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Filtration und Aktivkohleadsorption zur weitergehenden Aufbereitung von kommunalem Abwasser - Phosphor- und Spurenstoffentfernung

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[Quelle: http://d-nb.info]

Abwasser aus Kläranlagen enthält nach den konventionellen Verfahren Restkonzentrationen an organischen Substanzen, Nährstoffen (wie Phosphor und Stickstoff) und führt zu einem Eintragspfad für anthropogene organische Spurenstoffe, Mikrokunststoffe sowie (antibiotikaresistente) Bakterien und Gene. Steigende Qualitätsanforderungen und die wachsende Wasserknappheit verlangen zunehmend die weitergehende Aufbereitung von kommunalem Abwasser. Nachgeschaltete Filtrationsverfahren gekoppelt mit Aktivkohleadsorption bieten hierfür eine Lösungsmöglichkeit. Bestehende Verfahrenstechniken sowie die Abwasserzusammensetzung nehmen hierbei Einfluss auf die Effektivität und Notwendigkeit nachgeschalteter Verfahren. Die Untersuchungen zur weitergehenden Aufbereitung des Kläranlagenablaufs der vorliegenden Arbeit gliedern sich in (1) Charakterisierung des Kläranlagenablaufs und Ableitung von Surrogatparametern, (2) weitestgehende Phosphor- und Feststoffentfernung sowie (3) Aktivkohlefiltration. In Untersuchungsschwerpunkt (1) konnte gezeigt werden, dass sich der gesamt gelöste Phosphor (sTP) zu etwa 90 % aus gelöstem reaktiven Phosphor (sRP) und zu 10 % aus gelöstem nicht reaktiven Phosphor (sNRP) zusammensetzt, wobei sNRP = 51 ± 14 µg/l beträgt. sNRP nimmt direkten Einfluss auf die minimale TP-Ablaufkonzentration. Die Untersuchungen des gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC) ergaben, dass etwa 21,5 ± 8,2 % biologisch abbaubar sind und somit ein weiteres Potential für nachgeschaltete biologische Prozesse bietet. Basierend auf Adsorptionsanalysen konnte gezeigt werden, dass zum einen 20 ± 3 % des DOC nicht adsorbierbar sind und dass biologische Prozesse zur Abnahme der gut bis sehr gut absorbierenden DOC-Fraktionen (K > 100 (mg/g)·(l/mg)(1/n)) führen. Für die Erfassung von organischen Spurenstoffen und somit der Ableitung von repräsentativen Konzentrationen und Frachten, eignet sich die entwickelte Methode zur Erstellung von Wochen-Mischproben äquivalent zu 7 mal 24-Stunden-Mischproben. Zudem erfolgte die Herleitung von Indikatorsubstanzen (Amisulprid, Benzotriazol, Candesartan, Clarithromycin, Carbamazepin, Citalopram, Diclofenac, Hydrochlorothiazid, Irbesartan, Metoprolol, Summe 4.5-Methyl-1H-benzotriazol, Venlafaxin), die zur Prognose einer Vielzahl von Spurenstoffen dienen. Weiterhin erfolgte der Nachweis, dass der spektrale Absorptionskoeffizient bei 254 nm äquivalent zu den Verfahren Ozonung und Pulveraktivkohle auch bei (biologisch wirksamen) Aktivkohlefiltern als Surrogatparameter eingesetzt werden kann. Der Untersuchungsschwerpunkt (2) zeigt die Leistungsfähigkeit der Tuchfiltration (TF) und Mikro- (MF) und Ultrafiltration (UF) zur weitestgehenden Phosphor- und Feststoffentfernung. TF und die membranbasierten Verfahren erreichen TP << 100 µg/l. Ein Unterschied zwischen TF und MF beziehungsweise UF lag in Bezug auf die TP-Entfernung erst ab < 100 µg/l vor. Bei der TF kamen ebenfalls verschiedene Polstoffe (Mikrofaser (PES-14) und Ultrafaser (UFH-12)) zum Einsatz. Unabhängig von den eingesetzten Polstoffen lag TP << 100 µg/l, wobei sTP > 50 % betrug. Für sRP < 50 µg/l ist ein spezifischer Fällmittelbedarf (β-Wert) > 5 mol Me3+/mol P erforderlich. Hierbei beeinflussen die sRP-Ziel- und Ausgangskonzentration den β-Wert. Ein Unterschied zwischen eisen- und aluminiumhaltigen Fällmitteln wurde nicht festgestellt. Als Synergieeffekte nachgeschalteter Filtrationsverfahren konnte die weitergehende Entfernung von Mikrokunststoffen sowie in Kombination mit der Fällmittelzugabe eine Entfärbung des Abwassers nachgewiesen werden. Durch MF und UF zeigte sich zudem eine > 90 %ige Entfernung von Resistenzgenen und Bakterien. Filtrationsverfahren stellen somit eine Schlüsseltechnologie in Bezug auf die Minimierung der Phosphor- und Feststoffemissionen dar. Der Untersuchungsschwerpunkt (3) bewertet den Einfluss der Vorbehandlung, Aktivkohleauswahl, Leerbettkontaktzeit (EBCT) sowie biologische Prozesse in Aktivkohlefiltern. Für die Übertragbarkeit der Ergebnisse wurden Zu- und Ablauf der Aktivkohlefilter mittels Size Exclusion Chromatography mit Online-DOC- und UV254nm-Detektion untersucht sowie eine Bilanzierung des DOC, der in den Aktivkohlefiltern adsorbiert oder/und biologisch abgebaut wird, durchgeführt. Basierend auf den Ergebnissen wurden Hinweise für die Auslegung abgeleitet. Aktivkohlen mit einem hohen Meso- und Mikroporenanteil erwiesen sich bei DOC-Zulaufkonzentrationen < 7 mg/l in Schnellfilterversuchen, halb- und großtechnischen Versuchen als vorteilhaft für die Entfernung von Spurenstoffen. Aktivkohleunabhängig zeigte sich, dass die Adsorptionskapazität (bis zum Erreichen des Abbruchkriteriums) ab EBCT ≥ 20 min stagniert. Für die Auslegung von Aktivkohlefiltern ist somit eine EBCT ≥ 20 – 30 min heranzuziehen. Durch die Parallelschaltung von Filtern kann die Aktivkohleausnutzung weiterhin gesteigert werden, hierzu wurde eine potentielle Anfahrstrategie mit EBCT << 20 min bis zum Erreichen des Abbruchkriteriums mit anschließender Erhöhung auf >> 20min identifiziert. Bei einer weitestgehenden Feststoffentfernung im Zulauf (wie bei TF oder membranbasierten Verfahren) wird die Rückspülung von Aktivkohlefiltern maßgeblich durch die biologische Aktivität initiiert und liegt durchschnittlich bei 0,1 1/Wo (MF|UF) – 1,2 1/Wo (TF). Abwassertemperatur, Sauerstoff- und Nährstoffkonzentrationen sowie -verhältnisse tragen hierbei maßgeblich zur Verschiebung des Intervalls bei. Im Falle von Ammonium- und Nitrit-Stickstoff > 0,5 mg/l ist mit einer Zunahme der Rückspülhäufigkeit zu rechnen. Nach etwa 40 – 50 d konnte die Entfernung von schlecht adsorbierbaren Spurenstoffen basierend auf biologischen Prozessen nachgewiesen werden. Unter Ausnutzung der Adsorptionskapazität sowie biologischer Prozesse zeigte sich ein ähnlicher bis geringerer Aktivkohlebedarf bei Aktivkohlefiltern im Vergleich zu dem nachgeschalten Einsatz von Pulveraktivkohle. Das Potential zur biologischen Entfernung von Spurenstoffen, die schlecht bis mäßig adsorbierbar, jedoch biologischen Prozessen zugänglich sind, stellt ein Alleinstellungsmerkmal für biologisch wirksame Aktivkohlefilter dar.

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The design of wastewater and sludge treatment plants under deviating wastewater and climatic conditions in other countries requires an amendment of existing design rules compliant to the DWA Set of Rules, which have been primarily developed for Central European conditions. This concerns, for example, the consideration of high or low wastewater temperatures, increased salt content or special discharge requirements. Within the framework of the "EXPOVAL" research project funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF), internationally applicable design approaches have been developed. The results have been prepared for the volume in the form of internationally applicable design approaches and supplement the DWA Set of Rules accordingly. The new and extended design approaches include activated sludge plants, trickling filter systems and wastewater ponds, UASB-reactors, plants for anaerobic sludge stabilisation and solar sewage sludge drying, aeration systems and the elimination of helminth eggs. Practical calculation examples are presented for all processes. In addition to the extension and adaptation especially to different temperature conditions, the design approaches in the volume were uniformly converted to the internationally widespread monitoring practice by means of daily average values and to the chemical oxygen demand (COD) for the cleaning objective of carbon degradation.

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DWA-Themen T1/2019, Mai 2019. Aktivkohleeinsatz auf kommunalen Kläranlagen zur Spurenstoffentfernung - Verfahrensvarianten, Reinigungsleistung und betriebliche Aspekte
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In der Fachwelt wird derzeit für kommunale Kläranlagen sowohl die Anwendung von Aktivkohle als auch der Einsatz von Ozon bzw. eine kombinierte Anwendung beider Betriebsmittel als Möglichkeit angesehen, um gelöste organische Spurenstoffe aus dem Abwasser zu entfernen. Ende des Jahres 2017 waren im deutschsprachigen Raum bereits rund 20 Kläranlagen vorhanden, auf denen Aktivkohle dauerhaft zur weitergehenden Abwasserreinigung bzw. gezielten Spurenstoffelimination eingesetzt wird. Von mehr als 15 weiteren Kläranlagen ist bereits bekannt, dass sie in den nächsten 5 Jahren um ein Aktivkohleverfahren zur gezielten Spurenstoffelimination erweitert werden. Der Themenband gibt einen Überblick über den gegenwärtigen Wissensstand zum Aktivkohleeinsatz auf Kläranlagen zur Spurenstoffentfernung. Hierzu sind verschiedene Teilaspekte zur Aktivkohleanwendung dargelegt. Insbesondere werden die Ausführung und Spurenstoffeliminationsleistung von geeigneten Aktivkohleverfahren beschrieben. Es werden Hinweise zu betrieblich relevanten Aspekten gegeben, wirtschaftliche Gesichtspunkte der Aktivkohleanwendung auf Kläranlagen aufgeführt und Entscheidungs- und Bewertungskriterien zur Findung eines geeigneten Aktivkohleverfahrens aufgezeigt. Die aufgeführten Auslegungsgrößen der bereits in Betrieb befindlichen Aktivkohleanlagen sind hierbei nicht als allgemeingültige Bemessungsvorgaben zu verstehen. Jedoch ist nach den bisherigen Erfahrungen bei Einhaltung dieser Angaben ein stabiler Anlagenbetrieb gegeben. Der Themenband "Aktivkohleeinsatz auf kommunalen Kläranlagen zur Spurenstoffentfernung" wurde von der DWA-Arbeitsgruppe KA-8.6 "Aktivkohle" im DWA-Fachausschuss KA-8 "Verfahren der weitergehenden Abwasserreinigung nach biologischer Behandlung" erstellt. Der Themenband richtet sich an Betreiber, Planer und genehmigende Behörden.

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Membrantechnik zur Wasseraufbereitung und Abwasserreinigung
GWF-Praxiswissen
2019, 96 S., 29.7 cm, Softcover
Vulkan Verlag

 

 

Praxiswissen "Membrantechnik zur Wasseraufbereitung und Abwasserreinigung" bietet Einblicke in aktuelle Entwicklungen zur Wasser- und Abwasserbehandlung mit Membranen. Mikroplastik, antibiotikaresistente Keime, Spurenstoffe und das steigende Bewusstsein für die Möglichkeiten, gereinigtes Abwasser direkt wieder zu nutzen und Wert- und Nährstoffe in hohem Maße zurück zu gewinnen, bilden die Motivation für viele der beschriebenen Entwicklungen. Die Nutzung von Rohwässern mit verschiedenartigen Verunreinigungen in schwankenden Konzentrationen bedeutet eine Herausforderung für die Trinkwasseraufbereitung, die sich ohne Membranen oft gar nicht meistern lässt. Darüber führt die in manchen Ländern herrschende Pflicht zur abwasserfreien Produktion zu einem steigenden Bedarf an Verfahren zur Behandlung und Verwertung hochkonzentrierter Salzlösungen. Die vorgestellten Lösungsansätze adressieren sowohl die etablierten Prozesse Mikro-, Ultra-, Nanofiltration und Umkehrosmose als auch alternative Verfahren wie Vorwärtsosmose, Membranadsorption, -extraktion und -destillation. Weitere Beiträge beschreiben Fortschritte bei der Material- und Modulentwicklung, die zu geringeren Verbräuchen an Energie und Betriebsmitteln und mehr Prozesssicherheit führen.

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Forschungsberichte

Bauforschungsberichte, Kurzberichte, Dissertationen, Hinweise auf laufende und abgeschlossene Forschungsvorhaben sowie Bauforschungs-Informationen aus dem deutschsprachigen Raum können Sie sich kostenlos/kostenpflichtig als Download direkt auf den Bildschirm holen oder online auf Papier bestellen.
Weitere Informationen rund um das Thema Bauforschung finden Sie in unserem
Portal Bauforschung

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Ansgar Beuth, Achim Hamann
Hemmnisse und Potenziale der Abwasserwärmenutzung zur Gebäudeheizung - technische, wirtschaftliche, planerische und rechtliche Aspekte
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3123
2019, 120 S., 63 Abb. u. 1 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Es ist festzustellen, dass das Potenzial der Abwasserwärmenutzung bisher nicht in dem bestmöglichen Maße genutzt zu werden scheint, obwohl ausgereifte Technologien zur Verfügung stehen. Demnach ist der Kernfrage nachzugehen, welche Hemmnisse und Anreize im Zusammenhang bei der Abwasserwärmenutzung vorliegen und welche Strategien zur Beseitigung technischer, wirtschaftlicher, planerischer und rechtlicher Hemmnisse zur Einbeziehung der Abwasserwärmenutzung in den Wärmemarkt formuliert werden können. Dazu waren die Akteure der Immobilienwirtschaft, des Hochbaus bzw. der Bauwirtschaft im Allgemeinen zu identifizieren, die bei der Entwicklung, der Planung, dem Bauen und Betreiben von Immobilien beteiligt sind. Um deren Erfahrungen und Standpunkte zu nutzen, kam methodisch eine thematisch strukturierte Online-Befragung mit einem Höchstmaß an Datensicherheit in Frage. Festgestellt wurde, dass Defizite bezüglich Erfahrungen, Informationsbezug und Kenntnissen zu Investitionskosten und Wirtschaftlichkeit bestehen. Daraus leiten sich die Strategien und Handlungsfelder ab aus denen dann Handlungsempfehlungen zur Steigerung der Anwendungsfälle der Abwasserwärmenutzung formuliert wurden.

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Alexander Vogt, Christoph van Treeck
Optimierung von Abwasserwärmetauschern für den gebäudetechnischen Einsatz. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3055
2018, 102 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die zentrale Problematik bei der Wärmerückgewinnung aus Abwasser ist der gehemmte Wärmeübertrag. Grund dafür ist der Biofilm auf den Wärmeüberträgern, der sich im Abwasser bildet. Dieses Biofilmwachstum wurde bisher nur unzureichend untersucht und daher zum Gegenstand dieses Forschungsprojektes gemacht. Dazu wurde ein Versuchsstand konzipiert, der es ermöglicht das Biofilmwachstum auf Wärmeübertragern ausreichend genau zu ermitteln. Es wurden verlässliche Angaben über die Biofilmentwicklung auf Wärmeübertragern sowie die Höhe der Wärmeübertragsreduktion ermittelt. Außerdem wurden verschiedene Arten der Anströmung auf den Wärmeübertrager durchgeführt und dadurch eine Reduktion des Biofilms erreicht.

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Membranfiltration in Hessen - Teil 2 und Gesamtzusammenfassung
Wasser - Abwasser - Umwelt, Schriftenreihe des Fachgebietes Siedlungswasserwirtschaft, Universität Kassel, Band 24
2009, V, 90 S., 21 cm, Softcover
kassel university press

 

 

Der Band gibt die Ergebnisse eines durch das Hessische Ministerium für Umwelt, ländlichen Raum und Verbraucherschutz geförderten Vorhabens wieder, in dessen Rahmen der Einsatz des Membranbelebungsverfahrens zum Zweck der Ertüchtigung von Kläranlagen in Hessen auf seine praktische Anwendbarkeit und Verfahren spezifische Besonderheiten, insbesondere den Einfluss des bei Ertüchtigungsmaßnahmen prinzipbedingt niedrigeren Trockensubstanzgehaltes, untersucht wurde. In dem hier beschriebenen in 2004 abgeschlossenen zweiten Projektteil wurde in Ergänzung der in Band 23 bereits dargelegten Untersuchungen das System der Firma Kubota untersucht. In dem Band finden sich die Ergebnisse dieser Untersuchungen, gefolgt von der Darlegung der zusammenfassenden Erkenntnisse und Empfehlungen, gewonnen aus beiden Projekten.

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D. Stein, A. Brauer
Entwicklung von Prüf- und Beurteilungskriterien für Sanierungsverfahren für Abwasserleitungen zur Erteilung bauaufsichtlicher Zulassungen. Abschlussbericht
Bauforschung, Band T 3059
2004, 144 S., 12 Abb., 26 Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Für die bauliche Sanierung von Abwasserleitungen und -kanälen ist generell eine Qualitätssicherung erforderlich, um eine fach- und umweltgerechte Ausführung zu gewährleisten. Grundlage der Qualitätssicherung sind verfahrensspezifische Eignungsnachweise. Sie haben die Aufgabe, im Rahmen von Prüfungen unter simulierten Betriebsbedingungen die Tauglichkeit des jeweiligen Sanierungsverfahrens nachzuweisen. Zur Zeit existieren keine allgemeinen Richtlinien oder verbindliche und einheitliche Kriterien zur Beurteilung der Eignung von Sanierungsverfahren. Im diesem vom DIBt geförderten Forschungsvorhaben wurden allgemeine Prüfrichtlinien für die wichtigsten grabenlosen Verfahren zur Reparatur, Renovierung und Erneuerung von nichtbegehbaren Abwasserleitungen (DN/ID kleiner gleich 800) entwickelt, auf deren Grundlage zukünftig die Erteilung entsprechender Allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassungen durch das DIBt nach einheitlichen Prüf- und Beurteilungskriterien erfolgen können (Nachweis der bautechnischen Eignung und Nachweis der verfahrensbezogenen Umweltverträglichkeit). Die Arbeitsanleitungen umfassen: - Allgemeine Eignungsprüfungen; - Geometrische Eignungsprüfungen; - Physikalische Eignungsprüfungen; - Chemische, biologische und biochemische Eignungsprüfungen; - Sonstige Eignungsprüfungen; - Umweltverträglichkeitsprüfungen. Die Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens sollen als Grundlage für die Erarbeitung einer entsprechenden DIBt-Richtlinie bzw. eines DIBt-Merkblattes dienen. Darüber hinaus sollen sie auch einen Beitrag zur Verbesserung der Qualität der Ausführung von Sanierungsarbeiten leisten und insofern helfen, die diesbezüglichen Bestrebungen der Kommunen und Kanalnetzbetreiber sowie der zuständigen Verbände (z.B. Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. (ATV-DVWK), Güteschutz Kanalbau) zu unterstützen.

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H. Doll, K. Hilmer, A. Hoch
Dimensionierung von Linern zur Sanierung geschädigter Rohrleitungen. Schlußbericht
Bau- und Wohnforschung
1998, 96 S., Abb.,Tab.,Lit.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die experimentelle Verifizierung der Berechnungsannahmen der ATV M127 Teil 2 war Ziel des Forschungsvorhabens. Untersucht wurde das auflastbedingte Verformungsverhalten von mit Schlauchlinern sanierten Betonrohren DN 800. Es wurden 2 großmaßstäbliche Versuche mit 2 unterschiedlichen Linerwandstärken (9,0 mm bzw. 18,0 mm) durchgeführt. Die maximalen Linerbeanspruchungen traten bei beiden Versuchen in der Sohle auf. Ferner wurde deutlich, daß der dünnere Liner unabhängig von der Laststufe nur ca. 50% der Beanspruchung des dickeren Liners erfährt. Der Vergleich zwischen experimentellen und numerischen Ergebnissen ergab keine befriedigende Übereinstimmung. Als Schlußfolgerungen hinsichtlich der Planung von Sanierungsmaßnahmen ergeben sich: Mit Linern sanierte biegesteife Rohre weisen ein erhebliches Verformungsvermögen auf. Die gemessenen Linerdehnungen zeigen ferner, daß ein dünnerer Liner geringer beansprucht wird; d.h. gegenüber einer Berechnung nach ATV A127 (bisher gängige Praxis) können erhebliche Einsparungen erzielt werden.

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Ahnert, Markus; Hurzlmeier, Stefan; Kühn, Volker; Wichern, Marc
Empfehlungen für die Durchführung von Plausibilitätsprüfungen bei der Erarbeitung von Belastungsdaten zur Kläranlagenbemessung
KA Korrespondenz Abwasser, Abfall, 2022

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Offermann, Martin; Feierabend, Maryna
Kollaborative Arbeitsweise im Rahmen der digitalen Transformation der Wasserwirtschaft. Erkenntnisse eines Online-Impulses und Fallbeispiele von HAMBURG WASSER
KA Korrespondenz Abwasser, Abfall, 2022

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Friedrich, Dominik; Heindl, Albert
Einsatz des Scheibentrockners zur Trocknung von Klärschlamm. Teil 1: Funktion, Aufbau und Regelung
KA Korrespondenz Abwasser, Abfall, 2021

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Nilson, Enno; Fleischer, Claudius; Frassl, Marieke
Was leistet der DAS-Basisdienst "Klima und Wasser" für das Niedrigwassermanagement in Deutschland?
KW Korrespondenz Wasserwirtschaft, 2021

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Oelmann, Mark; Roters, Benedikt
Zur Entwicklung von Niederschlagswasser-Gebührenmodellen. Teil 1: Übersicht und Bewertungskriterien
KA Korrespondenz Abwasser, Abfall, 2021

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