690
  Nitrogen Removal  ... 692
    14.13 Tracing Nitrogen Through Treatment Processes  ... 693
    14.14 Biological Nitrification  ... 695
    14.15 Biological Denitrification  ... 701
    14.16 Biological Nitrification­Denitrification  ... 706
    14.17 Ammonia Stripping  ... 710
    14.18 Breakpoint Chlorination  ... 713
    14.19 Ion Exchange for Ammonia Ions  ... 713
  Wastewater Reclamation  ... 714
    14.20 Wastewater Reclamation Processes  ... 715
    14.21 Water Factory 21, Orange County, California  ... 716
  Land Treatment of Wastewater  ... 722
    14.22 Methods of Applying Wastewater to Land  ... 722
    14.23 Spray Irrigation  ... 725
  Problems  ... 731
  References  ... 735
CHAPTER 15 Water­Quality Models  ... 737
  15.1 Types of Water­Quality Models  ... 739
  15.2 An Elementary Water­Quality Model  ... 741
  15.3 EPA Stormwater Management Model  ... 748
  15.4 EPA Qual II Model  ... 753
  15.5 Lake and Reservoir Modeling  ... 759
  15.6 Groundwater­Quality Models  ... 763
  15.7 Reliability of Water­Quality Models  ... 765
  Problems  ... 765
  References  ... 766
Appendix  ... 769
Index  ... 781