QUESTION 1

A sample (500 mL) taken from the effluent stream from an electroplating facility contains 0.58 g nickel sulphate.

(i)    Calculate the nickel concentration in this effluent stream (in mg nickel per L).                        (ii)   Calculate how much nickel (in kg) leaves the electroplating facility per year ifthe total amount

of effluent produced over a year is around 1.4 ML.

(iii)  Would you regard the concentration of nickel in this effluent as suitable for discharge to a

local sewage system that has a similar acceptance standard for nickel as Sydney Water?

(iv)  The solubility product constant for nickel carbonate (NiCO3) at 25 C iso Ksp = 6.6x10-9 . Using

this constant, calculate the liquid phase nickel concentration (in mg Ni2+ per L) in equilibrium with solid NiCO3 . Comment on the value of this nickel concentration compared with the acceptance standard for nickel published by Sydney Water.

It is proposed that the effluent stream from this electroplating facility be treated using several 20 m3 precipitation tanks. When each tank is full of effluent, solid sodium carbonate (Na2CO3) is added and mixed in. Enough time is allowed for the NiCO3 to precipitate out. The contents of the tank are then drained and sent to a filtration unit where the solid precipitate is removed.

(v)     Calculate the amount of solid sodium carbonate (in kg) that must be added to a 20 m3 tank to precipitate all the nickel as NiCO3 .

(vi)    Calculate the additional amount of sodium carbonate (in kg) that must be added to the tank to

leave an 0.002 M carbonate ion solution (i.e. [CO32- ] = 0.002 mol/L) in the tank after all the nickel has been precipitated as NiCO3 .

(vii)  Using the solubility product constant given in part (iv), estimate the liquid phase nickel

concentration (in mg per L) in a precipitation tank containing 0.002 M carbonate ions once equilibrium has been reached.

(viii) Comment on the nickel concentration calculated in part (vii) compared with the acceptance standard for nickel published by Sydney Water and therefore comment on whether you think that precipitation with solid sodium carbonate is a good means of effluent pre-treatment.

In answering this question, at ambient temperatures both nickel sulphate and sodium carbonate can be taken as highly soluble in water. Any additional assumptions you make should be noted in your answer.

QUESTION 2

The Chaudhari et al paper discussed in this course is an evaluation of various coagulants being considered for use in treating the biodigester effluent (BDE) stream after the spent wash from a molasses-based alcohol distillery has passed through an anaerobic digester (to lower its COD and BOD levels). The following information is given in the paper:

    Around 15 m3 of wastewater are formed per m3 ethanol produced.

    26.45 kg/m3  of dry sludge is obtained from the treated BDE when AlCl3  is used as the

coagulant. This value was obtained by filtering a sample of the treated BDE and drying the wet residue in an oven to constant weight (at 105oC for 14 hours).

    The specific energy obtained when this dry sludge is burnt as a fuel is 14.85 MJ/kg.

The following questions relate to a distillery producing 1200 m3  ethanol per day. Clearly note any additional assumptions you make. Numerical answers should be given to an appropriate number of significant figures.

(a)  How much AlCl3  coagulant (in tonne/day) would need to be added to the BDE stream if

laboratory tests showed that the optimal AlCl3 concentration is 60 mM?

(b)  How much dried sludge would be produced (in tonne/day)?

(c)  How much ‘useful’ energy (Q1 in MJ/day) could be generated by burning the dried sludge calculated in part (b) if approximately 35% of the heat of combustion can be recovered using heat transfer equipment or as electricity?

(d)  How much water (W in tonne/day) must be removed from the wet residue if it contains 35 weight percent solids after filtration?

(e)  How much energy (Q2  in MJ/day) would be needed to dry the wet residue assuming that the

latent heat of vaporisation for water (λ) is 2260 kJ/kg. Comment on the relative values of Q1 and Q2 .

(f)   Table 1 in the paper gives typical compositions for the BDE and this stream after it has been

treated with AlCl3  coagulant. Would you recommend sending the BDE stream to an aerobic bioreactor after it has been treated with AlCl3? Give reasons for your answer.

(g)  Based on the above results, discuss whether you think that treating the BDE stream with AlCl3

coagulant is a practical idea for an alcohol distillery of this size.

QUESTION 3

For wastewater treatment plant design calculations, it is often assumed that each person creates 450 L/day and 90 g BOD/day. A proposed industrial park with associated shops and worker housing is expected to have a population hydraulic equivalent of 3200 persons and a BOD population equivalent of 4800 persons. After screening, the mixed wastewater (i.e. from all site sources) must then undergo secondary treatment so that any future discharge should have a maximum BOD level of 10 mg/L.

To keep space requirements to a minimum, your consulting company has recommended using a membrane bioreactor (MBR) as it provides several advantages compared to a conventional activated sludge system (i.e. a MBR does not use either a secondary clarifier or a sludge recycle stream while the biomass loading in the aerated section (X) can be as high as 10,000 mg/L).

An Internet search provides experimental data for the aerobic digestion of a similar mixed wastewater and provides the following expression for the net biomass growth rate (rx in mg VSS/L.hr) where S is the substrate level (in mg BOD per L).

 = 0.24  ൬⃞  − 0.0015

The yield (Y) was reported to be 0.65 mg VSS formed per mg BOD consumed.

As a young engineer, you are asked to carry out preliminary MBR calculations. Your boss advises you to make the following assumptions (and to note any additional assumptions you make).

   The membrane system provides high efficiency filtration, so the permeate stream (i.e. the treated

wastewater) contains minimal biomass (i.e. XE ~ 0). However, the membrane system does not filter out the BOD substrate, so both the treated wastewater and the waste sludge streams contain substrate at the same level as in the MBR aeration tank.

   Treated wastewater flowrate = (1 – β) Q where β is a flow distribution parameter that you will

need to calculate. Thus, the waste sludge flowrate = β Q

(i)      Calculate the flowrate (Q in m3/hr) and BOD loading (S0  in mg/L) of the influent stream entering the MBR system.

(ii)      Sketch the MBR system showing all relevant flow and concentration information.                 (iii)      Based on a typical HRT of 3 hours, calculate the necessary volume (V in m3) for the aerated

section of the MBR.

(iv)      Based on a typical  sludge loading rate (i.e. F:M = 0.30 kg BOD/day per kg biomass),

determine the biomass level (X in mg VSS/L) in the aerated section of the MBR.

(v)      By carrying out a steady-state substrate balance around the MBR, estimate the substrate level (S in mg BOD/L) in the two streams leaving the system.

(vi)      What is the value of the specific growth rate (µ in hr- 1) in the aerated section of the MBR?

(vii)      By carrying out a steady-state biomass balance around the MBR, calculate the flow parameter

β and thus estimate the flow rate of the waste sludge stream (= βQ in m3/hr) and the treated wastewater stream (= (1 – β) Q in m3/hr).

(viii)      If the membrane filtration system can extract treated water at a rate of 20 L/m2/hr, estimate

the required membrane surface area (A in m2).

(ix)      Comment on whether your preliminary calculations indicate that using a MBR system is a

good choice for meeting space and future discharge requirements.

QUESTION 4

A regional STP handles wastewater from 22,000 people where the per capita flow is assumed to be 380 L/person/day. This STP comprises (in series) a primary settler, a trickling filter, two facultative ponds, and a mature constructed wetland. The table below gives typical values (all in mg/L) for the overflow stream after the primary settler (APS) and for the final treated effluent (FTE).

The observed yield (Yob) for this STP is 0.45 mg biomass per mg substrate (i.e. BOD) consumed.

(i)     How much biomass is produced (in kg/day) in this STP after the primary settler?                      (ii)    Biomass may be represented as C60H87O23N12P. Estimate the weight percentage of N in the

biomass, as well as the weight percentage of P in the biomass. Note that there is a table of atomic weights on the first page of this examination paper.

(iii)   Using the above results, determine what percentage of the N and what percentage of the P in

the primary settler overflow are taken up into the biomass produced within this STP.

(iv)   What percentage of the N and what percentage of the P in the primary settler overflow leaves

the STP in the final treated effluent?

(v)    By carrying out a mass balance, determine how much of the nitrogen (in kg/day) in the primary settler overflow stream is not taken up into new biomass or leaves in the FTE stream. Comment on what might be happening to this ‘missing’ nitrogen.