Blue Diversion Autarky – Abwasserbehandlung ohne Netzanschluss

Autarky im Überblick

Unsere Vision ist es, Menschen ohne Zugang zu sanitärer Versorgung eine Toilette zur Verfügung zu stellen, welche mit einem ansprechenden Design und einer einfachen und komfortablen Bedienbarkeit eine sichere, attraktive und bezahlbare Sanitärlösung bietet. 

Ziel des Blue Diversion Autarky Projekts ist die Entwicklung modularer Anlagen für die Behandlung von Abwasser, Urin und Fäkalien direkt in der Toilette am Entstehungsort. Die Anlagen kommen ohne externen Anschluss an das Trinkwasser- und Abwassernetz aus und können somit auch in Gegenden mit mangelnder Infrastruktur eingesetzt werden. Durch die Trennung von Abwasser, Urin und Fäkalien an der Quelle, können die drei Ströme entsprechend ihrer besonderen Eigenschaften behandelt werden. Dies erlaubt eine maximale Rückgewinnung von Ressourcen wie Nährstoffen und Frischwasser.

Das Projekt wird im Rahmen der „Reinvent the toilet Challenge (RTTC)“ durch die Bill & Melinda Gates Stiftung (BMGF) gefördert. Das Projekt Blue Diversion Autarky befindet sich momentan in seiner zweiten Projektphase. Blue Diversion Autarky ist die Fortführung des Projekts Blue Diversion.

Blue Diversion Autarky toilet
Blue Diversion Autarky toilet
Blue Diversion Autarky handwashing station
Blue Diversion Autarky handwashing station

Leitlinien

Sicherheit & Komfort

Die Blue Diversion Autarky-Toilette bietet die Sicherheit und den Komfort einer modernen wassergespülten Toilette ohne der Notwendigkeit eines Wasser- und Kanalisationsanschluss.

Sicherheit & Komfort

Trennung am Entstehungsort

Durch die separate Behandlung von Fäkalien, Urin und Wasser ist es möglich, Krankheitserreger unschädlich zu machen, Nährstoffe zurückzugewinnen und Wasser sowohl zum Spülen als auch zum Hände waschen wiederaufzubereiten. 

Trennung am Entstehungsort

Modularisierung

Ein modularer Aufbau ermöglicht eine breite Palette von Anwendungen. Die einzelnen Module können integriert, separat (Beispiel Handwaschstation) oder mit anderen Technologien kombiniert verwendet werden.

Modularisierung

Forschungsschwerpunkte

Blue Diversion Autarky basiert auf der getrennten Behandlung von Abwasser, Urin und Fäkalien. In der Wasserbehandlung stellt ein Multibarrierenansatz sicher, dass das Wasser für die Wiederverwendung jederzeit sicher ist. In einem  biologischen Behandlungsverfahren bauen Mikroorganismen die Verschmutzung aus Seife, Urin und Fäkalien ab. Das Wasser wird anschliessend durch eine Ultrafiltrationsmembran filtriert. Mit der Hilfe eines Aktivkohlefilters und einer elektrochemischen Behandlung (Elektrolyse) des Wassers werden letzte Spuren organischer Verunreinigungen beseitigt und das Wasser desinfiziert. Im Anschluss ist es bereit zum Händewaschen und Spülen wiederverwendet zu werden. Die Urinbehandlung setzt sich aus zwei Prozessen zusammen. Durch die Stabilisierung des frischen Urins mit Kalziumhydroxid werden sowohl übler Geruch und Nährstoffverlust verhindert, als auch pathogene Keime abgetötet. Anschliessend wird das anteilige Wasser verdunstet. Übrig bleibt ein Konzentrat verschiedener organischer und anorganischer Nährstoffe, welche als Dünger weiterverwendet werden können. Die Fäkalienbehandlung basiert auf dem Prinzip der hydrothermalen Oxidation (HTO). Unter hoher Temperatur und hohem Druck erfolgt dabei die direkte Aufspaltung in die Endprodukte Kohlendioxyd, Wasser und ausgefällte anorganische Feststoffe.

Wir haben die Blue Diversion Autarky Toilette vor Kurzem in einem 14-Personen Haushalt in einer peri-urbanen Zone von Durban, Südafrika, getestet. Das Toilettensystem hat in diesem Kontext sehr gut funktoniert und produzierte genügend Wasser für die Toilettenspülung. Die erfolgreiche Einführung neuartiger Sanitärtechnologien hängt jedoch nicht nur von der technischen Funktionalität ab, weshalb der Feldtest von einem sozialwissenschaftlichen Team begleitet wurde. Die Resultate dieser sozio-technischen Auswertung sowie eine detaillierte Auswertung der Wasseraufbereitungstechnologie sind in Open Access Publikationen verfügbar.

Publikationen

Socio-technical analysis of a sanitation innovation in a peri-urban household in Durban, South Africa

The provision of water and sanitation for all that is safe, dignified, reliable, affordable and sustainable is a major global challenge. While centralized sewer-based sanitation systems remain the dominant approach to providing sanitation, the benefits of non-sewered onsite sanitation systems are increasingly being recognised. This paper presents the outcomes of the testing of the Blue Diversion Autarky Toilet (BDAT), a sanitation system providing hygiene and dignity without relying on water and wastewater infrastructure, in a peri-urban household in Durban, South Africa. The BDAT was used by a single household as their only form of sanitation during three months of technical and social testing. An analysis based on technical data in combination with interpretive, qualitative research methods revealed that the BDAT functioned well and achieved high levels of social acceptance in the test household. The flushing, cleanliness and odour-free nature of the sanitation technology, its functionality, the household's previous sanitation experience, and their experience with and understanding of water scarcity, were the main factors underpinning their positive response to this innovation in sanitation. The testing process resulted in broader developmental benefits for the household, including improved basic services due to the upgrading of the electrical and existing sanitation system, social learning, and improved relationships between household members and the local state. A transdisciplinary research process, which emerged through the assessment, enabled the integration of different forms of knowledge from multiple actors to address the complexity of problems related to the development of socially just sanitation. The benefit of engaging with societal actors in sanitation innovation and assessing its outcomes using both the technical and social sciences is evident in this paper.
Sutherland, C.; Reynaert, E.; Dhlamini, S.; Magwaza, F.; Lienert, J.; Riechmann, M. E.; Buthelezi, S.; Khumalo, D.; Morgenroth, E.; Udert, K. M.; Sindall, R. C. (2021) Socio-technical analysis of a sanitation innovation in a peri-urban household in Durban, South Africa, Science of the Total Environment, 755, 143284 (12 pp.), doi:10.1016/j.scitotenv.2020.143284, Institutional Repository

Innovation for improved hand hygiene: field testing the Autarky handwashing station in collaboration with informal settlement residents in Durban, South Africa

Safe and accessible water services for hand hygiene are critical to human health and well-being. However, access to handwashing facilities is limited in cities in the Global South, where rapid urbanisation, service backlogs, lack of infrastructure and capacity, and water scarcity impact on the ability of local governments to provide them. Community participation and the co-production of knowledge in the development of innovative technologies, which are aligned with Water, Sanitation and Hygiene (WASH) principles, can lead to more sustainable and socially-acceptable hand hygiene systems. This paper presents the outcomes of the testing of the Autarky handwashing station, a technology that provides onsite treatment and recycling of handwashing water, in an informal settlement in Durban, South Africa. The transdisciplinary research approach adopted enabled the participation of multiple stakeholders with different knowledge systems in the framing, testing and evaluation of the system. The process of co-producing knowledge, as well as the outcomes of the testing, namely high levels of functionality and social acceptability of the technology, supported the WASH principles. The evaluation revealed that the Autarky handwashing station is a niche intervention that improved access to safe and appealing handwashing facilities in an informal settlement. Its novel design, socially desirable features, reliability and ability to save water increased its acceptance in the community. The testing of the system in a real-world context revealed the value of including communities in knowledge production processes for technology innovation. Further work is required to ensure that real-time monitoring of system function is feasible before such systems can be implemented at larger scale.
Sutherland, C.; Reynaert, E.; Sindall, R. C.; Riechmann, M. E.; Magwaza, F.; Lienert, J.; Buthelezi, S.; Khumalo, D.; Dhlamini, S.; Morgenroth, E.; Udert, K. M. (2021) Innovation for improved hand hygiene: field testing the Autarky handwashing station in collaboration with informal settlement residents in Durban, South Africa, Science of the Total Environment, 796, 149024 (13 pp.), doi:10.1016/j.scitotenv.2021.149024, Institutional Repository

Mehr zu Wasserbehandlung

Das verwendete Wasserbehandlunggsystem, die sogenannte Wasserwand, erlaubt die Rückgewinnung und Wiederverwendung von Handwaschwasser und Toilettenspülwasser (vom überwiegenden Teil Urin und Fäkalien getrennt). Ein Multibarrierenansatz mit vier Behandlungsstufen stellt sicher, dass das Wasser für die Wiederverwendung sicher ist.

  • Das Herzstück der Behandlung bildet ein belüfteter Bioreaktor, in dem Verunreinigungen, resultierend aus Seife, Urin und Fäkalien von Mikroorganismen in einer ersten Stufe abgebaut werden.
  • Als zweite Stufe wird das Wasser anschliessend mit Hilfe der Schwerkraft durch eine Ultrafiltrationsmembran filtriert. Die Porengrösse der Membran ist geringer als jene von Bakterien und den meisten Viren. Das gefilterte Wasser ist daher mikrobiell sicher.

Contacts

Prof. Dr. Eberhard Morgenroth Tel. +41 58 765 5539 Inviare e-mail

Die Kombination aus biologischer Behandlung und Membranfiltration führt ohne Reinigung zum Wachstum eines Biofilms auf der Membran. Dieser Effekt ist bei einer schwerkraftbetriebenen Membran (Englisch: gravity-driven membrane, GDM) erwünscht, da der Biofilm zusätzlich zum Abbau von organischem Kohlenstoff beiträgt. Insgesamt erreicht das GDM-System einen Kohlensstoffabbau von etwa 95%.

Das filtrierte Wasser wird in einem Frischwassertank gelagert. Zwei zusätzliche Behandlungsstufen stellen sicher, dass keine Wiederverkeimung stattfindet.

  • Die dritte Stufe, ein Aktivkohlerfilter, entfernt Spuren von organischer Verschmutzung im Frischwassertank durch Adsorption.
  • Die vierte und letzte Stufe, eine Elektrolysezelle, bringt eine zusätzliche Verringerung der Konzentration von organischem Kohlenstoff und produziert zusätzlich freies Chlor. Beides trägt dazu bei, das Wachstum von pathogenen Keimen während der Lagerung des Wassers zu verhindern.

Aktuelle Aktivitäten

Mit dieser Konfiguration konnten wir eine Klein-Serie Wasserwand-Prototypen zur Rückgewinnung von Handwasch- und Spülwasser entwickeln. Diese Prototypen wurden im Labor ausgiebig getestet. Unter Laborbedingungen entfernten die Prototypen zuverlässig Pathogene, Nährstoffe, Geruch und Farbe aus dem rückgewonnenen Wasser. Allerdings werden ausserhalb des Labors bedeutend grössere Schwankungen der Anzahl Nutzer, der Wasserzusammensetzung und der externen Bedingungen  erwartet. Daher setzen wir die Wasserwand zur Zeit  realen Bedingungen in unterschiedlichen  Anwendungen aus.

In einem ersten Feldversuch im Sommer 2018 konnten wir zeigen, dass die Wasserwand in einer öffentlichen Grünanlage in der Stadt Zürich bis zu 150 Nutzer pro Tag mit sicherem Handwaschwasser versorgen kann. Eine weitere Wasserwand wird zur Zeit auf dem Areal der Eawag als Teil eines kompletten Toilettensystems getestet. Bis jetzt war das System in der Lage, aus Abwasser mit erhöhten Mengen von Urin und Fäkalien wieder Handwaschwasser rückzugewinnen. E. coli (ein Indikatororganismus für fäkale Verunreinigungen) wurde zu keinem Zeitpunkt im behandelten Wasser festgestellt. Die nächste Runde Feldversuche steht schon vor der Tür:  im Februar 2019 werden eine Handwaschstation und ein komplettes Toilettensystem getestet und den Bewohnern einer Township in Durban (Südafrika) zur Verfügung gestellt. Diese Tests sollen einen vertieften Einblick in den langfristigen Betrieb des Systems in einem solchen Kontext  geben.

Update: wir haben die Resultate unserer Feldtests in der Schweiz und in Südafrika veröffentlicht. Die Publikation ist unter folgendem Link frei zugänglich: https://doi.org/10.1016/j.wroa.2020.100051.

 

 

 

Eine Wasserwand als Teil der kompletten Blue Diversion Autarky Toilette.  Die biologische Behandlung findet im unteren Tank statt, wobei die Ultrafiltrationsmembran auf dem Boden des Tanks sitzt. Der Aktivkohlefilter und die Elektrolyseeinheit befinden sich im oberen Tank.

Publications

Practical implementation of true on-site water recycling systems for hand washing and toilet flushing

On-site wastewater reuse can improve global access to clean water, sanitation and hygiene. We developed a treatment system (aerated bioreactor, ultrafiltration membrane, granular activated carbon and electrolysis for chlorine disinfection) that recycles hand washing and toilet flush water.
Three prototypes were field-tested in non-sewered areas, one in Switzerland (hand washing) and two in South Africa (hand washing, toilet flushing), over periods of 63, 74 and 94 days, respectively.
We demonstrated that the system is able to recycle sufficient quantities of safe and appealing hand washing and toilet flush water for domestic or public use in real-life applications. Chemical contaminants were effectively removed from the used water in all prototypes. Removal efficiencies were 99.7% for the chemical oxygen demand (COD), 98.5% for total nitrogen (TN) and 99.9% for phosphate in a prototype treating hand washing water, and 99.8% for COD, 95.7% for TN and 89.6% for phosphate in a prototype treating toilet flush water. While this system allowed for true recycling for the same application, most on-site wastewater reuse systems downcycle the treated water, i.e., reuse it for an application requiring lower water quality. An analysis of 18 selected wastewater reuse specifications revealed that at best these guidelines are only partially applicable to innovative recycling systems as they are focused on the downcycling of water to the environment (e.g., use for irrigation). We believe that a paradigm shift is necessary and advocate for the implementation of risk-based (and thus end-use dependent) system performance targets to evaluate water treatment systems, which recycle and not only downcycle water.
Reynaert, E.; Greenwood, E. E.; Ndwandwe, B.; Riechmann, M. E.; Sindall, R. C.; Udert, K. M.; Morgenroth, E. (2020) Practical implementation of true on-site water recycling systems for hand washing and toilet flushing, Water Research X, 7, 100051 (13 pp.), doi:10.1016/j.wroa.2020.100051, Institutional Repository

Disruptions in loading and aeration impact effluent chlorine demand during biological greywater recycling

Greywater recycling systems designed for high-quality applications, such as hand washing, must deliver microbially safe and aesthetically acceptable water under the challenging operating conditions present where such systems are needed most urgently. As chlorination is the most popular strategy for reducing bacterial concentrations in greywater, understanding chlorination in the context of disruptive and challenging operation is essential to designing robust treatment. In this study, we have examined how disruptions through overall increased loading, interrupted aeration and increased ammonia loading have impacted the chlorine demand of the water produced by a greywater recycling system. We also presented concentrations of significant chemicals that contributed to this chlorine demand. The results indicate that a 1 d period with 8 times (8x) the normal design loading produced a peak chlorine demand of 0.74 mg Cl2/L, which is approximately double the baseline value. While this chlorine demand can be overcome by adding more chlorine, tests involving disruptions in aeration or feeding additional ammonia into the bioreactor produced much greater increases (>30x). The risks of increased chlorine demand on microbial safety can be overcome by limiting ammonia inputs to the system, providing backup systems to ensure sufficient aeration, or through additional anti-bacterial measures that do not depend on maintaining residual chlorine.
Ziemba, C.; Sharma, P.; Ahrens, T.; Reynaert, E.; Morgenroth, E. (2021) Disruptions in loading and aeration impact effluent chlorine demand during biological greywater recycling, Water Research X, 11, 100087 (10 pp.), doi:10.1016/j.wroa.2020.100087, Institutional Repository

Linking transformations of organic carbon to post-treatment performance in a biological water recycling system

Ozone, electrolysis and granular activated carbon (GAC) were examined as potential post-treatments to follow a household-scale biologically activated membrane bioreactor (BAMBi), treating a wash water containing trace urine and feces contamination. Each post-treatment was evaluated for abilities and reaction preferences to remove or transform dissolved organic carbon (DOC), chemical structures that contribute color, and assimilable organic carbon (AOC), which can support bacterial regrowth. Batch treatment with each technology demonstrated an ability to remove ≥95% DOC. Ozone demonstrated a reaction selectivity through increased reaction rates with larger compounds and color-contributing compounds. Electrolysis and GAC demonstrated generally less-selective reactivity. Adding post-treatments to full-scale systems reduced DOC (55-91%), AOC (34-62%), and color (75-98%), without significant reaction selectivity. These reductions in DOC and AOC were not linked to reduction of bacterial concentrations in treated water. Reductions in bacterial concentrations were observed with ozone and electrolysis, but this is credited to oxidation chemicals produced in these systems and not the removal or transformations of organic materials.
Ziemba, C.; Larivé, O.; Reynaert, E.; Huisman, T.; Morgenroth, E. (2020) Linking transformations of organic carbon to post-treatment performance in a biological water recycling system, Science of the Total Environment, 721, 137489 (8 pp.), doi:10.1016/j.scitotenv.2020.137489, Institutional Repository

Comparing the anti-bacterial performance of chlorination and electrolysis post-treatments in a hand washing water recycling system

Innovative solutions are necessary to enable the decentralized recycling of greywater for applications requiring high-quality water, such as hand washing. While physical barriers such as ultrafiltration membranes effectively prevent the passage of bacteria, and chemical and biological treatments can effectively reduce the carbon content of the treated water, there exists a knowledge gap regarding the application of anti-bacterial strategies to prevent the growth of harmful bacteria following treatment. In this study, the effluent water from a household-scale greywater treatment system was fed to seven parallel experimental post-treatment tanks: three receiving direct chlorination with free chlorine residuals of 0.2, 1 or 5 mg Cl2/L, three with chlorine produced through electrolysis at the same residual concentrations, and one control with no chlorine added. For increasing concentrations of direct chlorination, the median total cell count (TCC) values were 9 × 104, 2.9 × 104 and 1.8 × 103 cells/mL, respectively. Electrolysis treatment produced very similar TCC concentrations, 8.8 × 104, 1.1 × 104 and 2.3 × 103 cells/mL. The TCC concentrations were lower than the concentration of the water entering each tank (~3 × 105 cells/mL). Intact cell count (ICC) measurements indicated that the viable cell concentrations, were less than 10% of the TCC values. Though electrolysis treatment can produce powerful oxidants, such as hydroxyl radical, there was no evidence that electrolysis in this system provided additional benefits beyond chlorine production for control of total or intact cell counts. Oxidation of bacteria by chlorine was the dominant anti-bacterial mechanism in our system. Monitoring of dissolved organic carbon (DOC) and assimilable organic carbon (AOC) did not suggest that carbon-limitation significantly impacted cell counts when chlorination or electrolysis treatment was applied. This work demonstrates that either direct chlorination or electrolysis treatment are able to reduce bacteria concentrations over long-term operation of a hand washing water treatment system. We recommend selecting chlorine residual targets such that a chlorine residual is maintained during periods of challenging operating conditions. We observed that a target residual of 1 mg Cl2/L, in our system, maintained the TCC below the concentration found in Zürich drinking water.
Ziemba, C.; Larivé, O.; Deck, S.; Huisman, T.; Morgenroth, E. (2019) Comparing the anti-bacterial performance of chlorination and electrolysis post-treatments in a hand washing water recycling system, Water Research X, 2, 100020 (10 pp.), doi:10.1016/j.wroa.2018.100020, Institutional Repository

Chemical composition, nutrient-balancing and biological treatment of hand washing greywater

On-site biological hand washing water treatment can improve global access to safe hand washing water, but requires a thorough understanding of the chemical composition of the water to be treated, and an effective treatment strategy. This study first presents a detailed characterization of the individual inputs to hand washing water. We demonstrate (1) that soap is likely the most significant input in hand washing water, representing ∼90% of mass loading, and (2) that inputs to hand washing water have low concentrations of biologically-essential macro- and micro-nutrients (nitrogen, phosphorus, potassium, copper, zinc, molybdenum and cobalt) with respect to carbon, which may impair biological carbon removal. This study next formulates a recipe that recreates a representative composition of hand washing water and develops a procedure to identify and supplement nutrients in which this recipe is estimated to be deficient. Batch testing of the nutrient-supplemented hand washing water with an inoculum of planktonic bacteria demonstrated improved assimilable organic carbon removal (99% vs. 86% removal) and produced lower final DOC concentrations (1.7 mgC/L vs. 3.5 mgC/L) compared to realistic (nutrient-deficient) washing water. Supplementing nutrients did promote cell growth (50x higher final total cell count). Full-scale testing in a biologically activated membrane bioreactor (BAMBi) system treating 75 L/day of nutrient-supplemented hand washing water showed that long-term operation (100 days) can deliver effective carbon removal (95%) without detrimental fouling or other disruptions caused by cell growth. This work demonstrates that biological treatment in a BAMBi system, operated with appropriate nutrient-balancing offers an effective solution for decentralized treatment of light greywater.
Ziemba, C.; Larivé, O.; Reynaert, E.; Morgenroth, E. (2018) Chemical composition, nutrient-balancing and biological treatment of hand washing greywater, Water Research, 144, 752-762, doi:10.1016/j.watres.2018.07.005, Institutional Repository

Controlling bacterial pathogens in water for reuse: treatment technologies for water recirculation in the Blue Diversion Autarky Toilet

The Blue Diversion AUTARKY Toilet is a urine-diverting toilet with on-site treatment. The toilet is being developed to provide a safe and affordable sanitation technology for people who lack access to sewer-based sanitation. Water used for personal hygiene, hand washing, and flushing to rinse urine- and feces-collection bowls is treated, stored, and recycled for reuse to reduce reliance on external water supplies. The system provides an opportunity to investigate hygiene of water for reuse following treatment. Treatment in the toilet includes a Biologically Activated Membrane Bioreactor (BAMBi) followed by a secondary treatment technology. To identify effective secondary treatment, three options, including granular activated carbon (GAC) only, GAC+chlorine (sodium hypochlorite), and GAC+electrolysis are considered based on the bacterial inactivation and growth inhibition efficiency. Four different hygiene-relevant bacteria are tested: Escherichia coli, Enterococcus faecalis, Pseudomonas aeruginosa, and Salmonella typhimurium. Our evaluation demonstrates that—despite treatment of water with the BAMBi—E. coli, P. aeruginosa, and S. typhimurium have the potential to grow during storage in the absence of microbial competition. Including the indigenous microbial community influences bacterial growth in different ways: E. coli growth decreases but P. aeruginosa growth increases relative to no competition. The addition of the secondary treatment options considerably improves water quality. A column of GAC after the BAMBi reduces E. coli growth potential by 2 log10, likely due to the reduction of carbon sources. Additional treatments including chlorination and electrolysis provide further safety margins, with more than 5 log10 inactivation of E. coli. However, reactivation and/or regrowth of E. coli and P. aeruginosa occurs under in the absence of residual disinfectant. Treatment including the BAMBi, GAC, and electrolysis appear to be promising technologies to control bacterial growth during storage in water intended for reuse.
Nguyen, M. T.; Allemann, L.; Ziemba, C.; Larivé, O.; Morgenroth, E.; Julian, T. R. (2017) Controlling bacterial pathogens in water for reuse: treatment technologies for water recirculation in the Blue Diversion Autarky Toilet, Frontiers in Environmental Science, 5, 90 (13 pp.), doi:10.3389/fenvs.2017.00090, Institutional Repository

On-site treatment of used wash-water using biologically activated membrane bioreactors operated at different solids retention times

Biologically activated membrane bioreactors (BAMBis) were operated at suspended solids retention times (SRT) of 7 and 102 days and at full solids retention. The effect of these different approaches of operation on substrate and nutrient conversion, and on permeate flux was investigated. Variations in organic loads and aeration intensities were also studied. Permeate flux stabilized during long-term operation independently of suspended SRT. Removal of organic substrate was independent of solids concentrations and remained stable over the long term. Microorganisms colonizing the surface of particles were found as the main mechanism responsible for degradation of organic substrate in the particulate form. BAMBi appeared to be a robust technology, adapted to on-site treatment of used wash-water, as it can be operated without control of suspended SRT. Thus BAMBis can be operated for long periods without any control of biofouling and sludge formation, leading to low maintenance needs. When BAMBis were operated at low aeration, the formation of anoxic zones led to combined nitrification and denitrification and thus significant nitrogen removal.
Ravndal, K. T.; Künzle, R.; Derlon, N.; Morgenroth, E. (2015) On-site treatment of used wash-water using biologically activated membrane bioreactors operated at different solids retention times, Journal of Water Sanitation and Hygiene for Development, 5(4), 544-552, doi:10.2166/washdev.2015.174, Institutional Repository

An energy-efficient membrane bioreactor for on-site treatment and recovery of wastewater

The present study describes the development of a new type of aerated membrane bioreactor referred to as a biologically activated membrane bioreactor (BAMBi) for on-site treatment of high-strength wastewater. The treated wastewater is reused for flushing and personal hygiene. BAMBi is an adaptation of a gravity-driven membrane reactor, originally developed for the purpose of treating river water to drinking water quality. Initially, a series of reactor configurations were tested and it was found that the simplest possible configuration could treat the wastewater to an acceptable standard, provided that a polishing step for color removal and disinfection was introduced. A commercial electrolysis unit was utilized for polishing. The energy consumption of BAMBi is 0.8 kWh/m3 of water treated, which can be considered low for an on-site membrane bio reactor application.
Künzle, R.; Pronk, W.; Morgenroth, E.; Larsen, T. A. (2015) An energy-efficient membrane bioreactor for on-site treatment and recovery of wastewater, Journal of Water Sanitation and Hygiene for Development, 5(3), 448-455, doi:10.2166/washdev.2015.116, Institutional Repository

Mehr zu Urinbehandlung

Zur Behandlung des in der Toilette separierten Urins sind zwei Verfahren erforderlich: die Stabilisierung des Urins und die Entfernung des massgeblichen Teil des Wassers.

Hauptziel der Autarky Urinstabilisierung ist die Verhinderung der Harnstoffhydrolyse, bei der Harnstoff zu flüchtigem Ammoniak und Kohlendioxid umgewandelt wird. Durch die Zugabe von Kalziumhydroxid zum frischem Urin steigt der pH auf Werte über 12 und verhindert somit eine mikrobielle Harnstoffhydrolyse. 

Contacts

Michel Riechmann Tel. +41 58 765 5748 Inviare e-mail
Prof. Dr. Kai Udert Tel. +41 58 765 5360 Inviare e-mail

Zusätzlich tötet der hohe pH-Wert Krankheitserreger ab und verhindert biologische Prozesse, die unangenehmen Geruch produzieren. Bei der Zugabe von Kalziumhydroxid zum Urin wird nur etwa die Menge gelöst, welche zur Erreichung des hohen pH-Werts benötigt wird. Dies ermöglicht die Bereitstellung eines Reagenzepots im Stabilisierungsreaktor; teure und komplizierte Dosierungsmechanismen werden dadurch überflüssig. Darüber hinaus ist Kalziumhydroxid, auch bekannt als Löschkalk, ein kostengünstiger Zusatzstoff und weltweit einfach erhältlich.

Die direkte Anwendung von menschlichem Urin als Dünger ist in vielen ländlichen Gebieten rund um die Welt üblich. Der hohe Wassergehalt des Urins - egal ob stabilisiert oder nicht - erfordert jedoch eine erhebliche Speicherkapazität und kann die Sammlung und den Transport zu den landwirtschaftlich genutzten Feldern starkt verteuern. Die Volumenreduzierung mindert nicht nur die Kosten für Lagerung und Transport, sondern könnte auch die Feldanwendung des Düngers in seiner konzentrierten Form erleichtern. Standardmässige Verfahren zur Volumenreduktion sind meistens energieintensive Prozesse, da sie eine hohe Temperatur (Destillation) oder hohen Druck (Umkehrosmose) erfordern.

Eine Alternative zu diesen Prozessen bietet unser Ansatz, das Volumen des Urins durch erzwungene Konvektion zu reduzieren. Der Verdunstungsreaktor besteht aus einem System aus gestapelten Flachbehältern, um eine grosse Oberfläche zu erzeugen. Ventilatoren, die einen hohen Luftstrom erzeugen, beschleunigen die Verdunstung des Wassers aus dem stabilisierten Urin. Die Abluft wird durch einen Aktivkohlefilter geleitet, wodurch die Emission von organischen Verunreinigungen oder Gerüchen verhindert wird.

Einmal im Monat ist ein Service des System nötig. Die Aufgaben sind das Nachfüllen des Kalziumhydroxiddepots und die Ernte des hergestellten Endprodukts. Das Konzentrat aus anorganischen und organischen Nährstoffen kann in der Landwirtschaft als Dünger verwendet werden.

Aktuelle Aktivitäten

In der Vergangenheit wurden die Stabilisierungs- und Verdunstungsreaktoren umfangreichen Tests unterzogen. Diese Tests wurden durch Labortests bestimmter Teilprozesse und eine Computersimulation des Systems unterstützt. Auf der Grundlage der gesammelten Informationen wurden die beiden Reaktoren einer umfassenden Neugestaltung unterzogen, die eine erhöhte Verdunstungseffizienz bei gleichzeitiger Verringerung der Gesamtgrösse ermöglichte. Ein weiterer Schwerpunkt des Redesigns war die Integration von Serviceeinrichtungen, beispielsweise zum Ernten des produzierten Nährstoffkonzentrats.

Zur Validierung der Technik in realen Settings wurden mehrere Feldversuche über ein bis vier Monate durchgeführt. Auf dem Eawag Campus in Dübendorf (Schweiz), sowie in einem Grosshaushalt einer Township in Durban (Südafrika) fanden tests des Urinmoduls als Bestandteil des gesammten Autarky Toilettensystems statt. Als eigenständige Behandlungseinheit wurden weitere Feldversuche des Urin-Moduls, angegliedert an ein mobiles Tinihouse (Au, Schweiz) und auf einer Berghütte (Leglerhütte, Schweiz) durchgeführt.

Update: Technische Detaills und alles über die Feldversuche gibt es nun in unserer letzten Publikation (open-access) nachzulesen: https://doi.org/10.1016/j.wroa.2021.100124

 

Ein in die Blue Diversion Autarky Toilette eingebautes Urinmodul

Publications

On-site urine treatment combining Ca(OH)2 dissolution and dehydration with ambient air

We present the results of three field tests and three laboratory tests of a new physical-chemical urine treatment system, which can recover all nutrients, while pathogens are inactivated. The system consists of two steps. In the first reactor, biological processes including urea hydrolysis are prevented by mixing fresh urine with calcium hydroxide (Ca(OH)2). Due to the high pH value and the high availability of calcium, phosphate can be recovered by precipitation. The high pH value also fosters the inactivation of microorganisms, including pathogens. In the second reactor, water is evaporated at low energy consumption by blowing unheated ambient air over the stabilized urine. Stabilization in the first reactor was successful in all field and laboratory tests. The pH value remained between 12 and 13, except for short dips due to shortages of Ca(OH)2. Nearly all phosphorus (92-96%) precipitated and could be recovered as calcium phosphate in the first reactor, while nitrogen and potassium overflowed with the urine into the evaporation reactor. The efficiency of the second treatment step was very different for field and laboratory experiments and depended on the duration of the experiment. During a four-day laboratory test, nitrogen recovery was 98%. In contrast, nitrogen recovery was only around 20% in the long-term field experiments. The high nitrogen losses occurred, because biological urea hydrolysis was not inhibited anymore, when the pH value in the second reactor decreased due to the dissolution of high amounts of carbon dioxide from the ambient air. Potassium was not subject to any significant loss, and the measured recovery in the solid evaporation product was 98%. Evaporation rates ranged between 50 g m-2 h-1 (RH = 82±13%, T = 12±6°C) and 130 g m-2 h-1 (RH = 60±19%, T = 24±5°C) in the three field tests. Apart from some disturbances due to low supply of Ca(OH)2, the urine module functioned without any substantial failures and was simple to maintain. The minimum consumption of Ca(OH)2 at full capacity was 6 g·L-1 urine and the electricity demand was 150 Wh kg-1 water evaporated from urine, resulting in operational costs of 0.05 EUR pers-1 d-1.
Riechmann, M. E.; Ndwandwe, B.; Greenwood, E. E.; Reynaert, E.; Morgenroth, E.; Udert, K. M. (2021) On-site urine treatment combining Ca(OH)2 dissolution and dehydration with ambient air, Water Research X, 13, 100124 (12 pp.), doi:10.1016/j.wroa.2021.100124, Institutional Repository

A novel approach for stabilizing fresh urine by calcium hydroxide addition

In this study, we investigated the prevention of enzymatic urea hydrolysis in fresh urine by increasing the pH with calcium hydroxide (Ca(OH)2) powder. The amount of Ca(OH)2 dissolving in fresh urine depends significantly on the composition of the urine. The different urine compositions used in our simulations showed that between 4.3 and 5.8 g Ca(OH)2 dissolved in 1 liter of urine at 25 °C. At this temperature, the pH at saturation is 12.5 and is far above the pH of 11, which we identified as the upper limit for enzymatic urea hydrolysis. However, temperature has a strong effect on the saturation pH, with higher values being achieved at lower temperatures. Based on our results, we recommend a dosage of 10 g Ca(OH)2·L−1 of fresh urine to ensure solid Ca(OH)2 always remains in the urine reactor which ensures sufficiently high pH values. Besides providing sufficient Ca(OH)2, the temperature has to be kept in a certain range to prevent chemical urea hydrolysis. At temperatures below 14 °C, the saturation pH is higher than 13, which favors chemical urea hydrolysis. We chose a precautionary upper temperature of 40 °C because the rate of chemical urea hydrolysis increases at higher temperatures but this should be confirmed with kinetic studies. By considering the boundaries for pH and temperature developed in this study, urine can be stabilized effectively with Ca(OH)2 thereby simplifying later treatment processes or making direct use easier.
Randall, D. G.; Krähenbühl, M.; Köpping, I.; Larsen, T. A.; Udert, K. M. (2016) A novel approach for stabilizing fresh urine by calcium hydroxide addition, Water Research, 95, 361-369, doi:10.1016/j.watres.2016.03.007, Institutional Repository

Urea hydrolysis and precipitation dynamics in a urine-collecting system

Blockages caused by inorganic precipitates are a major problem of urine-collecting systems. The trigger of precipitation is the hydrolysis of urea by bacterial urease. While the maximum amount of precipitates, i.e. the precipitation potential, can be estimated with equilibrium calculations, little is known about the dynamics of ureolysis and precipitation. To gain insight in these processes, we performed batch experiments with precipitated solids and stored urine from a urine-collecting system and later simulated the results with a computer model. We found that urease-active bacteria mainly grow in the pipes and are flushed into the collection tank. Both, bacteria and free urease, hydrolyse urea. Only few days are necessary for complete urea depletion in the collection tank. Two experiments with precipitated solids from the pipes showed that precipitation sets in soon after ureolysis has started. At the end of the experiments, 11% and 24% of urea was hydrolysed while the mass concentration of newly formed precipitates already corresponded to 87% and 97% of the precipitation potential, respectively. We could simulate ureolysis and precipitation with a computer model based on the surface dislocation approach. The simulations showed that struvite and octacalcium phosphate (OCP) are the precipitating minerals. While struvite precipitates already at low supersaturation, OCP precipitation starts not until a high level of supersaturation is reached. Since measurements and computer simulations show that hydroxyapatite (HAP) is the final calcium phosphate mineral in urine solutions, OCP is only a precursor phase which slowly transforms into HAP.
Udert, K. M.; Larsen, T. A.; Biebow, M.; Gujer, W. (2003) Urea hydrolysis and precipitation dynamics in a urine-collecting system, Water Research, 37(11), 2571-2582, doi:10.1016/S0043-1354(03)00065-4, Institutional Repository

Decrey, L., and Kohn, T. (2017) Virus inactivation in stored human urine, sludge and animal manure under typical conditions of storage or mesophilic anaerobic digestion.  Environmental Science: Water Research & Technology.

Antonini, S., et al. (2012). "Solar thermal evaporation of human urine for nitrogen and phosphorus recovery in Vietnam." Sci Total Environ 414: 592-599.

Pahore, M. M., et al. (2010). "Rational design of an on-site volume reduction system for source-separated urine." Environ Technol 31(4): 399-408.

Mehr zu Fäkalienbehandlung

In der Blue Diversion Autarky-Toilette werden die Fäkalien vom Spülwasser getrennt und in einem Behälter am Boden der Toilette gesammelt. Fäkalien können Krankheitserreger enthalten und müssen rasch inaktiviert werden, um anaerobe Zersetzung und die damit verbundene Emission unangenehm riechender Gase zu vermeiden.

Contact

Frédéric Vogel (PSI/ FHNW) frederic.vogel@psi.ch

Bei unserem Ansatz wird das im Fäkalschlamm enthaltene organische Material vollständig zu Kohlendioxid, Wasser und Mineralien wie Phosphatsalzen mineralisiert. Die restlichen Ströme sind Abgas und eine Mischung aus Wasser und Mineralien. Das Abgas enthält hauptsächlich Stickstoff, Kohlendioxid und Sauerstoff. Diese Mischung kann sicher in die Atmosphäre abgegeben werden. Der wässrige Strom kann als Düngemittel verwendet werden.
Der zur Behandlung der Fäkalien verwendete Prozess heisst hydrothermale Oxidation (HTO). Der Fäkalschlamm wird dabei mit Luft gemischt und unter hohem Druck auf über 400 ° C erhitzt. Unter diesen Bedingungen zersetzt sich der Schlamm und wird vollständig zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert. Das im Schlamm enthaltene Wasser verdampft nicht, sondern vermischt sich mit der Luft und stellt eine geeignete Reaktionsumgebung für eine Umwandlung des organischen Materials innerhalb nur weniger Minuten.

Aktuelle Aktivitäten

Um den Prozess der hydrothermalen Oxidation besser zu verstehen, entwickeln wir ein umfassendes Computermodell des Reaktors. Dieses Computermodell wird mit Daten aus Experimenten versorgt, die in kleinen Autoklaven mit echtem Fäkalschlamm durchgeführt werden. Wir haben dabei festgestellt, dass die Oxidationsreaktion bei Temperaturen über 300 ° C schnell und bei 400 ° C bereits innerhalb weniger Minuten vollständig abläuft.

Wir arbeiten zur Zeit an der Verbesserung der dritten Prototypen-Generation des sogenannten FOX-Reaktors (für Fäkalienoxidation). Dieser soll bald im Rahmen eines Feldversuches mit richtigen Nutzern getestet werden. Daneben arbeiten wir daran, den FOX-Reaktor kompakter zu bauen, damit er in Zukunft als Teil der kompletten Blue Diversion Autarky Toilette getestet werden kann.

Fecal sludge before (left) and after HTO treatment (right).
Fäkalschlamm vor (links) und nach (rechts der HTO-Behandlung

Publications

Hübner, T.; Roth, M.; Vogel, F. (2016).  Hydrothermal oxidation of fecal sludge: experimental investigations and kinetic modeling, Ind. Eng. Chem. Res. 55 (46), pp.11910-11922 

Mangold, F.; Pilz, St.; Bjelić, S.; Vogel, F. (2019). Equation of state and thermodynamic properties for mixtures of H2O, O2, N2, and CO2 from ambient up to 1000 K and 280 MPa. The Journal of Supercritical Fluids, Volume 153, 104476

Über uns

Das Blue Diversion Autarky Team besteht aus Forschern und Experten von der Eidgenössischen Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung und Gewässerschutz (Eawag), dem Paul Scherrer Institut (PSI), der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) und von EOOS. Das Projekt wird von einem Beirat bestehend aus sechs internationalen Wirtschaftsunternehmen unterstützt. Die Finanzierung erfolgt durch die Bill and Melinda Gates Foundation (BMGF).

 

Partner Projekte

Blue Diversion Toilet

Blue Diversion Toilet - eine attraktive, sichere und erschwingliche nachhaltige Sanitärlösung

Vuna-Nährstoffrückgewinnung aus Urin

NEST Projekt

Nest - Gemeinsam an der Zukunft bauen