Environmental Modeling
Chapter 7:
Dissolved Oxygen Sag Curves in Streams
Copyright © 2006 by DBS
 
Quote
“[Mathematics] The handmaiden of the Sciences”
-Eric Temple Bell
Concepts
Introduction
Input sources
Mathematical Model
Sensitivity analysis
Limitations
Case Study: Any Stream, Anywhere
Every stream has inputs oforganic waste
Spreads disease
Consumes DO ondecomposition
Ancient communities builtnear flowing water
e.g. NY City, London,W. Europe
fig-7-0
Case Study: Any Stream, Anywhere
fig-7-0
The Problem:  D.O. < BOD
Sewage treatment begins
Chemical process:
MO’s consume DO
Physical process:
Re-aeration byatmosphere
Meadows et al., 2004
Introduction
Modeling the effects of release of oxidizable organic matter into aflowing body of water
DO = chemical measurement of dissolved oxygen (mg L-1)
BOD = total DO needed to oxidize organic matter in a water sample= change from initial DO at saturation to amount after 5 days
DUNFG7-1
BOD
time
Introduction
Standard of living ~ adequate water andwastewater treatment
Human Risks
Challenge of preventing rapid spead of disease
e.g. typhoid fever (bacteria), hepatitis (viruses),cryptosporidosis (protozoa)
Removed by sand filtration andchlorination/ozonation
Aquatic Risks
Aerobic organisms depend on DO
8-12 mg L-1
Affected by temperature and salt
table-7-1
Inc. salt dec. DO
Wipple and Wipple (1911)
The Streeter-Phelps Equation
DUNFG7-2
DUNFG7-3
without trmt:
with trmt:
Organic matter is oxidized, stream re-aerates
End
Review
Basic Input Sources
Parameters for S-P equation:
Wastewater: Flow rate, temperature, DO, BOD
BOD measured in lab – DO measured after several days (flat portionof curve)
DUNFG7-1
The following material and model iscovered in:
CHEM3500/3550
Basic Input SourcesSewage Treatment Plants
Remove turbidity, oxidizable organic matter, and pathogens
Turbidity – settling tanks and filters
Organic matter – trickling filters, activated sludge
Pathogens – filtration, chloination, ozonation
DUNFG7-4
ftp://ftp.wiley.com/public/sci_tech_med/pollutant_fate/
Basic Input SourcesSewage Treatment Plants
Prelininary - screening of large materials
Primary - sedimentation - settling tanks
Secondary - biological aeration – tricklingfilters, activated sludge - metabolizes andflocculates dissolved organics
Tertiary – e.g. P removal
wsci_04_img0570
Basic Input Sources
Wastewater Treatment PlantModel
Water-Model
Movie
1. Wastewater Treatment and Discharge (2000)2. Wastewater Generation and Collection (2000)3. Our Urban Environment: Water Quality (2000)
End
Review
Mathematical Model
Take a river:  What parameters and processes would be important indeveloping a model for the oxidation of organic waste?
our model river: draw in parameters
Ultimate BODLof mix
Stream DO deficit
Consumption DO by MO’s
Re-aeration by atmosphere
Amount DO consumed
The Streeter-Phelps Equation
D = k’BODL [exp(-k’(x/v) – exp(-k2’(x/v))] + D0exp(-k2’(x/v))
k2’ – k
where: = DO concentration deficit (value below saturation) (mg L-1),k2= the re-aeration constant (in d-1),BODL= the ultimate BOD (in mg L-1),k’= the BOD rate constant for oxidation (d-1),= distance downstream from the point source (km),v = average water velocity (km d-1)Do= initial oxygen deficit of mixed stream and wastewater (mg L-1)
Consumption by MO’s
Re-aeration by atmos. O2
D is not the remaining DO content but the amount of original DOconsumed…must be subtracted from original DO without BOD waste
The Streeter-Phelps Equation
S-P-Full-eqn
DO at a given distance below the input:
The Streeter-Phelps Equation
k2’ = first-order rate constant for re-aeration
Eact measurements are difficult, get from tables:
table-7-2
The Streeter-Phelps Equation
BODL = ultimate BOD or maximum O2 required to oxize thewaste sample
Determined from 5 day BOD test or using equation:
BODL =       BOD5
1 – exp(-k’(x/v))
Where k’ is obtained from a 20 day BOD experiment
D0 = DO level in the stream upstream from input - initial DO ofstream-waste mixture
The Streeter-Phelps Equation
DUNFG7-5
Zone of Clean Water (Zone 1)
Zone of Degradation (Zone 2)Zone of Active Decomposition (Zone 3)
Zone of Recovery (Zone 4)
Zone of Cleaner Water (Zone 5)
Algae, fungi, protozoa, worms,larger planst die
Gray/black, H2S, CH4, NH3productions,
Minimum D = criticaldissolved oxygen = Dc
2104
The Streeter-Phelps Equation
tc =            1 ln k2’   1 – D0(k2’-k’)
     k2’ – k     k      k’ BODL
and xc = vtc
Critical DO concentration, Dc:
Dc =      k’  BODL exp(-k’(xc/v))
k2
Problem
1. Determine Dc and its location.
2. Estimate the 20 °C BOD5 of a sample taken at xc.
3. Plot the curve.
Example Problem: A city discharges 25 million gallons per day of domesticsewage into a stream whose typical rate of flow is 250 cubic feet per second.The velocity of the stream is appoximately 3 miles per hour. The temperatureof the sewage is 21 °C, while that of the stream is 15 °C. The 20 °C BOD5 ofthe sewage is 180 mg/L, while that of the stream is 1.0 mg/L. The sewagecontains no DO, but the stream is 90% saturated upstream of the discharge.At 20 °C, k’ is estimated to be 0.34 per day while k2’ is 0.65 per day.
1.Determine DO in stream before discharge (=upstream DO):
Saturation conc. at 15 °C = 10.2 mg/L
Upstream is 90% saturated = 10.2 mg/L x 0.90 = 9.2 mg/L
2.Determine mixture, T, DO, and BOD using mass balance:
Flow rate stream: = 250 ft3/s = 612 x 106 L/d
Flow rate sewage: 25 x 106 gallons/d = 94.8 x 106 L/d
Temperature of mixture:
T = stream input + sewage input – output effect
0 = (stream flow)(stream temp.) + (sewage flow)( sewage temp) – (mix flow)(mix temp)
0 = (612 x 106 L/d)(15 °C) + (94.8 x 106 L/d)(20 °C) – (612 x 106 L/d + 94.8 x 106 L/d)Tmix
Tmix = (612 x 106 L/d)(15 °C) + (94.8 x 106 L/d)(20 °C) = 15.7 °C
 (612 x 106 L/d +94.8 x 106 L/d)
DO in mixture
Net change in DO = Stream input + Sewage output – Output
0 = (stream flow)(stream DO) + (sewage flow)(sewage DO) – (mix flow)(mix DO)
0 = (612 x 106 L/d)(9.2 mg/L) + (94.8 x 106 L/d)(0.0) - (612 x 106 L/d + 94.8 x 106 L/d)(Domix)
DOmix = (612 x 106 L/d)(9.2 mg/L) + (94.8 x 106 L/d)(0.0 mg/L)
 (612 x 106 L/d + 94.8 x 106 L/d)
= 7.97 mg/L
BOD5 of mixture:
Net change in BOD5 = BOD5 = Stream input + Sewage output – Output
0 = (stream flow)(stream BOD5) + (sewage flow)(sewage BOD5) – (mix flow)(mix BOD5)
0 = (612 x 106 L/d)(1.0 mg/L) + (94.8 x 106 L/d)(80 mg/L) - (612 x 106 L/d + 94.8 x 106L/d)(BOD5)
BOD5mixture = (612 x 106 L/d)(1.0 mg/L) + (94.8 x 106 L/d)(80 mg/L) = 25.0 mg/L
 (612 x 106 L/d + 94.8 x 106 L/d)
BODL of mixture (at 20 °C)
BODL =       BOD525.0 mg/L= 30.6 mg/L
1 – exp(-k’(x/v)   1 – exp(-0.34/d)(5 d)
3.Correct rate constants to 15.7 °C
k’ = 0.34(1.135)15.7-20 = 0.197 d-1
k2’ = 0.65(1.024)15.7-20 = 0.587 d-1
4. Determine tc and xc:
D0 = (initial stream O2 - O2 of mixture)
= (9.2 – 7.97) = 1.23 mg O2 L-1
4. Determine tc and xc:
tc =                1 ln  k2’        1 – D0(k2’-k’)
     k2’ – k     k      k’ BODL
= 2.42 d
xc = vtc = 3 mi/h x 24 h/d x 2.42 d = 174.2 mi = 280 km
5. Determine Dc:
5. Determine Dc:
V = 3 mi/h = 72 mi/d
Dc =      k’  BODL exp(-k’(xc/v)
       k2
=  0.197 d-1(30.6 mg/L) exp(-(0.197 d-1)(174.2 mi / 72 mi d-1)))
    0.587 d-1
= 6.37 mg L-1
The DO will be depressed 6.37 mg L-1 from saturation.Minimum DO = 9.2 mg L-1 - 6.37 mg L-1 = 2.83 mg L-1
6. Determine BOD5 at critical point, xc:
BOD5 = BODL exp(-k’(x/v))
= (30.6 mg L-1) exp(-0.197 d-1)(174.2 mi)/(72 mi d-1) = 19.0 mg L-1
20 °C BOD5 = BOD5 [1 – exp(-k’)(5)]
= 19.0 mg L-1 [1 – exp(-0.34 d-1)(5 d)] = 15.5 mg L-1
BOD-at-x
Easier method
Use Fate!!!
Much easier than by hand
End
Review
Sensitivity Analysis
Limitations
It uses average re-aeration rates of the stream (problem in alternatingriffle and pool areas)
Sedimentation is not allowed in the basic model, but can beincorporated with additional experimental data
Remediation
Problems are:-Eutrophication
-Odors
-Low/no D.O.
-Aquatic death
-Microbes/Pathogens
Source removal! (install treatment plant)
including BOD, NO3-, NH3/NH4+, PO43-
removal, but you still will have organic rich
sediments for some time
Time (flowing aquatic systems can be very resilient)
Notice the difference between the recovery of a biodegradable pollutantversus nonbiodegradable!
End
Review
Further Reading
Journals and Reports
Wipple, G.C. and Wipple, M.C. (1911) Solubility of oxygen in seawater. Journal of the American Chemical Society, Vol. 3 pp 362.
Books
Craun, G. (1986) Waterborne Diseases in the United States. CRC Press, Boca Raton, FL.
Meadows, D., Randers, J., and Meadows, D. (2004) Limits to Growth: The 30-Year Update.Chelsea Gren Publishing Compnay, White River Junction, VT.
Metcalf and Eddy Inc. (1991) Wastewater Engineering, 3rd Ed. McGraw-Hill, New York.
Sawyer, C.N. and McCarty, P.L. (1978) Chemistry for Environmental Engineering. McGraw-Hill, New York.
Snoeyink, V.L. and Jenkins, D. (1980) Water Chemistry. John Wiley & Sons, New York.
Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 20th Ed. (1998) AmericanWaterworks Association, Washington D.C.
Streeter, H.W. and Phelps, E.B. (1925) A Study of the Pollution and natural Purification ofthe Ohio River. United States Public Health Service, U.S. Department of Health, Educationand Welfare.
Tchobanoglous, G. and Burton, F.L. (1991) Wastewater Engineering: Treatment, Disposal,and Reuse. McGraw-Hill, New York.