02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften

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Institute: search.filters.UBSInstitut.Fakultätsübergreifend / Sonstige EinrichtungEnd date: 2019

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    Sustainability assessment of fuel cell buses in public transport
    (2018) Lozanovski, Aleksandar; Whitehouse, Nicole; Ko, Nathanael; Whitehouse, Simon
    Hydrogen fuel cell (H2FC) buses operating in every day public transport services around Europe are assessed for their sustainability against environmental, economic and social criteria. As part of this assessment the buses are evaluated against diesel buses both in terms of sustainability and in terms of meeting real world requirements with respect to operational performance. The study concludes that H2FC buses meet operability and performance criteria and are sustainable environmentally when ‘green’ hydrogen is used. The economic sustainability of the buses, in terms of affordability, achieves parity with their fossil fuel equivalent by 2030 when the indirect costs to human health and climate change are included. Societal acceptance by those who worked with and used the buses supports the positive findings of earlier studies, although satisfactory operability and performance are shown to be essential to positive attitudes. Influential policy makers expressed positive sentiments only if ‘green’ hydrogen is used and the affordability issues can be addressed. No “show-stopper” is identified that would prevent future generations from using H2FC buses in public transport on a broad scale due to damage to the environment or to other factors that impinge on quality of life.
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    Detoxification of pesticide-containing wastewater with FeIII, activated carbon and Fenton reagent and its control using three standardized bacterial inhibition tests
    (2017) Rott, Eduard; Pittmann, Timo; Wasielewski, Stephan; Kugele, Amélie; Minke, Ralf
    Discharge of toxic industrial wastewaters into biological wastewater treatment plants may result in inhibition of activated sludge bacteria (ASB). In order to find an appropriate method of detoxification, the wastewater of a pesticide-processing plant in Vietnam was treated with three different methods (FeIII, powdered activated carbon (PAC), Fenton (FeII/H2O2)) analyzing the detoxification effect with the nitrification inhibition test (NIT), respiration inhibition test (RIT) and luminescent bacteria test (LBT). The heterotrophic ASB were much more resistant to the wastewater than the autotrophic nitrificants. The NIT turned out to be more suitable than the RIT since the NIT was less time-consuming and more reliable. In addition, the marine Aliivibrio fischeri were more sensitive than the nitrificants indicating that a lack of inhibition in the very practical and time-efficient LBT correlates with a lack of nitrification inhibition. With 95%, the Fenton method showed the highest efficiency regarding the chemical oxygen demand (COD) removal. Although similar COD removal (60–65%) was found for both the FeIII and the PAC method, the inhibitory effect of the wastewater was reduced much more strongly with PAC. Both the NIT and the LBT showed that the PAC and Fenton methods led to a similar reduction in the inhibitory effect.
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    Wassersensible Stadt- und Freiraumplanung : Handlungsstrategien und Maßnahmenkonzepte zur Anpassung an Klimatrends und Extremwetter ; SAMUWA Publikation
    (Stuttgart ; Universität Stuttgart, Institut für Landschaftsplanung und Ökologie, 2016) Deister, Lisa; Brenne, Fabian; Stokman, Antje; Henrichs, Malte; Jeskulke, Michael; Hoppe, Holger; Uhl, Mathias
    Mit dem voranschreitenden Klimawandel (IPCC 2014) werden die schon heute beobachteten Starkregenereignisse, Hitzewellen und Trockenperioden insbesondere die Städte vor neue Herausforderungen stellen. Die zeitgleich zunehmende Urbanisierung und der damit verbundene Anstieg der versiegelten Flächen beeinflusst den Wasserhaushalt und das Abflussregime in den Städten zusätzlich negativ. Damit schwindet die Lebensqualität in einem Großteil der Städte durch häufigere Überflutungsereignisse, sich verschlechterndes Stadtklima, schlechtere Luftqualität sowie fehlender Rückzugsmöglichkeiten ins Grüne. Die Disziplinen der Siedlungswasserwirtschaft und der Stadt- und Freiraumplanung haben im Laufe der Zeit ihre individuellen Herangehensweisen und Instrumente entwickelt, um die genannten Probleme im Einzelfall anzugehen. Um den zukünftigen Veränderungsprozessen (Klimawandel, Demographie,...) und Herausforderungen (Flächenknappheit,...) effizient zu begegnen, ist eine wassersensible Stadtentwicklung mit multifunktionalen Flächennutzungen erforderlich. Dazu bedarf es der Entwicklung integrierter Planungsmethoden, die gesamtstädtische und teilräumliche Überflutungs- und Hitzevorsorgekonzepte mit den verschiedenen Planungsebenen der Stadt-, Verkehrs- und Landschaftsplanung verzahnen (vgl. Stokman 2013, Stokman et al. 2015, Skinner 2016). Ziel muss also sein, die Herangehensweisen, Instrumente, Modelle und Planungswerkzeuge der beteiligten Disziplinen aufeinander abzustimmen und einander zugänglich zu machen. Vorgehensmodell für eine interdisziplinäre Zusammenarbeit Der vorliegende Leitfaden ist das Produkt des Teilprojekts C.1 „Freiraumplanerische Gestaltungsstrategien“ des BMBF-Forschungsprojekts „Die Stadt als hydrologisches System im Wandel – Schritte zu einem anpassungsfähigen Management des urbanen Wasserhaushalts“ (SAMUWA). Er soll einen Prozess zur Erstellung eines „Wasserplans“ als Leitbild einer wasserbezogenen Stadtentwicklung aufzeigen, der die Zusammenarbeit der oben genannten Disziplinen ermöglicht. Dabei wird je nach Ausgangssituation das siedlungswasserwirtschaftliche Simulationstool WABILA (Fokus auf eine ausgeglichene Wasserbilanz)oder DYNA/ GeoCPM (++ Systems) (Fokus Überflutungsvorsorge) für die Entwicklung integrierter Strategien und konkreter Maßnahmenkonzepte genutzt. Das Wasserbilanzmodell WABILA ermöglicht eine vereinfachte Bilanzierung des urbanen Wasserhaushalts. Durch den Vergleich der mittleren Jahreswerte des Oberflächenabflusses, der Grundwasserneubildung und der Verdunstung des bebauten Zustands mit denen des unbebauten Zustands können Defizite im Wasserhaushalt identifiziert und konkrete Maßnahmen des Regenwassermanagements geplant werden. Derart entwickelte Maßnahmen berücksichtigen, wie im aktuellen DWA-A 102 (2016) gefordert (vgl. Henrichs et al. 2016) den lokalen, natürlichen Wasserhaushalt mit seinem jeweils lokalspezifischen Verhältnis zwischen den Hauptkomponenten Abfluss, Versickerung und Verdunstung. Mit Hilfe des Programmsystems DYNA/ GeoCPM lassen sich bidirektional gekoppelte 1D/ 2D Kanalnetz- und Oberflächenabflussmodelle aufbauen, mit denen Fließwege, Fließgeschwindigkeiten und die Ausbreitung von Starkregenabflüssen berechnen werden können (Gefährdungspotenzial). Durch die anschließende Überlagerung der ermittelten Gefährdungszonen mit Flächen- und Gebäudenutzungen sowie Infrastruktureinrichtungen (Schadenspotenzial) können die Auswirkungen von Überflutungen und damit das jeweils bestehende Risikopotential unterschiedlicher Stadträume ermittelt werden (vgl. BWK/ DWA 2013). Die jeweiligen siedlungswasserwirtschaftlichen Ergebnisse werden mit einem wasserbezogenen städtebaulichen Leitbild (dem Wasserplan) überlagert. Das Leitbild schlägt eine grundlegende städtebauliche Entwicklungsrichtung vor und berücksichtigt dabei bereits räumliche Potentiale für die Regenwasserbewirtschaftung bzw. Überflutungsvorsorge in Verbindung mit dem städtischen Freiraumsystem im Sinne einer integrierten Gesamtkonzeption. Darüber hinaus bezieht es weitere Anforderungen und Aspekte wie z. B. Überflutungshotspots, Hitzeinseln, Lärm und Luftqualität ein. Disziplinübergreifend werden aus der Überlagerung der wasserwirtschaftlichen und stadträumlichen Betrachtung resultierende Fokusgebiete als prioritäre Handlungsräume für die Maßnahmenplanung diskutiert und festgelegt. Dabei spielt eine Akkumulation von Handlungsbedarfen der einzelnen Fachplanungen eine Rolle, um möglichst große Synergieeffekte ausnutzen zu können. Für die Fokusgebiete können im Zusammenspiel von räumlichen Gestaltungskonzepten und deren Simulation/Überprüfung durch die siedlungswasserwirtschaftlichen Werkzeuge multifunktionale Maßnahmen- und Gestaltungskonzepte entworfen und iterativ optimiert werden. Den beiden Vorgehensmodellen inhärent ist eine andere Lesart der Stadt, die darauf abzielt, die Landschaft mit ihrem natürlichen Wasserhaushalt und der naturräumlichen Ordnung als „Gesetz“ der Stadtentwicklung zu betrachten, wie schon Walter Rossow es forderte (Daldrop-Weidmann 1991). Ermöglicht wird dies durch ein koordiniertes Vorgehen und einen abgestimmten Austausch von Informationen, Daten, Entwürfen und Simulationsergebnissen, sowie einer gemeinsamen Maßnahmenplanung an der interdisziplinären Schnittstelle zwischen Siedlungswasserwirtschaft und Stadt- und Freiraumplanung. Das fünf Schritte umfassende, übertragbare Vorgehensmodell wird bezogen auf zwei Modellgebiete in Gelsenkirchen und Wuppertal angewendet und die Methodik detailliert beschrieben und illustriert.
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    Chemikalienmanagement und Umweltschutz in der textilen Kette
    (München : DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, 2017) Krist, Helmut; Schäfer, Thomas; Marzinkowski, Joachim M.; Schönberger, Harald; Bayer, Andreas; Förster, Johannes; Schmid, Matthias; Kohla, Monika; Seidel, Stefan D.; Minke, Ralf; Schönberger, Harald
    Die Bekleidung als Grundbedürfnis des Menschen wird heute global in sehr komplexen Lieferketten hergestellt. Nach der Ernährung, dem privaten Transport und dem Wohnen hat die Textilproduktion den höchsten Umwelt-Fußabdruck. Dazu tragen vor allem die Baumwollproduktion, die Herstellung von Farbstoffen und optischen Aufhellern, die Textilveredlung (das Vorbehandeln, Färben, Drucken und Ausrüsten) sowie die Gebrauchsphase der Textilien mit ihren vielen Wasch- und Trocknungsvorgängen bei. Von besonderer Bedeutung ist der hohe Chemikalieneinsatz, der bis zu 1 kg chemischer Produkte je Kilogramm Textil betragen kann. Angesichts tausender vermarkteter chemischer Produkte ist es schwierig, einen Überblick zu erhalten über all die chemischen Stoffe, die vor allem mit dem Abwasser aus der Textilveredlung und -pflege emittiert werden. Nur auf Basis von Fakten und der medienübergreifenden integrierten Betrachtung der textilen Kette lassen sich Konzepte und konkrete Maßnahmen definieren, die zur nachhaltigen Verminderung des Umwelt-Fußabdruckes der Textilproduktion beitragen. Deshalb wird hier aus technisch-naturwissenschaftlicher Sicht das Chemikalien- und Umweltmanagement der gesamten textilen Kette beleuchtet. Dieses umfasst die Erstellung von Positivlisten für Chemikalien sowie die Berücksichtigung von REACh und neuen Erkenntnissen bezüglich Schadstoffen, schadstoffanalytische Aspekte, die umweltfreundlichere Herstellung von Farbstoffen, optischen Aufhellern und Textilhilfsmitteln, prozessintegrierte Maßnahmen bei der Textilveredlung, den Umgang und die Lagerung chemischer Stoffe sowie die Behandlung und das Recycling von Textilabwasser einschließlich eines neuen globalen Abwasserstandards.
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    Pressure management via brine extraction in geological CO2 storage : adaptive optimization strategies under poorly characterized reservoir conditions
    (2019) González-Nicolás, Ana; Cihan, Abdullah; Petrusak, Robin; Zhou, Quanlin; Trautz, Robert; Godec, Michael; Birkholzer, Jens T.
    Industrial-scale injection of CO2 into the subsurface increases the fluid pressure in the reservoir, which if not properly controlled can potentially lead to geomechanical damage (i.e., fracturing of the caprock or reactivation of faults) and subsequent CO2 leakage. Brine extraction is one approach for managing formation pressure, effective stress, and plume movement in response to CO2 injection. The management of the extracted brine can be expensive (i.e., due to transportation, treatment, disposal, or re-injection), with added cost to the carbon capture and sequestration (CCS); thus, minimizing the volume of extraction brine is of great importance to ensure that the economics of CCS are favorable. The main objective of this study is to demonstrate the use of adaptive optimization methods in the planning of brine extraction and to investigate how the quality of initial site characterization data and the use of newly acquired monitoring data (e.g. pressure at observation wells) impact the optimization performance. We apply an adaptive management approach that integrates monitoring, calibration, and optimization of brine extraction rates to achieve pre-defined pressure constraints. Our results show that reservoir pressure management can be extremely benefited by early and high frequency pressure monitoring during early injection times, especially for poor initial reservoir characterization. Low frequencies of model calibration and optimization with monitoring data may lead to optimization problems, because either pressure buildup constraints are violated or excessively high extraction rates are proposed. The adaptive pressure management approach may constitute an effective tool to manage pressure buildup under uncertain reservoir conditions by minimizing the volumes of extracted brine while controlling pressure buildup.
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    Behavior of PBTC, HEDP, and aminophosphonates in the process of wastewater treatment
    (2019) Rott, Eduard; Happel, Oliver; Armbruster, Dominic; Minke, Ralf
    Ten times at intervals of 1–2 months, individual treatment stages of two wastewater treatment plants (WWTPs) were analyzed for the five quantitatively most widely used phosphonates. The total dissolved concentration of the investigated phosphonates in the influents was between 131 µg/L and 384 µg/L. The nitrogen-free phosphonates 2-phosphonobutane-1,2,4-tricarboxylic acid (PBTC) and 1-hydroxyethylidene(1,1-diphosphonic acid) (HEDP) accounted for an average proportion of 83–85%. Diethylenetriaminepenta(methylene phosphonic acid) (DTPMP) contributed with 13–14%, whereas aminotris(methylphosphonic acid) (ATMP) (≤15 µg/L) and ethylenediaminetetra(methylene phosphonic acid) (EDTMP) (≤11 µg/L) contents detected in the WWTP influents were comparatively low. The application of new analytical methods allowed the quantification of phosphonates in the solid fraction of the WWTP influents for the first time. High loads of phosphonates were determined (223–2555 mg/kg), indicating that 20%–80% of the phosphonates are present in the adsorbed state. The removal of total dissolved phosphonate by secondary clarification was between 69.7% and 92.4% (medians: 90.7% and 87.7%). In both WWTPs, HEDP (medians: 89.2% and 86.4%) was slightly better eliminated than PBTC (medians: 87.2% and 82.5%). In the sand filtration stage of a WWTP, the average removal was not further improved. In contrast, an additional removal of dissolved phosphonates could be achieved by activated carbon treatment (median: 96.4%). The proportion of phosphonate-P in the dissolved unreactive phosphorus fraction was consistently between 10% and 40% throughout all treatment stages.
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    Risiken in der Wasserversorgung : Vorsorge, Management, Minimierung, Kommunikation
    (München : DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, 2017) Haile, Christian; Anders, Thomas; Sturm, Sebastian; Harms, Egon; Lorenz, Janine; Kiefer, Joachim; Fischer, Thilo; Niehues, Berthold; Marquardt, Uwe; Schick, Roland; Schönberger, Harald; Minke, Ralf
    Die Planung und der Betrieb von Wasserversorgungsanlagen sowie die Organisation der zugehörigen Unternehmen birgt seit jeher ein gewisses Maß an Risiken. So können sich im Laufe der Betriebszeit Planungs- und Betriebsgrundlagen wie das Wasserdargebot oder der Wasserbedarf infolge Änderungen des Klimas, der Demografie, der Bevölkerungszahlen und Wirtschaftsstruktur sowie Änderungen des Verbrauchsverhaltens stark ändern. Im Bereich der Wassergewinnung können Risiken dadurch entstehen, dass Verunreinigungen ins Rohwasser gelangen, die die Trinkwasserqualität beeinträchtigen und den Aufbereitungsaufwand deutlich erhöhen. Schließlich können wirtschaftliche und betriebliche Risiken dadurch entstehen, dass z.B. übergeordnete internationale Gesetzgebungen und Normungsänderungen Auswirkungen bis hin zur Ebene der einzelnen Wasserversorgungsunternehmen haben. Und schließlich nimmt aufgrund der zunehmenden Digitalisierung der Wasserversorgung das Risiko unbefugter Eingriffe in die IT-Infrastrukturen der Wasserversorgung zu.
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    A microstructurally-based, multi-scale, continuum-mechanical model of skeletal muscle tissue
    (2019) Bleiler, Christian; Ponte Castañeda, Pedro; Röhrle, Oliver
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    Integrale Abflusssteuerung in Mischsystemen : Aspekte zu deren Einführung ; Leitfaden ; SAMUWA Publikation
    (2016) Haas, Ulrich; Ruf, Oliver; Dittmer, Ulrich; Schütze, Manfred; Besier, Heike; Weber, Christian; Papas, Michail; Bachmann, Anna
    Die Wasserqualität der Gewässer hat sich in den letzten Jahrzehnten dank der hohen Investitionen in entwässerungs- und abwasserreinigungstechnische Einrichtungen deutlich verbessert. Mit dieser Entwicklung geht einher, dass Flüsse und Seen regelmäßig in den Focus der Stadt- und Landschaftsplaner gelangen, da sauberes und erlebbares (Regen-)Wasser ein wichtiger Baustein für die Lebensqualität in unseren Städten ist. Aufgrund der in der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie verankerten integrativen und vorrangig immissionsorientierten Sichtweise sind weitergehende Maßnahmen zur Verringerung der Gewässerbelastung zu erwarten. Dies wird „DIE STADT AM FLUSS“ weiter in greifbare Nähe bringen. Die Wasserrahmenrichtlinie fordert in Artikel 4 „Umweltziele“ eine gute ökologische Qualität der Gewässer. Dies impliziert einen ganzheitlichen, ökologischen Ansatz bei der Bewirtschaftung von Gewässern und eine genaue Kenntnis der Herkunftswege von Belastungen. Es lassen sich die in Abb. 1 dargestellten Handlungsfelder ableiten. Unter der Überschrift „biologische Gewässergüte“ finden sich u.a. die Themen Regenwasserbehandlung und Kläranlage, welche im folgenden Beitrag beleuchtet werden. Das Kanalnetz, die Kläranlage und das Gewässer stehen über die Einleitungsstellen in einem engen Bezug. Die Abkehr von der bisherigen zumeist punktuellen hin zu einer linienförmigen Betrachtungsweise mit der Bezugsgröße Gewässerabschnitt bedarf deshalb eines aufeinander abgestimmten Betriebskonzepts. Mit den heute zumeist statisch wirkenden (ungesteuerten) Entwässerungstechniken lassen sich die zukünftigen Forderungen nicht ohne weiteres widerspruchsfrei erfüllen. Gerade vor dem Hintergrund der ganzheitlichen Betrachtungsweise bietet sich die integrale Abflusssteuerung (iAST) als eine Planungsvariante an. Sie nutzt den sich aus der Diskrepanz zwischen Planungs- und Ist-Zustand bietenden Handlungsspielraum konsequent aus. Die Verbesserungen, die eine integrale Abflusssteuerung für das Gesamtsystem Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer schafft, werden auf konventionelle Weise nur durch eine Vergrößerung der Speicherkapazität erzielt. Mit der Einführung einer integralen Abflussteuerung im Modellgebiet Reutlingen werden Wege aufgezeigt, wie bei Regenwetter durch interaktives Eingreifen in das Abflussgeschehen, Einleitungen von Überlaufwasser zum Schutze der Gewässer reduziert oder ganz vermieden werden.