Small on-site sanitation systems for wastewater collection and treatment are prevalent in suburban and rural areas in many countries. However, these systems often underperform, causing potential impact to the receiving waters and increasing the risks to public health, thus hindering the overall sustainability of the systems. Understanding the different sustainability dimensions and trade-offs between assessment indicators can support the planning of sustainable on-site sanitation systems for a specific context. The overall aim of this thesis was to evaluate the sustainability and function of on-site sanitation systems by defining a set of indicators to assess on-site sanitation options and estimating them for different scenarios, and by investigating the treatment efficiency of on-site facilities for domestic wastewater treatment in a field study. Particular attention was given to the removal of phosphorus (P) and indicator bacteria due to their relevance in terms of eutrophication risk and public-health concern.

In a multi-criteria approach, twelve indicators were defined to assess nine on-site sanitation systems. A reference group representing stakeholders’ views assigned weights to express the relative importance of each indicator. The reference group assigned the highest weights to the indicators robustness, risk of pathogen discharge and nutrient removal. Assessing the robustness proved to be challenging, as there is a gap between how the sanitation systems are expected to perform based on their design, and how they actually perform in practice, mainly due to incorrect construction, operation and maintenance. The discriminating power of the indicators was calculated using the entropy method, which showed that the indicators energy recovery and capital cost had little impact in the final ranking of the alternatives. A sustainability ranking was obtained by using the method ELECTRE III. A scenario analysis based on different settings of interest based on socio-economic and geographical factors was done to evaluate the changes in the ranking of alternatives. Overall, the greywater–blackwater separation system ranked the highest in the baseline scenario and when nutrient-related indicators were important (Scenario 2), together with the urine diversion system. The sand filter and drain field were the most sustainable options when nutrient removal and recycling was not important (Scenario 1), and (in combination with chemical P-removal) when the indicators related to energy and climate change had the highest weights (Scenario 3). In terms of P-removal, chemical removal outranked the alkaline P-filter.

In a field study, the effluent wastewater from twelve on-site wastewater treatment facilities with sand and alkaline P-filters was evaluated in terms of removal and discharge of organic content, total and dissolved phosphorus, and indicator bacteria (E. coli, total coliforms, intestinal enterococci and C.perfringens). The results showed that the investigated sand filters generally had low P-removal capacity and sometimes exceeded the criteria for excellent water quality set by the EU bathing water directive with regard to intestinal enterococci and E. coli. Only one sand filter of eight was confirmed to remove P according to the Swedish guidelines for areas with non-sensitive receiving waters with a tot-P effluent concentration below 3 mg L−1. This indicates that a downstream treatment step is needed to meet the guidelines regarding P discharge concentrations. Alkaline P-filters generally removed P efficiently. Despite high effluent pH, the collected data did not generally confirm a further reduction of the bacterial content of the wastewater in the P-filters, as had been previously hypothesized. However, effluent concentrations of indicator bacteria showed moderate positive correlations with effluent concentrations of P and organic matter, indicating the potential of the P-filters to serve as a polishing step also for bacteria.

Små lokala avloppssystem för insamling och rening av avloppsvatten är vanligt förekommande i omvandlings- och landsbygdsområden i många länder. Dessa system fungerar ofta sämre än förväntat vilket kan leda till effekter på recipienter, ökad risk för folkhälsan och begränsa systemens hållbarhet. En djupare förståelse för hållbarhetsdimensioner och avvägningar mellan olika indikatorer kan stödja planering och implementering av hållbara lokala avloppsystem för specifika sammanhang. Det övergripande syftet med denna uppsats var att utvärdera hållbarhet och funktion av enskilda avloppssystem. Detta utfördes genom att först definiera en uppsättning indikatorer för bedömning av ett antal enskilda avloppsalternativ och sedan utvärdera dem för olika scenarier. Vidare var syftet att undersöka några systems prestanda för rening av hushållsavloppsvatten i en fältstudie. Särskilt fokus lades på reduktion av fosfor (P) och indikatorbakterier på grund av deras relevans i relation till övergödningsrisk och folkhälsoperspektiv.

I en multikriteriestudie definierades tolv indikatorer för att bedöma nio typer av enskilda avloppssystem. En referensgrupp som representerade olika intressenter viktade indikatorerna för att uttrycka den relativa betydelsen av varje indikator. Referensgruppen gav systemens robusthet, risk för utsläpp av patogener, och näringsreduktion störst vikt. Att bedöma robusthet var en utmaning i studien, eftersom det finns ett gap mellan hur systemen förväntas fungera, och hur de faktiskt fungerar i praktiken, mestadels på grund av felaktig konstruktion, drift och underhåll. Indikatorernas diskriminerande effekt räknades ut med entropimetoden, som visade att indikatorerna energiåtervinning och kapitalkostnad hade liten inverkan på alternativens slutgiltiga rangordning. En scenarioanalys genomfördes baserad på socioekonomiska och geografiska faktorer. En hållbarhetsrankning erhölls genom att använda ELECTRE III-metoden. Överlag rankades system som separerar gråvatten – svartvatten samt urinseparerande system högst i basfallsscenariot och när näringsrelaterade indikatorer var viktiga (scenario 2). Markbäddar och infiltrationsanläggningar var de mest hållbara alternativen när rening och återvinning av näringsämnen inte var viktigt (scenario 1) och (i kombination med kemisk P-rening) när indikatorer relaterade till energi och klimatförändringar viktades högst (scenario 3). När det gäller P-rening, gav system med kemisk rening ett bättre utfall än de med alkaliska P-filter.

I en fältstudie utvärderades tolv enskilda avloppsanläggningar med markbaserade system och alkaliska P-filter med avseende på rening och utsläpp av organiskt innehåll, totalt och löst P och indikatorbakterier (E.coli, totala koliformer, intestinala enterokocker och C.perfringens). Resultaten visade att de markbaserade systemen generellt hade låg P-reningskapacitet och ofta överskreds kriterierna för utmärkt vattenkvalitet enligt EUs badvattendirektiv avseende intestinala enterokocker och C. perfringens. Endast ett markbaserat system av åtta uppvisade en P-rening som låg under de svenska riktlinjerna för områden med normal skyddsnivå, med en utsläppskoncentration på under 3 mg L-1 tot-P. Detta indikerade att markbäddar behöver nedströms placerade reningssteg för att uppfylla nuvarande riktlinjer för utsläpp av P. Alkaliska P-filter avskilde generellt P effektivt. Trots högt pH-värde kunde ingen ytterligare minskning av bakterieinnehåll i avloppsvattnet från P-filtren påvisas statistiskt. Utsläppen av indikatorbakterier uppvisade emellertid måttliga positiva korrelationer med utsläpp av P och organiskt material, vilket visar på en viss potential att P-filtren kan fungera som ett ytterligare poleringssteg även för bakterier.

Current socio-technical wastewater system paradigms are being challenged by emerging global issues such as climate change, environmental degradation and scarcity of resources. Thus, exploration of innovative new urban water management solutions is required that enable closure of resource loops. On-site and decentralised wastewater systems are seen as emerging solutions, partly because of their flexibility, as they increase the potential for recovery and reuse of resources like nutrients. At the smallest scale, on-site wastewater treatment systems are widely present in rural and peri-urban areas globally. However, they often do not meet acceptable levels of nutrient and bacterial discharge, thereby contributing to environmental degradation and health risks. The overall aim of this doctoral dissertation is to improve knowledge and understanding of small sanitation systems in terms of treatment processes and efficiency, their sustainability and implementation. At a greater scale, the dissertation explores the historical and current contexts that have shaped, and are shaping, the existing wastewater sector, dominated by large-scale centralised mixed wastewater collection and treatment, and barriers to implementation of alternative, innovative sanitation solutions with higher resource recovery capacities, like source separating systems.

Sixteen full scale on-site facilities for wastewater treatment in Sweden were investigated in the research the thesis is based upon, including sand filters and package plants. Sand filters followed by alkaline phosphorus filters showed good removals of organic matter and high P-removal capacity (>92%). Six (of 11) investigated package plants showed >78% phosphorus removal (including chemical precipitation and alkaline phosphorus filters as treatment steps). Nitrogen removal was generally low in the package plants, likely because of the low average temperatures, and appeared to be mainly mediated by sedimentation of particulate organic nitrogen. Denitrification was observed to a limited extent in facilities with effective water/sludge recirculation. High densities of indicator bacteria were found in the effluent of most facilities as the removal rates were low, often exceeding the EU Bathing Water Directive’s limits for excellent water quality in terms of intestinal enterococci and Escherichia coli. Levels of pharmaceuticals detected in the effluent of package plants were within the range or higher than previously reported in effluents from conventional wastewater treatment plants, and included anti-inflammatories, β-blockers, ACE inhibitors, anticonvulsants and antidepressants. Effluent concentrations of phthalates were below those previously reported in the literature.

A scenario analysis comparing nine on-site sanitation options suggested that source separation of greywater and blackwater and urine diversion were the most sustainable options when nutrient removal and recycling were highly prioritised. A conventional sand filter or drain field were the most sustainable options when nutrient removal and recycling were less prioritised and, (in combination with chemical P-removal) when CO2 emissions and energy use and recovery were important aspects.

When planning wastewater services for a given area, results of interviews with water professionals confirmed the general trend to opt for a centralising approach, whenever technically feasible, by installing pumping stations and connecting sewer pipes to a main treatment plant, in contrast to building decentralised systems. Reasons mentioned by the interviewees included the robustness of the system, simplicity of operation and maintenance and protection of the receiving waters. Identified barriers hindering implementation of alternative sanitation solutions with focus on resources recovery included factors categorized as legislative factors (lack of requirements and law interpretation), technical factors (immature technologies, uncertainties), organizational factors (lack of initiative, competence and experience) and economic factors (financial limitation, lack of incentives). From a historical perspective, strong governmental control and continuous enforcement of environmental requirements drove the expansion and strengthened the domination of the large-scale centralised sanitation system. Alternative sanitation systems with higher resource recovery capacities have received less attention and institutional support, and their shortcomings were constantly highlighted during the period covered by a historical review (1974-2015).

Nuvarande sociotekniska paradigmer för avloppsvattensystem utmanas av nya globala frågor som klimatförändringar, miljöbelastning och resursbrist. Därför behöver innovativa nya lösningar för vattenhantering i städerna som möjliggör cirkulation av resurser. utforskas. Små och decentraliserade avloppsvattensystem ses som framväxande lösningar, delvis på grund av sin flexibilitet, eftersom de ökar potentialen för återvinning och återanvändning av resurser såsom näringsämnen. I den mindre skalan finns lokala enskilda avloppssystem på landsbygden och i utkant av städer globalt. Dock uppfyller de små avloppssystemen inte acceptabla reningsnivåer vilket bidrar till negativ miljöpåverkan och hälsorisker. Det övergripande syftet med denna doktorsavhandling är att öka kunskapen om små avloppssystem när det gäller reningseffektivitet, hållbarhet och implementering. I avhandlingen utforskas också de historiska likväl som aktuella sammanhang som har format och formar den befintliga avloppssektorn, och dess dominans av storskalig centraliserad hantering av avloppsvatten. Även hinder för implementering av alternativa, innovativa sanitetslösningar med högre potential för resursrecirkulering har studerats.

Sexton fullskaliga markbäddar och minireningsverk undersöktes i denna avhandling. Markbäddar med efterföljande alkaliska fosforfilter visade på god rening av organiskt material och hög fosforavskiljning (>92%). Sex av elva undersökta minireningsverk inklusive kemisk fällning eller alkaliska fosforfilter visade på >78% fosforreduktion. Kväveavskiljningen var generellt låg i minireningsverken, till viss del på grund av de låga medeltemperaturerna, och reningen verkade huvudsakligen ske genom sedimentation av partikulärt organiskt kväve. Viss denitrifikation observerades i anläggningar med vatten/slamrecirkulation. Höga halter av indikatorbakterier analyserades i avloppsvattnet från de flesta anläggningarna och ofta överskreds EU:s badvattendirektivs gränser för utmärkt vattenkvalitet gällande intestinala enterokocker och Escherichia coli. De nivåer av läkemedel som uppmättes i avloppsvattnet från minireningsverken låg inom intervallet eller högre än tidigare rapporterade halter i avloppsvatten från konventionella avloppsreningsverk, vilket inkluderade antiinflammatoriska medel, β-blockerare, ACE-hämmare, antiepileptika och antidepressiva medel. Däremot var utsläppskoncentrationerna av ftalater lägre än de som tidigare rapporterats.

En scenarioanalys som jämförde nio alternativ för enskilda avloppslösningar indikerade att källsortering av gråvatten och svartvatten alternativt urinsortering var de mest hållbara alternativen när rening och recirkulering av näringsämnen prioriterades högt. En konventionell markbädd eller infiltrationsbädd var de mest hållbara alternativen när rening och återföring av näringsämnen var mindre prioriterade, och i kombination med kemisk fosforrening, när CO2-utsläpp, energianvändning och energiåtervinning var viktiga aspekter.

Vid planering av avloppsvattentjänster för ett visst område bekräftade resultaten från intervjuer med yrkesverksamma den allmänna trenden att välja centraliserade lösningar, närhelst det är tekniskt möjligt, genom att installera pumpstationer och ansluta avloppsledningar till ett huvudreningsverk, istället för att bygga decentraliserade system. Skäl som nämnts av intervjupersonerna var bland annat det centrala systemets robusthet, drift- och underhållaspekter samt skydd av recipienter. Identifierade barriärer som hindrar implementering av alternativa sanitetslösningar med fokus på resursåtervinning rör lagstiftning (brist på krav och lagtolkning), teknik (omogen teknologi, osäkerheter), organisation (brist på initiativ, kompetens och erfarenhet) samt ekonomi (finansiella begränsningar, brist på incitament). Ur ett historiskt perspektiv drevs utvecklingen avloppssystemen av en stark statlig kontroll och kontinuerlig efterlevnad av miljökrav som stärkte dominansen av det storskaliga centraliserade systemet. Alternativa avloppssystem med högre resursåtervinningskapacitet har fått mindre uppmärksamhet och institutionellt stöd, och deras brister uppmärksammades ständigt under den studerade perioden (1974-2015).