To mitigate microbial activity in swimming pools and to assure hygienic safety for bathers, pool systems have a re-circulating water system ensuring continuous water treatment and disinfection by chlorination. A major drawback associated with the use of chlorine as disinfectant is its potential to react with organic matter (OM) present in pool water to form potentially harmful disinfection by-products (DBP). In this thesis, the treatment performance of different combinations of conventional and novel treatment processes was compared using a pilot scale swimming pool model that was operated under reproducible and fully controlled conditions. The quality of the pool water was determined in means of volatile DBPs and the concentration and composition of dissolved organic carbon (DOC). Further, overall apparent reaction rates for the removal of monochloramine (MCA), a DBP found in pool water, in granular activated carbon (GAC) beds were determined using a fixed-bed reactor system operated under conditions typical for swimming pool water treatment. The reaction rates as well as the type of reaction products formed were correlated with physico-chemical properties of the tested GACs.

The elimination of natural organic matter (NOM) is an important aim of water treatment in demineralisation plants of power stations. NOM is regarded as corrosion risk factor in the steam water cycle because of its potential to decompose into low-molecular-weight (LMW) acids and carbon dioxide. Further, the removal of NOM is also one of the main objectives in the drinking water production, since it can cause i) colour, taste and odour problems, ii) formation of carcinogen halogenated disinfection by-products (DBPs) after disinfection with chlorine and iii) bacterial growth in the water distribution system. In earlier studies, it was found that anion exchange is a successful method to remove NOM fractions. However, NOM fractions with low charge density (LMW neutrals and hydrophobic organic carbon (HOC)) and/or large molecular size (biopolymers and particulate organic carbon (POC)) could not be removed in some cases in satisfying quantities. The aim of the present work was to investigate the uptake performance of different anion exchange resins (AERs) in regard to problematic NOM fractions. The AERs differ especially in their functional groups (tertiary versus quaternary amines) and matrix material (polystyrene versus polyacrylic resins). The use of different AERs provides an option to identify possible interactions between adsorbate (NOM fractions) and adsorber (AERs) as well as the mechanism which determine the removal efficiency. The NOM fraction adsorption onto AERs was studied in equilibrium and fixed-bed experiments with three types of starch with different molecular size distributions (model substances for biopolymer fraction) as well as 2-naphthol (model substance for the LMW neutral fraction) at acidic pH (relevant for water in demineralisation plants of power stations) and neutral pH (covering most raw waters). Furthermore, the NOM fraction uptake from “real” acidic and neutral water samples, obtained from a demineralisation plant of a power station, was estimated for different AERs. Results were discussed in terms of size-exclusion, anion exchange and hydrophilic/hydrophobic repulsion. In case that size-exclusion influences the NOM uptake onto AERs, it was found that the smaller the size of the NOM molecules and the higher the water content of the AERs, the more effective the uptake is. Thus, for the removal of biopolymers and POC, polyacrylic resins with high water content could be a good choice. Contrary, polystyrene AERs are the most effective resins in the removal of NOM fractions, if no size-exclusion occurs. They seem to be able to uptake more hydrophilic NOM fractions by polar/ionic interactions between acids/acidic components and tertiary/quaternary amines as well as to remove more hydrophobic NOM fractions by π-π stacking and/or hydrophobic interactions on the polystyrene matrix. Further, it was found that the higher the total volume (anion exchange) capacity of an AER, the higher its NOM removal by polar/ionic interactions can be. At acidic pH, weak/medium base AERs have higher total volume (anion exchange) capacities than strong base AERs, whereas, at neutral pH, strong base AERs have the highest ones. In view of these results, the application of polyacrylic AERs with high water content can be recommended to remove NOM components with large molecular size in demineralisation and drinking water plants. If there is a higher amount of smaller NOM fractions, especially LMW neutrals, than polystyrene weak/medium base AERs should be favoured in demineralisation plants and polystyrene strong base AERs in drinking water treatment plants. From the engineering point of view, breakthrough curve (BTC) prediction models are important for the design of fixed-bed filter. Therefore, two different BTC model approaches were tested in the present study to describe the single-solute adsorption onto AERs: i) the homogenous surface diffusion model (HSDM) with linear driving force (LDF) approach for surface diffusion, known from activated carbon adsorption, and ii) the Glueckauf/Helfferich formulae as an extension of the height equivalent to a theoretical plate (HETP) model, initially used to describe ion exchange processes. It was found that the Glueckauf/Helfferich approach is not only a suitable tool for the fast calculation of BTCs for ionic components, but it can also successfully be applied, after considering the Freundlich model for the mass balance, for the rapid prediction of BTCs for single-solute organic molecules. For competitive BTC predictions, the ideal adsorbed solution theory (IAST) within the LDF model was applied. All calculated BTCs fit the experimental data in a good manner. Thus, the investigated BTC models can be applied for estimating the breakthrough bed volumes of different AERs to avoid leakage of NOM in the drinking or demineralised water caused by overloading. / Die Entfernung von natürlichen organischen Substanzen (NOM) ist ein wichtiges Ziel für die Herstellung von Reinstwasser im Kraftwerksbetrieb, da diese sich im Wasser/Dampf-Kreislauf zu niedermolekularen Säuren und Kohlenstoffdioxid zersetzen können und so ein potentielles Korrosionsrisiko darstellen. Außerdem ist die Elimination von natürlichen organischen Substanzen einer der Schwerpunkte in der Trinkwasseraufbereitung, da NOM im Trinkwasser folgende Konsequenzen verursachen können i) Farb-, Geschmacks- und Geruchsprobleme, ii) Bildung von kanzerogen halogenierten Desinfektionsnebenprodukten nach der Desinfektion mit Chlor und iii) Bakterienwachstum im Wasserverteilungssystem. In früheren Untersuchungen wurde festgestellt, dass Anionenaustauscherharze (AERs) die NOM-Fraktionen in der Regel erfolgreich aufnehmen können. Nur NOM-Fraktionen mit geringer Ladungsdichte (niedermolekulare Neutralstoffe und hydrophober organischer Kohlenstoff) und/oder großer Molekülgröße (Biopolymere und partikulärer organischer Kohlenstoff) können unter bestimmten Bedingungen nicht in zufriedenstellender Menge entfernt werden. Ziel dieser Arbeit war es, das Aufnahmeverhalten unterschiedlicher AERs hinsichtlich problematischer NOM-Fraktionen zu untersuchen. Die AERs unterscheiden sich vor allem in ihren funktionellen Gruppen (tertiäre versus quaternäre Amine) und ihrer Matrix (Polystyren- versus Polyacryl-Harze). Die Verwendung unterschiedlicher AERs erlaubt es, mögliche Wechselwirkungen zwischen Adsorbat (NOM-Fraktionen) und Adsorber (AERs) und die Mechanismen, die die NOM-Aufnahme entscheidend bestimmen, zu identifizieren. Die Entfernung von NOM-Fraktionen durch AERs wurde in Gleichgewichts- und Festbett-versuchen mittels dreier Stärketypen mit unterschiedlicher Molekülgrößenverteilung (Modellsubstanzen für die Biopolymere) und 2-Naphthol (Modellsubstanz für die Neutralstoffe) unter sauren pH-Bedingungen (relevant für die Herstellung von Reinstwasser im Kraftwerksbetrieb) und neutralen pH-Bedingungen (bedeutsam für die meisten Rohwässer) untersucht. Außerdem sollte das Adsorptionsverhalten von AERs bezüglich verschiedener NOM-Fraktionen unter Einsatz von „real“ neutralen und sauren Wasserproben aus einer Wasseraufbereitungsanlage eines Kraftwerksbetriebes eingeschätzt werden. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass falls Größenausschluss die NOM-Aufnahme von AERs beeinflusst, dann ist die Adsorption der NOM-Fraktionen umso größer, je kleiner die NOM-Moleküle sind und je höher der Wassergehalt der AERs ist. Daher kann für die Entfernung von größeren Biopolymeren, der Einsatz von AERs mit Polyacryl-Matrix und hohem Wassergehalt die beste Option sein. AERs mit Polystyren-Matrix besitzen die höchste Aufnahmekapazität für NOM-Fraktionen, falls kein Größenausschluss auftritt. Es scheint für sie möglich zu sein, sowohl hydrophile NOM-Fraktionen durch polare/ionische Wechselwirkungen zwischen NOM Säuren/sauren Komponenten und tertiären/quaternären Aminen aufzunehmen als auch hydrophobe NOM-Fraktionen durch π-π Anziehungen und/oder hydrophobe Interaktionen an die Polystyren-Matrix zu binden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass je höher die Gesamtvolumenkapazität eines AERs, desto größer ist die NOM-Entfernung auf Grund von polaren/ionischen Wechselwirkungen. Es gilt, dass schwach/mittel basische AERs im Vergleich zu stark basischen AERs höhere Gesamtvolumenkapazitäten unter sauren pH-Bedingungen besitzen und stark basische AERs die höchsten Gesamtvolumenkapazitäten unter neutralen pH-Bedingungen aufweisen. Auf Grund dieser Ergebnisse ist es möglich, die Verwendung von AERs mit Polyacryl-Matrix und hohem Wassergehalt für die Entfernung von NOM-Fraktionen mit großer Molekülgröße in Reinst- und Trinkwasseraufbereitungsanlagen zu empfehlen. Falls es einen höheren Anteil von kleineren NOM-Fraktionen, im Besonderen Neutralstoffen, gibt, sollte die Verwendung von schwach/mittel basischen AERs in Vollentsalzungsanlagen von Kraft-werksbetrieben und stark basischen AERs in Trinkwasseraufbereitungsanlagen bevorzugt werden. Vor allem im Hinblick auf technische Anwendungen ist es wichtig, Durchbruchskurven (BTC) vorausberechnen zu können. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Modellansätze für die Berechnung von BTCs für die Einkomponentenadsorption getestet: i) das homogene Oberflächendiffusionsmodell mit linearer Triebkraft (LDF), bekannt aus Untersuchungen zur Aufnahme von NOM an Aktivkohle, und ii) die Glueckauf/Helfferich-Formeln, primär verwendet für die Beschreibung von Ionenaustauschprozessen. Es konnte gezeigt werden, dass das Glueckauf/Helfferich-Verfahren nicht nur ein geeignetes Instrument für die schnelle Berechnung von BTCs für ionische Komponenten ist, sondern dass dieses, nach Berücksichtigung des Freundlich-Ansatzes in der Massenbilanz, auch erfolgreich angewendet werden kann, um BTCs für Einkomponentenadsorption von Organika zu berechnen. Für die Vorausberechnung von BTCs für Mehrkomponentensysteme wurde die Theorie der idealen adsorbierten Lösung im LDF-Modell genutzt. Die berechneten BTCs stimmen in guter Qualität mit den experimentell ermittelten BTCs überein. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die untersuchten BTC-Modelle eingesetzt werden können, um Durchbruchspunkte für die jeweiligen AERs zu bestimmen und damit die Gefahr des Schlupfes von NOM ins Trink- bzw. Reinstwasser zu minimieren.

Die bisherigen Untersuchungen zu den Folgen extremer Hochwasserereignisse beschäftigten sich überwiegend mit den durch hohe Wasserstände und Fließgeschwindigkeiten verursachten direkten und tangiblen Schäden an Gebäuden und Infrastrukturen. Den durch schadstoffhaltiges Hochwasser hervorgerufenen direkten und indirekten sowie in der Regel intangiblen Konsequenzen für Mensch und Umwelt ist - insbesondere im Hinblick auf deren räumliche Verteilung - im Rahmen des Hochwasserrisikomanagements nur geringe Aufmerksamkeit gewidmet worden. Während Hochwasserereignissen können toxische Stoffe - wie beispielsweise Arsen, Blei, Cadmium oder Quecksilber sowie persistente organische Kontaminanten wie DDT oder HCH - aus belasteten Gewässer- und Ufersedimenten sowie Altstandorten und Altablagerungen freigesetzt werden. Diese Stoffe werden von der Hochwasserwelle aufgenommen, zum überwiegenden Teil partikulär gebunden transportiert und bei nachlassender Fließgeschwindigkeit und ablaufendem Hochwasser als Sedimente in den Überflutungsbereichen deponiert. In Abhängigkeit von der Nutzung der überschwemmten Gebiete sind nach einem Hochwasser unterschiedliche Rezeptoren den abgelagerten Sedimenten und darin enthaltenen Schadstoffen in der Regel langfristig ausgesetzt. Mögliche Rezeptoren sind zum Beispiel Menschen, Nutz- und Wildtiere, Futter- und Nahrungspflanzen sowie Böden mit ihren spezifischen Bodenfunktionen. Kern dieser Arbeit ist die Entwicklung einer räumlich differenzierten Methodik zur integrierten Analyse und Bewertung von stofflichen Hochwasserrisiken. Um deren Anwendbarkeit zu überprüfen, wird die entwickelte Methodik im Rahmen einer Fallstudie an Überflutungsbereichen entlang des Unterlaufes der Vereinigten Mulde zwischen Bitterfeld und Priorau erprobt, wobei der Fokus auf dem Rezeptor Mensch liegt. Die Methodik basiert auf der Integration von Verfahren der Hochwasserrisikoanalyse und der Schadstoffrisikoanalyse. Diese werden unter Verwendung eines angepassten Source-Pathway-Receptor-Consequence-Konzeptes kombiniert. Die Methodik besteht aus drei größeren Hauptelementen: (1.) der Gefahrenanalyse, (2.) der Expositionsanalyse und (3.) der Schadstoffrisikocharakterisierung und -bewertung. Die Gefahrenanalyse beschreibt die Freisetzung, den Transport und die Ablagerung der Stoffe in Abhängigkeit von der Hochwassercharakteristik, den Substanzeigenschaften sowie den Verteilungsprozessen nach der Ablagerung, beispielsweise dem Transfer vom Boden in die Pflanze. Ergebnisse der Gefahrenanalyse sind Karten der Schadstoffquellen in Form räumlich verteilter Stoffkonzentrationen in Umweltmedien wie Böden und Pflanzen. Die Expositionsanalyse stellt die Verbindung zwischen den Schadstoffquellen und den Rezeptoren her. Bindeglied sind Expositionspfade, beispielsweise die orale Aufnahme von kontaminiertem Boden oder der Verzehr von Pflanzen, die auf belasteten Böden angebaut werden. Teil der Expositionsanalyse ist eine so genannte Rezeptoranalyse, die - aus Landnutzungstypen abgeleitet - Vorkommen bestimmter Rezeptoren identifiziert und diese charakterisiert. Dabei bezieht die Rezeptoranalyse sowohl die räumliche Verteilung der Rezeptoren als auch deren Eigenschaften ein. Für den Rezeptor Mensch sind dies etwa physiologische Parameter wie Körpergewicht oder Atemrate sowie verhaltensbezogene Parameter wie Zeit-Aktivitätsbudgets oder Nahrungsaufnahmeraten. Daran anschließend wird mit der Expositionsanalyse im engeren Sinne die Exposition der Rezeptoren gegenüber bestimmten Stoffen quantifiziert, indem Transfer- und Aufnahmeraten von Expositionsmedien wie Boden, Nahrung oder Luft ermittelt und mit den darin enthaltenen Stoffkonzentrationen in Beziehung gesetzt werden. Ergebnis der Expositionsanalyse sind räumlich explizite Darstellungen der inneren Exposition, d.h. täglich aufgenommener resorbierter Schadstoffmengen. Darauf folgend werden im Zuge der Risikocharakterisierung die Effekte der Exposition mit Hilfe von Dosis-Wirkungsbeziehungen analysiert, die dann in Form von toxikologisch begründeten Referenzwerten als Basis für die finale stoffbezogene Risikobewertung dienen. Diese erfolgt durch Vergleich der inneren Exposition mit toxikologischen Referenzwerten in Form von tolerablen Aufnahmeraten. Die gesundheitlichen Risiken werden durch den Quotienten aus resorbierter Dosis und tolerabler Dosis beschrieben und als stoff- und pfadspezifischer Risikoindex flächenhaft dargestellt. Abschließend erfolgt eine Bewertung der Risiken mittels einer die Unsicherheiten der Referenzwerte berücksichtigenden Bewertungsfunktion. Die Methodik ist in Form eines GIS-basierten Rechenmodells umgesetzt und im Rahmen einer Fallstudie an der Vereinigten Mulde für verschiedene hydraulische Szenarien im Sinne simulierter Abflüsse verschiedener Jährlichkeiten - 100, 200 und 500 Jahre - erprobt worden. Als ausgewählte Ergebnisse liegen räumlich differenzierte Risikobewertungen für die Stoffe Arsen, Cadmium, Quecksilber und Blei unterschieden nach den Expositionsmedien Boden/Hausstaub, Luft sowie pflanzliche Nahrung vor. Exemplarisch seien hier ausgewählte Bewertungsergebnisse in Form des sogenannten Gefahrenwertes für ein HQ500-Szenario dargestellt: Durch die orale Aufnahme von Arsen über Boden/Hausstaub wird für den Rezeptor Kleinkinder räumlich begrenzt die Risikoschwelle überschritten, wobei die Handlungsschwelle nicht erreicht wird. Die Ergebnisse für Cadmium, Quecksilber und Blei liegen deutlich unter der Risikoschwelle. Ein ähnliches Bild zeigt sich für die Aufnahme über die Luft. Hier wird bei lebenslanger Exposition für Arsen die Risikoschwelle überschritten, für die anderen Stoffe werden Gefahrenwerte weit unter der Risikoschwelle ermittelt. Bezogen auf den Verzehr von Nahrungspflanzen aus Eigenanbau zeigen sich bei lebenslanger Exposition für Cadmium großräumig erhebliche Überschreitungen des Handlungsschwellenwertes. Für die anderen Stoffe finden sich nahezu flächendeckend Überschreitungen des Risikoschwellenwertes, die aber nicht an die Maßnahmenschwelle heranreichen. / Research on the consequences of flood events has so far focused on direct tangible damages to buildings and infrastructure caused by high water levels and flow velocities. In the context of flood risk management only little interest has been paid to direct and indirect as well as dominantly intangible consequences caused by flood pollutants to human and ecological receptors - especially taking their spatial distribution into account. During floods toxic substances such as trace elements (e.g. Arsenium, Cadmium, Mercury, Lead, Zinc) and persistent organic pollutants (e.g. HCHs, DDX) can be released from contaminated river bank sediments or former industrial sites. These substances are taken up by the flood water, get transported - mainly bound to fine particles - and get deposited as sediments in the floodplain in case of decreasing flow velocities. Depending on the land use in the floodplain, different receptors can be exposed to the sediments with the associated contaminants. Potential receptors are humans, livestock, wild animals, food and fodder plants as well as soils with their specific soil functions. The core of this thesis is the development of a spatially explicit methodology which enables the integrated analysis and evaluation of substance-based flood risks. To test the applicability, the developed methodology is applied within a case study dealing with floodplains along the lower reaches of the Vereinigte Mulde River situated between Bitterfeld and Priorau (Saxony-Anhalt, Germany). In this case study, the focus is on the receptor man or, more specifically, human health. The methodology is based on an integration of procedures from the fields of flood risk analysis and contaminant risk analysis. These procedures are integrated using an adopted Source-Pathway-Receptor-Consequence concept. The three main elements of the methodology are hazard analysis, exposure analysis and contaminant risk determination and evaluation. At first, the hazard analysis describes the release, transport and deposition of substances based on flood characteristics and substance properties as well as fate and transfer processes after sedimentation (e.g. soil-to-plant transfer). Results of the hazard analysis are maps of spatially distributed substance concentrations in environmental media such as soils and plants, i.e. the (secondary) contaminant sources. Within the exposure analysis the linkages between the contaminant sources and the receptors are described. Connecting elements are exposure pathways such as the ingestion of contaminated soil or the consumption of food produced on such soils. Part of the exposure analysis is a so-called receptor analysis which indicates and characterises potential human receptors that are derived from land-use types. The receptor analysis takes the receptors\' spatial distribution as well as certain properties into account. Taking the receptor human, these properties are physiological parameters such as body weight or respiration rate and behavioural parameters, e.g. activity budgets or food consumption patterns. Subsequently, with the exposure analysis in a narrower sense, the exposure of the receptors to a certain substance is quantified by calculating transfer and intake rates of exposure media such as soil, food or air taking into account the corresponding substance concentrations in these media. Results of the exposure analysis are spatially explicit representations of absorbed contaminant amounts for a certain receptor, i.e. daily resorbed exposure doses. In the course of the contaminant risk determination, the effects (consequences) of the receptors\' exposure are analysed by dose-response relationships, setting the basis for the final substance-based risk assessment in terms of toxicologically derived reference values. Health risks are expressed as ratio between calculated resorbed dose and tolerable resorbed dose and are presented as maps of substance- and pathway-specific risk indices. In a final step, an evaluation is carried out based on a method that takes the uncertainty of the toxicological reference values into account. The methodology has been implemented in a GIS-based calculation model and was applied within a case study to simulate floods with certain return periods (100, 200, and 500 years). Selected results are spatially differentiated risk evaluations for the substances arsenic, cadmium, mercury and lead distinguished based on the exposure media soil/house dust, air and home-grown vegetable food. Taking the 500-year flood-scenario and the risk evaluation value as an example, the following results have been derived: the oral intake of arsenic via soil/house dust leads to a spatially restricted exceedance of the risk level of the receptor infant, whereas the action level is not reached. The results of cadmium, mercury and lead are clearly below the risk level. A similiar pattern shows for the pulmonary intake via air. Based on lifetime exposure, the risk level for arsenic is exceeded, for all other substances the values are far below the risk level. Considering the intake of cadmium via consumption of home-grown vegetables, the action level is notably exceeded in large areas. The other substances show a nearly general exceedance of the risk level without reaching the action level.

Matter retention in streams and rivers is an ecosystem service of outstanding ecological as well as economic importance. Studying and monitoring instream nitrate dynamics is essential to reduce the tremendous consequences of eutrophication of freshwater systems and coastal zones. Moreover, the cycling of nitrate in lotic systems is a paradigm for the instream transport and transformation behavior of any other reactive substance subjected to human perturbation of its natural cycle. Identifying instream processes and drivers that dictate nitrate transport in rivers and quantifying the capacity of rivers to retain nitrate is therefore of scientific as well as political interest and was the motivation for this thesis. Even though understanding and monitoring of instream nitrate dynamics is advanced compared to most other emerging substances of concern (e.g. pharmaceuticals, synthetic and natural hormones), methodologies to directly assess nitrate dynamics are still limited, leaving a high degree of uncertainty to descriptive and predictive models. One major problem of common data acquisition is that the temporal and spatial variability of nitrate processing rates arising from the complex interactions of hydrological and biogeochemical drivers cannot be captured with traditional methods. For technical reasons, most studies have been conducted in small (and rather pristine) streams. Thus, particularly the functional behavior of larger rivers and anthropogenically modified systems is widely uncharacterized. In this work, two methodologies were developed which allow quantitatively assessing nitrate dynamics on two relevant scales: The reach scale (1), which is of particular interest for monitoring strategies and local hyporheic nutrient fluxes (2), with the hyporheic zone being a key compartment in instream solute cycling. In order to assess the seasonal fluctuation in nitrate dynamics (3), a primary demand on the methods was that they operate continuous or over longer time spans. On the reach scale, a combined two-station time-series and longitudinal profiling approach based on measurements from automated sensors, provided novel insights into seasonal variations of nitrogen processing and allowed quantitative comparison of the dynamics in a natural versus a heavily modified reach. Uptake was lower and the influence of season on uptake rates more marked in the modified reach. Continuous implementation of the proposed approach, fully covering the annual variations, can essentially improve existing monitoring practices by quantifying the effect of altered morphology and water chemistry on retention rates. Hyporheic passive flux meters are an efficient tool to quantify time integrative hyporheic nutrient fluxes. In combination with other measurements, the results from a field application unraveled an unexpected hyporheic source-sink behavior for nitrate at the study reach. Different to common observations, not the upper most layer of the hyporheic zone but the layer between 15 and 30 cm was most efficient in removing nitrate, assumedly because substrate limitation is irrelevant in agricultural (nutrient and DOC enriched) streams. Further, higher discharge did not increase hyporheic exchange, because the monotonous morphology and absence of bedforms reduced the usually dominating effect of increased drag resistance with higher flow. The studies presented here deliver empirical evidence that, on both investigated scales, anthropogenic modifications substantially impact instream nitrate dynamics. Alterations to channel morphology, riparian vegetation, hydrology and water quality change principal ecosystem functions relevant for solute retention in streams and rivers. The presented results show that anthropogenically modified systems may therefore behave unexpectedly if predictions are built on the driver-response correlations observed in natural systems. Worldwide a large proportion of rivers and streams are modified by humans. However, altered systems are not adequately represented in studies focusing on solute dynamics. Efficient management of such systems, including evaluation of measures to reduce the nitrogen burden on receiving water bodies, requires quantitative knowledge on instream processes and governing drivers. Continuous or time integrative observations are more representative for the solute cycling characteristics of a system than “snapshot”-like assessments. The new methodologies thereby also facilitate extrapolation of local measurements and linking the resulting data with catchment scale models. Overall synthesis of the presented results suggests that such measurements of nitrate dynamics in streams may be used as an indicator for the ecosystem integrity. / Der Rückhalt von Stoffen in Flüssen und Bächen ist eine Ökosystem-Dienstleistung von grösster ökologischer wie auch wirtschaftlicher Bedeutung. Um die negativen Auswirkungen durch Eutrophierung von Süsswasserkörpern und Küstengebieten zu reduzieren, ist es erforderlich, die Stickstoffdynamik in Fliessgewässern zu untersuchen und zu überwachen. Darüber hinaus, kann der Umsatz von Nitrat in lotischen Systemen als Paradigma für den Transport und die Transformation anderer reaktiver Substanzen von anthropogenem Ursprung gesehen werden. Die Prozesse zu identifizieren, die den Nitrattransport in Fliessgewässern und deren Kapazität Nitrat zurückzuhalten beeinflussen, ist somit von wissenschaftlichem wie auch von politischem Interesse und war die Motivation für diese Arbeit. Obwohl unser Wissen über das Verhalten von Nitrat in Fliessgewässern, im Vergleich zu vielen erst neuerdings an Bedeutung gewinnender Substanzen (z.B. Arzneimittelrückstände, synthetische und natürliche Hormone) fortgeschritten ist, fehlen Methoden um die Nitratdynamik im Fliessgewässer zu erfassen. Dadurch ist die Überwachung wie auch der Vorhersage des Nitratexports durch Fliessgewässer mit grossen Unsicherheiten behaftet. Ein Hauptproblem bei der Datenerfassung ist, dass die Umsatzraten von Nitrat aufgrund der komplexen Zusammenspiele von biogeochemischen wie auch hydrologischen Einflussfaktoren, sowohl räumlich wie auch zeitlich stark schwanken. Ausserdem wurden aus technischen Gründen die meisten Studien bislang in kleinen (und eher unberührten) Flüssen durchgeführt. Deshalb bestehen insbesondere über das Exportverhalten grosser und anthropogen veränderter Systeme grosse Unsicherheiten. In dieser Arbeit wurden zwei Methoden entwickelt, die es erlauben, die Nitratdynamiken auf zwei relevanten Grössenskalen zu erfassen: Einmal über eine Flussstrecke von einigen Kilometern und zum anderen lokal in der Hyporheischen Zone. Die erste Skala (Flusstrecke) ist insbesondere für die Entwicklung von Monitoring-Strategien wichtig. Die Hyporheische Zone ist als Schlüsselkompartiment für den Stoffumsatz in Fliessgewässern von Bedeutung. Da zeitliche (z.B. saisonale) Schwankungen im Nitratumsatz erfasst werden sollten, war eine primäre Herausforderung an die Methoden, dass sie für die kontinuierliche Aufzeichnung über länger Zeitspannen geeignet sind. Für die Fliessgewässerstrecke wurde eine Bilanzierung von Zeitreihen zwischen zwei Stationen mit Messungen über das Längsprofil kombiniert. Die Zeitreihen wurden mit automatisierten Sensoren aufgenommen. Der hier entwickelte Ansatz von Messung und Auswertung lieferte neue Erkenntnisse über die saisonale Variation des Stickstoffumsatzes und ermöglichte einen quantitativen Vergleich zwischen einem natürlichen und einem anthropogen überprägten Gewässerabschnitt. Der Nitratrückhalt im veränderten Abschnitt war niedriger und der Einfluss der Jahreszeit auf die Umsatzraten war stärker ausgeprägt. Eine dauerhafte Installierung des Messaufbaus, der die gesamten Jahresschwankungen abdeckt, könnte die existierenden Überwachungsverfahren erheblich verbessern, weil so der Effekt der Fliessgewässermorphologie und der Wasserchemie auf die Umsatzraten berücksichtigt werden können. Hyporheische Passive Flux Meter sind ein Instrument für die zeitlich gemittelte Quantifizierung von Nitratflüsse durch die Hyporheische Zone. In Kombination mit weiteren Messungen brachten die Ergebnisse einer Freilandmessung unerwartete Ergebnisse über die Entstehung und den Abbau von Nitrat in der Hyporheischen Zone des untersuchten Flusses zum Vorschau. Anders als üblicher Weise beobachtet, war der Abbau von Nitrat nicht in der obersten Schicht der Hyporheischen Zone, sondern in einer Tiefe von 15 bis 30 cm am effizientesten. Wahrscheinlich verhalten sich landwirtschaftlich beeinflusste Gewässer (die mit Nitrat und organischen Stoffen angereichert sind) diesbezüglich nicht laut Lehrbuchmeinung, weil es nicht zur Stofflimitierung in tieferen Schichten kommt. Ebenso unerwartet führten höhere Abflüsse nicht zu vermehrtem hyporheischen Austausch. Es zeigte sich, dass durch die Begradigung des Fliessgewässers, der normalerweise auftretende Austausch an Gewässerbettformen, der mit zunehmenden Abfluss steigt, nicht relevant ist. Die hier vorgestellten Studien liefern empirische Beweise, dass auf beiden untersuchten Skalen anthropogene Veränderungen die Nitratdynamik im Fliessgewässer erheblich beeinflussen. Eingriffe in die Morphologie, Ufervegetation, Hydrologie und Wasserqualität verändern wesentliche Ökosystem-Funktionen, die relevant für den Stoffrückhalt in Flüssen und Bächen sind. Die präsentierten Ergebnisse zeigen dass sich anthropogen veränderte Systeme überraschend verhalten, wenn Vorhersagen auf Aktio-Reaktio-Korrelationen getroffen werden, die aus Beobachtungen in natürlichen Systemen abgeleitet wurden. Weltweit ist ein grosser Anteil der Flüsse und Bäche durch Menschen verändert. Solche beeinträchtigten Fliessgewässer sind jedoch nicht angemessen in Studien über Stoffdynamiken vertreten untersuchen. Effizientes Management solcher Fliessgewässer, ebenso wie die Beurteilung von Massnahmen um die Nitratlast auf die empfangenden Fliessgewässer zu reduzieren, benötigen quantitative Aussagen über Prozesse und vorherrschende Auslöser. Kontinuierliche wie auch zeitlich integrierende Beobachtungen sind repräsentativer als Schnappschuss-Aufnahmen. Die neuen Methoden erleichtern damit auch die Übertragung lokaler Messungen und die Einbindung der gewonnenen Daten in Einzugsgebiet Modelle. Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen des Weiteren, dass die Nitratdynamik in einem Fliessgewässer als Indikator für die Intaktheit des Ökosystems verwendet werden kann.

Among all nanomaterials, which are intentionally manufactured and applied, nanosilver (nAg) is one of the most frequently applied nanomaterials. It is introduced into wastewater treatment plants (WWTPs) due to its use as antimicrobial resource in household and medical care products and hence concern raised regarding its impact on activated sludge organisms and their purification efficiency. Within this thesis, the effects of nAg on single species, simple food chains and communities related to activated sludge were investigated. Among all tested species in this thesis, the gammaproteobacteria R. planticola was the most sensitive organism regarding the tested nAg material, NM-300K. The environmental risk assessment (ERA), based on an assumed predicted environmental concentration derived from modeled concentrations of other types of nAg, revealed no risk for the activated sludge. This result should be interpreted with care, considering the tolerantly chosen safety factor for calculation of the predicted no effect concentration and the assumptions which were made concerning environmental concentrations. Differences in acute toxic effects of nAg on the ciliate P. tetraurelia were observed depending on the type of medium and the exposure pathway (via medium or via bacterial food). More detailed investigations are required to analyze the distribution, availability and uptake of nAg into ciliates in the respective tests. In chronic experiments concentration response was very steep in the range between the effect concentration determined in acute toxicity testing (resulting in 100% mortality) and a tenfold lower concentration (no effect observed) for both exposure pathways. Community experiments with activated sludge exposed to realistic and high concentrations of nAg revealed acute effects on the protozoan community at high nAg concentration using multivariate statistics for data analysis. In contrast, the sludge biotic index was not meaningful for data interpretation, as no differences were observed between the samples of different treatments. For chronic testing, more preliminary work is required to develop a protocol for artificial wastewater which serves the needs of activated sludge organisms over longer time periods and which retains a typical composition of the activated sludge community.

The transport of contaminants in groundwater system is strongly influenced by various aquifer heterogeneity factors such as spatial aquifer heterogeneity of hydraulic conductivity and reactive substances distribution. The contaminants transport can be simulated by using numerical reactive transport models, and their fate can be possibly even predicted. Furthermore, reactive transport modeling is an essential tool to get a profound understanding of hydrological-geochemical complex processes and to make plausible predictions of assessment. The goal of this work is to improve our understanding of the groundwater contaminants fate and transport processes in heterogeneous aquifer systems, with a focus on nitrate problems. A large body of knowledge of the fate and transport of nitrogen species has been achieved by previous works, however, most previous models typically neglect the interrelation of physical and chemical aquifer heterogeneities on the contaminant fate and redox transformation, which is required for predicting the movement and behavior of nitrate and quantifying the impact of uncertainty of numerical groundwater simulation, and which motivates this study. The main research questions which are answered in this work are how aquifer heterogeneity influences on the nitrate fate and transport and then, what is the most influential aquifer heterogeneity factor must be considered. Among the various type of aquifer heterogeneity, physical and chemical aquifer heterogeneities are considered. The first part of the work describes groundwater flow system and hydrochemical characteristics of the study area (Hessian Ried, Germany). Especially, data analyses are performed with the hydrochemical data to identify the major driving force for nitrate reduction in the study area. The second part of the work introduces a kinetic model describing nitrate removal by using numerical simulation. The resulting model reproduces nitrate reduction processes and captures the sequence of redox reactions. The third and fourth parts show the influence of physical and chemical aquifer heterogeneity with varying variance, correlation length scale, and anisotropy ratio. Heterogeneous aquifer systems are realized by using stochastic approach. Results, in short, show that the most influential aquifer heterogeneity factors could change over time. With abundant requisite electron donors, physical aquifer heterogeneity significantly influences the nitrate reduction while chemical aquifer heterogeneity plays a minor role. Increasing the spatial variability of the hydraulic conductivity increases the nitrate removal efficiency of the system in addition. If these conditions are reversed, nitrate removal efficiency varies by the spatial heterogeneity of the available initial electron donor. The results indicate that an appropriate characterization of the physical and chemical properties can be of significant importance to predict redox contamination transport and design long-term remediation strategies and risk assessment.