The development of our society contributed to increased occurrence of emerging substances (pesticides, pharmaceuticals, personal care products, etc.) in wastewater. Because of their potential hazard on ecosystems and humans, Wastewater Treatment Plants (WWTPs) need to adapt to better remove these compounds. Technology or policy development should however comply with sustainable development, e.g. based on Life Cycle Assessment (LCA) metrics. Nevertheless, the reliability or consistency of LCA results can sometimes be debatable. The main objective of this work was to explore how LCA can better support the implementation of innovative wastewater treatment options, in particular including removal benefits. The method was applied to support solutions for pharmaceuticals elimination from wastewater, regarding: (i) UV technology design, (ii) choice of advanced technology and (iii) centralized or decentralized treatment policy. The assessment approach followed by previous authors based on net impacts calculation seemed very promising to consider both environmental effects induced by treatment plant operation and environmental benefits obtained from pollutants removal. It was therefore applied to compare UV configuration types. LCA outcomes were consistent with degradation kinetics analysis. For the comparison of advanced technologies and policy scenarios, the common practice (net impacts based on EDIP method) was compared to other assessments, to better consider elimination benefits. First, USEtox consensus was applied for the avoided (eco)toxicity impacts, in combination with the recent method ReCiPe for generated impacts. Then, an eco-efficiency indicator (EFI) was developed to weigh the treatment efforts (generated impacts based on EDIP and ReCiPe methods) by the average removal efficiency (overcoming (eco)toxicity uncertainty issues). In total, the four types of comparative assessment showed the same trends: (i) ozonation and activated carbon perform better than UV irradiation, and (ii) no clear advantage distinguished between policy scenarios. It cannot be however concluded that advanced treatment of pharmaceuticals is not necessary because other criteria should be considered (risk assessment, bacterial resistance, etc.) and large uncertainties were embedded in calculations. Indeed, a significant part of this work was dedicated to the discussion of uncertainty and limitations of the LCA outcomes. At the inventory level, it was difficult to model technology operation at development stage. For impact assessment, the newly developed characterization factors for pharmaceuticals (eco)toxicity showed large uncertainties, mainly due to the lack of data and quality for toxicity tests. The use of information made available under REACH framework to develop CFs for detergent ingredients tried to cope with this issue but the benefits were limited due to the mismatch of information between REACH and USEtox method. The highlighted uncertainties were treated with sensitivity analyses to understand their effects on LCA results. This research work finally presents perspectives on the use of transparently generated data (technology inventory and (eco)toxicity factors) and further development of EFI indicator. Also, an accent is made on increasing the reliability of LCA outcomes, in particular through the implementation of advanced techniques for uncertainty management. To conclude, innovative technology/product development (e.g. based on circular economy approach) needs the involvement of all types of actors and the support from sustainability metrics.

Mechanisch-biologisch behandelte Abfälle zeigen im Vergleich mit unbehandelten Siedlungsabfällen völlig veränderte geomechanische Eigenschaften auf. Das Emissionspotenzial ist weitgehend reduziert. Dies erforderte eine Anpassung der Deponietechnik bezüglich Materialeinbau und Deponiebetrieb. Um sowohl das Deponieverhalten der mechanisch-biologisch behandelten Abfälle sowie das verbleibende Emissionspotenzial beurteilen zu können, wurde in dieser Arbeit ein breit angelegtes Untersuchungsprogramm im Deponiefeld umgesetzt, welches zum Ziel hat, das Langzeitverhalten des mechanisch-biologisch behandelten Abfalls im Deponiefeld zu beschreiben. Hieraus wurden Empfehlungen für Deponiebetreiber abgeleitet, die eine langfristige Sicherung der gesetzlichen Anforderungen an das Ablagern von MBA-Material gewährleisten. Somit wird der Forderung nach einem nachhaltigen Schutz der Umwelt Rechnung getragen. Eine solche Sicherung ermöglicht einen langfristig ökonomisch und ökologisch tragbaren Deponiebetrieb und somit die nötige Planungssicherheit für Deponiebetreiber. rnDie bisherigen Erfahrungen haben gezeigt, dass MBA-Deponien unter den beschriebenen Bedingungen ohne größere Probleme betrieben werden können. Durch die mechanisch-biologische Behandlung wurde jedoch der gesamte Bereich der Ablagerung neu definiert. rnSchwerpunkt des Untersuchungsprogramms war die Untersuchung der Temperatur- und Feuchtigkeitsentwicklung im Deponiekörper, der daraus resultierenden Auswirkungen auf die Zusammensetzung und Menge des Deponiegases sowie die Beurteilung der geotechnischen Erfordernisse an das abzulagernde Material und das Deponiefeld. Hierbei stand die Untersuchung von Porenwasserdrücken im Vordergrund. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Temperaturniveaus im Deponiekörper mit ca. 16-25-°C etwas unter den von DSR lagen. Die Deponiegaszusammensetzung weicht ebenfalls etwas von den Ergebnissen aus DSR ab. Die Deponiegasmenge liegt im erwarteten Bereich und lässt Rückschlüsse auf das Gasphasenmodell zu. An den Zuordnungskriterien konnten keine wesentlichen Veränderungen oder Abbauraten bezogen auf das Ursprungsmaterial beobachtet werden. Die Anforderungen an den Einbau von mechanisch-biologisch behandelten Abfällen sollten weiterhin unter der Maßgabe: verdichteter Dünnschichteinbau, Profilierung mit 5-10% Gefälle, Einbauwassergehalt 30-35 %, geringstmögliche Einbaufläche und einer arbeitstägigen Abdeckung des Deponiefeldes mit wasserundurchlässigem Material in regenintensiven Monaten und im Winter erfolgen. Ein Deponiebetrieb nach den Vorgaben des Anhanges 5, Nr. 6 der Deponieverord-nung, nach dem ein Deponiebetreiber den Anfall von Sickerwasser so gering zu halten hat, wie dies nach dem Stand der Technik möglich ist, ist somit umsetzbar. Aufgrund der geringen Sickerwassermengen und des verdichteten Materialeinbaus stellt der Deponiekörper mit MBA-Material kein umweltrelevantes Gefährdungspotenzial bezogen auf die Deponiegasemissionen dar, insofern nach Abschluss des Deponiekörpers eine Methanoxidationsschicht als Oberflächenabdichtung aufgebracht wird.

Exposure to fine and ultra-fine environmental particles is still a problem of concern in many industrialized parts of the world and the intensified use of nanotechnology may further increase exposure to small particles. Since many years air pollution is recognized as a critical problem in western countries, which led to rigorous regulation of air quality and the introduction of strict guidelines. However, the upper thresholds for particulates in ambient air recommended by the world health organization are often exceeded several times in newly industrialized countries. Such high levels of air pollution have the potential to induce adverse effects on human health. The response triggered by air pollutants is not limited to local effects of the respiratory system but is often systemic, resulting in endothelial dysfunction or atherosclerotic malady. The link between air pollution and cardiovascular disease is now accepted by the scientific community but the underlying mechanisms responsible for the pro-atherogenic potential still need to be unraveled in detail. Based on the results from in- vivo and in vitro studies the production of reactive oxygen species due to exposure to particles is the most important mechanism to explain the observed adverse effects. However, the doses that were applied in many in vivo and in vitro studies are far beyond the range of what humans are exposed to and there is the need for more realistic exposure studies. Complex in vitro coculture systems may be valuable tools to study particle-induced processes and to extrapolate effects of particles on the lung. One of the objectives of this PhD thesis was the establishment and further improvement of a complex coculture system initially described by Alfaro-Moreno et al. [1]. The system is composed of an alveolar type-II cell line (A549), differentiated macrophage-like cells (THP-1), mast cells (HMC-1) and endothelial cells (EA.hy 926), seeded in a 3D-orientation on a microporous membrane to mimic the cell response of the alveolar surface in vitro in conjunction with native aerosol exposure (VitrocellTM chamber). The tetraculture system was carefully characterized to ensure its performance and repeatability of results. The spatial distribution of the cells in the tetraculture was analyzed by confocal laser scanning microscopy (CLSM), showing a confluent layer of endothelial and epithelial cells on both sides of the Transwellâ„¢. Macrophage-like cells and mast cells can be found on top of the epithelial cells. The latter cells formed colonies under submerged conditions, which disappeared at the air-liquid-interface (ALI). The VitrocellTM aerosol exposure system was not significantly influencing the viability. Using this system, cells were exposed to an aerosol of 50 nm SiO2-Rhodamine nanoparticles (NPs) in PBS. The distribution of the NPs in the tetraculture after exposure was evaluated by CLSM. Fluorescence from internalized particles was detected in CD11b-positive THP-1 cells only. Furthermore, all cell lines were found to be able to respond to xenobiotic model compounds, such as benzo[a]pyrene (B[a]P) or 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) with the upregulation of CYP1 mRNA. With this tetraculture system the response of the endothelial part of the alveolar barrier was studied in- vitro in a still realistic exposure scenario representing the conditions for a polluted situation without direct exposure of endothelial cells. After exposure to diesel exhaust particulate matter (DEPM) the expression of different anti-oxidant target genes and inflammatory genes such as NAD(P)H dehydrogenase quinone 1 (NQO1), superoxide dismutase 1 (SOD1) and heme oxygenase 1 (HMOX1), as well as the nuclear translocation nuclear factor erythroid-derived 2 (Nrf2) was evaluated. In addition, the potential of DEPM to induce the upregulation of CYP1A1 mRNA in the endothelium was analyzed. DEPM exposure led not to an upregulation of the anti-oxidant or inflammatory target genes, but to clear nuclear translocation of Nrf2. The endothelial cells responded to the DEPM treatment also with the upregulation of CYP1A1 mRNA and nuclear translocation of the aryl hydrocarbon receptor (AhR). Overall, DEPM triggered a response in the endothelial cells after indirect exposure of the tetraculture system to low doses of DEPM, underlining the sensitivity of ALI exposure systems. The use of the tetraculture together with the native aerosol exposure equipment may finally lead to a more realistic judgment regarding the hazard of new compounds and/or new nano-scaled materials in the future. For the first time, it was possible to study the response of the endothelial cells of the alveolar barrier in vitro in a realistic exposure scenario avoiding direct exposure of endothelial cells to high amounts of particulates.

Seit 2005 wird auf der Deponie Muertendall (Luxemburg) der Wasserhaushalt einer Oberflächenabdeckung anhand eines Testfeldes untersucht. Die Deponie wurde 1979 in Betrieb genommen. 1991 wurde sie erstmals geschlossen, da ihre Kapazität ausgeschöpft war. Anschließend wurde die Deponie saniert und mit einer Basisabdichtung ausgestattet. Der sanierte Altmüllkörper wurde mit einer 80 cm starken Oberflächenabdeckung versehen. In diesem Bereich der Deponie wurde 2005 ein Testfeld angelegt, um den Wasserhaushalt der Abdeckung zu untersuchen. Ziel dieser Arbeit ist es den Wasserhaushalt der derzeitigen Abdeckung zu bilanzieren und ihre Wasserdurchlässigkeit zu beurteilen. Die Auswertung der Daten zeigt, dass zwischen 30 und 66% des Niederschlages jährlich unterhalb der Abdeckung als Drainageabfluss auftreten. Deutlich zu erkennen ist eine jahreszeitliche Abhängigkeit mit höheren Abflüssen im Winter. Der auftretende Oberflächenabfluss ist vernachlässigbar. In Hinblick auf die Wasserdurchlässigkeit ist die auf der Deponie bestehende Abdeckung nicht geeignet um die Sickerwassermengen deutlich zu minimieren. Da der Wasserhaushalt von Oberflächenabdeckungen die biologischen Abbauprozesse im Deponiekörper maßgeblich beeinflusst, wurden auf der Deponie ebenfalls Untersuchungen am Altmüllkörper durchgeführt, um Rückschlüsse auf den Fortschritt der biologischen Abbauprozesse zu gewinnen. Die ermittelten Wassergehalte im Deponiekörper liegen bei nur 33 Gew. % und sind somit nicht optimal für die biologischen Abbauprozesse. Der untersuchte Altmüll besteht zum Großteil nur noch aus der Fraktion <20 mm als Resultat der biologischen Abbauprozesse. Der übrige Teil besteht größtenteils aus Stoffgruppen, die nur noch schwer biologisch abbaubar sind. Weitere chemisch- physikalische Untersuchungen zeigen, dass im Altmüll immer noch Organik vorhanden ist, die aber durch die biologischen Abbauprozesse nur noch schwer abgebaut werden kann. Aus den gewonnen Ergebnissen werden Vorschläge für die endgültige Abdeckung der Deponie Muertendall gemacht.

Die Arbeit untersucht das Potential kleiner unbemannter Luftfahrtsysteme (UAS) in Landwirtschaft und Archäologie. Der Begriff UAS beinhaltet dabei: Fluggerät, Antriebsmechanismus, Sensorik, Bodenstation, Kommunikationsmittel zwischen Bodenstation und Fluggerät und weiteres Equipment. Aufgrund ihrer Flexibilität, fanden UAS seit der Jahrtausendwende eine blühende Entwicklung. Um die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren, muss die landwirtschaftliche Produktion sensibel und nachhaltig intensiviert werden, um Nahrungssicherheit für alle zu gewährleisten und weitere Boden- und Landdegradation zu vermeiden. Präzisionslandwirtschaft umfasst technologische Verbesserungen hin zur effizienteren und weniger schädlichen landwirtschaftlichen Praxis. Hierbei ist die Verfügung über zeitnahe, leicht zugängliche hoch aufgelöste räumliche Daten eine Voraussetzung für die Nahrungsmittelproduktion. UAS schließen hier die Lücke zwischen Bodendaten und teuren bemannten Luftfahrtsysteme und selteneren Satellitenbildern. Die Vorteile der UAS-Daten liegen in der ad-hoc Akquisition großmaßstäbiger Fernerkundungsdaten, den geringeren Kosten gegenüber der bemannten Systeme und einer relativen Wetterunabhängigkeit, da auch unter Wolken geflogen werden kann. Den größten Anteil innerhalb der UAS stellen die Mini-UAS (Abfluggewicht von 5kg) und dabei vertikale Start- und Landesysteme. Diese können über Untersuchungsgebieten schweben, sind dadurch jedoch langsamer und eher geeignet für kleinere Flächen. Flugregularien und die Integration in den bemannten Luftraum werden derzeit europaweit harmonisiert und in den Mitgliedstaaten umgesetzt. Die Hauptziele dieser Arbeit lagen in der Evaluierung wie Schlüsselparametern landwirtschaftlicher Nutzpflanzen (Chlorophyll-, Stickstoffgehalt, Erntemenge, sonnendinduzierter Chlorophyll-Fluoreszenz) mittels UAS abgeleitet und wie UAS-Daten für archäologische Aufklärung genutzt werden können. Dazu wurde ein Quadrokopter (md4-1000, microdrones GmbH) mit einer digitalen Spiegelreflexkamera, einem Multispektralsensor (MiniMCA-6, Tetracam Inc.) und einer Thermalkamera (UCM, Zeiss) ausgestattet. Eine Sensitivitätsanalyse führte zur Ableitung geeigneter Wellenlängenbereiche und untersuchte bidirektionale und Flughöheneffekte auf das Multispektralsignal. Die Studie beschreibt außerdem die Vorgehensweise bei Bildaufnahme und Vorprozessierung mit besonderem Schwerpunkt auf die Multispektralkamera (530-900 nm). Die Vorprozessierung beinhaltet die Korrektur von Sensorfehlern (Linsenverzeichnung, Vignettierung, Kanalkalibrierung), die radiometrische Kalibrierung über eine empirische Korrektur mit Hilfe von Referenzspektren, Atmosphärenkorrektur und schließlich die geometrische Verarbeitung unter Verwendung von Structure from Motion Programme zur Generierung von Punktwolkenmodellen bis hin zum digitalen Orthophotomosaik und Höhenmodell in Zentimeterauflösung. In einer Weinbergsstudie (2011, 2012) wurden geeignete Beobachtungswinkel für die Untersuchung des Einflusses von Bodenbearbeitungsstrategien auf das Multispektralsignal evaluiert. Schrägichtaufnahmen von 45-° Beobachtungswinkel gegenüber Nadir waren am besten geeignet zur Ableitung pflanzenphysiolgischer Parameter und multispektraler Unterscheidung von Bodenbearbeitungstypen. So konnten Chlorophyll-Gehalte über Regressionsanalysen über mehrere saisonale Aufnahmen mit einem kreuzvalidierten R-² von 0.65, Stickstoffgehaltsindex von 0.76 (2012) und Ernte mit 0.84 (2011) und für verschiedene Zeitpunkte nach der Blüte (0.87) und während der Reifephase (0.73) ermittelt werden. Desweiteren wurde die (Fs) in einem Stickstoff-Düngung-Experiment bei Zuckerrüben von Multispektral-, Indizes und Thermaldaten untersucht (HyFlex-Kampagne 2012). Zuckerrübenvarietäten konnten spektral und thermal unterschieden werden, die Fluoreszenzindizes waren wetterbedingt, weniger erfolgreich. Außerdem konnte der Tagesgang der Fs trotz instabiler Einstrahlungsverhältnisse am Morgen abgeleitet werden. Die Werte waren jedoch gegenüber Bodenmessungen um ein Vielfaches erhöht. Archäologische Fernerkundung durch UAS wird bereits seit Jahren (z.B. mit Fesselballons) durchgeführt. Die Mustererkennung profitiert von der spektralen Ausdehnung vom menschlichen Auge hin zu multispektralen, neuerdings auch hyperspektralen Sensoren. Studien in Los Bañales, Spanien, zeigten die Möglichkeiten des Informationsgewinns durch Bildverarbeitung von UAS-Daten: vermutliche historische Siedlungsmuster konnten durch Landoberflächenklassifikation von Multispektraldaten mittels Support Vector Machines und Bestandsmusterdetektion beschrieben werden. Um qualitative hochwertige, hochaufgelöste UAS-Daten zu erhalten, sollten die Daten mit hoher Überlappung (80%) und auch Schrägsicht akquiriert und ggf. durch Referenzmessungen zur radiometrischen Kalibrierung und GPS-Messungen für geometrische Referenzierung ergänzt werden.