Disentangling the risk factors and health risks associated with faecal sludge and wastewater reuse in Ghana

Abstract

The reuse of faecal sludge and wastewater in agriculture is widespread worldwide. However, the practice is also associated with significant microbial health risks especially in countries where systems for the treatment and safe agricultural reuse of faecal sludge and wastewater either inadequate or non-existent. Thus, a major challenge is how to reduce the health risks associated with the practice without compromising on its benefits in these countries. Addressing this challenge requires a multi-faceted approach nested in an understanding of the exposure pathways and health risks associated with the practice for the effective development of risk mitigating measures. This thesis assesses the health risks associated with agricultural reuse of wastewater and faecal sludge in Ghana; and further assesses the effectiveness of potential interventions for mitigating the health risks. For this, an integrated methodology encapsulating stochastic and deterministic quantitative microbial risk assessment, epidemiology and cost-effectiveness analysis was employed. The health risks for farmers irrigating with polluted drain and stream water and consumers of the irrigated lettuce in Ghana were above the WHO tolerable Ascaris and rotavirus infection risks. For farmers, on-farm contaminated soil was the most significant health hazard compared with the irrigation water. The infection risk for consumers of the stream and drain irrigated lettuce was not significantly affected by contamination during post-harvest handling. Non-treatment interventions at the farm and in the kitchens of fast-food sellers were both effective and cost-effective in safeguarding the health of consumers’ of wastewater irrigated lettuce. The cost-effectiveness ratios (CERs) for the farm based and fast-food sector interventions were US$ 31/DALY (95% CI: 27-35) and US$ 67/DALY (95% CI: 58-76) respectively. A combination of on-farm and post-harvest intervention was also cost-effective, as long as the adoption rates of either farmers or street food sellers did not fall below 70%. The rehabilitation of existing wastewater treatment plants for irrigation was also cost-effective (US$ 31/DALY, 95% CI: 27 - 35); but the construction of a new-treatment plant for irrigation was not cost-effective (US$ 786/DALY, 95% CI: 678 - 893). The study recommends a combination of treatment and non-treatment interventions in safeguarding the health of consumers of wastewater irrigated vegetables. Two traditional sludge drying methods random spot spreading and pit containment were employed by farmers to process sludge into ‘cakes’ before soil incorporation. Sludge dried for ≥60 days in the random spot spread and ≥90 days in the pit methods met the WHO monitoring benchmark for Ascaris and E. coli with respect to sludge application. By applying quantitative microbial risk assessment, the viral and Ascaris infection risks for for these sludge drying times for three exposure pathways a) accidental ingestion of small amounts of cakes; b) accidental ingestion of cake sludge-soil mixture; and c) inhalation of aerosols (for only viral infection) were assessed. The infection risks for the drying times in the three exposure pathways were acceptable given that the tolerable annual infection risks were 10^-4 for rotavirus and 10^-2 for Ascaris. Seasonality analysis of diarrhoeal disease incidence in sludge applying communities showed a higher diarrhoeal disease incidence (RR= 1.04, 95%CI: 0.61- 1.45) in the period of sludge application than the period of non-sludge application (RR=0.99, 95% CI: 0.73-1.24). However, this trend was not statistically significant (p >0.05). Both rainfall and temperature events as well as their lags were associated with the seasonal variations in diarrhoeal disease incidence. Further analysis of diarrhoeal disease incidence in sludge applying households using hierarchical effect decomposition models revealed that public domain risk factors were the most important determinants of diarrhoeal disease incidence in the sludge households. This was followed by domestic domain and distal socioeconomic risk factors respectively. The combined population attributable fractions of the public domain risk factors was 24% accounted for by distance to water sources (18%) and sludge drying time (6%). Not washing hands with soap was the main risk factor in the domestic domain and contributed 18% of the diarrhoeal disease incidence. In the distal socioeconomic block, the main risk factor was the wealth status of the households, contributing 15% of the diarrhoeal disease incidence. About 70% of the combined effect of the distal and public domain risk factors was mediated by the domestic domain factors in the pathway to diarrhoeal disease transmission. The study recommends an integrated multi-barrier risk management strategy for mitigating diarrhoeal disease transmission in the faecal sludge applying households focusing on the public (including the farm) and domestic domain risk factors.

Avløpsvann og avløpsslam gjenbrukes i landbruket i store deler av verden, og dette får økt aktualitet. Denne praksisen kan imidlertid også medføre en betydelig helserisiko, spesielt i land hvor systemer for behandling er mangelfulle eller fraværende, og hvor de mangler rutiner for sikker gjenbruk av fekalt slam i landbruket. Det er derfor en hovedutfordring å finne ut hvordan helserisikoen knyttet til gjenbruk av avløpsvann og slam kan reduseres, slik at denne ressursen kan utnyttes videre i disse landene. For å kunne utvikle effektive risikoreduserende tiltak kreves det ulike faglige tilnærminger basert på en forståelse av eksponeringsveier og hvilken helserisiko som er knyttet til gjeldende praksis. I denne avhandlingen vurderes helserisiko ved gjenbruk av avløpsvann og avløpsslam i landbruket i Ghana, samt effektiviteten av potensielle intervensjoner for reduksjon i helserisiko. Vurderingene er gjennomført ved bruk av en integrert metodikk som omfatter stokastisk og deterministisk kvantitativ mikrobiell risikovurdering, epidemiologi og analyser av kostnadseffektivitet. Helserisikoen for gårdbrukere som vanner med forurenset overvann og elvevann, og konsumenter av vannet salat i Ghana var høyere enn WHO´s anbefalte grenseverdi for akseptabel Ascaris og rotavirus infeksjonsrisiko. Stedlig forurenset jord utgjorde en større risiko for gårdbrukerne enn vannings-vann. Infeksjonsrisikoen for konsumenter av salat som var vannet med overvann og elvevann var ikke påvirket av kontaminering grunnet håndtering etter høsting. Kostnadseffektiviteten for tiltak på gården og i gatekjøkken-sektoren var henholdsvis US $ 31/DALY (95% CI:27-35) og US $67/DALY (95% CI:58-76). En kombinasjon av tiltak på gården og tiltak etter høsting var også kostnadseffektivt, så lenge deltagelsen blant bønder og gatekjøkkenpersonalet ikke var under 70 %. Rehabilitering av eksisterende avløpsrenseanlegg til bruk i vanning var også kostnadseffektivt (US $ 31/DALY, 95% CI 27-35), men etablering av et nytt avløpsrenseanlegg til bruk i vanning var ikke kostnadseffektivt (UD $ 786/DALY, 95% CI:678-893). Studien anbefaler en kombinasjon av avløpsbehandling og tiltak uten behandling for å sikre helsen til konsumenter av grønnsaker som er vannet med avløpsvann. Gårdbrukerne brukte to tradisjonelle slamtørkemetoder, tilfeldig punktspredning på jordet og avvanning i liten slamlagune, før nedmolding i jorda. Slammet som var tørket ≥60 dager ved tilfeldig punktspredning og ≥90 dager i slamlaguner, tilfredsstilte WHO´s grenseverdier med hensyn på innhold av Ascaris og E.coli. Ved hjelp av kvantitativ mikrobiell risikovurdering ble risikoen for virus og Ascaris infeksjon ved disse tørkemetodene vurdert for tre ulike eksponeringsveier, a) inntak av små mengder av tørket slam ved uhell; b) inntak av en blanding av tørrslam og jord ved uhell og c) inhalering av aerosoler (bare for virus infeksjon). Infeksjonsrisikoen ved de tre eksponeringsveiene ble vurdert til å være akseptabel, gitt at grensen for akseptabel årlig infeksjonsrisiko er 10^-4 for rotavirus og 10^-2 for Ascaris. En analyse av sesongvariasjoner i forekomst av diaré-sykdom i de samfunnene som gjenbruker slam viste en høyere forekomst (RR= 1.04, 95%CI: 0.61-1.45) i slamspredningsperioden, sammenlignet med perioden uten slamspredning (RR=0.99, 95% CI: 0.73-1.24). Denne tendensen var dog ikke statistisk signifikant (p >0.05). Både nedbørmengde og temperatur, samt deres forsinkelse bidro til sesongvariasjoner i diarétilfeller. Videre analyse av forekomst av diarésykdommer i ”slam-husholdningene” gjennomført ved hjelp av en hierarkisk dekomponeringsmodell, viste at de samfunnsrelaterte risikofaktorene var de viktigste determinantene for diarésykdom i disse husholdningene. Deretter fulgte risikofaktorer i husholdningen og sosio-økonomiske risikofaktorer. Av de samfunnsrelaterte faktorene var avstanden til vannkilder og slamtørketid de viktigste. Disse faktorene forklarte til sammen 24 % av alle diarétilfellene i husholdningene. Den viktigste risikofaktoren i husholdningen var manglende håndvask med såpe og utgjorde 18 % av dirétilfellene i husholdningen. Den viktigste sosi-økonomiske faktoren var velstandsnivå som forklarte 15 % av tilfellene. Omtrent 70 % av den kombinerte effekten av sosio-økonomiske og samfunnsrelaterte faktorer på overføring av diarésykdommer er påvirket av faktorer i husholdningen. Studien anbefaler et helhetlig rammeverk for risikohåndtering som fokuserer på risikofaktorer på gården, i lokalsamfunnet og i husholdningen, for å redusere forekomsten av diaré.