Phototrophic biofilms, in particular terrestrial cyanobacteria, offer a variety of biotechnologically interesting products such as natural dyes, antibiotics or dietary supplements. However, phototrophic biofilms are difficult to cultivate in submerged bioreactors. A new generation of biofilm photobioreactors imitates the natural habitat resulting in higher productivity. In this work, an aerosol-based photobioreactor is presented that was characterized for the cultivation of phototrophic biofilms. Experiments and simulation of aerosol distribution showed a uniform aerosol supply to biofilms. Compared to previous prototypes, the growth of the terrestrial cyanobacterium Nostoc sp. could be almost tripled. Different surfaces for biofilm growth were investigated regarding hydrophobicity, contact angle, light- and temperature distribution. Further, the results were successfully simulated. Finally, the growth of Nostoc sp. was investigated on different surfaces and the biofilm thickness was measured noninvasively using optical coherence tomography. It could be shown that the cultivation surface had no influence on biomass production, but did affect biofilm thickness.

A transition from conventional centralized to hybrid decentralized systems has been increasingly advised recently due to their capability to enhance the resilience and sustainability of urban water supply systems. Reusing treated wastewater for non-potable purposes is a promising opportunity toward the aforementioned resolutions. In this study, we present two optimization models for integrating reusing systems into existing sewerage systems to bridge the supply–demand gap in an existing water supply system. In Model-1, the supply–demand gap is bridged by introducing on-site graywater treatment and reuse, and in Model-2, the gap is bridged by decentralized wastewater treatment and reuse. The applicability of the proposed models is evaluated using two test cases: one a proof-of-concept hypothetical network and the other a near realistic network based on the sewerage network in Chennai, India. The results show that the proposed models outperform the existing approaches by achieving more than a 20% reduction in the cost of procuring water and more than a 36% reduction in the demand for freshwater through the implementation of local on-site graywater reuse for both test cases. These numbers are about 12% and 34% respectively for the implementation of decentralized wastewater treatment and reuse.

Im Rahmen der Weltklimakonferenz in Paris 2015 haben 197 Staaten ein gemeinsames Abkommen getroffen, das die Begrenzung der Erderwärmung um maximal 1,5 °C vorsieht. Dieses gemeinsame Ziel ist jedoch nur durch eine massive Verringerung des Treibhausgasausstoßes zu erreichen. Dabei bietet insbesondere der Wärmebereich ein großes Potential, den Ausstoß von Treibhausgasen signifikant zu senken. Entsprechend notwendig sind Technologien und Ansätze, die zu einer Reduzierung des Treibhausgasausstoßes führen. Ein Ansatz könnte die Verwendung bislang ungenutzter industrieller bzw. gewerblicher Abwärme sein, indem diese gezielt auf den bestehenden Abwasservolumenstrom übertragen wird. Somit wird die Abwassertemperatur maßvoll angehoben, ohne dabei die Abwassermenge zu verändern. Stromabwärts kann das gezielt erwärmte Abwasser vom Nutzer über die etablierte Technik einer Abwasserwärmenutzungsanlage entnommen werden. Ziel dieser Arbeit ist es, diesen Ansatz weitergehend zu untersuchen und die Chancen und Risiken der Verteilung und Verwendung bislang ungenutzter industrieller und gewerblicher Abwärme über die bestehende Kanalisation aufzuzeigen und zu modellieren. Dazu werden biologische, chemische und physikalische Einwirkungen und deren Auswirkungen auf den Kanalbetrieb und die Wirtschaftlichkeit einer solchen Anlage analysiert. Die sich daraus ergebenden Einflüsse auf den Kanalbetrieb, die Kanalsubstanz, den Wärme¬transport und die folgende Wärmeentnahme sind im Modell berücksichtigt. Folglich ermöglicht das Modell – in Abhängigkeit von den vorliegenden Rahmenbedingungen – eine Aussage, ob eine auftretende Sulfidproblematik (Bildung von Schwefelwasserstoff) wahrscheinlich ist, wie hoch die Wärmeverluste über die Fließstrecke sind und wie viel Wärme letztlich dem Nutzer zur Verfügung gestellt werden kann. Abschließend wird das im Rahmen dieser Dissertation entwickelte Modell zur Modellierung der Verteilung ungenutzter industrieller und gewerblicher Abwärme über die Abwasserkanalisation an einem Beispiel angewendet. Es kann dabei gezeigt werden, dass dieser Ansatz der (Ab)Wärmeverteilung über die bestehende Abwasserinfrastruktur sowohl für die Industrie als auch für den Nutzer einer Abwasserwärmenutzungsanlage vorteilhaft ist. Durch die industrielle bzw. gewerbliche Kühlung über die bestehende Abwasserinfrastruktur wird die Temperatur dieser Wärmequelle (Abwasser) der nachfolgenden Abwasserwärmenutzungsanlage erhöht, wodurch die Effizienz gesteigert werden kann. Somit wird der Ausstoß von Treibhausgasen sowohl auf Seiten der (Ab)Wärmequelle als auch der Wärmesenke reduziert, wodurch dieser Ansatz einen Bau¬stein zum Erreichen der Klimaschutzziele darstellen kann.

Financing measures and incentive schemes for (existing and new) building owners can promote the sustainable settlement development of rural regions or municipalities and, in a wider sense, entire countries or cross-border regions. In order to be used on a broad scale, the concept of revolving funds must continue to be further developed. In this research, the concept of an advanced revolving housing fund (ARF) for building owners to support the sustainable development of rural regions and potential mechanisms are introduced. The ARF is designed to reflect impacts and challenges with regard to rural regions in Germany, Europe and beyond. Based on New Institutional Economics, the Theory of Spatial Organisms, an expert workshop, interviews and discussions and further literature research, the fundamentals for incentive schemes and the essential mechanisms and design aspects of the ARF are derived. This includes the principal structure and governance of a holding fund and several regional funds. Based on this, input parameters for the financial modelling of an ARF are presented as well as guiding elements for empirical testing to promote more research in this area. It is found that the ARF should have a regional focus and must be a comprehensive instrument of settlement development with additional informal and formal measures. The developed concept promises new impulses, in particular, for rural regions. It is proposed to test the concept by means of case studies in pioneer regions of different countries

Verkehrsflächenbürtige Feststoffe enthalten Schadstoffe wie Schwermetalle, die im Regenereignis abfließen und in Gewässern toxisch wirken können. Da ein großer Teil vieler Schwermetalle partikulär vorliegt, können diese durch eine Behandlung mittels Sedimentation zurückgehalten werden. Zur Optimierung des Feststoff- und damit Schadstoffrückhaltes ist eine Erweiterung des Kenntnisstandes zum Absetzverhalten schadstofftragender Feststoffe nötig. Es ist bekannt, dass das Schadstoffaufkommen standortspezifisch variiert. Bezüglich der für die Sedimentation absetzrelevanten Kenngrößen wie Partikelgröße und Dichte wurde der Einfluss standortspezifischer Randbedingungen auf die Zusammensetzung noch nicht umfassend untersucht. Weiter mangelt es an einer Methode zur Messung des Absetzverhaltens unter kontrollierten Bedingungen. Diese Arbeit liefert hierzu einen Beitrag. Anhand einer Literaturstudie zu Feststoffdepositionen und -abflüssen von Verkehrsflächen wurde für die absetzrelevanten Kenngrößen Partikelgröße, -form, -dichte und organischer Anteil eine Metadatenauswertung hinsichtlich methoden- und standortspezifischen Randbedingungen durchgeführt. Für organische Anteile in Abflüssen konnte eine gesicherte Datengrundlage und Durchschnittswerte ermittelt werden. Die Datengrundlage für die weiteren Kenngrößen ist bislang gering. Der Mangel an Befunden zu absetzrelevanten Kenngrößen unterstreicht die Notwendigkeit vertiefter Untersuchungen zur Charakterisierung verkehrsflächenbürtiger Feststoffe. In einem umfangreichen Messprogramm wurden an zehn Standorten in Frankfurt am Main von 2016 bis 2018 Feststoffe in der Trockenperiode auf der Verkehrsfläche gewonnen und hinsichtlich der genannten absetzrelevanten Kenngrößen untersucht. Standortspezifische Einflüsse wurden statistisch nachgewiesen. Feststoffaufkommen und deren Partikelgröße liegen unabhängig vom Standort nur mit geringer Variabilität vor. Es besteht ein positiver Zusammenhang zwischen der Verkehrsstärke und dem Feststoffaufkommen. Organische Anteile sind eine Funktion der vorherrschenden Vegetation am Standort. Sie variieren saisonal. Es konnte ein negativ linearer Zusammenhang zwischen der Dichte und den organischen Anteilen nachgewiesen werden. Diese Arbeit liefert damit eine neue Datengrundlage für die Modellierung von Transportprozessen von Feststoffen und ihren absetzrelevanten Kenngrößen von unterschiedlichen Verkehrsflächen. Weiter wurde ein Laborverfahren zur Bestimmung des Absetzverhaltens verkehrsflächenbürtiger Feststoffe in konstanter Zusammensetzung (Partikelgrößenverteilung und Feststoffkonzentration) entwickelt und mit der geschaffenen Datengrundlage validiert. Es wurden erste Erkenntnisse zum Absetzverhalten von Feststoffen, organischen Anteilen und Schwermetallen gewonnen. Im untersuchten Szenario sedimentieren die Partikel diskret bedingt durch die Partikelgröße und organischen Anteile. Das Absetzverhalten der Schwermetalle korreliert mit den Feststoffen. Überproportional hohe Schwermetallkonzentrationen in feinen Partikelanteilen bedeuten jedoch eine verringerte Absetzbarkeit der jeweiligen Schwermetallanteile. Für die Behandlung von Abflüssen aus Verkehrsflächen mit viel Vegetation am Standort legen diese Ergebnisse nahe, dass mit reduzierten Feststoffwirkungsgraden aufgrund verminderter Absetzbarkeit leichterer Bestandteile mit geringer Dichte zu rechnen ist. Mit den Laborergebnissen konnte ein starker positiver Zusammenhang zwischen dem Feststoff- und Schadstoffwirkungsgrad bestätigt werden. Die Verteilung der Schwermetalle in Partikelgrößenklassen einer Feststoffprobe ist neben den organischen Anteilen und der Dichte ein wichtiger Parameter zur Einschätzung der Absetzbarkeit bei diskretem Absetzverhalten.