AVALIAÇÃO DA NITRIFICAÇÃO E DESNITRIFICAÇÃO EM UM REATOR SEQÜENCIAL POR BATELADA COMO PROCESSO DESCENTRALIZADO PARA

TRATAMENTO DE ESGOTO SANITÁRIO Heike Hoffmann (*) Microbiologista, Doutora em Saneamento, Universidade Rostock/Alemanha, Pós-doutorado na UFSC, Pesquisadora visitante CNPq no Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental/CTC da Universidade Federal de Santa Catarina, Brasil. E-mail: heike@ens.ufsc.br Jochen Weitz FH Offenburg, Alemanha. Tatiana Barbosa da Costa Universidade Federal de Santa Catarina/UFSC – Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Brasil. Delmira Beatriz Wolff Universidade Federal de Santa Catarina/UFSC – Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Brasil. Christoph Platzer Rotária do Brasil Ltda, Florianópolis, Santa Catarina, Brasil. Rejane Helena Ribeiro da Costa Universidade Federal de Santa Catarina/UFSC – Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Florianópolis, SC, Brasil. Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental/CTC da UFSC – Campus Universitário, Trindade, Florianópolis, SC, Brasil. CEP 88040-970.Telefone (00 55 48) 331 7743

RESUMO Este trabalho apresenta os resultados da otimização de um reator seqüencial por batelada para tratamento de esgoto urbano. Foi operado um reator piloto totalmente automatizado com volume real para atender 6-8 pessoas, com a finalidade de avaliar seu uso em sistemas descentralizados. Foram realizados 3 ciclos por dia, cada ciclo com 400 litros de esgoto sanitário pré-tratado num tanque séptico. Para otimizar a desnitrificação, o enchimento por ciclo aconteceu na forma escalonada, em fases. Na primeira etapa dos ensaios, a primeira fase de enchimento recebeu uma vazão maior para assegurar inicialmente a desnitrificação do nitrato, remanescente no lodo depois da descarga do efluente do ciclo anterior. Operou-se durante duas semanas neste regime, com uma carga aplicada menor que 0,1 kg DBO5/kg SST.d. O esgoto tratado, lançado no final do ciclo, apresentou uma concentração de DQO de 40-80 mg/L, de sólidos suspensos abaixo de 15 mg/L, de DBO5 inferior a 10 mg/L e de amônio menor que 1 mg/L, estando de acordo com os padrões de lançamento de efluentes pela resolução 20/CONAMA/1986. Por causa da baixa alcalinidade natural, foi necessário a dosagem de cal para manter a estabilidade do processo. Em resultado da segunda etapa, com enchimentos equilibrados em mesmas vazões e a concentração de biomassa de 3.100-3.400 mg SST/L, a desnitrificação se estabilizou em 50-75%, sem afetar a concentração de oxigênio necessária para assegurar a estabilidade do processo. Com a otimização da desnitrificação, a necessidade de aplicação de cal para manter o pH diminui. O sistema mostrou ser uma técnica alternativa, econômica e robusta para aplicação em sistemas descentralizados. PALAVRAS CHAVE Desnitrificação, Nitrificação, Reator seqüencial por batelada, Sistema descentralizado INTRODUÇÃO

As populações distribuídas em regiões ainda não atendidas por sistema de tratamento de esgoto contribuem em grande escala para a poluição de águas subterrâneas e superficiais. Para resolver esse problema de forma efetiva e

com rapidez, é importante implantar sistemas descentralizados de tratamento de esgoto. As experiências nos países desenvolvidos mostram que as exigências para sistemas de tratamento de esgoto descentralizados são diferentes daquelas de sistemas centralizados e, de certa forma, são mais rígidas: baixos custos de investimento e de operação; operação simples com pouquíssima manutenção, mas mesmo assim, devem ter funcionamento robusto com resistência contra cargas elevadas e boa eficiência na remoção carbonácea e de nutrientes (Platzer, et al. 1995, Wilderer, 2001a).

Recentemente, os reatores seqüenciais por batelada, que são sistemas simples e robustos, com baixos custos de implantação, são aplicados para o tratamento de esgoto descentralizado em diversas partes no mundo (Wilderer, 2001b). Os reatores do tipo seqüencial por batelada (RSB), como sistemas de lodo ativado, têm a vantagem de possibilitar o regulamento adaptado entre as fases biológicas (aeróbias e anóxicas), porém a automação é fundamental para o seu funcionamento. Comparado com os sistemas de lodos ativados contínuos, eles são mais econômicos em relação aos custos de construção e operação.

Sem dúvida, a remoção de Amônio é o fator mais importante para proteger a qualidade da água. A remoção de nitrato, talvez menos importante para o receptor final, tem grande relevância para a operação devido a três fatores, relativos a segurança e economia do processo de tratamento: 1. As concentrações elevadas de nitrato podem provocar lodo ascendente na fase de decantação (Jenkins et al.

1993, ATV manual, 1997, Von Sperling 1997), prejudicando o processo de decantação. No caso de tratamento descentralizado sem operador, isto constitui um problema grave de segurança do processo.

2. A desnitrificação é importante especialmente para afluentes com baixa alcalinidade natural. A perda de alcalinidade pelo produção de ácido durante a nitrificação pode ser recuperada pela desnitrificação (Von Sperling 1997, Hoffmann et al., 2003).

3. A matéria orgânica (DQO/DBO5) que foi removida pelo processo anóxico, não carrega mais o processo aeróbio, o que implica em economia de energia para a aeração. O coeficiente de produção celular nas condições anóxicas é menor, o sistema produz menos biomassa.

Tendo em vista a necessidade de implantar processos biológicos de tratamento de esgotos eficientes, capazes de atender a legislação brasileira (CONAMA 20, 1986) com área implantada e custos reduzidos, foi desenvolvida uma solução tecnológica de lodo ativado por batelada, adaptada as condições do Brasil. O objetivo deste trabalho consiste em apresentar os resultados obtidos na otimização da remoção de nitrogênio, via realização de processos de nitrificação e desnitrificação em um reator piloto, projetado para atender uma população de 6-8 pessoas. O esgoto era pré-tratado em um tanque séptico, o que corresponde com a situação atual nas zonas ainda não atendidas por sistema de tratamento de esgoto.

METODOLOGIA Foi implantado um reator piloto, com a tecnologia de lodo ativado por batelada, junto à rede coletora do campus universitário da UFSC (Brasil), com volume de 1,4 m³, que tem capacidade para atender uma residência com 6-8 pessoas. A aeração era realizada com um aerador de membrana. A operação ocorria totalmente automatizada, porém operações especiais podiam ser realizadas através de um painel de controle, que permitia uma operação manual. O esgoto era pré-tratado em um tanque séptico com um tempo de retenção de 2-3 dias. A figura 1 mostra o procedimento automatizado do RSB. O princípio do processo corresponde com a desnitrificação escalonada, que pode ser efetuada nos sistemas de lodos ativados contínuos, que apresenta uma eficiência melhor de remoção de nitrogênio com menos gasto de energia (ATV manual, 1997). Dependendo da vazão diária, podiam ser realizados no RSB até 4 ciclos por dia. O reator piloto trabalhou em 3 ciclos por dia, cada um de 8 horas. A partir da primeira otimização, foram aplicados 400 litros de esgoto pré-tratado por ciclo, ou seja, 1200 litros por dia.

Figura 1: Esquema de um ciclo de lodo ativado por batelada com enchimento escalonado

Para realizar a nitrificação e a desnitrificação com boa eficiência, o enchimento total de um ciclo foi dividido. A figura 1 demonstra no círculo direito um enchimento em 4 fases. Na primeira etapa dos ensaios, o volume de enchimento na primeira fase foi maior do que nas outras (1 x 250 Litros, depois 3 x 50 litros). Na segunda etapa, em resultado da otimização, cada fase recebeu 100 litros. Depois do primeiro enchimento, ocorria uma fase anóxica para utilizar a DBO5 do esgoto bruto para a desnitrificação daquele lodo que permanecia no reator. Depois da descarga, seguia uma fase de aeração, ocorrendo então a depuração do resto da matéria orgânica e a nitrificação. Isso se repetiu quatro vezes durante um ciclo. Após estas fases biológicas de tratamento, a aeração era interrompida e iniciava-se a fase de sedimentação, como apresenta a figura 1 no círculo esquerdo, essa fase tinha uma duração de 60-70 minutos. O esgoto tratado era retirado e o ciclo era reiniciado, com o carregamento do tanque, o processo demorava 55-60 minutos. Todos os processos foram feitos com a automação do sistema, sem a necessidade de um operador. Neste estudo, foi feita a otimização da quantidade de passos no tratamento com os referentes tempos nas diversas fases biológicas. Foram realizadas variações das condições operacionais com relação as cargas orgânicas e hidráulicas aplicadas, a concentração de biomassa (lodo) e a duração de fases anóxicas e aeróbias para reduzir custos. Foram analisados:

• Três vezes por semana os parâmetros de afluente e efluente final: DQO, SS, (Standard Methods, APHA-AWWA-WEF, 1998), NH4-N, NO3-N, NO2-N, PO4-P, (Merck, espectrofotômetro)

• Cada semana foi feito o monitoramento de um ciclo com 8 horas de duração, medindo-se o pH, OD e temperatura, foram coletadas amostras no final das fases anóxica e aeróbia (amostra do lodo filtrado) para análises de DQO, NH4-N, NO3-N, NO2-N,

• Uma vez por semana foi verificada a decantabilidade do lodo através da determinação do índice volumétrico do lodo (IVL), volume de lodo (VL), e Sólidos Suspensos Totais (SST).

A microscopia ótica acompanhou o processo de formação de biomassa no reator e facilitou as conclusões sobre o caráter de problemas de funcionamento (método adaptado por Hoffmann et al. 2001).

A operação foi iniciada com três ciclos por dia, que corresponde a uma carga hidráulica de 1,2 m³ de esgoto por dia. A concentração do esgoto pré-tratado no tanque séptico, em termos de matéria orgânica era em torno de 220-450 mg DQO/L e 120-180 mg DBO5/L e a concentração em termos de amônio era na faixa de 35-40 mg/L. Para a inoculação do reator, foi empregado o lodo de uma ETE do tipo lodo ativado com aeração prolongada.

RESULTADOS

Na partida do reator, a concentração inicial de lodo era de 800 mg ST/L. Depois de 1 semana de operação (figura 2 A, com tempo de fases apresentados embaixo) começou a nitrificação com a carga de lodo de 0,14 kg DBO5/kg SST.d e a concentração de biomassa em 1.100 mg SST/L. Inicialmente, a concentração de nitrito aumentou. Como a concentração de oxigênio era suficiente (superior a 4 mg O2/L nas fases aeróbias) a explicação para o aumento do nitrito é que as bactérias do tipo Nitrobacter, responsáveis pela oxidação de nitrito para nitrato, ainda não tinham crescido o suficiente para realizar a nitrificação total, um fenômeno normal na partida das estações de lodo ativado (ATV manual, 1997), principalmente quando a temperatura estava em torno de 30oC. Segundo Knowles et al. (1965), as bactérias Nitrosomonas, responsáveis pela oxidação de amônio para nitrito, crescem mais lentamente do que as bactérias do tipo Nitrobacter até 28°C e determinam a velocidade da nitrificação nos países mais frios. A partir de 28°C as bactérias Nitrosomonas crescem mais rápido e a possibilidade de altas concentrações de nitrito aumenta, uma característica empregada, por exemplo, no processo SHARON (Jetten et al. 1997) para realizar a remoção de Nitrogênio de esgoto com altas concentrações de amônia num caminho reduzido sobre nitrito, que exige retirar continuamente a biomassa, para impedir a fixação de Nitrobacter.

No caso do reator piloto não foi retirado lodo até a 12a semana de operação e a nitrificação começou a se estabilizar depois de duas semanas (figura 2B, regime de fases continuas), chegando a carga abaixo de 0,1 kg DBO5/kg SST.d e uma concentração de biomassa de 1.500 mg ST/L Obviamente, a concentração de nitrito aumentou durante as fases 1-2 (figura 2B), mas no final da terceira fase da aeração, quando a concentração de amônio se aproximou de zero, o nitrito foi totalmente oxidado para nitrato e não aparece mais no efluente do ciclo.

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DQO NH4-N NO2-N NO3-N O2

B) Depois 2 semanas Fases: 60min DN/ 60min N /30min DN /60min N/ 30min DN /60min N /30min DN /30min N

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DQO NH4-N NO2-N NO3-N O2

C) Depois 4 semanas Fases: 60min DN/ 60min N /30min DN /60min N/ 30min DN /60min N /30min DN /30min N

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D) Depois 8 semanas Fases: 60min DN/ 62 min N/ 25min DN/ 62min N/ 25min DN/ 62min N/ 30DN/ 62 min N

Figura 2 A-D: Resultados obtidos em um ciclo padrão após 1,2,4 e 8 semanas de operação do reator

Depois de quatro semanas de operação (figura 2C) a concentração da biomassa chegou em 2.200 mg ST/L e a carga ficou menor que 0,05 kg DBO5/kg SST.d na faixa de estabilização do lodo (Von Sperling,, 1997). A nitrificação decorreu totalmente até nitrato, não apareceu mais nitrito durante o ciclo (figura 2C) e dependendo da concentração de DQO/DBO5 que mudava diariamente, 50 até 90% do nitrato foram reduzidos para Nitrogênio. Por causa da concentração elevada do lodo, a biomassa realizou uma maior atividade, especialmente no início das fases e a concentração de oxigênio começou a diminuir. Seria possível começar a retirar o lodo em excesso, porque as exigências da legislação brasileira (CONAMA 20, 1986) foram cumpridas com esta carga aplicada. A concentração de DBO5 nunca esteve acima de 10 mg/L, a concentração de sólidos suspensos totais no efluente foi continuamente abaixo de 15 mg/L, a concentração de amônio esteve sempre abaixo de 1 mg/L e o nitrato foi reduzido. Para verificar a capacidade máxima de acumulação do lodo do reator, de início não foi retirado o lodo em excesso, mas com uma concentração elevada de lodo no reator o consumo de oxigênio aumentou. Em vista disto, verificou-se a necessidade de aumentar o tempo das fases aeróbias, para garantir suficiente oxigênio para a nitrificação. O resultado deste regime novo depois de mais 4 semanas de operação (8 semanas no total) é mostrado na figura 2D, que indica o tempo das fases. A concentração de biomassa chegou em 3.200 mg ST/L e a carga orgânica de lodo ficou inferior a 0,025 kg DBO5/kg SST.d. Mesmo com vazão elevada na primeira fase (250 L, depois 3 vezes 50 L), todo o amônio foi oxidado totalmente depois de cada fase da aeração, porém o nitrato não foi oxidado para nitrito. Com a redução das fases anóxicas, a desnitrificação foi limitada e a concentração de nitrato aumentou.

Com a redução da desnitrificação, surgiu um problema operacional. Por causa da baixa alcalinidade do esgoto (200-250 mg CaCO3/L) o pH no efluente final reduziu, ficando na faixa de 6 - 5,7, provocado pela produção de ácido devido à forte nitrificação (35-40 mg NH4-N/L no afluente). A alcalinidade natural não se mostrou suficiente para estabilizar o pH; a alcalinidade no efluente final por vezes ficou menor que 10 mg CaCO3/L. Segundo alguns autores (ATV Manual, 1997; Von Sperling, 1997) é recomendado uma concentração de pelo menos 50 - 75 mg CaCO3/L. A microscopia óptica mostrou que no lodo com pH abaixo de 6,5-6,2 todos os protozoários, importantes para a filtração das bactérias livres e partículas orgânicas na fase liquida, desaparecerem. A figura 3A mostra o lodo antes da estabilização da nitrificação, com protozoários do tipo Epistylis, que indicam uma boa oxigenação mesmo com carga elevada, por causa da baixa concentração de sólidos nas primeiras semanas. A figura 3B mostra uma colônia das bactérias nitrificantes e bactérias livres, por causa do pH abaixo de 6-5,7 os flocos de lodo ativado foram destruídos, como mostra a figura 3C. Para assegurar o pH acima de 6,5, foi adicionada diariamente uma solução de cal. A formação de flocos se normalizou, a figura 3D mostra um floco compacto com os protozoários Arcella e Podophyra que indicam uma situação estável.

Figura 3 A-D: Imagem microscópica do lodo ativado antes (3A, aumento 100 vezes), durante(3B e 3C aumento 400 vezes) e depois (3D aumento 100 vezes) de problemas com baixa alcalinidade

A possibilidade mais econômica de recuperar a alcalinidade natural consiste na otimização do processo de desnitrificação (Jenkins et al. 1993, ATV Manual, 1997; Von Sperling 1997). Uma redução anóxica de matéria orgânica diminui a necessidade de oxigênio para os processo aeróbios e reduz a produção de biomassa. Com esse objetivo, o processo biológico do reator piloto foi otimizado em seguida.

Inicialmente, o tempo das fases anóxicas foi aumentado e o tempo das fases aeróbias foi reduzido (figura 5A). Realmente a desnitrificação melhorou, a concentração de nitrato no final do processo depois de uma semana de regime foi reduzida até 20 mg NO3-N/L. A concentração de sólidos tinha aumentado até 3.300 mg/L, sem perda nenhuma de biomassa com o efluente final, ficando a concentração de sólidos suspensos no efluente em torno de 10 mg/L. A redução das fases aeróbias diminuiu a concentração de oxigênio, que praticamente ficou limitada até a última fase de aeração, mas mesmo assim, as bactérias nitrificantes obtiveram suficiente oxigênio para nitrificar todo o amônio até o final do ciclo.

A B D C

Apesar da nitrificação não ter sido afetada, o lodo apresentou alterações durante três semanas (8a até 11a semana) deste regime, as quais influenciaram a sua decantabilidade. O índice volumétrico de lodo aumentou até 180 ml/g, e a microscopia mostrou a formação de bactérias filamentosas, provavelmente por causa da baixa concentração de oxigênio. A figura 4 A mostra a formação de Zooglea, típica para o início da formação de flocos, a figura 4B mostra os flocos bem formados depois de 4 semanas de operação, a figura 4C mostra a o crescimento preferencial das bactérias filamentosas a partir da 10a semana e a figura 4D mostra a normalização após a 11a semana de operação.

Figura 4 A-D: Imagem microscópica do lodo ativado, 4A: 2a. semana, formação de flocos (aumento 400 vezes); 4B: 4a. semana, flocos bem formados, (aumento 100 vezes), 4C: 9a. semana, falta de oxigênio (aumento 400 vezes);

4D: 11a semana, normalização após otimização das fases (aumento 100 vezes).

Com o objetivo de otimizar a aeração sem impedir a desnitrificação, modificou-se a estratégia de enchimento. A grande vazão inicial, aplicada inicialmente para reduzir o nitrato remanescente no lodo para zero, não se mostrou suficiente, mas por outro lado, essa carga elevada reduziu bastante a concentração de oxigênio na primeira fase aeróbia (figura 5A). Por isso foi decidido equilibrar a carga aplicada em 4 vezes com a mesma vazão de 100 litros (segunda etapa) e o tempo das fases foi equilibrado também, como apresentado na figura 5B. Como resultado depois de duas semanas desse regime, a concentração de oxigênio aumentou no final das fases aeróbias (figura 5B) e a concentração de lodo aumentou até 3.400 mg/L. A decantabilidade melhorou durante 2 semanas neste regime, a imagem microscópica mostrou a redução das bactérias filamentosas (figura 4D). A desnitrificação ficou entre 50 e 75%. De acordo com os cálculos mostrados em ATV Manual (1997) e Von Sperling (1997), teoricamente seria necessário uma desnitrificação de 75-80% para manter a alcalinidade do efluente acima de 150 mg CaCO3/L. Assim, a desnitrificação obtida não foi suficiente para estabilizar o pH. O esgoto pré-tratado no tanque séptico não possuia suficiente DQO para obter-se uma maior eficiência na desnitrificação.

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DQO NH4-N NO2-N NO3-N O2

5 B) Depois 12 semanas Fases: 50min DN/ 42min N /50min DN /42min N/ 50min DN /42min N /50min DN /44min N

Figura 5 A-B: Resultados obtidos em um ciclo após 9 semanas (figura 5 A) e 12 semanas (figura 4 B) de operação do reator

Como resultado da otimização, a aeração foi adaptada nas necessidade do processo de lodo ativado, a nitrificação foi estabilizada, não apareceram concentrações de amônio acima de 1mg NH4-N, nem nitrito no final de ciclo, a

A D CB

concentração de nitrato se manteve abaixo de 18 mg/L. No final das 12. semanas, o lodo em excesso foi tirado para manter a concentração de biomassa em torno de 3.000 mg/ L.

Uma observação importante durante o último regime de alimentação equilibrada consistiu no relacionamento da curva de oxigênio com os processos biológicos. Obviamente a concentração de oxigênio aumentou subitamente depois de 30 minutos de processo aeróbio. O aumento alcançou cada vez uma concentração de oxigênio um pouco mais elevada. Mesmo assim o amônio no início da fase aeróbia diminui porque a fase aeróbia anterior deixou sempre um pouco menos de amônio (abaixo de 1,0 mgNH4-N/L). Com certeza, a subida da concentração de oxigênio estava relacionada com o final da nitrificação, fato este observado também por Bortolotto et al (2004) em reator de leito fluidizado seqüencial em batelada (RLFSB).

CONCLUSÃO

Os resultados mostraram a alta eficiência e estabilidade do processo de tratamento utilizando sistema RSB com enchimento escalonado. Desde a segunda semana, depois da partida, o reator cumpriu as exigências da legislação brasileira (CONAMA 20, 1986). O efluente no final do ciclo apresentou concentração de DQO de 40-80 mg/L, a concentração de sólidos suspensos se manteve inferior a 15 mg/L, a concentração de DBO5 abaixo de 10 mg/L e a concentração de amônio menor que 1 mgNH4-N/L. A otimização da desnitrificação resultou em um processo mais econômico, com menor gasto de energia elétrica para a aeração (fases mais curtas) e menor produção de lodo em excesso.

A forma simplificada de construção com instalações tecnicamente simples e um funcionamento relativamente simplificado (em comparação ao lodo ativado convencional) mas com uma grande flexibilidade, com respeito à variação de cargas e vazões, faz com que este processo seja muito interessante para o Brasil. O sistema é extremamente aplicável em regiões com influência turística, sendo, portanto, muito importante para o litoral brasileiro. O processo apresenta maiores vantagens sob condições com curtos picos de sobrecarga (3-4 dias) pelo fato que suporta uma carga de 30 - 50 % acima do normal sem resultados negativos para a sua eficiência.

AGRADECIMENTOS: À CAPES, ao CNPq e ao governo do estado alemão Baden - Würtemberg pela concessão de bolsas de estudo e pesquisa, à fundação alemã “Oswald Schulze” e à Rotária do Brasil Ltda. pelo fornecimento de equipamentos. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Bortolotto, A. F., Hein de Campos, R., Thans, F.C. e Costa, R.H.R. Nitrificação e remoção carbonácea em RLFSB no tratamento de esgoto urbano ao longo de uma batelada. In Congresso AIDIS, Porto Rico, 2004.

CONAMA: Conselho Nacional do Meio Ambiente, Resolução N°20, de 18 de junho de 1986, http://www.mmagov.br/port/CONAMA/res/res86/res2086.html

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Jenkins, D.; Richard, G.R.; Glen, T.D.: Manual on the causes and control of activated sludge bulking and foaming, 2nd Edition, Lewis Publishers Inc., 1993

Jetten, M.S.M.; Horn, S.J.; Loosdrecht; M.C.M. (1997): Towards a more sustainable municipal Wastewater Treatment Systems; Wat. Sci. Tech. Vol. 35, No. 9 pp. 171-180, 1997

Knowles, G.; Downing, A.L.; Barrett, M.J.: Determination of kinetic constants for nitrifying bacteria in mixed cultures with the aid of an electric computer; J. Gen. Microbiol. 38, pp. 263-278, 1965

Platzer, C. J., Nowak, J., Naciri-Göttlich, A. Aspekte der Abwasserentsorgung im ländlichen Raum In: Terratec, Leipzig Tagungsband zur Terratec´95, Band Abwassertechnik. 1995

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