08/27/2014

DR. TING LU

WILL REMOVAL OF CSO’S AND SSO’S BE ENOUGH TO IMPROVE YOUR WATER QUALITY? 

ENVIRONMENTAL SCIENTISTWATER TECHNOLOGY GROUP

• The overarching goal of any wet weather program is to meet Water Quality targets and Clean Water Act Standard.

• Most multi‐million $$$ consent decrees are based on CSO/SSO frequency and volume reduction and are indirectlylinked to Water Quality Improvements.

WET WEATHER IMPROVEMENT PROGRAM

2

August 27, 2014

Evenduringdryweather,E.colihasexceededthewaterqualitystandard

E. COLI COUNTS AT DUCK CREEK WATERSHED IN CINCINNATI

3

August 27, 2014

BesidesCSOs,manysourcescontributetowaterpollutioninthewatershed

WATERSHED POLLUTION SOURCES

CSO

SSO Private systemsStormwater

Urban runoffAgriculture

4

August 27, 2014

• Removing CSO/SSO will not completely solve water quality pollutions…

Alternatively:

• We need an Integrated Approach for Water Quality Monitoring and Planning that is water quality focused and human health risk based

Anintegratedapproachforwaterqualitymonitoringandplanningisneededtoachievesustainability

AN WATER QUALITY FOCUSED AND HUMAN HEALTH RISKED BASED INTEGRATED APPROACH

5

August 27, 2014

Theintegratedwatershedapproachhelpstobridgethegapbetweenregulationandengineering.

INTEGRATED WATERSHED MANAGEMENTAugust 27, 2014

6

Water Quality Improvement 

Clean Water Act

WQ Standard TMDL NPDES

Integrated watershed approach• Identify pollution sources• Quantify pollution loadings• Prioritize engineering projects• Measure project performance

AN INTEGRATED WATERSHED FRAMEWORK BASED ON MICROBIAL SOURCE TRACKING

August 27, 2014

7

PILOT STUDY

DEVELOPMENT OF AN INTEGRATED PLAN FOR WATER QUALITY MONITORING AND MONITORING

8

A SYSTEMATIC INTEGRATED APPROACH WITH AN INNOVATIVE MOLECULAR METHODS THAT TARGETS DNA AND RNA

Identify pollution sources

Quantify pollution contributions

Develop mitigation plans

Measure mitigation performance

9

August 27, 2014

Anurbanwatershedisselectedtoidentifyandquantifywaterpollutionproblems.

DUCK CREEK: URBAN WATERSHED WITH VARIOUS POLLUTION SOURCES

10

August 27, 2014

Land use Distribution (%)

Residential 45

Open space 29

Commercial and industrial

13

Other urban spaces  13

Site Stream(River mile)

Presumed primary fecal contamination source Surroundings

1 Duck Creek (2.0) Sewage, urban runoff Industrial

2 Duck Creek (2.4) Sewage, urban runoff Industrial

3 Duck Creek (3.38) CSO Residential

4 Little Duck Creek (0.49) Urban runoff Residential, vegetation

5 Little Duck Creek (1.7) Urban runoff, septic tanks Residential, vegetation

6 Little Duck Creek (2.2) Urban runoff, septic tanks Residential, vegetation

7 Duck Creek (4.5) CSO Pet care facility, vegetation

8 Deerfield Creek (0.2) CSO School, grasslands

9 Deerfield Creek (1.5) CSO, urban runoff Interstate, car showroom

10 Upper Duck Creek (0.5) Urban runoff Concrete channels

Sampling locations

11

August 27, 2014

PICTURES OF SELECTED SAMPLING SITES

12

August 27, 2014

IntegratingmicrobialsourcetrackingwithGISmaptouncoverthecauses.

LINKING THE SOURCES WITH THE CAUSES

Pollution origin Pollution detection and causes/reasons

Human  Yes, CSO, SSO, and septic tanksBovine  No, no cattle in the watershedCanine  Yes, pet facility nearby or parksAvian Yes, wild waterfowl

13

August 27, 2014

QuantitativePCRcanquantifyfecalpollution

QUANTIFY POLLUTION CONTRIBUTORS

14

August 27, 2014

PROJECT FINDINGS

• Human fecal pollution is the dominant pollution source in the watershed• Identify and address key CSO/SSO areas for water quality improvement

• Besides sewer overflows, septic tanks failure contributes significantly to this problem• Work with other agencies to more effectively address pollution problems

• Fecal pollution loadings were reduced where green vegetation is present• This tool can be used for green infrastructure effectiveness measurement 

15

August 27, 2014

• Develop tailored mitigation plan to effectively remove water quality pollutions

• i.e. Duck Creek Watershed in Cincinnati: identify a reliable onsite wastewater treatment system that produces better effluent quality

Tailoredmitigationplanwasdevelopedbasedonmicrobialsourcetracking

DEVELOPING MITIGATION PLANS

16

August 27, 2014

• Incorporates physical, chemical and biological parameters

• Establish and define a water quality baseline

• Continuous monitoring to measure the effectiveness of engineering projects

Annualin‐streammonitoringhelpstomeasureprojecteffectiveness.

IN‐STREAM MONITORING

17

August 27, 2014

Scientific and risk based approach

18

• 1st integrated fecal source tracking strategy• 1st optimized study applied to large CSO/SSO community for urban watershed

A UNIQUE AND INNOVATIVE APPROACHRECOGNIZED BY THE INDUSTRY

August 27, 2014

19

Total coliform

Fecal coliform

E. coli

Bacteroides

Universal

Human

Bovine

Canine

Avian

Pathogens

E. coli O157: H7

Norovirus

Streptococcus

Culture-basedmethods

Molecular-based methods

Asetofbiomarkersspecifictosourcesareusedinawatershed

INTEGRATED BIOMARKER DEVELOPMENTAugust 27, 2014

20

Source identification

Human health risk measurement

Bacteroides: obligate anaerobesHigh accuracy ‐ no false positive, no false negativeHigh sensitivity ‐ abundant in fecal samplesSource specific‐ host specificGood spatial‐temporal resolutionQuick turnaround time

Microbialsourcetrackingwasconductedtoidentifythepollutionsources

MICROBIAL SOURCE TRACKING WITH MOLECULAR TOOLS

August 27, 2014

21

Samplescanbestoredat‐20°Candanalysisperformedseveralmonthslater.

MOLECULAR APPROACHAugust 27, 2014

22

Water samples collected in sterile nalgene bottles and kept on ice until delivery to lab

Sample filtration using 0.45 µm membrane to retain bacteria and frozen at ‐20°C

DNA extraction using MO BIO Laboratories PowerWaterTM DNA isolation kit

DNA amplification through qPCR with primers specific for universal, human, bovine and canine 16S rRNA Bacteroidales

Visualization of amplified DNA product using gel electrophoresis and sequencing

MOLECULAR ASSAY LABAugust 27, 2014

23

Thismethodishighlysensitiveandspecifictoidentifypollutionsourceorigin

POLLUTION ORIGIN IDENTIFICATION: SOURCE TRACKING

August 27, 2014

24

• Link the water quality with the human health risk through pathogen identification• Pathogenic E. coli O157:H7

• Waterborne and foodborne pathogen, outbreak in many states• Not detected over the two‐year study period in Cincinnati

• Norovirus and Streptococcus: • Prevalent vectors of water borne disease• Detected in the water bodies

HUMAN HEALTH RISK BASED PROGRAM August 27, 2014

25

QUANTITATIVE MICROBIAL RISK ASSESSMENT (QMRA)

Project prioritizationPerformance measurement

Improve water qualityReduce bacteria 

loading

Quantify human health risk

Develop a set of biomarkers

Identify through molecular tools

Develop dose‐response curve

QMRA

Engineering 

Science 

CONCLUSION

27

An integrated approach with innovative molecular tools and risked based approach helps: 

• Identify the pollution sources

• Decision support on prioritizing CIP projects to remove CSOs and SSOs

• Evaluate projects effectiveness to  communicate with regulatory agencies and other stakeholders

IN A NUTSHELL 

28

August 27, 2014

ACKNOWLEDGEMENT

MSDGC: Biju George, MaryLynn Lodor

Black & Veatch: James Fitzpatrick, James Schlaman, Mel Meng

August 27, 2014

www.bv.com

Dr. Ting Lu | Environmental Scientist 513 609‐7459| lut@bv.com

www.onewaterohio.org