HOBAS® Approfondimento tecnicoScolmatori: monitoraggio delle prestazioniOttobre 2015

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AbstractIl confronto tra la modellazione matematica e la realtà è la base della credibilità della metodologia e della modellazione matematica in generale. Questo contributo illustra una metodologia di monitoraggio complesso con particolare attenzione alla valutazione del funzionamento di un sistema fognario combinato con dispositivo scolmatore (CSO) e alla valutazione del suo impatto sulle acque recipienti. Il monitoraggio stesso include l’osservazione degli indicatori idrologici nel sistema fognario e il campionamento continuo durante gli eventi di pioggia per le analisi chimiche. Inoltre, è inclusa la valutazione della qualità chimica dell’acqua, a breve e lungo termine, nel corso idrico ricevente. I risultati ottenuti dal monitoraggio, unitamente alla modellazione matematica saranno di grande utilità per lo sviluppo di soluzioni ancora più efficienti. Il monitoraggio ripetuto serve come verifica della correttezza della soluzione implementata. La metodologia viene presentata sull’esempio del sito di Debř. Le misurazioni sullo scolmatore CSO hanno mostrato una pertinente corrispondenza della reale efficienza di separazione dei solidi sospesi con il modello matematico. Il miglioramento dell’efficienza di separazione è stato riconfermato dopo la ricostruzione dello scolmatore CSO. Lo scolmatore CSO HOBAS appena installato diminuisce infatti l’inquinamento nel corso idrico ricevente di circa il 30-50% in media.

INTRODUZIONEIl drenaggio urbano è uno dei problemi principali che influenza l’ambiente idrico in modo negativo nelle aree urbane. Gli scarichi delle reti fognarie causano problemi nelle acque recipienti non solo dal punto di vista qualitativo, per via dei vari inquinanti in ingresso, ma anche dal punto di vista quantitativo, per via dell’improvviso aumento dello scarico nei piccoli ruscelli urbani che spesso supera di molto lo scarico naturale. La combinazione di vari fattori porta ad profondo sconvolgimento e addirittura alla distruzione dell’ecosistema idrico, pertanto il raggiungimento di un buono stato chimico ed ecologico dell’ambiente idrico, come richiesto dalla direttiva del Parlamento e del Consiglio Europeo nr. 2000/60/ES, è abbastanza difficile. Per ridurre eventuali impatti negativi, è necessaria una regolare manutenzione della rete fognaria, nonché la ricostruzione di parti inadeguate e l’installazione di nuovi componenti che dovrebbero rispettare la capacità e la funzionalità idrologica. L’obiettivo dello sviluppo di nuovi tipi di scolmatori (CSO) è non solo di ridurre al minimo gli investimenti e le spese operative, ma anche di eliminare l’ingresso di inquinanti nelle acque recipienti, soprattutto nella forma di solidi sospesi, durante gli eventi di pioggia. Lo scolmatore CSO HOBAS è stato progettato a tale scopo.

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L’impatto di una rete fognaria mista sulle acque recipienti: confronto tra uno scolmatore a stramazzo su due lati e lo scolmatore HOBAS (CSO chamber)

Tratto dall’articolo di Pollert J. ml.*, Nábělková J.*, Chmátal P., Soukupová K.*, Nováková R.*, S. Scheiflinger***Università CTU di Praga, facoltà di ingegneria civile, dipartimento di ingegneria sanitaria e ecologica ** HOBAS Engineering GmbH, TechCenter, Austria

DESCRIZIONE DELLO SCOLMATORE CSO HOBASLo scolmatore CSO HOBAS è, concettualmente, la combinazione di due corpi cilindrici paralleli (fig. 1) e collegati tra loro da un’apertura longitudinale. Durante i fenomeni atmosferici di pioggia intensa lo scarico non può essere eliminato in modo soddisfacente attraverso la sezione regolata; il livello dell’acqua nel fondo del corpo inferiore pertanto cresce fino al livello della fessura di interconnessione e l’acqua traboccante e minimamente inquinata viene drenata attraverso il tubo superiore, per defluire nel corso idrico ricevente. Il principio di pre-purificazione meccanica si basa sulla presenza di un flusso verticale che è supportato da questa fessura di traboccamento inferiore. Esso favorisce la sedimentazione dei solidi sospesi che si muovono vicino alla parte inferiore per defluire a causa del rallentamento nella camera principale (in confronto alla soluzione tipica, ad esempio, lo sfioro laterale, dove i solidi sospesi e i sedimenti accrescono e quindi principalmente sfiorano nel corso idrico ricevente). La posizione, forma e dimensione della fessura sono definite dal calcolo e dalla precedente modellazione matematica del carattere del flusso nello scolmatore CSO HOBAS. Dopo l’evento di pioggia, avviene il risciacquo auto-agente. I corpi cilindrici hanno una parte interna con bassissima scabrezza, per consentire un migliore deflusso dei sedimenti, così come ha confermato la ricerca precedente (Pollert, 2002B). Inoltre, lo scolmatore CSO HOBAS contiene diverse innovazioni tecniche come, ad esempio: diaframma anteriore (protezione del corso idrico ricevente contro le impurità di galleggiamento), barriera provvisoria e bypass. Per le caratteristiche dettagliate di questo tipo di CSO si veda Pollert (2008).

Fig. 1 Scolmatore CSO HOBAS - sezione trasversale (a sinistra) e sezione longitudinale (a destra)

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METODOLOGIAL’essenza della metodologia di valutazione ampliata dello scolmatore CSO non è solo una valutazione standard quantitativa (valutazione della funzione sullo sfioro in volume e frequenza), ma anche una valutazione qualitativa. In realtà, il CSO dovrebbe non solo separare l’acqua, ma anche pre-trattarla meccanicamente. Questo porterebbe ad una riduzione dell’inquinamento in ingresso nel corso idrico ricevente, il che si traduce in effetti positivi sul miglioramento del suo stato chimico. La valutazione ampliata prende in considerazione questo fatto e analizza le concentrazioni di inquinanti nelle acque di sfioro rispetto alle acque di scarico nella rete fognaria. La relazione tra le concentrazioni in ingresso e nel

traboccamento indica l’efficienza di separazione di questi inquinanti.

Nel caso in cui sfiora acqua pulita, l’efficienza è del 100%. Se l’acqua traboccante è sporca come l’acqua affluente, l’efficienza è pari a 0. È anche possibile che accada che l’acqua di sfioro sia ancora più sporca dell’acqua in ingresso. Pertanto, l’efficienza sarà negativa; questo era il caso, ad esempio, dello sfioratore originale (stramazzo laterale prima della ricostruzione).

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Metodologia di valutazione dell’efficienza di separazioneLa metodologia di monitoraggio si basa su un metodo classico di valutazione dello sfioratore di tipo quantitativo e, soprattutto, qualitativo. Si tratta quindi di individuare la relazione tra l’acqua di sfioro e l’acqua che scorre nella rete fognaria mista. La valutazione quantitativa si basa sul monitoraggio dello scarico in ingresso e di sfioro, e sul calcolo del deflusso dalla loro differenza. La valutazione qualitativa viene invece effettuata sulla base di diverse concentrazioni di solidi sospesi in ingresso e nello sfioro. L’apparecchio di monitoraggio in linea viene installato sia nel pozzo che nello sfioro. Nel pozzo vengono continuamente registrati velocità, livello dell’acqua e concentrazione dei solidi sospesi (rilevatore digitale di opacità sommergibile). Nello sfioro viene monitorato il livello dell’acqua, mentre un autocampionatore provvede a raccogliere i campioni di acqua di sfioro per l’analisi chimica e batteriologica. (campionamento fino a 24 campioni successivi).

Metodologia di valutazione basata su modellazione matematica Il modello matematico del flusso base utilizzato era il modello k-ε, che soddisfa tutti i criteri necessari in termini di velocità, stabilità e precisione del calcolo. Per la modellazione superficiale libera, è stata utilizzata una modellazione multifase (modello VOF con discretizzazione HRIC) conforme con le maggiori esigenze di stabilità e precisione. L’inquinamento delle acque reflue è stato simulato con la traiettoria delle particelle. Dapprima viene determinato l’inquinamento nell’afflusso delle acque reflue e quindi, in base a questo, le particelle sono divise a seconda delle diverse densità e diametri in una certa copertura percentuale. Esse vengono fatte entrare nell’oggetto e il loro comportamento viene monitorato lì. Il rapporto tra numero di particelle in ingresso, nello sfioro o nel deflusso porta all’efficienza di separazione finale dei solidi sospesi dello scolmatore. I risultati della modellazione matematica in dettaglio si possono trovare in Pollert (2002A).

Metodologia di valutazione della qualità delle acque1) Monitoraggio della qualità delle acque reflue durante gli eventi di pioggia intensa La qualità delle acque che sfiorano dallo scolmatore durante gli eventi di pioggia intensa viene monitorata al fine di valutare l’efficienza del sistema. L’acqua di sfioro campionata dall’autocampionatore viene analizzata sugli indicatori chimici di base (solidi sospesi - SS, pH, conducibilità, richiesta di ossigeno chimico - COD, ioni di ammonio e fosfati). Per il pH e la conducibilità viene usata la misurazione potenziometrica; per la concentrazione dei solidi sospesi viene applicato il metodo gravimetrico e i restanti indicatori vengono analizzati con il metodo spettrometrico basato sui test in cuvetta HACH LANGE. Come rappresentanti degli indicatori microbiologici, sono stati analizzati batteri coliformi e E.coli utilizzando il metodo Colilert.

2) Valutazione dello stato chimico del corso idrico riceventeNel caso del corso idrico ricevente, dove le acque reflue sono dirette dallo sfioratore monitorato, la qualità

dell’acqua viene monitorata con una prospettiva di lungo termine. I campioni dei sedimenti dell’acqua e del fondo sono prelevati per mezzo del campionamento in situ durante intervalli di tempo accidentali con un diverso periodo dopo gli eventi di pioggia che provocano l’intervento dello scolmatore. Nell’acqua ci sono indicatori chimici e microbiologici base monitorati nell’intervallo simile delle acque reflue (si veda sopra). I metalli pesanti Cd, Cr, Cu, Ni, Pb e Zn vengono valutati nei sedimenti dell’acqua e del fondo. L’analisi dei metalli viene eseguita sulla spettrometria di assorbimento atomico; i campioni di acqua vengono fissati prima dell’analisi con l’aggiunta di acido nitrico e i campioni di sedimenti vengono congelati, liofilizzati e digeriti dall’acido nitrico e dal perossido facendo uso della digestione a microonde a pressione (per la descrizione della metodologia, si veda Nábělková, 2011). Lo stato chimico viene valutato confrontando la qualità dell’acqua con lo standard di qualità ambientale (SQA) locale. Per la valutazione del sedimento, vengono usati i criteri EPA: concentrazione di probabile effetto (PEC) e concentrazione effetto soglia (TEC) (Jones, 1996).

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DESCRIZIONE DEI PUNTI MONITORATILo scolmatore CSO HOBAS monitorato si trova nel villaggio di Debř nad Jizerou vicino a Mlada Boleslav, nella Repubblica Ceca. Il relativo sfioro conduce nella zona di espansione del fiume Jizera, precisamente nel canale di bonifica che fluisce nel Jizera dopo circa 200 m. Il monitoraggio dello scolmatore a Debř, fu avviato nel 2010 in previsione del rifacimento dell’esistente scolmatore con sfioro su due lati, ormai inefficiente. Le prestazioni originarie sono state misurate nell’arco di due campagne di tre mesi circa dall’anno 2010 al 2012. In base ai risultati ottenuti, uno scolmatore CSO HOBAS opportunamente dimensionato è stato proposto ed installato nel novembre del 2012. Durante il periodo tra maggio e agosto del 2013, è stato quindi eseguito il monitoraggio del nuovo scolmatore HOBAS. Il canale di bonifica a valle dello scolmatore viene considerato come recipiente diretto delle acque reflue; il fiume Jizera sotto il deflusso del canale di bonifica viene monitorato per un potenziale impatto a lungo termine dello scolmatore HOBAS CSO, soprattutto per quanto riguarda la qualità dei sedimenti.

L’originale scolmatore a stramazzo laterale (fig. 2 a sinistra) è stato progettato come una costruzione con sfioro su due lati in un cofferdam rettangolare in calcestruzzo. Purtroppo, questa soluzione non è risultata assolutamente adeguata per l’obiettivo per cui era stata creata. Il flusso aveva tecnicamente un pendio pari a zero. Spesso era pieno di rifiuti e le acque reflue traboccavano anche durante i periodi di magra. Durante gli eventi di pioggia, quando si sono verificati regolari sfioramenti, non è stato possibile nessun tipo di pre-depurazione meccanica. Ecco perché si è pensato ad una totale sostituzione.

Per la sostituzione del vecchio ed inefficiente scolmatore (fig. 2 a sinistra) è stato scelto lo scolmatore prefabbricato HOBAS CSO (fig. 2 a destra). La ragione

principale che ha fatto ricadere la scelta sul prodotto HOBAS è stata quella di abbattere le spese: il cofferdam attuale è stato usato per posizionare lo

scolmatore CSO HOBAS pre-assemblato. Rispetto al progetto originale, il tubo di deflusso superiore è stato eliminato perché l’acqua sfiora attraverso la fessura nella depressione e scorre sotto lo scolmatore verso il corso idrico ricevente. L’ingresso nello scolmatore viene fornito dal pozzetto di auto-accesso.

Fig. 2 CSO vecchio (a sinistra) e scolmatore CSO HOBAS ricostruito (a destra)

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RISULTATIValutazione basata su modellazione matematicaL’efficienza di separazione dei solidi sospesi nelle acque reflue prima e dopo la ricostruzione dello scolmatore CSO è stata determinata con la modellazione matematica per i vari scarichi. Per quanto riguarda lo stato prima della ricostruzione, l’efficienza di separazione per flusso di scarico era buona Q < 10 L/s. Con l’aumento dell’afflusso, le acque reflue traboccanti avevano una maggiore concentrazione di inquinanti rispetto a quelle in ingresso nel CSO (efficienza negativa), il che ha influenzato negativamente la zona circostante sotto il CSO.Dopo la ricostruzione l’efficienza complessiva è notevolmente migliorata per tutti gli scarichi. Con un aumento dello scarico, l’efficienza diminuisce, ma è ancora piuttosto alta. Le particelle inquinanti più grandi e più pesanti vengono separate in modo soddisfacente, senza giungere allo sfioro. Nel modello, la maggior parte di queste si depositavano nel corpo cilindrico dello scolmatore. Questo comportamento è noto in questo tipo di CSO e con diminuzione dello scarico la rimozione delle particelle è prevista.

Fig. 3 Confronto del traboccamento tra il vecchio stramazzo laterale (a sinistra) e lo scolmatore ricostruito CSO HOBAS (a destra) dal modello matematico

Anche il volume di ritenzione dello scolmatore CSO è molto importante per la riduzione dello sfioro di inquinanti. L’efficienza di separazione durante lo sfioro è data principalmente dalla diminuzione significativa della velocità, per consentire la sedimentazione delle particelle.

Tabella 1 Confronto della velocità media nella depressione del CSOScarico 10 L/s 20 L/s 40 L/sVelocità prima della ricostruzione 1,06 m/s 1,31 m/s 1,58 m/sVelocità dopo la ricostruzione 0,03 m/s 0,05 m/s 0,07 m/s

Fig. 4 Confronto dell’efficienza in funzione dello scarico

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Valutazione del CSO di DebřValutazione del funzionamento del CSO durante gli eventi di pioggia intensaIl sito di Debř è stato monitorato durante tre campagne di misurazione. In particolare, durante due di esse effettuate prima del rifacimento tra il 2010 ed il 2012, si sono verificati numerosi eventi di sfioro. Lo scolmatore sfiorava la maggior parte del tempo (per il 52% del tempo, lo scarico era superiore a 5 mm, impostazione per l’autocampionamento). Durante questo periodo sono stati completamente registrati 5 eventi di sfioro. I risultati hanno mostrato che l’efficienza di separazione dei solidi sospesi era pari a zero. All’inizio del traboccamento vi era addirittura una concentrazione più elevata nell’acqua di sfioro che nell’acqua in ingresso (Pollert, 2012). I principali problemi dello scolmatore originale, oltre a solidi sospesi, erano principalmente i batteri coliformi e i valori COD aumentati (valutati secondo l’SQA). I metalli pesanti non sembravano essere problematici, in quanto non vi era nessuna fonte rilevante nel bacino. Tuttavia la maggior parte dei parametri valutati ha confermato che il manufatto originale non svolgeva le funzioni cui era destinato. La ricostruzione dello scolmatore, avvenuta nel novembre del 2012 con l’installazione dello scolmatore CSO HOBAS, è stata progettata in base ai dati misurati e alla modellazione matematica.

Durante la terza campagna di misurazione, si è monitorato lo stato dopo la ricostruzione (maggio-agosto 2013). Si sono verificati 7 eventi di sfioro e sono stati registrati completamente i risultati di 3 di essi. È necessario sottolineare che il monitoraggio è stato fatto durante il periodo delle precipitazioni più intense (inondazioni nel giugno del 2013). La fig. 5 offre un confronto dell’efficienza di separazione dello scolmatore prima e dopo la ricostruzione. Considerando che prima della ricostruzione (fig. 5 a sinistra) l’efficienza di separazione dei solidi sospesi è pari a zero, addirittura ipoteticamente negativa (concentrazione più elevata di SS nello sfioro che nell’acqua in ingresso), dopo la ricostruzione la situazione è notevolmente migliorata (fig. 5 a destra). L’efficienza di separazione di SS è in media il 65%. I risultati hanno inoltre dimostrato una buona corrispondenza tra i dati misurati e la modellazione matematica.

Il confronto tra le concentrazioni di SS nell’acqua di sfioro e le concentrazioni nell’acqua in ingresso è documentato in base agli esempi degli eventi selezionati, si veda la fig. 6, sulla sinistra uno sfioro prima della ricostruzione e sulla destra uno dopo l’installazione dello sfioratore CSO HOBAS. Il miglioramento della prestazione risulta evidente dal grafico. Per quanto riguarda altri indicatori chimici nell’acqua di sfioro, si riconferma che la maggior parte degli indicatori segue lo stesso andamento, in quanto i SS (valori più alti all’inizio dello sfioro con il primo scarico) e valori di COD dipendono dall’ora di sfioro (alla mattina presto i valori sono inferiori).

Fig. 5 Efficienza del CSO di Debř in base alla modellazione matematica e alla realtà, sulla sinistra il CSO prima della ricostruzione, sulla destra il CSO dopo la ricostruzione.

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Fig. 6 Concentrazioni degli scarichi e dei solidi sospesi durante gli sfiori selezionati a Debř prima della ricostruzione del CSO (a sinistra) e dopo la ricostruzione del CSO (a destra)

Valutazione dell’impatto dello scolmatore CSO di Debř sul corso d’acqua riceventeLo scolmatore monitorato a Debř conduce nel canale di bonifica (AD) nell’area di inondazione del fiume Jizera.Pertanto lo scolmatore viene ad essere l’unica fonte d’acqua del canale (ad eccezione delle precipitazioni dirette). La qualità dell’acqua nel canale concorda con questo fatto sia prima che dopo la ricostruzione, come illustrato nella tabella 2.

Tabella 2. Valori medi, minimi e massimi degli indicatori di qualità dell’acqua nel canale di bonifica sotto il CSO di Debř prima e dopo la ricostruzione e valori NEK secondo il regolamento del governo. 23/2011 Coll.

Canale di bonifica prima della ricostruzione

Canale di bonifica dopo la ricostruzione

EQS Min Media Max Min Media MaxpH 6-9 7,1 7,5 7,8 6,6 7,0 7,5cond. mS/m 1101 11,4 51,3 161,6 12,5 81,5 268Cl- mg/L 150 9,1 42,6 128 8,4 10,6 12,7N-NH4+ mg/L 0,23 1,87 39,72 172 2,47 16,32 44,3N-NO3

- mg/L 5,4 0,9 1 1,1 0,55 0,61 0,68P-PO4

3 - mg/L 0,1502 1,6 15 28,4 3,31 3,83 4,34COD mg/L 26 84,6 431,7 699 6,69 98,0 236SS g/L 0,02 0,23 0,53 1,04 0,04 0,15 0,25

b. colif. KTJ/100 mL 4000 18,4 >2.4x106 >2.4x106 178.000 >2.4x106

E.coli KTJ/100 mL 2500 4 >2.4x106 >2.4x106 101.400 >2.4x106

1 criterio utilizzato della norma ceca CSN 75 7221, classe III 2 criterio SQA utilizzato per il fosforo totale

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Confrontando le concentrazioni di metalli pesanti nei sedimenti del canale di bonifica e anche nel Jizera con le norme ambientali (si veda la Tab. 3), si può affermare che a Debř i metalli studiati non pongano problemi eco-tossicologici. I risultati presentati sono stati controllati prima della ricostruzione del CSO e si è scoperto che gli standard ambientali non sono stati superati, se non in rari casi.

Tabella 3. Concentrazione dei metalli nei sedimenti del canale di bonifica sotto il CSO e nei sedimenti del Jizera a valle del canale di bonifica a Debř e valori dei criteri eco-tossicologici.

Pb Cu Cr Ni Zn

mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg

TEC 34,2 28 56 39,6 159

PEC 396 77,7 159 38,5 1532

Jizera (Debř)

MIN 19,6 14,9 13,0 14,0 85,9

MEDIA 26,1 21,1 17,0 16,9 115,5

MAX 32,7 28,7 22,1 20,3 138,3

Canale di bonifica sotto il CSO (Debř)

MIN 7,4 14,5 9,6 16,9 54,3

MEDIA 21,7 21,0 13,9 18,9 94,8

MAX 36,5 31,8 23,1 21,0 156,3

CONCLUSIONELa misurazione eseguita nella rete fognaria mista di Debř ha riconfermato l’idoneità della combinazione tra il monitoraggio di ricerca in situ e la modellazione matematica. La metodologia qui presentata sembra essere il modo appropriato per l’identificazione del problematico CSO e la progettazione della soluzione più appropriata. Lo scolmatore CSO HOBAS dopo la ricostruzione diminuisce del 30-50% circa i valori degli inquinanti, che sfiorano nel corso d’acqua ricevente.

La qualità dell’acqua nel canale di bonifica, dove le acque reflue sfiorano dal CSO corrisponde, prima della ricostruzione, alla qualità dell’acqua nella rete fognaria e il canale è l’elemento di riqualificazione paesaggistica. L’installazione di uno scolmatore CSO HOBAS riduce al minimo il numero di sfiori e quindi diminuisce l’impatto negativo sul corso d’acqua che segue il canale di bonifica.

Il modello matematico dimostra una compatibilità molto buona con le misurazioni di ricerca in situ nonostante il fatto che i dati registrati mostrino un grande intervallo di valori. Considerando le grandi difficoltà nel misurare il modello matematico, esso si dimostra uno strumento molto buono per la determinazione dei valori che non sono stati registrati (ad es. scarico elevato). In futuro, la modellazione matematica potrebbe diventare il pilastro principale per la progettazione di nuovi scolmatori, in modo da aiutare ad eliminare gli inquinanti dalle acque di sfioro e provvedere al loro trasporto nell’impianto di depurazione delle acque reflue. La valutazione basata su modellazione matematica potrebbe quindi essere verificata con un monitoraggio a breve termine. Con una soluzione intelligente sviluppata per le misurazioni con l’aiuto della modellazione matematica, le spese possono essere tagliate e allo stesso tempo ci sarebbe una diminuzione dell’inquinamento dell’acqua in ingresso nel corso idrico ricevente. Lo scolmatore HOBAS CSO di Mlada Boleslav –Debř, qui presentato, è un buon esempio di come sulla base del metodo descritto si è ottenuta un’elevata efficienza di separazione dei solidi sospesi.

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RICONOSCIMENTII risultati pubblicati sono stati ottenuti con il supporto dei progetti SGS13/173/OHK1/3T/11 e TACR č. TA02020169.

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