Chapter 3
Biological Processes for Water Resource
Protection and Water Recovery
Lawrence K. Wang, Mu-Hao Sung Wang, and Nazih K. Shammas
Contents
1 Concepts and Physical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
1.1 Definition of Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
1.2 Principles of Biological Oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
1.3 Energy Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
1.4 Synthesis and Respiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2 System Variables and Control . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 87
2.1 Kinetics of Sludge Growth and Substrate Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.2 Process Variables, Interactions, and Their Significance in Process Operation
and Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
2.3 Aeration Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.4 Temperature Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3 System Modifications and Design Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 99
3.1 Conventional Activated Sludge Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.2 Step Aeration Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.3 Complete Mix Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.4 Extended Aeration Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.5 Contact Stabilization Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.6 Kraus Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.7 Design Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.8 Other Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.9 Nitrification and Denitrification for Nitrogen Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.10 Membrane Bioreactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4 Trickling Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.1 Process Description of Attached-Growth Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.2 Historical Development and Applicability of Attached-Growth Systems . . . . . . . . . . . . . 112
4.3 Microbiology and Ecology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5 Theories and Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.1 Transfer of Oxygen in Slime Layer and Liquid Film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.2 Transfer of Substrate in Liquid Film and Slime Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6 Types of Trickling Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.1 General Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
L. K. Wang (*) · M.-H. S. Wang · N. K. Shammas
Lenox Institute of Water Technology, Newtonville, MA, USA
Krofta Engineering Corporation, Lenox, MA, USA
© Springer Nature Switzerland AG 2021
L. K. Wang, M. -H. S. Wang, Y. -T. Hung, N. K. Shammas (eds.),
Environmental and Natural Resources Engineering, Handbook of Environmental
Engineering 19, https://doi.org/10.1007/978-3-030-54626-7_3
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Biological Processes for Water Resource
Protection and Water Recovery
Lawrence K. Wang, Mu-Hao Sung Wang, and Nazih K. Shammas
Contents
1 Concepts and Physical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
1.1 Definition of Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
1.2 Principles of Biological Oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
1.3 Energy Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
1.4 Synthesis and Respiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2 System Variables and Control . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 87
2.1 Kinetics of Sludge Growth and Substrate Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.2 Process Variables, Interactions, and Their Significance in Process Operation
and Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
2.3 Aeration Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.4 Temperature Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3 System Modifications and Design Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 99
3.1 Conventional Activated Sludge Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.2 Step Aeration Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.3 Complete Mix Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.4 Extended Aeration Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.5 Contact Stabilization Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.6 Kraus Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.7 Design Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.8 Other Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.9 Nitrification and Denitrification for Nitrogen Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.10 Membrane Bioreactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4 Trickling Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.1 Process Description of Attached-Growth Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.2 Historical Development and Applicability of Attached-Growth Systems . . . . . . . . . . . . . 112
4.3 Microbiology and Ecology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5 Theories and Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.1 Transfer of Oxygen in Slime Layer and Liquid Film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.2 Transfer of Substrate in Liquid Film and Slime Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6 Types of Trickling Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.1 General Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
L. K. Wang (*) · M.-H. S. Wang · N. K. Shammas
Lenox Institute of Water Technology, Newtonville, MA, USA
Krofta Engineering Corporation, Lenox, MA, USA
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L. K. Wang, M. -H. S. Wang, Y. -T. Hung, N. K. Shammas (eds.),
Environmental and Natural Resources Engineering, Handbook of Environmental
Engineering 19, https://doi.org/10.1007/978-3-030-54626-7_3
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