Biofilmmodelle sind wirksame Instrumente, die die mathematische Beschreibung von Biofilmsystemen, die Vorhersage ihrer Abbauleistung sowie die konzeptionelle Erforschung dieser Systeme ermöglichen. Modelle haben den Vorteil, dass sie weniger ressourcen- und zeitaufwändig sind als Laborexperimente und dass sie hinsichtlich der zu analysierenden Szenarien flexibler sind. Aufgrund der hohen Komplexität von Biofilmen ist es praktisch unmöglich, ein Modell zu entwickeln, das alle im Biofilm vorkommenden Phänomene umfasst. Vereinfachungen sind ein wesentlicher Bestandteil des Modellierungsprozesses. Selbst die umfassendsten Modelle, die bisher entwickelt wurden, treffen zahlreiche Annahmen. Dennoch erfüllt die überwiegende Mehrheit der Modelle ihren Zweck und so bleiben sie sowohl für die Forschung als auch für die Praxis nützlich (Wanner et al. 2006). Die Entscheidung, welches Modell für welche Modellierungsaufgabe besser geeignet ist, hängt von den verfügbaren Daten, dem Grad des Verständnisses der im System auftretenden Phänomene und dem Ziel der Modellierungsaufgabe ab. Im speziellen Fall von Biofilmen besteht häufig ein Kompromiss zwischen microscale features und globalen Modellierungsergebnissen. Eine detailliertere Beschreibung der microscale features führt nicht notwendigerweise zu verbesserten Modellierungsergebnissen und kann gelegentlich die Identifizierbarkeit des Biofilms und die Bestimmung der relevanten Parameter beeinträchtigen. Die Vernachlässigung von microscale features kann jedoch zu ungenauen Darstellungen des Systems führen und damit die Aussagekraft des Modells verringern. Je nach System und seinen spezifischen Bedingungen steht der Modellierer vor einem Dilemma: Welche microscale features sind es wert, einbezogen zu werden, welche Vereinfachungen kann man sich leisten und welche sind aufgrund des Mangels an Informationen zwingend erforderlich. Zwei microscale features sind in dieser Arbeit von besonderem Interesse: die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft und die Dimensionalität. Drei Biofilmsysteme wurden verwendet, um die Auswirkungen dieser beiden microscale features auf die globalen Modellierungsergebnisse und die Aussagekraft des Modells zu untersuchen: Eine biologisch aktiver granulierter Aktivkohle (bGAK) Filter, ein Moving Bed Bioreactor (MBBR) und ein Membrane Aerated Biofilm Reactor(MABR). Jedem dieser Systeme ist eine eigene Veröffentlichung gewidmet. Diese Systeme wurden verwendet, um unterschiedliche Modellierungsansätze vorzustellen und die Auswirkungen der Wahl einfacher oder komplexerer Beschreibungen der interessierenden micro features zu veranschaulichen. Die erste und zweite Veröffentlichung, P1 bzw. P2, konzentrierten sich auf die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft. Die Veröffentlichung P1 befasst sich mit der Entfernung von DOC aus Kläranlagenablauf in einem bGAK-Filter. Innerhalb des Filters wird DOC durch gleichzeitige Adsorption und biologischen Abbau entfernt, weshalb ein geeignetes Modell beide Mechanismen berücksichtigen sollte. Ein Modell wurde entwickelt, das ein traditionelles eindimensionales Biofilmmodell mit der ideal adsorbed solution Theorie verbindet, die im Rahmen der activated sludge models angewendet werden kann. Es wurde eine vereinfachte mikrobielle Gemeinschaft ausgewählt, die ausschließlich aus aeroben heterotrophen Bakterien besteht. Das entwickelte Modell ist in der Lage, die DOC-Durchbruchskurven bei unterschiedlichen Leerbett-Kontaktzeiten zu beschreiben und zeigt auch den relativen Beitrag von biologischem Abbau und Adsorption zur gesamten DOC-Entfernung. Publikation P2 analysiert das Verhalten heterotropher Bakterien in einem MBBR-Reaktor, der als partielle Nitritation/Anammox (PN/A) betrieben wird. Sie erforscht die Wachstumsstrategien, die heterotrophe Bakterien bei Substratknappheit verfolgen. Die Auswirkung der yield strategy wird in zwei Szenarien analysiert. Im ersten Szenario wurde eine Gruppe heterotropher Bakterien untersucht, die auf endogenem CSB wächst, während im zweiten Szenario den System externer CSB zugeführt wurde und eine zweite Gruppe heterotropher Bakterien (rate strategists) hinzugefügt wurde, die auf dem besser verfügbaren externen CSB wächst. Der Wettbewerb zwischen beiden Gruppen um Platz und Elektronenakzeptoren wurde untersucht. In beiden Szenarien schien die Verfolgung der yield strategy ausschlaggebend für die Diversität der heterotrophen Gemeinschaft zu sein. Die Abwasserkonzentrationen sowie der von den Heterotrophen produzierte gasförmige Stickstoff wurden stark von der von den Heterotrophen gewählten Wachstumsstrategie beeinflusst, wobei höhere Denitrifikationsaktivitäten beobachtet wurden, wenn die yield strategy gewählt wurde. In der dritten Veröffentlichung P3 war die Dimensionalität das microcale feature von Interesse. Es wurde ein MABR-Reaktor modelliert, der für PN/A verwendet wird. In der Veröffentlichung P3 werden ein traditionelles eindimensionales Modell und verschiedene pseudo-zweidimensionale Modelle verglichen, die die Implementierung von Konzentrationsgradienten in der Flüssigkeits- und der Gasphase ermöglichen, und zwar sowohl einzeln und gleichzeitig als auch im Gegen- oder Parallelstrom. Die Ergebnisse zeigen, dass das eindimensionale Modell die Gesamtkonzentration des gelösten Stickstoffs im Abwasser im Vergleich zu den Vorhersagen der pseudo-zweidimensionalen Modelle unterschätzt. Auch bei den axialen Gradienten im Biofilm wurden Unterschiede zwischen den beiden evaluierten Modellierungsansätzen festgestellt. P3 zeigte auch, dass die Konzentrationsgradienten in der Gasphase einen stärkeren Einfluss auf die Modellierungsergebnisse hatten als die Konzentrationsgradienten in der Flüssigkeitsphase. Die Bedeutung der microscale features: mikrobielle Zusammensetzung und Dimensionalität wird untersucht. Außerdem werden die Auswirkungen auf die globalen Modellierungsergebnisse untersucht, die sich aus den Vereinfachungen der microscale features ergeben. Im Fall der mikrobiellen Zusammensetzung stehen mehr Informationen zu Verfügung, dank der neuen experimentellen Techniken (Molekularbiologie, Imaging usw.), dennoch kann nicht alles, was experimentell bestimmt werden kann, direkt in herkömmliche Modelle implementiert werden. Was die Dimensionalität betrifft, haben Konzentration Gradienten in der Fließrichtung einen größeren Einfluss als bisher angenommen und müssen berücksichtigt werden, um MABRs besser zu beschreiben. Das angemessene Maß an Komplexität, das für ein microscale feature und allgemein für ein Modell erforderlich ist, sollte auf der Grundlage der Modellierungsziele, des aktuellen Verständnisses des Systems und der verfügbaren Daten entschieden werden.