Im Zuge der Überarbeitung der DVG-Richtlinie zur Prüfung der Viruzidie chemischer Desinfektionsmittel in der Nutztierhaltung wurden BVDV, EAV und PPV auf ihre Eignung als potentielle Prüfviren getestet. Das bisher vorgeschriebene Newcastle-Disease-Virus und das Vacciniavirus sollen mit anderen behüllten Viren wie BVDV oder EAV verglichen werden. Beweggründe für einen möglichen Austausch sind die derzeitige Situation in der Tierseuchenbekämpfung, die Erhöhung der Anwendersicherheit durch Wegfall des zoonotischen Potentials, die einfachere Kultivierung und Handhabung der Prüfviren sowie speziell bei NDV die höhere Aussagekraft der gewonnenen Ergebnisse. Die Desinfektionsmittelversuche wurden gemäß DVG-Richtlinie auf Pappelholzkeimträgern durchgeführt, wobei das jeweilige, mit fetalem Kälberserum vermischte, Virus auf die Keimträger aufgetragen und angetrocknet wurde. Die DVG schreibt eine Trocknung im Brutschrank von 60 Minuten bei 37°C vor. Um die Trocknungsverluste der eingesetzten Viren zu untersuchen, wurden vergleichende Trocknungsversuche wie vorgeschrieben im Brutschrank und im Exsikkator bei Raumtemperatur durchgeführt. Die nach der Trocknung im Brutschrank durchgeführten Desinfektionsmittelversuche wurden mit chemischen Grundsubstanzen kommerziell erhältlicher Desinfektionsmittel durchgeführt. Dabei kamen verschiedene Anwendungskonzentrationen von Ameisensäure, Glutaraldehyd, Natriumhypochlorit, Natronlauge und Peressigsäure zum Einsatz. Bei der vorgeschriebenen Trocknung im Brutschrank kam es zu Titerverlusten von 0,8 bis zu 2,75 log10KID50/ml. Durch eine Trocknung der Holzkeimträger von 30 Minuten bei Raumtemperatur im Exsikkator konnten die Titerverluste auf 0,3 bis 1,0 log10KID50/ml reduziert werden. In den nachfolgenden Desinfektionsversuchen zeigte sich die besonders hohe Tenazität von PPV. Es war den eingesetzten Desinfektionsmitteln gegenüber deutlich resistenter als alle anderen untersuchten Viren. In den Trocknungsversuchen zeigte PPV mit Abstand die niedrigsten Titerverluste. Mit BVDV und EAV konnten zwar ausreichend hohe Titer erzielt werden, allerdings waren die Trocknungsverluste beider Viren sehr hoch. In den Keimträgerversuchen konnte nur in wenigen Versuchen eine Titerreduktion von mehr als 3 Logarithmusstufen erreicht werden. Hier könnte zukünftig die Trocknung im Exsikkator Abhilfe schaffen, um die Trocknungsverluste zu minimieren und eine höhere Titerreduktion zu ermöglichen. Die Ergebnisse einer früheren Arbeit zeigen identische Ergebnisse von NDV und BVDV im Keimträgertest. Ein Ersatz von NDV durch BVDV ist somit zu empfehlen. Eine Verwendung der untersuchten Viren gemäß den derzeitigen DVG-Richtlinien ist möglich, allerdings müssten im Zuge der weiteren Harmonisierung von CEN- und DVG-Richtlinie die Kontrolltiter entsprechend erhöht werden, um die von der CEN geforderte Titerreduktion von vier Logarithmusstufen für eine vollständige Virusinaktivierung einzuhalten. Die Vermehrung der untersuchten Viren zu höheren Ausgangs-, bzw. Kontrolltitern sollte daher Gegenstand weiterer Forschungsarbeit sein. Einer weiteren Verwendung der bisherigen Prüfviren BEV und REOV steht nichts im Wege. Aufgrund der Ergebnisse der vergleichenden Trocknungsversuche wird für alle untersuchten Viren zukünftig eine 30 minütige Trocknung im Exsikkator empfohlen.

Im Zuge der Überarbeitung der DVG-Richtlinie zur Prüfung der Viruzidie chemischer Desinfektionsmittel in der Nutztierhaltung wurden BVDV, EAV und PPV auf ihre Eignung als potentielle Prüfviren getestet. Das bisher vorgeschriebene Newcastle-Disease-Virus und das Vacciniavirus sollen mit anderen behüllten Viren wie BVDV oder EAV verglichen werden. Beweggründe für einen möglichen Austausch sind die derzeitige Situation in der Tierseuchenbekämpfung, die Erhöhung der Anwendersicherheit durch Wegfall des zoonotischen Potentials, die einfachere Kultivierung und Handhabung der Prüfviren sowie speziell bei NDV die höhere Aussagekraft der gewonnenen Ergebnisse. Die Desinfektionsmittelversuche wurden gemäß DVG-Richtlinie auf Pappelholzkeimträgern durchgeführt, wobei das jeweilige, mit fetalem Kälberserum vermischte, Virus auf die Keimträger aufgetragen und angetrocknet wurde. Die DVG schreibt eine Trocknung im Brutschrank von 60 Minuten bei 37°C vor. Um die Trocknungsverluste der eingesetzten Viren zu untersuchen, wurden vergleichende Trocknungsversuche wie vorgeschrieben im Brutschrank und im Exsikkator bei Raumtemperatur durchgeführt. Die nach der Trocknung im Brutschrank durchgeführten Desinfektionsmittelversuche wurden mit chemischen Grundsubstanzen kommerziell erhältlicher Desinfektionsmittel durchgeführt. Dabei kamen verschiedene Anwendungskonzentrationen von Ameisensäure, Glutaraldehyd, Natriumhypochlorit, Natronlauge und Peressigsäure zum Einsatz. Bei der vorgeschriebenen Trocknung im Brutschrank kam es zu Titerverlusten von 0,8 bis zu 2,75 log10KID50/ml. Durch eine Trocknung der Holzkeimträger von 30 Minuten bei Raumtemperatur im Exsikkator konnten die Titerverluste auf 0,3 bis 1,0 log10KID50/ml reduziert werden. In den nachfolgenden Desinfektionsversuchen zeigte sich die besonders hohe Tenazität von PPV. Es war den eingesetzten Desinfektionsmitteln gegenüber deutlich resistenter als alle anderen untersuchten Viren. In den Trocknungsversuchen zeigte PPV mit Abstand die niedrigsten Titerverluste. Mit BVDV und EAV konnten zwar ausreichend hohe Titer erzielt werden, allerdings waren die Trocknungsverluste beider Viren sehr hoch. In den Keimträgerversuchen konnte nur in wenigen Versuchen eine Titerreduktion von mehr als 3 Logarithmusstufen erreicht werden. Hier könnte zukünftig die Trocknung im Exsikkator Abhilfe schaffen, um die Trocknungsverluste zu minimieren und eine höhere Titerreduktion zu ermöglichen. Die Ergebnisse einer früheren Arbeit zeigen identische Ergebnisse von NDV und BVDV im Keimträgertest. Ein Ersatz von NDV durch BVDV ist somit zu empfehlen. Eine Verwendung der untersuchten Viren gemäß den derzeitigen DVG-Richtlinien ist möglich, allerdings müssten im Zuge der weiteren Harmonisierung von CEN- und DVG-Richtlinie die Kontrolltiter entsprechend erhöht werden, um die von der CEN geforderte Titerreduktion von vier Logarithmusstufen für eine vollständige Virusinaktivierung einzuhalten. Die Vermehrung der untersuchten Viren zu höheren Ausgangs-, bzw. Kontrolltitern sollte daher Gegenstand weiterer Forschungsarbeit sein. Einer weiteren Verwendung der bisherigen Prüfviren BEV und REOV steht nichts im Wege. Aufgrund der Ergebnisse der vergleichenden Trocknungsversuche wird für alle untersuchten Viren zukünftig eine 30 minütige Trocknung im Exsikkator empfohlen.

According to estimates of the United Nations Environment Programme (UNEP), more than 1.8 billion people will be living in countries or regions with absolute water scarcity by 2025. The pressure on water resources is increased not only in arid and semiarid regions, but also in fast growing megacities around the world as a result of, amongst other factors, the changing nutritional and consumer behavior (rising living standards). Over 90 % of the annual water consumption of the newly industrializing and developing countries in the arid and semiarid climate zone is used for agricultural irrigation to ensure the nutrition of the population. Thus, since the beginning of the 20th century, the planned/controlled reuse of wastewater has developed into a central task of the sustainable water resources management. Wastewater represents a valuable resource in view of its composition (e. g. nutrients P, N for soil fertilizing) and its reliable, weather-independent availability in every household. The establishment of a closed-loop water management can enhance the efficiency of water usage. Therefore, activities in research and development are currently focused on decentralized and semi-centralized concepts, since their structures offer better conditions for the establishment of closed-loop systems and innovations in wastewater technology can be implemented more easily. In general, the hygienic quality requirements for wastewater reuse are predominantly oriented towards the planned usage. These are, in turn, regulated by thresholds and guidance values, e. g. for faecal indicator bacteria (e. g. faecal coliforms: E. coli), in widely differing norms and legal provisions specific to the respective countries. In Germany since 2005, small wastewater treatment plants can obtain the discharge class +H by the German Institute for Civil Engineering (DIBt: Deutsches Institut für Bautechnik) if secondary effluents contain less than 100 faecal coliforms (E. coli) per 100 mL. This ensures a safe effluent seepage in karst and water protection areas. Due to the infectious risk caused by a multitude of pathogens (bacteria, viruses, worm eggs, protozoa) which are still contained in wastewater after mechanical-biological treatment, specific disinfection methods are indispensable for their satisfactory reduction. Demands on disinfection methods for wastewater reclamation are quite complex. They should be characterized by a high and constant disinfection efficiency at low or moderate formation of disinfection by-products. The reclaimed wastewater should be able to be stored safely. Moreover, the disinfection method should be technically simple, scaleable, space-saving, subjected to low maintenance and realized at moderate investment and operating costs without applying external toxic chemicals. Established methods in decentralized wastewater disinfection are mainly based on membrane and UV technologies. However, these methods are currently working under high operating costs (high maintenance and cleaning efforts). Furthermore, the high investment costs of the membrane filtration are disadvantageous. In addition, both methods do not provide a disinfection residual. Thus, further research is required for the development and testing of alternative disinfection technologies. Against this background, the applicability of the electrolysis and UV/electrolysis hybrid technology for the decentralized wastewater reclamation was investigated and assessed in this dissertation. Results have shown that the electrochemical disinfection of biologically treated wastewater represents an efficient method at temperatures of > 6 °C, pH values of < 8.5 and DOC con-centrations of < 22 mg L-1. Under these conditions, an E. coli reduction of four log levels was achieved at a concentration of free chlorine ranging from 0.4 mg L-1 to 0.6 mg L-1 and at an after-reaction time of 15...20 min. However, it becomes simultaneously apparent that low temperatures, high pH values and high DOC concentrations are limiting parameters for this disinfection method to reclaim biologically treated wastewater. A high energy consumption of the electrolysis cell equipped with boron-doped diamond (BDD) electrodes (2...2.6 kWh m-3) represents a further unfavourable effect. Moreover, the undesired formation of chlorate (c = 1.3 mg L-1) and perchlorate (c = 18 mg L-1) at BDD electrodes can be considered as critical, since these disinfection by-products are, amongst others, human-toxicologically relevant. The concentration of adsorbable organically bound halogens (AOX) and trihalomethanes (THMs) proved to be marginal to moderate. Due to the synergistic effect of the combined application of UV irradiation (primary disinfection method) and electrolysis, the disadvantages of the single methods can be compensated. Decisive drawbacks of UV irradiation are photo and dark repair mechanisms of reversibly damaged bacteria. It was observed that the reactivation of reversibly UV-damaged E. coli even occurs at low temperatures (T = 10 °C) and strongly differing pH values (pH = 5.7...8.1) as well as at low light intensities and in darkness to an extent excluding a safe usage and storage of the reclaimed wastewater. The reactivation processes might be lowered by increased UV fluences. However, this is limited by high concentrations of total suspended solids (TSS). In spite of high UV fluences of > 400 J m-1, no complete removal of E. coli bacteria can be achieved at TSS concentrations of > 17 mg L-1. Therefore, it is indispensable to prevent bacterial reactivation caused by photo and dark repair processes. This topic was studied in the current work by electrochemically produced oxidants using an electrolysis cell positioned downstream of the UV unit. Results have shown that photo and dark reactivation were completely prevented by oxidants in a total concentration of 0.5...0.6 mg L-1 at a TSS concentration of 8...11 mg L-1, at pH values ranging from 5.7 to 8.1 and at temperatures ranging from 10 °C to 30 °C (t = 24....72 h). Even at a high TSS concentration of 75 mg L-1, the reactivation of E. coli (ctotal oxidants = 1.8 mg L-1) and, up to a TSS concentration of 32 mg L-1, the reactivation of total coliforms (except E. coli, ctotal oxidants = 1.0 mg L-1) can be prevented at a high initial germ concentration of 2…3 105 per 100 mL. The lowest energy consumption could be observed when mixed oxide electrodes (MOX electrodes) were applied. This result and the fact that no chlorate and perchlorate were observed at MOX electrodes argue for the application of these electrodes in practice. All in all, the UV/electrolysis hybrid technology represents an energy-efficient method for reclamation of biologically treated wastewater with TSS concentrations ranging from < 11 to 32 mg L-1 (E = 0.17…0.24 kWh m-3, MOX electrodes). Thereby, the reclaimed wastewater meet the hygienic quality requirements for a multitude of reuse categories starting from agricultural irrigation to urban and recreational reuse. Moreover, the requirements of the discharge class +H (100 faecal coliforms (E. coli) per 100 mL) are complied with reliably. The operational stability of the UV/electrolysis hybrid technology should also be ensured within the required maintenance intervals (t > 6 months). The undesired formation of coverings caused by biofouling processes on quartz glass surfaces could be prevented by electrochemically produced oxidants in a total concentration of 1 mg L-1 within an experimental duration of 5.5 months. However, the application of the UV/electrolysis hybrid technology is limited by increased particle concentrations and faecal loadings (initial E. coli concentration). The resulting enhanced demand of electrochemically produced oxidants for the prevention of bacterial reactivation results in a considerable increase of the electric charge input and energy consumption.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden zwei verschiedene Klassen oxidischer Nanomaterialien nasschemisch synthetisiert und strukturell-morphologisch charakterisiert. Zum einen betrifft dies TiO2-, TiO2/SiO2-, Ag/TiO2- und Pd/TiO2-Sole, welche die photokatalytisch aktive Modifikation Anatas in nanokristalliner Form enthalten und über einen solvothermalen Sol-Gel-Prozess hergestellt werden konnten. Im Hinblick auf eine potentielle Anwendung in der Desinfektionstechnologie und für den Abbau organischer Umweltschadstoffe wurde die photokatalytische Aktivität von Pulvern und Beschichtungen auf Textil durch E. coli-Abtötung bzw. Modellfarbstoffabbau untersucht. Im Weiteren wurde die antimikrobielle Aktivität pyroelektrischer LiNbO3- und LiTaO3-Pulvermaterialien unter zyklischer thermischer Anregung nachgewiesen. Diese als Pyroelektrokatalyse bezeichnete Nutzung des pyroelektrischen Effektes in einem katalytischen bzw. elektrochemischen Prozess ist dabei von grundlegender Neuheit. Aufsetzend auf den physiko-chemischen Grundlagen dieses Phänomens wurde eine Hypothese des Mechanismus entwickelt und in Analogie zur Photokatalyse diskutiert. / This thesis deals with two classes of oxidic nanomaterials that were synthesized by chemical solution routes and characterized with respect to structure and morphology. Sols of TiO2, TiO2/SiO2, Ag/TiO2 and Pd/TiO2 containing the photocatalytically active modification anatase in nanocrystalline form were prepared via a solvothermal sol-gel process. With regard to potential application in disinfection and environmental remediation technology the photocatalytic activity of powders and coatings on textile was investigated by means of E. coli decomposition and organic dye degradation. Further the antimicrobial activity of pyroelectric LiNbO3 and LiTaO3 powder materials under cyclical thermal excitation was demonstrated. In this context the application of the pyroelectric effect in a catalytic or electrochemical process – termed as pyroelectrocatalysis – is of fundamental novelty. Based on the physico-chemical principles of the phenomenon a hypothesis of the mechanism was developed and discussed in analogy with photocatalysis.

Der Einfluss des Biofilms, der Inkrustation, der Fließgeschwindigkeit und der Wasserqualität auf die Freisetzung von PAK wurde in Batch-, Drehkolbenreaktorversuchen und an einem Rohrleitungssystem untersucht. Chlorung von tauchgeteerten Edelstahlcoupons mit Biofilm führten zu einer fast vollständigen Ablösung des Biofilms und einer Zunahme der Freisetzung von Fluoren, Phenanthren und Fluoranthen. Die PAK-Freisetzung von tauchgeteerten Edelstahlcou-pons in einer Lösung von Trinkwasser mit 0,1% Natriumazid als Hemmstoff der Atmungskette, der den Biofilm nicht ablöst, führten zu einer Zunahme aller untersuchten PAK in der gleichen Größenordnung wie ohne Bio-film. In chloriertem Teerleachat wurden unter der teilweisen Anwendung einer einfachen Methode der kontinu-ierlichen Extraktion folgende PAK-Derivate analysiert: Chloracenaphthen, 1-Chlorpyren, 9-Fluorenon, Anthron. Da Reaktionsprodukte von Phenanthren und Fluoranthen nicht gefunden werden konnten, wird eine Weiterreaktion zu 9-Fluorenon vorgeschlagen, die durch die Pechoberfläche katalysiert wird. Instationäre Korrosion und nicht vorhandener aerober Abbau sind die Gründe für eine PAK-Zunahme während Stagnationphasen. / The influence of biofilm, encrustation, flow velocity and water quality on the release of PAHs was investigated in batch, continuously flown reactor experiments and in a pipe rig system. Chlorination of coal-tar coated stainless steel slides with biofilm resulted in an almost complete removal of the biofilm and an increase of the release of fluorene, phenanthrene and fluoranthene. PAH release of coal-tar coated stainless steel slides exposed to a solution of drinking water with 0,1% sodium azide as an inhibitor of the respiratory chain which did not remove the biofilm led to an increase of all observed PAHs up to the same magnitude as without biofilm. In chlorinated coal-tar leachate the following derivatives were detected while partly utilizing an easy method for a continuously extrac-tion: chloroacenaphthene, 1-chloropyrene, 9-fluorenone, anthrone. While reaction products of phenanthrene and fluoranthene could not be found a further reaction to 9-fluorenone catalysed by the coal-tar surface is proposed. Instationary corrosion and no aerobic degradation are the reasons for PAH increase during stagnation periods.

Clean drinking water is a vital part of our society and a basic human right. With an ever growing population and a decreasing quality of raw water, new methods need to be introduced to keep up with the demand for clean, biostable, and sustainable production of drinking water. The aim of this study is to evaluate Håbo municipality’s increasing usage of chemicals in their water treatment process and to investigate current and future possible technologies for water treatment for Håbo to make their process more sustainable. In this study four scenarios of different cost and change of today’s water treatment plants are presented, while our overall recommendation is to build a new facility. A new plant with new treatment methods such as ultrafiltration is most in line with Håbo municipality’s vision of decreasing chemical usage and sustainability, all while maintaining the water quality. Due to Håbo’s growing population and today’s water plants running close to maximum capacity, a new facility with a larger capacity should be considered.

Die Wasserproduktivität in der Tierhaltung ist von vielen Faktoren abhängig. Die Futterproduktion hat den größten Anteil am Wasserbedarf von tierischen Produkten. Weitere Einflussfaktoren sind die Leistung, die Reproduktion und der Gesundheitsstatus der Tiere, das Management und die Haltungsbedingungen. In dieser Arbeit sollte untersucht werden, wie sich diese Faktoren auf die Wasserproduktivität von Milch und Geflügelfleisch in Nord-Ost-Deutschland auswirken. Zehn unterschiedliche Futtermittel wurden hinsichtlich ihres Wasserbedarfes untersucht. Aus diesen Futtermitteln wurden die Rationen für die Tiere erstellt. Die Milchleistung der Kühe wurde zwischen 4.000 und 12.000 kg Milch pro Kuh und Jahr in 2.000 kg Schritten variiert. Für jedes Leistungsniveau wurden zwölf verschiedene Fütterungsstrategien untersucht, welche auf der Erhöhung einzelner Bestandteile der Ration basieren. Der Wasserbedarf von Leitungswasser im Stall wurde mit 38 Wasserzählern ermittelt. Für die Wasserproduktivität des Geflügelfleisches wurden vier verschieden intensive Mastverfahren untersucht. Die Wasserproduktivität steigt mit steigender Milchleistung der Kühe. Das Maximum wird bei 10.000 kg Milch pro Kuh und Jahr und Rationen mit einem hohem Gras- bzw. Maissilageanteil erreicht. Die Kühe, die im automatischen Melksystem gemolken wurden, nahmen mehr Tränkwasser zu sich, als die Kühe im Fischgrätenmelkstand. Dies ist durch die höhere Milchleistung bedingt. Im automatischen Melksystem wurden im Mittel 28,6 Liter Reinigungswasser pro Kuh und Tag benötigt. Für die Reinigung des Fischgrätenmelkstandes wurden 33,8 Liter pro Kuh und Tag genutzt. Die untersuchten Broilermastverfahren zeigten keine Unterschiede hinsichtlich der Wasserproduktivität. Die intensivere Aufzucht und bessere Futterverwertung wurde durch eine niedrigere Wasserproduktivität des Futters kompensiert. Der Anteil des technischen Wassers macht in der Milchkuh- und Broilerhaltung nur einen kleinen Teil am Gesamtwasserbedarf aus. / Livestock production is the main user of water resources in agricultural production. Water is used in animal production for producing feed, watering the animals, and cleaning and disinfecting barns and equipment. The objective of this dissertation was to quantify the effects of management strategies, such as feeding, intensity of production and the replacement process on the water productivity of milk and poultry meat in Germany. Water productivity in milk and broiler production systems was calculated based on the methodology of Prochnow et al. (2012). Own measurements of the drinking and cleaning water demand in milk production were conducted in a dairy cow barn. The study was based on site conditions of North-East Germany with common variations in farm operations. The feed production is the main contributor to water input in dairy and poultry production. The water productivity of milk increased with an increasing milk yield. The most beneficial conditions related to water productivity in dairy farming were found to be with a milk yield of approximately 10,000 kg fat corrected milk and a grass silage and maize silage based feeding. The total technical water use in the barn makes only a minor contribution to water use. Former regression functions of the drinking water intake of the cows were reviewed and a new regression function based on the ambient temperature and the milk yield was developed. In broiler production the intensification of the fattening systems did not increase water productivity. An increase of water productivity in animal production can be achieved with various management strategies with their specific influence on the production process. The feed management should be a focus of the strategies.