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).