Almost two hundred years ago, Dr John Snow identified the faecal contaminated water as a source of bacterial infections during a severe cholera outbreak. Several years later, we have developed many weapons on our arsenal to reduce the bacterial infections, from simple ones such as public hygiene measures (e.g. frequent showers & hand washing, clean water), to specialised ones such as the use of antibiotics. The antibiotics inhibit the bacterial growth, thus their use has effectively helped to treat many bacterial infections, revolutionizing medicine. Successful recovery from surgical operations would be seldom and would last exponentially without their use. Yet, antimicrobial resistance (AMR) has increased globally threatening to render antibiotics useless. However, the “golden era” of novel antibiotics development, when many novel antibiotics were discovered in a few years, belongs to the past. The bacteria developed resistance mechanisms to every single one of the antibiotics and rendered them useless. This could be reflected to an increase in the death rates, but more importantly to the increased health-care costs, which might compromise the treatment for other diseases. The Covid-19 pandemic provided such a clear paradigm on the straining of health care systems during massive parallel hospitalisation of patients. While, the misuse of antibiotics for human and veterinary was the main contributor of the increased AMR levels, other anthropogenic activities greatly contributed to AMR spread as well. Specifically, the wastewater treatment plants are considered as hotspots for AMR and agricultural practices, such as manure amendment, have been show to clearly promote AMR. Thus, the scientific community across clinical settings, environmental and agricultural sectors intensively researches on AMR, in an attempt to fully understand the AMR phenomenon. Nevertheless, the AMR is not the only problem that currently occurs in our society. The climate change, the urbanisation and the ever increasing human population has caused an increasing freshwater scarcity. The demand for treated wastewater (TWW) irrigation has increased due to this freshwater scarcity, and is expected to increase more. Since the TWW contains a high load of antibiotics, antibiotic resistant bacteria (ARB) and antibiotic resistance genes (ARGs), the irrigation with TWW has raised concerns regarding AMR spread in the environment. Many studies have attempted to investigate the impact of TWW on AMR spread in crops and soil; however, the impact on deeper lying environments remains not yet elucidated. This should raise concerns, since groundwater remains the most valuable drinking water source globally. Here in this thesis, I attempted to gain further understanding on whether TWW irrigation promotes the AMR spread in the soil and the so-far neglected deeper-lying subsurface environments. My outmost desire is that the present work will contribute to a framework of minimising the potential risks during TWW irrigation, rendering TWW irrigation as a safe and sustainable alternative for freshwater resources depletion.

Leaching of soil salinity in irrigated and non-irrigated agriculture is crucial to ensure sustainable food production. Soil salinity is considered a global problem, since more than 800 million hectares (6% of the world's total area) worldwide are salt-affected. Generally, the regions affected by soil salinity also face water scarcity problems. Consequently, in these regions, even saline waters are considered to be essential resources for agriculture. The use of inefficient irrigation practices in regions that experience water scarcity, especially those using saline water, aggravates soil salinity problems. Therefore, in the context of these constraints and challenges, increasing the efficiency of water use for irrigation and leaching is necessary. An increasing interest in using drip irrigation systems (DI) is noticed in the current research that deals with water scarcity due to the benefits of applying water precisely in time and space. However, the traditional leaching guidelines, based on steady-state conditions, are not appropriate for DI. Therefore, the use of DI for leaching practices is still under question. The objectives of this study are (i) to better understand and assess the leaching process for common DI, and (ii) to develop a simulation-based optimization approach considering site-specific conditions for optimal DI design for salinity management. Accordingly, a new two-stage framework for optimizing leaching practices has been developed focusing on DI. The transient-state-based numerical model HYDRUS-2D was used for simulating water movement and solute transport processes for both stages. In the first stage, a general assessment tool for leaching practices in the form of “irrigation atlas” was created using two-dimensional (2D) numerical experiments. The atlas displays and compares the reclamation leaching results of (i) surface drip irrigation (SI), (ii) subsurface irrigation drip irrigation (SDI), (iii) sprinkler irrigation (S), and (iv) flood irrigation. The results are introduced graphically, showing the final 2D salinity distribution in the soil profile, and numerically giving the water and salt mass balances. The SI and SDI results show the high potential of these systems for improving the efficiency of salinity leaching. However, because of the resultant localized leaching patterns, the performance of these systems depends on the location of the drip line relative to the targeted leaching area. In the second stage of the study a site-specific optimization framework for leaching design and management was developed through a combination of simulation and optimization. The objective was to achieve optimal leaching results with a given limited amount of water. The framework was applied in synthetic field conditions for reclamation leaching in two and silt). Moreover, the framework was based on running numerous simulations of possible DI setups (scenarios). The optimization approach made it possible to derive values for the optimal irrigation design parameters for salinity management under the given field conditions. The new optimization framework was implemented in a case study focusing on the impact of different DI designs on yield and the leaching of salts. The framework aims to make the most effective use of an existing DI system by optimizing the combination of irrigation frequency, duration, and discharge. The optimization framework was successfully employed: (i) to increase the relative yield of the considered crop, and (ii) to reduce the subsurface drainage towards the saline and shallow groundwater, which contributes to better control of the saline groundwater levels in the study area. The seasonal results confirmed the leaching pattern of a dripper presented in the irrigation atlas. The optimal seasonal solutions are presented as site and crop specific leaching and water productivity functions for a wide range of applied water and different irrigation water salinities. The developed optimization framework proved to be a suitable approach for assessing and improving leaching management of DI under salinity conditions and deriving optimal design parameter values. The suitability and flexibility of the framework were verified through implementation in a case study with new field conditions and objectives, and it was shown that the reliability of the proposed framework depends on the quality of the collected and measured data required for the model inputs.

Der Übergang von einer linearen Wirtschaftsweise zu einer Kreislaufwirtschaft hat gerade erst begonnen. Beim Umgang mit Kunststoffen wird deutlich, dass die Kreislaufführung noch nicht in dem Maße erfolgt, dass die möglichen Potenziale der Rückführung von verwertbaren Kunststoffabfällen in den Produktionskreislauf ausgeschöpft sind. Im Rahmen der Arbeit wurden 16 Maßnahmen zur Steigerung der Mengen des eingesetzten Rezyklats ausgewählt, charakterisiert und hinsichtlich deren Kosten für die Umsetzung und erzielbaren Mengeneffekte berechnet. Die ermittelten Werte wurden in Anlehnung an die Methode der Ökoeffizienzanalyse miteinander in Zusammenhang gebracht. Dabei wurde angenommen, dass mit jedem Mg durch die Maßnahmen zusätzlich bereitgestelltes Rezyklat eine Einsparung von CO2-Äquivalentemissionen erreicht wird.

Die Entsalzung ist eine der wichtigsten Technologien, um den Frischwasserbedarf in vielen Regionen der Welt sicherzustellen. Bevölkerungswachstum, der Klimawandel und stetig steigender Konsum werden die Bedeutung von Entsalzungstechnologien weiterwachsen lassen. Die Möglichkeit des Einsatzes etablierter konventioneller Verfahren wird begrenzt durch die hohen ökologischen und ökonomischen Kosten dieser Verfahren. Unkonventionelle Entsalzungsverfahren wie die Membrandestillation (MD) bieten einige Vorteile, mit denen sie konventionelle Verfahren jenseits dieser Limitationen ergänzen können. Die MD ist ein thermisch angetriebener Prozess, in welchem eine hydrophobe Membran das warme, flüssige Feed räumlich von der kälteren Permeatseite trennt, während nur dampfförmige Moleküle durch die Membran permeieren können. Wie in allen membranbasierten Trennprozessen bestimmen die Charakteristika der verwendeten Membran die Leistungsfähigkeit (Massentransport, Rückhaltevermögen und Energieeffizienz) des Prozesses und das damit verbundene kommerzielle Interesse. Durch ihre intrinsisch hydrophoben Materialeigenschaften und ihren guten Massentransfercharakteristika ist die Verwendung von Polymermembranen in der MD aktuell Stand der Technik. Um die Einsatzmöglichkeiten von MD Verfahren auf aggressive Lösungen zu erweitern, werden thermisch, mechanisch und chemisch stabile Membranen benötigt. Obwohl keramische Membranen im Vergleich zu Polymermembranen eine höhere Stabilität aufweisen (wodurch die Behandlung von aggressiven Lösungen mit MD-Verfahren prinzipiell möglich wird) muss die Eignung von keramischen Membranen für MD-Verfahren wissenschaftlich belegt und ein Konzept zur Membranoptimierung entwickelt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Typen modifizierter keramischer Membranen (z.B. Materialauswahl und Schichtaufbau) vollständig im Hinblick auf ihre spezifischen Membraneigenschaften (z.B. Porengröße, Wärmeleitfähigkeit und hydrophobe Eigenschaften) charakterisiert und anschließend unter Verwendung von salzhaltigen Lösungen in der Direktkontaktmembrandestillation (DCMD) und der Vakuummembrandestillation (VMD) getestet. Diese Daten wurden genutzt, um den Stofftransport von asymmetrischen keramischen Membranen unter Verwendung eines anerkannten VMD-Modells (basierend auf dem Dusty-Gas-Modell) zu berechnen und um die Leistungsfähigkeit (d.h. Stabilität, Stofftransport, Selektivität und Energieeffizienz) von modifizierten keramischen Membranen in der MD in Hinblick auf spezifische Membraneigenschaften und Verfahrensparameter zu bewerten. Anschließend wurde die Eignung von keramischen Membranen für MD-Prozesse evaluiert und Optimierungskonzepte für keramische Membranen vorgeschlagen. Damit wurde mit dieser Arbeit die Grundlage gelegt, die Kommerzialisierung von keramischen Membranen in der MD voranzutreiben. Keramische Membranen wurde mit verschiedenen Molekülen hinsichtlich ihrer Oberflächeneigenschaften modifiziert. Dadurch konnte ein nicht-fluorisiertes Molekül als potenzielle Alternative zu den üblicherweise verwendeten fluorierten Molekülen identifiziert wurde. Für alle modifizierten Membranen (unabhängig von dem Hydrophobierungsmittel) mit Porengrößen kleiner oder gleich 400 nm, wurde ein Flüssigkeitseindringdruck (LEP) über 2,5 bar gemessen, welcher jedoch eine starke Abhängigkeit von den Eigenschaften der Testlösung zeigt. Während symmetrisch aufgebaute keramische Membranen modifiziert mit einem fluorierten Hydrophobierungsmittel die Behandlung mit heißer, salzhaltiger Lösung über 96 Stunden standhielten, zeigten diese deutlich geringere Permeatflüsse in der VMD als asymmetrisch strukturierte keramische Membranen. Der Stofftransport von asymmetrischen keramischen Membranen war in der VMD höher ausgeprägt als in der DCMD. Der Stofftransport von asymmetrischen keramischen Membranen wird in der VMD vorwiegend von den Supporteigenschaften beeinflusst, während der Strofftransport in der DCMD erheblich von den Eigenschaften der trennaktiven Membranschicht (z. B. die Porengröße) bestimmt wird. Ein in der Literatur beschriebenes VMD-Modell in Bezug vorhandener Defizite durch Korrekturfaktoren erfolgreich erweitert und zur Berechnung des Strofftransportes für asymmetrische TiO2 Membranen angewandt. TiO2 und Al2O3 Membranen wurden in der VMD erfolgreich zur Behandlung hochkonzentrierter Salzlösungen (synthetische und reale Lösungen) verwendet. TiO2 Membranen zeigten höhere Permeateflüsse als Al2O3 Membranen in der DCMD und der VMD. Das begründet sich insbesondere bedingt durch die bessere Moderierung von Temperaturpolarisationseffekten aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von TiO2 Membranen. Beispielsweise wurden bei der Behandlung einer hochkonzentrierte NaCl-Lösung (350 g NaCl pro kg H2O) mit einer TiO2 Membran (Finale Porengröße: 100 nm) in der VMD hervorragende Salzrückhalte von über 99,9 % und Permeatflüsse von bis zu 35 kg/( m² h) erreicht. Die Stofftransportraten der modifizierten keramischen Membranen in der VMD sind im Vergleich zu den Permeatflüssen von Polymermembranen (Literaturwerte) unter ähnlichen Testbedingungen wettbewerbsfähig. Es wurde gezeigt, dass die geringe Energieeffizienz von keramischen Membranen weiterhin die größte Herausforderung für deren kommerzielle Nutzung in MD-Prozessen darstellt und diese der Fokus der Membranoptimierung darstellen sollte.

Die Umgestaltung des barocken Rammenauer Lustgartens in einen Landschaftspark geschah ab 1825. Vertieftes Quellenstudium ermöglichte neuerdings eine genauere Darstellung darüber, in welchen Etappen diese Umbauten vor sich gingen.

Zwei Jahre nach Einführung des § 13b BauGB sind bundesweit bereits zahlreiche Anwendungsfälle bekannt. Sie zeigen, dass sich die Erwartungen an die Einführung der Regelung, auf Kosten von materiellen und Verfahrensstandards schnell und in substantiellem Umfang Wohnbauland zur Minderung der Wohnungsnot zu schaffen, nicht erfüllt haben. Einwohnerstarke Städte mit hohem Wohnraumbedarf und angespannten Wohnungsmärkten wenden die neuen Regelungen nicht an. Die Nutzung des § 13b BauGB erfolgt in kleineren und kleinsten Gemeinden, häufig ohne besonderen Wohnraumbedarf, zur Ausweisung von Ein- und Zweifamilienhausgebieten. In vielen Fällen lässt sich feststellen, dass die Flächeninanspruchnahme für Siedlungszwecke unnötig verstärkt wird und viele dieser Gemeinden Wohnbaulandflächen auf Vorrat ausweisen, die mit Blick auf die Bevölkerungsentwicklung voraussichtlich nicht notwendig sein werden. Damit einher geht eine unnötige Belastung von Umwelt und Natur einerseits und Entwertung des innerörtlichen Baubestandes andererseits.

Santa Cruz Verde 2030 is an inner-city megaproject that will transform the local oil refinery into an urban neighborhood in Santa Cruz de Tenerife, Spain. The project is expected to reconfigure Santa Cruz’s tourism model significantly, while applying rather undemocratic planning practices. This paper explores Santa Cruz Verde 2030, focusing on the perception of local stakeholders. My research builds on 18 qualitative interviews with planning authorities, the city’s mayor, political parties, experts from the real estate sector and residents. I identify a large perception gap among the interviewees. While the project’s initiators praise the participatory process, other stakeholders feel neither informed nor integrated. In particular, the “behind closed doors” planning approach has provoked resentment among citizens. In contrast, the possible impact on tourism of the project has given rise to less discussion. This contributes to the “stealthy” touristification strategy that has already transformed large areas of Santa Cruz’s waterfront in past decades. Hence, this paper adds to the ongoing discussion on how to design megaprojects in a more sustainable way, for example, by ensuring political consensus and learning from former megaprojects.

Eine nachhaltige Wirtschaftsweise ist eine Verpflichtung für die deutsche Landwirtschaft. Sowohl für die Lebensmittel- als auch für die Energieproduktion benötigt unsere Landwirtschaft Produktionsflächen. Ohne Landwirtschaft kann die Ernährung der Weltbevölkerung nicht sichergestellt werden. Damit die Landwirtschaft diesen Auftrag erfüllen kann, ist sie auf eine ausreichende und verfügbare Ressource „Boden“ angewiesen. Grund und Boden sind jedoch Ressourcen, die nicht beliebig vermehrbar sind. Das Reduzieren von landwirtschaftlichen Flächenverlusten ist daher nicht nur aktiver Natur- und Umweltschutz. Es ist vielmehr Grundvoraussetzung für einen lebenswichtigen Teil der Wirtschaft.

Integrierte Stadtentwicklung findet ihren Niederschlag in den unterschiedlichsten Ansprüchen an Fläche. Die Konkurrenz der Nutzungsansprüche hat sich in den letzten Jahren deutlich verschärft. So stehen zum Beispiel Wohnen oder soziale Infrastruktur als Nutzungsarten oft mit gewerblicher Nutzung im Wettbewerb um die Flächen. Wohnen und Gewerbe wiederum rivalisieren mit dem ebenfalls erforderliche Freiraum. Diese konkurrierenden Nutzungsansprüche setzen zwingend voraus, dass Städte sich über die strategischen Ziele der Stadtentwicklung verständigen und ihr Handeln daran orientieren. Strategisches Flächenmanagement und strategische Stadtentwicklung bedingen sich wechselseitig. Nur in dieser Verbindung können die Städte Zielkonflikte lösen und den vielfältigen und wachsenden Anforderungen gerecht werden, die an sie gestellt werden. Schlagworte, wie Globalisierung und Internationalisierung, Klimawandel und Umweltkonflikte, Demografischer Wandel sowie Heterogenisierung und soziale Polarisierung der Gesellschaft, enge Vorgaben zur Nachhaltigkeit bei der Flächeninanspruchnahme (30-Hektar-Ziel), skizzieren neben immer weniger werdenden finanziellen Spielräumen die aktuellen Herausforderungen, vor denen die Städte heute stehen. Der Deutsche Städtetag beschäftigt sich daher kontinuierlich mit dem Thema „Strategisches Flächenmanagement“ und veröffentlicht regelmäßig Handlungsempfehlungen, Positionspapiere und Beschlüsse. Die nachstehenden Textbausteine sind aus den jeweiligen Veröffentlichungen entnommen (DST 2014; DST 2017).

Die regionalplanerische Initiative „Mehr Wohnbauland am Rhein“ beschäftigt sich mit der Problematik des kontinuierlich steigenden Wachstumsdruckes in der Region um Düsseldorf, insbesondere entlang der Rheinschiene, und sucht nach einer Lösung für neuen und bezahlbaren Wohnraum, der die Bedürfnisse sehr unterschiedlicher Bevölkerungsgruppen abdecken muss. Hierfür wurde in Zusammenarbeit mit den Kommunen und Kreisen des Planungsbezirkes ein GIS-gesteuertes Suchsystem entwickelt, welches rund 250 Flächen auf der Basis ausgewählter Qualitäten untersucht und in einem Flächenranking mit über 40 Kriterien verglichen hat. Dabei wurde eine besondere Gewichtung auf Flächen gelegt, die nachhaltig flexibel umsetzbar (SPNV-Anbindung, hohe bauliche Dichte, schnelle Verfügbarkeit) und möglichst ökologisch verträglich sind. Der Beitrag beschreibt die planerische Herausforderung und die technische Umsetzung des Flächenrankings.