Rubber tree is one of the main plants which play an important role in the economy of Southeastern region, Vietnam. Approximately 90% of Vietnamese natural rubber latex is exported as raw products. The preliminary process of natural rubber latex discharges a large amount of wastewater to the environment. In Vietnam, there are many available technologies set up and operated for treatment wastewater of rubber latex processing. However, the effluent quality is still poor and the concentration of pollutants is higher than the required national technical regulation on the effluent of the natural rubber processing industry (QCVN 01:2008/BTNMT). Thus, this paper summarizes various technologies and methods currently applied for the treatment of latex processing wastewater in Vietnam. Additionally, the new effective methods being researched and applied in Thailand and Malaysia are also mentioned (countries with the highest production of natural rubber in the world). This paper also provides a screening of treatment technologies for reducing environmental pollution and contributing to high-quality effluent for meeting the required standard. / Cao su là một trong những cây trồng chính và đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế của miền Đông Nam Bộ, Việt Nam. Sản phẩm từ cây cao su thiên nhiên tại Việt Nam chủ yếu là xuất khẩu (khoảng 90%), tuy nhiên chỉ mới là dạng cao su thiên nhiên sơ chế. Quá trình sơ chế mủ cao su thiên nhiên thải bỏ một lượng lớn nước thải vào môi trường. Ở Việt Nam, hiện tại có rất nhiều công nghệ xử lý nước thải sơ chế mủ cao su đã được thiết lập và vận hành. Tuy nhiên, nồng độ ô nhiễm trong nước thải sau quá trình xử lý còn cao so với tiêu chuẩn yêu cầu (QCVN 01:2008/BTNMT). Vì vậy, bài báo này tóm tắt những công nghệ và phương pháp khác nhau được sử dụng để xử lý nước thải sơ chế mủ cao su tại Việt Nam gần đây. Thêm vào đó, những phương pháp mới và hiệu quả đang được nghiên cứu và áp dụng tại Malaysia và Thái Lan, những quốc gia có sản lượng sản xuất mủ cao su cao nhất trên thế giới cũng được giới thiệu. Bài báo này cũng cung cấp sự đa dạng của những phương pháp xử lý nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và góp phần đảm bảo chất lượng nước đầu ra đạt tiêu chuẩn cho phép.

Durch die Novellierung der AbfKlärV im Jahr 2017 wurde die bodenbezogene Nutzung von Klärschlamm stark eingeschränkt. Dadurch rückt dessen thermische Verwertung zunehmend in den Vordergrund, wobei durch eine Mitverbrennung Nährstoffe verloren gehen. Diese Arbeit betrachtet alternative Möglichkeiten zur stofflichen Verwertung, wie den Einsatz als Rekultivierungsmaterial auf Deponien in Form von Komposten. In die Arbeit fließt die Betrachtung von Pilzkultursubstraten als weiterer Zuschlagstoff ein, da diese aufgrund von Hygienisierungsvorschriften ebenfalls meist thermisch verwertet werden und auch hier wichtige Nährstoffe verloren gehen. Weiterhin wird untersucht, ob Deponieflächen generell für den Anbau von Bewuchs geeignet sind und insbesondere, ob auf derartig rekultivierten Flächen Rohstoffgewinnung aus Energiepflanzen möglich ist. Dafür wurden verschiedene Materialmischungen hergestellt und in Pflanzversuchen unter Laborbedingungen sowie im Freiland und in geotechnischen Versuchen auf ihre Eignung überprüft. Es wird gezeigt, dass Deponien ein Flächenpotential darstellen und diese auch für Bewuchs geeignet sind. Auch eignen sich die hergestellten Materialmischungen grundsätzlich als Rekultivierungsmaterial. Diese müssen aber in zukünftigen Versuchen in Hinsicht auf die Einhaltung von Grenzwerten und bspw. deren Wasserdurchlässigkeiten weiter angepasst werden, bevor die Mischungen produktiv im großen Maßstab einsetzbar sind.

Seit mehr als 3 Jahrzehnten stehen Belebtschlammmodelle als Werkzeuge für die ingenieurtechnische Planung und Optimierung von Kläranlagen zur Verfügung. Die Verbreitung und Anwendung speziell im deutschsprachigen Raum ist dabei geringer als in anderen Weltregionen. Dies ist im Zusammenhang mit dem detaillierten DWA-Regel-werk zu sehen, das auf Seite der Anwendenden kaum zusätzlichen Bedarf für weitere Werk¬zeuge für die Anlagenplanung und –optimierung erwachsen lässt. Dies gilt ebenso für die Über¬wachungs- und Genehmigungsseite. Die vorliegende Arbeit bietet für verschiedenste Aspekte im Bereich der Kläranlagen-modellierung Methoden und Werkzeuge, um durch effizientere Nutzung eine weitere Etablierung voranzutreiben und eine breite allgemein verbindliche Anwendung zu manifestieren. Dies betrifft konkret:  Protokolldefinition für eine allgemeine Vorgehensweise (Kapitel 1.4 und 7.1)  Skriptbasierte Unterstützung der Datenauswertung, Prüfung und Aufbereitung (Kapitel 6 und 7.4)  Zulaufdatengenerierung für lückenbehaftete Betriebsdaten (Kapitel 3)  Analyse des Verweilzeitverhaltens basierend auf Betriebsdaten (Kapitel 5)  Modellkopplung für plant-wide modelling (Kapitel 4 und 7.3)  Modellerweiterungen für Belebtschlammmodelle (Kapitel 7.2) Basis sind wie bei klassischen Bemessungs¬frage¬stellungen die vorhandenen Betriebs¬da-ten von Kläranlagen. Für die Nutzung sowohl zur statischen Bemessung als auch zur dyna¬mi¬schen Simulation sind diese nach geeigneter Zusammenstellung und Aufbereitung hin¬sicht¬lich ihrer Eignung und Qualität zu bewerten. Dieser eher handwerkliche Schritt wird durch skriptbasierte Module unterstützt, um der eigentlichen Planungsaufgabe mehr Zeit widmen zu können. Eine beispielhafte Vorgehensweise wird in dieser Arbeit in Kapitel 6 präsentiert. Dies stellt aus Effizienz- und Qualitätsgründen einen Fortschritt dar. Die Betriebsdaten von kommunalen Kläranlagen speziell unterhalb der Größenklasse 5 sind sehr lückenbehaftet. Daher sind geeignete Methoden erforderlich, um die Daten zu einem kontinuierlichen Zulaufdatensatz aufzubereiten. Eine mögliche Methode findet sich in Kapitel 3 dieser Arbeit. Auch dies unterstützt die Qualitätsverbesserung. Für die praxisnahe Modellanwendung stellen die bereits verfügbaren Belebt¬schlamm-modelle eine geeignete Basis dar. Allerdings wurden einige offene Fragestellungen identifiziert. Konzepte und Vorschläge für entsprechende Modellerweiterungen finden sich im Kapitel 7.1. Dies betrifft den Umgang mit inerten Stofffrachten, Dosierung externer Kohlenstoffquellen, Lösungen für hohe Anteile industrieller Abwässer sowie die P-Elimination. Auch eine methodische Vorgehensweise für den praktischen Einsatz wurde basierend auf allgemeingültigeren Simulations¬protokollen entwickelt, um die Bear¬bei¬tung strukturierter und damit sowohl nachvollzieh¬barer als auch effizienter zu gestalten (Kapitel 1.4 und 7.1). Das Verweilzeitverhalten hat erheblichen Einfluss auf erzielbare Umsatzraten sowie die erreich¬baren Ablaufkonzentrationen. Eine diesbezügliche Analyse ist allerdings noch kein Standard¬werkzeug bei der Betrachtung bestehender Kläranlagen. Im Einzelfall bestehen allerdings erhebliche Optimierungspotentiale bei strömungsungünstiger Gestaltung. Neben der Nutzung von computational fluid dynamics (CFD) als Analysewerkzeug kann auch die Auswertung von speziellen Tracerversuchen oder die Nutzung vorliegender Daten für die Analyse des Verweilzeitverhaltens genutzt werden. Im Kapitel 5 finden sich entsprechende Erläuterungen und methodische Beispiele. Die zunehmende Durchdringung ingenieurtechnischer Bereiche mit IT-basierten Werk-zeu¬gen führt auch zu Weiterentwicklungen bei der Arbeit mit Daten. Die Besonder-heiten im Bereich der Kläranlagenplanung und Optimierung werden in dieser Arbeit beleuchtet und mit dem vorgestellten methodischen Rahmen eine Möglichkeit der modularisierten Abarbeitung wiederkehrender Aufgaben in Kapitel 6 demonstriert. Die Einbettung möglicher weiterer Werkzeuge wie z.B. Simulationssoftware in open source basierte Skripte ermöglicht eine maximale Flexibilität bei gleichzeitig hoher Transparenz. Je nach Aufgabenstellung finden sich in dieser Arbeit Ergänzungen und Hilfestellungen in Form von Werkzeugen oder methodischen Empfehlungen, um den Bearbeitungsaufwand zu minimieren sowie die Bearbeitungsqualität zu erhöhen unter gleichzeitiger Verbesserung der Transparenz für alle am Planungs- bzw. Optimierungsprozess Beteiligten. Dadurch wird eine tatsächliche Anwendung in der täglichen Ingenieurpraxis erheblich vereinfacht. Durch Integration der präsentierten Entwicklungen in die siedlungs¬wasserwirtschaftliche Ausbildung ist außerdem eine zukünftige niedrig¬schwelligere und damit breitere Nutzung zu erwarten.:1 General introduction 1 1.1 Explanation of terms 1 1.2 Motivation 2 1.3 Background 4 1.3.1 Quality assurance in the performance of simulation studies 4 1.3.2 Special features of simulation studies for wastewater treatment plants in German-speaking countries 6 1.4 Aims, differentiation and objectives 7 1.5 Structure of the document 9 1.6 References 10 2 Growth of science in activated sludge modelling – a critical bibliometric review 13 2.1 Highlights 13 2.2 Abstract 13 2.3 Introduction 14 2.3.1 Motivation 14 2.3.2 Introduction into bibliometrics 15 2.3.3 Objective 15 2.4 Material and Methods 16 2.4.1 Database and tools 16 2.4.1.1 Selection of database 16 2.4.1.2 Development of the number of data sets in the Web of Science 19 2.4.2 Bibliometric analysis of the entire data set 20 2.4.3 Analysis of time-related developments 23 2.4.4 Keyword development within the examined topic area 24 2.5 Results and Discussion 25 2.5.1 Bibliometric analysis of the entire database 25 2.5.2 Journal-based measures 28 2.5.3 Source dynamics 30 2.5.4 Author impact measures 30 2.5.5 Document-based measures 35 2.5.6 Structural Analysis 36 2.5.7 Analysis of time-related developments 40 2.5.8 Keyword development within the scientific field under investigation 44 2.6 Critical comments on the methodology 47 2.7 Recommendations for conducting a bibliometric analysis 49 2.8 Conclusions 50 2.9 References 52 3 A black-box model for generation of site-specific WWTP influent quality data based on plant routine data 56 3.1 Introduction 56 3.2 Material and Methods 58 3.3 Results and discussion 62 3.3.1 Test of robustness 63 3.3.2 Universality of the approach 66 3.4 Conclusions and outlook 69 3.5 References 70 4 Organic matter parameters in WWTP – a critical review and recommendations for application in activated sludge modelling 74 4.1 Highlights 74 4.2 Abstract 74 4.3 Introduction 75 4.4 Theoretical Considerations 76 4.5 Review of literature data of WWTP sludge 80 4.5.1 Literature survey 80 4.5.2 Measures related to total and volatile organic matter 81 4.5.3 Sludge composition based on biochemical families 83 4.6 Results and Discussion 85 4.6.1 Solids 85 4.6.2 COD and COD/VSS ratio 87 4.6.3 Connection between LPC and COD/VSS ratio 90 4.7 Application to plant-wide-modelling 92 4.7.1 Solids in Activated Sludge Models 92 4.7.2 Organic and inorganic solids 94 4.7.3 COD influent characterisation 96 4.7.4 Adaptation of research results and discussion 97 4.8 Conclusions 101 4.9 Data availability statement 101 4.10 References 101 5 Temperature as an alternative tracer for the determination of the mixing characteristics in wastewater treatment plants 108 5.1 Abstract 108 5.2 Introduction 108 5.2.1 Historical background 109 5.2.2 Alternatives in evaluation of tracer tests 110 5.2.3 Objective of this paper 112 5.3 Material and Methods 112 5.3.1 Lab-scale system 112 5.3.2 Pilot-scale system 113 5.3.3 Procedure 114 5.3.3.1 Substitute hydraulic model 114 5.3.3.2 Energy balance 115 5.3.3.3 Parameter estimation 117 5.4 Results and Discussion 118 5.4.1 Lab-scale system 118 5.4.2 Pilot-scale system 121 5.4.3 Sensitivity tests for optimised substitute model parameters 124 5.4.3.1 Lab scale tests 124 5.4.3.2 Pilot scale tests 126 5.4.4 Influence of recirculation 126 5.4.5 Consideration of variable flow rates 127 5.4.6 Impact of the structured model approach on ASM parameters 127 5.5 Conclusions 131 5.6 References 133 6 One script to solve it all – an open-source-based framework for a digital workflow based on WWTP data 137 6.1 Abstract 137 6.2 Highlights 138 6.3 Introduction 138 6.4 Fundamentals and requirements 138 6.5 Material and Methods 142 6.5.1 Background to the case study 142 6.5.2 Development of the concept 144 6.5.3 Technical implementation 145 6.6 Results 148 6.6.1 Preparation and data import 148 6.6.2 Plausibility checks 149 6.6.3 Calculation of design parameters (A198) 150 6.6.4 Design of WWTP (A131) 151 6.6.5 Activated sludge modelling 152 6.7 Discussion 153 6.7.1 Practical advantages of the developed methodology 153 6.7.2 Lessons learned from development process and first use 153 6.8 Conclusions 157 6.9 References 158 7 Enhancements for a practical application 161 7.1 Evolution of unified protocol of GMP taskgroup 161 7.1.1 Overview 161 7.1.2 Understand the plant + plant layout selection 163 7.1.3 Collection of existing data 163 7.1.4 Iterative process cycle for data analysis and plant model setup / adjustment 164 7.2 Extensions to the activated sludge model (ASM_EDU) 166 7.2.1 Background 166 7.2.2 Separation of inert particulate COD by origin 168 7.2.3 Integration of external carbon sources 169 7.2.4 Consideration of the influence of industrial discharges 171 7.2.5 Consideration of different precipitants in chemical P elimination 174 7.3 Plant-wide modelling 176 7.4 Digital transformation for efficiency enhancement 178 7.5 References 182 8 Conclusions and Outlook 187 8.1 Developments in the field of WWTP modelling 187 8.2 Future significance in science and application practice 188 8.3 Further scientific research needs 189 8.4 Changing the way engineering works 191 8.5 References 193 9 Appendices 195 9.1 Supplementary material for Chapter 4 195 9.1.1 References for sludge data 195 9.1.2 Data survey from references 217 9.2 Supplementary material for Chapter 6 217 / For more than three decades, activated sludge models have been used as tools for the engineering planning and optimisation of wastewater treatment plants. However, their use is less widespread, particularly in German-speaking countries, due to the detailed rules and regulations of the DWA, which do not create a demand for additional tools for plant planning and optimisation. This also applies to the surveillance and authorisation side. The current work offers methods and tools for various aspects of wastewater treatment plant modeling in order to promote further adoption through more efficient use and to facilitate a broad, generally binding application. This includes:  Definition of a protocol for the general approach (Chapter 1.4 and 7.1)  Script-based support for data evaluation, testing, and processing (Chapters 6 and 7.4)  Generation of inflow data for incomplete operational data (Chapter 3)  Analysis of residence time behavior based on operational data (Chapter 5)  Model interfacing for plant-wide modeling (Chapters 4 and 7.3)  Model extensions for activated sludge models (Chapter 7.2) The existing operational data of wastewater treatment plants is the foundation for classical design questions. In order to be used in both static design and dynamic simulation, the data must be evaluated for their suitability and quality after appropriate compilation and processing. This manual step is supported by script-based modules to allow more time for the actual planning task. An exemplary procedure is presented in Chapter 6 of this thesis, which represents progress in terms of efficiency and quality. The operational data of municipal wastewater treatment plants, especially those below size class 5, are often incomplete. Therefore, it is necessary to develop suitable methods for processing these data into a continuous influent data set. One such method is presented in chapter 3 of this thesis. This method also helps to improve the quality of the data. For practical model application, the existing activated sludge models provide a suitable foundation. However, some open questions have been identified, and concepts and suggestions for corresponding model extensions can be found in chapter 7.1. These include handling inert material loads, dosing of external carbon sources, solutions for high proportions of industrial wastewater, and P elimination. A methodological approach for practical application has also been developed based on more general simulation protocols in order to structure the process and make it more comprehensible and efficient (Chapters 1.4 and 7.1). The residence time behaviour has a significant impact on the achievable conversion rates and effluent concentrations. However, an analysis of this behaviour is not yet a standard tool when considering existing wastewater treatment plants. In certain cases, however, there is significant potential for optimisation in cases of flow-unfavourable design. In addition to using computational fluid dynamics (CFD) as an analysis tool, the evaluation of special tracer tests or the use of existing data can also be used to analyse retention time behaviour. Chapter 1.4 und 7.1 provides explanations and examples The increasing use of IT-based tools in engineering fields also leads to further developments in working with data. The special features in the area of wastewater treatment plant planning and optimisation are highlighted in this thesis and a possibility of modularised processing of recurring tasks is demonstrated with the presented methodological framework in chapter 6. The embedding of possible further tools such as simulation software in open source-based scripts allows for maximum flexibility while maintaining a high degree of transparency. Depending on the task, this thesis provides supplements and assistance in the form of tools or methodological recommendations to minimise the processing effort and increase the processing quality while improving transparency for all those involved in the planning or optimisation process. This considerably simplifies actual application in daily engineering practice. By integrating the presented developments into urban water management training, a lower-threshold and thus broader use can also be expected in the future.:1 General introduction 1 1.1 Explanation of terms 1 1.2 Motivation 2 1.3 Background 4 1.3.1 Quality assurance in the performance of simulation studies 4 1.3.2 Special features of simulation studies for wastewater treatment plants in German-speaking countries 6 1.4 Aims, differentiation and objectives 7 1.5 Structure of the document 9 1.6 References 10 2 Growth of science in activated sludge modelling – a critical bibliometric review 13 2.1 Highlights 13 2.2 Abstract 13 2.3 Introduction 14 2.3.1 Motivation 14 2.3.2 Introduction into bibliometrics 15 2.3.3 Objective 15 2.4 Material and Methods 16 2.4.1 Database and tools 16 2.4.1.1 Selection of database 16 2.4.1.2 Development of the number of data sets in the Web of Science 19 2.4.2 Bibliometric analysis of the entire data set 20 2.4.3 Analysis of time-related developments 23 2.4.4 Keyword development within the examined topic area 24 2.5 Results and Discussion 25 2.5.1 Bibliometric analysis of the entire database 25 2.5.2 Journal-based measures 28 2.5.3 Source dynamics 30 2.5.4 Author impact measures 30 2.5.5 Document-based measures 35 2.5.6 Structural Analysis 36 2.5.7 Analysis of time-related developments 40 2.5.8 Keyword development within the scientific field under investigation 44 2.6 Critical comments on the methodology 47 2.7 Recommendations for conducting a bibliometric analysis 49 2.8 Conclusions 50 2.9 References 52 3 A black-box model for generation of site-specific WWTP influent quality data based on plant routine data 56 3.1 Introduction 56 3.2 Material and Methods 58 3.3 Results and discussion 62 3.3.1 Test of robustness 63 3.3.2 Universality of the approach 66 3.4 Conclusions and outlook 69 3.5 References 70 4 Organic matter parameters in WWTP – a critical review and recommendations for application in activated sludge modelling 74 4.1 Highlights 74 4.2 Abstract 74 4.3 Introduction 75 4.4 Theoretical Considerations 76 4.5 Review of literature data of WWTP sludge 80 4.5.1 Literature survey 80 4.5.2 Measures related to total and volatile organic matter 81 4.5.3 Sludge composition based on biochemical families 83 4.6 Results and Discussion 85 4.6.1 Solids 85 4.6.2 COD and COD/VSS ratio 87 4.6.3 Connection between LPC and COD/VSS ratio 90 4.7 Application to plant-wide-modelling 92 4.7.1 Solids in Activated Sludge Models 92 4.7.2 Organic and inorganic solids 94 4.7.3 COD influent characterisation 96 4.7.4 Adaptation of research results and discussion 97 4.8 Conclusions 101 4.9 Data availability statement 101 4.10 References 101 5 Temperature as an alternative tracer for the determination of the mixing characteristics in wastewater treatment plants 108 5.1 Abstract 108 5.2 Introduction 108 5.2.1 Historical background 109 5.2.2 Alternatives in evaluation of tracer tests 110 5.2.3 Objective of this paper 112 5.3 Material and Methods 112 5.3.1 Lab-scale system 112 5.3.2 Pilot-scale system 113 5.3.3 Procedure 114 5.3.3.1 Substitute hydraulic model 114 5.3.3.2 Energy balance 115 5.3.3.3 Parameter estimation 117 5.4 Results and Discussion 118 5.4.1 Lab-scale system 118 5.4.2 Pilot-scale system 121 5.4.3 Sensitivity tests for optimised substitute model parameters 124 5.4.3.1 Lab scale tests 124 5.4.3.2 Pilot scale tests 126 5.4.4 Influence of recirculation 126 5.4.5 Consideration of variable flow rates 127 5.4.6 Impact of the structured model approach on ASM parameters 127 5.5 Conclusions 131 5.6 References 133 6 One script to solve it all – an open-source-based framework for a digital workflow based on WWTP data 137 6.1 Abstract 137 6.2 Highlights 138 6.3 Introduction 138 6.4 Fundamentals and requirements 138 6.5 Material and Methods 142 6.5.1 Background to the case study 142 6.5.2 Development of the concept 144 6.5.3 Technical implementation 145 6.6 Results 148 6.6.1 Preparation and data import 148 6.6.2 Plausibility checks 149 6.6.3 Calculation of design parameters (A198) 150 6.6.4 Design of WWTP (A131) 151 6.6.5 Activated sludge modelling 152 6.7 Discussion 153 6.7.1 Practical advantages of the developed methodology 153 6.7.2 Lessons learned from development process and first use 153 6.8 Conclusions 157 6.9 References 158 7 Enhancements for a practical application 161 7.1 Evolution of unified protocol of GMP taskgroup 161 7.1.1 Overview 161 7.1.2 Understand the plant + plant layout selection 163 7.1.3 Collection of existing data 163 7.1.4 Iterative process cycle for data analysis and plant model setup / adjustment 164 7.2 Extensions to the activated sludge model (ASM_EDU) 166 7.2.1 Background 166 7.2.2 Separation of inert particulate COD by origin 168 7.2.3 Integration of external carbon sources 169 7.2.4 Consideration of the influence of industrial discharges 171 7.2.5 Consideration of different precipitants in chemical P elimination 174 7.3 Plant-wide modelling 176 7.4 Digital transformation for efficiency enhancement 178 7.5 References 182 8 Conclusions and Outlook 187 8.1 Developments in the field of WWTP modelling 187 8.2 Future significance in science and application practice 188 8.3 Further scientific research needs 189 8.4 Changing the way engineering works 191 8.5 References 193 9 Appendices 195 9.1 Supplementary material for Chapter 4 195 9.1.1 References for sludge data 195 9.1.2 Data survey from references 217 9.2 Supplementary material for Chapter 6 217

Exposure to herbicides poses a threat to aquatic biofilms by affecting their community structure, physiology and function. These changes render biofilms to become more tolerant, but on the downside community tolerance has ecologic costs. A concept that addresses induced community tolerance to a pollutant (PICT) was introduced by Blanck and Wängberg (1988). The basic principle of the concept is that microbial communities undergo pollution-induced succession when exposed to a pollutant over a long period of time, which changes communities structurally and functionally and enhancing tolerance to the pollutant exposure. However, the mechanisms of tolerance and the ecologic consequences were hardly studied up to date. This thesis addresses the structural and functional changes in biofilm communities and applies modern molecular methods to unravel molecular tolerance mechanisms. Two different freshwater biofilm communities were cultivated for a period of five weeks, with one of the communities being contaminated with 4 μg L-1 diuron. Subsequently, the communities were characterized for structural and functional differences, especially focusing on their crucial role of photosynthesis. The community structure of the autotrophs was assessed using HPLC-based pigment analysis and their functional alterations were investigated using Imaging-PAM fluorometry to study photosynthesis and community oxygen profiling to determine net primary production. Then, the molecular fingerprints of the communities were measured with meta-transcriptomics (RNA-Seq) and GC-based community metabolomics approaches and analyzed with respect to changes in their molecular functions. The communities were acute exposed to diuron for one hour in a dose-response design, to reveal a potential PICT and uncover related adaptation to diuron exposure. The combination of apical and molecular methods in a dose-response design enabled the linkage of functional effects of diuron exposure and underlying molecular mechanisms based on a sensitivity analysis. Chronic exposure to diuron impaired freshwater biofilms in their biomass accrual. The contaminated communities particularly lost autotrophic biomass, reflected by the decrease in specific chlorophyll a content. This loss was associated with a change in the molecular fingerprint of the communities, which substantiates structural and physiological changes. The decline in autotrophic biomass could be due to a primary loss of sensitive autotrophic organisms caused by the selection of better adapted species in the course of chronic exposure. Related to this hypothesis, an increase in diuron tolerance has been detected in the contaminated communities and molecular mechanisms facilitating tolerance have been found. It was shown that genes of the photosystem, reductive-pentose phosphate cycle and arginine metabolism were differentially expressed among the communities and that an increased amount of potential antioxidant degradation products was found in the contaminated communities. This led to the hypothesis that contaminated communities may have adapted to oxidative stress, making them less sensitive to diuron exposure. Moreover, the photosynthetic light harvesting complex was altered and the photoprotective xanthophyll cycle was increased in the contaminated communities. Despite these adaptation strategies, the loss of autotrophic biomass has been shown to impair primary production. This impairment persisted even under repeated short-term exposure, so that the tolerance mechanisms cannot safeguard primary production as a key function in aquatic systems.:1. The effect of chemicals on organisms and their functions .............................. 1 1.1 Welcome to the anthropocene .......................................................................... 1 1.2 From cellular stress responses to ecosystem resilience ................................... 3 1.2.1 The individual pursuit for homeostasis ....................................................... 3 1.2.2 Stability from diversity ................................................................................. 5 1.3 Community ecotoxicology - a step forward in monitoring the effects of chemical pollution? ................................................................................................................. 6 1.4 Functional ecotoxicological assessment of microbial communities ................... 9 1.5 Molecular tools – the key to a mechanistic understanding of stressor effects from a functional perspective in microbial communities? ...................................... 12 2. Aims and Hypothesis ......................................................................................... 14 2.1 Research question .......................................................................................... 14 2.2 Hypothesis and outline .................................................................................... 15 2.3 Experimental approach & concept .................................................................. 16 2.3.1 Aquatic freshwater biofilms as model community ..................................... 16 2.3.2 Diuron as model herbicide ........................................................................ 17 2.3.3 Experimental design ................................................................................. 18 3. Structural and physiological changes in microbial communities after chronic exposure - PICT and altered functional capacity ................................................. 21 3.1 Introduction ..................................................................................................... 21 3.2 Methods .......................................................................................................... 23 3.2.1 Biofilm cultivation ...................................................................................... 23 3.2.2 Dry weight and autotrophic index ............................................................. 23 3.2.4 Pigment analysis of periphyton ................................................................. 23 3.2.4.1 In-vivo pigment analysis for community characterization ....................... 24 3.2.4.2 In-vivo pigment analysis based on Imaging-PAM fluorometry ............... 24 3.2.4.3 In-vivo pigment fluorescence for tolerance detection ............................. 26 3.2.4.4 Ex-vivo pigment analysis by high-pressure liquid-chromatography ....... 27 3.2.5 Community oxygen metabolism measurements ....................................... 28 3.3 Results and discussion ................................................................................... 29 3.3.1 Comparison of the structural community parameters ............................... 29 3.3.2 Photosynthetic activity and primary production of the communities after selection phase ................................................................................................. 33 3.3.3 Acquisition of photosynthetic tolerance .................................................... 34 3.3.4 Primary production at exposure conditions ............................................... 36 3.3.5 Tolerance detection in primary production ................................................ 37 3.4 Summary and Conclusion ........................................................................... 40 4. Community gene expression analysis by meta-transcriptomics ................... 41 4.1 Introduction to meta-transcriptomics ............................................................... 41 4.2. Methods ......................................................................................................... 43 4.2.1 Sampling and RNA extraction................................................................... 43 4.2.2 RNA sequencing analysis ......................................................................... 44 4.2.3 Data assembly and processing................................................................. 45 4.2.4 Prioritization of contigs and annotation ..................................................... 47 4.2.5 Sensitivity analysis of biological processes .............................................. 48 4.3 Results and discussion ................................................................................... 48 4.3.1 Characterization of the meta-transcriptomic fingerprints .......................... 49 4.3.2 Insights into community stress response mechanisms using trend analysis (DRomic’s) ......................................................................................................... 51 4.3.3 Response pattern in the isoform PS genes .............................................. 63 4.5 Summary and conclusion ................................................................................ 65 5. Community metabolome analysis ..................................................................... 66 5.1 Introduction to community metabolomics ........................................................ 66 5.2 Methods .......................................................................................................... 68 5.2.1 Sampling, metabolite extraction and derivatisation................................... 68 5.2.2 GC-TOF-MS analysis ............................................................................... 69 5.2.3 Data processing and statistical analysis ................................................... 69 5.3 Results and discussion ................................................................................... 70 5.3.1 Characterization of the metabolic fingerprints .......................................... 70 5.3.2 Difference in the metabolic fingerprints .................................................... 71 5.3.3 Differential metabolic responses of the communities to short-term exposure of diuron ............................................................................................................ 73 5.4 Summary and conclusion ................................................................................ 78 6. Synthesis ............................................................................................................. 79 6.1 Approaches and challenges for linking molecular data to functional measurements ...................................................................................................... 79 6.2 Methods .......................................................................................................... 83 6.2.1 Summary on the data ............................................................................... 83 6.2.2 Aggregation of molecular data to index values (TELI and MELI) .............. 83 6.2.3 Functional annotation of contigs and metabolites using KEGG ................ 83 6.3 Results and discussion ................................................................................... 85 6.3.1 Results of aggregation techniques ........................................................... 85 6.3.2 Sensitivity analysis of the different molecular approaches and endpoints 86 6.3.3 Mechanistic view of the molecular stress responses based on KEGG functions ............................................................................................................ 89 6.4 Consolidation of the results – holistic interpretation and discussion ............... 93 6.4.1 Adaptation to chronic diuron exposure - from molecular changes to community effects.............................................................................................. 93 6.4.2 Assessment of the ecological costs of Pollution-induced community tolerance based on primary production ............................................................. 94 6.5 Outlook ............................................................................................................ 97

The handbook presented in this paper summarises the results of the research initiative “International Water Research Alliance Saxony” (IWAS). The subproject “IWAS Vietnam” (Phase I, October 2008 – December 2010) focuses on the model region “South-East Asia” with emphasis on Vietnam. The project started as a joint research initiative between German and Vietnamese organisations and included contributions from academic, private and public sector in both countries. The handbook was compiled by the Technische Universität Dresden (project coordination), the Institute for Technical and Scientific Hydrology and Dresden Drainage and Sewerage Company, with substantial contributions from Vietnamese partners. / Sổ tay hướng dẫn trong bài viết này tóm lược các kết quả của sáng kiến nghiên cứu từ “Liên minh Nghiên cứu ngành nước quốc tế bang Saxony” (IWAS). Dự án nhánh “IWAS Việt Nam” (giai đoạn 1, 10/2008 - 12/2010) tập trung vào khu vực Đông Nam Á với trọng tâm là Việt Nam. Dự án khởi động như một sáng kiến liên kết nghiên cứu giữa các tổ chức của CHLB Đức và Việt Nam với sự đóng góp từ các đơn vị tư nhân, nhà nước và trường đại học của cả hai quốc gia. Quyển sổ tay này được biên soạn bởi Đại học Kỹ thuật Dresden (cơ quan điều phối dự án), Viện Công nghệ và Khoa học Thủy văn, và Công ty Thoát nước Dresden, cùng với sự đóng góp quan trọng của các đối tác Việt Nam.

In dieser Arbeit wurde die alte Designvariante des Fabry-Pérot-Filters (FPI4) hinsichtlich Performance und Ausbeute untersucht. Zielstellung war eine Optimierung, welche die Probleme wie Sticking, Kurzschluss zwischen Schirm und Elektrode sowie Defekte bei den Vereinzelungsverfahren beseitigen sollten. Ferner wurden eine Chipbezeichnung und eine neue geteilte Elektrode anvisiert. Ergebnis dieser Optimierung war das neue Design FPI5. Weiterhin wurde neben der Auslegung des FPI5 für das adhäsive Bonden mit SU8 eine Designvariante für das direkte Bonden realisiert. Das direkte Bonden konnte bereits bei den FPI mit zwei beweglichen Reflektorträgern erfolgreich getestet werden und soll nun auf die Designvariante mit nur einem beweglichen Reflektorträger übertragen werden. Außerdem wurde eine Überprüfung der SU8-Bondfestigkeit durchgeführt. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass die bis dato benutzten Bondparameter nicht das Optimum bezüglich der Bondfestigkeit darstellen, da in Testverbunden mit veränderten Bondparametern bis zu 50 % höhere Bondfestigkeiten erreicht wurden.:ABKÜRZUNGS- UND FORMELVERZEICHNIS VI 1 EINLEITUNG 8 1.1 Motivation 8 1.2 Kapitelübersicht 11 2 DAS FABRY-PEROT-INTERFEROMETER 12 3 DAS ALTE DESIGN FPI4 15 3.1 FPI4 15 3.2 Optimierungspunkte und Schwachstellen 17 4 DAS NEUE DESIGN FPI5 19 4.1 Verhindern von Sticking 20 4.2 Isolator zwischen Schirm und Elektrode 22 4.3 Abdichtfolie für den Sägeprozess 22 4.4 Chipbezeichnung 23 4.5 Elektrodenform 23 4.6 Zusammenfassung des Redesigns 25 5 PROZESSTECHNISCHE REALISIERUNG 27 5.1 FPI5 – Direktbond 27 5.1.1 Oberteil 28 5.1.2 Unterteil 30 5.2 FPI5 – SU8 31 5.2.1 Oberteil 32 5.2.2 Unterteil 34 5.3 Selektive Schichtabscheidung der optischen Schichten 36 6 CHARAKTERISIERUNG DER MUSTER 37 6.1 FPI5 – Direktbond 37 6.1.1 Oberteil 38 6.1.2 Unterteil 40 6.1.3 Beschichtung der optischen Schichten in Jena 42 6.1.4 Zusammenfassung 44 6.2 FPI5 – SU8 47 6.2.1 Oberteil 48 6.2.2 Unterteil 49 6.2.3 Beschichtung der optischen Schichten in Jena 52 6.2.4 Zusammenfassung 54 7 BONDEN DER FPI 57 7.1 Vorversuche zur SU8-Bondfestigkeit 57 7.1.1 Realisierung der Bondmuster 59 7.1.2 Charakterisierung der Bondmuster 60 7.1.3 Vereinzelungstests der Bondmuster 63 7.1.4 Bondfestigkeitsüberprüfung der Bondmuster mit abgerundeten Bondrahmen 64 7.1.5 Bondfestigkeitsüberprüfung der Bondmuster ohne abgerundeten Bondrahmen 67 7.2 Direktbonden der FPI 73 7.2.1 Ablauf des Direktbondens 73 7.2.2 Charaktersierung der Bondmuster 76 7.3 SU8-Bonden der FPI 78 7.3.1 Präparation der SU8-Rahmenstruktur 78 7.3.2 Ablauf des SU8-Bondens 80 7.3.2 Charakterisierung der Bondmuster 81 8 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 83 LITERATURVERZEICHNIS 85 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 87 TABELLENVERZEICHNIS 88 ANLAGENVERZEICHNIS 90 / This work presents a new design type of the older well known tunable micromachined Fabry-Pérot filter (FPI4). Compared to the previous system the new design (FPI5) aimed to avoid the problems as sticking, short circuit between the shield and the electrode as well as the malfunction in dicing and separation. Furthermore an identification mark and a new separated electrode were to be improved. The conclusion of this optimization was the new Design FPI5. The whole geometry was in addition to the adhesive bonding with SU8 moreover designed for the direct bonding, which was successfully verified in the FPI design with two moveable reflector carriers. Additionally a verification of the bonding strength at different bonding parameters was done. This verification showed that a 50 % higher bonding strength could be achieved by using the new bonding parameters in comparison to the normally used bonding parameters.:ABKÜRZUNGS- UND FORMELVERZEICHNIS VI 1 EINLEITUNG 8 1.1 Motivation 8 1.2 Kapitelübersicht 11 2 DAS FABRY-PEROT-INTERFEROMETER 12 3 DAS ALTE DESIGN FPI4 15 3.1 FPI4 15 3.2 Optimierungspunkte und Schwachstellen 17 4 DAS NEUE DESIGN FPI5 19 4.1 Verhindern von Sticking 20 4.2 Isolator zwischen Schirm und Elektrode 22 4.3 Abdichtfolie für den Sägeprozess 22 4.4 Chipbezeichnung 23 4.5 Elektrodenform 23 4.6 Zusammenfassung des Redesigns 25 5 PROZESSTECHNISCHE REALISIERUNG 27 5.1 FPI5 – Direktbond 27 5.1.1 Oberteil 28 5.1.2 Unterteil 30 5.2 FPI5 – SU8 31 5.2.1 Oberteil 32 5.2.2 Unterteil 34 5.3 Selektive Schichtabscheidung der optischen Schichten 36 6 CHARAKTERISIERUNG DER MUSTER 37 6.1 FPI5 – Direktbond 37 6.1.1 Oberteil 38 6.1.2 Unterteil 40 6.1.3 Beschichtung der optischen Schichten in Jena 42 6.1.4 Zusammenfassung 44 6.2 FPI5 – SU8 47 6.2.1 Oberteil 48 6.2.2 Unterteil 49 6.2.3 Beschichtung der optischen Schichten in Jena 52 6.2.4 Zusammenfassung 54 7 BONDEN DER FPI 57 7.1 Vorversuche zur SU8-Bondfestigkeit 57 7.1.1 Realisierung der Bondmuster 59 7.1.2 Charakterisierung der Bondmuster 60 7.1.3 Vereinzelungstests der Bondmuster 63 7.1.4 Bondfestigkeitsüberprüfung der Bondmuster mit abgerundeten Bondrahmen 64 7.1.5 Bondfestigkeitsüberprüfung der Bondmuster ohne abgerundeten Bondrahmen 67 7.2 Direktbonden der FPI 73 7.2.1 Ablauf des Direktbondens 73 7.2.2 Charaktersierung der Bondmuster 76 7.3 SU8-Bonden der FPI 78 7.3.1 Präparation der SU8-Rahmenstruktur 78 7.3.2 Ablauf des SU8-Bondens 80 7.3.2 Charakterisierung der Bondmuster 81 8 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 83 LITERATURVERZEICHNIS 85 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 87 TABELLENVERZEICHNIS 88 ANLAGENVERZEICHNIS 90

Das Recycling von post-consumer-Leichtverpackungs(LVP)-Abfällen ist ein in Deutschland flächendeckendes und komplexes System, welches die Abfallwirtschaft vor eine Vielzahl von Herausforderungen stellt. Beispiele sind zum einen das deutsche Verpackungsgesetz und die damit verbundene Erhöhung der Recyclingquoten für Kunststoffverpackungen von zuvor 58,5 Gew.-% auf aktuell 63,0 Gew.-%. Zum anderen die Änderung der Berechnungsregeln der Recyclingquoten für Kunststoffverpackungen, welche in Deutschland zu einem Rückgang der Recyclingquote von Kunststoffverpackungsabfällen von derzeit 60,4 Gew.-% (alte Berechnungsmethode) auf 48,1 Gew-% (neue Berechnungsmethode) führt. Diese gilt es zu über-kommen, um das übergeordnete Ziel einer Kreislaufwirtschaft zu erreichen. Technologische Innovationen stellen eine vielversprechende Option bei der Erreichung dieser Ziele dar. Grundsätzlich sind diese jedoch auf große und präzise Datenmengen des LVP-Abfallstroms angewiesen. Öffentliche Daten zum Entsorgungsverhalten der Verbraucher und Analysen von LVP-Abfällen aus deutschen Haushalten, die über reine Masseanteile z. B. der Polymer-arten (z. B. PE, PP, PET) im LVP-Strom hinausgehen, sind nur begrenzt vorhanden. Relevante Daten zu Verpackungs- und Verschlussart, Verpackungsgeometrien oder -farben bis hin zu Füllgütern spielen jedoch eine wesentliche Rolle, um die Leistungsfähigkeit der Kreislaufwirtschaft zu verbessern. Diese Dissertation zielt daher darauf ab, eine Tiefencharakterisierung von LVP-Abfällen aus deutschen Haushalten durchzuführen. Zur Erfassung einer möglichst repräsentativen LVP-Probe wurde im Zeitraum von Juni bis November 2019 in insgesamt 249 ausgewählten deutschen Haushalten eine zweiwöchige Sammlung aller in diesen Haushalten anfallenden LVP durchgeführt. Zudem beantworteten die Studienteilnehmer Fragen zu sozio-demografischen Daten (z. B. Alter, Geschlecht, Haushaltsgröße), deren Reduktions- und Vermeidungsverhalten von Verkaufsverpackungen und dem lokal vorliegenden Sammelsystem (z. B. gelbe Tonne, gelber Sack). Insgesamt wurde eine Gesamtmasse von 254 kg gesammelt. Aus diesem Ausgangsmaterial wurden 207 kg bzw. 21.380 LVP einer eingehenden Charakterisierung z. B. hinsichtlich der Kategorien Ver-packungstyp (z. B. Schale, Flasche), Etikettentyp (z. B. direktbedruckt, Banderole), Ver-schlusstyp (z. B. Hotmelt, Schraubverschluss), Transluzenz (z. B. Transparent, Opak), Masse und Maße mit einer Identifikationsquote von 100 % unterzogen. Der Füllguttyp (z. B. Lebensmittel, Hygieneprodukte) konnte von 87 % der Verpackungen identifiziert werden. Die verwendeten Werkstoffe (z. B. PP, PET) der Verpackungen konnten unter Berücksichtigung der auf den Verpackungen befindlichen Recyclingcodes und der Durchführung von FTIR-ATR-Messungen der Außen- und Innenseite von ca. 97 % der Verpackungen identifiziert werden. Aus abfallwirtschaftlicher Perspektive wurde mit der hier vorgelegten Arbeit eine 'Inputanalyse' im Sinne des in die abfallwirtschaftlichen Prozesse eintretenden LVP-Stromes aus Privathaushaltungen durchgeführt. Ein Vergleich der Werkstoff-Massenanteile dieser Sortierstudie (Inputanalyse) mit Studien zur Kunststoffproduktion und zum Sortieranlagen-Output zeigt eine gute Übereinstimmung. Im Rahmen der hier vorgelegten Arbeit konnte ein Anteil an Multilayer-Verpackungen von 33 Gew.-% im LVP-Strom, mithilfe von FTIR-ATR-Messungen der Außen- und Innenseite der Verpackungen und des Recyclingcodes auf den Verpackungen, identifiziert werden. Der Multilayer-Anteil stellt durch seine Materialmischung aus Sicht der Kreislaufwirtschaft eine besondere Herausforderung dar. Infolgedessen wurden 296 ausgewählte Multilayer-Verpackungen hinsichtlich Werkstoffanteil (Kunststoffe, Metalle, Papier/Kartonagen), Ver-packungstyp, Lagerbedingungen (z. B. Kühlschrank, Raumtemperatur) und Verpackungsinhalt analysiert. Zusätzlich führten mikroskopische Analysen des Aufbaus der Multilayer-Verpackungen zur Ermittlung der Schichtdicke und -anzahl. Innerhalb der 296 Multilayer-Verpackungen konnten 13 polymere Verbundtypen festgestellt werden. Teils wurde für die Erfüllung gleicher Verpackungsaufgaben unterschiedliche Verpackungslösung verwendet, da die Verpackungshersteller bei der Verpackungsgestaltung und Materialauswahl frei entscheiden können. Innerhalb der 296 untersuchten Multilayer-Verpackungen wurde mit einem Anteil von 36 % am häufigsten die Materialkombination PET (Außenschicht)-LDPE (Innenschicht) verwendet, gefolgt von PA-LDPE mit 18 % und PP-PP mit 14 %. Zudem wurde in 19 % der Multilayer-Verpackungen ein Aluminiumanteil festgestellt. Weiter wurden die tiefencharakterisierten LVP-Abfälle auf Haushaltsebene (gesammelte LVP-Abfälle je Haushalt) mit den von den Haushalten beantworteten Fragen zusammengeführt. Dies ermöglichte die Quantifizierung der Einflüsse der Verbraucher auf das Pro-Kopf-Abfallaufkommen, welches mit der Haushaltsgröße, der Siedlungsstruktur, dem Sammelsystem und dem Reduktions- und Vermeidungsverhalten der Teilnehmer signifikant korreliert. Darüber hinaus konnte ein signifikanter Zusammenhang zwischen den Fehlwurfanteilen und dem verwendeten Sammelsystem festgestellt werden. Zusätzlich wurde in den LVP-Abfällen (207 kg) der verbliebene Restfüllgehalt in den Verpackungen (7,7 %) und Fehlwurfanteile in der Sammelmenge (8,8 %) ermittelt. Die Restfüllgehalte und Fehlwurfanteile sowie die ermittelten Verpackungswerkstoffe der vorliegenden Sortierstudie wurden für die Ermittlung des in Deutschland theoretisch zur Verfügung stehenden LVP-Wertstoffpotentials herangezogen. Als Referenzwert diente die in Deutschland im Jahr 2019 angefallene Menge von 2,6 Mio. Mg an LVP-Abfällen aus Kunststoffen, Metallen und Verbundmaterialien. Bezogen auf die Verwertbarkeit mittels mechanischem Recycling ergibt sich für Deutschland ein Anteil an 1.285.847 Mg (49,5 %) an gut verwertbaren Fraktionen (Verpackungen aus Monomaterialien), ein Anteil von 419.813 Mg (16,2 %) an bedingt verwertbaren Fraktionen (Flüssigkeitskartons) und ein Anteil von 355.333 Mg (13,7 %) an schlecht verwertbaren Fraktionen (z. B. Multilayer-Verpackungen). Ebenfalls wurde die Erweiterungen der Bepfandung auf LVP, die durch das Verpackungsgesetz im Jahr 2022 und 2024 in Kraft treten, berücksichtigt. Hieraus ergibt sich für das Jahr 2022 ein Anteil von 79.779 Mg (3,1 %) und für das Jahr 2024 ein Anteil von 29.968 Mg (1,2 %) an Verpackungsabfällen, die den LVP-Abfallstrom in die Pfandroute „verlassen“. Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen den Nutzen der tiefencharakterisierten LVP, welcher deutlich über denen üblicherweise abfallwirtschaftlicher Datenerfassung liegt und verbindet abfallwirtschaftliche und verpackungstechnische Informationen, auf deren Basis eine wertstoff- und designgerechte Verpackungsabfallwirtschaft begründet werden kann. Dar-über hinaus motivieren insbesondere die Anteile an mittels mechanischen Recyclings bedingt und schlecht zu verwertenden Verpackungen eine erneute Durchführung der Sortierstudie. Hierdurch können Änderungen beim Verpackungsdesign, z. B. durch das im Verpackungsgesetz verankerte recyclinggerechte Design von Verpackungen und weitere Änderungen den LVP-Abfallstrom betreffend berücksichtigt werden.

The discovery of antibiotics is considered as one of the most significant scientific achievements of the 20th century – lives of millions of people and animals have been saved. Thenceforth, substantial amounts of administered antibiotics and their metabo-lites have been excreted into waste stream via urine and faeces. In this dissertation, primary focus is the qualitative balance of 14 antibiotics and one metabolite in urban water management and in urban waters, respectively. In particular, antibiotics pre-scribed to human beings are drained in the urban sewer system and finally enter the environment: (i) Continuously via the effluent of the wastewater treatment plant after a partially effective removal or degradation or (ii) Intermittent via combined sewer overflow structures due to capacity limitations of the urban drainage system. The fate and the potential effects and risks of these substances on ecosystems and hu-man health are of major concern – their direct toxic effect to all trophic levels as well as the global spread of antibiotic resistance genes are challenging. Hence, an assessment of microbial community activity due to antibiotic exposure is presented. In particular, systematic work has been carried out to study the presence and character-istics of 14 antibiotics in urban waters. In detail, investigations were conducted to gain scientific knowledge with respect to adsorption, desorption, abiotic, biotic and photolyt-ic degradation as well as activity-inhibition of microorganism communities in sewage and of natural freshwater biofilm communities, respectively, due to inevitable urban drainage overflows. In order to provide information to assist potential management strategies, which miti-gate surface water pollution and minimize the adverse impacts of antibiotics on activity of microorganism communities, the following specific topics were addressed: ⑴ The occurrence of 14 antibiotics and one metabolite were determined in sewag-es at three sampling sites in the city of Dresden, Germany. ⑵ The adsorption affinities of 14 antibiotics and one metabolite to size dependent sewer sediments were determined in experimental investigations, three sam-pling campaigns and subsequently an antibiotic-specific adsorption coefficient, normalized to organic content, was quantified. ⑶ The desorption affinity and -dynamics of 14 antibiotics and one metabolite were quantified in size dependent sewer sediments in experimental investigation and with statistical analysis. ⑷ The abiotic, biotic and photolytic degradation affinity of 14 antibiotics and one metabolite were quantified based on batch experiments with three different sewages at 7°C and 22°C, with artificial irradiation and different dilution ratios of the sewage at 30°C and subsequently a model framework decrypted ranges of abiotic, biotic and photolytic degradation coefficients. ⑸ The occurrence of three antibiotics, namely ciprofloxacin, clarithromycin and doxycycline was determined in sewage sampled during dry weather conditions in a small catchment of Dresden, which spills intermittently combined sewage (a mixture of sewage and storm water) to an adjacent brook in the case of capacity limitations of the urban drainage system during periods of intense rainfall and subsequently the three antibiotics were determined in the adjacent brook water. ⑹ Then, the activity-inhibition of microorganism community in sewage of this small catchment was quantified due to an exposition with three different antibiotics and three different antibiotic concentrations. ⑺ Last but not least, the activity-inhibition of natural freshwater biofilm communities in the adjacent brook was quantified via exposure to three antibiotics, which were individually dosed in three different concentrations, and also in mixture. ⑻ Finally, a two-dimensional hierarchical cluster analysis with dendrogram and heat map based on before mentioned activity inhibition of natural freshwater biofilm communities were conducted to identify hot spots of antibiotic tolerant and resistant bacterial subpopulations due to inevitable urban drainage system overflows.:List of Figures IV List of Tables VIII Symbols and Abbreviations XII List of Publications on the Ph.D. topic XIX 1 General Introduction 2 1.1 Background 2 1.2 Aims and Objectives 3 1.3 Innovation and Contribution to the Knowledge 4 1.4 Outline of this Thesis 4 1.5 References 6 2 Adsorption and Desorption Affinity of 14 Antibiotics and One Metabolite for particulate components in urban drainage systems 10 2.1 Introduction 11 2.2 Materials and Methods 12 2.2.1 Study area 12 2.2.2 Sewer sediment and sewage sample collection 12 2.2.3 Sediment fractionation 13 2.2.4 Antibiotic determination in sewage and sediment 13 2.3 Results and Discussion 18 2.3.1 Antibiotics in composite sewage samples 18 2.3.2 Antibiotics adsorbed to sewer sediments 19 2.3.3 Organic-bound antibiotic load as a linear function of liquid concentration 20 2.3.4 Adsorption dynamics and adsorption coefficient determined by bath experiments 20 2.3.5 Mineral composition of sewer sediment SED#1B 23 2.3.6 Initial characteristics of sediment SED#1B 23 2.3.7 Desorption dynamics and desorption coefficient of SED#1B 24 2.4 Conclusions 25 2.5 References 26 3 Abiotic, Biotic and Photolytic Degradation Coefficients of 14 Antibiotics and One Metabolite 32 3.1 Introduction 34 3.2 Materials and Methods 35 3.2.1 Study area and sample collection 35 3.2.2 Experimental set up 35 3.2.3 Modelling framework 38 3.2.4 Procedure of model calibration 40 3.3 Results and Discussion 43 3.3.1 Primary metabolic parameter 43 3.3.2 Secondary metabolic parameter 44 3.4 Conclusions 50 3.5 References 50 4 Activity-Inhibition of Microorganisms due to an Exposition with different Antibiotics and Concentrations 56 4.1 Assessing Antibiotic Resistance of Microorganisms in Sanitary Sewage 56 4.1.1 Introduction 57 4.1.2 Material and Methods 58 4.1.2.1 Sampling Site and Antibiotic Agents 58 4.1.2.2 Analyzing Antibiotics 60 4.1.2.3 Respiration Rate 60 4.1.3 Results and Discussion 60 4.1.3.1 Concentration Range of Antibiotics and Typical Sewage Parameters 60 4.1.3.2 Oxygen Uptake Rate 62 4.1.4 Summary and Conclusions 63 4.1.5 References 64 4.2 Hot Spots of Antibiotic Tolerant and Resistant Bacterial Subpopulations in Natural Freshwater Biofilm Communities due to Inevitable Urban Drainage System Overflows 66 4.2.1 Introduction 68 4.2.2 Material and Methods 69 4.2.3 Results and Discussion 72 4.2.4 Conclusions 76 4.2.5 References 76 5 Summery and General Coclusions 82 5.1 Adsorption and Desorption Affinity 82 5.2 Abiotic, Biotic and Photolytic Degradation 83 5.3 Activity-Inhibition of Microorganism Communities due to Antibiotic Exposure 84 5.4 Enhancement of the Stockholm County Council (2014) assessment of antibiotics 84 5.5 References 87 6 Proposed Directions of Future Research 90 7 Appendixes 94 7.1 Chapters 94 7.2 Figures 95 7.3 Tables 115 7.4 References 139

Riverine systems are crucial in sustaining aquatic ecosystems, serving as a habitat for countless species, and providing multiple beneficial services to human societies. However, various anthropogenic pressures, such as the excessive release of nutrients and contaminants of emerging concern (e.g., pharmaceuticals) which can lead to eutrophication and pose critical ecotoxicological risks to aquatic life and human health, increasingly threaten the ecological integrity and resilience of riverine systems. Consequently, it becomes imperative to acquire detailed descriptions of the transport and fate of these contaminants along riverine systems. In this context, longitudinal model-based approaches with high spatiotemporal resolution could offer a systematic way to accurately screen pollution hotspots, develop precise environmental risk assessments and mitigation strategies effectively. Accordingly, this research study aimed to illustrate the applicability of tailored physical-based and graph-theory-based models in investigating longitudinal dynamics of nitrogen (N) forms and pharmaceuticals (PhC) across riverine systems, focusing on examining risk-exposures and the effectiveness of potential mitigation interventions. In pursuit of providing specific insights into river basin management, the following specific cases were examined: 1. Longitudinal N dynamics were explored along river sections exhibiting heterogeneous hydromorphological conditions due to the presence of weirs. This study integrated a coupled 1D hydrodynamic water quality model with eulerian and lagrangian sampling measurements to conduct high-resolution model calibrations, refining site-specific N transformation rates. The results revealed significant ammonification on river sections with free-flow conditions, while increased nitrification was evidenced on weir-induced river sections. Moreover, denitrification enhancement along river sections upstream from weirs, particularly during warm and low-flow periods, was confirmed. Consequently, weirs removal as a straightforward river restoration measure should be evaluated on a case-by-case basis. 2. PhC residues are predominantly released into riverine systems via the effluents of wastewater treatment plants (WWTP), with the majority exhibiting environmental (pseudo-) persistence. This study formulated an adjusted graph-theory-based model for longitudinal and cumulative routing of wastewater-derived PhC across river networks, achieving high spatiotemporal resolution by integrating detailed prescription and hospital dispensation quantities of PhC with river discharge characterization. Firstly, model multisite calibrations revealed regionalized transformation mechanisms of target PhC from prescription to receiving rivers. Subsequent results elucidated the model’s capability to predict satisfactorily PhC loads and concentrations under different river flow regimes, thereby facilitating the effective screening of PhC-specific risk-exposures. Additionally, accurate determination of river lengths exceeding ecotoxicological thresholds were performed, PhC that posed critical pollution were identified, and priority river sections for mitigation interventions were highlighted. 3. Diverse mitigation strategies can be applied throughout different PhC lifecycle stages to reduce their occurrence in riverine systems. Using a graph-model-based approach for persistent PhC, this study systematically explored the implementation of source-control strategies, end-of-pipe strategies, and uncoupling of hospital wastewater for decentralized management at varying application extents. A comparative cost-effectiveness analysis was conducted, considering both standalone strategies and combinations of two types of strategies. By examining the mitigation caused reductions of PhC loads and longitudinal river lengths with critical risk exposure, an innovative metric for river health improvement was introduced to facilitate more balanced river management decisions. The results highlighted the overall synergistic benefit of combining risk-based prioritized WWTP upgrading with PhC prescription reduction. Depending on the specific environmental goal, different types of mitigation strategies could also be chosen as preferable. Nonetheless, it emphasizes the importance of considering contextual and social factors could hinder their implementation. Despite that, the array of mitigation alternatives presented in this study remains relevant for achieving intermediate cost-effective environmental goals in river management plans. / Flusssysteme sind von entscheidender Bedeutung für die Erhaltung aquatischer Ökosysteme, dienen als Lebensraum für unzählige Arten und erbringen zahlreiche nützliche Leistungen für die menschliche Gesellschaft. Verschiedene anthropogene Belastungen bedrohen jedoch in zunehmendem Maße die ökologische Integrität und Resilienz von Flusssystemen. Dazu gehören die Einleitungen von Nährstoffen und bedenklichen Schadstoffen (z.B. Arzneimitteln), die zu Eutrophierung führen und kritische ökotoxikologische Risiken für das Leben im Wasser und die menschliche Gesundheit darstellen können. Daher ist es unerlässlich, den Transport und den Verbleib dieser Schadstoffe entlang von Flusssystemen detailliert zu beschreiben. In diesem Zusammenhang könnten longitudinale modellbasierte Ansätze mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung einen systematischen Weg bieten, um Hotspots der Verschmutzung genau zu ermitteln, präzise Umweltrisikobewertungen und wirksame Minderungsstrategien vorzunehmen. Dementsprechend zielte diese Forschungsstudie darauf ab, die Anwendbarkeit von maßgeschneiderten physikalischen und graphentheoretischen Modellen bei der Untersuchung der Längsdynamik von Stickstoffformen und Arzneimitteln in Flusssystemen zu illustrieren, wobei der Schwerpunkt auf der Beurteilung von Risikobelastungen und der Wirksamkeit potenzieller Minderungsmaßnahmen lag. Um spezifische Einblicke in die Bewirtschaftung von Flusseinzugsgebieten zu erhalten, wurden die folgenden spezifischen Fälle analysiert: 1. Entlang von Flussabschnitten wurde in Längsrichtung die Stickstoffdynamik untersucht, die aufgrund des Vorhandenseins von Wehren heterogene hydromorphologische Bedingungen aufweist. In dieser Studie wurde ein gekoppeltes 1D-Hydrodynamik- und Wasserqualitätsmodell mit eulerschen und lagrangien Messungen integriert, um hochauflösende Modellkalibrierungen durchzuführen und die standortspezifischen Stickstoffumwandlungsraten zu verfeinern. Die Ergebnisse zeigten eine signifikante Ammonifikation in Flussabschnitten mit freien Fließbedingungen, während eine verstärkte Nitrifikation in Flussabschnitten mit Wehren nachgewiesen wurde. Darüber hinaus wurde eine verstärkte Denitrifikation an Flussabschnitten flussaufwärts von Wehren, insbesondere während warmer und niedriger Abflussperiode, bestätigt. Folglich sollte die Entfernung von Wehren als einfache Maßnahme zur Flusssanierung von Fall zu Fall weiter geprüft werden. 2. Arzneimittelrückstände werden überwiegend über die Abwässer von Kläranlagen in Flusssysteme eingeleitet, wobei die meisten von ihnen in der Umwelt (pseudo-) persistent sind. In dieser Studie wurde ein angepasstes graphentheoretisches Modell für die longitudinale und kumulative Verteilung von aus Abwässern stammenden Arzneimitteln in Flussnetzen formuliert, dass eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung erreicht, indem es detaillierte Mengen an verschriebenen und in Krankenhäusern abgegebenen Arzneimitteln mit der Charakterisierung von Flussabflüssen integriert. Zunächst ergaben Modellkalibrierungen an mehreren Standorten regionalisierte Transformationsmechanismen von verschriebenen Arzneimitteln in Flüssen. Die anschließenden Ergebnisse zeigten, dass das Modell in der Lage ist, die persistenten Arzneimittelmengen und -konzentrationen unter verschiedenen Flussregimen zufriedenstellend vorherzusagen, was ein effektives Screening von substanzspezifischen Risikobelastungen erleichtert. Darüber hinaus wurden genaue Abgrenzungen von Flussabschnitte vorgenommen, die ökotoxikologische Grenzwerte überschreiten, Arzneimittel, die eine kritische Verschmutzung darstellen, identifiziert und vorrangige Ansatzpunkte für Minderungsmaßnahmen aufgezeigt. 3. Um das Vorkommen von Arzneimitteln in Flusssystemen zu verringern, können in den verschiedenen Phasen des Lebenszyklus verschiedene Minderungsstrategien angewendet werden. Unter Verwendung eines auf einem graphentheoretischen Modell für persistente Arzneimittel wurde in dieser Studie systematisch die Umsetzung von Strategien zur Quellenkontrolle, zu End-of-Pipe-Strategien und zur getrennten Behandlung von Krankenhausabwässern in unterschiedlichen Anwendungsumfängen untersucht. Es wurde eine vergleichende Kosten WirksamkeitsAnalyse durchgeführt, bei der sowohl eigenständige Strategien als auch Kombinationen aus zwei Arten von Strategien berücksichtigt wurden. Durch die Betrachtung der Verringerung der Arzneimittelmengen und der Flusslängen mit kritischer Risikoexposition wurde ein innovatives Kriterium für die Verbesserung der Flussgesundheit eingeführt, um ausgewogenere Entscheidungen zur Flussbewirtschaftung zu unterstützen. Die Ergebnisse unterstrichen den synergetischen Gesamtnutzen der Kombinationen aus risikobasiertem, prioritärem Ausbau von Kläranlagen und Reduzierung der Arzneimittelverordnungen. Je nach dem spezifischen Umweltziel könnten auch andere Arten von Minderungsstrategien bevorzugt werden. Es wird jedoch betont, wie wichtig es ist, kontextuelle, finanzielle und soziale Faktoren zu berücksichtigen, die deren Umsetzung behindern könnten. Unabhängig davon beinhaltet die in dieser Studie vorgestellte Reihe von Minderungsalternativen für das Erreichen von kosteneffizienten Umweltzwischenzielen in Flussbewirtschaftungsplänen eine hohe Relevanz.

Rückläufige Bevölkerungszahlen und Siedlungsflächenwachstum führen zu steigenden Kosten für leitungsgebundene Infrastrukturen. Dies gilt besonders für die Abwasserentsorgung, die in Deutschland überwiegend über die öffentliche Kanalisation erfolgt. Bei Neuerschließung können im Falle geringer Siedlungsdichten dezentrale Abwassersysteme Kostenvorteile gegenüber zentralen Systemen aufweisen. Lassen sich aber durch Dezentralisierung auch Kosten im bereits erschlossenen, von Schrumpfung betroffenen, Siedlungsbestand reduzieren? Um hierauf Antworten zu geben, werden Kosten der Transformation zentraler Abwassersysteme hin zu stärker dezentral angelegten Strukturen berechnet. Am Beispiel eines realen Abwasser-Entsorgungsgebietes wird ein Verfahren entwickelt, das eine Kostenbewertung der schrittweisen Dezentralisierung technischer Abwassersysteme ermöglicht.:Zusammenfassung............................................................................... 13 Summary............................................................................................... 15 Kurzfassung.......................................................................................... 17 1 Einführung......................................................................................... 27 A Grundlagen........................................................................................ 45 2 Abwasserentsorgung – Begriffe und Strukturdaten.......................... 45 3 Zentral oder Dezentral...................................................................... 53 4 Kostenwirkungen des Nachfragerückgangs im System der zentralen Abwasserentsorgung........................................................... 61 B Entwicklung des Bewertungsverfahrens............................................ 71 5 Untersuchungsgebiet........................................................................ 71 6 Siedlungsmodell................................................................................. 75 7 Infrastrukturmodell.......................................................................... 107 8 Bezugsmodell................................................................................. 123 9 Sequenzanalyse.............................................................................. 137 10 Kostenmodell................................................................................. 151 C Modellrechnungen........................................................................... 171 11 Zukunftsprojektion Siedlungsmodell.............................................. 171 12 Kostenrechnung............................................................................ 179 D Interpretation und Ergebnisse........................................................ 203 13 Auswertung und Interpretation..................................................... 203 14 Ergebnisse und Fazit..................................................................... 221 15 Forschungs- und Entwicklungsbedarf............................................ 231 Literatur...............................................................................................235 Abbildungsverzeichnis........................................................................ 247 Tabellenverzeichnis............................................................................ 251 Anlage Kostenkennwerte................................................................... 253 / Declining populations and an expansion in settlement areas have led to a rise in the cost of pipeline networks for household supply and waste removal. This is particularly true of waste-water removal, which in Germany is primarily managed using public sewage systems. The work at hand tries to give answer to the question, if decentralisation can lower costs in the building stock affected by shrinkage, which is already connected to the waste-water network.:Zusammenfassung............................................................................... 13 Summary............................................................................................... 15 Kurzfassung.......................................................................................... 17 1 Einführung......................................................................................... 27 A Grundlagen........................................................................................ 45 2 Abwasserentsorgung – Begriffe und Strukturdaten.......................... 45 3 Zentral oder Dezentral...................................................................... 53 4 Kostenwirkungen des Nachfragerückgangs im System der zentralen Abwasserentsorgung........................................................... 61 B Entwicklung des Bewertungsverfahrens............................................ 71 5 Untersuchungsgebiet........................................................................ 71 6 Siedlungsmodell................................................................................. 75 7 Infrastrukturmodell.......................................................................... 107 8 Bezugsmodell................................................................................. 123 9 Sequenzanalyse.............................................................................. 137 10 Kostenmodell................................................................................. 151 C Modellrechnungen........................................................................... 171 11 Zukunftsprojektion Siedlungsmodell.............................................. 171 12 Kostenrechnung............................................................................ 179 D Interpretation und Ergebnisse........................................................ 203 13 Auswertung und Interpretation..................................................... 203 14 Ergebnisse und Fazit..................................................................... 221 15 Forschungs- und Entwicklungsbedarf............................................ 231 Literatur...............................................................................................235 Abbildungsverzeichnis........................................................................ 247 Tabellenverzeichnis............................................................................ 251 Anlage Kostenkennwerte................................................................... 253