• Keine Ergebnisse gefunden

2 Resource efficiency in sanitation

2.2 Criteria for resource efficiency assessments of sanitation systems

2.4.2 Nutrients in wastewater flows

Nutrient uptake is essential for human living, yet, almost all the nutrients that are taken  up are excreted in urine or faeces22. In addition, detergents, personal care products,  foodstuff,  etc.  are  sources  of  nutrient  discharges  into  wastewater.  Nutrients  in 

       

20 Income growth, urbanisation and shift in consumer preferences result in increased meat demand,  which is expected to rise by more than 50% by 2030 (FAO, 2008). 

21 Estimations of anticipated fertiliser consumption for bio‐fuel production are variable but go as high as 

28% in 2011 (Cassman et al., 2006 cited in FAO, 2008). 

22 Only children accumulate few percent of the nutrients consumed in their body (Jönsson and  Vinneras, 2004). 

wastewater are considered in this study from two perspectives. First, nitrogen and  phosphorus can lead to pollution of water sources. Therefore, emissions e.g. from  combined sewer overflows or from wastewater treatment plant outlets, need to be  avoided. In this context, it needs to be kept in mind that nutrient elimination is one of  the  most  energy‐consuming  steps  in  wastewater  treatment.  Second,  nutrients  in  wastewater represent a potential source of nutrient supply for agricultural purposes  and can therefore contribute to mineral fertiliser replacement.  

The nutrient content of wastewater flows is rather variable. For example, the nutrient  load in excreta and the allocation to the respective flows, i.e. faeces and urine, depend  on the kind of nutrition and the digestibility of the food. Furthermore, most data on  nutrients in wastewater are only available for mixed wastewater and not for source  separated flows. Literature reviews on nutrient composition of source separated flows  were done by e.g. Henze (1997), Herrmann and Klaus (1997), Londong and Hartmann  (2006) as well as Niederste‐Hollenberg and Otterpohl (2000). Each of these reviews  however, are based on a maximum number of ten values per parameter and all authors  conclude that the database needs to be increased in order to eliminate the effect of  dissimilarities. Therefore, this study uses average values derived by a review done by  the  author  for the  task  group on  new  sanitation  concepts  of the  German Water  Association (DWA) (Meinzinger and Oldenburg, 2009; see also Oldenburg et al., 2008b). 

The review included more than 200 European references on specific nutrient contents of  wastewater and organic waste flows. The results of this review are shown in Figure 2.4  and Annex B.  

The highest ratio of the nutrients N, P and K can be found in urine. Up to 80% of the  daily load of nitrogen and about 50% of phosphorus and potassium are present in urine  (see Figure 2.4). This suggests various benefits regarding the separation of this flow. On  the one hand, urine separation can be useful in terms of reduced nutrient loads to the  wastewater treatment plant or for selective inflow to the treatment plant to reduce  nutrient peak flows. On the other hand, separated urine represents a flow particularly  suitable for the provision of plant nutrients. Other than phosphorus, faeces contain  relatively low nutrient loads. Nevertheless, this flow and its separation from the total  wastewater flow can play an important role in terms of energy provision due to its high  content of organic matter (see Section 2.5) and can be considered for provision of plant  nutrients  in  combination  with  urine.  Greywater  contains  relatively  high loads  of  sulphur,  but  also  nitrogen,  phosphorus  and  potassium  are  present.  Greywater  characteristics are  highly  dependent on  the habits of the users, appliances in the  household (e.g. dishwasher) and the detergents that are being used. This impact can be  observed, for example, by looking at phosphorus contents in greywater. The last  decades have seen a general decrease in average P contents in domestic wastewater in  Europe due to the ban on phosphates in washing agents in many countries. Nowadays 

phosphates in detergents are replaced by organic phosphorus ingredients. However, in  dishwashing  detergents phosphates  cannot be  replaced  yet. The  increased use of  dishwashing agents is offsetting the reduction due to detergents to the point where  phosphorus loads in greywater are again increasing. Londong and Hartmann (2006)  showed that the dishwashing agents in a household with three members can contribute  to a daily load of about 0.4 g P per person.  

 

Figure 2.4: Nutrient distribution and specific loads [g p-1 d-1] in urine, faeces and greywater (Source: compiled by the author)

The characteristic values derived above are based only on European references and  reflect the nutritional habits and water‐use patterns applicable to this region. Due to  this  dependency  the  context  is  important  and  for  regions  other  than  Europe  representative values for such regions should be used. For regions like most of Africa,  data relating to household nutrition and water usage is scarce. Jönsson et al. (2004)  developed a method to calculate the expected nutrient content in excreta based on  national nutritional data (i.e. food protein content), which is published by the Food and  Agriculture Organization (FAO)23. This method is used to estimate the nutrient content  in faeces and urine in the case of Arba Minch according to the following formulae  (Jönsson et al., 2004)24:  

N = 0.13 * total food protein   

       

23 National food balance sheets can be found on http://faostat.fao.org/site/368/default.aspx#ancor (last access  on 9 September 2009). 

24 Comparing the calculated nutrient contents derived from FAO data for Germany with average data in 

Figure 2.4 results in differences of 16%, 3% and 39% for N, P and K respectively. 

P = 0.011 * (total food protein + vegetal food protein)  K = 0.015 * (total food protein + 4.6 * vegetal food protein) 

Based on data from FAO (2009b) on food protein content in Ethiopia25, nitrogen,  phosphorus and potassium loads are calculated to be 6.9 gN p‐1 d‐1, 1.1 gP p‐1 d‐1 and  4.1 gK p‐1 d‐1 in urine and faeces together. The digestibility of the food affects the  distribution of nutrients between urine and faeces. More processed and therefore easier  digestible food such as consumed in the European diet, generally results in more  nutrients being excreted via urine (Jönsson and Vinneras, 2004). Therefore, it can be  expected that the ratio of nutrients excreted via faeces is higher in Ethiopia than in  Europe. But for the purpose of this study the same distribution as derived from the  European references are used. This means that 85% of N, 63% of P and 77% of K are  found in urine. Also greywater characteristic values differ significantly in the African  context compared to European data, since water scarcity often leads to multiple uses  and therefore higher pollutant concentrations. As stated previously, for many regions in  Africa, which includes Ethiopia, little data is available. In general, very high and  usually very variable organic matter concentrations can be observed, e.g. with COD  values reported to be as high as 8000 mg l‐1 (Raude et al., 2009). The same study, which  was carried out in a location in Kenya similar to Arba Minch in Ethiopia, reports about  variable nitrogen and phosphorus concentrations ranging from 2 to 340 mg l‐1 and 1 to  13 mg l‐1 respectively. With a reported per capita water consumption of 10 l p‐1 d‐1 in this  study, this translates to 0.02‐3.4 gN p‐1 d‐1 and 0.01‐0.1 gP p‐1 d‐1

Theoretically, the nutrients in excreta of the world population would be sufficient to  replace roughly about a quarter of the global N fertiliser consumption, a fifth of the P  fertiliser consumption, and a third of the K fertiliser consumption. Of course, this  calculation is rather hypothetical, since the population distribution is not equal to the  distribution of fertiliser use and it does not seem realistic to recover 100% of all  nutrients from urine and faeces. These considerations also show that excreta‐based  nutrient content and particularly the nutrient content of single flows such as urine do  not show the same proportion of nutrients as used in mineral fertiliser. Therefore, site‐

specific supplemental application of particular nutrients could be required in addition  to the use of nutrients recovered from human waste flows. 

In the next sections possibilities for nutrient recovery from mixed and source separated  wastewater are introduced. 

       

25 In 2003, the total food protein consumption in Ethiopia was 53.41 g p‐1 d‐1 and the vegetal protein  consumption was 47.14 g p‐1 d‐1 (FAO, 2009b).