Die Umweltfernerkundung hat in den vergangenen zwei Jahrzehnten enorme Fortschritte erzielt und bietet Potenzial zur Erweiterung behördlicher Geodatenbestände und vielfältiger Anwendung. Insbesondere abbildende Hyperspektraldaten und Thermaldaten bieten die Möglichkeit für die Bereitstellung neuer thematische Informationen (GIS-Layer). Ein zentrales Einsatzgebiet ist die Analyse, Visualisierung und Bereitstellung von Informationen zu den Wirkungsketten grüner und blauer Infrastruktur in Landschaften und Siedlungen. Der Beitrag vermittelt einen Überblick zu Anwendungen, Aspekten und Anforderungen an die Akquise von Hyperspektraldaten und Thermaldaten.

Der Runde Tisch GIS e. V. hat im Jahr 2019 im Zuge einer Ausschreibung die Verwendung von Geomassendaten intensiv unterstützt, indem Pilotanwender aus verschiedenen Anwendungsbereichen aufgefordert wurden, auf Basis von Daten des Landesamtes für Digitalisierung, Breitband und Vermessung (LDBV) in Bayern mögliche Anwendungsszenarien zu skizzieren und darauf aufbauend im Rahmen einer einjährigen Projektarbeit zu untersuchen. In diesem Beitrag wird das Projekt „Solarpotenzialanalyse und Web-Visualisierung von 3D-Geomassendaten am Beispiel der Stadtregion München“ vorgestellt. Im Ergebnis wurde eine automatisierte GIS-basierte Methodik angewandt und getestet, die eine realitätsgetreue Erfassung und ein künftiges Monitoring des urbanen Grünbestandes ermöglicht. Zudem wurde ein Analysewerkzeug für die großflächige Bestimmung des Solarpotenzials für Dächer und Fassaden auf Basis von semantischen 3D-Stadtmodellen eingesetzt. Durch wiederkehrende Anwendung dieses Analysewerkzeuges können simulierte Testrechnungen aufgebaut werden, um Möglichkeiten der Zielerreichung hin zu einem klimaneutralen Energiesystem zu überprüfen. Die Ergebnisse der Grünmodellierung und der Solarpotenzialanalyse werden in einem browser-basierten 3D-Webclient visualisiert und können damit auch interaktiv betrachtet und ausgewertet werden.

Die Siedlungsentwicklung wird entscheidend durch die regional und lokal sehr unterschiedlichen Bodenrichtwerte geprägt. Der Bodenpreis spiegelt die lagespezifische Wertschätzung für eine bauliche Nutzung wider, zu der u. a. die Verkehrsanbindung, die Nachbarschaft, die Wohn- und Geschäftslage sowie die Umwelteinflüsse zählen (Hendricks 2017, 24 f.). Bodenrichtwerte basieren auf Durchschnittswerten von Verkäufen der letzten Zeit und werden durch Gutachterausschüsse für Grundstückswerte in Kartenform veröffentlicht. Inzwischen stehen diese Daten in einigen Bundesländern in Form von digitalen downloadbaren Geodaten bereit, teilweise sogar in verschiedenen Zeitschnitten. In diesem Beitrag wird nach einer Darstellung der bundesweiten Datenlage das Potenzial dieser Daten für die raumwissenschaftliche Forschung vorgestellt, eine Verarbeitungsmethodik beschrieben und die Entwicklung der Bodenrichtwerte differenziert nach BBSR-Raumtypen für eine bauliche bzw. landwirtschaftliche Nutzung am Beispiel von zwei Bundesländern vorgestellt.

Wie wird sich der öffentliche Raum unserer Städte verändern, wenn die Bevölkerung altert? Das interaktive Architekturmodell „Eine Stadt für jedes Alter“ geht dieser Frage nach. Entstanden ist es für die Ausstellung „Alle Generationen in einem Boot“ auf der MS Wissenschaft. Das Ausstellungsschiff des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) war aus Anlass des Wissenschaftsjahres 2013, welches unter dem Titel „Die demografische Chance“ stand, auf einer Tour durch Deutschland und Österreich unterwegs. Die Betrachter des Exponats werden zunächst durch Szenarien in die Zukunft versetzt. Gezeigt wird ein Ausschnitt aus dem Alltag von drei Senioren und einem Kind im Jahr 2045. Diese vier Personen können dann als Figuren im Modell gesucht und wiedergefunden werden. Die wesentlichen Aspekte einer altersgerechten und barrierefreien Anpassung des städtischen Raums sind in ihrer Umgebung dargestellt und werden mit Texten erläutert. Die vorliegende Broschüre zeigt Eindrücke des Architekturmodells und liefert Informationen zu den zukünftig zu erwartenden Entwicklungen in den Bereichen Mobilität, Wohnen und Versorgung sowie Pflege und Betreuung.

The informal sector is described as groups of persons who act in parallel to official waste management systems without official authorisation. Such informal activities can result in risks as well as benefits both to the environment and involved stakeholders, which explains the continuing lively discussions in politics, science and society. Transhipments of waste electrical and electronic equipment (WEEE) are increasingly focused in Germany. In addition to informal exports via the port of Hamburg to countries such as China, Ghana or Nigeria, informal transports to Eastern European countries have been recognised for decades. This paper describes investigations regarding the characteristics, transhipped amounts as well as the eco-efficiency of informal sector activities originating from Eastern European countries, while thereby highlighting transhipments of used appliances to destination countries and a corresponding sale for reuse. Investigations reveal that a majority of informal collectors originate from Poland, Czech Republic, Hungary and Romania and are recognised across Germany. A high WEEE specialisation was determined, whereby average annual transhipped amounts are estimated at 77,000 tons. Collected materials are transhipped and partially sold for reuse. A case study considers the example of Polish informal collectors. The ratio between economic and environmental performance reveal that informal sector reuse activities in Poland achieve a higher environmentally sound performance in comparison to further usage of appliances under consideration. The informal collection of a television in Germany (and subsequent reuse in Poland) causes 8.34 kg less specific CO2 emissions per spend-costs (€) than the production, usage and further use in Poland. Conversely, a further use of a television in Germany only results in 2.2 kg less CO2 emissions per spend-costs (€). These results demonstrate that reuse as a result of informal sector activities can have a positive effect. Future electrical and electronic products available for reuse will have lower energy consumptions. A positive contribution to resource protection is thereby achieved while extending already short life cycles. Taking into account a dependency on collections with respect to their income, a pure ban of informal sector activities would therefore be socially counterproductive. A structured and controlled accomplishment of informal collection processes would open up new opportunities to enlarge the (already existing) concept of reuse at an international level.

Gas migration in saturated argillaceous rock is studied in this work. Dependent on the pressure level the gas transport process is controlled by different mechanisms. Gas injection tests have been carried to investigate the gas transport process in low permeable argillaceous rock. We focus on the Opalinus Clay, which has been widely researched and is important for searching possible host rock of the radioactive waste disposal. Gas injection tests at different scales (laboratory, in-situ borehole and in-situ tunnel test) are intensively investigated in this work. The measurements of the tests are analysed and interpreted with numerical modelling method. A coupled multi-phase flow and mechanical model has been developed and implemented in the scientific computed codes OpenGeoSys (OGS). In the applied numerical model the relationship between capillary pressure and water saturation degree is described with van Genuchten model. The Darcy’s law is used for the phase flux, and the relative permeability of both water and gas phase is considered. The deformation process is calculated with elastic perfect-plastic model. The anisotropic hydraulic and mechanic behaviours of the Opalinus Clay are involved in the numerical model. The hydraulic anisotropy is controlled by the permeability tensor. The elastic deformation process is modelled by generalized Hooke’s law. The plastic behaviour is calculated with return mapping algorithm, and the anisotropy is considered with a so called microstructure tensor method. The permeability change during the gas injection is described using pressure dependent or deformation dependent approach. With considering the permeability evolution the measured data can be in the numerical model quantitatively represented, and test observations can be interpreted. Under laboratory condition it can be determined that the specimen permeability is reduced during compression. The significant permeability increase takes places when the gas injection pressure higher than the confining pressure. By the in-situ tests damage zone can be generated due to the drilling of boreholes and tunnel. The highly permeable areas dominate the hydraulic process. Fluid flows through the damaged zone into the not sealed section, e.g. the seismic observation boreholes by the in-situ borehole tests and the section out of the megapacker by the in-situ tunnel tests. In this work, the two phase flow controlled and pathway dilatancy controlled gas migration mechanisms are successfully simulated. The developed numerical model can be used to investigate the gas injection tests at different scales and conditions.

Mit den für Johann Christoph Knöffel gesicherten Großsedlitzer Bauten, dem Wackerbartschen Schloss und der Alten beziehungsweise Oberen Orangerie, stehen typologisch mehrere überlieferte Entwürfe für Gartenschlösser und Orangerien aus dem Milieu des Dresdner Oberbauamts in Verbindung, die bislang wenig Beachtung gefunden haben und deren Funktion, Verortung und Autorschaft ungeklärt ist, darunter auch solche des Matthäus Daniel Pöppelmann. Beachtung findet bei den Zuweisungen nicht nur der Inventor, sondern auch der jeweilige Zeichner der Entwürfe. / We know that Johann Christoph Knöffel was responsible for the design and construction of the buildings in the gardens at Großsedlitz, such as the Palace of Count Wackerbarth and the ‘Old’, or ‘Upper’, Orangery. It is possible to make a typological comparison between these buildings and several surviving plans and drawings from the Dresden Building Authority (Oberbauamt ). Until now these plans have attracted little attention, and the proposed function and location of the buildings and the identity of their architects were uncertain. The article attributes several of the plans to Matthäus Daniel Pöppelmann and also includes information about the draughtsmen.

Der Aufsatz befasst sich mit der Wasserversorgung im Schlosspark Großsedlitz. Ein weitläufiger Terrassengarten erforderte im frühen 18. Jahrhundert reichhaltige Wasserspiele. Nach bisherigen Erkenntnissen war dies in Großsedlitz aufgrund der topografischen Lage auf dem Bergrücken kaum zu gewährleisten. Die jüngste Betrachtung zeigt allerdings, dass der frühe Garten unter Wackerbarth nicht nur auf Größe, sondern auch auf einen sehr nachhaltigen Umgang mit den Wasserressourcen ausgerichtet war. Nach Berechnungen war durch das vorhandene Reservoir nur eine Betriebsdauer der Wasserspiele von dreieinhalb bis vier Stunden möglich. / The article deals with the water supply to the Baroque gardens at Großsedlitz. In the early 18th century such extensive terraced gardens demanded the inclusion of an elaborate set of water features. It has been known for some time that the location of Großsedlitz on the crest of a hill made it very difficult to satisfy this requirement. Recent research shows, that in the early Wackerbarth days the gardens were not served by a large and sustainable water supply, and calculations show that the available water reserves were only sufficient to enable the water features to operate for three and a half to four hours at a time.

Das Umfeld des fürstbischöflich-bambergischen Jagd- und Sommerschlosses Seehof wurde im 18. Jahrhundert in ein System landschaftlich wirksamer Blickachsen und -schneisen eingebunden, die sich am Ende zu einem so nicht geplanten Fünfstrahl nach Süden, aufsitzend auf einer Ost-West-Basisachse zusammenfügten. Diente die erste Achse noch der fürstlichen Repräsentation im Rahmen einer Blickverbindung zwischen Sommerschloss und Stadtresidenz auf dem Domberg in Bamberg, so wurden unter Fürstbischof Adam Friedrich von Seinsheim Achsen in den Hauptsmoorwald im Sinne eines Jagdquartiers hineingetrieben. Heute sind von diesem System nur wenige Relikte erhalten. / In the 18th century the grounds of Seehof, the summer residence and hunting lodge of the Prince-Bishop of Bamberg, were laid out in an interconnecting network of scenically impressive sight lines and forest aisles, which were connected along an East-West axis to a less meticulously planned series of five alleyways, which fanned out in a southerly direction through the forest. The first of these alleys formed a sight line between the summer palace and the city residence on the Domberg in Bamberg. Under Prince-Bishop Adam Friedrich von Seinsheim more axes were created for hunting purposes in the Hauptsmoorwald forest. Very little of this elaborate system can still be seen today.

The agricultural sector is one of the largest consumers of fresh water. With the ever-increasing problem of water scarcity, urbanization, over-population, and climate change, fresh water resources used by agriculture could be put to better use by redirecting it for drinking water purposes. In this context, many countries reuse treated urban waste water for irrigation, to overcome this problem. While this is a sustainable practice, the reuse of urban wastewater could facilitate the spread of pathogenic bacteria (or antibiotic resistant bacteria) in the subsoil region and consequently the groundwater. Since groundwater is one of the main sources of drinking water, the contaminants could pose a risk to human health. Furthermore, obtaining scientific data for emerging contaminants during water reuse is the need of the hour. The objective of this work is to build a mechanistic model that can aid in the development of large-scale risk assessment models; thus facilitating the setup of water reuse regulations for the relevant pathogenic organisms. In the present study, process based models were developed and evaluated using lab scale results. Then, the relative time scales of the processes are compared, and the relative importance of the various process studies are assessed. When assessing time scales of the processes, it is kept in mind that processes with relatively fast time scales can be approximated using equilibrium models, relatively slow processes can be neglected, and only the rate limiting processes can neither be neglected or further simplified in further model development. Therefore, an idea of the rate limiting processes assessed in lab scale can serve as important tools facilitating model simplification when evaluating larger scale models. A combined experimental and modelling approach has been used to study relevant transport and reactive processes during bacteria transport through sandy sediments. The mechanistic model contained transport processes which were implemented using the advective dispersive equation. An additional straining process was added using non-linear rate law. The biological processes of decay, respiration, attachment, and growth were expressed using linear rate laws. This mechanistic model was verified using data from fully water saturated, sediment packed lab-scale column experiments. Continuous injection of tracer, microspheres, and Enterococci (in water environments with and without dissolved oxygen and nutrients) was performed. The experiment was verified for three flow velocities (0.13, 0.08 and 0.02 cm/min), and the parameter values were compared for these flow velocities using dimensionless numbers. The linear rate coefficients were converted to a dimensionless form (Peclet and Damkoehler numbers respectively) to facilitate the comparison of processes across the various flow velocities. The results indicate that the processes of attachment and growth are flow dependent. Furthermore, in the presence of dissolved oxygen, attachment of bacteria to sediment was the most influential process. Sensitivity analysis showed that the parameters representing growth and respiration were influential, and care must be taken when using the results for field-scale experiments or models. These processes and parameters add new knowledge on the impact of urban wastewater reuse on the spread of pathogenic bacteria (especially resilient species like Enterococci), and emphasizes the importance of research in this area. Future work could focus on obtaining data from culture independent methods and extension of the model framework, and include (where necessary) non-linear rate laws. This will provide a critical pathway to developing a decision support framework for use by regulatory frameworks, policy makers, stakeholders, local and global environmental agencies, World Health Organization, or the United Nations.:List of Figures vii List of Tables xi List of Abbreviations xiii List of Symbols xv Summary xvii Zussamenfassung xix 1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Broad Scope. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Hypotheses and Research objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Outline of the work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 Concepts, terminologies, and methodology 7 2.1 Concepts and terminologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.2 The vadose zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.3 Porosity and pore models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.4 Darcy’s law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 Bacteria strain used and Processes Studied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1 Enterococcus faecalis JH2-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.2 Advection and Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.3 Straining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.4 Microbial Decay and Respiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.5 Microbial Attachment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.6 Microbial Growth. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.7 Dimensionless numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Experimental design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4 Model setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3 Reactive-transport modelling of Enterococcus faecalis JH2-2 passage through water saturated sediment columns. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.2.1 Experimental study. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.2.2 Modeling and data analysis procedure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3.1 Determination of hydraulic and non-reactive transport parameters (experiments E1 and E2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3.2 Determination of parameters related to the bacteria transport (E3 series) . . . 45 3.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.4.1 Physical processes (E1 and E2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.4.2 Biological Processes (E3 series) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.5 Conclusions and Outlook. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.6 Supplementary material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4 Determining the impact of flow velocities on reactive processes associated with Enterococcus faecalis JH2-2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.2 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.2.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.2.2 Model Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.3 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.3.1 Tracer and microsphere experiments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.3.2 Bacteria experiments - comparison of processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.4 Conclusions and Future work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.5 Supplementary material 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.6 Supplementary Material 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5 Synthesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.1 Discussion and conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.2 Critical review, pathways towards future work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Note on the commencement of the doctoral procedure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Übereinstimmungserklärung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 List of Publications and conference presentations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Acknowledgements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 / Der Agrarsektor ist einer der größten Verbraucher von Süßwasser. Angesichts der zunehmenden Wasserknappheit, der Verstädterung, der Überbevölkerung und des Klimawandels könnten die von der Landwirtschaft genutzten Süßwasserressourcen besser genutzt werden, indem sie für Trinkwasserzwecke umgewidmet werden. In diesem Zusammenhang verwenden viele Länder aufbereitetes kommunales Abwasser für die Bewässerung, um dieses Problem zu lösen. Dies ist zwar eine nachhaltige Praxis, aber die Wiederverwendung von kommunalem Abwasser könnte die Ausbreitung pathogener Bakterien (oder antibiotikaresistenter Bakterien) im Untergrund und damit im Grundwasser fördern. Da das Grundwasser eine der Hauptquellen für Trinkwasser ist, könnten diese Schadstoffe eine Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellen. Darüber hinaus ist es ein Gebot der Stunde, wissenschaftliche Daten über neu auftretende Verunreinigungen bei der Wasserwiederverwendung zu gewinnen. Ziel dieser Arbeit ist es, ein mechanistisches Modell zu erstellen, das bei der Entwicklung groß angelegter Risikobewertungsmodelle behilflich sein kann und somit die Aufstellung von Vorschriften für die Wiederverwendung von Wasser für die relevanten pathogenen Organismen erleichtert. In der vorliegenden Studie wurden prozessbasierte Modelle entwickelt und anhand von Ergebnissen im Labormaßstab bewertet. Anschließend werden die relativen Zeitskalen der Prozesse verglichen und die relative Bedeutung der verschiedenen Prozessstudien bewertet. Bei der Bewertung der Zeitskalen der Prozesse wird berücksichtigt, dass Prozesse mit relativ schnellen Zeitskalen durch Gleichgewichtsmodelle angenähert werden können, relativ langsame Prozesse können vernachlässigt werden, und nur die ratenbegrenzenden Prozesse dürfen in der weiteren Modellentwicklung weder vernachlässigt noch vereinfacht werden. Daher kann eine Vorstellung von den ratenbegrenzenden Prozessen, die im Labormaßstab bewertet werden, als wichtiges Instrument zur Vereinfachung des Modells bei der Bewertung von Modellen in größerem Maßstab dienen. Ein kombinierter experimenteller und modellierender Ansatz wurde verwendet, um relevante Transport- und reaktive Prozesse während des Bakterientransports durch sandige Sedimente zu untersuchen. Das mechanistische Modell enthielt Transportprozesse, die mit Hilfe der Advektions-Dispersions-Gleichung implementiert wurden. Ein zusätzlicher Filtrationsprozess ('straining') wurde mit Hilfe nichtlinearer Ratengesetze hinzugefügt. Die biologischen Prozesse des Zerfalls, der Atmung, der Anhaftung und des Wachstums wurden durch lineare Ratengesetze ausgedrückt. Dieses mechanistische Modell wurde anhand von Daten aus vollständig wassergesättigten, sedimentgefüllten Säulenexperimenten im Labormaßstab verifiziert. Kontinuierliche Injektion von Tracer, Mikrosphären und Enterokokken (in Wasserumgebungen mit und ohne gelösten Sauerstoff und Nährstoffe) wurde durchgeführt. Das Experiment wurde für drei Strömungsgeschwindigkeiten (0,13, 0,08 und 0,02 cm/min) verifiziert, und die Parameterwerte wurden für diese Strömungsgeschwindigkeiten anhand dimensionsloser Zahlen verglichen. Die linearen Ratengesetze wurden in eine dimensionslose Form umgewandelt (Peclet- bzw. Damköhler-Zahlen), um den Vergleich der Prozesse bei den verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten zu erleichtern. Die Konzentrationen wurden in regelmäßigen Abständen sowohl am Einlass als auch am Auslass der Kolonnen gemessen. Die überprüften Prozesse waren Advektion, Dispersion, Filtration, Zerfall, Atmung, Wachstum und Anhaftung. Der Versuch wurde für drei Strömungsgeschwindigkeiten (0,13, 0,08 und 0,02 cm/min) wiederholt, und die verifizierten Parameterwerte wurden für diese Strömungsgeschwindigkeiten verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Prozesse der Anhaftung und des Wachstums strömungsabhängig sind. Darüber hinaus war bei Vorhandensein von gelöstem Sauerstoff die Anhaftung der Bakterien an das Sediment der einflussreichste Prozess. Die Sensitivitätsanalyse zeigte, dass die Parameter, die das Wachstum und die Atmung repräsentieren, einflussreich sind, so dass bei der Verwendung der Ergebnisse für Experimente oder Modelle im Feldmaßstab Vorsicht geboten ist. Diese Prozesse und Parameter liefern neue Erkenntnisse über die Auswirkungen der Wiederverwendung von kommunalem Abwasser auf die Ausbreitung pathogener Bakterien (insbesondere widerstandsfähiger Arten wie Enterokokken) und unterstreichen die Bedeutung der Forschung in diesem Bereich. Zukünftige Arbeiten könnten sich auf die Gewinnung von Daten aus kulturunabhängigen Methoden und die Erweiterung des Modellrahmens konzentrieren und (wo nötig) nichtlineare Parameter einbeziehen. Dies wird einen entscheidenden Weg zur Entwicklung eines Rahmens für die Entscheidungsfindung darstellen, der von Regulierungsbehörden, politischen Entscheidungsträgern, Interessengruppen sowie lokalen und globalen Umweltbehörden, der Weltgesundheitsorganisation oder den Vereinten Nationen genutzt werden kann.:List of Figures vii List of Tables xi List of Abbreviations xiii List of Symbols xv Summary xvii Zussamenfassung xix 1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Broad Scope. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Hypotheses and Research objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Outline of the work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 Concepts, terminologies, and methodology 7 2.1 Concepts and terminologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.2 The vadose zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.3 Porosity and pore models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.4 Darcy’s law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 Bacteria strain used and Processes Studied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1 Enterococcus faecalis JH2-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.2 Advection and Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.3 Straining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.4 Microbial Decay and Respiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.5 Microbial Attachment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.6 Microbial Growth. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.7 Dimensionless numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Experimental design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4 Model setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3 Reactive-transport modelling of Enterococcus faecalis JH2-2 passage through water saturated sediment columns. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.2.1 Experimental study. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.2.2 Modeling and data analysis procedure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3.1 Determination of hydraulic and non-reactive transport parameters (experiments E1 and E2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3.2 Determination of parameters related to the bacteria transport (E3 series) . . . 45 3.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.4.1 Physical processes (E1 and E2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.4.2 Biological Processes (E3 series) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.5 Conclusions and Outlook. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.6 Supplementary material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4 Determining the impact of flow velocities on reactive processes associated with Enterococcus faecalis JH2-2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.2 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.2.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.2.2 Model Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.3 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.3.1 Tracer and microsphere experiments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.3.2 Bacteria experiments - comparison of processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.4 Conclusions and Future work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.5 Supplementary material 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.6 Supplementary Material 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5 Synthesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.1 Discussion and conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.2 Critical review, pathways towards future work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Note on the commencement of the doctoral procedure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Übereinstimmungserklärung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 List of Publications and conference presentations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Acknowledgements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115