On-site wastewater treatment in Northern conditions : real world performance, pollutant load and fate

Abstract

Abstract

Decentralised sanitation offers a flexible means of improving global sanitation. In Nordic countries, on-site wastewater treatment systems (OWTS), common in sparsely populated areas, are regulated for the removal of phosphorus (P), organic matter (biological oxygen demand, BOD7) and nitrogen (N). OWTS efficiency is reported to vary, but information is scattered and the cold condition effects on real-world performance have not been satisfactorily explored. Furthermore, the transport and fate of contaminants discharged from OWTSs under Nordic climate and geological conditions have not been efficiently examined. To address the knowledge gap, a 3 phase research plan was developed.

In phase 1, effluent water quality from 395 OWTSs located in Finland and Sweden was statistically analysed to review performance, compliance with regulations and possible affecting factors. Overall, BOD7 removal met requirements, 10% of units exceeded Tot-N, and 25% exceeded Tot-P limits. Air temperature and precipitation were not strong factors explaining effluent quality. The results highlighted data biases, such as a lack of samples during cold periods, indicating the need for additional data collection. The package plants efficiency was studied via the field monitoring of nine units in phase 2. High BOD7 removal was observed with no effect from air temperature on treatment performance. Effluent pharmaceutical concentrations were within or above ranges reported for large treatment plants, while plastic originated phthalate ester concentrations, originating from, for example, plastics, were below those commonly reported. In phase 3, contaminant (N, P, micropollutants) load and fate from a household infiltration field were studied. Soil iron and aluminium content, porosity, and a lack of pH buffering provided a favourable environment for P precipitation, and over 90% dilution-corrected retention was observed. The results suggest that in suitable conditions, soil infiltration can be a viable septic tank effluent treatment, especially in P-limited environments.

Information of this thesis supports the development of guidelines and regulations for decentralized sanitation facilities. It highlights the need for randomized national OWTS sampling to improve knowledge of system performance, pollutant load and the effect of environmental conditions.

Tiivistelmä

Hajautettu jätevedenkäsittely mahdollistaa keskitettyä joustavamman tavan kehittää sanitaatiota. Pohjoismaissa hajautettuja, usein kiinteistökohtaisia, jätevesijärjestelmiä käytetään yleisesti haja-asutusalueella ja niitä säädellään kokonaisfosforin (P), biologinen hapenkulutuksen (BOD7) ja kokonaistypen (N) puhdistustehon osalta. Puhdistustehon on todettu vaihtelevan, mutta varsinainen seurantatieto on ollut hajanaista, ja kylmien pohjoisten olojen vaikutusta puhdistustehoon ei ole kattavasti tutkittu. Myös jätevesien sisältämien haitta-aineiden kulkeutuminen maaperässä ja vesissä pohjoisen sääoloissa vaatii vielä selvityksiä. Näiden tietoaukkojen täydentämiseksi väitöstyölle laadittiin 3-vaiheinen tutkimussuunnitelma.

Ensimmäisessä vaiheessa analysoitiin tilastollisesti 395:n järjestelmän lähtevän veden laatua puhdistustehon ja siihen vaikuttavien tekijöiden selvittämiseksi. BOD7 -puhdistusteho oli pääosin maakohtaisten säädösten mukaista, mutta 10 % järjestelmien N-, ja 25 % P-tuloksista ei täyttänyt asetettuja vaatimuksia. Ympäristötekijät, kuten ilman lämpötila (T) ja sadanta eivät olleet vahvoja selittäviä tekijöitä lähtevän veden laadun vaihteluille. Aineistosta löydettiin myös vinoumia (esim. rajallisesti näytteitä, kun T ≤ 0 °C), joten lisätutkimuksia tarvitaan ympäristökuorman ja -tekijöiden vaikutusten arvioimisen parantamiseksi. Tutkimuksen toisessa vaiheessa tutkittiin laitepuhdistamojen puhdistustehoa 11 kohteen näytteenottokampanjalla. Tulosten perusteella BOD7 -puhdistusteho oli hyvä. Lääkejäämien pitoisuudet puhdistetussa vedessä ylittivät suuremmilta jätevedenpuhdistamoilta yleisesti raportoidut pitoisuudet, mutta ftalaatit, lähtöisin esimerkiksi muoveista, puolestaan alittivat ne. Kolmannessa vaiheessa tutkittiin imeytyskentän haitta-aineiden päätymistä alueen pohjaveteen ja maaperään. Maaperän ominaisuuksien, kuten rautapitoisuuden ja matalan pH:n, huomattiin parantavan fosforin pidättymistä imeytyskentässä ja pohjaveden laimennuskorjatut P-pitoisuudet olivatkin alle 10 % jäteveden pitoisuuksista.

Väitöskirjaan koottu tieto puhdistustehoista ja kuormista on hyödyllistä haja-asutuksen jätevesijärjestelmien sääntelyn kehittämisessä. Aineisto alleviivaa tarvetta näytteenottokampanjalle, jossa järjestelmät valitaan satunnaisesti koko maan kattavasti, jotta ympäristön kuormituksen arviota saataisiin tarkennettua.

<div lang="en" class="abs"> <p class="abs_header">Original papers</p> <ol type="I"> <li> <p>Kinnunen, J., Rossi, P. M., Herrmann, I., Ronkanen, A.-K., &amp; Heiderscheidt, E. (2023). Factors affecting effluent quality in on-site wastewater treatment systems in the cold climates of Finland and Sweden. Journal of Cleaner Production, 404, 136756. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.136756 <a href="https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.136756">https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.136756</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20230922136169">Self-archived version</a></p> </li> <li> <p>Vidal, B., Kinnunen, J., Hedstr&ouml;m, A., Heiderscheidt, E., Rossi, P., &amp; Herrmann, I. (2023). Treatment efficiency of package plants for on-site wastewater treatment in cold climates. Journal of Environmental Management, 342, 118214. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.118214 <a href="https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.118214">https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.118214</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20230825107698">Self-archived version</a></p> </li> <li> <p>Kinnunen, J., Rossi, P., Ronkanen, A.-K., Tarvainen, L., Kujala, K., Herrmann, I., &amp; Perkola, N. (2024). Load and fate of contaminants released from septic tanks into infiltration fields in the surrounding soil&mdash;A case study. Manuscript in preparation. </p> </li> </ol> </div>

<div lang="fi" class="abs"> <p class="abs_header">Osajulkaisut</p> <ol type="I"> <li> <p>Kinnunen, J., Rossi, P. M., Herrmann, I., Ronkanen, A.-K., &amp; Heiderscheidt, E. (2023). Factors affecting effluent quality in on-site wastewater treatment systems in the cold climates of Finland and Sweden. Journal of Cleaner Production, 404, 136756. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.136756 <a href="https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.136756">https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.136756</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20230922136169">Rinnakkaistallennettu versio</a></p> </li> <li> <p>Vidal, B., Kinnunen, J., Hedstr&ouml;m, A., Heiderscheidt, E., Rossi, P., &amp; Herrmann, I. (2023). Treatment efficiency of package plants for on-site wastewater treatment in cold climates. Journal of Environmental Management, 342, 118214. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.118214 <a href="https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.118214">https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.118214</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20230825107698">Rinnakkaistallennettu versio</a></p> </li> <li> <p>Kinnunen, J., Rossi, P., Ronkanen, A.-K., Tarvainen, L., Kujala, K., Herrmann, I., &amp; Perkola, N. (2024). Load and fate of contaminants released from septic tanks into infiltration fields in the surrounding soil&mdash;A case study. Manuscript in preparation. </p> </li> </ol> </div>