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"Verfahren zur ob b#o#ogis#en Reinig#ng#von Abwasser"
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Reinigung von
Abwasser durch die Aktiv-Schlammmethode, wobei das Abwasser in zwei Behandlungszonen
in Berührung mit Mikroorganismen gebracht wird, indem das Abwasser abwechselnd in
die eine und die andere Behandlungszone geführt und in diesen Zonen abwechselnd
unter anoxischen und aeroben Bedingungen behandelt wird, und dass so behandelte
Abwasser zum Abscheiden von Schlamm, der rezirkuliert und mit anoxischen und aeroben
Behandlungen zu unterwerfendem Abwasser vermischt wird, in eine Klärzone geführt
wird.
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Ein Verfahren dieser Art ist aus der DK-PS 131.279 bekannt. Durch
dieses bekannte Verfahren kann mit verhältnismässig geringem Energieverbrauch Stickstoff
aus dem Abwasser effektiv entfernt werden. Das. Entfernen des Stickstoffes erfolgt
durch eine sogenannte Nitrifikation mit darauf folgender Denitrifikation. Die Nitrifikation,
die unter aeroben Bedingungen erfolgt, besteht darin, dass unter gleichzeitigem
Abbau von im Abwasser enthaltenen organischen Stoffen eine Oxydation von Ammoniakstickstoff
zu Nitrat erfolgt, während die Denitrifikation, die unter anoxischen Bedingungen
erfolgt, in der Entfernung von organischen Stoffen unter Verwendung von Nitrationen
als Oxydationsmittel besteht. Durch diese Oxydation wird Nitratstickstoff zu freiem
Stickstoff reduziert, der in Gasform entweicht.
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Es besteht aber ein immer grösseres Bedürfnis, das Entfernen von
Stickstoff mit einem Entfernen von Phosphat kombinieren zu können, nachdem es sich
gezeigt hat, dass der in Abwasser enthaltende Phosphor zu den in küstennahen Meergebieten
und in Seen festgestellten Eutrophierungsproblemen beiträgt. Diese Eutroph ierung
sprobleme zeigen sich dadurch, dass das Bodenwasser zeitweise sehr sauerstoffarm
wird, und dass sich anaerober Bodenschlamm bildet.
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Dadurch werden die Lebensbedingungen für Fische stark verringert.
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Trotz dieser ernsten Probleme und des Umstandes, dass grosse Mengen
Stadtabwasser in empfindliche Rezipienten, wie Seen und Fjorde mit verhältnismässig
geringem Wasseraustausch, sowie in Wasserläufe, die in solche Sehen und Fjorden
münden, geleitet werden, wird nur ein geringer Teil des Stadtabwassers einer Reinigung
unterworfen, um den Phosphor zu entfernen.
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In den meisten Fällen, in denen ein Entfernen von Phosphor aus Abwasser
vorgenommen wird, geschieht dies durch eine chemische
Fällung, und
zwar durch die Zugabe von Aluminiumsulfat, Ferrichlorid, Ferrosulfat, Kalziumhydroxyd
oder Kalziumoxyd, um gelösten Phosphor auszufällen, worauf das Fällungsprodukt durch
Sedimentation, Flotation oder Filtrieren aus dem Abwasser entfernt wird. Dies führt
zu erhöhten Betriebskosten.
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Die mit einer chemischen Fällung verbundene erhöhte Schlammproduktion
führt aber auch zu erhöhten Betriebskosten für die Behandlung des Schlamms- sowie
ggf. auch zu Kapazitätsprobleme für die bestehende Schlammstabilisierung und/oder
Schlammentwässerung. Es wäre deshalb erwünscht, die biologische Reinigung zur Entfernung
von Stickstoff aus Abwasser mit einem biologischen Entfernen von Phosphor kombinieren
zu können.
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Es wäre ebenfalls erwünscht, wenn das durch das Entfernen von Phosphor
erzielte phosphorhaltige Produkt in solcher Form anfallen würde, dass es für Düngezwecke
verwendbar wäre, um dadurch fremde Währung für die Einfuhr von Phosphatmineralien
für die Herstellung von phosphorhaltigen Düngemitteln einzusparen. So haben Berechnungen
ergeben, dass 10 bis 30% der in der Landwirtschaft verwendeten Phosphormenge durch
aus Abwasser gewonnenen Phosphor gedeckt werden kann.
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Bei einem bekannten Verfahren (der Phoredox-Methode) zum gleichzeitigem
Entfernen von Nitrogen und Phosphor aus Abwasser durch die Aktiv-Schlammmethode,
wird das Abwasser in in Reihe geschalteten Reaktoren behandelt, wobei das Abwasser
in einem ersten Reaktor anaerob, in einem zweiten Reaktor anoxisch und einem dritten
Reaktor aerob behandelt wird, bevor es geklärt wird, und der beim Klären ausgefällte
Schlamm in die anaerobe Behandlungszone rezirkuliert wird. Gleichzeitig wird ein
Teil der Flüssigkeit von der aeroben Behandlungszone in die anoxische Behandlungszone
rezirkuliert.
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Der bei der Phoredox-Methode rezirkulierte Schlamm enthält eine beträchtliche
Menge Nitrationen, und es hat sich gezeigt, dass diese Ionen, die Phosphorentfernung
ungünstigt beeinflussen.
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In einem Versuch dieses Problem zu lösen, wurde eine modifizierte
Phoredox-Methode, die sogenannte UCT-Methode, entwickelt, die die gleiche Behandlungssequenz
für das Abwasser umfasst, wie die Phoredox-Methode, bei der aber der Schlamm von
der Klärzone in die anoxische Behandlungszone rezierkuliert, und Flüssigkeit mit
niedrigem Nitratgehalt von dieser Zone in die anaerobe Be-
handlungszone
rezirkuliert wird. Dadurch wird vermieden, dass Nitrationen im Schlamm aus der Klärzone
die anaerobe Behandlung und damit das Phosphorentfernen stören.
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Bei der Reinigung von Abwasser in einer Anlage des Aktiv-Schlammtyps
wird gewöhnlich nur eine dem Gehalt der normalen Schlammmenge an Phosphor entsprechende
Menge Phosphor entfernt.
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In der Praxis beträgt diese Menge etwa 30% des Gehalts des Abwassers
an Phosphor, und der produzierte Schlamm enthält auf Trockenstoffgehalt gerechnet
gewöhnlich 1,5 bis 2,596 Phosphor.
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Es hat sich aber gezeigt, dass unter gewissen bisher nichtklargelegten
Bedingungen gleichzeitig mit dem Entfernen von Stickstoff ein Entfernen von einer
wesentlich grösseren Menge Phosphor als die Phosphormenge erfolgt, die der Schlamm
nach Erwarten enthalten sollte. Diese Verhältnisse wurden näher untersucht, und
es ergab sich, dass gleichzeitig mit einem guten Entfernen von Stickstoff aus Abwasser
ein effektiveres und konstanteres Entfernen von Phosphor erzielt werden kann, wenn
das Abwasser, bevor es den anoxischen und aeroben Behandlungen unterworfen wird,
unter anaeroben Bedingungen behandelt wird, und der beim Klären anfallende Schlamm
in die anaerobe Behandlungszone rezirkuliert wird.
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Das erfindungsgemässe Verfahren ist also dadurch gekennzeichnet,
dass das Abwasser unter anaeroben Bedingungen in Berührung mit Mikroorganismen gebracht
wird, bevor er den anoxischen und aeroben Behandlungen unterworfen wird, dass die
Verweilzeit des Abwassers in jeder Behandlungszone, in der es abwechselnd unter
oxischen und aeroben Bedingungen behandelt wird, im Vergleich zur Dauer dieser Behandlungen
lang ist, und dass der Schlamm in das Abwasser rezirkuliert wird, welches unter
anaeroben Bedingungen behandelt wird.
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Es ist anzunehmen, dass die Entfernung von Stickstoff und Phosphor
durch das erfindungsgemässe Verfahren von der Gegenwart folgender drei Typen Bakterien
abhängt: (a) phosphorakkumulierende heterotrophe Bakterien, (b) nicht-phosphorakkumulierende
denitrifizierende heterotrophe Bakterien, und (c) nitrifizierende Bakterien.
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Während der anaeroben Behandlung des Abwassers nehmen die phosphorakkumulierende
Bakterien, die akkumuliertes Polyphos-
phat enthalten, niedrig molekulare
gelöste organische Stoffe auf, die in Form von z.B. Polyhydroxybutyrat (PHB) gespeichert
werden, wobei das verhältnismässig energiereiche Polyphosphat als Energiequelle
verwendet wird. Dadurch entstehen Orthophosphationen, die in das flüssige Medium
in der anaeroben Behandlungszone freigesetzt werden. Bei der aeroben Behandlung
des Abwassers erfolgt eine Oxydation akkumulierten und hydrolysierten suspendierten
organischen Stoffes, und die dadurch freigesetzte Energie wird teils für das Wachstum
der Mikroorganismen und teils zum Akkumulieren von Orthophosphationen in Form von
Polyphosphat aus dem flüssigen Medium in den phosphorakkumulierenden Bakterien verwendet.
Es erfolgt somit ein Entfernen von gelöstem Phosphor aus dem Abwasser.
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Enthält der aus der aeroben Behandlungszone rezirkulierte Schlamm
Nitrat in einer hohen Konzentration, werden in der anaeroben Zone die nicht-phosphorakkumulierenden
denitrifizierenden Bakterien fähig gelöste leicht zersetzbare Stoff umzusetzen,
wodurch die Menge organischen Stoffes, die die phosphorakkumulierenden Bakterien
nutzen können, reduziert wird. Dadurch wird das Wachstum und damit die Wirkung der
letzteren beeinträchtigt.
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Beim erwähnten Verfahren, bei dem zwei Behandlungszonen zum Einsatz
kommen, die abwechselnd für anoxische und aerobe Behandlung des Abwassers verwendet
werden, erfolgen während der Verweilzeit des Abwassers in einer Behandlungszone
mehrere Umste lungen zwischen anoxischen und aeroben Behandlungen. Die Verweilzeit
des Abwassers in einer Behandlungszone ist mit anderen Worten lang im Vergleich
zur Dauer der einzelnen Phasen.
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Während der anoxischen Phase gibt es anfangs eine beträchtliche von
der vorhergehenden aeroben Behandlung herrührende Menge Nitrationen. Die Konzentration
dieser Nitrationen nimmt während der anoxischen Phase ab gleichzeitig damit, dass
die NH3-Konzentration zunimmt, und dadurch werden die Bedingungen immer anaerober
(was wie vorstehend erwähnt bewirkt, dass Phosphor in Form von Orthophosphationen
freigesetzt wird). In der aeroben Phase wird NH3 von der vorhergehenden Phase oxydiert
und gleichzeitig nimmt die NO3-Konzentration zu.
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Dadurch dass das Abwasser mehreren anoxischen und aeroben Behandlungen
unterworfen wird, während es sich in einer Behandlungszone befindet, wird eine besonders
niedrige durchschnitt-
liche Nitratkonzentration in dem aus dieser
Behandlungszone entnommenen Produkt und damit auch eine niedrige durchschnittliche
Nitratkonzentration des in die anaerobe Behandlungszone zurückzuführenden Schlamms
erzielt, was diesen Schlamm besonders wirksam für die erwähnte Entfernung von Phosphor
macht.
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Das Abwasser von der anaeroben Zone wird vorzugsweise einer anoxischen
Zone geführt aber kann doch auch einer Zone zugeführt werden, worin eine aerobe
Behandlung erfolgt.
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Es sei bemerkt, dass abhängig vom natürlichen Gehalt des Abwassers
an Kalzium, Magnesium und Eisen sowie von seinem pH-Wert eine chemische Ausfällung
von Phosphor in Form von Metallphosphor, während der anaeroben Behandlung des Abwassers
auftreten kann. In Gebieten mit weichem Wasser (niedriger Kalziumgehalt), wird eine
solche rein chemische Ausfällung jedoch als von untergeordneter Bedeutung angesehen.
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Da die Phosphorkonzentration des Abwassers in einer Behandlungszone
beim Übergang von einer anoxischen zu einer aeroben Behandlung des Abwassers hoch
ist, wird eine vorzugsweise phasenverschobene Entnahme von Abwasser aus den Behandlungszonen
für die Klärzone vorgenommen. Die Entnahme von Abwasser von einer Behandlungszone
für die Klärzone erfolgt also erst eine Weile nach dem Übergang von einer anoxischen
zu einer aeroben Behandlung und umgekehrt. Durch geeignete Wahl der Entnahmezeiten
kann sichergestellt werden, dass das Abwasser nicht nur einen niedrigen Phosphorgehalt,
sondern auch einen niedrigen Nitrat- und Ammoniakgehalt hat.
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Eine besonders hohe Sicherheit dagegen, dass mit dem rezirkulierten
Schlamm eine unzweckmässig grosse Menge Nitrat in die anaerobe Behandlungszone geführt
wird, kann dadurch erzielt werden, dass dem Schlamm eine durchschnittliche Verweilzeit
von mindestens zwei Stunden in der Klärzone gegeben wird. Dies lässt sich durch
die Verwendung eines Klärbehälters mit einer besonders grossen Schlammtasche erzielen.
Während der verlängerten Verweilzeit des Schlamms im Klärbehälter wird eine Hydrolyse
erfolgen, wobei eine endogene (d.h. ohne Zufuhr von organischem Stoff von aussen)
Denitrifikation eintritt. Statt die Verweilzeit des Schlamms in der Klärzone zu
verlängern, kann die Hydrolyse des zu rezirkulierenden Schlamms auch in einem separaten
Hydrolysezone durchgeführt wer-
den, in dem ein Teil des rezirkulierten
Schlamms mindestens eine Stunde gehalten wird.
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Man kann auch mit Vorteil den rezirkulierten Schlamm in zwei Fraktionen
aufteilen, und eine Menge von z.B. 10% des Schlamms in eine Vorbehandlungszone führen,
welcher Abwasser zugeführt wird, und von welcher Abwasser in die anaerobe Behandlungszone
geführt wird. In dieser Vorbehandlungszone, in der eine Bodenfällung von ungelösten
Bestandteilen erfolgt, wird ein biologischer Abbau und dabei eine Säurebildung eintreten,
was zur Folge hat, dass das Material in einer für die Mikroorganismen besser abbaubaren
Form anfällt.
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Der Niederschlag aus der Vorbehandlungszone kann in die anaerobe Behandlungszone
geführt werden. Wird eine Ausführungsform mit sowohl Vorbehandlungszone als auch
einem separaten Behälter für die Schlammhydrolyse gewählt, kann der Teil des Schlamms,
der sonst der Vorbehandlungszone zugeführt werden sollte, dem separaten Hydrolysebehälter
zugeführt werden. Der Niederschlag aus der Vorbehandlungszone wird dem separaten
Hydrolysebehälter zugeführt, und die Mischung aus Niederschlag und Schlamm aus diesem
Behälter wird in die anaerobe Behandlungszone geführt. Diese Ausführungsform kann
in gewissen Fällen zu einer Verkleinerung des Reaktorvolumens der Anlage führen.
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Die Zuführung von Schlamm zur anaeroben Behandlungszone kann im untersten
Teil der Behandlungszone erfolgen und in einer solchen Weise, dass hierin eine aufwärtsbewegende
Schlammdecke gebildet wird.
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Hierdurch erzielt man eine Konzentrierung des Schlamms im Behälter
und gleichzeitig eine Hydrolyse des im Abwasser vorkommenden suspendierten Stoffs.
Diese Hydrolyse bewirkt, dass schwer abbaubarer organischer Stoff zu besser abbaubarer
organischer Stoff, der für die phosphorakkumulierenden Bakterien zugänglich ist,
umgebildet wird.
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Mit der letztgenannten Ausführungsform erzielt man ohne Verwendung
eines separaten hydrolysebehälters in groben Zügen dieselbe Wirkung wie bei der
Verwendung eines separaten Hydrolysezone.
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Die anaerobe Behandlungszone kann an Stelle in mindestens zwei getrennte
in Serie verbundene Teilzonen unterteilt. In der ersten dieser Zonen wird mit rezirkuliertem
Schlamm zugeführtes
Nitrat durch Umsetzung mit dem zugeführten
Abwasser entfernt, wodurch vermieden wird, dass anoxische Bedingungen in den nachfolgenden
Zonen entstehen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung, die das Strömungsschema
einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zeigt, näher erläutert.
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Abwasser wird über eine Leitung 1 in einen Behälter 2 geführt, in
welchem es mit rezirkuliertem Schlamm vermischt wird, der über eine Leitung 3 in
den Behälter 2~geführt und in einem Zeitraum von 1 bis 4 Stunden unter anaeroben
Bedingungen gehalten wird. Die nachfolgende Behandlung erfolgt in zwei Behandlungsbehältern
5 und 7, in denen das Abwasser sowohl anoxisch als auch aerob behandelt werden kann.
In der dargestellten Anlage erfolgt die Behandlung in zwei Phasen, Phase 1 und Phase
2. In der Phase 1 wird das anaerob behandelte Abwasser über eine Leitung 4 in den
Behandlungsbehälter 5, in welchem während einer gewissen Zeit, vorzugsweise während
der gesamten Periode, anoxische Bedingungen aufrechterhalten werden, und von dort
über eine Verbindungsleitung 6 in den zweiten Behandlungsbehälter 7 geführt, in
welchem während einer gewissen Zeit, vorzugsweise der gesamten Zeit, aerobe Bedingungen
aufrechterhalten werden. Vom Behälter 7 wird das Abwasser über eine Leitung 8 in
einen Klärbehälter 9 geführt, an dessen Boden Schlamm entnommen wird, der über die
Leitung 3 in den Behandlungsbehälter 2 rezirkuliert wird. Vom Klärbehälter 9 wird
gereinigtes Abwasser über eine Leitung 10 entnommen.
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In der Phase 2 wird Abwasser aus dem Behälter 2 über eine Leitung
11 in den Behandlungsbehälter 7 geführt, in welchem jetzt anoxische Bedingungen
aufrechterhalten werden, und von diesem wird es über die Verbindungsleitung 6 in
den Behandlungsbehälter 5 geführt, in welchem aeroben Bedingungen aufrechterhalten
werden, und dann weiter über eine Leitung 12 in den Klärbehälter 9.
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Beispiel .
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Es wurde eine Reinigungsanlage, wie die in der Zeichnung dargestellten,
verwendet, wobei jedoch der Behälter 2 in drei in Serie verbundene gleich grosse
Teilzonen unterteilt war, und das Rohabwasser zusammen mit rezirkuliertem Schlamm
der ersten der Reihe von diesen Teilzonen zugeführt wurde.
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Der Behälter 2 hatte ein Gesamtvolumen von 200 1 und war mit einem
Umrührer versehen, der mit hinreichend grosser Geschwindigkeit rotierte, um Ausfällung
von Schlamm zu verhindern. Die Behandlungsbehälter 5 und 7 hatten jeweils ein Volumen
von 830 1 und waren je mit einem Umrührer ausgestattet, um eine zur Vermeidung von
Ausfällung von Schlamm hinreichend starkes Umrühren sicherzustellen. Beide Behandlungsbehälter
waren mit Düsen zum Einblasen von Luft unter Druck versehen, so dass in den aeroben
Phasen eine Sauerstoff konzentration von 2-3 mg/l im Abwasser geschaffen werden
konnte. Der Klärbehälter hatte ein Volumen von 1120 1 und eine Ober-2 fläche von
0,18 m und war mit einem zentralen, vertikal angeordneten Einlaufrohr und einem
Überlauf am oberen Rand der Behälterwandung versehen. Über der Mündung des Einlaufrohres
war ein Leitblech angeordnet, um das vertikal eintretende Abwasser gegen den Boden
des Behälters zu zwingen, bevor die Strömung wieder umgelenkt wird, und das Wasser
nach oben gegen den Überlauf strömt.
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Der beschriebenen Anlage wurde Abwasser in einer Menge von 1 bis
1,2 1/min. und mit einem C/N-Verhältnis von 12-13 zugeführt, und aus dem Klärbehälter
wurde Schlamm in einer Menge von 0,5 bis 0,6 I/min. rezirkuliert.
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Während einer Betriebsperiode von 3 Monaten (Februar-Mai 1983) wurden
bei einem Betrieb mit Phasendauern von 140 Minuten 34 Proben von Rohabwasser und
gereinigtem Abwasser entnommen.
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Analysen der Proben zeigten, dass durchschnittlich eine Herabzetzung
des Phosphorgehaltes des Abwassers von 7 mg P/l auf 0,54 mg/PO4-P/l mit einer Standardabweichung
von + 0,33 mg/l erzielt wurde. Gleichzeitig wurde der Stickstoffgehalt von 25 mg
N/l auf 0,77 mg NH3-N/l mit einer Standardabweichung von f 0,99 mg/l und 3,2 mg
NO3-N/l mit einer Standardabweichung von + 2,5 mg/l herabgesetzt.