Small on-site sanitation systems for wastewater collection and treatment are prevalent in suburban and rural areas in many countries. However, these systems often underperform, causing potential impact to the receiving waters and increasing the risks to public health, thus hindering the overall sustainability of the systems. Understanding the different sustainability dimensions and trade-offs between assessment indicators can support the planning of sustainable on-site sanitation systems for a specific context. The overall aim of this thesis was to evaluate the sustainability and function of on-site sanitation systems by defining a set of indicators to assess on-site sanitation options and estimating them for different scenarios, and by investigating the treatment efficiency of on-site facilities for domestic wastewater treatment in a field study. Particular attention was given to the removal of phosphorus (P) and indicator bacteria due to their relevance in terms of eutrophication risk and public-health concern. In a multi-criteria approach, twelve indicators were defined to assess nine on-site sanitation systems. A reference group representing stakeholders’ views assigned weights to express the relative importance of each indicator. The reference group assigned the highest weights to the indicators robustness, risk of pathogen discharge and nutrient removal. Assessing the robustness proved to be challenging, as there is a gap between how the sanitation systems are expected to perform based on their design, and how they actually perform in practice, mainly due to incorrect construction, operation and maintenance. The discriminating power of the indicators was calculated using the entropy method, which showed that the indicators energy recovery and capital cost had little impact in the final ranking of the alternatives. A sustainability ranking was obtained by using the method ELECTRE III. A scenario analysis based on different settings of interest based on socio-economic and geographical factors was done to evaluate the changes in the ranking of alternatives. Overall, the greywater–blackwater separation system ranked the highest in the baseline scenario and when nutrient-related indicators were important (Scenario 2), together with the urine diversion system. The sand filter and drain field were the most sustainable options when nutrient removal and recycling was not important (Scenario 1), and (in combination with chemical P-removal) when the indicators related to energy and climate change had the highest weights (Scenario 3). In terms of P-removal, chemical removal outranked the alkaline P-filter. In a field study, the effluent wastewater from twelve on-site wastewater treatment facilities with sand and alkaline P-filters was evaluated in terms of removal and discharge of organic content, total and dissolved phosphorus, and indicator bacteria (E. coli, total coliforms, intestinal enterococci and C.perfringens). The results showed that the investigated sand filters generally had low P-removal capacity and sometimes exceeded the criteria for excellent water quality set by the EU bathing water directive with regard to intestinal enterococci and E. coli. Only one sand filter of eight was confirmed to remove P according to the Swedish guidelines for areas with non-sensitive receiving waters with a tot-P effluent concentration below 3 mg L−1. This indicates that a downstream treatment step is needed to meet the guidelines regarding P discharge concentrations. Alkaline P-filters generally removed P efficiently. Despite high effluent pH, the collected data did not generally confirm a further reduction of the bacterial content of the wastewater in the P-filters, as had been previously hypothesized. However, effluent concentrations of indicator bacteria showed moderate positive correlations with effluent concentrations of P and organic matter, indicating the potential of the P-filters to serve as a polishing step also for bacteria. / Små lokala avloppssystem för insamling och rening av avloppsvatten är vanligt förekommande i omvandlings- och landsbygdsområden i många länder. Dessa system fungerar ofta sämre än förväntat vilket kan leda till effekter på recipienter, ökad risk för folkhälsan och begränsa systemens hållbarhet. En djupare förståelse för hållbarhetsdimensioner och avvägningar mellan olika indikatorer kan stödja planering och implementering av hållbara lokala avloppsystem för specifika sammanhang. Det övergripande syftet med denna uppsats var att utvärdera hållbarhet och funktion av enskilda avloppssystem. Detta utfördes genom att först definiera en uppsättning indikatorer för bedömning av ett antal enskilda avloppsalternativ och sedan utvärdera dem för olika scenarier. Vidare var syftet att undersöka några systems prestanda för rening av hushållsavloppsvatten i en fältstudie. Särskilt fokus lades på reduktion av fosfor (P) och indikatorbakterier på grund av deras relevans i relation till övergödningsrisk och folkhälsoperspektiv. I en multikriteriestudie definierades tolv indikatorer för att bedöma nio typer av enskilda avloppssystem. En referensgrupp som representerade olika intressenter viktade indikatorerna för att uttrycka den relativa betydelsen av varje indikator. Referensgruppen gav systemens robusthet, risk för utsläpp av patogener, och näringsreduktion störst vikt. Att bedöma robusthet var en utmaning i studien, eftersom det finns ett gap mellan hur systemen förväntas fungera, och hur de faktiskt fungerar i praktiken, mestadels på grund av felaktig konstruktion, drift och underhåll. Indikatorernas diskriminerande effekt räknades ut med entropimetoden, som visade att indikatorerna energiåtervinning och kapitalkostnad hade liten inverkan på alternativens slutgiltiga rangordning. En scenarioanalys genomfördes baserad på socioekonomiska och geografiska faktorer. En hållbarhetsrankning erhölls genom att använda ELECTRE III-metoden. Överlag rankades system som separerar gråvatten – svartvatten samt urinseparerande system högst i basfallsscenariot och när näringsrelaterade indikatorer var viktiga (scenario 2). Markbäddar och infiltrationsanläggningar var de mest hållbara alternativen när rening och återvinning av näringsämnen inte var viktigt (scenario 1) och (i kombination med kemisk P-rening) när indikatorer relaterade till energi och klimatförändringar viktades högst (scenario 3). När det gäller P-rening, gav system med kemisk rening ett bättre utfall än de med alkaliska P-filter. I en fältstudie utvärderades tolv enskilda avloppsanläggningar med markbaserade system och alkaliska P-filter med avseende på rening och utsläpp av organiskt innehåll, totalt och löst P och indikatorbakterier (E.coli, totala koliformer, intestinala enterokocker och C.perfringens). Resultaten visade att de markbaserade systemen generellt hade låg P-reningskapacitet och ofta överskreds kriterierna för utmärkt vattenkvalitet enligt EUs badvattendirektiv avseende intestinala enterokocker och C. perfringens. Endast ett markbaserat system av åtta uppvisade en P-rening som låg under de svenska riktlinjerna för områden med normal skyddsnivå, med en utsläppskoncentration på under 3 mg L-1 tot-P. Detta indikerade att markbäddar behöver nedströms placerade reningssteg för att uppfylla nuvarande riktlinjer för utsläpp av P. Alkaliska P-filter avskilde generellt P effektivt. Trots högt pH-värde kunde ingen ytterligare minskning av bakterieinnehåll i avloppsvattnet från P-filtren påvisas statistiskt. Utsläppen av indikatorbakterier uppvisade emellertid måttliga positiva korrelationer med utsläpp av P och organiskt material, vilket visar på en viss potential att P-filtren kan fungera som ett ytterligare poleringssteg även för bakterier.

Onsite wastewater treatment systems in Sweden are getting old and many of them lack sufficient phosphorus, nitrogen and organic carbon reduction. Biochar is a material that has been suggested as an alternative to the common sand or soil used in onsite wastewater treatment systems. The objective of this study was to compare the phosphorus removal capacity between three different modified biochars and one untreated biochar in a batch adsorption and column filter experiment. The modifications included impregnation of ferric chloride (FeCl3), calcium oxide (CaO) and untreated biochar mixed with the commercial phosphorus removal product Polonite. To further study nitrogen removal a filter with one vertical unsaturated section followed by one saturated horizontal flow section was installed. The batch adsorption experiment showed that CaO impregnated biochar had the highest phosphorus adsorption, i.e. of 0.30 ± 0.03 mg/g in a 3.3 mg/L phosphorus solution. However, the maximum adsorption capacity was calculated to be higher for the FeCl3 impregnated biochar (3.21 ± 0.01 mg/g) than the other biochar types. The pseudo 2nd order kinetic model proved better fit than the pseudo 1st order model for all biochars which suggest that chemical adsorption was important. Phosphorus adsorption to the untreated and FeCl3 impregnated biochar fitted the Langmuir adsorption isotherm model best. This indicates that the adsorption can be modeled as a homogenous monolayer process. The CaO impregnated and Polonite mixed biochars fitted the Freundlich adsorption model best which is an indicative of heterogenic adsorption. CaO and FeCl3 impregnated biochars had the highest total phosphorus (Tot-P) reduction of 90 ± 8 % and 92 ± 4 % respectively. The Polonite mixed biochar had a Tot-P reduction of 65 ± 14 % and the untreated biochar had a reduction of 43 ± 24 %. However, the effluent of the CaO impregnated biochar filter acquired a red-brown tint and a precipitation that might be an indication of incomplete impregnation of the biochar. The FeCl3 effluent had a very low pH. This can be a problem if the material is to be used in full-scale treatment system together with biological treatment for nitrogen that require a higher pH. The nitrogen removal filter showed a total nitrogen removal of 62 ± 16 % which is high compared to conventional onsite wastewater treatment systems. Batch adsorption and filter experiment confirms impregnated biochar as a promising replacement or addition to onsite wastewater treatment systems for phosphorus removal. However the removal of organic carbon (as chemical oxygen demand COD) in the filters was lower than expected and further investigation of organic carbon removal needs to be studied to see if these four biochars are suitable in real onsite wastewater treatment systems. / Många av Sveriges små avloppssystem är gamla och saknar tillräcklig rening av fosfor, kväve och organiskt material. Följden är förorenat grundvatten samt övergödning i hav, sjöar och vattendrag. Lösningar för att förbättra fosfor- och kvävereningen finns på marknaden men många har visat brister i rening och robusthet. Biokol är ett material som har föreslagits som ersättare till jord eller sand i mark och infiltrationsbäddar. Denna studie syftade till att i skak- och kolonnfilterexperiment jämföra fosforreduktion mellan tre modifierade biokol och ett obehandlat biokol. Modifieringen av biokolet innebar impregnering med järnklorid (FeCl3), kalciumoxid (CaO) samt blandning med Polonite som är en kommersiell produkt för fosforrening. För att undersöka förbättring av kväverening installerades även ett filter med obehandlat biokol där en vertikal aerob modul kombinerades med en efterföljande horisontell anaerob modul. Skakstudien där biokolen skakades i 3.3 mg/L fosforlösning visade att adsorptionen var högst i det CaO-impregnerade biokolet, 0.3 ± 0.03 mg/g. Den maximala potentiella fosforadsorptionen beräknades dock vara högst för biokolet som impregnerats med FeCl3, 3.21 ± 0.01 mg/g. Skakförsöket visade också att fosforadsorptionen var främst kemisk då adsorptionen passade bättre med pseudo andra ordningens modell än pseudo första. Adsorption av fosfor på obehandlat biokol och FeCl3 impregnerat biokol modellerades bäst med Langmuir modellen, vilket tyder på en homogen adsorption. Det Polonite-blandade biokolet och CaO-impregnerade biokolet modellerades bäst med Freundlich modellen vilket är en indikation på en heterogen adsorptionsprocess. Biokol impregnerat med CaO och FeCl3 gav de högsta totalfosforreduktionerna på 90 ± 8 % respektive 92 ± 4 %. Biokolet som var blandat med Polonite hade en reduktion på 65 ± 14 % och det obehandlade biokolet 43 ± 24 %. Ett problem med filtratet från CaO-filtret var att det fick en rödbrun färg samt en fällning vilket kan ha berott på ofullständig pyrolysering och impregnering. Filtratet från det FeCl3 impregnerade biokolet hade mycket lågt pH vilket kan vara problematiskt om mikrobiologisk tillväxt i filtret för rening av kväve och organiskt material vill uppnås. Filtret för kväverening gav en total kvävereduktion på 62 ± 16 % vilket är högre än kommersiella system. Resultaten från skak och filterstudien visade på att impregnerade biokol kan ge en förbättrad fosforrening om de skulle användas i små avloppssystem. Rening av organiskt material, kemisk syreförbrukning (COD), var dock låg i alla filter och behöver studeras ytterligare för att avgöra om dessa biokol är lämpliga för småskalig avloppsvattenrening.