Discussion of the results

In this section a summary of the criteria nutrient recovery, water consumption, energy  use and costs of the different systems is given (see also Figure 4.23). The main objective  of the development of the five alternative systems (systems 2 to 6) is the recovery of  nutrients. This is reflected by replacement rates⁹³ for mineral nitrogen or phosphorus  fertiliser between 4% and 29%. In general, the replacement of phosphorus fertiliser is  comparatively higher than the replacement of nitrogen fertiliser. Particularly System 2  NurS recovers a good deal more phosphorus than nitrogen. The recovery of one  nutrient in surplus means that the other nutrients still need to be added in the form of  balanced mineral fertiliser. 

  Figure 4.23: Potential change of nitrogen and phosphorus fertiliser use, groundwater

extraction, energy demand and annualised costs compared to the current situation [%]

93 In this context it needs to be noted that the model uses average fertiliser application rates. In farming 

practice, however, nutrient application depends on specific crop and soil requirements. 

The  highest replacement of mineral fertiliser is achieved  by System 5 BlaD with  replacement  rates  of  nitrogen  and  phosphorus  fertiliser  of  about  15%  and  29% 

respectively. However, the transport of digested slurry and particularly the use of  bottled water, counteract these benefits and make this system the most unfavourable in  terms of energy use (40% higher than currently) and costs (114% higher). In addition,  biogas production from the current system setup seems to be too low to make up for  increased energy demand for digestion and vacuum sewers. In this regard please refer  to Section 4.3.3 for a discussion of significant parameters, which can have a positive  effect on the efficiency of the system. 

Water consumption can be reduced  by source separation of urine or blackwater. 

System 3 NuRU and 4 CoDig reduce water consumption by about 20 to 25%, whereas  the decentralised systems (5 BlaD and 6 CompU) require almost no external water  sources due to the recycling of process water and the use of rainwater.  

Overall energy demand is reduced by the introduction of source separation of urine  (3 NuRU) or by nutrient recovery from sludge (2 NuRS). All other systems show higher  energy needs. The relatively poor performance of systems 4 and 5 in particular is rather  unexpected; these systems are characterised by the anaerobic digestion of waste flows  and the related energy generation from biogas. The reason for this is the current system  setups, including for example, the relatively high flush volumes of vacuum toilets and  the relatively low amount of organic waste added to the digestion process. A parameter  variation as carried out in Section 4.3.2 is therefore essential.  

Costs for Systems 3 to 6 are significantly higher than costs for the current situation (see  also Section 4.2.6). This picture changes in the case of greenfield development, i.e. if the  use of already existing infrastructure is neglected. Then, overall costs for Systems 3  NuRU and 6 CompU are even less than for System 1 CurS, and also the relative costs  for Systems 4 CoDig and 5 BlaD are greatly reduced. Considering the detailed cost  breakdown, a reallocation of costs to the source (i.e. the households) can be observed by  the introduction of source separation. This does not mean though, that the costs need to  be actually borne by the households themselves. Cross‐subsidies could for example be  introduced. 

The substitution of water from decentralised water supply systems by bottled water (as  modelled in System 5 BlaD) is considered to be a very negative factor with regard to  energy and cost balances⁹⁴. If social acceptance allows, treatment levels for recycled         

94 Bundanoon in Australia was the first community world‐wide to ban bottled water from its shops to 

protest against the use of resources related to bottled water. On request, re‐usable bottles are filled  with tap water by local businesses (Wälterlin, 2009). 

water should be high enough to ensure the  provision of safe drinking water (as  included in System 6 CompU). If the consumption of recycled water is not socially  acceptable, the provision of drinking water can also be ensured by a centralised system. 

However, a dual system (centralised provision of drinking water and decentralised  facilities for process water) seems to be economically inferior compared to one single  system.  

Although System 3 NuRU has one of the lowest overall fertiliser replacement rates  (about 8% for both nitrogen and phosphorus), it shows the lowest overall energy  demand; current energy use is reduced by 12%. Also, water extraction is reduced by  more than 25%. It is therefore one of the more promising systems, particularly in the  case of new developments (i.e. greenfield) where total costs are even less than those of  System 1 CurS. 

All in all, the analysis shows that none of the systems is superior in all criteria. 

Therefore, an aggregation of the criteria would be needed to come to a general ranking  of the systems. However, such an aggregation requires the weighting of the criteria,  which is beyond the scope of this study because stakeholders need to be involved in the  weighting process. The depiction of the discrete results furthermore keeps the analysis  transparent. Using multi‐criteria decision support, such as a decision‐matrix where the  performance regarding a range of different criteria is assessed, would furthermore  require that the criteria be independent⁹⁵.  

Therefore, it is up to the planner or decision‐maker to evaluate the results according to  the specific needs. Trade‐offs need to be taken into account as benefits related to some  criteria  are  connected  with  drawbacks  in  other  criteria.  For  decision  making  a  transparent and well‐coordinated process would be required. 

It is important to note that modelling results always depend on the assumptions used  for the model approach. Therefore, the results shown here should always be considered  in the context of the system setup and the selected parameters. The next section (Section  4.3) details the analysis by varying system parameters and system setups, in order to  assess the sensitivity and variability of the modelling results and to look for measures to  improve the resource efficiency of the systems. 

95 This means that, for example, the replacement of nitrogen fertiliser, which is energy consuming  process, as a target, must be separated from the energy balance to avoid any double counting.