On-site treatment options for recovery of nutrients in dry toilets

Abstract

Animal and human excreta had a major role in the development of agriculture in the past, but their role was lost with the development of the modern waterborne sanitation and inorganic fertilizers. To re-envision human excreta as a resource is a way to off-set some of the fertilizer needs and reduce the pressure of nutrient pollution to fresh water and marine environments. Among the existing sanitation systems, dry systems are more interesting from a resource-oriented management standpoint because they minimize the use of water and the volume of waste along with concentrating the nutrients. These toilets are commonly associated with a simple, rudimentary type of latrine but goals like ensuring availability and sustainable management of water and sanitation for all (SDG 6, UN) and to eliminate waste, circulate materials and regenerate nature require rethinking this perception. However, household level treatment options for dry sanitation systems are limited and there is insufficient understanding about how effective they are in a real-life context. Therefore, the main goal of this research was to improve the understanding of on-site treatment in dry toilets and how the nutrients can be recirculated to agriculture. Three main objectives were formulated: 1) to investigate which existing treatment options can be used for resource recovery, 2) to understand how treatment can be improved by comparing composting and lactic acid fermentation followed by vermicomposting, and 3) to evaluate and compare the nutrient content and fertilizer potential of the treatment products derived from the waste. The objectives were approached through a literature review (1) and lab scale experiments (2 and 3). The literature review (Paper Ⅰ) identified composting, vermicomposting, lactic-acid fermentation, chemical disinfection, and source separation of urine and feces as methods used to recover excreta-derived products in dry toilets with on-site treatment. Furthermore, new directions in treatment methods use high temperatures to transform the wet biomass of excreta to solid fuels and chars through processes such as drying, pelletizing, hydrothermal carbonization, and pyrolysis. Other developments use novel biological treatment methods such as anaerobic digestion, bioelectrochemical processes, or black soldier fly larvae composting. By defining the processes and the products with focus on practical considerations, the review illustrated that both the treatment methods and the excreta-derived products should be considered within a complexity of external factors arising from particular environmental and socio-economic contexts. Dry toilets with on-site treatment are household-level technology and as such have a small size, little controlled treatment conditions, and are therefore limited by the prevailing environmental conditions. The treatment process and the products differ in space and time due to the variability in the composition of excreta, additional input materials, how the treatment is managed, and the local context. The products can be valuable resources locally but must be desired and their application regulated. Lab experiments were used to understand how treatment can be improved and to evaluate the fertilizer potential of the treatment products. A controlled lab experiment was designed where excreta from a dry toilet were used in three mixtures, each composted or lactic acid fermented at three different ambient temperatures (7˚C, 20˚C, 38˚C), and then vermicomposted (Paper Ⅱ). To evaluate the potential of the resulting products as fertilizer, they were applied as organic amendments in two experiments (Paper Ⅲ). A soil incubation experiment was used to understand the mineralization dynamics of nitrogen and phosphorus, and a pot experiment with barley to demonstrate differences in yield and nutrient uptake under controlled conditions by comparing amendments, amendments supplemented with additional nitrogen, mineral fertilizer, and no fertilizer. The lab scale comparison of composting and lactic acid fermentation illustrated that the degradation process is limited at low ambient temperatures (7˚C), whereas higher ambient temperatures (38˚C) during the composting supported higher microbial activity and active decomposition, resulting in lower numbers of fecal indicators and lower concentrations of pharmaceutical residues. The lactic acid fermentation was not affected by the difference in ambient temperatures (7˚C, 20˚C, 38˚C) and resulted in a substrate that had retained the initial high NH4 content, but showed higher numbers of fecal indicators and pharmaceutical residues compared to the active composting at 38˚C. However, in comparison with the unsuccessful composting at 7˚C, lactic acid fermentation resulted in significantly lower numbers of E. coli. In our study, the vermicomposting was used as a secondary treatment after composting or fermentation, and the earthworm activity resulted in further stabilization and conditioning of the materials. Changes were more evident in the treatments where worms established themselves better, which were those that were less successfully composted at 7˚C or 20˚C. An evaluation of the fertilizer potential of the resulting organic amendments showed that the ranges of the concentrations of nutrients correspond to the ranges reported for other organic amendments such as municipal waste compost, and composted or vermicomposted manures. In a fertile loam soil, an application rate of 20 t ha-1 would result in low application of immediately plant-available nitrogen (2 to 40 kg N ha-1) and slow mineralization of organic nitrogen within 90 days, but substantial application of total phosphor and potassium. In a greenhouse experiment with barley as a test crop, an application rate of 20 t ha-1 of the amendments resulted in yields which were higher than treatments without fertilizer but lower in comparison to conventional amounts of mineral fertilizer. The variation in yield between the amendments was highly correlated with initially available nitrogen, which was highest for those composted at high ambient temperatures (38˚C). Our findings reveal that treatment method has a major effect on nitrogen retention and only a minor effect on other nutrients. The outcomes of this work show that composting is limited at low temperature and lactic acid fermentation and/or vermicomposting could be alternatives or additions, particularly when composting is not successful. Our findings contribute towards better agronomic value quantification of products from on-site dry sanitation systems and the effect of treatment method on the availability of nitrogen. Given how common dry sanitation systems are in rural areas and areas without infrastructure, the results may contribute towards more sustainable management of the resources from those systems.

Ekskrementer fra dyr og mennesker hadde en stor rolle i utviklingen av landbruket tidligere, men deres rolle gikk tapt med utviklingen av moderne vannbaserte sanitærsystemer og mineralgjødsel. Å på nytt se for seg menneskelige ekskrementer som en ressurs er en måte å dekke noe av gjødselbehovet på og redusere faren for næringsforurensning i ferskvann og marine miljøer. Blant de eksisterende sanitærsystemene er tørre systemer mer interessante fra et ressursorientert forvaltningssynspunkt fordi de minimerer vannforbruket og avfallsvolumet samtidig som næringsstoffene konsentreres. Disse toalettene er ofte assosiert med en enkel, rudimentær type latrine, men mål som å sikre tilgjengelighet og bærekraftig forvaltning av vann og sanitær for alle (SDG 6, FN) og å eliminere avfall, sirkulere materialer og regenerere naturen krever en ny vurdering av denne oppfatningen. Imidlertid er behandlingsalternativer på husholdningsnivå for tørre sanitærsystemer begrenset, og det er manglende forståelse av hvor effektive de er i virkeligheten. Derfor var hovedmålet med denne forskningen å forbedre forståelsen av behandling av avfall fra tørrtoaletter på stedet og hvordan næringsstoffene kan resirkuleres til landbruket. Tre hovedmål ble formulert: 1) å undersøke hvilke eksisterende behandlingsalternativer som kan brukes for ressursgjenvinning, 2) å forstå hvordan behandlingen kan forbedres ved å sammenligne kompostering og melkesyregjæring etterfulgt av vermikompostering, og 3) å evaluere og sammenligne næringsstoffinnhold og gjødselpotensial i behandlingsproduktene som kommer fra avfallet. Målene ble nådd gjennom en litteraturgjennomgang (1) og forsøk i laboratorieskala (2 og 3). Litteraturgjennomgangen (Paper Ⅰ) identifiserte kompostering, vermikompostering, melkesyregjæring, kjemisk desinfeksjon og kildeseparasjon av urin og avføring som metoder brukt for å gjenvinne produkter fra ekskrementer i tørrtoaletter med behandling på stedet. Videre brukes høy temperatur i nye typer behandlingsmetoder for å omdanne den våte ekskrementmassen til fast brensel og kull gjennom prosesser som tørking, pelletering, hydrotermisk karbonisering og pyrolyse. Annen utvikling bruker nye biologiske behandlingsmetoder som anaerob fordøyelse, bioelektrokjemiske prosesser eller kompostering ved hjelp av svarte soldatfluelarver. Ved å definere prosessene og produktene med tanke på praktiske hensyn, viste review-artikkelen at både behandlingsmetodene og produktene basert på ekskrementer bør vurderes innenfor komplekse eksterne faktorer som oppstår fra spesielle miljømessige og sosioøkonomiske kontekster. Tørrtoaletter med behandling på stedet er teknologi på husholdningsnivå og har som sådan liten størrelse, lite kontrollerte behandlingsforhold, og er derfor begrenset av de rådende miljøforholdene. Behandlingsprosessen og produktene er forskjellige i rom og tid på grunn av variasjonen i sammensetningen av ekskrementer, tilleggsmaterialer, hvordan behandlingen håndteres og den lokale konteksten. Produktene kan være verdifulle ressurser lokalt, men må være ønsket og anvendelsen må være regulert. Laboratorieforsøk ble brukt for å forstå hvordan behandlingen kan forbedres og for å evaluere gjødselpotensialet til behandlingsproduktene. I et laboratorieforsøk under kontrollerte forhold ble ekskrementer fra et tørrtoalett brukt i tre blandinger, kompostert eller melkesyregjæret hver ved tre forskjellige omgivelsestemperaturer (7˚C, 20˚C, 38˚C), og deretter vermikompostert (Papir Ⅱ). For å evaluere gjødselpotensialet til de resulterende produktene, ble de tilført som organisk gjødsel i to forsøk (Paper Ⅲ). Et inkubasjonsforsøk i jord ble brukt for å forstå mineraliseringsdynamikken til nitrogen og fosfor, og et potteeksperiment med bygg for å demonstrere forskjeller i avling og næringsopptak under kontrollerte forhold ved å sammenligne produktene med eller uten ekstra nitrogen, mineralgjødsel og ingen gjødsel. Sammenlikningen av kompostering og melkesyregjæring på laboratorieskala illustrerte at nedbrytningsprosessen er begrenset ved lave omgivelsestemperaturer (7˚C), mens høyere omgivelsestemperaturer (38˚C) under komposteringen støttet høyere mikrobiell aktivitet og aktiv nedbrytning, noe som resulterte i lavere antall fekale indikatorer og lavere konsentrasjoner av farmasøytiske rester. Melkesyregjæringen ble ikke påvirket av forskjellen i omgivelsestemperaturer (7˚C, 20˚C, 38˚C) og resulterte i et substrat som hadde beholdt det opprinnelige høye NH4-innholdet, men viste høyere antall fekale indikatorer og farmasøytiske rester sammenlignet med aktiv kompostering ved 38˚C. Sammenlignet med den mislykkede komposteringen ved 7˚C, resulterte imidlertid melkesyregjæring i betydelig lavere antall E. coli. I vårt forsøk ble vermikomposteringen brukt som en sekundær behandling etter kompostering eller gjæring, og meitemarkaktiviteten resulterte i ytterligere stabilisering og kondisjonering av materialene. Endringer var mer tydelige i behandlingene der meitemark etablerte seg bedre, som var de hvor komposteringen var mindre vellykket ved 7˚C eller 20˚C. En evaluering av gjødselpotensialet til de resulterende organiske produktene viste at nivået av næringsstoffkonsentrasjon samsvarer med nivået rapportert for andre organiske gjødselmidler som kompost basert på kommunalt avfall og kompostert eller vermikompostert husdyrgjødsel. En påføringsmengde på 20 t ha-1 til en fruktbar leirjord vil resultere i lav tilførsel av umiddelbart plantetilgjengelig nitrogen (2 til 40 kg N ha-1) og langsom mineralisering av organisk nitrogen i løpet av 90 dager, men betydelig påføring av totalt fosfor og kalium. I veksthusforsøket med bygg som prøvevekst, resulterte en tilførselsmengde på 20 t ha-1 ekskrementprodukt i avlinger som var høyere enn behandlinger uten gjødsel, men lavere sammenlignet med konvensjonelle mengder mineralgjødsel. Variasjonen i avling mellom produktene var sterkt korrelert med opprinnelig tilgjengelig nitrogen, som var høyest for produktene fra kompostering ved høye omgivelsestemperaturer (38˚C). Våre funn viser at behandlingsmetode har stor effekt på nitrogenretensjon og kun en liten effekt på andre næringsstoffer. Resultatene av dette arbeidet viser at kompostering er begrenset ved lav temperatur og melkesyregjæring og/eller vermikompostering kan være alternativer eller tilleggsbehandlinger, spesielt når kompostering ikke er vellykket. Våre funn bidrar til bedre agronomisk verdikvantifisering av produkter fra tørre sanitetssystemer med lokal behandling og effekten av behandlingsmetode på tilgjengeligheten av nitrogen. Gitt hvor vanlige tørre sanitærsystemer er i landlige områder og områder uten infrastruktur, kan resultatene bidra til mer bærekraftig forvaltning av ressursene fra disse systemene.