Abteilung Umweltsozialwissenschaften

Innovationen im Bereich nicht-netzwerk basierter Wasser- und Abwassersysteme

Forschung der Abteilung Umweltsozialwissenschaften (ESS) strebt ein verbessertes Verständnis der Mechanismen und Bedinungen an, unter denen Siedlungswasserwirtschaft in eine nachhaltigere Richtung gelenkt werden kann. ESS Forschung trägt zum inter- und transdisziplinären strategischen Forschungsprogramm Wings (Water and sanitation for non-grid solutions) bei. Ziel des Programms ist es, innovative nicht-netzwerk basierte Wasser- und Abwassersysteme zu entwickeln, die bzgl. ihrer Leistung mit konventionellen, netzwerk basierten Wasser- und Abwasserinfrastrukuren vergleichbar sind.

Dr. Sabine Hoffmann Gruppenleiterin, Gruppe: ITD Tel. +41 58 765 6818 E-Mail senden

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Hintergrund

Im Laufe der Geschichte war das Management urbaner Wassersysteme eine Kernaufgabe von Zivilgesellschaften. Dies spiegelt die Bedeutung dieser Systeme für das menschliche Wohlergehen und den Umweltschutz wider. Der heutige, konventionelle Ansatz der Siedlungswasserwirtschaft baut auf gefestigte sozio-technische Systeme, die sich über das letzte Jahrhundert entwickelt haben und die die meisten der Wasser- und Hygieneprobleme, die OECD Ländern zusetzten, gelöst haben. Diese vorwiegend zentralisierten und netzwerk basierten Systeme behandeln und bieten verlässlich Trinkwasser und transportieren, behandeln und entsorgen Abwasser sicher. Herausforerungen sind allerdings Bevölkerungswachstum (sowohl positives als auch negatives), Klimawandel, neuartige Schadstoffe, als auch die Notwendigkeit, alternde Leitungsnetze wiederherzustellen und zu ersetzen.

Obwohl die Debatte, ob es in OECD Ländern einen Bedarf nach neuen Ansätzen gibt, anhält, erkennen führende Forschungsinstitute, internationale Organisationen und nationale Regierungen zunehmend an, dass der konventionelle Ansatz der Siedlungswasserwirtschaft nicht die einzige Lösung für schnell wachsende Städte in Ländern mit niedrigem oder mittlerem Einkommen in Afrika, Asien und Lateinamerika sein kann. Da zentralisierte, leitungsgebundene Wassersysteme unerreichbar für einen grossen Teil der weltweiten Stadtbevölkerung sind, gibt es einen grossen Bedarf fundamental neue Konzepte zu entwickeln, d.h. flexiblere, kostengünstige und ressorucenschonende nicht-netzwerk basierte Systeme, die mit heutigen und zukünftigen Herausforderungen urbaner Wasserwirtschaft umgehen können.

Typische Forschungsfragen

Governance-System Design

  • Was sind die Bestandteile des vorherrschenden sozio-technischen Systems? Welche Regeln, Normen und Praktiken (de-)stabilisieren das System? Wer spielt eine wichtige Rolle dabei, das vorherrschende System zu erhalten, zu verändern oder neue Systeme zu schaffen?
  • Wie sieht ein ideales zukünftiges institutionelles System aus?

System Integration, Implementierung und Beurteilung

  • Wie können alternative Systeme auf technologischer und institutioneller Ebene integriert werden, damit sie richtig funktionieren?
  • Wie können diese Systeme in einem gegebenen Kontext implementiert werden?
  • Was leisten integrierte Systeme auf technologischer und institutioneller Ebene vor dem Hintergrund des normativen Konzeptes der Nachhaltigkeit? Was leisten sie verglichen mit anderen Systemen?

Innovations- und Transitionsmanagement

  • Was sind typische Transititonen vom vorherrschenden System zu einem idealen zukünftigen System? Welche Herausforderungen und Möglichkeiten können auftreten?
  • Wie und warum passieren Innovationsprozesse in einem gegebenen Kontext? Welche Faktoren hindern und/ oder unterstützen Transitionen/ Innovationen?

Team

Prof. Dr. Bernhard Truffer Gruppenleiter, Gruppe: Cirus Tel. +41 58 765 5670 E-Mail senden
Dr. Sabine Hoffmann Gruppenleiterin, Gruppe: ITD Tel. +41 58 765 6818 E-Mail senden
PD Dr. Judit Lienert Gruppenleiterin, Gruppe: DA Tel. +41 58 765 5574 E-Mail senden
Dr. Christian Binz Gruppenleiter, Gruppe: Cirus Tel. +41 58 765 5030 E-Mail senden
Philipp Beutler Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Cluster: DA Tel. +41 58 765 5285 E-Mail senden

Publikationen

Emerging solutions to the water challenges of an urbanizing world

The top priorities for urban water sustainability include the provision of safe drinking water, wastewater handling for public health, and protection against flooding. However, rapidly aging infrastructure, population growth, and increasing urbanization call into question current urban water management strategies, especially in the fast-growing urban areas in Asia and Africa. We review innovative approaches in urban water management with the potential to provide locally adapted, resource-efficient alternative solutions. Promising examples include new concepts for stormwater drainage, increased water productivity, distributed or on-site treatment of wastewater, source separation of human waste, and institutional and organizational reforms. We conclude that there is an urgent need for major transdisciplinary efforts in research, policy, and practice to develop alternatives with implications for cities and aquatic ecosystems alike.
Larsen, T. A.; Hoffmann, S.; Lüthi, C.; Truffer, B.; Maurer, M. (2016) Emerging solutions to the water challenges of an urbanizing world, Science, 352(6288), 928-933, doi:10.1126/science.aad8641, Institutional Repository

To connect or not to connect? Modelling the optimal degree of centralisation for wastewater infrastructures

The strong reliance of most utility services on centralised network infrastructures is becoming increasingly challenged by new technological advances in decentralised alternatives. However, not enough effort has been made to develop planning tools designed to address the implications of these new opportunities and to determine the optimal degree of centralisation of these infrastructures. We introduce a planning tool for sustainable network infrastructure planning (SNIP), a two-step techno-economic heuristic modelling approach based on shortest path-finding and hierarchical-agglomerative clustering algorithms to determine the optimal degree of centralisation in the field of wastewater management. This SNIP model optimises the distribution of wastewater treatment plants and the sewer network outlay relative to several cost and sewer-design parameters. Moreover, it allows us to construct alternative optimal wastewater system designs taking into account topography, economies of scale as well as the full size range of wastewater treatment plants. We quantify and confirm that the optimal degree of centralisation decreases with increasing terrain complexity and settlement dispersion while showing that the effect of the latter exceeds that of topography. Case study results for a Swiss community indicate that the calculated optimal degree of centralisation is substantially lower than the current level.
Eggimann, S.; Truffer, B.; Maurer, M. (2015) To connect or not to connect? Modelling the optimal degree of centralisation for wastewater infrastructures, Water Research, 84, 218-231, doi:10.1016/j.watres.2015.07.004, Institutional Repository

The cost of hybrid waste water systems: a systematic framework for specifying minimum cost-connection rates

To determine the optimal connection rate (CR) for regional waste water treatment is a challenge that has recently gained the attention of academia and professional circles throughout the world. We contribute to this debate by proposing a framework for a total cost assessment of sanitation infrastructures in a given region for the whole range of possible CRs. The total costs comprise the treatment and transportation costs of centralised and on-site waste water management systems relative to specific CRs. We can then identify optimal CRs that either deliver waste water services at the lowest overall regional cost, or alternatively, CRs that result from households freely choosing whether they want to connect or not. We apply the framework to a Swiss region, derive a typology for regional cost curves and discuss whether and by how much the empirically observed CRs differ from the two optimal ones. Both optimal CRs may be reached by introducing specific regulatory incentive structures.
Eggimann, S.; Truffer, B.; Maurer, M. (2016) The cost of hybrid waste water systems: a systematic framework for specifying minimum cost-connection rates, Water Research, 103, 472-484, doi:10.1016/j.watres.2016.07.062, Institutional Repository

Economies of density for on-site waste water treatment

Decentralised wastewater treatment is increasingly gaining interest as a means of responding to sustainability challenges. Cost comparisons are a crucial element of any sustainability assessment. While the cost characteristics of centralised waste water management systems (WMS) have been studied extensively, the economics of decentralised WMS are less understood. A key motivation for studying the costs of decentralised WMS is to compare the cost of centralised and decentralised WMS in order to decide on cost-efficient sanitation solutions. This paper outlines a model designed to assess those costs which depend on the spatial density of decentralised wastewater treatment plants in a region. Density-related costs are mostly linked to operation and maintenance activities which depend on transportation, like sludge removal or the visits of professionals to the plants for control, servicing or repairs. We first specify a modelled cost-density relationship for a region in a geometric two-dimensional space by means of heuristic routing algorithms that consider time and load-capacity restrictions. The generic model is then applied to a Swiss case study for which we specify a broad range of modelling parameters. As a result, we identify a ‘hockey-stick’-shaped cost curve that is characterised by strong cost reductions at high density values which level out at around 1 to 1.5 plants per km2. Variations in the cost curves are mostly due to differences in management approaches (scheduled or unscheduled emptying). In addition to the well-known diseconomies of scale in the case of centralised sanitation, we find a similar generic cost behaviour for decentralised sanitation due to economies of density. Low densities in sparsely populated regions thus result in higher costs for both centralised and decentralised system. Policy implications are that efforts to introduce decentralised options in a region should consider the low-density/high-cost problem when comparing centralised and decentralised options.
Eggimann, S.; Truffer, B.; Maurer, M. (2016) Economies of density for on-site waste water treatment, Water Research, 101, 476-489, doi:10.1016/j.watres.2016.06.011, Institutional Repository

Laufende Projekte

Dieses Projekt analysiert mögliche Transitionspfade für Grundversorgungsdienstleisungen mit einem besonderen Fokus auf das Beispiel Nairobi, Kenia.

SuSARA: Nachhaltige Transitionen von Siedlungshygieneregimes
Ziel ist die partizipative Entscheidungsunterstützung für den langfristigen Übergang zu alternativen Abwasserinfrastrukturen

Entscheidungsfindung bei Transformation von Abwasserinfrastrukturen
The aim of this project is to gain more insight about sustainable infrastructure management and to develop tools and methods for complex decision making for infrastructure planning.

Sustainable Network Infrastructure Planning (SNIP)
Der Einsatz von Lernspielen (Serious Games) bei der Erhebung von Präferenzen wird erforscht, um den Einbezug von Bevölkerung und Akteuren in Entscheidungsprozessen zu verbessern.

Lernspiele als Element von Multikriterieller Entscheidungsanalyse
In diesem Projekt arbeiten wir mit verschiedenen Organisationen zusammen, um die Rolle von Innovationen in Skalierungsprozessen zu untersuchen.

Business Innovationen zur Skalierung im Sanitärbereich