of field parameters - pure water forum

46
William G. Maddox Environmental Specialist  II, Valley  Regional Office Department  of  Environmental Quality 4411 Early  Road, Harrisonburg, Virginia Office: 5405747831  FAX: 5405747878 Office: 540 574 7831, FAX: 540 574 7878 [email protected] Web: www.deq.virginia.gov M il  PO  B  H i b  Vi ii  8 Mail: P .O . Box  3000, Harrisonburg, Virginia  22801

Upload: others

Post on 30-Oct-2021

3 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: of Field Parameters - Pure Water Forum

William G. MaddoxEnvironmental Specialist II, Valley Regional Officep y g

Department of Environmental Quality4411 Early Road, Harrisonburg, VirginiaOffice: 540‐574‐7831  FAX: 540‐574‐7878Office: 540 574 7831, FAX: 540 574 7878

[email protected]: www.deq.virginia.gov

M il  PO  B    H i b  Vi i i   8Mail: P.O. Box 3000, Harrisonburg, Virginia 22801

Page 2: of Field Parameters - Pure Water Forum

List of Field Parameters Dissolved Oxygen pH Total and Free Residual Chlorine Temperature (Turbidity – not a common effluent limitation.) Note: Flow rate is a measurement, though not 

bt i d  i     t   l   l i  It i     ffl t obtained using a water sample analysis. It is an effluent discharge characteristic or parameter.

Page 3: of Field Parameters - Pure Water Forum

Regulation

DEQ Mission Statement: DEQ protects and enhances Virginia's environment, and promotes the health and well‐being of the citizens of the Commonwealthbeing of the citizens of the Commonwealth.

Over 5,000 people die worldwide everyday from drinking or bathing in water containing the same drinking or bathing in water containing the same contaminants that are removed at wastewater treatment plants.

Page 4: of Field Parameters - Pure Water Forum

Regulation Clean water regulations accounted for benefits of up to $8 billion at a cost of $2.4 to $2.9 billion. Clean air regulations provided up to $163 billion in benefits  regulations provided up to $163 billion in benefits, while costing taxpayers only about $21 billion. 

http://usgovinfo.about.com/library/weekly/aacost‐benefit.htm

Page 5: of Field Parameters - Pure Water Forum

RegulationBureaucratic red tape, the difficulty of finding information, lengthy training in g g y gregulatory requirements, having to constantly revisit changing regulatory y g g g ypolicy, and haphazard enforcement of the rules may be an immediate concern but…y

http://www.berr.gov.uk/files/file53236.pdf

Page 6: of Field Parameters - Pure Water Forum

Regulation You have a stronger, fuller, more aware understanding of regulation than average and can see that…

  ff    li i  i     l   d h l h   Your efforts support living in a clean and healthy Virginia environment, benefitting your family and avoiding health risks for you and others around you  avoiding health risks for you and others around you. 

You can help others understand this.You can help others understand this.

Page 7: of Field Parameters - Pure Water Forum

Regulation

Testing is intended to be “reliable, uniform, and ” (S  P f )accurate.” (SM, Preface)

We are considering “field testing and measurement” of water at the site where the sample was taken or nearby  water at the site where the sample was taken or nearby, not testing and measurement performed in an environmental laboratory. Analysis is immediately or y y ywithin 15 minutes holding time maximum.

“Field testing” term originated in testing military i   d  fi ld  di iequipment under field conditions.

Page 8: of Field Parameters - Pure Water Forum

Field Testing Characteristics of the parameter dictate the equipment design and sampling (grab or in situ).h  id l d i   ld  b i   h     l  f     The ideal design could obtain the same result from any 

such instrument of a test of a sample anywhere, every time  No ideal instrument existstime. No ideal instrument exists.

We do our best (hence method regulation, choices, and lots of care, and the dynamics of improvements).y p

Page 9: of Field Parameters - Pure Water Forum

Field Test – Be Aware of IndividualField Test  Be Aware of Individual Variables  Example ‐ a simple contact sensor like a thermistorfor temperature (or liquid in glass or thermocouples and such):and such):

Measures its own temperature, so must be in equilibrium with the media it is contacting (water –equilibrium with the media it is contacting (water no heat flow between them)

Electrical properties are important (resistance, current p p p– THERMal resISTOR)

Water is dynamic with lots of possible variations in  ( f  d h   i   ) temperature (surface, depth, aeration, movement) 

Page 10: of Field Parameters - Pure Water Forum

Field Testing – Four Basics

Measure or sample for a representative result of the di h   h i idischarge characteristics

Follow approved methodF ll  i   f ’   d i Follow instrument manufacturer’s recommendations

Keep good records

Page 11: of Field Parameters - Pure Water Forum

Field Testing – You Know…. VPDES Permit Part II A 2: Monitoring shall be conducted according to procedures approved under Title 40 Code of Federal Regulations Part approved under Title 40 Code of Federal Regulations Part 136 or alternative methods approved by the U.S. Environmental Protection Agency, unless other procedures have been specified in this permithave been specified in this permit.

40 CFR Part 136… EPA Federal Register ‐ Guidelines Establishing Test Procedures for the Analysis of Pollutants Under the Clean Water Act; Analysis and Sampling Proceduresy p g

Page 12: of Field Parameters - Pure Water Forum

Field Testing

Need initial demonstration of capability (IDC) il bl  f   h  l / f i  available for each analyst/operator performing 

analysis. SM 1020 B.1 For once per month analysis frequency or less   For once per month analysis frequency or less, establish a set time each monitoring period for sampling and analysis. If that will not provide a sample p g y p prepresentative of the monitoring period, collect more samples/perform more analyses.

Page 13: of Field Parameters - Pure Water Forum

Dissolved Oxygen Winkler (Azidemodification) SM 4500–O B–2001, C–2001, D–2001, E–2001, F–2001. ASTM D888–09 (A)  USGS/AOAC/Other  973.45B3, I–1575–78.8 Electrode  SM 4500–O G–2001  ASTM D888–09 (B)  USGS/AOAC/Other  I–1576–78.8 Luminescence Based Sensor ASTM D888–09 (C)  USGS/AOAC/Other    Footnote 63 Hach Method 10360, Luminescence Measurement of 

Dissolved Oxygen in Water and Wastewater and for Use in the Determination of BOD5 and cBOD5  Revision 1 2  October 2011  Hach Company  This method may be used to and cBOD5. Revision 1.2, October 2011. Hach Company. This method may be used to measure dissolved oxygen when performing the methods approved in Table IB for measurement of biochemical oxygen demand (BOD) and carbonaceous biochemical oxygen demand (CBOD). Footnote 64 In‐Situ Method 1002–8–2009, Dissolved Oxygen (DO) Measurement by Optical Probe. 2009. In‐Situ Incorporated.

Page 14: of Field Parameters - Pure Water Forum

Dissolved Oxygen Oxygen, Dissolved Probe Container ‐ G, Bottle and top  Preservation ‐ None requiredPreservation  None required Maximum holding time ‐ Analyze within 15 minutes. Winkler  C t i   G  B ttl   d t   Container ‐ G, Bottle and top  Preservation ‐ Fix on site and store in dark. Maximum holding time ‐ 8 hours.

Use APHA‐type sampler (American Public Health Association specifications ‐ Displaces three times bottle volume without aeration)

…or analyze in‐situ (Latin – literally “in place”)

Page 15: of Field Parameters - Pure Water Forum

Dissolved Oxygen Guides:

Verify the accuracy of the temperature monitoring device on the meter at least annually over the operating range of the meter.

Show calculations of correction factors applied for each recorded temperature measurement.

Be careful not to represent the temperature recorded as Be careful not to represent the temperature recorded as effluent temperature if the sample was not collected in accordance with effluent temperature monitoring procedures. 

Page 16: of Field Parameters - Pure Water Forum

Dissolved Oxygen Guides:

Reactive compounds and gases (like hydrogen sulfide and  Reactive compounds and gases (like hydrogen sulfide and other sulfur compounds) can interfere with the reading by reducing probe sensitivity for membrane probes (optical probes not affected by gases like hydrogen sulfide)   probes not affected by gases like hydrogen sulfide).  

Measure D.O. after all treatment, including post aeration. Keep sensor in moist environment.p For the optical D.O. method, do not use organic solvents to clean the sensor but just wipe off any fouling gently with lens cleaning tissue. lens cleaning tissue. 

Page 17: of Field Parameters - Pure Water Forum

Dissolved Oxygen Guides:

The instrument  both electrochemical and optical  senses  The instrument, both electrochemical and optical, senses the partial pressure of oxygen at the surface of the membrane, rather than the actual concentration of oxygen (weight/volume)  The relationship between partial (weight/volume). The relationship between partial pressure and concentration is dependent upon atmospheric pressure and temperature when a reading is made in the air (i e  during the air calibration procedure)  made in the air (i.e., during the air calibration procedure), whereas, the equilibrium solubility of oxygen in water is influenced by temperature, salinity, and pressure (of the gaseous phase)gaseous phase).

Page 18: of Field Parameters - Pure Water Forum

Dissolved oxygen Guides:

For digital instruments (YSI), the software compensates for the temperature‐related factors after instrument calibration and during readings instrument calibration and during readings (temperature measured by a thermistor).

Page 19: of Field Parameters - Pure Water Forum

Importance of D.O. Low dissolved oxygen can impact a stream or lake from microscopic consumption of organics in wastewater treatment plant discharges by reducing oxygen sensitive p g y g yganimal populations.

Warm water discharges can lower the oxygen content in streams and lakes as well because warm water holds less streams and lakes as well because warm water holds less dissolved oxygen than can cooler waters.

Low dissolved oxygen in streams and lakes can result in anaerobic activity byproducts that are objectionable  anaerobic activity byproducts that are objectionable, odorous. 

Oxygen levels high and low are important for treatment processes.

Page 20: of Field Parameters - Pure Water Forum

pH Electrometric measurement. SM 4500–H+ B–2000  ASTM D1293–99 (A or B)  USGS/AOAC/Other 973.41,3 I–1586–85.2 Automated electrode  EPA 150.2 (Dec. 1982)1  USGS/AOAC/Other ‐ See footnote,21 I–2587–85.2

Page 21: of Field Parameters - Pure Water Forum

pH

Container – P (polyethylene), FP (fluoropolymer –PTFE, Teflon), G P i   N   i d  Preservation ‐ None required 

Maximum holding time ‐ Analyze within 15 minutes.

Page 22: of Field Parameters - Pure Water Forum

pH Guides:

V if  th     f th  t t   it i   Verify the accuracy of the temperature monitoring device on the meter at least annually over the operating range of the meter.g g

Show calculations of correction factors applied for each recorded temperature measurement.

B   f l  t t   t th  t t   d d  Be careful not to represent the temperature recorded as effluent temperature if the sample was not collected in accordance with effluent temperature monitoring procedures. 

Page 23: of Field Parameters - Pure Water Forum

pH Guides:

The change in the dissociation constant of water with gtemperature means that a temperature recording will need to go with each pH measurement.

A true pH neutral point at 7 with no acid or base, pure p p 7 , pwater, only applies at 25  C. For the same pure water, at 0C the measured pH would be 7.47 and at 60 C would be 6.51. 

Most pH measurement issues are due to fouled or poisoned electrolytes and a clogged reference junction. So, manufactures of pH electrodes spend a lot of effort to create and design electrodes that deal with those issuescreate and design electrodes that deal with those issues.

Page 24: of Field Parameters - Pure Water Forum

pH Guides:

Know that pH is measuring the hydrogen ion concentration altered by a combination of known and unknown effects of the meter and electrode  unknown effects of the meter and electrode. Calibration is the means to allow for these.

The outer surface condition of the glass bulb is critical. The outer surface condition of the glass bulb is critical. The voltage measurement is between the two surfaces of the glass (sample solution side and conductor  of l d   id )electrode side).

Page 25: of Field Parameters - Pure Water Forum

pH Guides:

Th   l t d   l   f   t   i t   The electrode glass surface must come into equilibrium with the solution being measured.

Each glass membrane has an imperfection in its ac g ass e b a e as a pe ect o tspotential‐generating nature (asymmetry potential). Calibration takes care of all if electrode is cared for.

O     f  l t d    b   d b  li ht b l   One error of electrodes can be caused by light below 470 nm(is why they often have light‐shielding – dark color and such). Silver metal exhibits photoelectric effect.

Page 26: of Field Parameters - Pure Water Forum

pH Guides:

Reference electrode portion has a junction or double junction that can clog, particularly in protein solutions (double junctions help prevent this)(double junctions help prevent this).

Small currents can be induced from fluorescent lighting and AC motors and such.lighting and AC motors and such.

Do not let glass electrodes go dry. Several layers of water molecules form a hydration layer on the glass membrane before potentials stabilize. 

Page 27: of Field Parameters - Pure Water Forum

pH Guides:

Sealed electrodes should not be stored in DI water—Reason: the sample will accelerate the leaching of reference solution, which cannot be replaced.

Alkaline buffers will dissolved the glass and shorten gelectrode life (store according to manufacturer).

Static charges can be transferred to glass electrodes. The pH buffers contain high concentrations of phosphate. The pH buffers contain high concentrations of phosphate. Care must be taken during calibration to avoid leaving traces of buffer on equipment or at the workplace that could contaminate water samples.

Page 28: of Field Parameters - Pure Water Forum

Importance of pH

pH affects solubility and biological availability of h i l  i    i l di   ichemicals in water, including nutrients.

pH affects life processes that require conditions within a certain range of pHa certain range of pH.

Certain compounds are more toxic at lower pHs (metals more soluble).  (metals more soluble).  

Page 29: of Field Parameters - Pure Water Forum

Total Residual Chlorine (TRC)

Field TRC measurements have a number of EPA‐approved methods. Most common are DPD and amperometric methods discussed hereamperometric methods discussed here.

Page 30: of Field Parameters - Pure Water Forum

TRC Amperometric direct  SM 4500–Cl D–2000  ASTM D1253 DPD–FAS SM 4500–Cl F–2000. Spectrophotometric, DPD  SM 4500–Cl G–2000.

Page 31: of Field Parameters - Pure Water Forum

TRC

Container ‐ P, G Preservation ‐ None required Maximum holding time ‐ Analyze within 15 minutes.

Page 32: of Field Parameters - Pure Water Forum

TRC Guides:

DPD method most widely used.y Protect DPD powder reagents from temperature extremes (keep between 50 – 70 F).

Avoid excess agitation and exposure to sunlight when Avoid excess agitation and exposure to sunlight when sampling.

Rinse sampler container with several volumes of sample before collection to help  eliminate any possible chlorine before collection to help  eliminate any possible chlorine demand on the sample container.

Source Chlorine Analysis Technical Information Series, Daniel L. Harp, – Booklet No. 17, HACH

Page 33: of Field Parameters - Pure Water Forum

TRC Guides:

Testing can have oxidizing agent interferences –chlorite, chlorate, bromine, oxidized manganese and such (most methods subject to interferences from such (most methods subject to interferences from turbidity, color, inorganic and organic compounds and sample buffer capacity.p p y

Photometer zeroing compensates for some color and turbidity. 

Check DPD reagent buffering capacity annually. 

Page 34: of Field Parameters - Pure Water Forum

Temperature Thermometric SM 2550 B–2000  USGS/AOAC/Other ‐ See footnote.32 (Footnote 32 ‘‘Water Temperature–Influential Factors, Fi ld M   d D  P i ’’ Field Measurement and Data Presentation,’’ Techniques of Water‐Resources Investigations of the U.S. Geological Survey, Book 1, Chapter D1. 1975. U.S. Geological Survey, Book 1, Chapter D1. 1975. USGS.)

Page 35: of Field Parameters - Pure Water Forum

Temperature

Container ‐ P, FP, G  Preservation ‐ None required Maximum holding time ‐ Analyze.

Page 36: of Field Parameters - Pure Water Forum

Temperature Guides:

Many technologies exist to measure temperature. DEQ normally Many technologies exist to measure temperature. DEQ normally will see the liquid in glass thermometer, the thermistor, and the dial‐type thermometers (bimetallic).

DEQ supports not using mercury thermometers for field testing.DEQ supports not using mercury thermometers for field testing. Annual verifications or units purchased and being used within 

the expiration dates are needed. Verification is against an NIST‐traceable thermometer over the operating range of the unit acea e e o e e o e e ope a g a ge o e u(multiple check temperatures), with records on site indicating the information with the reference thermometer certification and that that certification is up to date as well. 

Page 37: of Field Parameters - Pure Water Forum

Temperature Guides:

Do not report held samples’ temperature as “effluent” temperature (common error). Analyze effluent temperature immediately and/or in situtemperature immediately and/or in situ.

Common means of measurement is by an instrument that measures the temperature of itself, so no heat that measures the temperature of itself, so no heat exchange should be occurring between the unit and the sample (needs to be stable).

Page 38: of Field Parameters - Pure Water Forum

Record Keeping – From the Permit‐ Records Records of monitoring information shall include:

The date, exact place, and time of sampling or measurements

The individual(s) who performed the sampling or measurements

The date(s) and time(s) analyses were performedThe date(s) and time(s) analyses were performed The individual(s) who performed the analyses The analytical techniques or methods used; and The results of such analyses.

Page 39: of Field Parameters - Pure Water Forum

Record Keeping Guides:

The test method references on site should be up to date for all records (often see up‐to‐date references mixed with older ones  very commonly seen)mixed with older ones – very commonly seen).

E‐documents are to be as accessible on site as would be hard‐copy paper documents. would be hard copy paper documents. 

Page 40: of Field Parameters - Pure Water Forum

Record Keeping Guides:

U    f lt  fi ld t t  i t f   it i d  Use no faulty field test equipment for permit‐required monitoring records (temptation is to use it if can and then get it fixed later). Critical equipment should have gspares available. If pH electrode reading too slow – do not use it to record a pH. If DPD reagent expired, do not use it (same with buffers). May be good past dates, not use it (same with buffers). May be good past dates, but cannot know.

For recording errors – line through once and initial. Use indelible ink for writing.

Page 41: of Field Parameters - Pure Water Forum

Record Keeping Guides:

Exact sample location is to be exact (correct in all details) ‐ often see inexact location records.K     l   i   d  l i   i   Keep separate sample times and analysis times (common problem) unless in situ.

Thermistor verification check tags are often missing  Thermistor verification check tags are often missing from meters and should not be (verification by name, the date, and any correction factors for tags).

Page 42: of Field Parameters - Pure Water Forum

Record Keeping Guides:

Detailed field equipment maintenance records are important for a number of reasons – help preserve assets  in an enforcement action they may become assets ‐ in an enforcement action they may become critical.

The wastewater field involves discharging toward The wastewater field involves discharging toward neighboring properties. YOU ARE NOT ALONE.

Page 43: of Field Parameters - Pure Water Forum

Record Keeping Guide (IMPORTANT):

Keep accurate records. Plant conditions can change rapidly. D         i    b k i        X     f   Do not try to write a book in a 1 mm X 1 mm form space, or a book all on one page.

Page 44: of Field Parameters - Pure Water Forum

Record Keeping Guides:

When a letter of explanation is required for an exceedance, and the cause of a problem is not known, often the permittee states the result must have been a often the permittee states the result must have been a sampling or analysis error.

Another cause or two might be – using this reasoning Another cause or two might be  using this reasoning – an unknown substance discharged, temporarily affecting the result, or an unknown interferent with h      h  di h d  il   the test may have discharged temporarily.  

Page 45: of Field Parameters - Pure Water Forum

Record Keeping Guides

Keep an up‐to‐date O & M Manual on site for field testing information. Wh   d   h   l      d   b   What records the manual states are suggested to be kept and what actually are kept can be world’s apart. Test methods often out of date, and equipment used Test methods often out of date, and equipment used out of date.

Page 46: of Field Parameters - Pure Water Forum

Record Keeping  Guide:

If a problem occurs and a helpful record keeping was found insufficient for any reason, start keeping it. C ifi   d k i    b  GREAT f     Case‐specific record keeping can be GREAT for you (e.g., spare meter operations check).