Das entwickelte Verfahrenskonzept stellt eine abfallarme Sanierungsmethode zur simultanen Behandlung schwermetallkontaminierter und organisch belasteter Böden dar. Die vom Boden abgetrennten Schadstoffe - Schwermetalle und Organika - werden in den entsprechenden Phasen der Mikroemulsion solubilisiert. Die entwickelte Formulierung der Mikroemulsion ist dadurch charakterisiert, insbesondere polare Schadstoffe respektive Schwermetalle aus kontaminierten Bodenmaterialien zu extrahieren. Der Einsatz der entwickelten bikontinuierlichen Mikroemulsion bewirkt bereits im ersten Extraktionsschritt die nahezu vollständige Entfernung sowohl der Schwermetalle als auch der organischen Schadstoffe. Durch eine mehrstufige Extraktion ist es möglich, auch hochkontaminierte Materialien einschließlich der Feinkornfraktionen zu reinigen und somit die Menge des zu deponierenden Bodenmaterials deutlich zu reduzieren.

Die Arbeit entwickelt eine Methodik zur Gefährdungsprognose der Kippenumgegend durch stark mineralisierte, saure Kippengrundwässer. Für die Standorte Espenhain und Jänschwalde wurden Feld- und Laboruntersuchungen sowie Simulationen zur Wiederaufsättigung und zum reaktiven Stofftransport durchgeführt. Die geochemische Vorfeldbilanzierung ist ein wesentliches Werkzeug zum Verständnis der sich entwickelnden Kippenwasserbeschaffenheiten. Die Felduntersuchungen auf der Kippe Espenhain zeigen im Liegenden der Verwitterungszonen den Ablauf reduktiver Prozesse, verkoppelt mit der Umsetzung tertiärer organischer Substanz. Deren lokal nachgewiesene Abfolge bis zur Sulfatreduktion ist ein nachhaltiger Selbsthilfemechanismus bezüglich der durch Verwitterung freigesetzten Acidität und Metalle. Die weitere Untersuchung der Redoxsequenz und ihrer technischen Beeinflussbarkeit ist geboten. Innerhalb der Arbeit wird das reaktive Stofftransportprogramm PCGEOFIM verifiziert und für beide Standorte angewendet.

Es wurde die sorptive Bindung von in Wasser gelösten Schadstoffen an der Oberfläche von cellulose- und stärkehaltigen Naturstoffen untersucht. In einem umfangreichen Screening wurde die Aufnahme von Schwermetallionen durch Ionenaustausch sowie von organischen Verbindungen durch Adsorption nachgewiesen. Die mathematische Beschreibung der Sorptionsvorgänge erfolgte durch Langmuir- und Freundlich-Isothermen. Durch chemische Modifikationen der Cellulosematrix wurde eine weitere Steigerung der Sorptionskapazitäten angestrebt. Der Einbau von phosphorhaltigen funktionellen Gruppen in verschiedene cellulosebasierte Naturstoffe erbrachte eine deutliche Erhöhung der Schwermetallbeladungen. Die Praxistauglichkeit der Sorbentien wurde in Durchbruchsversuchen mit synthetischen und realen Abwässern nachgewiesen, wobei sowohl native als auch chemisch modifizierte Stoffe einzeln und in Kombinationen zum Einsatz kamen.

Die Arbeit befasst sich mit der Anwendung der dielektrischen Erwärmung mittels Radiowellen auf unterschiedlichen Gebieten der Umwelttechnik. Im Mittelpunkt stehen die Aufheizung von Schüttbetten aus Adsorbenzien und Katalysatoren sowie die thermisch unterstützte Reinigung kontaminierter Böden und Feststoffe, insbesondere unter dem Gesichtspunkt des Einsatzes bei in-situ-Sanierungsvorhaben. Aus stofflicher Sicht wurde die Erwärmung technisch relevanter Feststoffe wie Aktivkohlen, Molekularsieben (Zeolithen) und anderer Katalysatoren ebenso wie die Behandlung von Modellböden und realen Bodenproben untersucht. Die durchgeführten physikalisch-chemischen Grundlagenuntersuchungen bezogen sich vor allem auf die Fragen, inwiefern sich die Radiowellen-Erwärmung von konventionellen Heizmethoden unterscheidet, ob und unter welchen Bedingungen eine selektive Erwärmung einzelner Feststoffkomponenten (z.B. Katalysatorkomponenten oder Partikel) möglich ist und welchen Einfluss der Wassergehalt und die Temperatur auf den Energieeintrag, den Schadstofftransport sowie den Prozess der Schadstoffdesorption besitzen. Der verfahrenstechnische Aspekt der Arbeit umfasst die Entwicklung der Methode der Radiowellen-Erwärmung vom Labor- bis in den Feldmaßstab, die Entwicklung und den Test eines praxistauglichen und automatisierten Systems zur Feststofferwärmung, die simultane Anwendung mehrerer Frequenzen elektromagnetischer Felder zur optimierten Erwärmung mit größerer Temperaturhomogenität, die Erprobung unterschiedlicher Elektrodengeometrien sowie die Durchführung von Sanierungsvorhaben mit Modellcharakter.

In der Habilitationsschrift sind die Ergebnisse einer über 20-jährigen Entwicklungstätigkeit zusammengefasst, die zum Deponie- und Haldenwasserhaushaltmodell BOWAHALD geführt haben. Beim Modell BOWAHALD handelt es sich um ein anwendungsorientiertes Mehrschichtenboxmodell, das die wesentlichen in Oberflächensicherungen ablaufenden hydrologischen Prozesse quantifiziert. Die Hauptanwendungsbereiche des Modells BOWAHALD sind Wasserhaushaltsuntersuchungen zum Istzustand einer Halde bzw. Deponie, Planungsszenarien in Bezug auf die wasserhaushaltliche Optimierung einer Oberflächensicherung, Sickerwasserprognosen von Halden-/Deponieflaechen, Beurteilung der Chancen für eine ausreichende Vegetationsentwicklung sowie eine qualitative Einschätzung der Langzeitbeständigkeit vorhandener bzw. zu planender Sicherungsmaßnahmen. Mit dem Modell BOWAHALD liegt ein hierfür praktikables Instrumentarium vor, das den Nutzer in die Lage versetzt, mit vertretbarem Aufwand bezüglich Daten- und Parameterhandling anwendungsorientierte Lösungen zu erarbeiten. Zahlreiche Modellanwendungen für die verschiedensten wasserhaushaltlichen Problemstellungen, die mit Oberflächensicherungen im Zusammenhang stehen, belegen dies und sind mit Sicherheit ein wesentlicher Grund dafür, dass das Modell BOWAHALD insbesondere in Sachsen eine weite Verbreitung und Anerkennung gefunden hat.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchungen zur Trockenentschwefelung von Brenngasen durch Partialoxidation von H2S an Herdofenkoks. Hierzu wurden Versuche in der Technikumsanlage VTE 2004 mit einem simulierten PHTW Gas durchgeführt. Es zeigte sich, dass der COS-Abbau nicht wie bisher angenommen durch die COS-Partialoxidation sondern durch die COS-Hydrolyse erfolgt. Die COS-Hydrolyse gewinnt dabei mit abnehmender Raumbelastung an Bedeutung. Der Entschwefelungsgrad erhöht sich mit steigendem Sauerstofffaktor und abnehmender Raumbelastung. Sauerstofffaktoren >4 sind aufgrund des vollständigen H2S-Umsatzes und der nicht ablaufenden COS-Partialoxidation nicht sinnvoll. Die Gewinnung des abgeschiedenen Schwefels auf dem Herdofenkoks konnte nachgewiesen werden. Abschließende Berechnungen ergaben, dass sich mit den erreichten Schwefelkonzentrationen im Reingas das Verfahren im aktuellen Entwicklungsstand für die Vorentschwefelung im IGCC-Kraftwerk eignet.

Für zwei ausgewählte sächsische Betriebe wurden quantitative Risikoanalysen auf der Grundlage der vorliegenden Sicherheitsberichte mit einem von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) entwickelten Verfahren erstellt. Nach der Darstellung von bekannten Verfahren zur Durchführung von Risikoanalysen wird die daraus abgeleitete Methodik unter Berücksichtigung der Randbedingungen in Deutschland erläutert. Nach der Beschreibung der Modelle für die Auswirkungsbetrachtungen werden die möglichen Ansätze für die Bewertung der Auswirkungen von Stoff- und Energiefreisetzungen diskutiert. Ein wesentlicher Teil der Risikoanalyse umfasst die Berechnung der Eintrittshäufigkeiten der Szenarien. Hierfür sind Angaben über die Ausfallhäufigkeit von Anlagenteilen, insbesondere von Störfall verhindernden und -begrenzenden Einrichtungen erforderlich. Ausführlich werden die in der Literatur gefundenen Angaben miteinander verglichen und ein einheitlicher Datensatz für die Berechnungen zusammengestellt.

Dem Boden als C-Speicher wird im Rahmen der Diskussion zum Klimawandel seit einigen Jahren verstärkte Aufmerksamkeit gewidmet. Dies erfolgt einerseits im Hinblick auf seine Funktion zur Akkumulation von Kohlenstoff und Stickstoff und der damit verbundenen Verbesserung der Bilanzen klimarelevanter Spurengase. Andererseits kommt der organischen Substanz eine zentrale Rolle bei der Aufrechterhaltung wichtiger biologisch-physikalischer Bodenfunktionen und als Nährstoffspeicher zu. In dieser Studie wurden die für Sachsen zu erwartenden Auswirkungen des Klimawandels auf die Corg- und Nt-Gehalte des Bodens sowie potenzielle Möglichkeiten der Gegensteuerung durch landwirtschaftliche Bewirtschaftungs- und Nutzungsänderungen untersucht. Die Betrachtungen umfassen D-, Lö- und V-Standorte und beziehen sich auf den Zeitraum 2000 bis 2050.

Die Studie ermittelt den betriebswirtschaftlichen Kostendeckungsgrad bei 194 sächsischen Wasserver- und Abwasserentsorgern. Der Kostendeckungsgrad liegt bei den Wasserversorgungsleistungen bei 99 Prozent und bei den Abwasserentsorgungsleistungen bei 95 Prozent für Teil- bzw. bei 98 Prozent für Vollentsorgung. Damit hat der Freistaat Sachsen bei der Umsetzung des Grundsatzes der Kostendeckung nach Artikel 9 der EG-WRRL einen guten Stand erreicht. Nach der Studie können in Sachsen allerdings künftig Probleme bei der Beibehaltung dieser Kostendeckungsgrade auftreten. Ursachen sind die demografische Entwicklung, die Entwicklung der Rohstoffpreise, die prognostizierte Klimaentwicklung und höhere Anforderungen an den Reinheitsgrad. Um den erreichten Stand halten zu können, ist eine regelmäßige Überwachung der Kostendeckungsgrade erforderlich. Die Studie enthält Vorschläge zur Erhaltung bzw. Verbesserung der Kostendeckung.

Ein mobiler Aerosolstandard für ultrafeine Partikel wurde als neue Möglichkeit zur Qualitätskontrolle für innovative Umweltmessungen in Luftgütemessnetzen entwickelt. Die Bestimmung der Anzahl ultrafeiner Partikel in Ergänzung zur Überwachung von Feinstaub PM10 oder PM2.5 eröffnet neue Möglichkeiten, die Luftqualität zukünftig besser beurteilen zu können. Ultrafeine Partikel sind ein zweckmäßiger Indikator, um z. B. die positive Wirkung einer Umweltzone in Luftreinhalteplänen nachzuweisen.