Gescher, JohannesJohannesGescher1302114510000-0002-1625-8810Akgün, BerivanBerivanAkgün2026-06-162026-06-162026Technische Universität Hamburg (2026)https://hdl.handle.net/11420/63471Conventional wastewater treatment technologies are undergoing constant development to enhance sustainability, driven by the increasingly growing need to reduce energy consumption and stringent regulations. These systems must be robust, continuous, and scalable, yet elucidating the effect of operational parameters should at best rely on multiparallel, small-scale experiments for controlled investigation of biological activity. This thesis employed microfluidic biofilm cultivation systems to investigate the influence of process conditions for two wastewater treatment technologies. In bioelectrochemical systems (BES), biofilm–electrode interaction is a key factor for electricity generation, and low electron transfer rates limit system efficiency. To address this, electrode surfaces in a microfluidic BES were functionalized with riboflavin and AQDS, and combined with rough surface materials to cultivate co-culture biofilms of Geobacter sulfurreducens and Shewanella oneidensis. Surface pre-treatment and increased roughness enhanced biofilm-electrode interaction compared to a naturally formed biofilm matrix, yielding over fivefold higher mean current densities and reducing initiation time by improving initial electroactive biofilm attachment, biocompatibility, and electron transfer. Enhanced biological phosphorus removal (EBPR) is a widely applied biological phosphorus (P) removal strategy that mitigates eutrophication and supports regulatory compliance. P-removal is primarily performed by polyphosphate accumulating organisms (PAOs), yet their responses to varying operational conditions remain poorly understood, underscoring a critical knowledge gap. A microfluidic model biofilm system (MMBS) was used to systematically analyze key process conditions, including carbon (C) source, COD/P ratio, pH and temperature, and their effect on the activity of PAOs and other species, as well as EBPR performance. Metagenomic analysis demonstrated that Dechloromonas and Zoogloea were prevalent under all the tested conditions. The C source exerted a stronger influence on system dynamics, with glucose and acetate/propionate supporting the highest P-removal, while ethanol, glycerol, and amino acids led to limited system performance. A low COD:P ratio enhanced phosphorus removal and biofilm formation, and PAO activity was maximal at pH≤7.5, whereas operation at 12 °C did not adversely affect process efficiency. These results guide optimizing design and operation parameters in full-scale wastewater treatment plants (WWTPs).Herkömmliche Abwasserbehandlungstechnologien werden kontinuierlich weiterentwickelt, um ihre Nachhaltigkeit zu verbessern, was durch den zunehmend wachsenden Bedarf an Energieeinsparungen und strengen Vorschriften vorangetrieben wird. Diese Systeme müssen robust, kontinuierlich und skalierbar sein, doch die Erforschung des Einflusses von Betriebsparametern stützt sich im besten Fall auf multiparallele, kleinräumige Experimente zur kontrollierten Untersuchung der biologischen Aktivität. In dieser Arbeit wurden mikrofluidische Biofilm-Kultivierungssysteme eingesetzt, um den Einfluss der Prozessbedingungen für zwei Abwasserbehandlungstechnologien zu untersuchen.In bioelektrochemischen Systemen (BES) ist die Wechselwirkung zwischen Biofilm und Elektrode ein entscheidender Faktor für die Stromerzeugung, hierbei begrenzen niedrige Elektronentransferraten die Systemeffizienz. Um diesem Problem zu begegnen, wurden die Elektrodenoberflächen in einem mikrofluidischen BES mit Riboflavin und AQDS funktionalisiert und mit rauen Oberflächenmaterialien kombiniert, um Co-Kultur-Biofilme aus Geobacter sulfurreducens und Shewanella oneidensis zu kultivieren. Die Vorbehandlung der Oberfläche und die erhöhte Rauheit verbesserten die Wechselwirkung zwischen Biofilm und Elektrode im Vergleich zu einer natürlich gebildeten Biofilmmatrix, was zu einer mehr als fünffach höheren mittleren Stromdichte führte und die Anlaufzeit durch Verbesserung der anfänglichen elektroaktiven Biofilmhaftung, Biokompatibilität und Elektronentransfer verkürzte. Die verbesserte biologische Phosphorentfernung (EBPR) ist eine weit verbreitete Strategie zur biologischen Entfernung von Phosphor (P), die die Eutrophierung mindert und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften unterstützt. Die P-Entfernung wird in erster Linie durch polyphosphatakkumulierende Organismen (PAOs) durchgeführt, doch ihre Reaktionen auf unterschiedliche Betriebsbedingungen sind nach wie vor kaum verstanden, was eine kritische Wissenslücke darstellt. Ein mikrofluidisches Modell-Biofilmsystem (MMBS) wurde verwendet, um wichtige Prozessbedingungen, darunter Kohlenstoffquelle (C), COD/P-Verhältnis, pH-Wert und Temperatur, sowie deren Auswirkungen auf die Aktivität von PAOs und anderen Spezies sowie die EBPR-Leistung systematisch zu analysieren. Die metagenomische Analyse zeigte, dass Dechloromonas und Zoogloea unter den getesteten Bedingungen vorherrschend waren. Die Kohlenstoffquelle hatte einen stärkeren Einfluss auf die Systemdynamik, wobei Glukose und Acetat/Propionat die höchste Phosphorentfernung unterstützten, während Ethanol, Glycerin und Aminosäuren zu einer eingeschränkten Systemleistung führten. Ein niedriges COD:P-Verhältnis verbesserte die Phosphorentfernung und die Biofilmbildung, und die PAO-Aktivität war bei einem pH-Wert von ≤7,5 am höchsten, während der Betrieb bei 12 °C die Prozesseffizienz nicht beeinträchtigte. Diese Ergebnisse dienen als Leitfaden für die Optimierung der Auslegungs- und Betriebsparameter in vollwertigen Kläranlagen (WWTPs).enhttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/sustainable water managementcircular economyTechnology::660: Chemistry; Chemical Engineering::660.6: BiotechnologyDoctoral Thesishttps://doi.org/10.15480/882.1730410.15480/882.17304Liese, AndreasAndreasLiese10.15480/882.1730411420/63471