This title was made available Open Access through a partnership with Knowledge Unlatched. IWA Publishing would like to thank all of the libraries for pledging to support the transition of this title to Open Access through the KU Select 2018 program. ©2019 The Author(s) This is an Open Access book distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Licence (CC BY 4.0), which permits copying and redistribution provided the original work is properly cited (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). This does not affect the rights licensed or assigned from any third party in this book. Downloaded from https://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/613432/wio9781780401072.pdf by IWA Publishing user Source Separation and Decentralization for Wastewater Management Edited by Tove A. Larsen, Kai M. Udert and Judit Lienert Downloaded from https://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/613432/wio9781780401072.pdf by IWA Publishing user Source Separation and Decentralization for Wastewater Management Downloaded from https://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/613432/wio9781780401072.pdf by IWA Publishing user Downloaded from https://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/613432/wio9781780401072.pdf by IWA Publishing user Source Separation and Decentralization for Wastewater Management Tove A. Larsen, Kai M. Udert and Judit Lienert Downloaded from https://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/613432/wio9781780401072.pdf by IWA Publishing user Published by IWA Publishing Alliance House 12 Caxton Street London SW1H 0QS, UK Telephone: + 44 (0)20 7654 5500 Fax: + 44 (0)20 7654 5555 Email: publications@iwap.co.uk Web: www.iwapublishing.com First published 2013 © 2013 IWA Publishing Cover Image: New technologies for the treatment of source-separated waste streams will improve the recovery of resources such as nutrients and water. Copyright EOOS Design. Apart from any fair dealing for the purposes of research or private study, or criticism or review, as permitted under the UK Copyright, Designs and Patents Act (1998), no part of this publication may be reproduced, stored or transmitted in any form or by any means, without the prior permission in writing of the publisher, or, in the case of photographic reproduction, in accordance with the terms of licenses issued by the Copyright Licensing Agency in the UK, or in accordance with the terms of licenses issued by the appropriate reproduction rights organization outside the UK. Enquiries concerning reproduction outside the terms stated here should be sent to IWA Publishing at the address printed above. The publisher makes no representation, express or implied, with regard to the accuracy of the information contained in this book and cannot accept any legal responsibility or liability for errors or omissions that may be made. 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British Library Cataloguing in Publication Data A CIP catalogue record for this book is available from the British Library ISBN 9781843393481 (Paperback) ISBN 9781780401072 (eBook) Downloaded from https://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/613432/wio9781780401072.pdf by IWA Publishing user Contents Authors ’ list . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxxi Willi Gujer Chapter 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Editorial Tove A. Larsen, Kai M. Udert and Judit Lienert Part I: The advantages of source separation and decentralization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Chapter 2 The energy issue in urban water management . . . . . . . . . . . . 13 Bruce E. Rittmann 2.1 Introduction – Think Globally and Act Locally . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 Global Energy Goal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3 Renewable Energy Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.4 Photosynthesis, Biomass, and BOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.5 Microbial Energy Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.6 Nutrient Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.7 New Biomass from Photosynthetic Microorganisms . . . . . . . . . . . 21 2.8 Lower Energy Use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.9 The Impact of Source Separation and Decentralization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Downloaded from https://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/613432/wio9781780401072.pdf by IWA Publishing user Chapter 3 Peak phosphorus and the role of P recovery in achieving food security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Dana Cordell 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.2 Phosphorus and Global Food Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.3 Global Phosphorus Scarcity and Pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.4 Five Dimensions of Phosphorus Scarcity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.5 Phosphorus Use in the Global Food System . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.6 Achieving Phosphorus Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.6.1 An integrated approach is required . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.6.2 The role of decentralized sanitation systems . . . . . . . . . . . 40 3.6.3 Key challenges and opportunities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Chapter 4 Nitrogen economy of the 21st Century . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Jan Willem Erisman and Tove A. Larsen 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.2 Nitrogen Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.3 Release of Nitrogen to the Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.4 Environmental Consequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.5 The Future and Possible Interventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Chapter 5 Urban water supply under expanding water scarcity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Malin Falkenmark and Jun Xia 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.2 Water Supply of Urban Areas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.2.1 On the verge of a new water scarcity . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.3 Implications of Increasing Competition? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.4 Adapting to Increasing Water Shortage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.5 Reasonable Blue-Water Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.6 Irrigation Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.7 Additive Versus Competing Water Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Source Separation and Decentralization vi Downloaded from https://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/613432/wio9781780401072.pdf by IWA Publishing user Acknowledgement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Chapter 6 The issue of micropollutants in urban water management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Klaus Kümmerer 6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 6.2 Parent Compounds, Metabolites and Transformation Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6.3 Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6.4 Some Examples of Micropollutants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6.4.1 Flame retardants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.4.2 Biocides and pesticides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.4.3 Endocrine disrupting chemicals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 6.4.4 Anti-corrosive additives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 6.4.5 Personal care products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 6.4.6 Perfluorinated surfactants – PFOS and PFOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 6.4.7 Pharmaceuticals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 6.4.8 Artificial sweeteners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 6.4.9 Engineered nanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 6.5 Management Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 6.5.1 Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 6.5.2 Education and training . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 6.5.3 Source separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.5.4 Benign by design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Chapter 7 Full costs, (dis-)economies of scale and the price of uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Max Maurer 7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 7.2 Conveyance-Based Wastewater Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 7.3 (dis-)Economies of Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 7.4 Deficits of the Net Present Value Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 7.5 The Cost of Uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 7.6 On-Site Treatment Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 7.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Contents vii Downloaded from https://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/613432/wio9781780401072.pdf by IWA Publishing user Chapter 8 The rationale for decentralization of wastewater infrastructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 George Tchobanoglous and Harold Leverenz 8.1 Types of Wastewater Infrastructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 8.2 Centralized Treatment Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 8.3 Distributed Centralized Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 8.4 Centralized Systems with Satellites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 8.4.1 Implementation of satellite systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 8.5 Decentralized Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 8.5.1 Types of decentralized wastewater systems . . . . . . . . . . 108 8.5.2 Historical development of decentralized systems . . . . . . 109 8.5.3 Modern development of decentralized systems . . . . . . . 109 8.5.4 Advantages and disadvantages of decentralization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 8.5.5 Continued developments in decentralized systems . . . . 111 8.5.6 Future evolution of decentralized wastewater systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 8.6 The Future . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 8.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Chapter 9 Cities of the global South – is decentralized sanitation a solution? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Barbara Evans 9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 9.2 Centralized Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 9.3 Unbundling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 9.3.1 The value chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 9.3.2 Vertical unbundling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 9.3.3 Horizontal unbundling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 9.4 Decentralization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 9.5 Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 9.6 Creating Incentives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 9.6.1 Contractual incentives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 9.6.2 Financial incentives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 9.6.3 Political incentives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 9.6.4 Professional incentives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 9.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Source Separation and Decentralization viii Downloaded from https://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/613432/wio9781780401072.pdf by IWA Publishing user Part II: The challenges of source separation and decentralization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Chapter 10 Implementation of source separation and decentralization in cities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Tove A. Larsen and Willi Gujer 10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 10.2 The Main Advantages of Source Separation and Decentralization in Cities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 10.3 Challenges of Source Separation and Decentralization in Cities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 10.3.1 The challenge of transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 10.3.2 The challenge of developing treatment processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 10.4 Transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 10.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Chapter 11 Hygiene, a major challenge for source separation and decentralization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Thor Axel Stenström 11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 11.2 Hazard Identification in a System Perspective . . . . . . . . . . . . . . 153 11.3 Human Exposure Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 11.4 Treatment Barriers and Examples of Their Reduction Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 11.5 Quantifications of Risks and Risk-Benefit Strategies . . . . . . . . . 158 11.6 Future Challenges and Knowledge Gaps . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Chapter 12 Closing the loop: Recycling nutrients to agriculture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Håkan Jönsson and Björn Vinnerås 12.1 Nutrient Balance Close to Crop Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 12.2 Source-Separated Toilet Wastes are Unique Biological Fertilizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 12.3 Nutrient Requirements and Fertilizers Used in Practice . . . . . . 167 Contents ix Downloaded from https://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/613432/wio9781780401072.pdf by IWA Publishing user 12.4 Economic and GWP Value of Nutrients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 12.5 Urine is Very Low in Pollutants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 12.6 Low Hygiene Risk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 12.7 Spreading Machinery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 12.8 The Farmer – Businessman, Soil Steward and Entrepreneur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Chapter 13 The potential of control and monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Gustaf Olsson 13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 13.1.1 Instrumentation, control and automation aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 13.2 The Influent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 13.3 Treatment Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 13.4 Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 13.5 Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 13.6 Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 13.7 Operating Competence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 13.8 The Need for Standardization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 13.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 Chapter 14 High acceptance of source-separating technologies – but ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Judit Lienert 14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 14.2 Social Science Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 14.2.1 Quantitative questionnaire surveys . . . . . . . . . . . . . . . . 195 14.2.2 Qualitative methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 14.3 Acceptance of Nomix Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 14.3.1 Some results from qualitative approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 14.3.2 Results from quantitative approaches . . . . . . . . . . . . . . 200 14.4 Acceptance of Urine-Based Fertilizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 14.5 Technology Requirements and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 14.5.1 Drawbacks of NoMix toilets for users . . . . . . . . . . . . . . 203 14.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 Source Separation and Decentralization x Downloaded from https://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/613432/wio9781780401072.pdf by IWA Publishing user Chapter 15 Market success of on-site treatment: a systemic innovation problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Bernhard Truffer, Christian Binz, Heiko Gebauer and Eckhard Störmer 15.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 15.2 The Systemic Innovation Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 15.3 The German On-Site Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 15.4 Major Innovation Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 15.5 Three Potential Trajectories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 15.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Part III: Potential technologies for source separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Chapter 16 Conceptualizing sanitation systems to account for new complexities in processing and management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Elizabeth Tilley 16.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 16.2 Emerging Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 16.3 Functional Groups for Targeted Product Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 16.3.1 User interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 16.3.2 Collection and storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 16.3.3 Conveyance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 16.3.4 Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 16.3.5 Use and disposal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 16.4 Operation and Management: Implications for System Boundaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 16.4.1 User interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 16.4.2 Collection and storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 16.4.3 Conveyance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 16.4.4 Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 16.4.5 Use and disposal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 16.5 Conclusions and Recommendations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Contents xi Downloaded from https://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/613432/wio9781780401072.pdf by IWA Publishing user Chapter 17 Wastewater composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 Eran Friedler, David Butler and Yuval Alfiya 17.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 17.2 Domestic Wastewater Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 17.3 Wastewater Flow Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 17.4 Blackwater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 17.4.1 Yellowwater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 17.4.2 Brownwater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 17.5 Greywater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 17.6 Proportional Contribution of Nutrients and Organics . . . . . . . . . 253 17.7 Discussion and Significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 Chapter 18 Treatment of the solid fraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 Ralf Otterpohl and Christopher Buzie 18.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 18.2 Composition of Faecal Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 18.3 Treatment Goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 18.4 Composting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 18.4.1 Process description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 18.4.2 Stage of development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 18.4.3 Operational requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 18.4.4 Environmental and health concerns . . . . . . . . . . . . . . . 263 18.4.5 Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 18.5 Vermicomposting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 18.5.1 Process description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 18.5.2 Stage of development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 18.5.3 Operational requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 18.5.4 Environmental and health concerns . . . . . . . . . . . . . . . 265 18.5.5 Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 18.6 Terra Preta Sanitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 18.6.1 Process description and stage of development . . . . . . 266 18.6.2 Operational requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 18.6.3 Environmental and health concerns . . . . . . . . . . . . . . . 267 18.6.4 Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 18.7 Dehydration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 18.7.1 Process description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 18.7.2 Stage of development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 18.7.3 Operational requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 Source Separation and Decentralization xii Downloaded from https://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/613432/wio9781780401072.pdf by IWA Publishing user 18.7.4 Environmental and health concerns . . . . . . . . . . . . . . . 269 18.7.5 Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 18.8 Pasteurization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 18.9 Conclusions and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 Chapter 19 Aerobic elimination of organics and pathogens: greywater treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 Bruce Jefferson and Paul Jeffrey 19.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 19.2 Composition and Treatability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 19.2.1 Organic compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 19.2.2 Xenobiotics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 19.2.3 Pathogens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 19.3 Technologies for Aerobic Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 19.3.1 Removal of organic compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 19.3.2 Xenobiotics removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 19.3.3 Pathogen removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 19.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 Chapter 20 Biological nitrogen conversion processes . . . . . . . . . . . . . . . 291 Kai M. Udert and Sarina Jenni 20.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 20.2 Biological Nitrogen Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 20.2.1 Nitrogen uptake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 20.2.2 Nitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 20.2.3 Heterotrophic denitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 20.2.4 Anaerobic ammonium oxidation (Anammox) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 20.3 Nitrogen Stabilization in Urine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 20.3.1 Conditions in stored urine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 20.3.2 Nitrification without base dosage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 20.3.3 Complete ammonia oxidation with base dosage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 20.3.4 Use of nitrified urine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 20.4 Nitrogen Removal from Urine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 20.4.1 Nitritation / anammox in a two-reactor set-up . . . . . . . . 298 20.4.2 Nitritation / anammox in a single reactor . . . . . . . . . . . . 298 Contents xiii Downloaded from https://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/613432/wio9781780401072.pdf by IWA Publishing user 20.5 Nitrogen Removal from Blackwater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 20.5.1 Blackwater collected in vacuum toilets . . . . . . . . . . . . . 299 20.5.2 Conventionally collected blackwater . . . . . . . . . . . . . . . 301 20.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 Chapter 21 Anaerobic treatment of source-separated domestic wastewater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 Grietje Zeeman and Katarzyna Kujawa-Roeleveld 21.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 21.2 The Anaerobic Conversion Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 21.3 Reactor Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 21.3.1 Reactors without enhanced biomass retention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 21.3.2 Reactors with enhanced biomass retention . . . . . . . . . 310 21.4 Anaerobic Treatment of Black- and Brownwater . . . . . . . . . . . . 312 21.4.1 Maximum process temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 21.4.2 Removal of organic substances and methane recovery for different waste streams . . . . . . . . . . . . . . . 313 21.4.3 Boosting energy production by adding kitchen waste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 21.4.4 Nutrient recovery and removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 21.4.5 Removal of pharmaceuticals and hormones . . . . . . . . 316 21.5 Anaerobic Treatment of Greywater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 21.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 Chapter 22 Electrochemical systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 Kai M. Udert, Shelley Brown-Malker and Jürg Keller 22.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 22.2 Electrochemical Oxidation and Reduction Processes . . . . . . . . 321 22.3 Oxidation and Reduction of Pollutants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 22.3.1 Suitable anode materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 22.3.2 Electrochemical ammonia oxidation . . . . . . . . . . . . . . . 322 22.3.3 Electrochemical urea degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 22.3.4 Influence of urea hydrolysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 22.3.5 Removal of organic pollutants and pathogens . . . . . . . 324 22.4 Electrochemical Dissolution of Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 22.4.1 Electrocoagulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 Source Separation and Decentralization xiv Downloaded from https://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/613432/wio9781780401072.pdf by IWA Publishing user 22.4.2 Electrochemical precipitation of phosphate from urine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 22.5 Bioelectrochemical Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 22.5.1 Electroactive bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 22.5.2 Reactor set-ups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 22.5.3 Advantages and challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 22.6 Use of Bioelectrochemical Systems for Wastewater Containing Organic Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 22.6.1 Degradation of complex organic substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 22.6.2 Combining bioelectrochemical systems with organic solids pre-treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 22.7 Bioelectrochemical Urine Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 22.7.1 Influence of urine composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 22.7.2 Ammonium exchange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 22.7.3 Inhibition by ammonia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 22.7.4 Sulfate removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 22.7.5 Micropollutant removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 22.8 Energy Conversion and Degradation Rates . . . . . . . . . . . . . . . . 330 22.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 Chapter 23 Transfer into the gas phase: ammonia stripping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 Hansruedi Siegrist, Michele Laureni and Kai M. Udert 23.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 23.2 Wastewaters with High Ammonia Content . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 23.3 Chemical Equilibria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 23.3.1 Acid-base equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 23.3.2 Gas exchange equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 23.4 Ammonia Stripping with Air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 23.5 Ammonia Stripping with Air and Carbon Dioxide Pre-Stripping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 23.6 Ammonia Stripping from Stored Urine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 23.6.1 Stripping reactors with adsorption in acid . . . . . . . . . . . 345 23.6.2 Steam stripping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 23.6.3 Passive ammonia stripping in urine-collecting systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 23.7 Products of Ammonia Stripping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 23.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 Contents xv Downloaded from https://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/613432/wio9781780401072.pdf by IWA Publishing user Chapter 24 Transfer into the solid phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 Is ̧ ı k Kabdas ̧ l ı , Olcay Tünay and Kai M. Udert 24.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 24.2 Struvite Precipitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 24.2.1 Conditions for struvite formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 24.2.2 Magnesium sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 24.2.3 Struvite precipitation in urine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 24.2.4 Struvite precipitation in blackwater . . . . . . . . . . . . . . . . 353 24.2.5 Micropollutants and pathogens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 24.2.6 Use of struvite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 24.3 Other Precipitation Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 24.4 Phosphate Adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 24.4.1 Phosphate removal with adsorption . . . . . . . . . . . . . . . 355 24.4.2 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 24.4.3 Adsorbents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 24.4.4 Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 24.4.5 Phosphorus recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 24.5 Nutrient Removal by Ion Exchange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 24.5.1 Operational conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 24.5.2 Ion exchange in source-separated urine . . . . . . . . . . . 358 24.5.3 Amount of zeolite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 24.5.4 Blackwater and greywater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 24.5.5 Use of zeolites as fertilizer carrier . . . . . . . . . .