624 Ingenieurbau und Umwelttechnik
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Faculty / Organisational entity
Characterization of an Aerosol-Based Photobioreactor for Cultivation of Phototrophic Biofilms
(2021)
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.
Verbundkonstruktionen aus Stahl und Beton haben sich in den letzten Jahrzehnten
zu einer wirtschaftlichen und konkurrenzfähigen Bauweise im Hoch- und Brückenbau
entwickelt. Eine wesentliche Rolle im Verbundbau nehmen dabei die Verbundmittel
ein, an die hohe Anforderungen hinsichtlich der Tragfähigkeit und der Verformbarkeit
gestellt werden. Am Fachgebiet Stahlbau der TU Kaiserslautern wurden Versuche
zur Trag- und Verformungsfähigkeit randnaher Betondübel in Abscher- und
Ausziehversuchen durchgeführt.
Der Einsatz der Betondübel in innovativen Verbundkonstruktionen ist trotz noch
fehlender normativer Regelwerke von weiter steigendem Interesse. Betondübel
können in neuartigen Verbundkonzepten auch in einer randnahen Lage eingesetzt
werden. Dadurch lassen sich Querschnitte materialgerecht und kostengünstig in
optimierter Verbundbauweise herstellen und verbauen. Eine geringere seitliche
Betondeckung der Betondübel kommt neben den Plattenbalkenquerschnitten in
Konstruktionen vor, in welchen die Verbundleiste liegend eingebaut wird. Solche
parallel zur Betongurtebene positionierte Betondübelleisten sind z. B. in Slim-Floor-
oder modernen Klimadecken in Sandwichverbundbauweise denkbar. Das Trag- und
Verformungsverhalten einer Betondübelleiste, welche in Verbundkonstruktionen in
Kombination mit einer schlanken Betonplatte liegend integriert wird, wurde aufgrund
ihrer randnahen Lage genauer betrachtet. Die ersten Untersuchungen hierzu zeigen,
dass die Verbunddübelleisten, nach dem die Spalt- und Rückhängerisse entstehen,
mit Kantenbruch versagen. Wenn ausreichend Bewehrung vorhanden ist, führen die
primären Spalt- und Rückhängerisse nicht zum Versagen. Der Einsatz einer
Wendelbewehrung in den Verbundübelleisten steigert das Trag- und
Verformungsvermögen deutlich.
Es existiert zwar noch keine einheitliche normative Regelung zur Anwendung und
Bemessung der Verbunddübel, häufig als Puzzleleiste bezeichnet, jedoch wurde
aktuell eine Zulassung Z-26.4-56 2013 erarbeitet, welche die Anwendung der
Verbunddübelleisten, kurz VDL, möglich macht. Die Anwendungsgrenzen sind dabei
zu beachten. Darüber hinaus wird derzeit in mehreren Forschungsarbeiten daran
gearbeitet, die Verwendung der puzzleartigen Verbundmittel zu erleichtern, indem
einheitliche Anwendungs- und Bemessungsregeln dieser in die Eurocodes
eingepflegt werden sollen. Diese Arbeit soll ebenfalls dazu beitragen, die
Versagensmechanismen der am Rand eingebauten Puzzleleisten zu erforschen und
ein für die Anwender handhabbares Bemessungskonzept zu erarbeiten. Die ersten
Erkenntnisse sollen eine Grundlage für ein in der Zukunft gültiges Bemessungs-
konzept bilden.
Anhand der Abscherversuche wurde der Einfluss der Randnähe untersucht. Darüber
hinaus wurden numerische Untersuchungen vorgenommen. Die FE-Modelle wurden
insbesondere zur Analyse des Lastabtrags der randnahen Betondübel verwendet.
Darüber hinaus wurde eine Parameterstudie durchgeführt, welche die Variation der
Materialien und geometrischen Größen der FE-Modelle beinhaltete.
Aufbauend auf den experimentellen und numerischen Beobachtungen und
theoretischen Überlegungen wurde ein Ingenieurmodell für Verbunddübelleisten mit
und ohne Wendelbewehrung entwickelt. Das Modell wird abschließend auf das
Bemessungsniveau überführt.
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.
High performance fiber-reinforced concrete (HPFRC) has been frequently investigated in recent years. Plenty of studies have focused on different materials and types of fibers in combination with the concrete matrix. Experimental tests show that fiber dosage improves the energy absorption capacity of concrete and enhances the robustness of concrete elements. Fiber reinforced concrete has also been illustrated to be a material for developing infrastructure sustainability in RC elements like façade plates, columns, beams, or walls. Due to increasing costs of the produced fiber reinforced
concrete and to ensure the serviceability limit state of construction elements, there is a demand to analyze the necessary fiber dosage in the concrete composition. It is expected that the surface and length of used fiber in combination with their dosage influence the structure of fresh and hardened concrete. This work presents an investigation of the mechanical parameters of HPFRC with different polymer fiber dosage. Tests were carried out on a mixture with polypropylene and
polyvinyl alcohol fiber with dosages of 15, 25, and 35 kg/m3 as well as with control concrete without fiber. Differences were observed in the compressive strength and in the modulus of elasticity as well
as in the flexural and splitting tensile strength. The flexural tensile strength test was conducted on two different element shapes: square panel and beam samples. These mechanical properties could
lead to recommendations for designers of façade elements made of HPFRC.
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.
Global trends such as climate change and the scarcity of sustainable raw materials require adaptive, more flexible and resource-saving wastewater infrastructures for rural areas. Since 2018, in the community Reinighof, an isolated site in the countryside of Rhineland Palatinate (Germany), an autarkic, decentralized wastewater treatment and phosphorus recovery concept has been developed, implemented and tested. While feces are composted, an easy-to-operate system for producing struvite as a mineral fertilizer was developed and installed to recover phosphorus from urine. The nitrogen-containing supernatant of this process stage is treated in a special soil filter and afterwards discharged to a constructed wetland for grey water treatment, followed by an evaporation pond. To recover more than 90% of the phosphorus contained in the urine, the influence of the magnesium source, the dosing strategy, the molar ratio of Mg:P and the reaction and sedimentation time were investigated. The results show that, with a long reaction time of 1.5 h and a molar ratio of Mg:P above 1.3, constraints concerning magnesium source can be overcome and a stable process can be achieved even under varying boundary conditions. Within the special soil filter, the high ammonium nitrogen concentrations of over 3000 mg/L in the supernatant of the struvite reactor were considerably reduced. In the effluent of the following constructed wetland for grey water treatment, the ammonium-nitrogen concentrations were below 1 mg/L. This resource efficient decentralized wastewater treatment is self-sufficient, produces valuable fertilizer and does not need a centralized wastewater system as back up. It has high potential to be transferred to other rural communities.
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
To achieve the Paris climate protection goals there is an urgent need for action in the energy sector. Innovative concepts in the fields of short-term flexibility, long-term energy storage and energy conversion are required to defossilize all sectors by 2040. Water management is already involved in this field with biogas production and power generation and partly with using flexibility options. However, further steps are possible. Additionally, from a water management perspective, the elimination of organic micropollutants (OMP) is increasingly important. In this feasibility study a concept is presented, reacting to energy surplus and deficits from the energy grid and thus providing the needed long-term storage in combination with the elimination of OMP in municipal wastewater treatment plants (WWTPs). The concept is based on the operation of an electrolyzer, driven by local power production on the plant (photovoltaic (PV), combined heat and power plant (CHP)-units) as well as renewable energy from the grid (to offer system service: automatic frequency restoration reserve (aFRR)), to produce hydrogen and oxygen. Hydrogen is fed into the local gas grid and oxygen used for micropollutant removal via upgrading it to ozone. The feasibility of such a concept was examined for the WWTP in Mainz (Germany). It has been shown that despite partially unfavorable boundary conditions concerning renewable surplus energy in the grid, implementing electrolysis operated with regenerative energy in combination with micropollutant removal using ozonation and activated carbon filter is a reasonable and sustainable option for both, the climate and water protection
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.
The development of a power system based on high shares of renewable energy sources puts high demands on power grids and the remaining controllable power generation plants, load management and the storage of energy. To reach climate protection goals and a significant reduction of CO2, surplus energies from fluctuating renewables have to be used to defossilize not only the power production sector but the mobility, heat and industry sectors as well, which is called sector coupling. In this article, the role of wastewater treatment plants by means of sector coupling is pictured, discussed and evaluated. The results show significant synergies—for example, using electrical surplus energy to produce hydrogen and oxygen with an electrolyzer to use them for long-term storage and enhancing purification processes on the wastewater treatment plant (WWTP). Furthermore, biofuels and storable methane gas can be produced or integrate the WWTP into a local heating network. An interconnection in many fields of different research sectors are given and show that a practical utilization is possible and reasonable for WWTPs to contribute with sustainable energy concepts to defossilization.