Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A...

145
University of Technology, Sydney Faculty of Engineering TOWARD SUSTAINABLE SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by John McKibbin Student Number: 10050969 Project Number: S07098 Major: Civil and Environmental Engineering Supervisor: Dr Prasanthi Hagare (UTS Faculty of Engineering) Industry cosupervisor: Dr Juliet Willetts (UTS Institute for Sustainable Futures) A 12 Credit Point Project submitted in partial fulfilment of the requirement of a Bachelor of Engineering 20 June 2008

Transcript of Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A...

Page 1: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

University of Technology, Sydney 

Faculty of Engineering 

TOWARD SUSTAINABLE 

SANITATION A  least cost planning approach for assessing alternative sanitation 

futures 

by  

John McKibbin 

Student Number: 10050969 

Project Number: S07‐098 

Major: Civil and Environmental Engineering 

Supervisor: Dr Prasanthi Hagare (UTS Faculty of Engineering) 

Industry co‐supervisor: Dr Juliet Willetts (UTS Institute for Sustainable Futures) 

A 12 Credit Point Project submitted in partial fulfilment of the requirement of a 

Bachelor of Engineering 

20 June 2008 

Page 2: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

 

ii 

Statement of Originality 

I declare  that  the  text,  theories,  concepts, methods  and  results  contained  in  this 

thesis are my own work, except where specifically attributed to another source. Any 

help that I have received in my research work and the preparation of this thesis has 

been acknowledged accordingly. 

 

Signed, 

 

John McKibbin 

 

   

Page 3: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

 

iii 

Abstract 

The  challenges  of  extending  sanitation  to  our  rapidly  sprawling  cities  have 

prompted  a  rethink  in  the  way  we  manage  our  waste.  In  industrial  countries, 

conventional centralised,  large‐scale wastewater systems have been the subject of 

renewed  scrutiny  in  light  of  rising  costs  and  increasingly  apparent  resource 

constraints.  In  developing  countries  faced with  limited  financial  and  institutional 

capacity, the value of investing in and maintaining conventional sanitation solutions 

is also under serious question. 

This research aims to compare the cost‐effectiveness of a broad suite of sanitation 

options  by  building  upon  a  best‐practice  costing  framework  and  a  sophisticated 

water  resource  management  tool,  both  developed  by  the  UTS  Institute  for 

Sustainable  Futures  together with water  service  providers  across  Australia.    This 

involved developing a detailed forecast of water and nutrient flows associated with 

the various activities  comprising  the urban  system under  study. The  forecast was 

then  used  as  a  baseline  for  assessing  the  impact  of  a  series  of  capacity 

augmentation  and demand management options  for  addressing  the objectives of 

the system. The associated life‐cycle costs to each stakeholder were then identified 

as a basis for assessing the preferred course of action. 

The new application required a comprehensive review and extension of the existing 

model with  key developments  including an  integrated  resource  forecast of water 

and  nutrients,  a  spatial method  for  developing  demographic  projections,  and  a 

means of assessing the financial costs borne by all stakeholders. 

The  extended  tool  was  demonstrated  and  validated  through  a  case  study 

implementation  based  on  data  and  assumptions  for  the  city  of Melbourne.  The 

central  findings  highlight  how  demand  management  and  alternative  capacity 

options  including  distributed  and  ecological  sanitation  can  provide  cost‐effective 

alternatives to central treatment and sewerage augmentations. 

The methods and tools are recommended as a valuable tool in driving the uptake of 

a broader mix of responses toward more cost‐effective and ecologically sustainable 

sanitation futures.   

Page 4: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

 

iv 

Acknowledgements 

Firstly I would  like to thank my supervisors Dr Prasanthi Hagare of the UTS Faculty 

of Engineering and Dr  Juliet Willetts of the UTS  Institute  for Sustainable Futures.  I 

first approached Prasanthi with my ambitious  research question  in May 2007 and 

upon reflection she recognized  far earlier than  I the magnitude of the project and 

yet courageously volunteered her oversight and ongoing support. To Juliet I owe my 

gratitude  for  trusting  in  my  ability  from  the  beginning  and  extending  me  as  a 

researcher through her critical review of my work. 

For helpful advice and direction during the early stages of my project I would like to 

thank Dana Cordell, for imparting her extensive knowledge regarding the important 

role of phosphorus and material flow analysis; also Dena Fam, for contributing her 

understanding  of  the  cultural  acceptability  and  design  of  ecological  sanitation 

systems; and Kurt Forrester, for providing his advice on end use modeling strategies 

and computer coding. 

For  sharing  their  thought  provoking  research  and  providing  peer  review  on  the 

assessment methodology  I would  like  to  acknowledge  the  delegates  at  the  IWA 

Specialised  Conference  on  Small  Water  and  Wastewater  Systems  including 

specifically Dr. Günter  Langergraber  (BOKU University),  Prof. Goen Ho  (Murdoch 

University),  Dr  Anna  Norström  (CIT  Urban  Water  Management),  Dr.  Norbert 

Weissenbacher (BOKU University), Martin Wafler (Seecon International GmbH) and 

Prof. Leigh Davison (Southern Cross University). Special thanks also to my hosts and 

guides during my sanitation field study  in  India,  including Tency Baetens (Auroville 

Centre  for  Scientific  Research),  Susmita  Sinha  (BORDA  International),  and  S. 

Vishwanath (Rainwater Club). 

For peer review and insightful comments on developments to the supporting tool I 

would  like  to  thank my  colleagues  at  the  UTS  Institute  for  Sustainable  Futures 

including Prof. Stuart White, Dr Simon Fane, Andrea Turner, Alexander Kazaglis and 

Dr Kumi Abersuriya. 

Final thanks go to my parents and my partner for enduring me this past 12 months!

Page 5: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

 

Contents 

ABSTRACT ........................................................................................................................ III 

ACKNOWLEDGEMENTS ....................................................................................................... IV 

CONTENTS ....................................................................................................................... V 

LIST OF FIGURES AND TABLES .............................................................................................. VII 

LIST OF ACRONYMS AND ABBREVIATIONS ................................................................................. X 

1  INTRODUCTION ................................................................................................. 1 

1.1  CONTEXT .......................................................................................................... 1 

1.2  OBJECTIVES ...................................................................................................... 1 

1.3  SCOPE ............................................................................................................. 2 

1.4  REPORT STRUCTURE ............................................................................................ 2 

2  CHALLENGES, RESPONSES AND WAYS FORWARD ............................................. 3 

2.1  THE RISE OF SANITATION ...................................................................................... 3 

2.2  THE CHALLENGES OF SANITATION ........................................................................... 5 

2.2.1  MAXIMISING RESOURCE EFFICIENCY ........................................................................... 5 

2.2.2  MAXIMISING COST‐EFFECTIVENESS .......................................................................... 11 

2.3  NEW SANITATION RESPONSES .............................................................................. 17 

2.3.1  DISTRIBUTED SANITATION: MATCHING SYSTEM SCALE TO URBAN DENSITY ........................ 17 

2.3.2  ECOLOGICAL SANITATION: CLOSING THE RESOURCE LOOP ............................................. 19 

2.4  NEW DECISION‐MAKING APPROACHES ................................................................... 21 

2.4.1  MATERIAL FLOW ANALYSIS: OPTIMISING RESOURCE FLOWS .......................................... 21 

2.4.2  LEAST COST PLANNING: OPTIMISING FINANCIAL FLOWS ................................................ 26 

3  DEVELOPMENTS TO THE METHOD AND SUPPORTING TOOLS .......................... 33 

3.1  ADAPTING THE METHOD .................................................................................... 33 

3.2  EXTENDING THE SUPPORTING TOOL ....................................................................... 35 

3.2.1  ESTABLISHING THE FRAMEWORK: NUTRIENT AND GREENHOUSE VALUATION ..................... 35 

3.2.2  IDENTIFYING THE SYSTEM: MULTI‐RESOURCE ACCOUNTING ........................................... 39 

3.2.3  SPECIFYING THE BASE CASE: SPATIAL CONTROL OF REGIONS .......................................... 49 

3.2.4  IDENTIFYING THE OPTIONS: NEW OPTION MODELS ...................................................... 52 

3.2.5  ANALYSING THE COSTS: FINANCIAL FLOW ANALYSIS ..................................................... 56 

3.2.6  ANALYSING UNCERTAINTY: STOCHASTIC ANALYSIS ....................................................... 58 

Page 6: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

 

vi 

4  A CASE STUDY IMPLEMENTATION ................................................................... 61 

4.1  ESTABLISHING THE FRAMEWORK .......................................................................... 62 

4.1.1  DEFINING THE OBJECTIVES ..................................................................................... 62 

4.1.2  DEFINING THE ECONOMIC CRITERIA ......................................................................... 62 

4.1.3  DEFINING THE TREATMENT OF EXTERNALITIES ............................................................ 63 

4.2  IDENTIFYING THE SYSTEM ................................................................................... 64 

4.2.1  DEFINING THE BOUNDARIES ................................................................................... 64 

4.2.2  IDENTIFYING THE KEY COMPONENTS AND THEIR EXCHANGES ......................................... 64 

4.2.3  QUANTIFYING KEY FLOWS ...................................................................................... 66 

4.3  SPECIFYING THE BASE CASE ................................................................................. 67 

4.3.1  PROJECTING BASELINE DEMOGRAPHY ....................................................................... 67 

4.3.2  PROJECTING BASELINE RESOURCE FLOWS .................................................................. 70 

4.4  IDENTIFYING THE OPTIONS .................................................................................. 88 

4.4.1  DISTRIBUTED SYSTEM ........................................................................................... 88 

4.4.2  ECOLOGICAL SYSTEM ............................................................................................ 93 

4.5  ANALYSING THE COSTS ....................................................................................... 98 

4.5.1  DISTRIBUTED ALTERNATIVE .................................................................................... 98 

4.5.2  ECOLOGICAL ALTERNATIVE ................................................................................... 100 

4.5.3  ASSESSING THE LEAST COST ALTERNATIVE ............................................................... 103 

5  CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS .................................................... 104 

6  REFERENCES .................................................................................................. 107 

APPENDIX A  BASELINE ASSUMPTIONS AND DESCRIPTIONS REPORT ................ 112 

APPENDIX B  STOCK MODEL BUILDER INTERFACE AND CODE............................ 119 

APPENDIX C  EXAMPLE STOCHASTIC ANALYSIS MACRO .................................... 122 

APPENDIX D  IWA CONFERENCE PAPER ............................................................ 123 

APPENDIX E  FIELD STUDY PHOTOGRAPHS ........................................................ 129 

   

Page 7: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

 

vii 

List of Figures and Tables 

Figures 

FIGURE 2‐1 – THEMATIC MAP OF GLOBAL BLUE WATER APPROPRIATION (SMAKHTIN, REVENGA & DÖLL 2004) ............ 6 

FIGURE 2‐2 – THEMATIC MAP DEPICTING THE PROJECTED INCREASE IN CONSUMPTIVE WATER ASSOCIATED WITH MEETING 

THE MDG FOR HUNGER (ROCKSTRÖM ET AL. 2005) ................................................................................ 7 

FIGURE 2‐3 ‐ HISTORICAL SOURCES OF PHOSPHATE FERTILIZERS (CORDELL, DRANGERT & WHITE SUBMITTED) .............. 9 

FIGURE 2‐4 ‐ GLOBAL MASS FLOW DIAGRAM OF PHOSPHORUS (UNEP 2005) ...................................................... 10 

FIGURE 2‐5 ‐ THE ECONOMIES AND DISECONOMIES OF SANITATION SYSTEM SCALE (CLARK 1997) ............................ 12 

FIGURE 2‐6 – OPTIMUM SCALE OF URBAN WATER SYSTEMS (CLARK 1997) .......................................................... 13 

FIGURE 2‐7 ‐ WORLD ACCESS TO IMPROVED SANITATION (UNICEF & WHO 2004) ............................................. 15 

FIGURE 2‐8 ‐ PROCESS FLOW DIAGRAM OF A DRY ECOLOGICAL SANITATION SYSTEM (ROCKSTRÖM ET AL. 2005) .......... 19 

FIGURE 2‐9 ‐ SYSTEM MODEL OF HOUSEHOLD WATER BALANCE (GUMBO 2005) ................................................... 23 

FIGURE 2‐10 ‐ SYSTEM MODEL OF HOUSEHOLD PHOSPHORUS BALANCE (GUMBO 2005) ........................................ 24 

FIGURE 2‐11 – PERSONAL WATER AND NUTRIENT INPUTS AND OUTPUTS (GUMBO 2005) ...................................... 25 

FIGURE 2‐12 – SCREENSHOT FROM ISDP MODEL DEMONSTRATING THE SUPPLY DEMAND FORECAST ......................... 30 

FIGURE 2‐13 – SCREENSHOT FROM ISDP MODEL DEMONSTRATING THE IMPACT OF OPTIONS .................................. 31 

FIGURE 2‐14 – SCREENSHOT FROM ISDP MODEL DEMONSTRATING THE RANKING OF OPTIONS BASED ON A STEP CHART 32 

FIGURE 3‐1 ‐ PROJECTION OF GREENHOUSE GAS EQUIVALENT PERMIT PRICES FOR AUSTRALIA (MMA 2006) ............. 37 

FIGURE 3‐2 ‐ PROJECTION OF RETAIL ENERGY PRICES BY CUSTOMER TYPE ............................................................. 38 

FIGURE 3‐3 ‐ CONCEPTUAL MODEL OF THE SANITATION SYSTEM ......................................................................... 40 

FIGURE 3‐4 ‐ EXCEL SCREENSHOT DESCRIBING TYPICAL STOCK MODEL ARRAY ........................................................ 43 

FIGURE 3‐5 ‐ STOCK MODEL OUTPUT DESCRIBING CLOTHESWASHER STOCK SHARE BY APPLIANCE TYPE ....................... 45 

FIGURE 3‐6 ‐ STOCK MODEL OUTPUT DESCRIBING TOILET STOCK SHARE BY APPLIANCE TYPE ...................................... 46 

FIGURE 3‐7 ‐ STOCK MODEL OUTPUT DESCRIBING SHOWER STOCK SHARE BY APPLIANCE TYPE ................................... 47 

FIGURE 3‐8 ‐ AVERAGE HOURLY PROFILE OF WATER DEMAND PER PROPERTY BY END USE (ROBERTS 2005) ................ 48 

FIGURE 3‐9 ‐ SCREENSHOT FROM MAPINFO INTERFACE DEMONSTRATING THE SPATIAL SELECTION OF CENSUS DATA .... 50 

FIGURE 3‐10 ‐ SCREENSHOT OF MAPINFO INTERFACE DEMONSTRATING THE SPATIAL SELECTION OF PROJECTION DATA . 51 

FIGURE 3‐11 ‐ MODEL OUTPUT DEMONSTRATING THE MATCHING CLUSTER SUPPLY TO DEMAND .............................. 53 

FIGURE 3‐12 – SCREENSHOT OF MODEL SHOWING FINANCIAL FLOW ANALYSIS OF OPTIONS ..................................... 57 

FIGURE 4‐1 – CONCEPTUAL MODEL FOR FLOWS OF WATER AND PHOSPHORUS IN THE URBAN SYSTEM ........................ 65 

FIGURE 4‐2 ‐ TIME SERIES OF POPULATION FOR THE STUDY AREA ........................................................................ 68 

FIGURE 4‐3 ‐ TIME SERIES OF DWELLINGS FOR THE STUDY REGION ...................................................................... 69 

FIGURE 4‐4 ‐ PROJECTION FOR WATER FLOWS ASSOCIATED WITH BATHING ACTIVITIES BY APPLIANCE ......................... 70 

FIGURE 4‐5 ‐ PROJECTION FOR WATER FLOWS ASSOCIATED WITH CLOTHESWASHING ACTIVITIES BY APPLIANCE ............ 72 

FIGURE 4‐6 ‐ PROJECTION FOR WATER FLOWS ASSOCIATED WITH DISHWASHING ACTIVITIES BY APPLIANCE .................. 73 

FIGURE 4‐7 ‐ PROJECTION FOR WATER FLOWS ASSOCIATED WITH TOILET FLUSHING ................................................ 74 

FIGURE 4‐8 ‐ PROJECTION OF WATER FLOWS ASSOCIATED WITH NON‐RESIDENTIAL COMPONENTS ............................. 75 

FIGURE 4‐9 ‐ PROJECTION OF BASELINE SEWAGE FLOW BY END USE ..................................................................... 76 

Page 8: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

 

viii

FIGURE 4‐10 – SHARE OF SEWAGE FLOW BY END USE ....................................................................................... 77 

FIGURE 4‐11 ‐ PROJECTION OF PHOSPHORUS FLOWS ASSOCIATED WITH TOILET FLUSHING ....................................... 78 

FIGURE 4‐12 ‐ PROJECTION OF PHOSPHORUS FLOWS ASSOCIATED WITH CLOTHESWASHING DETERGENTS .................... 79 

FIGURE 4‐13 ‐ PROJECTION OF PHOSPHORUS FLOWS ASSOCIATED WITH DISHWASHING DETERGENTS ......................... 80 

FIGURE 4‐14 – PROJECTION OF PHOSPHORUS FLOWS ASSOCIATED WITH TOILET FLUSHING IN NON‐RESIDENTIAL PREMISES

 .................................................................................................................................................... 81 

FIGURE 4‐15 ‐ PROJECTION OF BASELINE PHOSPHORUS FLOW BY END USE ............................................................ 82 

FIGURE 4‐16 ‐ SHARE OF PHOSPHORUS FLOW BY END USE ................................................................................ 83 

FIGURE 4‐17 ‐ PROJECTION OF NITROGEN FLOWS ASSOCIATED WITH TOILET FLUSHING IN RESIDENTIAL DWELLINGS ...... 84 

FIGURE 4‐18 – PROJECTION OF NITROGEN FLOWS ASSOCIATED WITH TOILET FLUSHING IN NON‐RESIDENTIAL PREMISES . 85 

FIGURE 4‐19 ‐ PROJECTION OF BASELINE NITROGEN FLOW BY END USE ................................................................ 86 

FIGURE 4‐20 – SHARE OF NITROGEN FLOW BY END USE .................................................................................... 87 

FIGURE  4‐21  ‐ COLLECTION  COMPONENTS:  INTERCEPTOR  TANK,  EFFLUENT  PUMP  AND  PRESSURISED  SEWER  (ORENCO 

SYSTEMS 2007) .............................................................................................................................. 88 

FIGURE 4‐22 ‐ TREATMENT COMPONENTS: MODULAR RECIRCULATING TEXTILE FILTERS (ORENCO SYSTEMS 2007) ...... 89 

FIGURE 4‐23 ‐ PROJECTED OFFSET SEWAGE FLOW TO WESTERN TREATMENT PLANT .............................................. 90 

FIGURE 4‐24 ‐ PROJECTED REDUCTION IN EFFLUENT PHOSPHORUS FROM WESTERN TREATMENT PLANT .................... 91 

FIGURE 4‐25 – COLLECTION COMPONENTS: URINE DIVERTING PEDESTAL AND WATERLESS URINAL (KVARNSTRÖM ET AL. 

2006) ........................................................................................................................................... 94 

FIGURE  4‐26  ‐  TREATMENT  COMPONENTS:  ROTARY  COMPOST  BIN  AND  URINE  STORAGE  TANK  (KVARNSTRÖM  ET  AL. 

2006) ........................................................................................................................................... 94 

FIGURE  4‐27  ‐  REUSE  COMPONENTS:  SMALL  AND  LARGE‐SCALE  APPLICATION  OF  URINE  FOR  AGRICULTURAL  REUSE 

(KVARNSTRÖM ET AL. 2006) ............................................................................................................. 95 

FIGURE 4‐28 – GREYWATER REUSE COMPONENTS: DIVERTER STORAGE, PUMP AND DRIPLINE SYSTEM (ECO‐CARE, 2008)

 .................................................................................................................................................... 95 

FIGURE 4‐29‐ FINANCIAL IMPACT OF DISTRIBUTED SANITATION OPTION ............................................................... 98 

FIGURE 4‐30‐ FINANCIAL IMPACT OF ECOLOGICAL SANITATION OPTION ............................................................. 100 

FIGURE  4‐31  ‐  ECONOMIC  LEVELISED  COSTS  OF  ALTERNATIVE  SANITATION  GROWTH  SERVICING  OPTIONS  (BASELINE 

TRANSFERS EXCLUDED) .................................................................................................................... 103 

 

   

Page 9: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

 

ix 

Tables 

TABLE 2‐1 ‐ TYPICAL COMPOSITION OF SANITATION STREAMS (ADAPTED FROM VINNERÅS ET AL. 2006) ...................... 5 

TABLE 2‐2 ‐ CAPITAL AND OPERATING COSTS OF VARIOUS CENTRALISED WASTEWATER TREATMENT PLANTS (FOESS ET AL. 

1998) ........................................................................................................................................... 11 

TABLE  2‐3  ‐  ESTIMATED  REPLACEMENT  COST  OF  URBAN WASTEWATER  SYSTEMS  IN  SELECTED  COUNTRIES  (MAURER, 

ROTHENBERGER & LARSEN 2005) ...................................................................................................... 14 

TABLE 2‐4 ‐ ESTIMATED SANITATION TARGET POPULATIONS TO MEET MDG BY 2015 BY UN REGION (ROCKSTRÖM ET AL. 

2005) ........................................................................................................................................... 16 

TABLE 2‐5  ‐ ESTIMATED HOUSEHOLD UNIT COSTS FOR URBAN AND RURAL SANITATION PROGRAMS (ROCKSTRÖM ET AL. 

2005) ........................................................................................................................................... 16 

   

Page 10: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

 

List of acronyms and abbreviations 

 

ABS  Australian Bureau of Statistics

FAO  United Nations Food and Agriculture Organisation 

IRP  Integrated resource planning

iSDP integrated supply‐demand planning

LCP  Least cost planning

MFA Material flow analysis

MMA McLennan Magasanik & Associates

NPV Net present value

SFA  Substance flow analysis

UNEP United Nations Environment Programme 

WHO World Health Organisation

WSAA  Water Services Association of Australia 

 

Page 11: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Introd

uctio

1 Introduction 

1.1 Context Sanitation can provide a system of balance. It can provide a system of resource balance 

in  returning  the  materials  withdrawn  from  our  environment;  and  a  system  of 

ecological  balance  in  preserving  the  health  of  our  water  and  soils,  and  therefore 

ourselves. 

The  premise  of  this  research  is  that  the  dominant  sanitation  paradigm  currently 

induces  a  state  of  imbalance.  By  flushing  excreta  and water  to  rivers  and  oceans, 

wastewater  systems  not  only  waste  a  valuable  resource  in  its  embodied  water, 

nutrients  and  organic  material;  they  waste  another,  as  receiving  waters  are 

increasingly impacted with pathogens, eutrophying nutrients and other contaminants. 

The dominant paradigm  is also expensive. While  industrial nations  struggle with  the 

rapidly  increasing  costs  associated  with  extending  and  sustaining  conventional 

centralised,  large‐scale  wastewater  systems,  developing  nations  are  striving  to 

replicate those same systems at great financial and human cost. 

A more  sophisticated  sanitation  response  is  therefore  called upon  if  the promise of 

universal and sustainable sanitation is ever to be realised. 

1.2 Objectives The intent of the project is to build upon the integrated resource planning framework 

and  supporting  tools  to  compare  alternative  futures  for  cost‐effectively  providing 

sanitation.  In  so  doing,  this  research  seeks  to  reveal  the  conditions  under  which 

sustainable  sanitation  programs  may  be  technically  and  financially  viable.  The 

objectives are therefore 

1. To  identify  the  existing  and  emerging  challenges  of  sanitation  planning  and 

some potential responses toward meeting them. 

2. To extend the least cost planning method and supporting tool for economically 

assessing alternative sanitation futures; and 

3. To undertake a case study  implementation of the method and supporting tool 

to both validate the process and demonstrate its capabilities. 

Page 12: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Introd

uctio

1.3 Scope The study will therefore  involve a review of the key global challenges associated with 

human waste sanitation systems, some broad responses from which to draw solutions, 

a  rigorous  review  and  extension  of  the  least  cost  planning method  and  supporting 

tools and an illustrative demonstration of the method based on two alternative future 

scenarios. 

The study does not engage with the unique challenges of solid waste management, nor 

the  challenges  associated with  the  emission  of  toxics,  air  or  other waste  streams. 

Similarly the case study implementation does not engage with a detailed review of the 

various available sanitation technologies or seek to provide a broad strategic review. 

1.4 Report structure The structure of this report constitutes four parts:  

• The  first  chapter  (§2) describes a  literature  review  introducing  the history of 

sanitation  (§2.1),  its  existing  and  emerging  challenges  (§2.2),  some  potential 

responses  toward  meeting  those  challenges  (§2.3),  and  some  approaches 

toward their assessment (§2.4). 

• The second chapter (§3) introduces the method applied within this dissertation 

(§3.1) and describes the revision and extension of the supporting tool (§3.2). 

• The  third  chapter  (§4)  demonstrates  the  method  and  supporting  tool  by 

assessing alternative sanitation futures in the city of Melbourne, Australia. 

• Finally  the  fourth  chapter  (§5)  concludes  the  research with  a  critique  of  the 

method and  tools and provides  recommendations upon  further  research  into 

their broader application. 

To lay the context for this dissertation the following section begins by introducing the 

history of sanitation. 

Page 13: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

2 Challenges, responses and ways forward 

2.1 The rise of sanitation An  understanding  of  the  context  of  past  technological  decisions  with  regard  to 

sanitation provides a useful perspective upon the present challenges. 

The history of sanitation  is closely bound to the history of cities. That  is, the need for 

more  sophisticated  human  waste management  has  been  principally  driven  by  the 

perceived aesthetic and health impacts associated with dense, urban settlements. 

Dry  conservancy  therefore  arose  as  a  first  response  to  this  displacement  of  urban 

dwellers from agricultural  land. The system  implied collecting dry human excreta  in a 

cess  pit  or  similar  for  regular  transfer  to  the  surrounding  farmland  by  cart.  Excreta 

were typically applied to the soil fresh, and there was often provision for the separate 

collection of urine for such purposes as tanning hides (Mumford 1961). 

As  urban  settlements  became  increasingly  populous  and  dense,  this  sanitary  task 

became  increasingly challenging. While historic cities such as Edo (i.e. the forerunner 

of  Tokyo)  developed  increasingly  sophisticated means  of  dry  conservancy  applying 

composting processes (Narain 2002), ancient cities including Mohenjo‐Daro and Rome 

began  the  first  experiments  with  removing  excreta  by  hydraulic  carriage  using 

channels  and  sewers.  However  such  systems  were  never  broadly  applied,  with 

coverage  being  limited  to  several  public  institutions  and  rich  tenements,  and  dry 

conservancy remained the dominant means of sanitation until relatively recent times 

(Mumford 1961). 

Beder  (1993)  traces  the  genesis  of  the  hydraulic  carriage  paradigm  to  a  forty  year 

period  following  the  sanitary  crisis  of  19th  Century  London.  At  this  time  hydraulic 

carriage was advocated on  the basis  that by enabling  the  rapidly  removal of organic 

waste  from  the  household,  the  incidence  of  putrefaction  would  be  reduced  and 

therefore  the  consequent  'miasma'  or  disease  producing  gases  (Sewage  and Health 

Board,  1875  cited  in  Beder  1993).  The  benefits  of  centralised  control  were  also 

advocated publicly (Corfield, 1871, p118 cited in Beder 1993). 

 

Page 14: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

Dry conservancy, by contrast, was defended on the grounds that the solid component 

of human waste contained the major fraction of nutrients for fertilising crops and was 

the principal cause of waterway pollution (Burke, 1873, p21; Waring, 1889, p365 cited 

in  Beder  1993). However  such  arguments were  only  popularly  voiced  following  the 

recognition of the failings of existing sewerage systems and were made  in an context 

of plentiful water and fertiliser substitutes, an apparently abundant pollutant sink and 

little cultural awareness of aquatic ecosystem health (Beder 1993). 

The  growing  experience  with  water‐carriage  systems  lead  to  a  recognition  that 

removing  suspended  solids and  clarifying effluent did not prevent  the effluent  from 

putrefying and causing a nuisance when discharged (Sewage and Health Board, 1877, 

p9 cited in Beder 1993). 

Staged  treatment was  therefore developed  in  response  to  the perceived  failings of 

wastewater treatment. An  initial  'preliminary' treatment by chemical treatment, plain 

sedimentation  or  septic  tank  treatment  was  only  considered  satisfactory  unless 

followed by a  second  stage of  treatment, which was usually  some  form of  filtration 

(Royal Commission, 1908, p18 cited in Beder 1993). 

Thus  the Royal Commission  in 1908 marked  the  firmament of a  sanitation paradigm 

marked  by  hydraulic  carriage  by  gravity  sewer  and  staged  treatment  comprising  a 

series of unit operations and processes that was subsequently permeated and adapted 

across the world. 

However  it  is  important  to note  that  the debate between hydraulic carriage and dry 

conservancy  was  highly  contentious,  and  was  based  upon  an  ignorance  of  the 

mechanism  of  disease  transmission,  biological  oxygen  demand  or  eutrophication. 

Nonetheless  the  subsequent  level  of  investment,  engineering  experience,  cultural 

norms, and expectations each served to ‘lock‐in’ those decisions. 

However for a number of reasons this study asserts that such technological inertia may 

be overcome based on the force of evidence  indicating the  limitations of the current 

paradigm, which is the subject of the following section. 

Page 15: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

2.2 The challenges of sanitation The current sanitation paradigm is now the subject to two key challenges: maximising 

resource efficiency  in  light of the  increasingly apparent scarcity of water, energy and 

nutrients,  and  maximising  cost‐effectiveness  in  light  of  rising  costs  and  a  global 

sanitation deficit. The  following section seeks to  investigate the underlying drivers of 

this situation as a foundation toward understanding its resolution. 

2.2.1 Maximising resource efficiency 

Conventional sanitation systems may be  interpreted as a conveyance of  three major 

waste streams to oceans and rivers: those are urine, faeces, and water. Water may be 

further subdivided into blackwater (i.e. that water associated with toilet flushing), and 

greywater  (i.e.  that water associated with  clothes washing, bathing and other uses). 

These waste  streams  each  include  varying  intensities  of water,  organic matter,  and 

nutrients (primarily nitrogen, phosphorus and potassium) as summarised in Table 2‐1. 

Table 2‐1 ‐ Typical composition of sanitation streams (adapted from Vinnerås et al. 2006) 

Parameter  Unit  Urine Faeces Greywater*  Biodegradables

Wet mass  Kg/person.a  550 2% 51 0.1% 36500    98%  80.3 0.2%

Dry mass  Kg/person.a  21 26% 11 14% 20 25%  27.5 35%

Nitrogen  g/person.a  4000 71% 550 10% 500  9%  550 10%

Phosphorus  g/person.a  365 43% 183 22% 190  23%  104 12%

Potassium  g/person.a  1000 55% 365 20% 365  20%  82 5%

*Note: blackwater is not accounted in these metrics 

Note that faeces, and its associated pathogenic risk, only constitute approximately 50 

kg per person per year, however  this component contaminates over 36,000  litres of 

water when mixed  as  a wastewater  stream.  Increasing  attention  has  been  directed 

towards  the  sustainability of  such a  conveyance of  resources owing  to a number of 

pressures. 

   

Page 16: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

A growing water scarcity crisis 

Over 1.4 billion of the world’s population are currently defined as  living  in a situation 

of acute water stress (Smakhtin, Revenga & Döll 2004). That  is, 1.4 billion people are 

living  in  hydrological  catchments  assessed  to  be  currently  over‐allocated,  leaving 

insufficient water to satisfy environmental flow requirements. The principle driver for 

the  situation  is  irrigated  agriculture,  which  comprises  the  majority  share  of 

consumptive water use. 

Figure  2‐1  shows  a  thematic  map  of  blue  water  appropriation  relative  to 

environmental capacity as assessed by Smakhtin et al (2004). 

 

Figure 2‐1 – Thematic map of global blue water appropriation (Smakhtin, Revenga & Döll 2004) 

The map indicates those over‐appropriated areas in yellow and red. Note the red areas 

are concentrated upon Northern Africa, Western and Southern Asia, and the Western 

United States of America. The area marked yellow  in Australia  is  the Murray‐Darling 

catchment, which is a substantially over‐allocated irrigated agriculture region. 

Page 17: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

However recent analysis undertaken by Rockström et al (2005) provides a fuller picture 

of  the  emerging water  scarcity  crisis.  The  analysis  involved  assessing  the  necessary 

consumptive  water  requirements  associated  with  meeting  the  United  Nations 

Millennium Development Goal  for hunger: a united undertaking to reduce the global 

undernourished population by half. The results depicted as a thematic map are shown 

in Figure 2‐2. 

 

Figure 2‐2 – Thematic map depicting the projected  increase  in consumptive water associated with meeting the MDG for hunger (Rockström et al. 2005) 

The  thematic map  indicates an  increase  in water demand of between 80  to greater 

than 120%  in developing countries across Southern and South‐Eastern Asia and Sub‐

Saharan Africa. 

The water scarcity crisis  is  therefore set  to become more acute as global population 

growth  and  agricultural  development  combine  toward  an  additional  50%  of  current 

global water demand by 2015  (Rockström et al. 2005). The authors  conclude a new 

agricultural revolution of a scale greater than that of the 1960s and 70s, which must be 

predominantly  fed  by  alternative  sources  to  traditional  blue  water  diversions  and 

storages.  

Given  such  a  context,  the  discharge  of  scarce  water  reserves  associated  with 

conventional  wastewater  systems  is  questionable.  However  there  is  another 

dimension  that  entwines  sanitation  with  food  security  that  is  the  subject  of  the 

following section. 

   

Page 18: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

An interrupted nutrient cycle 

An adequate and balanced supply of elements necessary for life, provided through the 

ecological  processes  of  nutrient  cycling,  underpins  all  other  ecological  services. 

However the cycling of several key elements; chiefly carbon, phosphorus, nitrogen and 

sulphur;  have  been  substantially  altered  over  the  past  two  centuries  leading  to 

significant  consequences  to  human  and  ecological  health  and  productivity  (UNEP 

2005). 

A leading cause of this alteration is associated with the sanitary revolution of the late 

19th century. By redirecting the excreta and its embodied nutrients from terrestrial to 

aquatic ecosystems, such systems effectively ‘opened the nutrient loop’. 

The impacts of disposing excess nutrient loads to aquatic systems are both diverse and 

well  recognised. These  include shifts  in  the composition of bloom‐forming algae and 

biomass, oxygen depletion,  increased fish and shellfish mortality, aesthetic and water 

treatment problems (UNEP 2005). This has  lead to significant  investments  in nutrient 

removal  technologies  (discussed  in  Section  2.2.2),  together with  an  increased  focus 

upon the nutrient loads associated with detergents. 

However,  as  alluded  above,  the  diversion  of  nutrients  associated with  conventional 

sanitation has broader  implications for resource sustainability owing to their key role 

in driving agricultural yields. 

Page 19: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

Figure 2‐3 depicts the historical sources of phosphorus fertilisers from the year 1800 to 

2007. 

 

Figure 2‐3 ‐ Historical sources of phosphate fertilizers (Cordell, Drangert & White submitted) 

The chart disaggregates total fertiliser inputs by its constituent sources, whether they 

be derived from manure, human excreta, guano or mineral phosphates. While prior to 

the twentieth century the dominant source of phosphorus fertilisers was drawn from 

manure  and  to  a  smaller  extent  human  excreta  and  guano,  the  data  specifically 

highlight  the  degree  to  which  artificial  fertilisers  have  since  driven  agricultural 

productivity growth. 

The  implication  is  that  the  sanitary  revolution  of  the  early  twentieth  century  was 

principally  enabled by  a parallel agricultural  revolution, which obviated  the need  to 

restore  phosphorus  to  the  land.  However,  as  with  water,  the  productivity  gains 

associated with the past agricultural revolution may be shortlived. 

Page 20: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

10 

Figure 2‐4 depicts an analysis of the global mass flow of phosphorus. 

 

Figure 2‐4 ‐ Global mass flow diagram of phosphorus (UNEP 2005) 

The model  indicates  both  a  significant  accumulation  of  phosphorus  in  soils  and  a 

dramatically enhanced phosphorus flux comparative to natural levels.  

Significantly,  the  model  highlights  the  inherently  unsustainable  condition  of  the 

modified  phosphorus  cycle.  As  discussed  above  phosphate  rocks  constitute  the 

principal  driver  of  the  total  phosphorus  flux. However  the  key  point  to  note  is  the 

dotted line at the bottom of the chart, which denotes that the return of phosphorus is 

associated  with  geological  time  scales.  There  is  therefore  a  net  depletion  of 

phosphorus resources. 

Similar  to  the  current  peak  oil  discourse,  increasing  attention  has  recently  been 

directed  toward  the potential  implications of phosphate depletion  (Rosmarin 2004). 

Although projections upon the remaining stocks of phosphate rocks vary considerably 

between 50  to 120  years  (Steen 1998),  the unarguable  fact  is  that  the discharge of 

phosphates  today  reduces  the  potential  productivity  of  soils  and  therefore  Earth’s 

future  capacity  to  sustain  life.  And,  unlike  oil,  phosphorus  has  no  substitute  (USGS 

2008; Rosmarin 2004).   

Page 21: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

11 

2.2.2 Maximising cost­effectiveness 

The principal costs associated with centralised wastewater systems include those costs 

associated with treatment including capital construction and ongoing labour, chemical, 

and  sludge  handling  costs;  and  those  costs  associated with  collection,  including  the 

extensive  initial outlay of  sewerage,  and operational  costs  associated with pumping 

and maintenance. The magnitude and justification for such costs has recently been the 

subject of increasing scrutiny in response to a number of pressures, detailed below. 

Rising treatment costs 

The  addition of nutrient  removal  technology  as  a  response  to  the eutrophication of 

aquatic ecosystems has resulted in significant additional costs. These comprise capital 

cost  increases associated with construction of  large nitrification  tanks and additional 

operating  costs associated with  the electricity,  chemical  inputs and  sludge handling. 

These increases have combined toward a doubling of life‐cycle costs on average (Bohn 

1997; Nolting & Dahlem 1997 cited in Maurer, Rothenberger & Larsen 2005). Table 2‐2 

depicts  the observed  capital  and operational  costs  for  a  large  sample of  centralised 

wastewater treatment plants in the United States. 

Table 2‐2 ‐ Capital and operating costs of various centralised wastewater treatment plants (Foess et al. 1998) 

System Type  Cost  System capacity (gallons / day) 

    4,000 10,000 25,000 50,000  100,000

Secondary  Capital ($)  183,000 223,000 303,000 461,000  671,000

  Operational ($/a) 22,000 26,500 39,200 52,100  78,000

3‐stage Tertiary Capital ($)  291,000 333,000 441,000 627,000  913,000

  Operational ($/a) 35,900 41,900 56,400 76,200  115,900

4‐stage Tertiary Capital ($)  336,000 368,000 475,000 666,000  968,000

  Operational ($/a) 52,500 57,600 73,800 95,900  132,300 

Note  that  the  improved  quality  that  tertiary  treatment  affords  is  associated  with 

incremental  increases  in  capital  costs  of  between  36%  to  as much  as  83%,  while 

incremental increases in operational costs are 49% to 139%.  

Note also that the additional costs, which are predominantly associated with chemical 

and sludge handling, do not offer the same economies of scale afforded to secondary 

treatment systems. That is, they increase pro‐rata with increased sewage flows.

Page 22: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

12 

Rising collection costs 

Traditional  sanitary engineering  theory has assumed centralised wastewater  systems 

inherently operate under an economy of scale. This  implies that the marginal cost of 

providing additional service connections to a centralised system reduces proportionate 

to  system  scale.  However  recent  studies  have  revealed  a marginal  cost minima  is 

reached  following which marginal connection costs  increase with system scale  (Clark 

1997).  

Figure  2‐5  demonstrates  a  regression  of  capital  and  operational  costs  per  service 

connection in the city of Adelaide, Australia. 

 

Figure 2‐5 ‐ The economies and diseconomies of sanitation system scale (Clark 1997) 

The  left  chart  shows  the  annualised  capital  costs  per  service  connection  associated 

with capital and collection components. Treatment capital costs per connection exhibit 

a  significant  economy  of  scale  to  100  service  connections,  levelling  off  to  at 

approximately 10,000 service connections. Simultaneously collection capital costs per 

service connection rise to become the dominant share of costs beyond approximately 

100  service connections, and continue  to  rise beyond 10,000  service connections, at 

which point constituting 82% of overall costs per service connection. 

The chart on the right indicates the annual operating costs per service connection once 

again  apportioned  to  treatment  and  collection  components.  Treatment  operational 

costs  per  service  connection  dominate  and  decrease  considerably  with  scale  at  a 

decreasing  rate,  while  collection  operational  costs  are  largely  constant  on  a  per 

connection basis. 

Page 23: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

13 

Combining these two components yielded the total system cost per service  in Figure 

2‐6. 

 

Figure 2‐6 – Optimum scale of urban water systems (Clark 1997) 

Density  ‘x1’  indicates  the  characteristic densities  for Adelaide  city, which  indicates a 

negligible economy of scale from 600 to 1 million service connections of 4%. Also, as 

the assumed density  reduces by one  fifth a  clear minima emerges at approximately 

100  service  connections,  while  a  five‐fold  increase  in  densities  shifts  the  total 

annualised cost minimum down and to the right. 

The  implication being that there  is  little financial  incentive for  increased system scale 

in urban conditions beyond approximately 600 service connections; while  in areas of 

lower density  (e.g. peri‐urban areas)  there  is considerable  financial  incentive  toward 

more decentralised systems. 

Note this analysis does not account for the significant capital and operational savings 

in  treatment  inherent  in  a  shift  toward more  distributed wastewater management 

models (further discussed in Section 2.3.1).   

Page 24: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

14 

Recent  international  research by Maurer et al  (2005)  suggests  the maintenance and 

renewal of sewerage  infrastructure may have been under‐estimated globally.  In  fact, 

the estimates predict an emerging renewal cost that is comparable or greater than the 

initial capital outlay, and are shown in Table 2‐3. 

Table  2‐3  ‐  Estimated  replacement  cost  of  urban  wastewater  systems  in  selected  countries  (Maurer, Rothenberger & Larsen 2005) 

Country  Population 

(106) 

Served Sewer/WWTP Total 

(US$/Person) 

Sewer 

(US$/Person) 

WWTP 

(US$/Person) 

Denmark  5.4  0.87 0.77 5300  

Switzerland  7.3  0.96 0.95 4400 3650  750

Austria  8.2  0.75 0.74 4800 3900  900

Italy  58.0  0.77 0.63 3900 3200  700

UK  60.1  0.98 0.87 3700  

France  60.2  0.81 0.77 2600  

Germany  82.4  0.92 0.87 2600 1850  750

USA  275.3  1700  

 

The data suggests that sewerage systems across the Western world are at the cusp of 

a significant period of  renewal  that will serve  to  instil  in decision‐makers of  the  true 

life‐cycle  costs  of  centralised  wastewater  systems.  This  is  serving  as  a  significant 

opportunity in re‐thinking the scale and form of sanitation systems. 

Meanwhile  the  developing  nations  are  faced  with  an  entirely  different  financial 

challenge, which is the subject of the following section.   

Page 25: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

15 

A global financial deficit in sanitation provision 

A global perspective provides  clarity upon  the  scale of  the  sanitation  challenge. The 

WHO / UNICEF Joint Monitoring Program estimates 2.6 billion people in the world lack 

access to the most basic sanitation service, the vast majority of which live in Asia and 

sub‐Saharan Africa as shown in Figure 2‐7 (UNICEF & WHO 2004). 

 

Figure 2‐7 ‐ World access to improved sanitation (UNICEF & WHO 2004) 

However  the  picture  worsens  if  a more  stringent,  western  definition  of  adequate 

sanitation, with less than one third of the world’s population served by flushing toilets 

and sewerage systems (UNDP 2006, p. 112). 

The scale of installations required toward resolving these inequalities are considerable. 

According to projections undertaken by Rockström et al (2005), over 1.7 billion urban 

and  rural household  toilets will be  required  in order  to meet  the  coming Millenium 

Development Goal of halving the deficit  in sanitation access by 2015  (United Nations 

2000).   

Page 26: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

16 

Table 2‐4 ‐ Estimated sanitation target populations to meet MDG by 2015 by UN Region (Rockström et al. 2005) 

UN Region Urban sanitation  Urban Population (millions) Rural Population (millions)

East Asia   247.9 147.8

Eurasia  7.5 16.2

Latin America & Caribbean  114.8 25.2

North Africa  27.6 17.8

Oceania  0.8 2.7

South‐East Asia 89.7 60.6

Southern Asia  189.5 380.9

Sub‐Saharan Africa  158.4 199.4

West Asia  44.5 22.8

Total  880.6 873.5 

Financial analysis of the necessary  investments toward extending sanitation access to 

these populations was also undertaken by Rockström et al (2005), which are shown in 

Table 2‐5. 

Table 2‐5 ‐ Estimated household unit costs for urban and rural sanitation programs (Rockström et al. 2005) 

UN Region Urban sanitation  Urban  household  cost 

(US$/hh) 

Rural household cost (US$/hh)

East Asia   650 50

Eurasia  725 55

Latin America & Caribbean  1000 70

North Africa  900 65

Oceania  875 65

South‐East Asia 800 60

Southern Asia  440 40

Sub‐Saharan Africa  350 35

West Asia  1200 80

Weighted Average  774 46 

The  study was based upon an assessment of  the unit household cost of appropriate 

options to provide equivalent health and environmental protection to both urban and 

rural households. Urban households therefore required significantly higher outlays to 

provide  for  reticulation  systems. The  results  indicate  that urban  sanitation programs 

will cost 17  times rural  installations on a per household basis, owing to the need  for 

reticulation  services.  The  implication  is  that  the  financial  sanitation  challenge  will 

primarily be an urban one.  

Page 27: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

17 

2.3 New sanitation responses The challenges  identified  in Chapter 2.2 clearly call upon a reconsideration of existing 

and  emerging  sanitation  options.  This  chapter  introduces  two  key  responses: 

distributed  sanitation,  a  reconsideration  of  scale;  and  ecological  sanitation,  a 

reconsideration of process. 

2.3.1 Distributed sanitation: matching system scale to urban density 

There  is  a  growing  recognition  that  the  infrastructure  systems  of  the  future will  be 

markedly  different  from  the  centralised  systems  that  dominate  today,  and  that 

decentralised systems at the dwelling, cluster and neighbourhood scales will have an 

increasing  role.  The  distributed  infrastructure  approach  is  a  response  to  this 

recognition and  implies an acceptance of a broader  range of system scales  to match 

the social, economic and ecological conditions. 

According to Berry et al (2004) the principal drivers for this shift in approach include: 

• System  limitations:  the  capacity  of  systems  subject  to  increasingly  apparent 

ecological  constraints  is  currently  being  outstripped  by  growing  demand  for 

water,  food,  sanitation,  energy,  and  transportation  services,  requiring more 

sophisticated  resource  application  (e.g.  water‐efficient  appliances)  and 

localised, synergistic supply systems (e.g. co‐generation). 

• Increasing risks: the pace of change  in demographic, social, technological and 

economic  conditions  is a  source of new  levels of uncertainty,  requiring more 

responsive and scaleable service delivery models (e.g. modular sanitation). 

   

Page 28: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

18 

Decentralised sanitation systems  in particular have been  increasingly recognised as a 

cost‐effective alternative particularly in low density developments. This shift has been 

driven by a recognition of a number of benefits, most comprehensively catalogued by 

Pinkham et al (2004). These include: 

• Improved resource efficiency: By avoiding the capital and operational expenses 

of  large  re‐distribution  networks,  the  distributed  systems may  provide  cost‐

effective  and  efficient  reuse  of  water  and  nutrients  at  the  dwelling  and 

neighbourhood  scale,  yielding  dual  benefits  in  avoided  water,  fertiliser  and 

tertiary treatment costs. 

• Avoided  infrastructure:  Where  appropriate,  the  application  of  a  more 

decentralised  system may  yield  avoided  diseconomies  of  scale  in  collection 

systems such as  large diameter pipes and pumping, which often comprise the 

majority of capital costs. 

• Incremental  investment: The outlay of distributed  infrastructure can often be 

more  effectively  scaled  to match  the  capacity  and  treatment  needs  of  the 

community needs as they arise. This provides dual benefits in terms of reduced 

financing costs and capacity to forecast risk. 

Such systems have been enabled by new wastewater technologies  including modular 

textile filter package treatment and settled sewerage systems (Orenco Systems 2007; 

Otis & Mara 1985; West 2003; White 2004). 

Distributed systems therefore present significant opportunity to yield cost savings and 

bringing  the  challenge  of  universal  sanitation  within  reach,  however  in  order  to 

address  impending  resource  depletion  and  a  changing  climate,  an  entirely  new 

sanitation paradigm is called upon.   

Page 29: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

19 

2.3.2 Ecological sanitation: closing the resource loop 

Ecological sanitation (or EcoSan)  is an ecosystems approach toward designing human 

waste systems capable of sustaining or restoring  the health and productivity of both 

the people and the land upon which they depend (Esrey et al. 2000). 

According to Esray et al (2000) the chief objectives of EcoSan are to: 

• promote health and prevent disease; 

• conserve water and protect water quality; and 

• recycle nutrients and organics and preserve land fertility. 

The  process  of  ecological  sanitation  is  interpreted  to  comprise  three  main  stages 

(Rockström et al. 2005). 

• Containment: source separation  is promoted  to maximise  the  reuse potential 

of the various waste streams and to ensure hazardous excreta are isolated. 

• Sanitisation: hazardous excreta are sanitised by a combination of dessication, 

raised pH, raised temperature, or microbiological competition. 

• Recycling: the sanitised waste streams are restored to the  land for productive 

reuse. 

Figure 2‐8 depicts an idealised process flow diagram of an ecological sanitation system. 

 

Figure 2‐8 ‐ Process flow diagram of a dry ecological sanitation system (Rockström et al. 2005) 

Page 30: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

20 

A  urine  diversion  toilet  is  applied  to  maintain  urine  and  faecal  excreta  streams 

separately:  the urine, which  is  sterile and  contains  the greater  share of nutrients,  is 

diverted  directly  to  agriculture  as  a  liquid  fertiliser;  while  the  faeces,  which  are 

potentially pathogenic  and  contain  the  greater  share of organic material,  are  either 

dessicated    or  composted    and  then  diverted  to  a  second  composting  process  and 

applied  in  agriculture  as  a  soil  conditioner.  The  agricultural  yield  is  returned  to  the 

kitchen  thus  completing  the  nutrient  cycle.  Greywater  from  baths  and  laundry, 

together with the pre‐treated greywater  from the kitchen  is treated  in a constructed 

wetland and  returned  to  the  local  surface and groundwater  system. These  storages, 

together  with  rainwater,  provide  a  local  water  source  for  the  household,  thus 

completing the water cycle. 

 While  interpretations  vary  as  to  whether  water‐borne  systems  are  strictly  EcoSan 

(Esrey et al. 2000; Kvarnström et al. 2006; Mara et al. 2007; Rockström et al. 2005), a 

number  of  water‐borne  systems  also  present  some  promise  for  resource  oriented 

sanitation.  

Water‐borne  ecological  sanitation  or  wet  conservancy  systems  apply  anaerobic 

digestion of combined  ‘brownwater’ together with any other available biodegradable 

waste to yield treated high nutrient effluent and biogas for energy. The settled solids 

may be intermittently removed and co‐composted (FAO & CMS 1997). Given sufficient 

organic input fuel and the right operating conditions, these systems capture a greater 

degree  of  influent  nitrogen  for  beneficial  reuse  than  dry  systems  and  present  an 

opportunity for a net reduction in greenhouse gases. 

 

While  not  a  rigorous  inventory  of  options,  this  review  demonstrates  that  more 

ecologically  sustainable  sanitation  futures  are  technically  viable.  However  new 

approaches are called upon to demonstrate that such options are economically cost‐

effective, which is the subject of the following section. 

   

Page 31: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

21 

2.4 New decision­making approaches New methods and tools are called upon to aid decision‐making in favour of sustainable 

sanitation. The  following  section  introduces  two key methods  toward understanding 

the challenges identified in Chapter 2.2, material flow analysis, a method of optimising 

resource fluxes and least cost planning, a method of optimising costs. 

2.4.1 Material flow analysis: optimising resource flows 

Fundamental to comprehending the challenges of ecological sanitation, material flow 

analysis (MFA) or substance flow analysis (SFA) is a process toward understanding the 

exchanges of materials (and energy) between an economy and its ecology. The process 

is summarised below (adapted from Brunner & Rechberger 2003). 

1. Select  the  substance:  choose  a  set of  appropriate  indicator 

elements  or  compounds  that  may  be  traced  through  the 

system in a unique, identical form; 

2. Define  the  system:  determine  the  spatial  and  temporal 

boundaries consistent with the scope of the project; 

3. Identify  the  relevant  flows, stocks and processes:  trace  the 

key flows of goods within and across the system boundaries; 

4. Determine the mass flows, stocks and concentrations: assign 

substance intensities to the flows of goods; 

5. Assess  the  total material  flows  and  stocks:  aggregate  the 

substance  fluxes  to  form  a  net  flows  and  stocks  of  the 

substance; 

6. Analyse  uncertainty:  undertake  sensitivity  analysis  to 

quantify the uncertainty of the method; and 

7. Document  the  results:  report  the  methods  and  results 

transparently. 

   

Page 32: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

22 

Resource intensities: drawing parallels with end use forecasting 

While  by  convention, material  flow  analyses  are  limited  to  an  analysis  of  a  single 

substance (e.g. water) (Brunner & Rechberger 2003), the methods developed may be 

applied  toward analysing  the urban metabolism holistically. This may be achieved by 

modelling  the behaviour and appliance  stock associated with end uses  (e.g. bathing, 

dishwashing or clotheswashing) and assigning resource  intensities (e.g. water, energy 

or nutrients) to those activities as described by Baumann, Boland & Hanemann (1997). 

The resulting end use formula implies the following: 

Equation 1 – The basis of end use analysis (originally adapted from Baumann, Boland & Hanemann 1997) 

))Re(%((1Re1

Type

n

source

n

TypeTypeTypeActivity nsitysourceInteApplianceUsagecUnitDemographiFlow ∑∑

==

×××=  

Practical application: a material flow analysis of water and phosphorus 

Although  a  number  of  studies  have  attempted  to  characterise  the  material  flows 

associated with sanitation systems (Belevi 2002; Jacobs & Haarhoff 2004; Motangero, 

Nguyen & Belevi 2004; Tangsubkul, Moore & Waite 2005), an  rigorous  investigation 

into  the  sustainability of  a micro‐catchment  in Harare,  Zimbabwe, provides  a useful 

practical reference (Gumbo 2005). 

The  first  stage  of  the  study  involved  the  identification  of  the  flows  of  water  and 

nutrient within  and  across  the  system  boundary.  The  result was  a  series  of models 

describing  the  interactions  of  three  sub‐systems:  a  natural  water  balance,  the 

household  nutrient  and  water  balance,  and  an  agriculture  nutrient  balance.  The 

system  models  describing  the  household  nutrient  and  water  balance  have  been 

included as Figure 2‐9 and Figure 2‐10. 

Page 33: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

23 

a, b, c, d – water use fractions determined through observation (-)

e – fraction of grey water diverted onto land for garden irrigation purposes (-)

Ec – water excreted by the human population mainly through respiration and perspiration (Wc – Wy)

Eg – evaporation from drying-out of laundry material and kitchen utensils

f – fraction of grey water evaporating either directly from laundry or after dripping to the ground surface (-)

h - fraction of storm water entering the foul sewer system conveyed as part of municipal sewage (-)

Q – discharge (Q = Qs + Qg)

Sa – storage in the atmosphere

Ti – transpiration arising from garden irrigation using municipal water

W – municipal water supply normalised to the catchment area

Wb – brown water generated from household activity related to toilet flushing after defecation

Wc – municipal water consumed by population either directly or contained in ingested food products

Wg – grey water generated from activities related to nourishing and cleaning (kitchen, bathroom and laundry)

Wi – municipal water used for garden irrigation (Wi = aW + eWg)

Wms – municipal sewage water, which is a combination of yellow, black, and proportion of grey and storm water

conveyed through a pipe to a sewage treatment plant (Wms = (1-e-f)Wg + Wb + Wy + hQ)

Ws – foul sewage or ‘black water’ which is a combination of yellow, brown, and a proportion of grey water (Ws =

Wms – hQ). This corresponds to dry weather flow.

Wy – volume of yellow water excreted by an equivalent adult population per month normalised to the micro-

catchment area (A) Figure 2‐9 ‐ System model of household water balance (Gumbo 2005) 

Page 34: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

24 

e – proportion of grey water diverted onto land for garden irrigation purposes (-)

P – phosphorus flux as P in kg/month

Pb – brown water P-flux emanating from toilet flushing of human faecal material

Pfb – food and beverage P-flux reaching the household subsystem i.e. imported from outside microcatchment

and some produced within

Pg – grey water P-flux emanating from activities related to nourishing and cleaning, taken as equal to Psd

Ple - leaching P-flux due to percolation and groundwater flow

Pms – municipal sewage P-flux, which is a combination of yellow, black, and proportion of grey and storm water P-

fluxes conveyed through a pipe to a sewage treatment plant (Pms = (1-e)Pg + Pb + Py + h(Psr + Ple)

Ps – foul sewage or ‘black water’ P-flux which is a combination of yellow, brown, and proportion of greywater P-

fluxes (Ps = Pms – h(Psr + Ple). This corresponds to the P-flux during dry weather

Psd – soap and detergent P-flux reaching the household subsystem

Psr - surface runoff P-flux dissolved in storm water (elaborated in the next section)

Psw – organic solid waste P-flux derived from household activities and local vegetation growth and dieoff derived

from the agricultural subsystem

Py – yellow water P-flux derived from urinary excretion

q′ – proportion of organic solid waste which is either deliberately composted or is uncollected and end up being

manure on agricultural land

Figure 2‐10 ‐ System model of household phosphorus balance (Gumbo 2005) 

 

Page 35: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

25 

The analysis then involved the measurement of water and nutrient fluxes per capita to 

build up aggregate resource flows, also summarised below. 

 

                                 

Figure 2‐11 – Personal water and nutrient inputs and outputs (Gumbo 2005) 

Such models  provide  a  useful means  toward  understanding  the  flows  of water  and 

nutrients  in an urban system. However  to  inform planning decisions  the model must 

also be capable of optimising the system financially. An appropriate costing approach 

is therefore called upon, which is the subject of the following section. 

Page 36: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

26 

2.4.2 Least cost planning: optimising financial flows 

Least cost planning  (LCP)  is a method of assessing  the  least cost suite of options  for 

meeting a set of measurable objectives on the basis of their relative incremental costs. 

A four‐stage model describing the process is summarised below (Mitchell et al. 2007). 

1. Framing the study 

Define the objectives 

Describe the system 

Adopt a specific cost perspective 

Define key economic parameters 

Determine the treatment of externalities 

2. Characterising the study 

Develop a water balance model 

Specify the base case 

Define  a  broad  range  of  options  and  develop  alternative 

system configurations 

3. Identifying and specifying costs 

Specify the costs to include 

Specify avoided costs and benefits to include 

Specify and quantify externalities 

4. Analysing and reporting incremental costs 

Compare options using discounted cash flow analysis 

Consider uncertainty; conduct sensitivity analysis 

Document the analysis 

   

Page 37: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

27 

The benefits of this analysis include (Mitchell et al. 2007): 

• a  balanced  comparison  of  the  complete  set  of  options  is  enabled  by 

outcome‐based objectives; 

• the  full  impact  of  projects  is  accounted  by  full  life‐cycle  costing  and 

intentionally defined system boundaries; 

• economically  optimal  and  financially  viable  solutions  are  revealed  by 

analysis of both stakeholder and societal cost perspectives; 

• externalities and uncertainties are transparently treated; and 

• stakeholders are actively engaged in all stages of the process. 

 

Mitchell et al (2007) summarise the following core principles that form the foundation 

of the method. 

Economic  and  financial  cost  perspectives:  An  economic  cost  perspective  entails 

broadening  the boundaries of  the  financial analysis  to  the whole of society. Transfer 

payments  (e.g.  customer  service  fees)  therefore  cancel  out  while  externalities  are 

accounted  where  possible.  Economic  cost‐effectiveness  is  therefore  the  most 

appropriate driver  toward providing efficient  resource management decisions, while 

financial  cost‐effectiveness  from  all  cost  perspectives  must  be  preserved  by 

renegotiation to ensure financial sustainability. 

outcome vs output driven approach: Myriad options for achieving the same outcome 

are  revealed  by  reframing  the  challenge  as  supplying  a  service,  rather  than  a 

commodity. In so doing, more cost‐effective solutions may be drawn. Three corollaries 

of this new approach include: 

• dissociating scale of infrastructure with scale of demand 

• focusing on the outcome rather than the capacity or volume 

• matching the product to the service (i.e. the water quality cascade) 

Systems  thinking:  consider  all  relevant  elements  of  a  system  and  be  conscious  of 

connections and emergence. 

Page 38: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

28 

Life cycle costs: account for the full  life of assets  including the aquisition,  installation, 

operation, maintenance, refurbishment, decommission, and replacement. 

Incremental cost: account for costs and avoided costs relative to a base case. This will 

include  avoided  or  delayed  capital  expenditures  and  avoided  operating  costs.  Use 

levelised incremental cost where possible to reflect changing yield over time (i.e. NPV 

of costs / NPV of yield) 

Externalities: account for  impacts that are beyond the actual or avoided costs to key 

stakeholders. Appropriate responses include the following: 

• Direct  monetisation:  use  surrogate  markets  to  attribute  proxy  values  to 

externality e.g. GHGe accounting 

• Goals and limits: ensure all options meet a minimum standard or objective e.g. 

nutrient loading 

• Qualitative  assessment:  stakeholders  rank  suite  of  options  against  defined 

criteria using deliberative process e.g.  

Time value of money: account  for  the  time value of money by reporting  the  time  in 

which  costs will  fall  and making  comparisons  on  the  basis  of  discounted  cash  flow 

analysis. 

Risk, uncertainty, accuracy and precision: note uncertainties, map their associated risk 

profiles and levels of uncertainty and then quantify and explicitly manage risks 

Transparent  reporting:  document  the  analysis  in  a manner  consistent with  its  easy 

interpretation and replication. 

 

Financial intensities: drawing parallels with material flow analysis 

Least cost planning may be  interpreted as an extension of material  flow analysis and 

end  use modelling  toward  optimising  both  resource  and  financial  efficiency.  This  is 

achieved  by  assigning  a  series  of  financial  intensities  (or  costs)  to  each  of  the 

interventions and using this as a basis for prioritising those options yielding the lowest 

cost  per  resource  supplied  or  avoided.  The  most  appropriate  measure  for  this 

comparison is the total (or economic) resource levelised cost (Fane, Robinson & White 

2003), which is equivalent to the present value of costs divided by the present value of 

Page 39: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

29 

additional  or  avoided  resource  capacity.  Following  an  assessment  of  the  economic 

least cost alternative, the  impact upon each stakeholder may  in turn be assessed and 

managed  accordingly  (e.g.  by  negotiating  the  transfer  payments  between 

stakeholders). 

 

Practical application: an integrated supply­demand planning model for water 

Itself  a  tool  to  facilitate  LCP,  the  integrated  Supply‐Demand Planning model  (iSDP) 

model was  developed  by  the  Institute  for  Sustainable  Futures  in  collaboration with 

water utilities across Australia as an integrated water demand forecasting and options 

analysis tool. 

The  model  is  structured  around  a  central  database  drawing  from  a  suite  of 

spreadsheets (or data sources), including: 

• Scenarios, which  link each region to  its end use group and associated options, 

and contain the generic study parameters including the discount rate; 

• Regions,  which  contain  data  characterising  the  study  area,  including  the 

population, number of dwellings or properties, and  the baseline  system yield 

(i.e. a time series of water supply capacity) associated with the study area; 

• End  uses, which may  constitute whole  sectors  (e.g.  the  industrial  sector),  or 

specific  activities  (e.g.  residential  bathing),  and  serve  to  calculate  the 

component baseline demand based upon a  series of model assumptions and 

analytical algorithms; and 

• Options,  which  may  constitute  supply‐side  interventions  (e.g.  an  additional 

reservoir)  or  demand‐side  interventions  (e.g.  a  showerhead  program),  and 

serve  to  calculate  the  augmented  or  avoided  system  capacity  and  the 

associated costs. 

   

Page 40: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

30 

The model has facility for each of the assumptions embodied within the datasources to 

be accounted and  traceable by providing an assumptions  reporting  fields associated 

with each assumption parameter within the database and an in‐built reference library 

for ease of access by the reviewer. 

The  data  sources  then  feed  into  a  sophisticated  demand  forecasting  and  options 

assessment engine, which effectively aggregates each of  the end use components  to 

project a time series of baseline water demand  in the study region. This may then be 

compared to the baseline system yield to infer the time period beyond which demand 

exceeds supply. Figure 2‐12 depicts a screenshot of a comparative forecast, which is a 

typical output for undertaking such an analysis. 

 

Figure 2‐12 – Screenshot from iSDP model demonstrating the supply demand forecast  

As may be seen in this hypothetical example, the yield from the supply system reduces 

with  time,  owing  to  the  impact  of  climate  change  upon  storages; whereas  baseline 

demand is projected to increase to outstrip supply by the year 2020. 

   

Page 41: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

31 

This projection may then be modified by the addition of various suites of options which 

serve  to  either  lower  the  demand  projection  or  raise  the  system  yield  projection. 

Figure 2‐13 shows a typical example. 

   

Figure 2‐13 – Screenshot from iSDP model demonstrating the impact of options  

Note  the  system  yield  jumps  considerably  in  the  year  2012,  potentially  owing  to  a 

supply augmentation such as a new reservoir or seawater desalination plant. Similarly 

demand  management  options  have  been  applied  to  reduce  the  demand  forecast 

considerably. The combined impact is an assessment that the new options will provide 

sufficient capacity to meet demand beyond the year 2030.   

Page 42: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Challenges, respo

nses and

 ways forw

ard 

32 

The model also provides facility for options ranking and analysis based on a series of 

cost parameters, which are based on the modeller’s  input. For example, a step chart 

may  be  provided, which  ranks  the  costs  associated with  each  option  and  positions 

them along the x‐axis based upon their cumulative system capacity as shown in Figure 

2‐14. 

 

Figure 2‐14 – Screenshot from iSDP model demonstrating the ranking of options based on a step chart 

This output provides excellent data on both the yield of each option and its associated 

unit cost per kilolitre of capacity avoided or augmented. The area below the curve to 

the  left of a given yield  is therefore equivalent to the present value of the  least cost 

alternative. 

The  iSDP  model  therefore  provides  a  valuable  tool  towards  undertaking 

supply/demand forecasting and options analysis. 

0

200

400

600

800

1000

1200

0 20,000 40,000 60,000 80,000 100,000 120,000

Tota

l Res

ourc

e Le

velis

ed C

ost (

c/kL

)

Yield [6/30/2020]

OPTION STEP DATA CHART

Page 43: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

33 

3 Developments to the method and supporting tools 

Having  reviewed  the  current  planning  challenges,  and  identified  the  responses, 

analytical methods and tools available toward their resolution, this chapter describes 

the  key  developments  this  project  has  contributed  to  sanitation  planning  and  the 

wider  integrated  resource  planning methodology  and  its  associated  tool,  the  iSDP 

model. 

3.1 Adapting the method The assessment methodology described by Mitchell et al and  identified  in section 2.3 

was considered to be the most robust basis for the assessment process. The method 

applied  in this dissertation  is therefore a generalised adaption of this method, and  is 

summarised as follows: 

1. Establish  the  framework: Define  the objectives of  the analysis and specify  the 

economic criteria by which the alternatives will be assessed 

2. Identify  the  system: Define  the  system  boundaries,  identify  the  components, 

and model their exchanges within and across the system boundaries 

3. Specify the base case:  Inventory the suite of options available toward meeting 

the objectives and estimate their incremental resource and financial impacts 

4. Identify the options: Inventory the suite of options available and estimate their 

incremental resource and financial impact 

5. Specify  the alternatives: Configure  the options within  the  resource balance  to 

identify a suite of alternative sets of options that meet the study objectives 

6. Analyse the costs: Apply discounted cash flow analysis to each alternative and 

assess both the economic cost and the financial cost borne by each stakeholder 

7. Analyse  uncertainty:  Undertake  analyses  to  quantify  uncertainties  in  the 

resource balance, cost estimates and cost analysis 

8. Evaluate  the  results: Review and document  the process and outcomes of  the 

analysis to ensure the findings are transparent and accountable 

Page 44: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

34 

Peer review 

The  adapted  process,  including  a  detailed  proposal  of  how  the  analysis  could  be 

applied toward sanitation planning was presented for review as a presentation at the 

International  Water  Association  Specialised  Conference  on  Small  Water  and 

Wastewater  Systems  in  Coimbatore,  India,  in  February  2008.  The  paper, which was 

subsequently  included  in the conference proceedings, has been  included as Appendix 

D. 

In  order  to  facilitate  an  open  discussion  of  the  research,  the  author  arranged  for  a 

seminar to be held with a group of delegates to discuss the challenges of assessing the 

costs of distributed and ecological sanitation systems. While  the  research  received a 

positive response, the attendees discussed some key challenges of moving the project 

forward. These included:  

• Deciding upon a suitable boundary for the analysis 

• Establishing a cost associated with both the discharge of nutrients to rivers and 

the associated depletion of finite resources. 

• Addressing  the  fundamentally different  institutional  arrangements  associated 

with distributed systems. 

These research questions among others have been addressed in Section 3.2. 

In addition to the conference proceedings, several  field studies were conducted with 

advocates of  alternative  sanitation  systems.  The  findings have been documented  as 

Appendix E. 

   

Page 45: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

35 

3.2 Extending the supporting tool Having reviewed the core concepts and processes underlying the assessment process 

presented by Mitchell et al, several key challenges emerged in extending the approach 

to sanitation planning, these included: 

1. How can nutrient discharges and greenhouse emissions be accounted within the 

cost analysis? 

2. How  can  both  the  hydraulic  and  nutrient  load  of  sanitation  systems  be 

accounted? 

3. How  can  the  boundaries  of  wastewater  treatment  systems  be  accurately 

defined? 

4. How  can  the  incremental  resource  impact  and  costs  of  sanitation  options  be 

modelled? 

5. How can the  financial  impact of options to various stakeholders be accounted 

transparently? 

6. How can the inherent uncertainty associated with forecasting be accounted? 

This  section describes  the extensive process of  review and extension of  the existing 

iSDP model toward assessing alternative sanitation futures. 

3.2.1 Establishing the framework: nutrient and greenhouse valuation 

How can nutrient discharges and greenhouse emissions be accounted within  the cost 

analysis? 

Accounting for nutrient discharges 

The discharge and  loss of nutrients  is a significant externality for consideration  in the 

assessment of alternative sanitation systems as described in Section 2.2.1. Mitchell et 

al (2007) present three paths toward accounting for externalities: 

• Direct monetization, whereby a surrogate market is applied to produce a proxy 

value 

• Goals and  limits, whereby any alternatives applied must be deemed to satisfy 

criteria, either defined in terms of regulatory limits or sustainability targets. 

Page 46: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

36 

• Qualitative  assessment,  whereby  appropriately  deliberative  or  participatory 

processes are applied to rank options on the basis of a set of agreed criteria 

For  the  purpose  of  this  analysis  it  was  preferable  to  include  (or  internalise)  the 

externality within the cost analysis  if possible, thereby  incorporating the costs within 

the  key  decision‐making  parameter  of  the  process.  However  this  gave  rise  to  the 

challenge of accounting for a social and environmental cost that only typically becomes 

tangible once the damage has occurred (therefore requiring a costly clean‐up project). 

Following  a  review  of  the  literature,  a  key  regulation  was  discovered  describing  a 

system  of  load‐based  licensing  in  NSW  whereby  a  direct  financial  incentive  for 

pollution minimization  is encoded within the pollution  licensing regime (Protection of 

the  Environment Operations  (General)  Regulation  1998).  By  applying  the  algorithms 

and  tables  included  in  the  legislation within  the decision‐making  tool,  the economic 

cost  of  nutrient  disposal was  internalized  as  either  a  financial  cost  to  the  polluting 

industry within NSW, or as an equivalent economic cost  in other areas yet to receive 

load‐based  pollution  charging‐  which  is  dependent  upon  the  assumption  that  the 

current legislation captures the full economic cost. 

Equation 2 ‐ Algorithm for calculating the cost of nutrient discharge to water 

If AL < FRT 

10000÷×××+×= CZPWPFUALNoAFUAFUFee  

If AL > FRT 

10000)2( ÷×××−+×= CZPWPFUFRTALNoAFUAFUFee  

Where  AFU   = Administrative Fee Unit 

  AL   = Assessable load 

  FRT   = Fee rate threshold 

  PFU   = Pollutant Fee Unit 

  PW  = Pollutant weighting 

  CZ  = Critical zone factor 

   

Page 47: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

37 

Accounting for greenhouse gas emissions 

Greenhouse  gas  emissions  have  thus  far  been  accounted within  end use models  as 

either  an  external  account  in  terms  of  tonnes  carbon  dioxide  equivalent,  or  as  an 

externality in the form of a proxy greenhouse market price. However a more accurate 

costing projection was deemed appropriate  in  light of the recent commitment by the 

Australian  Federal  Government  to  establish  a  greenhouse  gas  emission  trading 

scheme. 

Although Federal Government modelling for the establishment of the scheme is still in 

progress, a consortium of Australian  state governments  represented by  the National 

Emissions Trading Taskforce recently commissioned an investigation into the effects of 

such  a  scheme  (Allen  Consulting  Group  2006).  As  part  of  this  research,  extensive 

modelling was undertaken to establish the economic impacts of the proposed scheme 

to  both  retailers  and  utilities  (MMA  2006).  One  outcome  of  this modelling  was  a 

projection of the value of greenhouse gas emission permits shown in Figure 3‐1. 

 

Figure 3‐1 ‐ Projection of greenhouse gas equivalent permit prices for Australia (MMA 2006) 

This  projection was  applied  to  cost  all  direct  greenhouse  gas  emissions  accounted 

within the model. 

$0

$5

$10

$15

$20

$25

$30

$35

30/6/2010

30/6/2011

30/6/2012

30/6/2013

30/6/2014

30/6/2015

30/6/2016

30/6/2017

30/6/2018

30/6/2019

30/6/2020

30/6/2021

30/6/2022

30/6/2023

30/6/2024

30/6/2025

30/6/2026

30/6/2027

30/6/2028

30/6/2029

30/6/2030

GHG emission

 permit price [$

/ton

ne CO2‐e]

Time [date]

Page 48: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

38 

In order  to account  for  indirect emissions associated with electricity consumption,  it 

was  necessary  to  translate  the  permit  prices  projection  into  equivalent  projected 

increases  in  residential  and  industrial  retail  prices.  As  part  of  the  same modelling, 

MMA created  future scenarios projecting  the shift  in share of alternative generation 

options.  This was  used  as  a  basis  for  projecting  the  emission  intensity  of  electricity 

generation, and  consequently  the equivalent  increase  in wholesale electricity prices. 

Based  upon  the  assumptions  of MMA,  this  increase was  converted  into  changes  in 

retail prices borne by residential and industrial customers, shown in Figure 3‐2. 

 

Figure 3‐2 ‐ Projection of retail energy prices by customer type 

The  projections  indicate  industrial  customers  likely  stand  to  suffer  the  greater 

proportionate  increase in costs, with  industrial prices currently only marginally higher 

than wholesale prices. 

As  this  projection  accounted  for  the  costs  associated  with  an  emissions  trading 

scheme, this projection of retail electricity costs was assumed to have internalised the 

indirect economic cost associated with the emission of greenhouse gas emissions.

$‐

$0.05 

$0.10 

$0.15 

$0.20 

$0.25 

$0.30 

30/6/2010

30/6/2011

30/6/2012

30/6/2013

30/6/2014

30/6/2015

30/6/2016

30/6/2017

30/6/2018

30/6/2019

30/6/2020

30/6/2021

30/6/2022

30/6/2023

30/6/2024

30/6/2025

30/6/2026

30/6/2027

30/6/2028

30/6/2029

30/6/2030

Electricity cost [$

/kWh]

Time [date]

Residential retail price Industrial retail price

Page 49: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

39 

3.2.2 Identifying the system: multi­resource accounting 

How can both the hydraulic and nutrient load of sanitation systems be accounted? 

In order to enhance and extend the iSDP model such that it was capable of accurately 

accounting for the key resource flows in sanitation systems, the research project made 

several contributions to the existing  iSDP end use model, which  formed the basis  for 

the system analysis. These were: 

• Identifying  a  relevant  conceptual  model  for  analysing  the  sanitation 

system; 

• Restructuring toward service‐based end uses; 

• Reviewing and revising the model assumptions; 

• Indexing all region‐specific data sets; and 

• Revising the appliance stock models. 

• Quantifying dynamic peaking of sewage flows 

Identifying a conceptual model 

The  first  stage  of  adapting  the model  for  analysing  the  sanitation  system  involved 

identifying a conceptual model characterising the key resource  flows. System models 

developed by Gumbo (2005) were adapted for this purpose to provide the conceptual 

system model provided in. 

Page 50: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

40 

 

Figure 3‐3 ‐ Conceptual model of the sanitation system 

 

Restructuring toward service­based end uses 

The  pre‐existing  end  use model  constituted  the  following  end  uses  to  characterise 

indoor demand: 

• Clotheswashing machines 

• Dishwashing machines 

• Showers  

• Toilets 

• Indoor miscellaneous  (baths, hand basins,  kitchen  sinks,  laundry  troughs  and 

toilets leakage) 

The miscellaneous  components  therefore  constituted a  large  component of demand 

that previous option studies had  largely  ignored, while the structure failed to project 

key appliance interactions. 

Return Options 

Wastewater System (Centralised / Distributed) 

PFaeces + PUrine + WGreywater + PGreywater (+ WBlackwater)      WWastewater  + PWastewater (+ 

PSoilConditioner) 

Municipal Solid Waste System 

PBiowaste   PLandfill (+ PSoilConditioner) 

Urine diverting / composting systems 

PFaeces + PFoodWaste (+ PUrine)   PSoilConditioner + PLosses 

Losses  

‐ PLandfill 

‐ WWastewater + PWastewater 

‐ WAgriculturalRunoff + PAgriculturalRunoff 

Injections  

‐ Wimported 

‐ PMineralFertiliser 

ServicesInputs:      Water +Food + Soaps & Detergents   

Activities:       Bathing + Clotheswashing + Dishwashing + Toilet   

Outputs:       Faeces + Urine + Greywater + Solid Waste (+ WBlackwater) 

Water Balance:  WReticulated (+ WHarvested)  WServices (– DM)  (WBlackwater) + WGreywater + WOutdoor 

Phosphorus Balance: PFood (+ PDetergent) PServices PFaeces + PUrine +PGreywater +PFoodWaste

Supply options

(not considered in this study) 

Water supply (dams / recycling etc) 

Wcollected  (+ Wreclaimed) + Wimported         Wreticulated + Wagriculatural 

Food supply (conventional/ low‐tillage farming etc) 

WAgricultural + PMineralFertiliser (+ PSoilConditioner + PUrine)   PFood +  PSoilStock + PAgriculturalRunoff 

Non‐revenue water  

Exfiltration 

Infiltration / inflow

Page 51: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

41 

As indicated in the conceptual diagram above, a key development that emerged from 

the  literature review was a new focus upon ultimate resource services (e.g. bathing), 

rather than appliances (e.g. baths). This implied recognising that using a bath  is often 

interchangeable with showering, and using a dishwashing machine  is  interchangeable 

with manual dishwashing in a kitchen sink. 

The  end uses  constituting  the  iSDP model were  therefore  subjected  to  a  significant 

restructure to align along the following water‐related activities. 

• Clotheswashing: constituting clotheswashing machines and troughs  

• Dishwashing: constituting dishwashing machines and kitchen sinks 

• Bathing: constituting showers and baths 

• Toilet: constituting toilets flushing and leakage 

Each  of  the  activity‐based  end  uses  applied  algorithms  to  relate  the  use  of  its 

consistent appliances. For instance, Roberts (2004) identified an important relationship 

between  the age profile of  the  study population and  their associated  frequencies of 

using  a  bath  or  a  shower.  That  is,  the  age  of  12  years was  observed  to  be  a  key 

threshold beyond which water users shift  from relatively  infrequent use of a bath to 

daily use of a shower. Similarly  the Melbourne appliance usage survey  identified  the 

relative frequency of manual dishwashing activities  in households with and without a 

dishwashing machine. 

The  outcome  of  this  revised  focus  upon  activities  therefore  allows  the modeller  to 

identify the impact of key relationships that were previously ignored. For example, the 

increased  ownership  of  dishwashers,  though  a  minor  end  use,  was  projected  to 

significantly impact upon the much more significant sink consumption, while the aging 

population was  found  to  significantly  increase  bathing  demand  over  time, with  an 

associated shift in the use of showers as a replacement for baths. 

   

Page 52: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

42 

Revising and extending the model assumptions 

Following a  review of  the  latest revision of  the  iSDP model,  it became apparent  that 

the majority of  assumptions within  the model with  relation  to water  flows had not 

been documented, while  those documented assumptions were no  longer  current. A 

thorough literature review was therefore necessary to identify the best available data. 

Key  sources  adapted  for  this  study  included  a  rigorous  appliance  stock  and  usage 

pattern  survey  conducted  by  Yarra  Valley  Water  in  Melbourne  (Roberts  2004),  a 

subsequent end use measurement  study  (Roberts 2005),  the most  recent Australian 

census  and  survey  information  (ABS  2007b),  and  a  state‐wide  market  survey  of 

appliance sales and mean performance  (GFK 2006). During this revision process each 

assumption  was  documented  using  the  model  interface  and  all  references  were 

attached  as  soft  copies  within  the  model,  thus  providing  a  traceable  means  of 

supporting  assumptions  consistent  with  the  transparency  concepts  outlined  by 

Mitchell et al. 

Also, where  region‐specific  data was  available  this  information was  collated  in  full 

within  the model.  The  resulting  data  tables, with  each  row  representing  a  state  of 

Australia, were  indexed within the model based upon a single parameter drawn from 

the central sheet defining the study region (i.e. if state is NSW, State = 1 etc). 

The next stage involved extending the existing model toward accounting for nutrients‐ 

an additional resource stream. A completely new suite of parameters were therefore 

incorporated  into  the model describing  the various nutrient  streams associated with 

excreta,  soaps  and  detergents.  Key  sources  included  an  algorithm  for  excreta 

associated  nutrients  (Jönsson  &  Vinnerås  2003)  and  an  investigation  of  the 

composition  of  detergents  (Patterson  2007)  (also  referred  in  0).  These  parameters 

were then grouped within fields capable of being drawn by the model as a forecast.  

In  addition,  several  new  parameters were  added  to  characterise  the  augmented  or 

avoided nutrient  capacity of  the  system.  It  is worthy  to note  that  this development 

provides  significant  scope  for  subsequent  integration  of  resource  models  (further 

discussed in Section 5). 

The  resulting  models  therefore  constitute  a  series  of  end  use  assumptions  and 

algorithms  (which  are  documented  in  full  as  0)  that  are  considered  to  be  the most 

Page 53: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

43 

comprehensive and thoroughly documented water end use data available in Australia 

as of June 2007. In addition, it is anticipated that the innovative indexing structure will 

facilitate  the  use  of  this  model  across  Australia  for  considering  both  water  and 

sanitation strategies. 

Revising the appliance stock models 

Another  significant  revision  involved  the  overhaul  of  all  existing  appliance  stock 

models,  that  is,  those  models  simulating  the  sale  and  replacement  of  cohorts  of 

appliance stock toward modelling the shift toward newer appliance types (e.g. efficient 

showerheads).  This was  important  to  the  study  in  order  to  address  a  key  research 

question of how resource efficiency and source controls such as efficient showerheads 

impact upon the capacity and cost of wastewater systems. 

Figure 3‐4 depicts the typical structure of such a stock model array. 

 

Figure 3‐4 ‐ Excel screenshot describing typical stock model array 

The array has two dimensions, the horizontal dimension (or x‐axis), which represents 

time,  and  the  vertical  dimension  (or  y‐axis),  representing  a  series  of  annual  stock 

cohorts.  The  intersection  of  equal  years  in  the  array  therefore  represents  the  total 

number of appliance stock purchased  in that year. The cells to  its right represent the 

decay of  that  cohort over  time, which  is based upon either  a  log‐normal or normal 

Cohorts of stock  Decay over time 

Page 54: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

44 

distribution. The expired stock from each cohort  is replaced by cohorts  in  later years, 

resulting in an effective simulation of the change in appliance stock over time. 

In the pre‐existing  iSDP model, two end uses had applied cohort stock models: those 

were  clotheswashing machines  and dishwashing machines.  The  time  series of  these 

models were previously restricted to launch in the year 1990, owing to perceived data 

gaps. This provided a bias in the stock model as, owing to the structure of such models, 

the  sales  in  the  launch  year must be equal  to  the  current  annual  sales plus  all pre‐

existing stock. A realistic mix of stock ages in the forecast is therefore only achieved if 

the  first cohort  is sufficiently decayed by  this  time as a proportion of  the  total stock 

mix. 

The  first stage of resolving this  issue  involved seeking out suitable demographic data 

characterising  historical  demographic  changes  in  Australia.  A  recently  released 

collation of historical data collections was applied toward this purpose (ABS 2006). 

Having done so, the next stage involved developing an Excel add‐in tool to rebuild the 

stock models.1 The code and interface were structured to provide functionality for user 

input  on  key  variables  including  the  lifetime  of  stock,  its  standard  deviation,  the 

commencement  and  completion  years,  the  model  type  (i.e.  either  total  stock  or 

component), and the  function type  (i.e. either a  log‐norm or normal decay of stock). 

The interface and code have been included as Appendix B. 

The  inputs  for the new tool were then set to begin the model  in the year 1960. This 

year was chosen to allow the stock models sufficient time to create an adequate mix of 

ages of appliance  stock and,  since  some appliances  such as  toilets  can  last up  to 40 

years, a hindcast period of at least this duration was necessary. The new tool was then 

executed  to  generate  new  stock models  for  both  dishwashing  and  clotheswashing 

machines with the extended hindcast period.  The outputs of the clotheswasher stock 

model are shown in Figure 3‐5. 

                                                       

1 This was achieved with the assistance of Kurt Forrester, who contributed the structure of the looping 

code 

Page 55: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

45 

 

Figure 3‐5 ‐ Stock model output describing clotheswasher stock share by appliance type 

The output  indicates the  impact of the current surge  in  front‐loading clotheswashing 

machine sales upon the total stock mix is subject to a lag. 

The  next  stage  involved  applying  similar  cohort  stock model  toward  analysing  the 

change  in  toilet  stock  toward progressively efficient  toilet models. This was deemed 

necessary  owing  to  an  apparent  inconsistency  in  the  internal  logic  of  the  existing 

model, which was effectively over‐estimating the replacement rate of toilet stock. Data 

gaps were overcome using a calibration process which effectively modified the missing 

parameters (appliance  lifetime and standard deviation) to provide outputs consistent 

with existing survey data (ABS 2007b).  

The  outputs  of  this  model,  shown  in  Figure  3‐6,  demonstrate  the  basis  of  this 

calibration. 

0.0%

10.0%

20.0%

30.0%

40.0%

50.0%

60.0%

70.0%

80.0%

90.0%

100.0%

1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040

Prop

ortion

 of total stock [%

]

Time [financial year ending]

Front loaders Top loaders

Front loaders (ABS 2005) Top loaders (ABS 2005)

Page 56: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

46 

 

Figure 3‐6 ‐ Stock model output describing toilet stock share by appliance type 

The algorithm  is based upon demographic data  for  the  study  region, assumed  stock 

numbers per dwelling, and sales share  information from 1980 to 2007. The unknown 

parameters, the mean and standard deviation of the appliance lifetime, are calibrated 

to match the stock mix outputs with existing survey data  for the proportion of stock 

that is ‘single flush’. These same parameters are then applied for the other toilet stock 

cohorts,  based  upon  the  explicit  assumption  that  the mean  rate  of  replacement  of 

toilet stock is constant. 

A similar process was then applied toward analysing the change in shower stock. This 

provided  the  extra  benefit  of  providing  new  outputs modelling  the  number  of  new 

showerheads purchased each  year. This  implementation of  the model presented  an 

entirely  different  data  gap:  that  is,  a  characterisation  of  the  change  in  the mix  of 

showerhead sales over time. To overcome this data gap, the shift was assumed to be 

characterised  by  an  sigmoid  (or  ‘S‐curve’), with  the  shape  parameters  fitted  to  the 

survey outputs (ABS 2007b) using the same calibration tool applied towards the toilet 

stock model. The outputs for the shower stock model are shown in Figure 3‐7. 

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

Prop

ortion

 of total stock [%

]

Time [date]

Single Flush Dual Flush 11/6L Dual Flush 9/4.5L

Dual Flush 6/3L Dual Flush 4.5/3L Single Flush (ABS 2007)

Page 57: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

47 

 

Figure 3‐7 ‐ Stock model output describing shower stock share by appliance type 

The outcome is a series of mechanistic models that serve to provide the best‐available 

simulation  of  the  shifts  appliance  stock within  the  region.  This measure  provided  a 

rigorous  foundation  for  establishing  the  impact of baseline population  and dwelling 

growth upon the appliance stock mix, which is the subject of the following section. 

 

Quantifying dynamic peaking of sewage flows 

The flows of water within the wastewater stream are subject to significant diurnal and 

daily dynamic effects  (Friedler & Butler 1996). An  investigation  into  the  relationship 

between the hydraulic flows of the various end uses and their consequent effect upon 

hourly peak hydraulic capacity was therefore warranted. 

In  order  to  best  apply  the  model  assumptions,  data  was  therefore  required  to 

characterise  the hourly  time  series demand  associated with each end use. The best 

means of obtaining such information is based upon high resolution metering of water 

demand, as recently undertaken by Yarra Valley Water  in Melbourne (Roberts 2005). 

Figure 3‐8 shows an analysis of average hourly water demand per property by end use 

for a summer logging period. 

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Prop

ortion

 of total stock [%

]

Year ending

Normal Efficient Efficient (adj. ABS 2007)

Page 58: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

48 

 

Figure 3‐8 ‐ Average hourly profile of water demand per property by end use (Roberts 2005) 

The peak hourly dry weather  sewage  flow was  then  inferred by dividing  the hourly 

flow rate for each end use during the peak sewage period (i.e. 8‐9am) by the average 

daily flow for each end use. This resulted in a series of hourly peak factors associated 

with  each  appliance, which  could  be multiplied  by  each  end  use  flow  to  infer  the 

hourly peak dry weather flow.  

Note  that  this analysis does not provide an accurate basis  for assessing hourly peak 

sewer  flows  as  it  fails  to  account  for  inflow  &  infiltration.  Such  an  analysis would 

require a more detailed understanding of the hydraulic  flows associated with system 

inflow, which are complex and  still poorly understood  (Howe et al. 2005). A  sewage 

network model recently developed by Melbourne Water may shed light on this subject 

(Corbett & Chan 2007). 

The analysis also does not account for the peak attenuation associated with increasing 

populations  samples  (Tchobanoglous,  Burton &  Stensel  1991,  pp.  149‐153).  Further 

research is therefore warranted. 

   

Page 59: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

49 

3.2.3 Specifying the base case: spatial control of regions 

How can the boundaries of wastewater treatment catchments be accurately defined? 

As  identified by Mitchell et al (2007), the boundaries of the system under study must 

be intentionally drawn to capture all major interactions with the existing system, often 

in the form of avoided costs. It was judged that the most appropriate system boundary 

for a wastewater system would often be defined by the wastewater catchment of each 

centralised treatment plant. This unique boundary provided the challenge of providing 

a suitable baseline demographic time series of population and dwellings for the study 

area (i.e. the components of the  iSDP model region sheet) as the boundary will most 

often fail to overlap with census data collection or projection regions. 

A  means  of  achieving  an  accurate  estimate  of  current  population,  dwelling  and 

dwelling mix was  therefore  first sought  to provide a suitable  launching point  for  the 

demand  forecast  and  hindcast.  Since  such  detailed  data  was  unavailable  for  the 

specific study area, a spatially referenced data source was therefore sought to provide 

a basis  for subsequent analysis. This data was drawn  from  the current Census Basics 

dataset (ABS 2002), which is a series of spatially referenced files based upon the most 

resolved statistical unit (i.e. the statistical collector district). 

The spatially referenced  files were  then analysed using MapInfo software, which  is a 

geographical information system analysis tool. A typical screenshot from the software 

has been  included as  Figure 3‐9. On  the  right  shows  the map  containing  the  spatial 

boundaries  for each collector district  that has been zoomed  in on Melbourne. To  its 

left  is  a  table  containing  the  full  Census  data  for  each  record  (i.e.  the  statistical 

collector district). The boundaries of the wastewater catchment were overlayed upon 

this map  and  a  geo‐database  query  executed  to  aggregate  all  those  records  with 

centroids falling within the boundaries of the catchment. 

The output is an aggregated set of population and dwellings by type for the study area 

that may be inputted to the region sheet of the model. 

Page 60: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

50 

 

Figure 3‐9 ‐ Screenshot from MapInfo interface demonstrating the spatial selection of Census data 

Having  established  an  accurate  launch  year,  the  next  stage  involves  developing  a 

demographic projection of that data over the duration of the assessment, which in this 

case was  50  years.  Projections  of  population  and  dwellings were  therefore  sourced 

from modelling  from  the various state planning authorities, provided as spreadsheet 

time series for each statistical local area (NSW Planning 2007; Vic Planning 2007). This 

data was then  linked to the corresponding spatial  files containing the statistical  local 

area boundaries, which were sourced from the Australian Bureau of Statistics (2007a). 

This enabled a similar process to that described above; however, as the analysis was 

undertaken upon  relatively coarse  regions,  the absolute numbers were only used  to 

establish  growth  factors  for  application  to  the  more  precise  Census  estimate.  A 

screenshot of this analysis is included as Figure 3‐10. 

 

Page 61: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

51 

 

Figure 3‐10 ‐ Screenshot of MapInfo interface demonstrating the spatial selection of projection data 

Finally  it  was  necessary  to  hindcast  the  time  series  to  1960  to  provide  sufficient 

launching  time  for  the  stock  models  (as  described  above).  This  was  achieved  by 

application of a the work of a recent project collating historical censuses as electronic 

spreadsheet  files  (ABS  2006). As  the  time  series was  that  for  the  entire  city  it was 

necessary  to  assume  the  study  region  had  a  similar  historical  growth  pattern.  The 

historical  growth  rates were  therefore  hindcast  from  the  current  state  established 

above. 

The result of the method is therefore the best available time series of population and 

dwellings  for  the  study area  from  the year 1960  to 2050. The method and database 

produced may be applied to any region of similar scale  in Australia and  is therefore a 

valuable  contribution  to  integrated  resource  planning  and  the  end  use  forecasting 

approach. 

    

Page 62: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

52 

3.2.4 Identifying the options: new option models 

How can the incremental resource impact and costs of sanitation options be modelled? 

The project involved the development of three new option models: these were 

• distributed sanitation‐  a small‐bore settled sewerage system (see 4.4.1); 

• ecological sanitation‐ a system comprising urine diverting co‐composting toilets 

and greywater reuse (See Section 4.4.2); and 

The distributed sanitation option 

The  sanitation model  presented  a number  of  unique  challenges  compared  to  those 

developed previously, principal of which  involved developing a means  for projecting 

the  avoided  resources  and  financial  flows  associated  with  providing  alternative 

capacity to the sanitation system. 

Instead of  simply  applying  a unit  rate  for  incremental  avoided  flows  it was deemed 

necessary  to  project  both  the  baseline  and  the  option  component  in  parallel.  This 

involved  drawing  all  flows  of  sewage,  phosphorus  and  nitrogen  from  the  baseline 

engine. A proportion of those inputs were then diverted to the option resulting in two 

streams:  that  proportion  diverted  to  the  distributed  system,  and  that  remaining 

proportion  to  the  central  system.  The  diverted  stream  is  then  used  as  a  basis  for 

estimating  the  necessary  treatment  capacity.  Sufficient  treatment  plants  were 

assumed  to be  installed  to provide capacity  for average estimated  flows  three years 

hence,  based  on  an  assumed modular  capacity. Note  no  hourly  peaking  factor was 

deemed  necessary  owing  to  the  daily  storage  provided  by  the  interceptor  tanks.  In 

addition, owing to the fused connections and avoided manholes of the effluent sewer, 

no inflow or infiltration was assigned. The output is shown in Figure 3‐11. 

Page 63: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

53 

 

Figure 3‐11 ‐ Model output demonstrating the matching cluster supply to demand 

Note the ability of the option to closely respond to growth in demand as it occurs. This 

benefit is further discussed in Section 4.4.1. 

Having projected both the  flows  to  the distributed sanitation system and  the central 

system a  final  step  involved modifying  the nutrient  flows  to  reflect  the  reduction  in 

total nutrients associated with  the  treatment process. Prior performance efficiencies 

were deemed to be sufficient for this purpose. 

The  incremental  avoided  resource  flow  was  then  inferred  from  the  difference  in 

discharges between  the baseline and  the option  scenario,  thus providing a basis  for 

calculating  the  associated  sewage  discharge  fee  based  on  the  algorithm  described 

above. 

   

2,000 

4,000 

6,000 

8,000 

10,000 

12,000 

14,000 

16,000 

30/6/2008

30/6/2010

30/6/2012

30/6/2014

30/6/2016

30/6/2018

30/6/2020

30/6/2022

30/6/2024

30/6/2026

30/6/2028

30/6/2030

30/6/2032

30/6/2034

30/6/2036

30/6/2038

30/6/2040

30/6/2042

30/6/2044

30/6/2046

30/6/2048

30/6/2050

Cluster sup

ply/de

man

d [M

L/a]

Time [date]

Capacity demand Capacity supply

Page 64: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

54 

The ecological sanitation option 

In addition to the model extensions for distributed sanitation, a key challenge for the 

ecological sanitation option  involved estimating the value of any recovered nutrients. 

This was achieved by  calculating an equivalent dose of artificial  fertiliser per unit of 

nutrient  based  on NSW Department  of  Primary  Industries  figures  (Rose  2004),  and 

using  the  current  local  price  of  that  fertiliser  per  tonne.  Single  superphosphate 

fertiliser was applied as a proxy for phosphorus, while urea was adopted as a proxy for 

nitrogen. The calculations were as follows: 

Equation 3 – Formula for calculating the equivalent market value of plant nutrients 

   

             

 

Therefore, assuming single superphosphate at 8.8% P, costing $262 per tonne: 

Recycled P   = $0.262 / 0.088 

    = $2.98 / kg 

Assuming urea at 46% N, costing $410 per tonne: 

Recycled N  = $0.41 / 0.46 

    = $0.89 / kg 

Note  this calculation assumes  fertiliser costs will remain  fixed over  time, however as 

discussed in the literature review, prices are likely to rise, consistent with depletion of 

oil, gas and phosphorus and greenhouse gas emission reductions. Such an analysis was 

outside the scope of this study. 

Another  important underlying assumption for this proxy valuation  is that urine‐based 

fertilisers will be an acceptable substitute for synthetic fertilisers  in the market. Such 

substitution  will  be  dependent  upon  acceptance  within  the  agricultural  industry, 

however the recent popularity of organic farming is encouraging. 

   

Page 65: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

55 

Another important challenge was developing an estimate of the costs associated with 

the  cartage  of  urine  and  compost,  and  the  avoided  costs  associated with  diverting 

organic waste from the municipal solid waste stream. This challenge was enhanced by 

a deficit in experience with implementing large‐scale ecological sanitation programs at 

the municipal level. 

Wang  et  al  (1998)  undertook  a  similar  study  investigating  the  relative  costs  of 

providing an additional organic waste collection for an inner Melbourne municipality of 

approximately  186,000  households.  The  authors  applied  a  sophisticated  stochastic 

simulation  of  the  operational  costs  and  environmental  impacts  associated  with 

municipal  solid  waste  collections  under  different  assumptions.  Some  of  the  key 

outputs of this study were a unit  financial cost and greenhouse burden per tonne of 

organic and municipal solid waste. 

The unit rates for the organic waste stream were therefore adopted as a suitable proxy 

for the collection costs of a composted faecal and kitchen waste collection service. The 

unit  rates  for  the municipal  solid waste  collection  service were  applied within  the 

baseline as a potential avoided cost. 

Note  that  the avoided costs associated with municipal solid waste collection may be 

underestimated as the diversion of biodegradable wastes from the waste stream may 

ultimately obviate the need for weekly waste collections. 

For costing the urine collection stream, an estimate was drawn from a study  into the 

feasibility  of  a  urine  diverting  composting  toilet  program,  also  in Melbourne  (GHD 

2003). This estimate should be taken was taken with some trepidation as the basis for 

the  assumption was  not  adequately  documented  in  the  report.  Further  research  to 

validate this cost is therefore warranted. 

   

Page 66: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

56 

3.2.5 Analysing the costs: financial flow analysis 

How can the financial impact of options to various stakeholders be accounted? 

As identified by Mitchell et al (2007, pp. 12‐13), it is important to account for both the 

financial costs experienced by each key stakeholder, in addition to the economic costs 

borne by society as a whole. 

A key concept that emerged from the literature review was that of financial intensities. 

That is, in addition to modelling the flows of resources through a system, by assigning 

resource  intensities  to  the  various  activities  or  end  uses  (i.e.  the  infrastructural 

system), the flows of finance may be modelled by assigning financial intensities to each 

of  the options  (i.e.  the  institutional  system).  Such  flows are assigned  to each of  the 

various  stakeholders  and  may  occur  within  the  institutional  system  boundary,  as 

transfer payments between stakeholders, or across the institutional system boundary, 

as true costs. 

While previous  revisions of  the  iSDP model addressed  this  requirement  to a  limited 

extent, by specifying whether the cost was attributed to a stakeholder or society, there 

was no  functionality  to balance  transfer payments  from one stakeholder  to another. 

The  user  therefore  was  forced  to  add  two  parameters,  the  fee  borne  by  one 

stakeholder, and the reception of that fee by the other stakeholder. The  incremental 

impact of transfer payments between stakeholders was therefore largely ignored. 

The  financial  flow analysis concept was therefore applied to each option model. This 

was  achieved  by  developing  an  innovate  structure  to  assign  financial  flows  to 

stakeholders as illustrated in Figure 3‐12.   

Page 67: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

57 

 

Figure 3‐12 – Screenshot of model showing financial flow analysis of options 

Referring  to  the  figure  above,  the  lower  rows  represent  the  various  financial  flows 

projected  in  the option. As  in all  iSDP  sheets,  the Column A  represents  the name of 

each  parameter.  Column  B  contains  a  code  used  to  assign  that  financial  flow  to  a 

stakeholder. That is, if C is the first letter, the cost is borne by the customer. If U is the 

last letter, that cost is received by the utility as a transfer payment. If the last letter is 

absent, the financial flow is transmitted beyond the system as a true economic cost or 

financial  loss  from the  institutional system. Above these rows,  in rows 5 to 8 are the 

various financial costs considered in this analysis. The time series applies an algorithm 

to obey the logic above and is shown below. 

=SUMIF($B$12:$B$22,"C*",C$12:C$22)‐SUMIF($B$12:$B$22,"*C",C$12:C$22) 

Column B for these rows contains the present value of costs borne by the stakeholder. 

The row above, row 3, contains the economic cost, which aggregates all financial costs 

to effectively cancel out all transfer payments to reveal the true economic cost of the 

option. 

After  first assessing  the  suite of options providing  least economic cost  (i.e.  the  least 

cost to society as a whole), this revision allowed the model to be used to modify and 

assess  the  balance  of  transfer  payments  associated with  an  option.  The  innovation 

therefore allows the model to be used as a basis for renegotiating transfer payments 

to ensure financial incentives direct all stakeholders to the most economically efficient 

course of action. 

   

Page 68: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

58 

3.2.6 Analysing uncertainty: stochastic analysis 

How can the inherent uncertainty associated with forecasting be accounted? 

Options with which we have relatively  little experience will have an  inherently higher 

degree of uncertainty than more traditional options. Similarly demand‐side options or 

options  of  relatively  smaller  scale  will  each  typically  have  a  higher  degree  of 

uncertainty than large‐scale supply‐side options (Mitchell et al. 2007, p. 24). 

Uncertainty must therefore be explicitly accounted and managed in order to provide a 

defensible platform for any subsequent decisions. According to Mitchell et al (2007, p. 

25), this may be addressed by two principal measures, including:  

• sensitivity analyses, which essentially  involves assessing the relative sensitivity 

of the model outputs to a proportional change in the input parameters. 

• monte  carlo  simulation,  which  essentially  involves  assigning  a  probability 

density function to each key  input parameter and assessing the uncertainty of 

the model outputs by repeatedly generating random outputs. 

While previous iSDP models have applied sensitivity analyses to identify sensitive input 

parameters,  no  monte  carlo  simulations  have  thus  far  been  undertaken.  Such  an 

analysis would prove useful to identify the inherent range of certainty associated with 

the each baseline component or option, and therefore their respective forecasts. 

Although  owing  to  time  constraints  such  functionality  was  not  realised  within  the 

model, this project sought to identify how such an analysis could be achieved. 

The first stage of the conversion would involve replacing each primary input parameter 

within the model with one of the functions defined below: 

Equation 4 ‐ Excel formula for a uniformly distributed random variable 

min   

Equation 5 = Excel formula for normally distributed random variable 

, ,  

That is, each primary input of known mean and variance would be replaced by an excel 

function  to  generate  a  new  random  variable  (i.e.  based  on  a  specified  probability 

density function) for each execution. 

Page 69: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

59 

A macro would then iteratively recalculate each datasource spreadsheet and output a 

list of  random  results  as  a  spreadsheet. A  simple  visual basic macro  to  achieve  this 

purpose has been included as Appendix B. 

The  list  could  then  be  analysed  to  calculate  the  confidence  interval  on  the model 

outputs, based on the formula below.  

Equation 6 ‐ Upper and lower control limits (Wittwer 2004) 

95%     1.96    1.96√

 

where mu and s are the mean and standard deviation of the outputs, and  

n is the number of iterations of the calculation. 

The  output  of  this  analysis would  be  a  forecast with  three  time  series:  the mean 

forecast and its upper and lower control limits. Such a forecast could be generated to 

characterise  the  uncertainty  in  both  the  baseline  forecast  (i.e.  the  baseline  supply‐

demand balance) and the comparative forecast (i.e. the relative impact of options). 

   

Page 70: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Develop

men

ts to

 the metho

d and supp

ortin

g tools 

60 

Peer review 

The key developments described above were  reviewed during a  seminar held at  the 

Institute  for  Sustainable  Futures on  the 7th May 2008. Attendees  included Professor 

Stuart  White,  an  internationally  respected  expert  in  the  application  of  end  use 

forecasting and  least cost water planning; Andrea Turner, a water engineer with over 

20 years experience in both water and sanitation engineering and project director for 

the  ACT  iSDP model;  Alexander  Kazaglis,  the  consultant  principally  responsible  for 

developing the  iSDP model  for Melbourne; and Dr Simon Fane, who  investigated the 

assessment of distributed sanitation systems as part of his doctoral thesis. 

The  seminar  served  both  to  validate  the  research  methodology,  and  to  highlight 

potential areas of further investigation. Some key issues discussed included: 

• The importance of a distinction between green field or infill development 

• The complexity of assigning an hourly peaking factor 

• The issue of salt in wastewater and its impact upon reuse potential 

• Apparent disagreement between the model outputs and a comparable material 

flow analysis for Sydney 

• How could the system be designed for say, a regulatory goal of 4X average wet 

weather flow etc 

• Whether or not a treatment plant has P removal will affect cost savings‐ need 

to be clear on if this included in base case or not 

• The significance of nitrogen removal as an avoided cost 

• Opportunities for synergy with water and energy planning 

 Having extended the methodology and tools towards analysing the sanitation system, 

it was necessary to validate and demonstrate the method and supporting tools by way 

of a case study example, which is the subject of the following chapter. 

Page 71: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

61 

4 A case study implementation  

The  following  sections  describe  how  the  framework  is  applied  by  process  of  a 

hypothetical example. A  generic overview of  the  actions associated with each  stage 

has been provided,  followed by a description of how  the assessment was applied  to 

the case study context. 

The Australian city of Melbourne was chosen for this analysis owing to both the rigour 

of several pre‐existing stock usage and end use measurement surveys (Roberts 2004, 

2005), and the availability of detailed forecasts for both population and dwellings (Vic 

Planning  2007).  The  case  study  therefore  provided  opportunity  to  test  the  baseline 

resource projections of  the model against actual measurements of  influent  flow and 

nutrient concentrations (Melbourne Water Corporation 1998; 1999; 2000; 2001; 2002; 

2003; 2004; 2005; 2006; 2007). 

Although  a  far  broader  suite  of  options  are  recommended  for  a  thorough  strategic 

review,  several  options  have  been  tested  to  demonstrate  what may  be  achieved. 

These include both a distributed and ecological sanitation system model for green‐field 

service  growth  and  low‐phosphate  detergent  program  for  reducing  effluent 

discharges. 

Finally several implications and recommendations are discussed that are based on the 

model outputs. Note that the model and options are based on publicly available data 

alone and any assessments made are therefore illustrative rather than conclusive. 

   

Page 72: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

62 

4.1 Establishing the framework Define  the  objectives  of  the  analysis  and  specify  the  economic  criteria  by which  the 

alternatives will be assessed 

4.1.1 Defining the objectives 

The  drivers  and  constraints  of  the  study  are  first  clearly  defined  as  a  statement  of 

objectives. 

The objective of  this  study  is  to establish an economically cost‐effective  strategy  for 

servicing  new  developments  on  Melbourne’s  fringe  with  a  high  quality  sanitation 

service while reducing nutrient flows from the Western System. 

4.1.2 Defining the economic criteria 

A common metric by which alternatives may be assessed is then defined in response to 

the drivers of  the analysis. This  involves specifying  the  included costs, all stakeholder 

perspectives to be accounted, an appropriate discount rate and common period for the 

net present calculation. 

The costs accounted in this study include: 

• all  real  capital  and  operational  costs  borne  by  the  customer,  the  utility 

(wholesale  and  retail  providers  have  been  combined  for  simplicity),  and  any 

program partners; and  

• all major transfer payments identified as sewer, water and energy rates 

• all major  externalities  identified  as  water  pollution  associated  with  sewage 

discharge and greenhouse gas emissions (accounted as defined below) 

The study has adopted the economic levelised dwelling cost as the appropriate metric 

for ranking sanitation growth servicing options. This is defined as the present value of 

aggregated  costs  and  avoided  costs  associated  with  the  alternative  borne  by  all 

stakeholders, divided by the present value of dwellings serviced over the assumed 50 

year life‐cycle of the program. The weighted average cost of capital borne by the water 

utility has been selected as a suitable basis for the discount rate (Mitchell et al. 2007), 

which Strategic Financial Consulting Group estimate to be 6.4% (SFG 2007). 

 

Page 73: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

63 

4.1.3 Defining the treatment of externalities 

All  significant  actual  or  avoided  societal  costs  that  are  not  reflected  in  market 

exchanges  are  then  assigned  an  appropriate  assessment  response.  Externalities  are 

internalised  within  the  costs  using  shadow  pricing,  embedded  within  the  study 

objectives, or accounted externally using a quantitative or qualitative assessment. 

For the purposes of this study: 

• impacts  to  receiving waters associated with  the discharge of phosphorus and 

nitrogen  have  been  accounted  as  an  equivalent  load‐based  pollution  license 

charge as defined by NSW  State Government  (Protection of  the Environment 

Operations (General) Regulation 1998) taken as a societal cost; 

• impacts associated with indirect greenhouse gas emissions have been assumed 

to have been  accounted within  the best  available projection of  energy  costs 

given  a  carbon  emissions  trading  scheme  as  projected  by  the  Australian 

National Emissions Trading Taskforce (MMA 2006), 

• impacts associated with direct greenhouse gas emissions have been accounted 

as a best available forecasted cost of an equivalent emission permit, as defined 

above (MMA 2006), 

• other  social  and  environmental  impacts  associated with  the  various  options 

have been assessed qualitatively and discussed within this report. 

   

Page 74: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

64 

4.2 Identifying the system Define  the  system  boundaries,  identify  the  components,  and model  their  exchanges 

within and across the system boundaries 

4.2.1 Defining the boundaries 

The  boundaries  of  the  system  are  first  drawn  to  include  the  full  scope  of  impacts 

associated with the project. This implies an area inclusive of both any new development 

area and any existing system components upon which the development may rely. 

The  case  study  boundary  has  been  drawn  inclusive  of  the  existing  and  future 

catchment boundary of the Western System, with all green‐field growth considered to 

provide  alternative  capacity  to  the  central  system.  Note  a  more  comprehensive 

boundary would be drawn inclusive of the Eastern System as the two systems have the 

capacity  for  approximately  10%  capacity  transfer  (Melbourne  Water  Corporation 

2007). 

4.2.2 Identifying the key components and their exchanges 

A  conceptual model  of  the  elements  of  the  system  and  their  interactions was  then 

developed. 

The system model accounts for three key resource flows: 

• water, owing to its role as a constraint upon the capacity of treatment plants; 

• nutrients, for which nitrogen and phosphorus are accounted owing to their key 

role in both agriculture and the eutrophication of aquatic ecosystems; and 

• energy, owing to its key role in greenhouse gas emissions. 

The key activities to which these flows have been attributed include: 

• bathing – showers, baths and basins; 

• clotheswashing – clotheswashing machines and troughs; 

• dishwashing –dishwashing machines and sinks; 

• toilet – toilet flushing and leakage; 

• non‐residential  –  activities  associated  with  commercial,  industrial  and 

recreational activities; and 

• system gain – infiltration and inflow to the sewerage system. 

Page 75: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

65 

The activities were then placed within the context of the entire system as described by 

Figure 4‐1. A similar model was developed by Gumbo (2005). 

 

 

Figure 4‐1 – Conceptual model for flows of water and phosphorus in the urban system 

   

Return Options 

Wastewater System (Centralised / Distributed) 

PFaeces + PUrine + WGreywater + PGreywater (+ WBlackwater)     WWastewater  + PWastewater (+ PSoilConditioner) 

Municipal Solid Waste System 

PBiowaste   PLandfill (+ PSoilConditioner) 

Urine diverting / composting systems 

PFaeces + PFoodWaste (+ PUrine)   PSoilConditioner + PLosses 

 

Losses  ‐ PLandfill 

‐ WWastewater + PWastewater 

‐ W l l ff +

Injections ‐ Wimported 

‐ PMineralFertiliser 

Services Inputs:      Water +Food + Soaps & Detergents   

Activities:       Bathing + Clotheswashing + Dishwashing + Toilet   

Outputs:       Faeces + Urine + Greywater + Solid Waste (+ WBlackwater) 

Water Balance:  WReticulated (+ WHarvested)  WServices (– DM)  (WBlackwater) + WGreywater + WOutdoor 

Phosphorus Balance: 

PFood (+ PDetergent) PServices PFaeces + PUrine +PGreywater +PFoodWaste

Supply options 

(not considered in this study) 

Water supply (dams / recycling etc) 

Wcollected  (+ Wreclaimed) + Wimported         Wreticulated + Wagriculatural 

Food supply (conventional/ low‐tillage farming etc) 

WAgricultural + PMineralFertiliser (+ PSoilConditioner + PUrine)   PFood +  PSoilStock + PAgriculturalRunoff 

Non‐revenue water  Exfiltration 

Infiltration / inflow 

Page 76: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

66 

4.2.3 Quantifying key flows 

Data describing the behaviour or usage associated with each of the activities, the type 

and number of appliances applied, and the corresponding resources consumed  is then 

collected and reviewed. 

Key sources applied in this study included an extensive survey of household appliance 

stock and usage patterns and an end use measurement study both conducted by Yarra 

Valley Water (Roberts 2004, 2005), state‐wide appliance sales and efficiency data (GFK 

2006), and state‐wide water and energy appliance ownership surveys (ABS 2007b). The 

key references and assumptions associated with each end use are described below: 

• Bathing – based upon usage and water intensity data derived from a residential 

end  use  measurement  study  in  Melbourne  (Roberts  2005),  and  state‐wide 

showerhead ownership data (ABS 2007b); 

• Clotheswashing – based upon usage data derived  from a  residential end use 

measurement  study  in Melbourne  (Roberts 2005),  state‐wide  appliance  sales 

and average appliance water water intensity data (GFK2006), and an Australian 

detergent phosphorus  intensity study  (Patterson 2007) weighted to detergent 

market share surveys (AC Nielsen 2007); 

• Dishwashing  –  based  upon  usage  data  derived  from  a  residential  end  use 

measurement study in Melbourne (Roberts 2005), state‐wide sales and average 

appliance water intensity (GFK 2006), and an Australian detergent phosphorus 

intensity  study  (Patterson 2007) weighted  to detergent market  share  surveys 

(AC Nielsen 2007); 

• Toilets  –  based  upon  usage  and  water  intensity  data  from  an  end  use 

measurement study of Melbourne  (Roberts 2005), state‐wide dual  flush toilet 

ownership data (ABS 2007b), nutrient  intensity data derived from nation‐wide 

dietary intake statistics (FAO 2007; Jönsson & Vinnerås 2003); and 

• Non‐residential  –  based  upon  prior  studies  indicating  approximately  10%  of 

baseline  demand  attributed  to  non‐residential  components,  deemed 

proportional to population. 

These data sets were then entered  into the appropriate model  fields. A  list of model 

components, their assumptions and references is provided as Appendix A. 

Page 77: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

67 

4.3 Specifying the base case Project the resource and financial flows associated with a ‘business as usual’ scenario 

In order to later assess the incremental cost of an alternative, a baseline projection of 

resource and financial flows is first developed. 

4.3.1 Projecting baseline demography 

The first stage of this process involved defining the historical and future demographic 

changes  within  the  study  region  to  form  the  basis  for  the  resource  and  financial 

projections. 

Current population, dwelling and  lot mix data was  therefore collected  to provide an 

accurate  launching point for the demand forecast and hindcast. This data was drawn 

from the most current spatially referenced data sets provided by the Australian Bureau 

of  Statistics  (2002).  This  spatial  data  set, which  is  comprised  of  statistical  collector 

district units, was aggregated for the study areas. 

The analysis was undertaken using MapInfo GIS software. This involved first overlaying 

the  spatial  boundaries  of  the  study  regions  upon  the  collector  district‐level  spatial 

boundaries.  A  query was  then  executed  specifying  the  software  to  select  all  those 

collector  districts  with  their  centroid  lying  within  the  study  area  boundary.  The 

selected tables were then directly exported to the region data sources.  

Historical  demographic  data was  then  required  to  establish  an  accurate  age mix  of 

appliance  stock  for  the  commencement of  the end use  forecast. These were drawn 

from a historical data collection project which provided a population times series  for 

the Melbourne Metropolitan Region (ABS 2006). This was converted to a time series of 

hindcast growth factors to effectively apportion an equivalent hindcast growth to the 

study area to that of the entire Melbourne region. 

Finally  future  demographic  projections  were  developed  to  form  the  basis  for  the 

resource  and  financial  projections.  This  data  was  drawn  from  the  state  planning 

authority  statistical  local  area  projections  (Vic  Planning  2007),  which  were  then 

assessed by first fixing each of the SLA projections to spatial boundaries (ABS 2007a). 

This enabled a similar process to that described above, however given the aggregation 

was  conducted  using  a  larger  component  region  (and  was  therefore  of  a  lower 

Page 78: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

68 

resolution),  this  analysis was only  applied  to define  a  time  series of population  and 

dwelling forecast growth factors similar to that applied for the hindcast. No data was 

available post 2031, however given the degree of discounting  inherent in the analysis 

beyond this time period, a linear extrapolation was judged to be adequate. 

The population and dwelling projection  time  series were  then apportioned  to either 

single residential  (i.e. a relatively homogenous group comprising detached dwellings) 

or multi residential  (i.e. a relatively heterogeneous group comprising  terrace houses, 

units, and other dwellings). This was undertaken based upon the census data that was 

available. 

Additionally, half of population  and dwelling  growth was  apportioned  as  green‐field 

development based upon Vic Planning projections  for Melbourne  assuming pro‐rate 

rates for the Western System (Vic Planning 2004). 

The outputs from this demographic analysis are shown in Figure 4‐4 and Figure 4‐3. 

 

Figure 4‐2 ‐ Time series of population for the study area 

0

500,000

1,000,000

1,500,000

2,000,000

2,500,000

30/6/1960

30/6/1963

30/6/1966

30/6/1969

30/6/1972

30/6/1975

30/6/1978

30/6/1981

30/6/1984

30/6/1987

30/6/1990

30/6/1993

30/6/1996

30/6/1999

30/6/2002

30/6/2005

30/6/2008

30/6/2011

30/6/2014

30/6/2017

30/6/2020

30/6/2023

30/6/2026

30/6/2029

30/6/2032

30/6/2035

30/6/2038

30/6/2041

30/6/2044

30/6/2047

30/6/2050

Popu

lation

Time [Year]

Single Multi

Page 79: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

69 

 

Figure 4‐3 ‐ Time series of dwellings for the study region 

As reflected in the relative difference in slope of the two charts, the projections reflect 

a trend toward lower mean occupancy of dwellings in the study region, as illustrated in 

the chart below. 

 

100,000 

200,000 

300,000 

400,000 

500,000 

600,000 

700,000 

800,000 

900,000 

1,000,000 

30/6/1960

30/6/1963

30/6/1966

30/6/1969

30/6/1972

30/6/1975

30/6/1978

30/6/1981

30/6/1984

30/6/1987

30/6/1990

30/6/1993

30/6/1996

30/6/1999

30/6/2002

30/6/2005

30/6/2008

30/6/2011

30/6/2014

30/6/2017

30/6/2020

30/6/2023

30/6/2026

30/6/2029

30/6/2032

30/6/2035

30/6/2038

30/6/2041

30/6/2044

30/6/2047

30/6/2050

Dwellin

gs

Time [Years]

Single Multi

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

30/6/1960

30/6/1963

30/6/1966

30/6/1969

30/6/1972

30/6/1975

30/6/1978

30/6/1981

30/6/1984

30/6/1987

30/6/1990

30/6/1993

30/6/1996

30/6/1999

30/6/2002

30/6/2005

30/6/2008

30/6/2011

30/6/2014

30/6/2017

30/6/2020

30/6/2023

30/6/2026

30/6/2029

30/6/2032

30/6/2035

30/6/2038

30/6/2041

30/6/2044

30/6/2047

30/6/2050

Popu

lation

Time [Years]

Single Multi

Page 80: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

70 

4.3.2 Projecting baseline resource flows 

Having established the baseline demographic projection for the study region, the next 

stage involves projecting the baseline resource flows associated with the system under 

study. 

This  is  undertaken  by  executing  an  ‘update  and  transfer’  of  the  iSDP model, which 

effectively uploads  the demographic data  to  a  central database  and distributes  that 

data  to each of  the baseline components. A component  forecast was  then executed 

representing  the  resource  flows  associated  with  each  activity  and  its  constituent 

appliances. Each of these components forecasts are dependent upon the assumptions 

established in Section 4.2, the impact of which has been fully described in the sections 

below. The component  forecasts were then re‐uploaded to the central database and 

aggregated to form the various baseline forecasts. 

Sewage water flows 

The  following  charts  demonstrate  the model  projections  for  the water  flows  being 

drawn from the study region. Figure 4‐4 firstly shows the model projection for water 

flows associated with bathing activities  in residential dwellings, which  include the use 

of showers, baths and hand basins.  

 

Figure 4‐4 ‐ Projection for water flows associated with bathing activities by appliance 

5,000 

10,000 

15,000 

20,000 

25,000 

30,000 

35,000 

40,000 

45,000 

50,000 

Water Dem

and [M

L/a]

Time [Year]

Shower Bath Basin

Page 81: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

71 

The projection assumes shower water to be proportional to: 

• population, which is trended to increase;  

• frequency of showering, which assumes a slight increase owing to aging of the 

population profile; duration of showering, which is assumed constant; and  

• the water intensity per showerhead type, which is assumed to reduce owing to 

a shift toward efficient showerheads.  

The projection assumes bath water to be proportional to: 

• population, which is trended to increase;  

• frequency of bathing, which assumes a  slight decrease owing  to aging of  the 

population profile; and  

• bath  filled  volumes,  which  assume  an  increase  owing  to  aging  of  the 

demographic profile 

The model assumes hand basin water to be proportional to  

• population;  

• frequency and duration of use, which are both assumed constant; and  

• flow rates, also assumed constant.  

The  resulting  baseline  component  sewage  forecast  shows  a  discontinuity  with 

demographic  growth  predominantly  reflecting  an  assumed  baseline  shift  toward 

efficient showerheads. 

Page 82: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

72 

Figure 4‐5 shows the model projection for water flows associated with clotheswashing 

activities  in  residential dwellings, which  include  the use of  clotheswashing machines 

and laundry troughs. 

 

Figure 4‐5 ‐ Projection for water flows associated with clotheswashing activities by appliance 

The projection assumes that clotheswashing machine water is proportional to:  

• the  stock of machines, which  is  trended  to  increase with population  growth, 

reduced occupancy, and a slight increase in ownership levels;  

• frequency of machine washing per machine, which is assumed to decrease with 

reduced occupancy; and  

• the water intensity per activity by appliance type, which is assumed to decrease 

with a strong shift toward front‐loading clotheswashing machines. 

The projection assumes that laundry trough water is proportional to  

• the number of households, and  

• inversely proportional to the ownership of clotheswashing machines 

The  resulting  baseline  component  sewage  forecast  therefore  shows  a  dramatic 

reduction  in  both  total  and  per  capita water  flows  associated with  clotheswashing 

activities associated with a shift toward front‐loading washing machines. 

5,000 

10,000 

15,000 

20,000 

25,000 

30,000 

30/6/1960

30/6/1964

30/6/1968

30/6/1972

30/6/1976

30/6/1980

30/6/1984

30/6/1988

30/6/1992

30/6/1996

30/6/2000

30/6/2004

30/6/2008

30/6/2012

30/6/2016

30/6/2020

30/6/2024

30/6/2028

30/6/2032

30/6/2036

30/6/2040

30/6/2044

30/6/2048

Water Dem

and [M

L/a]

Time [Year]

Clotheswashers Troughs

Page 83: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

73 

Figure 4‐6  shows  the model projection  for water  flows  associated with dishwashing 

activities  in residential dwellings, which  include the use of dishwashing machines and 

kitchen sinks. 

 

Figure 4‐6 ‐ Projection for water flows associated with dishwashing activities by appliance 

The  projection  is  based  upon  the  assumption  that  dishwashing  machine  water  is 

proportional to:  

• the  stock of machines, which  is  trended  to  increase with population  growth, 

reduced occupancy, and an increase in ownership levels;  

• frequency of machine washing per machine, which is assumed to decrease with 

reduced occupancy (though increasing per capita); and  

• the water intensity per activity, which is assumed to approach an asymptote.  

The projection assumes kitchen sink water to be proportional to: 

• the number of dwellings, which is trended to increase;  

• frequency  of  hand  washing,  which  is  projected  to  decrease  with  increased 

dishwashing machine ownership; and  

• consumption per hand washing activity, which is assumed constant.  

2,000 

4,000 

6,000 

8,000 

10,000 

12,000 

30/6/1960

30/6/1964

30/6/1968

30/6/1972

30/6/1976

30/6/1980

30/6/1984

30/6/1988

30/6/1992

30/6/1996

30/6/2000

30/6/2004

30/6/2008

30/6/2012

30/6/2016

30/6/2020

30/6/2024

30/6/2028

30/6/2032

30/6/2036

30/6/2040

30/6/2044

30/6/2048

Water flow

 [ML/a]

Time [Year]

Dishwashers Sinks

Page 84: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

74 

Based  on  these  assumptions  the  uptake  of  dishwashing machines  results  in  a  net 

decrease  in  household  dishwashing  water  predominantly  owing  to  the  reduced 

associated frequency of sink use. Also, the model assigns half of all kitchen sink use to 

be  flow  related,  the  other  half  is  related  to  capacity,  which  is  consistent  with 

international research (Friedler & Butler 1996). 

 Figure 4‐7 shows the model projection for water flows associated with toilet flushing in 

residential dwellings. 

 

Figure 4‐7 ‐ Projection for water flows associated with toilet flushing 

The projection is based upon the assumption that toilet flushing water is proportional 

to: 

• the population of the study area, which is projected to increase;  

• the frequency of flushing at home, which is assumed constant; and  

• the water  intensity per stock type; which  is projected to decrease significantly 

with the shift toward dual flush toilet models of reduced mean flush volume.  

The  latter term  is dominant with a significant reduction  in per capita and total water 

use. Note the model  indicates around half of these savings are  likely to already have 

been reflected in water flows from the first year of projection. 

2,000 

4,000 

6,000 

8,000 

10,000 

12,000 

14,000 

16,000 

18,000 

20,000 

30/6/1960

30/6/1964

30/6/1968

30/6/1972

30/6/1976

30/6/1980

30/6/1984

30/6/1988

30/6/1992

30/6/1996

30/6/2000

30/6/2004

30/6/2008

30/6/2012

30/6/2016

30/6/2020

30/6/2024

30/6/2028

30/6/2032

30/6/2036

30/6/2040

30/6/2044

30/6/2048

Water flow

 [ML / a]

Time [Year]

Page 85: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

75 

 Figure 4‐7 shows the model projection for water flows associated with non‐residential 

components. 

 

Figure 4‐8 ‐ Projection of water flows associated with non‐residential components 

The projection  is based upon the assumption that non‐residential water  is consistent 

with historically observed sewage flows assumed to increase pro‐rata with population. 

This rate of growth is likely to be overestimated and warrants further investigation. A 

review of  customer databases  should be  conducted  together with  consultations and 

measurements  undertaken  with  major  non‐residential  customers  (see 

recommendations in Chapter 5). 

   

10,000 

20,000 

30,000 

40,000 

50,000 

60,000 

30/6/1997

30/6/1999

30/6/2001

30/6/2003

30/6/2005

30/6/2007

30/6/2009

30/6/2011

30/6/2013

30/6/2015

30/6/2017

30/6/2019

30/6/2021

30/6/2023

30/6/2025

30/6/2027

30/6/2029

30/6/2031

30/6/2033

30/6/2035

30/6/2037

30/6/2039

30/6/2041

30/6/2043

30/6/2045

30/6/2047

30/6/2049

Water flow

 [ML / a]

Time [date]

Page 86: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

76 

 Figure 4‐9 shows the aggregated and stacked end use components as a baseline dry 

weather  sewage  flow  plotted  against  recorded  influent  flows  at  the  wastewater 

treatment plant (Melbourne Water Corporation 1998; 1999; 2000; 2001; 2002; 2003; 

2004; 2005; 2006; 2007). 

 

Figure 4‐9 ‐ Projection of baseline sewage flow by end use 

The  figure  indicates  that, based on  the model assumptions,  residential sewage  flows 

will decrease both in total and on a per capita basis, however this is offset by a slight 

increase in total non‐residential demand. 

Note  the disparity between  the modelled and recorded  flows may be predominantly 

attributed to wet weather inflows, which drop significantly over recent years owing to 

unusually low rainfall. 

   

0

20,000

40,000

60,000

80,000

100,000

120,000

140,000

160,000

180,000

200,000

1/01

/1998

1/01

/2001

1/01

/2004

1/01

/2007

1/01

/2010

1/01

/2013

1/01

/2016

1/01

/2019

1/01

/2022

1/01

/2025

1/01

/2028

1/01

/2031

1/01

/2034

1/01

/2037

1/01

/2040

1/01

/2043

1/01

/2046

1/01

/2049

Baselin

e sewage flo

ws [M

L/a]

Time [date]

Bathing Clotheswashing Dishwashing

Toilets Non‐residential Sewage flow (recorded)

Page 87: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

77 

Figure 4‐10 shows the share of overall baseline sewage water flows by end use for the 

financial  year  ending  2008,  the  first  year  of  projection.  The  infiltration  component 

represents the residual in the year 2000, which is was assumed to represent the most 

normal rainfall year, factored pro‐rate with the growth of dwelling numbers. 

 

Figure 4‐10 – Share of sewage flow by end use 

The figure indicates that a large component of the sewage stream (34%) is associated 

with  infiltration  and  inflow,  that  is,  the  sewage  flow  associated with  the  collection 

system itself. 

Also worthy of note is the relatively small share of toilet flushing, which is contrary to 

similar  international  studies  (Almeida, Butler & Friedler 1999; Butler 1993). This  is a 

reflection of the significant share of dual flush toilets of comparative water efficiency, 

the result being a consequent reduction in end use share. 

   

Bathing 22%

Clotheswashing 13%

Dishwashing 4%

Toilet 7%

Non‐residential 20%

Inflow & Infiltration 34%

Page 88: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

78 

Sewage phosphorus flows 

The  following charts demonstrate  the model projections  for phosphorus  flows being 

drawn  from  the  study  region.  Figure  4‐11  firstly  shows  the  model  projection  for 

phosphorus flows associated with toilet flushing in residential dwellings. 

 

Figure 4‐11 ‐ Projection of phosphorus flows associated with toilet flushing 

This  projection  is  based  upon  the  assumption  that  toilet  flushing  phosphorus  is 

proportional to: 

• population, which is projected to increase; and 

• dietary protein  intake, proportionate share of vegetal protein, and time spent 

at home, which in the absence of any further data have been assumed constant 

over time. 

The  dietary  protein  intake  in  Australia  is  twice  that  recommended  by  Nutrition 

Australia (2008). A shift toward such  levels would therefore result  in a 50% reduction 

in  phosphorus  entering  the  wastewater  stream.  Also,  based  upon  algorithms 

developed  by  Jönsson  &  Vinnerås  (2003),  a  shift  toward  a  vegetarian  diet  in  the 

population would lead to 50% increase in the phosphorus load in the system, while, for 

interest, an entirely carnivorous diet would lead to a 25% reduction based on an equal 

dietary protein intake. 

200,000 

400,000 

600,000 

800,000 

1,000,000 

1,200,000 

1,400,000 

1,600,000 

30/6/1960

30/6/1964

30/6/1968

30/6/1972

30/6/1976

30/6/1980

30/6/1984

30/6/1988

30/6/1992

30/6/1996

30/6/2000

30/6/2004

30/6/2008

30/6/2012

30/6/2016

30/6/2020

30/6/2024

30/6/2028

30/6/2032

30/6/2036

30/6/2040

30/6/2044

30/6/2048

Phosph

orus flow

 [kg/a]

Time [Year]

Urine Faeces

Page 89: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

79 

Figure  4‐12  shows  the  model  projection  for  phosphorus  flows  associated  with 

clotheswashing  activities  in  residential  dwellings,  which  predominantly  occur  as  a 

result of detergent builders in machine washing 

 

Figure 4‐12 ‐ Projection of phosphorus flows associated with clotheswashing detergents 

The projection is based upon the assumption that clotheswashing phosphate flows are 

proportional to: 

• the  stock of machines, which  is  trended  to  increase with population  growth, 

reduced occupancy, and a slight increase in ownership levels;  

• frequency of machine washing per machine, which is assumed to decrease with 

reduced occupancy; and  

• the  phosphate  intensity  per  activity  by  appliance  type, which  is  assumed  to 

decrease marginally with a shift toward front‐loading clotheswashing machines. 

The model therefore predicts phosphate inputs attributed to clotheswashing activities 

to grow in total while reducing slightly on a per capita basis. 

 

100,000 

200,000 

300,000 

400,000 

500,000 

600,000 

700,000 

800,000 

900,000 

30/6/1960

30/6/1964

30/6/1968

30/6/1972

30/6/1976

30/6/1980

30/6/1984

30/6/1988

30/6/1992

30/6/1996

30/6/2000

30/6/2004

30/6/2008

30/6/2012

30/6/2016

30/6/2020

30/6/2024

30/6/2028

30/6/2032

30/6/2036

30/6/2040

30/6/2044

30/6/2048

Phosph

orus flow

 [kg/a]

Time [Year]

Page 90: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

80 

Figure  4‐13  shows  the  model  projection  for  phosphorus  flows  associated  with 

dishwashing  activities  in  residential  dwellings,  which  are  solely  attributed  to 

dishwashing machines (Patterson 2007). 

 

Figure 4‐13 ‐ Projection of phosphorus flows associated with dishwashing detergents 

The projection is based upon the assumption that dishwashing machine phosphorus is 

proportional to:  

• the  stock of machines, which  is  trended  to  increase with population  growth, 

reduced occupancy, and an increase in ownership levels;  

• frequency of machine washing per machine, which is assumed to decrease with 

reduced occupancy (though increasing per capita); and  

• the phosphorus intensity per activity, which is assumed constant.  

The data presented by Patterson  (2007) suggests there  is significant variability  in the 

phosphate  intensity of dishwashing detergents, with one sample exhibiting a ten‐fold 

increase  on  average  levels.  This  finding  warrants  further  research  to  develop  a 

thorough  inventory  of  the  phosphate  concentrations  and market  share  of  common 

detergent  products  as  a  basis  for  developing  a  more  rigorous  weighted  average 

phosphate load. 

20,000 

40,000 

60,000 

80,000 

100,000 

120,000 

140,000 

160,000 

180,000 

30/6/1960

30/6/1964

30/6/1968

30/6/1972

30/6/1976

30/6/1980

30/6/1984

30/6/1988

30/6/1992

30/6/1996

30/6/2000

30/6/2004

30/6/2008

30/6/2012

30/6/2016

30/6/2020

30/6/2024

30/6/2028

30/6/2032

30/6/2036

30/6/2040

30/6/2044

30/6/2048

Phosph

orus flow

 [kg/a]

Time [Year]

Page 91: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

81 

Figure 4‐18  shows  the model projection  for phosphorus  flows associated with  toilet 

flushing in non‐ residential premises. 

 

Figure 4‐14 – Projection of phosphorus flows associated with toilet flushing in non‐residential premises 

The model assumes phosphorus flows associated with toilet flushing in non‐residential 

dwellings to be proportional to population, dietary intake, and time spent outside the 

home. Note that the proportions are slightly shifted toward urine derived phosphates 

owing to the ‘at home’ assumptions favouring defecating at home. 

0

100,000

200,000

300,000

400,000

500,000

600,000

30/6/1997

30/6/1999

30/6/2001

30/6/2003

30/6/2005

30/6/2007

30/6/2009

30/6/2011

30/6/2013

30/6/2015

30/6/2017

30/6/2019

30/6/2021

30/6/2023

30/6/2025

30/6/2027

30/6/2029

30/6/2031

30/6/2033

30/6/2035

30/6/2037

30/6/2039

30/6/2041

30/6/2043

30/6/2045

30/6/2047

30/6/2049

Phosph

orus flow

 [kg/a]

Time [Year]

Urine Faeces

Page 92: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

82 

Figure  4‐15  shows  the  aggregated  and  stacked  end  use  components  as  baseline 

phosphorus  flows  plotted  against  measurements  of  total  phosphorus  present  in 

wastewater treatment plant influent (Melbourne Water Corporation 1998; 1999; 2000; 

2001; 2002; 2003; 2004; 2005; 2006; 2007). 

 

Figure 4‐15 ‐ Projection of baseline phosphorus flow by end use 

The  chart  indicates  the  model  projections  lie  within  the  uncertainty  range  of  the 

measurements recorded by Melbourne Water Corporation. 

The projection projects a growth  in the baseline phosphorus flows within the system 

that  is approximately consistent with population growth, and, based upon the above 

sewage modelling, it may be inferred that concentrations of influent phosphates to the 

wastewater treatment plant may increase with reduced proportionate hydraulic flows. 

0

500,000

1,000,000

1,500,000

2,000,000

2,500,000

3,000,000

1/01

/1998

1/01

/2001

1/01

/2004

1/01

/2007

1/01

/2010

1/01

/2013

1/01

/2016

1/01

/2019

1/01

/2022

1/01

/2025

1/01

/2028

1/01

/2031

1/01

/2034

1/01

/2037

1/01

/2040

1/01

/2043

1/01

/2046

1/01

/2049

Baselin

e ph

osph

orus flow

 [kg/a]

Time [Year ending]

Residential Clotheswashing Residential Dishwashing Residential toilet

Non‐residential toilet Phosphorus flow (reported)

Page 93: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

83 

Figure 4‐16 shows the shares of overall baseline phosphorus  flow by end use  for the 

financial year ending 2008, the first year of projection. 

 

Figure 4‐16 ‐ Share of phosphorus flow by end use 

The component contributions of phosphorus by end use indicate approximately 60% of 

phosphorus flows in wastewater systems are associated with excreta, which is slightly 

greater than the 50% asserted by Butler and Davies (2004, p. 67). 

Clotheswashing 34%

Dishwashing 5%

Residential toilets 39%

Non Residential toilets 22%

Page 94: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

84 

Baseline nitrogen flows 

The following charts demonstrate the model projections for nitrogen flows within the 

study  region,  of  which  excreta  have  been  assumed  as  the  sole  component.  This 

assumption  is  supported  by  Butler  and  Davies  (2004,  p.  67) who  attribute  94%  of 

nitrogen  to  excreta.  The  residual,  which  is  predominantly  ammonia  in  cleaning 

products, has not been accounted in this study. 

Figure  4‐17  shows  the  model  projection  for  nitrogen  flows  associated  with  toilet 

flushing in residential dwellings. 

 

Figure 4‐17 ‐ Projection of nitrogen flows associated with toilet flushing in residential dwellings 

The  model  assumes  nitrogen  flows  associated  with  toilet  flushing  in  residential 

dwellings to be proportional to:  

• population, which is projected to increase and 

• dietary intake and time spent at home, both assumed constant with time. 

Note the relative shares for nitrogen attributed to urine and faeces is in disagreement 

with  those provided by Butler and Davies  (2004, p. 67), but are  consistent with  the 

most  current empirical  research  (Gumbo 2005;  Jönsson & Vinnerås 2003; Otterpohl 

2001). 

1,000,000 

2,000,000 

3,000,000 

4,000,000 

5,000,000 

6,000,000 

7,000,000 

8,000,000 

9,000,000 

10,000,000 

30/6/1960

30/6/1964

30/6/1968

30/6/1972

30/6/1976

30/6/1980

30/6/1984

30/6/1988

30/6/1992

30/6/1996

30/6/2000

30/6/2004

30/6/2008

30/6/2012

30/6/2016

30/6/2020

30/6/2024

30/6/2028

30/6/2032

30/6/2036

30/6/2040

30/6/2044

30/6/2048

Nitrogen flo

w [k

g/a]

Time [Year]

Urine Faeces

Page 95: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

85 

Figure  4‐18  shows  the  model  projection  for  nitrogen  flows  associated  with  toilet 

flushing in non‐ residential premises. 

 

Figure 4‐18 – Projection of nitrogen flows associated with toilet flushing in non‐residential premises 

The model  assumes  nitrogen  flows  associated with  toilet  flushing  in  non‐residential 

premises to be proportional to: 

• population, which is projected to increase; and 

• dietary intake, and time spent outside the home, each assumed constant. 

Note that owing to alternative ‘at home’ assumptions for excreta, the bulk of nitrogen 

is owing to urine. 

0

1,000,000

2,000,000

3,000,000

4,000,000

5,000,000

6,000,000

7,000,000

30/6/1997

30/6/1999

30/6/2001

30/6/2003

30/6/2005

30/6/2007

30/6/2009

30/6/2011

30/6/2013

30/6/2015

30/6/2017

30/6/2019

30/6/2021

30/6/2023

30/6/2025

30/6/2027

30/6/2029

30/6/2031

30/6/2033

30/6/2035

30/6/2037

30/6/2039

30/6/2041

30/6/2043

30/6/2045

30/6/2047

30/6/2049

Nitrogen flo

w [k

g/a]

Time [Year]

Urine Faeces

Page 96: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

86 

Figure  4‐19  shows  the  aggregated  and  stacked  end  use  components  as  baseline 

nitrogen  flows  plotted  against  measurements  of  total  nitrogen  present  in  the 

wastewater treatment plant influent (Melbourne Water Corporation 1998; 1999; 2000; 

2001; 2002; 2003; 2004; 2005; 2006; 2007). 

 

Figure 4‐19 ‐ Projection of baseline nitrogen flow by end use 

The  chart  indicates  the  model  projections  lie  within  the  uncertainty  range  of  the 

measurements recorded by Melbourne Water Corporation. 

Nitrogen  is  subject  to a number of chemical processes within  the  sewer  stream,  the 

most dominant of which is the conversion of urea in urine to ammonia in both aerobic 

and  anaerobic  conditions  (Butler & Davies  2004).  Such  conversions warrant  further 

research to drawing any distinct connections between end use  loads and wastewater 

treatment plant influent nitrogen compositions. 

0

2,000,000

4,000,000

6,000,000

8,000,000

10,000,000

12,000,000

14,000,000

16,000,000

1/01

/1998

1/01

/2001

1/01

/2004

1/01

/2007

1/01

/2010

1/01

/2013

1/01

/2016

1/01

/2019

1/01

/2022

1/01

/2025

1/01

/2028

1/01

/2031

1/01

/2034

1/01

/2037

1/01

/2040

1/01

/2043

1/01

/2046

1/01

/2049

Baselin

e nitrogen

 flow

 [kg/a]

Time [Year ending]

Residential toilets Non residential toilets Nitrogen flow (reported)

Page 97: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

87 

Figure  4‐20  shows  the  shares  of  overall  baseline  nitrogen  flow  by  end  use  for  the 

financial year ending 2008, the first year of projection. 

 

Figure 4‐20 – Share of nitrogen flow by end use 

The  baseline mix  of  end  use  shares  is  simply  a  reflection  of  the  ‘at  home’  factors 

specifying a 40 hour working week. This means that based on the model assumptions 

the share will shift on weekends, while the total nitrogen  inflow will remain constant 

on a daily time step. An hourly time step would likely reveal a morning peak, however 

no empirical studies appear to have supported or refuted such an assertion. 

 

 

Conclusions and recommendations 

The  resource  projections  presented  above  validate  well  with  the  empirical 

measurements undertaken by Melbourne Water Corporation and are considered to be 

the  best  currently  available  end  use  disaggregation  of  dry  weather  sewage  flows. 

However  further  research  to  characterise  peak  wet  weather  flows  is  considered 

strategic. 

   

Residential toilets 59%

Non residential toilets 41%

Page 98: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

88 

4.4 Identifying the options Inventory the broad suite of options available toward meeting the study objectives and 

estimate their incremental resource and financial impacts 

4.4.1 Distributed system 

Small bore  settled  sewer  systems are designed  to  receive only  the  liquid portion of 

household  wastewater,  thus  significantly  simplifying  wastewater  collection  and 

treatment (Otis & Mara 1985). 

The  system applied  in  this option  is based upon  that developed by Orenco  Systems 

(2007). Combined wastewater from the house is transmitted to a household septic or 

interceptor tank, which provides daily peak storage and separates the dominant share 

of suspended solids for  intermittent removal and disposal. The filtered wastewater  is 

then  either  pumped  or  conveyed  by  gravity  to  a  low  diameter  pressurised  sewer 

network.  Such networks have no minimum  falls,  thus  avoiding  the expense of deep 

excavations  or manholes,  and  apply  watertight  fittings,  thus  circumventing  inflow, 

infiltration  and  exfiltration  in  most  circumstances.  Figure  4‐21  depicts  the  typical 

configuration of the collection components. 

 

Figure 4‐21  ‐ Collection  components:  interceptor  tank, effluent pump and pressurised  sewer  (Orenco  Systems 2007) 

The  filtered  effluent  is  treated  by  modular  wastewater  treatment  systems,  which 

consist  of  recirculating  sand  or  textile  filters  and UV  disinfection.  Such  systems  are 

fitted with telemetry controls and therefore require a reduced level of supervision and 

maintenance relative to centralised treatment plants.  

Page 99: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

89 

Figure 4‐22 shows a typical distributed treatment system. 

 

Figure 4‐22 ‐ Treatment components: modular recirculating textile filters (Orenco Systems 2007) 

The  treated  and  disinfected  effluent  is  rendered  to  a  quality  suitable  for  low‐risk 

irrigation purposes. 

Resource impact 

The  projected  resource  impact  of  the  option  has  been  based  upon  the  following 

assumptions: 

• The penetration of the option is assumed to include all greenfield development 

in the study region, which is assumed to approximately equal 50% of projected 

new dwellings (Vic Planning 2007). 

• All  associated  baseline  sewage,  phosphorus  and  nitrogen  flows  are  diverted 

from the central sewerage system. 

• Infiltration  flows apportioned  to  the affected components are assumed  to be 

negligible. 

• Sufficient  treatment  plants  are  installed  to  provide  capacity  for  average 

estimated flows three years hence, with plant modular capacity equal to 60kL/d 

(22ML/a). Note no peaking factor has been assigned owing to daily storage of 

interceptor tanks. 

 

When compared to centralised systems that often require designs to meet projected 

demand  several  decades  hence,  this  adaptive  mechanism  may  provide  significant 

Page 100: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

90 

benefits  in  terms  of  reduced  exposure  to  uncertainty  in  forecasting  future  capacity 

demand. This benefit, though important, is beyond the scope of this project.  

Figure 4‐23 depicts  the  impact of  this alternative  capacity upon  the  influent  sewage 

flows at the Western Treatment Plant. 

 

Figure 4‐23 ‐ Projected offset sewage flow to Western Treatment Plant 

This output  is designed  to provide  scope  for  assessing  any  avoided  treatment plant 

capacity upgrades. As may be seen the option has the effect of  levelling the baseline 

sewage projection. Although  falling outside the scope of this study, a similar analysis 

would be useful  for sub‐components of the wastewater system  (e.g. to project trunk 

sewer flows and capacity). 

0

50,000

100,000

150,000

200,000

250,000

1998 2002 2006 2010 2014 2018 2022 2026 2030 2034 2038 2042 2046 2050

influ

ent sew

age [M

L/a]

Year End June

Baseline Demand Forecast Distributed sanitation option impact

Page 101: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

91 

In addition, Figure 4‐24 provides the ability for the decision‐maker to assess the impact 

of the option in reducing the discharge of phosphorus to the receiving environment. 

 

Figure 4‐24 ‐ Projected reduction in effluent phosphorus from Western Treatment Plant 

A similar output is available for nitrogen flow reductions. 

Financial impact 

The financial impact of the option is based on the following assumptions: 

• Capital costs assigned to each dwelling total $5100 and  include an  interceptor 

tank,  effluent  filter  and pump  ($4500)  and pressurized piping  ($600,  30m @ 

$20/m) all inclusive (Holt & James 2006; Mitchell et al. 2007).  

• Capital  costs  for  each  60kL/d  capacity  treatment  system  total  $500,000  and 

include AdvanTex Treatment Pods (Orenco Systems 2007), UV disinfection and 

on‐site sub‐surface irrigation system (Holt & James 2006). 

• Operational costs assigned to each dwelling total $94/a and include inspection 

($10/a:  1hr @  $40/h  every  4  years), maintenance  ($34),  and  administrative 

overheads  ($24/a:  apportioned  0.5%  of  $5,600/a)  and  electricity  (~$22:  110 

kWh/a @ approx. $0.20/kWh (White 2004 adjusted for local units rates). 

• Operational costs assigned to each treatment plant include regular inspections 

($2,160/a:  4.5h/month  @  $40/h),  maintenance  ($720/a),  miscellaneous 

200,000 

400,000 

600,000 

800,000 

1,000,000 

1,200,000 

1,400,000 

30/6/2008

30/6/2010

30/6/2012

30/6/2014

30/6/2016

30/6/2018

30/6/2020

30/6/2022

30/6/2024

30/6/2026

30/6/2028

30/6/2030

30/6/2032

30/6/2034

30/6/2036

30/6/2038

30/6/2040

30/6/2042

30/6/2044

30/6/2046

30/6/2048

30/6/2050

Phosph

orus discharged [kg/a]

Time [date]

Page 102: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

92 

repaires  ($1,119),  monitoring  ($2,140/a),  administration  ($2,800/a: 

apportioned  50%  of  $5,600),  and  electricity  (approx  $1,200/a:  17MWh/a @ 

$0.07/kWh (White 2004 adjusted for local units rates). 

As a first pass, the following avoided costs were included: 

• Marginal  capital  costs  associated with  new  reticulation  sewerage  (excluding 

trunk sewers) ($5,500 per substituted dwelling) (Mitchell et al. 2007). 

• Marginal operational  costs associated with additional energy,  sludge disposal 

and chemicals associated with pumping and treatment ($100/a per substituted 

dwelling) (GHD 2003; confirmed by Mitchell et al. 2007) 

   

Page 103: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

93 

4.4.2 Ecological system 

Overview 

Dry toilets collect, store and sanitise human excreta within the premises without the 

addition  of  water  for  flushing  (Del  Porto  &  Steinfeld  1999).  Such  toilets  may  be 

designed  to  a  high  aesthetic  standard  while  permitting  a  minimal  obligation  for 

homeowner  intervention  as  demonstrated  in  a  recent  feasibility  study  for  their 

introduction  in   Melbourne (GHD 2003). The removal of faeces and urine reduces the 

task  of managing  the  remaining  greywater  considerably,  and may  be  treated most 

cost‐effectively by natural processes (Del Porto & Steinfeld 1999). 

The  system  applied  in  this  case  study  is  a  high  standard  urine  diverting  dry  system 

similar  to  that  recently  applied  in Dong  Sheng,  China  (Kvarnström  et  al.  2006).  The 

system transmits faeces down a vertical chute to a rotary compost storage bin located 

in  the  basement,  while  a  urine  diverting  pedestal  collects  the  separate  urine  for 

transmission by 75mm gravity pipe  to a 1.3kL urine storage  tank, also  located  in  the 

basement. 

The separate management of urine and  faeces was preferred primarily owing  to  the 

significantly  reduced  volume  of  potentially  pathogenic  faecal  waste  and  reduced 

incidence of anaerobic  conditions developing  in  the pile which  is  the most  common 

failure mode of composting systems (Kvarnström et al. 2006). In addition, the separate 

collection of urine significantly reduces the required addition of carbonaceous material 

to offset the heavy nitrogen load of the urine. The systems also facilitate the safe reuse 

of urine (which has an  inherently  lower pathogenic risk), while minimising off‐gassing 

of nitrogen as ammonia, which  causes odour and  reduces  the  value of  the  fertiliser 

(Kvarnström et al. 2006).  

Page 104: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

94 

Figure 4‐25 depicts a urine‐diverting pedestal and waterless urinal. Note the two holes 

of the pedestal. 

 

Figure 4‐25 – Collection components: urine diverting pedestal and waterless urinal (Kvarnström et al. 2006) 

Faeces are stored for at least 18 months where they are sanitised and reduced by two 

thirds by co‐composting with household biodegradable waste. Similarly the potentially 

contaminated  urine  is  sanitised  during  a minimum  6 month  storage  owing  to  the 

alkaline  condition  of  the  urine  (WHO  2005).  The  faeces  are  aerated  and  any  odour 

extracted  using  a  fan  placed  in  the  basement,  thus  providing  a  significant  benefit 

relative  to water  flush  toilets.  Figure 4‐26 depicts  typical examples of both  a  rotary 

compost bin and urine tank for medium density developments. 

                                   

Figure 4‐26 ‐ Treatment components: rotary compost bin and urine storage tank (Kvarnström et al. 2006) 

The  urine  and  faeces may  be  applied  safely  on‐site  or  intermittently  collected  by  a 

waste  collection  contractor  and  transferred  for  subsequent  post‐treatment  for 

agricultural land. 

Page 105: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

95 

Figure 4‐27 depicts typical examples of both a small‐scale and  large‐scale application 

systems. 

 

Figure 4‐27 ‐ Reuse components: small and  large‐scale application of urine for agricultural reuse (Kvarnström et al. 2006) 

Greywater from bathrooms,  laundries and kitchens  is pre‐treated using a small sump 

and filter to remove oil, grease, lint and other fine particles, thus providing facility for 

on‐site  reuse  in  sub‐surface  irrigation.  If  unused within  24  hours,  the  greywater  is 

pumped by low diameter pressurised pipe to a central sub‐surface irrigation area such 

as a community garden or parkland. 

Figure 4‐28 depicts two key components of the system: an on‐site diverter pump and 

dripline irrigation system for on‐site reuse. 

 

Figure 4‐28 – Greywater reuse components: diverter storage, pump and dripline system (Eco‐care, 2008) 

 

Page 106: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

96 

Resource impact 

The projected resource impact of the option is based upon the following assumptions: 

• The penetration  is assumed to  include all greenfield development  in the study 

region,  which  is  assumed  to  approximately  equal  50%  of  projected  new 

dwellings (Vic Planning 2004). 

• All  associated  baseline  sewage,  phosphorus  and  nitrogen  flows  are  diverted 

from the sewerage system. 

• The  products  collected  from  each  household  are  equivalent  to 

427Litres/person.annum  as  urine  (1.5L  per  day  x  365  days  x  0.78)  and 

41kg/person.annum as compost (((50kg faeces + 10kg toilet paper)*0.9 + 70kg 

kitchen waste)*0.33) 

• The  diverted  nutrients  flows  in  recycled  kitchen  waste  have  not  been 

accounted. 

The flow outputs are therefore identical to those identified in the section above. 

 

Financial impact 

The projected financial impact of the option is based upon the following assumptions: 

• Capital costs assigned to each dwelling total $5,270 and include rotary compost 

bin,  ventilation  fan  and  chute  ($3,170), 1kL polypropylene urine  tank  ($600), 

greywater treatment, storage and pump ($900), and assigned greywater piping 

layed on contour ($600: $20 x 30m), borne by the utility. 

• Operational costs assigned to each dwelling total $47/a and include inspections 

($40: 1h/a x $40/h), and energy associated with the ventilation fan (350kWh/a 

x $0.2/kWh), borne by the utility. 

• Operational  costs  associated  with  cartage  of  urine  by  rigid  vacuum  liquid 

removal  truck  ($50/kL)  (GHD 2003) and compost by rigid solid waste removal 

truck  including processing at existing  composting  facility  ($120/tonne)  (Wang 

2001), borne by the solid waste provider 

• A transfer payment of $58 per connected dwelling is borne by the utility to the 

solid waste management service provider. 

Page 107: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

97 

• The greenhouse gas emissions associated with the cartage of compost have not 

been accounted owing to time constraints. One potential means of quantifying 

this externality is described by Wang (2001). 

• Similarly the recovered value of recycled greywater has not been accounted. 

The avoided costs have been taken as  in the section above, excluding any avoided or 

deferred capital infrastructure associated with centralised transfer and treatment. 

• Marginal  capital  costs  associated with  new  reticulation  sewerage  (excluding 

trunk sewers) ($5,500 per substituted dwelling) (Mitchell et al. 2007), borne by 

the utility 

• Marginal operational  costs associated with additional energy,  sludge disposal 

and chemicals associated with pumping and treatment ($100/a per substituted 

dwelling) (GHD 2003; confirmed by Mitchell et al. 2007), borne by the utility 

• Marginal avoided collection costs of organic waste removed from the municipal 

solid waste  stream  have  been  taken  as  $60/tonne,  including  collection  costs 

($25/tonne)  and  landfill  disposal  ($35/tonne)  (Wang,  Richardson  &  Roddick 

1998 inflated to present values), borne by the partner  

   

Page 108: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

98 

4.5 Analysing the costs Apply discounted cash flow analysis to each alternative and assess both the economic 

cost and the financial cost borne by each stakeholder  

4.5.1 Distributed alternative 

Figure 4‐29 depicts the time series of incremental costs associated with the option 

 

Figure 4‐29‐ Financial impact of distributed sanitation option 

For  the  utility,  the  dominant  incremental  cost  is  associated with  additional  capital 

investment for treatment, which has been assumed as a sunk cost in the baseline. 

For  society,  there  is  a  slight  marginal  avoided  cost  associated  with  the  avoided 

discharge of nutrients resulting  in a present value saving of $600,000. This negligible 

saving is associated with the assumption that the disposal of nutrients is not critical as 

the receiving water is classed as estuarine. To provide an indication of the sensitivity of 

this parameter, assuming a receiving environment classified as an enclosed water body 

the  incremental  saving  totals $11.7 million. Based upon  the model assumptions  this 

avoided cost is therefore not a dominant factor even given restrictive conditions. 

The  aggregated  present  value  economic  cost  of  the  option  is  projected  to  be  $168 

million,  which  translates  as  a  46%  premium  on  all  green‐field  developments  sites 

‐$2,000,000

$0

$2,000,000

$4,000,000

$6,000,000

$8,000,000

$10,000,000

$12,000,000

$14,000,000

$16,000,00030

/6/2008

30/6/2010

30/6/2012

30/6/2014

30/6/2016

30/6/2018

30/6/2020

30/6/2022

30/6/2024

30/6/2026

30/6/2028

30/6/2030

30/6/2032

30/6/2034

30/6/2036

30/6/2038

30/6/2040

30/6/2042

30/6/2044

30/6/2046

30/6/2048

30/6/2050

Fina

ncial flow [$

/a]

Time [date]

Economy Utility Society

Page 109: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

99 

assuming there are no additional capital costs associated with centralised transfer or 

treatment. 

Although  the  definitive  analysis  of  such  an  assertion  lies  outside  the  scope  of  this 

project,  it  is  not  unreasonable  to  project  the  delay  or  avoidance  of  capital 

augmentations as a result of  the option. By way of example,  the Northern Sewerage 

Project  is  flagged ostensibly  to address new development  in  the northern peri‐urban 

fringe of the Western System, and has been commissioned at a value of $650m spread 

over two years (Melbourne Water Corporation 2008).  

Based upon the model assumptions, a project delay of only five years would result  in 

an  overall  economic  present  value  saving  of  $56m,  whereas  an  avoidance  of  the 

project would result in an economic present saving of $519m. Transfer and treatment 

constraints  are  therefore  key  drivers  of  the  cost  analysis  and  warrant  further 

investigation. 

 

Qualitative aspects 

Cultural appropriateness 

Experience in the United States suggests that there is little adjustment associated with 

shifting a community from on‐site or centralised wastewater management to cluster‐

based  systems  if  a  centralised  service  provision  approach  is  adopted  (West  2003; 

White 2004). 

Human and ecological health 

The public health risk of centrally managed distributed sanitation systems  is assessed 

to  be  equal  or  less  than  that  associated with  centralised wastewater management 

given appropriate precautions are undertaken in irrigating with recycled wastewater. 

 

Page 110: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

100 

4.5.2 Ecological alternative 

Figure 4‐30  depicts the time series of incremental costs associated with the ecological 

sanitation alternative. 

 

Figure 4‐30‐ Financial impact of ecological sanitation option 

For the utility, there is a slight incremental avoided costs in the short term associated 

with  a  slightly  reduced  capital  investment  per  dwelling  connected.  This  projected 

saving  is eroded with time owing to the  incremental operational cost associated with 

cartage,  leading  to  a  slight  present  value  financial  saving  of  $7  million.  For  the 

municipal solid waste service provider, the avoided costs result in a net present value 

financial saving of $400,000 over the life of the program. For society, the avoided costs 

associated with  reducing  the  discharge  of  effluent  is  again  negligible  however  the 

recovered nutrients  lead to a net present value saving of $12.8 million. Such avoided 

costs may be  internalised over time by the utility as a market for human fertilisers  is 

established. 

The aggregated  stakeholder costs  result  in an economic present value  saving of $20 

million, which is approximately 5% of assumed baseline cost. 

This  projection  fails  to  capture  a  number  of  additional  avoided  costs.  Firstly  and 

principally,  the  projection  has  not  accounted  for  additional  transfer  and  treatment 

‐$3,000,000

‐$2,500,000

‐$2,000,000

‐$1,500,000

‐$1,000,000

‐$500,000

$0

$500,000

30/6/2008

30/6/2010

30/6/2012

30/6/2014

30/6/2016

30/6/2018

30/6/2020

30/6/2022

30/6/2024

30/6/2026

30/6/2028

30/6/2030

30/6/2032

30/6/2034

30/6/2036

30/6/2038

30/6/2040

30/6/2042

30/6/2044

30/6/2046

30/6/2048

30/6/2050

Fina

ncial flow [$

/a]

Time [date]

Economy Utility Partner Society

Page 111: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

101 

infrastructure  as  described  in  the  section  above.  Secondly,  as  the  system  has  been 

specifically designed  to enable  the on‐site use of both  greywater  and  compost,  and 

such actions reduce cartage fees considerably. 

Qualitative aspects 

Human and ecological health considerations 

The on‐site use of composted faeces, urine and greywater is associated with a degree 

of public health risk. The minimum storage time of composted faeces is a fundamental 

barrier to the transmission of disease. Measures have been recommended to ensure 

this  is achieved: namely  the option has  recommended a  rotary batch,  rather  than a 

continuous  process  system. However  the  centralised  collection of  composted waste 

was  deemed  to  present  an  unacceptable  risk  of  contamination,  therefore  post 

treatment  by  active  composting  has  been  recommended  and  costed.  Although  this 

additional barrier does not prevent  ineffective  treatment  for  reuse at  the household 

level,  the  reduced  scale  of  reuse  presents  a  significantly  reduced  risk  level  (WHO 

2005). 

For a similar reason the WHO does not specify a minimum storage time for on‐site use 

of urine, as person‐to‐person transmission at the household level implies a significantly 

higher risk. Therefore the requisite urine storage time for on‐site reuse may therefore 

be significantly reduced along with the costs (though the full 6 month storage capacity 

has been costed here). The WHO recommends a minimum storage time of 6 months 

prior  to  the  large‐scale agricultural  reuse of urine.  Swedish experience  suggests  this 

may  be  cost‐effectively  ensured  by  providing  additional  storage  at  the  farm‐site, 

though any implied additional costs have not been accounted in this study. 

Finally,  the option does not  recommend  any  treatment or disinfection of  greywater 

beyond pre‐treatment  for grease and  fines, which may  clog pumps, distribution and 

receiving  soils.  This  is  based  on  current  research  suggesting  the  risks  implied  by 

greywater reuse have been over‐estimated in the past, owing to the inappropriate use 

of  bacterial  indicators  as  biomarkers  for  faecal  contamination  (WHO  2005,  p.  14). 

Nonetheless the option recommends sub‐surface irrigation, appropriate markings and 

instructions be applied, consistent with the existing regulations. Another consideration 

is  the  threat  of  excess  nutrient  burden  upon  soils  and  potential  groundwater 

Page 112: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

102 

contamination. For this reason low‐phosphate detergents should be applied and locally 

appropriate minimum irrigation areas should be specified by authorities. There is also 

significant  benefit  associated  with  promoting  the  mixed  household  application  of 

greywater  and urine  to maintain optimal  carbon  to nitrogen  levels  for plant uptake 

(Del Porto & Steinfeld 1999). Finally, a maximum storage time has also been adopted 

as  greywater  is  characterised  by  rapid  biological  oxygen  demand  and  continued 

storage beyond 24 hours usually results in oxygen depletion, anaerobic conditions and 

its associated odour problems (Del Porto & Steinfeld 1999). 

 

Cultural appropriateness 

While there have been some  limited studies with positive results (GHD 2003; Pollard, 

Kohlenberg & Davison 1997), as yet there have been no large‐scale Australian studies 

seeking to  identify the attitudes and preconceptions toward purchasing or occupying 

dwellings with  composting  toilets.  There  is  therefore  considerable uncertainty  as  to 

whether  the  general  Australian  public  possess  the  ability  to  make  the  necessary 

adjustments to operate ecological sanitation systems. 

Nonetheless the weight of international studies indicate that both a strong focus upon 

the dissemination of user  information and voluntary will are defining enabling factors 

for successful, large‐scale urban ecological sanitation projects (Cordover & Knuth 2005; 

Wegelin‐Schuringa  2000).  The  measure  would  therefore  benefit  from  an  active 

awareness and mobilisation program encouraging and  informing  the  responsible use 

of  treated human excreta‐ note  that  such a program has not been accounted  in  the 

costs represented above. Also, the systems have been designed to provide facility for 

both on‐site use and centralised management, allowing the user to decide the degree 

of responsibility they are willing to assume. 

   

Page 113: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

A case stud

y im

plem

entatio

103 

4.5.3 Assessing the least cost alternative 

Having  estimated  the  costs  for  each  option,  the  least  cost  alternative  to  society  is 

assessed by discounting the economic costs upon all stakeholders (i.e. ignoring transfer 

payments) to present value terms. 

Consistent with the objective of the study, Figure 4‐31 provides the model output for 

the  levelised  dwelling  cost  of  the  sanitation  growth  options, which  is  calculated  by 

discounting  all  incremental  costs  and  dividing  them  by  the  discounted  number  of 

dwellings serviced each year. 

 

Figure  4‐31  ‐  Economic  levelised  costs  of  alternative  sanitation  growth  servicing  options  (baseline  transfers excluded) 

The chart indicates the incremental levelised cost of $34 per dwelling associated with 

the  distributed  sanitation  option, which may  be  taken  as marginal  considering  the 

scale of  investment; while the ecological sanitation option yields a  levelised saving of 

$685 per dwelling. 

Given  that  the  results do not account  for any avoided costs associated with  transfer 

and treatment capital costs (i.e. they are assumed as sunk costs), this is an exceptional 

result  and  implies  significant  savings may  be  realised  if  the  full  avoided  costs  are 

accounted. The  implication  is  that both distributed and ecological  sanitation options 

are  likely to be cost‐effective substitutes to the baseline extension of the centralised 

network.   

‐$800 ‐$700 ‐$600 ‐$500 ‐$400 ‐$300 ‐$200 ‐$100 $0 $100

Ecological Sanitation

Distributed Sanitation

Economic levelised marginal dwelling cost [NPV(Economic cost)/NPV(Dwellings serviced)]

Page 114: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Conclusion

s and recommen

datio

ns 

104 

5 Conclusions and recommendations 

The sanitation challenges  identified within this study call  for a reconsideration of the 

dominant  paradigm.  Centralised  wastewater  systems  in  its  current  form  has  been 

shown  to be both prohibitively expensive and ecologically unsustainable,  in emitting 

unacceptable flows of water and nutrients. 

The study has identified two key responses toward addressing the challenge, calling for 

both  a  reconsideration  of  system  scale,  and  a  closed‐loop  resource  management 

approach. 

The  least  cost  planning  method  and  its  supporting  tool  have  both  been 

comprehensively  reviewed  and  extended  to  provide  a  robust  means  of  assessing 

alternative  sanitation  futures.  Key  developments  include  an  integrated  resource 

forecast  of  water  and  nutrients,  a  spatial  method  for  developing  demographic 

projections, and a means of assessing the financial costs borne by all stakeholders. 

The method and  supporting  tools were  validated by empirical measurements  in  the 

study area, and enabled a projection of the resource and financial implications of two 

alternative sanitation futures. 

However  the  study has a number of key  limitations. As highlighted  in  the  study  the 

means  by which  flows  associated with  non‐residential  components were  projected 

could  be  significantly  improved.  In  addition  to  large  relatively  constant  demand 

customers, baseline non‐residential efficiencies are considered to be likely, however in 

the absence of supporting data  the demand component was projected pro‐rata with 

population. The projections of hydraulic flows into the future are therefore likely to be 

overestimated.  

Also,  by  failing  to  simulate  the  hourly  peak wet weather  flows  and  other  dynamic 

effects, the analysis failed to adequately capture the full avoided costs associated with 

the  alternatives.  However  nonetheless  the  analysis  of  the  two  future  scenarios 

revealed  both  to  be  cost‐effective,  which  was  a  surprising  result.  If  the  model 

assumptions prove  to be  adequate,  the  implication would  seem  that  a  shift  toward 

more  ecologically  sustainable  sanitation would  indeed  be  a  cost‐effective  course  of 

action. 

Page 115: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Conclusion

s and recommen

datio

ns 

105 

Finally, owing to time constraints, the analysis of the inherent uncertainty of the case 

study projections has not been addressed. This is however a fundamentally important 

dimension of the method and should be pursued further. 

Despite  these  limitations,  the  study has demonstrated  the benefits of extending  the 

least  cost  planning method  across  sectors  and marks  a  significant  third  step  as  the 

method  has  been  transmitted  first  from  energy  planning,  then  water,  and  now 

sanitation. The seemingly disparate sectors have been revealed during this path to be 

characterised  by  essentially  the  same  fundamental  logic.  A  logical  fourth  step  is 

therefore to integrate these sectors into a coherent, truly integrated resource planning 

framework. 

Recommendations 

A study of this scope inevitably results in a broad range of recommendations worthy of 

future  exploration,  however  the  following  measures  are  considered  to  present 

significant opportunities. 

In  order  to  determine  a more  rigorous  basis  upon which  to  project  non‐residential 

sewage  flows,  further  research  is  warranted  to  establish  a  process  by  which  the 

customer  database  may  be  applied,  supported  by  consultations  with  major  non‐

residential customers. 

Further  investigations  are  also  warranted  to  investigate  dynamic  peak  and  wet 

weather effects of wastewater systems as a means of  informing an understanding of 

future  network  capacity  thresholds.  Future  research  could  include  undertaking 

hydraulic modelling of the sewer network to characterise both peaking factors for dry 

weather flows, and the peak inflows associated with both existing and future sewerage 

components. 

Also,  in  order  to  establish  a  basis  for  analysing  uncertainty  in  the model  outputs, 

further  work  is  necessary  to  facilitate  the  application  of  stochastic  inputs  in  the 

supporting tool. 

These measures combined should then form a sound basis for a broad‐based strategic 

policy  review  undertaken  in  collaboration  with  a  forward‐thinking  water  service 

provider. 

Page 116: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

Conclusion

s and recommen

datio

ns 

106 

Finally  the  feasibility of  integrating  the  least  cost planning models of water, energy, 

and sanitation presents a significant and strategic opportunity that should be explored 

further.  This  is  likely  to  be  a  significant  undertaking,  however  this  study  has 

demonstrated the value of the information arising from such an integration. 

Page 117: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

References 

107 

6 References 

AC Nielsen 2007, Nielsen Convenience Report, viewed 5 May 2008 <http://www.c‐store.com.au/industry/viewer/pdfs/01.pdf>. 

Allen Consulting Group 2006, The Economic Impacts of a National Emissions Trading Scheme, final report prepared for the National Emissions Trading Taskforce. 

Almeida, M.C., Butler, D. & Friedler, E. 1999, 'At‐source domestic wastewater quality', Urban Water, vol. 1, no. 1, pp. 49‐55. 

Australian Bureau of Statistics (ABS) 2002, 2001 Census Basics, Australian Bureau of Statistics. Australian Bureau of Statistics (ABS) 2006, Australian Historical Population Statistics, Australian 

Bureau of Statistics, viewed 6 May 2008 <http://www.abs.gov.au/AUSSTATS/[email protected]/log?openagent&3105065001_table18.xls&3105.0.65.001&Data%20Cubes&23F533BC3E26D892CA2571760022856F&0&2006&23.05.2006&Latest>. 

Australian Bureau of Statistics (ABS) 2007a, Australian Standard Geographical Classification Digital Boundaries, cat. no. 1259.0.30.001, Australian Bureau of Statistics, viewed 6 May 2008 <http://www.abs.gov.au/AUSSTATS/[email protected]/DetailsPage/1259.0.30.0012007?OpenDocument>. 

Australian Bureau of Statistics (ABS) 2007b, Environmental issues : people's views and practices, Cat. no. 4602.0, Australian Bureau of Statistics, viewed 6 May 2008 <http://www.abs.gov.au/AUSSTATS/[email protected]/Lookup/4602.0Main+Features1Mar%202007?OpenDocument>. 

Baumann, D.D., Boland, J. & Hanemann, W.M. 1997, Urban water demand management and planning, McGraw‐Hill, New York. 

Beder, S. 1993, 'Pipelines and Paradigms: the development of sewerage engineering', Australian Civil Engineering Transactions, vol. CE35, no. 1, pp. 79‐85. 

Belevi, H. 2002, 'Material flow analysis as a strategic planning tool for regional waste water and solid waste management', paper presented to the Globale Zukunft: Kreislaufwirtschaftskonzepte im kommunalen Abwasser‐ und Fäkalienmanagement, Munich, Germany. 

Berry, T., Campbell, S., Riedy, C. & White, S. 2004, A New Distributed Infrastructure and Services Market: assessing Australia's future market potential, Institute for Sustainable Futures, Sydney. 

Brunner, P.H. & Rechberger, H. 2003, Practical handbook of material flow analysis, CRC/Lewis, Boca Raton, FL. 

Butler, D. 1993, 'The influence of dwelling occupancy and day of the week on domestic appliance wastewater discharges', Building and Environment, vol. 28, no. 1, pp. 73‐79. 

Butler, D. & Davies, J.W. 2004, Urban drainage, 2nd edn, Spon Press, New York. Clark, R. 1997, Optimum Scale for Urban Water Systems, South Australian Department of 

Environment and Natural Resources. Corbett, T. & Chan, A. 2007, The Melbourne Water sewer network model, Wallingford 

Software, viewed 5 May 2008 <http://www.wallingfordsoftware.com/news/fullarticle.asp?id=671>. 

Cordell, D., Drangert, J.‐O. & White, S. submitted, 'The Story of Phosphorus: Global food security and food for thought', submitted to Global Environmental Change. 

Cordover, A. & Knuth, B. 2005, 'User satisfaction in large‐scale, urban dry sanitation programs in Mexico', Urban Water, vol. 2, no. 4, pp. 227‐243. 

Del Porto, D. & Steinfeld, C. 1999, The composting toilet system book : A practical guide to choosing, planning and maintaining composting toilet systems, a water‐saving, pollution‐preventing wastewater solution, Center for Ecological Pollution Prevention, Concord, Mass. 

Page 118: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

References 

108 

Esrey, S.A., Andersson, I., Hillers, A. & Sawyer, R. 2000, Closing the loop: ecological sanitation for food security, UNDP, SIDA, Water and Sanitation Programme, Thrasher Research Fund and PAHO. 

Fane, S., Robinson, J. & White, S. 2003, 'The use of levelised cost in comparing supply and demand side options', Water Science & Technology: Water Supply [Water Sci. Technol. Water Supply], vol. 3, no. 3, pp. 185‐192. 

Foess, G., Steinbrecher, P., Williams, K. & Garrett, G. 1998, 'Cost and Performance Evaluation of BNR Processes', Florida Water Resources Journal, pp. 11‐16. 

Food and Agriculture Organisation (FAO) 2007, Food Security Statistics, <http://www.fao.org/faostat/foodsecurity/Files/DietFoodGroupsProtein_en.xls>. 

Food and Agriculture Organisation (FAO) & Consolidated Management Services (CMS) 1997, Biogas technology: A training manual for extension, Consolidated Management Services Nepal, <http://www.fao.org/waicent/faoinfo/sustdev/EGdirect/EGre0021.htm>. 

Friedler, E. & Butler, D. 1996, 'Quantifying the inherent uncertainty in the quantity and quality of domestic wastewater', Water Science & Technology, vol. 33, no. 2, p. 13. 

GHD 2003, Composting Toilet Demonstration Feasibility Study, prepared for the Victorian Department of Sustainability and Environment. 

Growth from Knowledge (GFK) 2006, Greening White Goods: a report into the energy efficiency trends of major household appliances in australia from 1993 ‐ 2005 (detailed output tables), Australian Government Department of the Environment, Water, Heritage and the Arts, <http://www.energyrating.gov.au/library/pubs/200606‐gfkapp05.pdf>. 

Gumbo, B. 2005, 'Short‐cutting the phosphorus cycle in urban ecosystems', PhD thesis, Delft University of Technology. 

Holt, P. & James, E. 2006, Wastewater reuse in the Urban Environment: selection of technologies, prepared by Ecological Engineering for Landcom Corporation, <http://www.landcom.com.au/downloads/uploaded/Wastewater%20reuse%20technology%20report_links2_d960.pdf>. 

Howe, C., Jones, R.N., Maheepala, S. & Rhodes, B. 2005, Implications of Potential Climate Change for Melbourne’s Water Resources, a collaborative project between Melbourne Water and CSIRO Urban Water and Climate Impact Groups. 

Jacobs, H.E. & Haarhoff, J. 2004, 'Structure and data requirements of an end‐use model for residential water demand and return flow', Water SA, vol. 30, no. 3, p. 12. 

Jasinki, S.M. 2008, Phosphate Rock Mineral Commodity Summary, United States Geological Survey, viewed 10 February 2008 <http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/phosphate_rock/mcs‐2008‐phosp.pdf>. 

Jönsson, H. & Vinnerås, B. 2003, 'Adapting the nutrient content of urine and faeces in different countries using FAO and Swedish data', 2nd international symposium on ecological sanitation, Luebeck, Germany, <http://www2.gtz.de/ecosan/download/ecosan‐Symposium‐Luebeck‐session‐f.pdf>. 

Kvarnström, E., Emilsson, K., Stintzing, A.R., Johansson, M., Jönsson, H., Petersens, E.a., Schönning, C., Christensen, J., Hellström, D., Qvarnström, L., Ridderstolpe, P. & Drangert, J.‐O. 2006, Urine Diversion: one step towards sustainable sanitation, EcoSanRes, SEI, Stockholm. 

Mara, D., Drangert, J.O., Anh, N.V., Tonderski, A., Gulyas, H. & Tonderski, K. 2007, 'Selection of sustainable sanitation arrangements', Water Policy, vol. 9, no. 3, pp. 305‐318. 

Maurer, M., Rothenberger, D. & Larsen, T. 2005, 'Decentralised wastewater treatment technologies from a national perspective: at what cost are they competitive?' Water Science & Technology: Water Supply [Water Sci. Technol. Water Supply], vol. 5, no. 6, pp. 145‐154. 

McLennan Magasanik Associates (MMA) 2006, Impacts of a National Emissions Trading Scheme on Australia’s Electricity Markets, report prepared for the National Emissions Trading Taskforce. 

Page 119: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

References 

109 

Melbourne Water Corporation 1998, Annual Environment and Public Health Report 1997‐98, 2008 <http://www.melbournewater.com.au/content/library/publications/reports_archive/performance_reports/1997‐1998_Environment_and_Public_Health_Report.pdf>. 

Melbourne Water Corporation 1999, Environment and Community Obligation Report 1998‐99, 2008 <http://www.melbournewater.com.au/content/library/publications/reports_archive/performance_reports/1998‐1999_Environment_and_Community_Obligation_Report.pdf>. 

Melbourne Water Corporation 2000, 1999/2000 Environment Report, 2008 <http://www.melbournewater.com.au/content/library/publications/reports_archive/performance_reports/1999‐2000_Environment_Report.pdf>. 

Melbourne Water Corporation 2001, 2000/01 Environment Review, <http://www.melbwater.com.au/content/library/publications/reports_archive/annual_reports/2000‐2001_Environment_Review.pdf>. 

Melbourne Water Corporation 2002, Environment Review 2001/02, <http://www.melbournewater.com.au/content/library/publications/reports_archive/annual_reports/2001‐2002_Environment_Review.pdf>. 

Melbourne Water Corporation 2003, Water Resources and the Environment 2002/03, <http://www.melbournewater.com.au/content/library/publications/reports_archive/annual_reports/2002‐2003_Water_Resources_and_the_Environment_Report.pdf>. 

Melbourne Water Corporation 2004, Social and Environment Report 2003/04, <http://www.melbournewater.com.au/content/library/publications/reports_archive/annual_reports/2003‐2004_Social_and_Environment_Report.pdf>. 

Melbourne Water Corporation 2005, Social and Environment Report 2004‐05, <http://www.melbournewater.com.au/content/library/publications/reports_archive/annual_reports/2004‐2005_Social_and_Environment_Report.pdf>. 

Melbourne Water Corporation 2006, Social and Environment Data 2005/06, <http://www.melbournewater.com.au/applications/social_environment_report_2005_06/content/environmental_performance/western_treatment_plant_inputs_and_discharges.asp>. 

Melbourne Water Corporation 2007, Social and Environment Data 2006/07, <http://www.melbournewater.com.au/applications/annual_report_2007/envdata/env_wesplant.htm>. 

Melbourne Water Corporation 2008, About the Northern Sewerage Project, viewed May 4 2008 <http://www.nsp.net.au/content/about_the_project.asp>. 

Mitchell, C., Fane, S., Willetts, J., Plant, R. & Kazaglis, A. 2007, Costing for Sustainable Outcomes in Urban Water Systems ‐ A Guidebook, CRC for Water Quality and Treatment, Research Report 35. 

Motangero, A., Nguyen, T. & Belevi, H. 2004, 'Material Flow Analysis as a Tool for Environmental Sanitation Planning in Viet Tri, Vietnam', paper presented to the 30th WEDC Conference, Vientienne, Lao PDR. 

Mumford, L. 1961, The city in history : its origins, its transformations, and its prospects, [1st edn, Harcourt, Brace & World, New York. 

Narain, S. 2002, 'A Tale of Two Cities', Down to Earth, <http://www.ecosan.nl/content/download/542/4177/file/Down%20to%20Earth%20flush%20toilet%20ecologically%20mindless.pdf>. 

New South Wales Department of Planning (NSW Planning) 2007, NSW SLA Population Projections, 2005 Release ‐ LGA Summary, Version 1.0, NSW Department of Planning, <http://www.transport.nsw.gov.au/tdc/local‐pop.html>. 

Nutrition Australia 2008, How much protein?, viewed 15 May 2008 <http://www.nutritionaustralia.org/food_facts/faq/protein_day_faq.asp>. 

Orenco Systems 2007, Effluent Sewers, <http://www.orenco.com/pdfs/ABR‐EFS‐1rev23.pdf>. Otis, R. & Mara, D. 1985, The Design of Small Bore Sewers, The World Bank, Washington. 

Page 120: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

References 

110 

Otterpohl, R. 2001, 'The colours of New Sanitation ‐ Black, Brown, Yellow, Grey ‐ Examples of High‐, Medium‐ and Low‐Tech Solutions for urban and rural areas', Water 21. 

Patterson 2007, Laundry products research, Lanfax Laboratories, viewed 12 April 2008 <http://www.lanfaxlabs.com.au/papers/Na‐P‐graph‐2005.pdf>. 

Pinkham, R., Hurley, E., Watkins, K., Lovins, A., Magliaro, J., Etnier, C. & Nelson, V. 2004, Valuing Decentralized Wastewater Technologies: A Catalog of Benefits, Costs, and Economic Analysis Techniques, Rocky Mountain Institute. 

Pollard, R., Kohlenberg, A. & Davison, L. 1997, 'Effectiveness and User Acceptance of Composting Toilet Technology in Lismore, NSW', Environmental Technologies for Wastewater Management, UNEP, Murdoch University, Perth. 

Protection of the Environment Operations (General) Regulation 1998. Roberts, P. 2004, Appliance Stock and Usage Pattern Survey, Yarra Valley Water, viewed 5 May 

2008 <http://www.yvw.com.au/NR/rdonlyres/4CCF0B18‐4E7F‐4F0B‐AD17‐98A63F503606/0/ASUPReportFinal.pdf>. 

Roberts, P. 2005, Residential End Use Measurement Study, Yarra Valley Water, viewed 5 May 2008 <http://www.yvw.com.au/NR/rdonlyres/983166CA‐B506‐4C08‐8B95‐5EDD378CFB53/0/REUMSReportFinal.pdf>. 

Rockström, J., Göran, N.A., Falkenmark, M., Lannerstad, M., Rosemarin, A., Caldwell, I., Arvidson, A. & Nordström, M. 2005, Sustainable Pathways to Attain the Millenium Development Goals: Assessing the Key Role of Water, Energy and Sanitation, Stockholm Environment Institute, Stockholm International Water Institute. 

Rose, C. 2004, Fertiliser Calculations, Department of Primary Industries, <http://www.dpi.nsw.gov.au/__data/assets/pdf_file/0004/166153/fertiliser‐calculations.pdf>. 

Rosmarin, A. 2004, 'Nitrogen and Phosphorus: at war with two elements', Down to Earth, no. 30 June, pp. 27‐35. 

Smakhtin, V., Revenga, C. & Döll, P. 2004, Taking into Account Environmental Water Requirements in Global‐scale Water Resources Assessments, International Water Management Institute, Colombo. 

Steen, I. 1998, 'Phosphorus availability in the 21st century Management of a non‐renewable resource', Phosphorus & Potassium, no. 217. 

Strategic Finance Group (SFG) 2007, Cost of Capital for Metropolitan Water Businesses, report prepared for City West Water, Melbourne Water, Southeast Water & Yarra Valley Water. 

Tangsubkul, N., Moore, S. & Waite, T.D. 2005, 'Incorporating phosphorus management considerations into wastewater management practice'. 

Tchobanoglous, G., Burton, F.L. & Stensel, H.D. 1991, Wastewater engineering : treatment, disposal, and reuse / Metcalf & Eddy, Inc., 3rd ed. / revised by George Tchobanoglous, Franklin L. Burton edn, McGraw‐Hill, New York :. 

UNICEF & WHO 2004, Meeting the MDG Drinking Water and Sanitation Target: a Mid‐Term Assessment of Progress, WHO/UNICEF Joint Monitoring Programme for Water Supply and Sanitation, New York and Geneva. 

United Nations 2000, United Nations Millennium Declaration, UN General Assembly, 55 edn. United Nations Development Program (UNDP) 2006, Beyond scarcity: power, poverty and the 

global water crisis, Human Development Report 2006, New York. United Nations Environment Programme (UNEP) 2005, Millennium Ecosystems Assessment, 

United Nations Environment Programme. Victorian Department of Planning and Community Development (Vic Planning) 2004, Victoria 

in Future 2004 Outline Report, Victorian Department of Planning and Community Development, <http://www.dse.vic.gov.au/DSE/dsenres.nsf/LinkView/8B232276A311D5F1CA256EF6001BCFE706C7DF80826B65674A256DEA002C0DCA>. 

Victorian Department of Planning and Community Development (Vic Planning) 2007, Victoria in Future 2004 Projections, Victorian Department of Planning and Community 

Page 121: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

References 

111 

Development, <http://www.dse.vic.gov.au/DSE/dsenres.nsf/LinkView/B9023E3BAACA5A6ACA256EF60019E55806C7DF80826B65674A256DEA002C0DCA>. 

Vinnerås, B., Palmquist, H., Balmér, P. & Jönsson, H. 2006, 'The characteristics of household wastewater and biodegradable solid waste ‐ a proposal for new Swedish design values', Urban Water Journal, vol. 3, no. 1, pp. 3 ‐ 11. 

Wang, F.S. 2001, 'Deterministic and Stochastic Simulations for Solid Waste Collection Systems ‐ A SWIM Approach', Environmental Modeling & Assessment, vol. 6, no. 4, p. 11. 

Wang, F.S., Richardson, A.J. & Roddick, F.A. 1998, 'SWIM ‐ Modelling Approach and Its Applications', paper presented to the Systems engineering models for waste management, Göteborg, Sweden, 25‐26 February. 

Wegelin‐Schuringa, M. 2000, 'Public Awareness and Mobilisation for Ecosanitation', paper presented to the International Symposium on Ecological Sanitation, Bonn, Germany, 30‐31 October. 

West, S.M. 2003, Innovative On‐site and Decentralised Sewage Treatment Reuse and Management Systems in Northern Europe & the USA: report of a study tour ‐ February to November 2000. 

White, K. 2004, 'Centralised and Decentralised Wastewater Management Alternatives: Functional Models and Infrastructure Costs', paper presented to the Enviro 06, Melbourne, 9‐11 May 2006. 

Wittwer, J.W. 2004, Monte Carlo Simulation in Excel: a practical guide, Vertex42.com, viewed May 12 2008 <http://www.vertex42.com/ExcelArticles/mc/>. 

World Health Organization (WHO) 2005, Guidelines for the safe use of wastewater, excreta and greywater, WHO / UNEP / FAO, Geneva. 

  

Page 122: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

 

112

Appendix A Baseline assumptions and descriptions report 

 

The following table  is a model output containing the assumptions and descriptions associated 

with each of the components of the baseline resource projection. 

 

Page 123: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

Components in Western Wastewater Catchment

Description Notes Assumptions

Res Dishwashing End use model baseline

component for dishwashing

activities

calculates demand

associated with residential

dishwasher use based upon

normal appliance stock

model, exponential decay

consumption model, and

FPLE ownership model

10 [Lifetime of appliance - used in stock modelling. as Years] based on sales data and information from

manufacturers (ECU 1995)

0.25 [Standard deviation - used in stock modelling.] based on sales data and information from

manufacturers (ECU 1995)

23.7957029620511 [Water consumed by each dishwashing activity using kitchen sinks as litres / activity]

based upon average filled capacity 25L filled to an average 0.54% filled volume (Roberts 2004) with the

remaining rinsing component calibrated against a historical end use study in Perth (MWA 1985). The

output estimates 50:50 split for filling:flowing activity types, which is consistent with the findings of a study

in the UK (Friedler & Butler 1996)

[Mean water consumption per wash for dishwashers as L / use] based upon exponential decay model with

asymptote assumed at 14L/activity. The historical consumption data is based on the figures presented in

Greening White Goods study for period 1993-2005 (GfK 2005)

[Proportion of dwellings with dishwashers as %] based upon FPLE model, ownership saturation assumed

to occur at 65% (guesstimate)

[Number of operational dishwashers within residential dwellings as appliances] based upon dishwasher

ownership model multiplied by total residential dwellings

[Mean frequency of washes per single residential dwelling each year as uses / household.year] based

upon an linear interpolation of per capita usage study undertaken for Melbourne (Roberts 2005) multiplied

by the occupancy ratio for single residential dwellings

[Mean frequency of washes per multi residential dwelling each year as uses / household.year] based upon

an linear interpolation of per capita usage study undertaken for Melbourne (Roberts 2005) multiplied by

the occupancy ratio for multi residential dwellings

5.9 [Mean frequency of sink handwashing per household per week for dwellings with dishwashers as

activities / dwelling.week] based upon stock usage survey in Melbourne (Roberts 2004)

10.1 [Mean frequency of sink handwashing per household per week for dwellings without dishwashers as

activities / dwelling.week] based upon stock usage survey in Melbourne (Roberts 2004)

Page 124: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

 

114 

 

Res Clotheswashing End use model baseline

component for

clotheswashing activities

calculates demand

associated with residential

clotheswasher use based on

lognormal stock model,

historical and forecasted

consumption (assumed to

plateau in 2007), frequency

model (linear to occupancy

ratio), and FPLE sales

forecast model

10 [Lifetime of appliance - used in stock modelling. as Years] based on sales data and information from

manufacturers (ECU 1995)

0.5 [Standard deviation - used in stock modelling.] based on sales data and information from

manufacturers (ECU 1995)

[Water consumed by laundry trough per household per day as litres/hh.day] based upon study conducted

in Perth finding 22 L/hh.day, adjusted to be inversely proportional to clotheswashing machine ownership in

that sample year (MWA 1985)

[Sales of top loading clotheswashers as appliances] based on ownership and lifetime assumptions.

[Sales of front loading clotheswashers as appliances] based upon ownership and lifetime assumptions

[Mean frequency of washes per multi residential dwelling per year as uses / household.year] based upon

an linear interpolation of per capita usage study undertaken for Melbourne (Roberts 2005) multiplied by

the occupancy ratio for multi residential dwellings

[Mean frequency of washes per single residential dwelling per year as uses / household.year] based upon

an linear interpolation of per capita usage study undertaken for Melbourne (Roberts 2005) multiplied by

the occupancy ratio for single residential dwellings

[Water consumed by top-loading clotheswashers per wash as litres / use] based upon linear decay model

with asymptote assumed at 115L/use The historical consumption data is based on the figures presented in

Greening White Goods study for period 1993-2005 (GfK 2005)

[Water consumed by front-loading clotheswashers per wash as litres / use] based upon linear decay

model with asymptote assumed at 70L/use The historical consumption data is based on the figures

presented in Greening White Goods study for period 1993-2005 (GfK 2005)

[Proportion of total clotheswasher stock that are front loaders as %] based on stock and penetration data

for Front Loaders sourced from ABS (1987) survey, EES (1999) & ABS (2002). REF: ABS (1987)

Domestic Water Use NSW July 1987, Australian Bureau of Statistics; ABS (2002) Domestic Water Use

NSW October 2002, Australian Bureau of Statistics.

[Proportion of total clotheswasher stock that are top loaders as %] proportion based upon stock and

penetration data for Top Loaders sourced from ABS (1987) survey, EES (1999) & ABS (2002).

[Number of operational front-loading clotheswashers within residential dwellings as appliances] Stock and

penetration data from ABS (1987) survey and EES (1999).

[Number of top-loading clotheswashers within residential dwellings as appliances] Stock and penetration

data from ABS (1987) survey and EES (1999).

[Proportion of dwellings with operational clotheswashers as %] based upon linear interpolation of ABS

Page 125: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

 

115 

 

data (ABS 2005 4602.0 March) to 2005 and assumed market saturation (i.e. constant ownership) after

2005

[Total number of clotheswashers of all types as appliances] based upon modelled penetration multiplied

by total number of residential dwellings

3.58600609209819 [Phosphorus consumed each wash by front loading washing machines in residential

dwellings as g/activity] based upon measurement of phosphorus load of common detergents under

recommended dosage (Patterson 2007), weighted based upon national detergent market shares (ACN

2007)

4.33200143343487 [Phosphorus consumed each wash by top loading washing machines in residential

dwellings as g/activity] based upon measurement of phosphorus load of common detergents under

recommended dosage (Patterson 2007), weighted based upon national detergent market shares (ACN

2007)

Res Bathing End use model baseline

component for bathing

activities

calculates demand

associated with residential

shower use based on a 2-

component stock model and

constant assumed flowrates,

duration and frequency;

calculates demand

associated with residential

bath use based on average

bath volume, age split (>12

years), and their respective

fill volumes, frequencies

13 [Lifetime of appliance - used in stock modelling. as Years] based on sales data and information from

manufacturers (ECU 1995)

0.5 [Standard deviation - used in stock modelling.] based on sales data and information from

manufacturers (ECU 1995)

112.5 [Mean water consumed each bath as litres / bath] based on average bath capacity and fill volumes

from an appliance usage and stock survey of Melbourne (Roberts 2004) finding average capacity of 200L,

with fill volumes of 35% and 60% for residents under and over the age of 12 years- adjusted for the local

age distribution

24.44 [Frequency of taking a bath per person per year as baths / person.year] based upon frequencies

drawn from appliance usage and stock survey of Melbourne (Roberts 2004) finding an average 2 and 0.2

baths per week for residents under and over the age of 12 respectively, adjusted for the local age

distribution.

4.9 [Typical operating flow rate for residential hand basins as litres / minute] based upon appliance stock

and usage pattern surveys in Melbourne (Roberts 2004)

[Proportion of toilet stock that are inefficient models as %] based on a sigmoid penetration model fitted to

ABS state-wide efficient showerhead penetration figures (deflated to account for overreporting). Assumes

the total stock penetration is equal to the total usage of that model

[Proportion of toilet stock that are efficient models as %] based on a sigmoid penetration model fitted to

ABS state-wide efficient showerhead penetration figures (deflated to account for overreporting). Assumes

the total stock penetration is equal to the total usage of that model

Page 126: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

 

116 

 

[Weighted stock average of showerheads per dwelling as units / dwelling] based upon modelling

undertaken by Wilkenfeld (unpublished)

0.85 [Mean frequency of showers per person per day as Showers / person.day] based upon Yarra Valley

end use measurement study (Roberts 2005), response deemed more accurate than 2004 and 1999 study

10.5 [Mean shower flow rate for inefficient models adjusted for throttle-back as Litres / minute] based upon

end use measurement survey of Melbourne (Roberts 2005)

7.6 [Mean shower flow rate for efficient models adjusted for throttle-back as Litres / minute] based upon

end use measurement survey of Melbourne (Roberts 2005)

7.1 [Mean duration of showers as Minutes / shower] based on two studies, each independently finding a

similar mean in Perth (Loh & Coghlin 2003) and Melbourne (Roberts 2005). Both studies also found no

observed difference in shower duration between those with normal and efficient showerheads.

[Annual percentage of total showerhead sales that are efficient models as %] based upon an assumed

sigmoid uptake, calibrated to adjusted efficient showerhead penetration data (ABS 2007).

5.5 [Frequency of hand basin activities as activities / day] based upon appliance stock and usage pattern

surveys in Melbourne (Roberts 2004)

0.33 [Typical duration of hand basin activity as minutes / activity] based upon appliance stock and usage

pattern surveys in Melbourne (Roberts 2004)

Res Toilet End use model baseline

componenet for toilet

flushing

calculates demand

associated with residential

toilet flushes based upon

fitted lognormal stock model,

frequency and consumption

estimates

30.0261416947322 [Lifetime of appliance - used in stock modelling. as Years] calibrated to observed

decay of single flush toilet stock

9.9 [Mean water consumption each toilet flush for single flush models as litres / flush] based on flush

volume from an end use measurement study in Melbourne (Roberts 2005)

7.186 [Mean water consumption each flush for 11/6L dual flush models as litres / flush] based on cistern

volumes from end use measurement study in Melbourne (Roberts 2005) and full flush frequency factors

inferred from AC Nielsen study yielding 0.33 full / half flush for larger cisterns

[Mean number of toilets within residential households as toilets / household] based upon two domestic

water use studies in Perth over a 18 year period (MWA 1985, Loh & Coghlin 2003) extrapolated and

interpolated linearly

0.351962380455425 [Standard deviation - used in stock modelling.] calibrated to observed decay of single

flush toilet stock

5.687 [Mean water consumption each flush for 9/4.5L dual flush models as litres / flush] based on flush

volumes from end use measurement study in Melbourne (Roberts 2005) and full flush frequency factors

inferred from AC Nielsen study yielding 0.33 full / half flush for larger flush volumes

Page 127: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

 

117 

 

4.15 [Mean water consumption each flush for 6/3L dual flush models as litres / flush] based on flush

volumes from end use measurement study in Melbourne (Roberts 2005) and full flush frequency factors

inferred from AC Nielsen study yielding 0.5 full / half flush for small flush volumes

[Proportion of dwellings with single flush toilets as %] based on cohort stock model

1.09575 based upon ISF research (1998)

[Proportion of toilet stock that are 11L/6L dual flush models as %] based on cohort stock model

[Proportion of toilet stock that are 6/3L dual flush models as %] based on cohort stock model

[Proportion of toilet stock that are 9/4.5L dual flush models as %] based on cohort stock model

[Proportion of toilet stock that are 4/3L dual flush models as %] based on cohort stock model

3.75 [Mean water consumption each flush for 4/3L dual flush models as litres / flush] based on flush

volumes from end use measurement study in Melbourne (Roberts 2005) and full flush frequency factors

inferred from AC Nielsen study yielding 0.5 full / half flush for small flush volumes

3.8 [Mean frequency of flushes within residential dwellings per person per day as flushes / person.day]

based upon end use measurement study in Melbourne (Roberts 2005)

0.71455098 [Phosphorus excreted at home each day per person as g/person.day] based upon national

dietary protein intake data (FAO 2007) apportioned to phosphorus as 1.1% of dietary protein, of which

55% is urine (Jönsson & Vinnerås 2003), adjusted by 78% for 'at-home' toilet use assuming approximately

40 working week and constant metabolic rate of excretion

0.6745761 [Phosphorus excreted in faeces at home each day per person as kg/a] based upon national

dietary protein intake data (FAO 2007) apportioned to phosphorus as 1.1% of dietary protein, of which

45% is faecal (Jönsson & Vinnerås 2003), adjusted by 90% for 'at-home' toilet use

9.73947 [Nitrogen excreted as urine at home each day per person as kg/a] based upon national dietary

protein intake data (FAO 2007) apportioned to nitrogen as 13% of dietary protein, of which 85% is urine

(Jönsson & Vinnerås 2003), adjusted by 78% for 'at-home' toilet use assuming approximately 40 working

week and constant metabolic rate of excretion

1.98315 [Nitrogen excreted as faeces at home each day per person as kg/a] based upon national dietary

protein intake data (FAO 2007) apportioned to nitrogen as 13% of dietary protein, of which 15% is urine

(Jönsson & Vinnerås 2003), adjusted by 90% for 'at-home' toilet use

 

Page 128: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...
Page 129: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

Appendix B Stock model builder interface and code 

 

 

The key components of the interface referred within the code include the following 

• txtStartYear and txtEndYear the text box  for the user to  input the start and 

end year of the stock model 

• optPrimaryInput  and  optSecondaryInput    the  option  buttons  to  specify 

whether  the  required  stock model  is  to  be  a  primary  or  total  type,  or  a 

secondary or component type 

• optLognorm and optNormdist   the option buttons to specify whether the 

stock model is based upon a normal or lognormal decay rate 

The code has been included below. 

   

Page 130: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

 

120

Private Sub cmdBuildModel_Click()          'Open template file     Workbooks.Add Template:=ThisWorkbook.Path & "\Stock.xltm"          ' Validate user input     If IsNumeric(txtStartYear.Text) And IsNumeric(txtEndYear.Text) Then                 ' Draws inputs from interface         Start_Year = txtStartYear.Value         End_Year = txtEndYear.Value      Else              MsgBox ("The input in the text boxes is invalid. Please enter a year")                  End          End If      Length = End_Year ‐ Start_Year + 1      With Worksheets("Stock")         .Range(.Cells(6, 3), _           .Cells(6 + Length, 3 + Length)).NumberFormat = "_(* #,##0_);_(* (#,##0);_(* ""‐""_);_(@_)"                  .Range(.Cells(6, 3), _             .Cells(6 + Length ‐ 1, 3 + Length ‐ 1)).Value = 0              End With      For i = 1 To Length                  ' Writes the date across the top of the worksheet         Worksheets("Stock").Cells(1, i + 2).Value = "30/6/" & Start_Year ‐ 1 + i         Worksheets("Stock").Cells(i + 5, 1).Value = "30/6/" & Start_Year ‐ 1 + i      Next i          ' Inserts the appliance lifetime decay function          If optLognorm = True Then          For j = 1 To Length ‐ 1              For i = 1 To Length ‐ j                  Sale_Year = RowCol_Absolute(i + 2)                 Age_Year = RowCol_Absolute(i + 2 + j)                  Worksheets("Stock").Cells(i + 5, i + 2 + j).Formula = _                 "=(1‐LOGNORMDIST(YEAR(" & Age_Year & "$1)‐YEAR($" & Sale_Year & "$1),LN(Lifetime),StDev))*$" & Sale_Year & "$" & i + 5                     Next i              Next j          Else      For j = 1 To Length ‐ 1              For i = 1 To Length ‐ j 

Page 131: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

 

121

                 Sale_Year = RowCol_Absolute(i + 2)                 Age_Year = RowCol_Absolute(i + 2 + j)                  Worksheets("Stock").Cells(i + 5, i + 2 + j).Formula = _                 "=(NORMSDIST((Lifetime+YEAR($" & Sale_Year & "$1)‐YEAR(" & Age_Year & "$1))*StDev))*$" & Sale_Year & "$" & i + 5                       Next i              Next j      End If      If optPrimaryInput = True Then          Worksheets("Stock").Cells(6, 3).Formula = "=$C$3"         Worksheets("Stock").Cells(4, 3).Formula = "=C6"          For i = 2 To Length             ' Inserts the sales row             Worksheets("Stock").Cells(4, i + 2).Formula = "=" & RowCol_Absolute(i + 2) & i + 5              ' Inserts the sumation for estimating the in year sales             Worksheets("Stock").Cells(i + 5, i + 2).Formula = _             "=" & RowCol_Absolute(i + 2) & "$3 ‐ SUM(" & RowCol_Absolute(i + 2) & "$6:" & RowCol_Absolute(i + 2) & i + 4 & ")"                 Next i          Else          Worksheets("Stock").Cells(6, 3).Formula = "=$C$4"         Worksheets("Stock").Cells(3, 3).Formula = "=SUM(C6:C" & Length + 5 & ")"          For i = 1 To Length ‐ 1                          ' Inserts the total stock row             Worksheets("Stock").Cells(3, i + 3).Formula = _             "=" & "SUM(" & RowCol_Absolute(i + 3) & 6 & ":" & RowCol_Absolute(i + 3) & Length + 5 & ")"              ' Inserts the sumation for estimating the in year sales             Worksheets("Stock").Cells(i + 6, i + 3).Formula = _             "=$" & RowCol_Absolute(i + 3) & "$4"                 Next i          End If  Application.Calculation = xlAutomatic  End Sub 

   

Page 132: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

 

122

Appendix C Example stochastic analysis macro 

Private Sub cmd_RunSimulation_Click() 

 

Dim MaxIterations As Long 

Dim IterationNum As Long 

 

‘ clear results sheet 

Worksheets("Results").Range("A7:D65536").Clear 

 

‘ draw user input defining the necessary number of iterations 

MaxIterations = Range("NumSimulations") 

 

‘ loop for the specified number of iterations 

For IterationNum = 1 To MaxIterations 

  

‘ re‐calculate the worksheet   

Worksheets("Data").Calculate 

     

‘ output the result to the results spreadsheet 

Worksheets("Results").Cells(IterationNum + 5, 1).Value = _ 

Int(IterationNum) 

      Worksheets("Results").Cells(IterationNum + 5, 2).Value = _ 

    Worksheets("Data").Range("Result1") 

          Worksheets("Results").Cells(IterationNum + 5, 3).Value = _ 

          Worksheets("Data").Range("Result2") 

 ‘ and so on 

         

Next IterationNum 

 

End Sub 

Page 133: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

Appendix D IWA conference paper 

 The  following  paper  was  presented  to  the  International  Water  Association  Specialised Conference on Small and Decentralised Wastewater Systems, held  in Coimbatore,  India  in February 2008.    

Page 134: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

8th IWA Specialized Conference on Small Water and Wastewater Systems (SWWS) and 2nd IWA Specialized Conference on Decentralised Water andWastewater International Network (DEWSIN), Coimbatore, India - February 6th to 9th, 2008 232

Valuing Sustainable Sanitation: the economic assessment ofalternative sanitation programsJ. L. McKibbin*, J. Willetts*, K. White** and P. Hagare***

* Institute for Sustainable Futures, University of Technology, Sydney, 235 Jones St, Broadway, Australia(Email: [email protected]; [email protected])** Department of Civil Engineering, University of South Alabama, EGCB 280 Mobile, AL 36688, US(Email: [email protected])*** Faculty of Engineering, University of Technology, Sydney, 15 Broadway, Ultimo, 2007, Australia(Email: [email protected])

Abstract This paper describes how an innovative costing method may be applied to compare thecost-effectiveness of alternative sanitation programs. The method is suggested as a tool capable offairly comparing a broad mix of responses to sanitation challenges including capacity demandmanagement and the full range of system scales.Keywords Cost-effectiveness analysis; material flow analysis; decentralised wastewater systems

INTRODUCTIONThe challenge of sustaining sanitation to rapidly sprawling cities has prompted a rethink in the waywe manage our waste. In industrial countries, conventional centralised, large-scale wastewatersystems have been the subject of renewed scrutiny in light of rising collection and treatment costs.In developing countries faced with limited financial and institutional capacity, the value ofinvesting and maintaining conventional western sanitation solutions is also under serious question(Newman 2001). A revolution in sanitation is under way through reconsideration of existingtechnologies such as dry composting, and the arise of new technologies including urine diversion,pressurised effluent carriage and modular small-scale treatment which offer new opportunities fordistributed systems with infrastructure scaled at the on-site and cluster scale (Pinkham et al. 2004).

A number of recent studies have sought to quantify the benefit of these new approaches andtechnologies (Kazaglis & Kraemer 2006; Pinkham et al. 2004; White 2004), however a holistic andrigorous cost-effectiveness analysis from both societal and stakeholder cost perspectives is yet tobe achieved. Such a study is important in demonstrating the value of these new models to decision-makers and driving their uptake by the mainstream.

This paper describes how a new costing method developed by the Institute for Sustainable Futuresin collaboration with five Australian water authorities (Mitchell et al. 2007) may be used toeffectively demonstrate in which situations the benefits of decentralised systems render them cost-effective alternatives to conventional centralised systems.

The method is a form of cost-effectiveness analysis, which involves developing alternative sets ofoptions to meet a set of agreed study objectives and assessing each alternative on the basis of itsincremental life cycle cost. The benefits of this method include:

- a balanced comparison of all available options is enabled by outcome-based objectives;- the full impact of options is accounted by intentionally defined system boundaries and

thorough life cycle costing;- both economically optimal and financially viable solutions are revealed by analysis of

stakeholder and societal cost perspectives; and- externalities and uncertainties are transparently treated.

Page 135: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

The following section summarises our recent experience of how the method may be applied tocompare decentralised and centralised sanitation options.

METHOD1. Establish the analytical framework: Define the objectives of the analysis and specify theeconomic criteria by which the alternatives will be assessed including an appropriate treatment ofexternalitiesThe drivers and constraints of the study would ideally be decided on by stakeholders affected bythe costing study, and therefore may require a water authority to initiate others’ participation onthis decision. Potential objectives may include complying with minimum environmental standards,reducing the disposal of nutrients to the receiving river system or conserving water or nutrients.The economic criteria are then formed to ensure a balanced comparison of all options is possible.For assessing sanitation systems, a key decision will be the time scale of the net present valuecalculation, as this will control whether the entire life of the assets is accounted. Stakeholdersshould also agree upon an appropriate discount rate that will reflect the time value of money andthe cost of capital. An appropriate response is then defined for all significant actual or avoidedsocietal costs that are not reflected in market exchanges (e.g. eutrophication of rivers). Externalitiesmay be internalised within the costs using shadow pricing, embedded within the study objectives,or accounted externally using a quantitative or qualitative assessment.

2. Identify the system: Inventory the key components of the system, identify their interactions andmodel them within a resource balance.Material flow analysis forms the foundation of the method as the best means of understanding aproblem that is principally concerned with the management of resources (Brunner & Baccini1992). This implies identifying the inputs, stocks and outputs of each system component andlinking them within a model- a “resource balance model”. For the purpose of this study watervolumes have been the principal substance under review owing to their role in constrainingtreatment plant capacity. Recent research has also enabled us to quantify the key phosphorus flows(i.e. within excreta and detergents) that represent a key indicator of eutrophication and nutrientdepletion (Esrey et al. 2000; Gumbo 2005; Rockström et al. 2005; Tangsubkul, Moore & Waite2005). Gumbo (2005) has developed a useful series of water and phosphorus models for thispurpose during a study of a micro-catchment in the city of Harare, Zimbabwe (see below).

Figure 1. Material flow analyses for water and phosphorus in urban systems (Gumbo 2005)

Page 136: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

When considering a sanitation system, the boundaries of the system are first carefully drawn tomake clear which impacts associated with a given option have been included or excluded. Forcentralised sanitation projects, the boundaries should preferably be drawn inclusive of both the newdevelopment and any existing system components upon which the development may rely. Theanalysis is then applied by quantifying the waste flow and its constituent components fromhouseholds (e.g. by estimating the wastewater generated per capita) and relating this to the capacityrequired by the sanitation system and the subsequent constraints associated with the receivingenvironment.

3. Specify the base case: Define and model the system configuration that a conventional approachwould imply in the futureIn order to later assess the incremental cost of an alternative, it is useful to first predict all futureactions associated with following the conventional, centralised approach. In the case of arequirement for commission of a new centralised treatment plant, any staged augmentations asdesign flows increase, and all operation and maintenance of the system over the life of thecomponents are included. In the case of extending an existing system, the base case will ofteninvolve extensive capacity upgrades to the collection system (e.g. trunk drainage) or treatmentsystem. It is critical to include all such costs so that later when the base case is compared toalternatives (eg a decentralised system), it is possible to demonstrate which of these costs may beavoidable.

4. Identify the options and specify alternatives to the base case: Inventory the broad suite ofoptions available toward meeting the study objectives and estimate their costsThe options may be modelled within the “resource balance model” to determine any base caseinvestments that may be avoided or delayed. For example, a delay in the staging of existingcentralised treatment capacity will have a significant impact upon the incremental cost of thealternative. Spreadsheet option models for both a hypothetical centralised base case and adecentralised alternative are presented below.

Figure 2. Spreadsheet output of annual capacity and demand for two alternative systems over time:the centralised base case (left) and the clustered alternative (right). Note the ability of the cluster-based system to respond to changes in demand as they arise.

Page 137: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

In addition to considering smaller-scale or decentralised sanitation systems, capacity demandmanagement options including water conserving devices and source separation may be considered.

5. Analyse the costs: Apply discounted cash flow analysis to each of these alternativesThe key innovation of the method is the extension of material flow analysis toward analysingfinancial flows from alternative cost perspectives. As the costs associated with each option areestimated, careful attention is paid to which stakeholder the cost burden will fall (e.g. thehomeowner, the utility, the developer etc). In addition, all transfer payments (e.g. sewer fees,developer contributions) are accounted separately. Having estimated the costs for each option, theleast cost alternative to society is assessed by discounting the economic costs upon all stakeholders(i.e. ignoring transfer payments) to present value terms. The impact of the least cost alternativeupon each stakeholder’s financial viability may then in turn be assessed by including all costburdens and transfer payments from and to each stakeholder. This may then form the basis for re-negotiating transfer payments to ensure the avoided costs (and therefore the incentives towardeconomic efficiency) are shared equitably.

CONCLUSIONSThe assessment method presented within this paper presents a valuable tool to assessing thecontexts under which decentralised systems are most suitable. The ongoing application of theapproach will be important in driving the uptake of a broader range of system scales and achievingsustainable sanitation outcomes both within developed and developing nations.

REFERENCESBrunner, P.H. & Baccini, P. 1992, 'Regional material management and environmental protection',

Waste Management & Research, vol. 10, no. 2, pp. 203-212.Esrey, S.A., Andersson, I., Hillers, A. & Sawyer, R. 2000, Closing the loop: ecological sanitation

for food security, UNDP, SIDA, Water and Sanitation Programme, Thrasher Research Fundand PAHO.

Gumbo, B. 2005, 'Short-cutting the phosphorus cycle in urban ecosystems', PhD thesis, DelftUniversity of Technology.

Kazaglis, A. & Kraemer, P. 2006, 'Sanitation success stories in India and implications for urbansanitation planning', paper presented to the 32nd WEDC International Conference, Water,Engineering and Development Centre, Loughborough, UK, November 2006.

Mitchell, C., Fane, S., Willetts, J., Plant, R. & Kazaglis, A. 2007, Costing for SustainableOutcomes in Urban Water Systems - A Guidebook.

Newman, P. 2001, 'Sustainable urban water systems in rich and poor cities - steps towards a newapproach', Water Security for the 21st Century-Innovative Approaches. pp. 93-99. WaterScience & Technology [Water Sci. Technol.]. Vol. 43, vol. 43, p. 93.

Pinkham, R., Hurley, E., Watkins, K., Lovins, A., Magliaro, J., Etnier, C. & Nelson, V. 2004,Valuing Decentralized Wastewater Technologies: A Catalog of Benefits, Costs, andEconomic Analysis Techniques, Rocky Mountain Institute.

Rockström, J., Göran, N.A., Falkenmark, M., Lannerstad, M., Rosemarin, A., Caldwell, I.,Arvidson, A. & Nordström, M. 2005, Sustainable Pathways to Attain the MilleniumDevelopment Goals: Assessing the Key Role of Water, Energy and Sanitation, StockholmEnvironment Institute, Stockholm International Water Institute.

Tangsubkul, N., Moore, S. & Waite, T.D. 2005, 'Incorporating phosphorus managementconsiderations into wastewater management practice'.

White, K. 2004, 'Centralised and Decentralised Wastewater Management Alternatives: FunctionalModels and Infrastructure Costs', paper presented to the Enviro 06, Melbourne, 9-11 May2006.

Page 138: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...
Page 139: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

Appendix E Field study photographs 

 

The  following  photographs were  taken  during  a  field  study  of  sanitation  systems  produced  and 

installed within  India’s  Southern  regions.  The  photographs were  taken  principally  at  three  sites, 

depicted below. 

 

 

 

       

 

 

Maps courtesy of Google™

Site B, C 

Site A

Conference location 

Page 140: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

130

Site A: Centre for Scientific Research, Auroville 

The Centre for Scientific Research  in Auroville an NGO  located nearby Pondicherry with particular 

expertise in renewable energy systems, low energy construction, and ecological sanitation. 

 

 

These  photographs  depict  a  facility  used  for  the  production  of  ferrocement  urine  diverting 

squatting pans. Note the three holes for urine, faeces and washwater. Each pan contains two sets 

of  holes  for  two  sets  of  chambers  used  interchangeably  to  ensure minimum  storage  times  are 

applied.  

These pans are produced to scale at this facility and provided at production cost to communities. 

The remaining components such as the compost pits are constructed in‐situ. 

   

Page 141: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

131

Site B: Friends of Camphill, Bangalore 

 

The  system  installed  is  a  biogas  settler,  followed  by  aerobic  treatment  in  a  baffle  reactor  for 

subsequent reuse as irrigation water for the kitchen garden. The system and gardens are managed 

by the residents of the school. 

 

These women are preparing an afternoon meal of chapathi (i.e. a flat Indian bread) cooked with 

biogas derived from the biogas settler system.    

Page 142: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

132

Site C: Rainwater Club, Bangalore 

Rainwater Club  is a public advocacy group  for rainwater harvesting and ecological sanitation. The 

office  is situated  in  the home of Mr and Mrs Vishwanath,  the  founders of  the organisation, who 

have established their home as a demonstration of possibilities. 

 

This squatting pan is produced using fibreglass by Eco‐solutions, a firm in Kerala in India’s South. 

The toilets are typically operated as dessicating toilets, whereby a cup of ash is added after 

defecation to reduce the moisture content of the faeces to below 20% while raising the pH, thus 

destroying any pathogens. 

 

These miniature wetland barrels are located on the roof of the dwelling and receive the greywater 

from both the laundry and shower. 

Page 143: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

133

 

The  figure  on  the  left  depicts  a  rice  paddy,  also  situated  on  the  roof  of  the  dwelling, which  is 

irrigated with  treated  greywater.  The  paddy  produces  the majority of  the  needs  for  a  family  of 

three. To the right is the kitchen water treatment system. Kitchen water in India is associated with 

considerable loads of grease. 

  

These  Bangalore  locals  are  tasked  with  collecting  and  source  separating  household  refuse  for 

subsequent  recycling.  A  considerable  proportion  of  India's  waste  management  is  conducted 

informally and results  in extremely efficient recovery of waste however the benefit may be offset 

by potential health impacts. 

Page 144: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

134

 

A disused lot in Bangalore transformed into an informal open landfill. Every now and then the pile is 

ignited to keep the volume under control, which produces a constant haze over the city 

 

Placed  sporadically  through  the  city,  these  bins  formalise  the  practice  of  open,  uncontrolled 

incineration of waste. 

Page 145: Toward Sustainable Sanitationcfsites1.uts.edu.au/find/isf/publications/mckibbin2008...SANITATION A least cost planning approach for assessing alternative sanitation futures by ...

 

 

135

 

Around the hill stations there  is a growing unease with the volume of plastics accumulating  in the 

mountain  streams.  This  sign  is  telling  as  the  community  appears  to  recognise  that  the  ultimate 

problem is the persistence of plastic waste, rather than inadequate sanitation practices. 

Traditional Indian waste habits are to throw kitchen waste out the window where they would 

biodegrade in place. With the introduction of persistent wastes such as plastic food packaging, the 

cultural inertia of this practice has been difficult to shift.