UNIVERSITY OF ALABAMA COLLEGE OF ENGINEERING 

Fate and Transport of Hazardous Materials  

CE 423 Midterm Project  

Mary Rich 

10/28/2008  

 

    Mary Rich CE 423 Midterm Project Due: October 28, 2008 Ala Wai Canal Sewage Spill in Honolulu, Hawaii, March 24, 2006:   

The Accident: 

On March 24, 2006 the island of Oahu experienced its largest sewage spill in history as 48 million gallons of raw, untreated sewage were emptied into the Ala Wai Canal. A 42‐inch pressurized sewer line in Waikiki burst on Beachwalk Main Street. In order to prevent the sewage from flooding the streets and neighborhoods of Waikiki the Department of Public Works decided to divert the sewage into Ala Wai canal which runs along Waikiki Beach and drains into the Pacific Ocean. The force main was ruptured at 7:20 am on March 24 and the flooding of sewage continued until March 29, six days later. The Beach Walk Wastewater Pump Station which handles the sewage traveling around the Beachwalk Main Street sees about 15 million gallons of sewage per day pump through its station. However, after the sewage spill was reported the pumps were shut off. 

The Cause: 

  It was determined that the connection between the two sewer pipes was what deteriorated and caused the wastewater spill. The final rupture of the pipe was caused by several factors including heavy rain, old pipes, and a continual overload on the pipes. The pipe line which was built in 1964 was described by the EPA as in terrible condition, highly corroded, and very aged. The island of Oahu had been experiencing record high rainfalls for forty days before the pipe rupture. The island which features a combined sewer system had been on overload and the pump station was experiencing a large backup of sewage which added extra strain on the already old pipe lines. 

Meteorological Conditions: 

  The conditions surrounding the spill of the hazardous materials are as follows. The accident occurred at 7:20 a.m. on March 26, 2006. The average temperature for the day was 74.1 F or 23.4 C. The average humidity was 83%. The average windspeed was found to be 3.0 mph. The total rainfall for the month was 5.803 in. The maximum rainfall was .042 in/min. The rain total for the day was .22 inches. 

Chemicals Involved: 

  Sewage is the raw effluent from domestic, stormwater, and industrial sources. Sewage is most commonly composed of 99.97% water and .03% dissolved and suspended matter. The typical composition of most untreated domestic wastewater consists of several hazardous materials such as benzene and toluene from pesticides, oil and grease, copper, inorganic 

    Mary Rich CE 423 Midterm Project Due: October 28, 2008 minerals like lead, nickel, and zinc, methane gas, hydrogen sulfide, and ammonia. In this report hydrogen sulfide and ammonia will be evaluated. 

Hydrogen Sulfide: 

  Hydrogen Sulfide is a gas that can be detected in very low concentrations. This fact is due in part to hydrogen sulfides high toxicity, terrible smell, and its ability to corrode several materials used in sewer construction. Hydrogen sulfide is inversely related to flow rate, so that waste streams with low flow rates are more likely to possess high levels of hydrogen sulfide. Hydrogen sulfide is the most commonly known and prevalent odorous gas associated with domestic wastewater. Hydrogen sulfide is moderately soluble in water and decreases in solubility with an increasing temperature. Hydrogen sulfide is a highly toxic gas which, when inhaled in higher concentrations has no odor and can rapidly cause death, perhaps in 2‐3 minutes. It is also highly flammable and certain concentrations (4.3‐ 46%) in air can explode upon ignition. At very low concentrations hydrogen sulfide can cause headaches, dizziness, nausea, and vomiting. It also acts as an irritant to the eyes.  Ammonia:      A typical concentration of ammonia in untreated wastewater is 25 mg/L. Ammonia is a compound with the formula NH3. Ammonia has a density 0.589 times that of air. Ammonia is not very flammable and is described as a toxic waste product of animals and humans. While in low concentrations ammonia only serves as an irritant it can prove to be highly corrosive and dangerous to the environment in large concentrations.  Damages and Effect s of Sewage Spill:    As a result of the horrific sewage spill that took place on March 24, 2006 several health issues were reported. On April 6, 2006 shortly after the sewage spill Oliver Johnson died from the effects of the toxic wastewater. Oliver Johnson fell into the contaminated Ala Wai Harbor on March 31 and developed a flesh eating bacteria called Vibro vulnificus. It is a bacterium that is in the same family as those that cause Cholera. Also, a Waikiki resident Lisa Kennedy was surfing and cut herself on a coral reef on Waikiki Beach. She soon developed a bacterial infection due to the high levels of wastewater in the ocean and was hospitalized, operated on, and left permanently disfigured. Although the rain, sun, and tides soon dispersed the high concentrations of sewage in the canal and ocean there were still many effects of the sewage spill. The beaches of Oahu were closed for weeks causing many tourists to rethink their visit to the island. Also, even a year after the spill many surfers would not return to the Ala Wai Canal. There were especially fewer youth paddlers due to parents worry of potential toxins in the water. Another especially damaging effect of the wastewater spill was that the mayor spent over $45 million dollars to repair Waikiki’s sewer system. For the first time in years, residents’ sewer fees were significantly increased to pay for the damages.   

    Mary Rich CE 423 Midterm Project Due: October 28, 2008 Outline of How to Calculate Resulting Concentrations and Exposure Durations:          

 

Hawaii’s largest sewage spill 

 

Sending in diver’s to repair the ruptured pipe line 

    Mary Rich CE 423 Midterm Project Due: October 28, 2008

   

Warning signs                                       Sewage route 

 

Pipe Failure and Leak at Morgan Falls Landfill, Sandy Springs, Georgia, March 30, 1998:  

The Accident:  

On March 30, 1998 at approximately 3:48 p.m. a recycling company employee smelled gasoline at a site near the discontinued Morgan Falls Landfill in Sandy Springs, Georgia. After an investigation the employee found the source of the smell to be a ruptured 40 inch gasoline pipe owned by Colonial Pipeline Company that ran through the old landfill site. The recycling employee located an emergency number to contact on the pipeline and reported gasoline running on the ground. After approximately 20 minutes a Colonial Pipeline employee arrived at the spill site to confirm the leak and shut down the ruptured pipe. The Colonial employee also immediately called 911 to ask for assistance. After 5 minutes, dozens of firefighters and policeman arrived at the scene where they stayed for several days until the spill was under control. The EPA and Office of Pipeline Safety (OPS) also regulated the spill and stayed for many days following the accident. After the spill it was determined that more than 38,000 gallons of gasoline escaped. However, approximately 17,000 of those gallons of gasoline were recovered.     

The Cause: 

  After the pipe line was excavated it was determined that the pipeline had experienced buckling and cracking. Approximately 10 feet of the pipe was cut from the pipeline and taken to the OPS Safety Board for assessment. The pipe was found to have experienced circumferential buckling deformation of the upper side of the pipe shown in the photograph below. The 

    Mary Rich CE 423 Midterm Project Due: October 28, 2008 buckled area consisted of a through the wall 6 inch crack which is how the gasoline escaped. The outside of the pipe also contained several cracks in many directions. The through the wall crack consisted of a discolored region that was approximately 1.2 inches in diameter and was composed of one half of the wall’s thickness. This discoloration indicated that the crack had progressed over time. However, the rest of the through the wall crack indicated that the remaining pipe wall had failed rapidly. The cracking in the pipe indicated that it was caused by stress damage due to soil settlement below the pipe.  

Meteorological Conditions: 

  At this time the meteorological conditions cannot be found dating back until 1998, but this will be worked out with more research. 

Chemicals Involved: 

Gasoline: 

  Gasoline is used as fuel in engines or for use in engineering processes. It consists of a complex mixture of hydrocarbons which have a boiling range of 80‐473 F. The typical composition of gasoline hydrocarbons (% volume) is: 4‐8% alkalines; 2‐5% alkenes; 25‐40% isoalkanes; 3‐7% cycloalkanes; 1‐4% cycloalkenes; 20‐50% total aromatics (.5‐2.5% benzene). The molecular weight of gasoline is 108. The boiling point is initially 39 degrees C. The density is .7‐.8 g/cm^3. The Henry’s Law Constant is 4.8x10^‐4 m^3/mol.  

It has a flash point of <‐40degC. Exposure to gasoline causes eye and respiratory irritation, dizziness, nausea, loss of consciousness, and in cases of extreme exposure possible death. Gasoline is a low viscosity material and if swallowed my enter the lungs and cause lung damage. The major problem with gasoline exposure is depression of the central nervous system. When ignited gasoline produces carbon monoxide and carbon dioxide. Gasoline can release considerable vapors at below ambient temperature. These vapors can form readily flammable mixtures. 

Damages and Effect s of Gasoline Spill:      After the spill Colonial Pipeline reworked their system for calling in accidents because of the fact that the recycling employee was initially misdirected as he called in the accident. Under this new system callers now dial the 800 number located on the pipes and press 1 to report a leak or accident. Callers who are just phoning for non‐emergencies are redirected to an alternate number with regular business hours.     Outline of How to Calculate Resulting Concentrations and Exposure Durations: 

    Mary Rich CE 423 Midterm Project Due: October 28, 2008  

  It was determined that the exposure pathway elements pertaining to the Morgan Falls Landfill where through the mediums of surface water, groundwater, outdoor air, indoor air, and fish uptake. The surface water poses a threat of contamination and must be analyzed. The gasoline can enter the surface water from the landfill water run‐off or as it moves from the groundwater to the surface water. The surface water points of exposure are the Morgan Falls Lake, Chattahoochee River, and associated drainage ditches. The groundwater contamination analysis shows that the source of contamination is the movement of the gasoline discharged onto the landfill, and the gasoline’s point of exposure is through the sampling of groundwater because none of the groundwater is accessible to drinking water. The outdoor air contamination is also a problem as the gasoline evaporates and exposes the population to this contamination. Finally fish uptake must be monitored for contamination as the fish become contaminated from the ingestion of hydrocarbons found in the Chattahoochee River. 

  Gasoline can be transported through four different media and experiences different fates in each of these media. To calculate the resulting concentrations and exposure durations for this particular gasoline spill we will first have to look at gasoline’s fate in surface water. For groundwater water calculations we will have to evaluate the volatilization, dissolution, and adsorption equation of the different constituents of gasoline by evaluating their chemical and physical properties. The alkanes and alkenes with the high vapor pressures and low water solubilities will experience volatilization. The higher molecular weight constituents will experience some adsorption to soil particulates. The gasoline that is not lost during these processes will enter the groundwater table and due to its low viscosity it will move at a faster velocity than water. When looking at surface water, the dispersion of the gasoline as it spreads over the water will have to be evaluated. The bioaccumulation of the gasoline components must also be evaluated. The biodegradation of the particles must also be calculated along with the reaction rates and time it takes for the hydrocarbons to break down in the system. Also, as the gasoline components are evaporated into the air we must evaluate the oxidation into the troposphere. 

    Mary Rich CE 423 Midterm Project Due: October 28, 2008

 

 

 

 

    Mary Rich CE 423 Midterm Project Due: October 28, 2008 Nurse Tank Failure with a Release of Hazardous Materials near Calamus, Iowa, April 15, 2003:   

The Accident: 

  At approximately 11:50 a.m. on April 15, 2003, an anhydrous ammonia nurse tank used for agricultural purpose ruptured at a seam at the bottom of the tank split open after it had just been refilled at the River Valley nurse tank filling station near Calamus, Iowa. Approximately 1,300 gallons of the highly toxic and corrosive gas leaked from the tank seriously injuring two employees. One of the injured men later died from complications. The pressure emitted from the escaping gas made several holes throughout the gravel lot. The biggest of these holes was over seven feet long, five feet wide, and thirty inches deep. The loader who was standing by the tank was thrown across the parking lot and knocked unconscious. The other loader was also knocked unconscious, but he had been standing further away from the accident at the time of the rupture. At approximately 11:50 a.m. a farmer was driving by the anhydrous ammonia filling station noticed a large white vapor cloud coming from the loading platform. She pulled into the parking lot where she saw one employee unconscious in an emergency water tub and another employee aiding the unconscious man. She immediately called 911 where she explained the anhydrous ammonia leak. By 12:02 p.m. fire fighters and emergency personnel were on the scene. Both victims were med‐flighted to nearby hospital burn units.   

The Cause: 

  After several studies it was determined that the tank was not over pressurized, and it had not been filled to full. The National Transportation Safety Board concluded that the most likely reason the nurse tank suddenly failed was due to faulty welding and unsatisfactory radiographic inspection as the tank was manufactured. Also, the tank lacked sporadic testing during its service life which could have aided the loaders in finding the problem sooner. 

Meteorological Conditions: 

  The temperature at the time of the accident was approximately 81 degrees F. The skies were clear and the winds were very powerful. The wind was gusting from the south west direction at approximately 19 to 24 mph.  

Chemicals Involved: 

Anhydrous Ammonia: 

    Mary Rich CE 423 Midterm Project Due: October 28, 2008    Anhydrous ammonia is commonly used in nitrogen fertilizer. It is ammonia gas compressed into a liquid form under high pressure. When the chemical is injected into the soil, anhydrous ammonia quickly returns to a gas and dissolves in soil moisture. Anhydrous ammonia is very hazardous and over the years many farmers have been seriously injured or killed in accidents involving this material. Exposure to the liquid can cause frostbite. When exposed to very high concentrations of the gas terrible burns can be formed very quickly. Exposure to the gas causes skin, eye, and serious respiratory problems. When anhydrous ammonia reacts with water it proves to be very corrosive and problematic to humans. However, anhydrous ammonia is not a fire hazard. 

  Anhydrous ammonia has no color but when released in very high concentrations like from a leaking tank it looks like a steam or fog. The vapor density of this gas is lighter than air at 0.6. It consists of 82% nitrogen and 18% hydrogen. Its specific gravity is .682 and its boiling point is ‐33 degrees C. 

Damages and Effect s of Nurse Tank Failure:    As a result of the nurse tank failures both of the men operating the tanks sustained chemical burns on over 50% of their bodies. Eye injuries, first degree burns, and inhalation injuries all occurred to the anhydrous ammonia exposure. The 68 year old male who was thrown from the tank died in a hospital nine days after the accident. The cause of death was determined to be pneumonia caused by inhalation burns. Anhydrous ammonium can also affect plants downwind of the exposure by burning their leaves. This happens because plants are composed mainly of water. Aquatic life can be seriously harmed even by small amounts of ammonia in the surface water. Because of the accident the front half of the bottom of the nurse tank had split wide open. The rupture was 53.5 inches long and 6 inches to the right of the tank’s center. $3,100 worth of equipment had to be replaced as a result of the tank rupture.    Outline of How to Calculate Resulting Concentrations and Exposure Durations: 

Most of the information to calculate the resulting concentrations and exposure duration for the Nurse Tank Failure is provided to evaluate the fate and transport of anhydrous ammonia. First, the quantity of anhydrous ammonia that was released must be calculated. As soon as liquid anhydrous ammonia is released into the atmosphere it becomes a gas. The volatilization rate for the hazardous material must be calculated along with how long the release persisted. This will aid in determining the flow or release rate. The worst‐case distance to endpoint must then be calculated based on the release rate. The density of the substance, topography of the land, duration of release, temperature, time of day, wind speed, and chemical properties must all be evaluated to find the distance to the endpoint. Gaussian Dispersion models will be used to estimate the air quality impacts of the spill on both land and water.  

    Mary Rich CE 423 Midterm Project Due: October 28, 2008

 Photo 1 – The nurse tank with area of fracture site circled. 

 

                                                  Photo 2– The underside of the nurse tank with close‐up view of fracture site.  

 

Early Warning System for Delaware Valley 

Early warning systems have begun popping up all over the country as a way to protect our nation’s water supplies from potential threats. These systems are designed to guard our water supplies not only from acts of terrorism, but also as a safeguard against unintentional chemical, biological, and radiological chemical releases which could occur a variety of ways. Dangerous chemicals have the potential of entering our water supplies through industrial accidents, shipping accidents, waste treatment plant accidents, and finally terrorist attacks.  

    Mary Rich CE 423 Midterm Project Due: October 28, 2008

By definition an early warning system is a supervising, notification, and communication system designed to identify and supply advance warning about source water contamination events. For an early warning system to work efficiently this network must consist of a partnership between water suppliers, emergency response teams, government agencies, and other applicable parties. There are only a handful of EWS worldwide and they are more available in Europe and Asia. However, the United States has begun to take EWS seriously and is developing these systems to respond to not only major industrial contamination using organics detection, but also to threats of terrorist activities.  

The Delaware Valley early warning system was developed as the result of the September 11, 2001 terrorist attacks. The Delaware Valley has over 460 miles of river, over 15,000 square miles of watershed, 68 water supply intakes, 24 industrial intakes, one of the largest active shipping ports in the nation, and a highly industrialized lower half of the watershed. The Delaware and Schuylkill rivers are also the major source of drinking water for over 3 million people in the Philadelphia, Pa and Camden, NJ area. All of these reasons along with a few close calls pertaining to industrial spills prompted the Philadelphia Water Department to develop the Delaware Valley Early Warning System.  

 

In 2002, the PWD was given a $725,000 grant by the EPA and PA DEP to create the EWS. The design of the Delaware Valley early warning system had many objectives. These objectives were to provide alerts to notify the public of water quality events, to develop a relationship between the water suppliers and the emergency response teams, to establish a secure environment to manage and share the information about water quality events, to build a network that can be expanded in the future, and to protect the water supply for the 3 million people in the surrounding region.  

In January 2004, the Delaware Valley EWS was established. After a year of testing using the partnership established, the system was declared fully operational in January of 2005. From January 2004 to April 2006, 49 distinctive water quality events were monitored. There were 16 oil spills, 11 chemical spills, 6 sewage spills, 12 general water quality alarms, and 5 other spills 

    Mary Rich CE 423 Midterm Project Due: October 28, 2008 (arsenic fly ash, leachate, high and low pH discharges).  The majority of these events used the EWS as the primary way of alerting those downstream of the accidents. The spills that occurred during these two years demonstrated what an important asset the early warning system was and increased the participation among users in the Delaware Valley. 

 

There are four main components to the Delaware Valley early warning system.  These components are the EWS Partnership, event notifications, water quality monitoring network, and maintenance of the database and web‐site. The first component which utilizes the partnership approach uses partners who buy into the EWS and then are essential to the continued success of the system by actively participating in the water quality assessments. Also, these partners pay an annual fee to cover the operation and maintenance of the early warning system which aids the system with a continual source of funding to make sure the system continues. The partners also elect a steering committee which is composed of 9 voting seats for representatives of the network. The steering committee determines the priorities of the Delaware Valley EWS and also sets the system in a direction for the future. 

The next component of the early warning system is the event notification process.  The first step in this notification process is that first responders or the water suppliers report an event to the system through telephone or internet. The telephone message or email notification is then forwarded to everyone who is a participating member of the EWS. Next, the partners are directed to a secure website where they may monitor and share information as the event progresses. The event notification is a means of notifying the partners. However, it is not supposed to replace existing protocol. Also, this method allows a lot of people to access the information and here the right information so there is not a loss of communication along the chain. 

Another component of the Delaware Valley EWS is the methods available to report a water quality event. An event may be reported either through telephone or internet. The telephone based reporting consists of the reporter going through a series of questions and recording their answers. One is then asked to record a voicemail and this voicemail is sent to all 

    Mary Rich CE 423 Midterm Project Due: October 28, 2008 participating partners in EWS. The web‐based event reporting is conducted through a safe guarded website, and it records event info through text and map features. The system then emails the alerts to all of the partners in EWS and leads them to a forum where they can share information.  

  The water quality monitoring network is one of the most important components to the Delaware Valley EWS. This system collects and records water quality data throughout the watershed. The watershed is monitored for pH, turbidity, temperature, and conductivity on a real time basis. Also, the USGS conducts real‐time flow and water quality data. This data is stored on the web at a centralized location that is secure to all viewers.  

  Finally, the Delaware Valley EWS consists of a web‐site and database. This component is the core of the EWS and combines the notification system with the water quality updates. The website provides many functions that make the prediction of transport of the potential spills more usable. The website has time of travel functions along with mapping and graphing capabilities. 

 

  The Delaware Valley early warning system has proven to be of great value to the Pennsylvania and New Jersey areas that are covered. The steering committee has many future plans for the EWS that include expanding the partnership to include the watershed further south of Philadelphia on the Delaware River, adding the new partners to GIS coverage, developing a spill model for these new partners, organizing an aquatic biomonitoring system, and redesigning the website.