CN101805753B - 易腐性有机垃圾高固体两相三段厌氧消化产沼气的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种易腐性有机垃圾高固体两相三段厌氧消化产沼气的方法，步骤为：在水解产酸反应器中将易腐性有机垃圾水解，并将水解后得到的混合物酸化，生成大量小分子有机酸产物；水解产酸反应器底部和产甲烷反应器底部通过循环泵及管道连通；产甲烷反应器顶部和水解产酸反应器顶部连通；在产甲烷反应器中进行产乙酸反应，并继续进行产甲烷反应。本发明可以将厌氧消化过程的水解产酸过程和产乙酸产甲烷过程分开，避免易腐性有机垃圾产生的有机酸抑制产甲烷作用。本发明装置加工工序简单、成本低廉、易于维护，性能稳定可靠，适用于各类易腐性有机垃圾的厌氧消化处理，具有高效稳定的易腐性有机垃圾厌氧消化产沼气能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种有机垃圾处理方法，更具体地说，本发明涉及一种以易腐性有机垃圾为原料的高固体两相三段厌氧消化产沼气的方法。
技术背景
易腐性有机垃圾主要指生活和生产过程中产生易腐败和易生物降解的废弃物，包括厨余垃圾、泔脚、蔬菜、水果和肉类加工废弃物等。由于城市化进程的加快以及生活水平的提高，易腐性有机垃圾不仅在绝对产量上显著增加，而且在城市生活垃圾中的所占的比例也大幅提高，目前该部分垃圾占城市生活垃圾总量的50％以上。易腐性有机垃圾最大的特点是水分含量和有机质含量较高，水分含量一般在70％以上，有机质含量以干基计一般在90％以上。上述特点使得目前的主要城市生活垃圾处理技术均存在一些问题，例如，较高的有机质含量导致在填埋过程中产生大量能够污染地下水和土壤圈的渗滤液以及无序排放的温室气体甲烷；而较高的水分含量导致焚烧处理时需要添加大量额外的辅助燃料。实际上，如今的卫生填埋对选址要求较高，且占地面地较大，在许多大城市，已经很难找到适合卫生填埋的场地；对于焚烧处理，由于存在二次污染等问题，目前政府和民众对焚烧处理也持谨慎的态度。因此，迫切需要开发一种新的无二次污染且占地面积小的处理方式。对易腐性有机垃圾的有效处理能够为城市生活垃圾处理做出很大贡献。高水分含量和高有机质含量的特点使得易腐性有机垃圾更适于进行厌氧消化处理，而且在处理垃圾的同时能获得清洁可再生能源(沼气)。
有机质厌氧消化产甲烷过程包括4个步骤：胞外水解、产酸、产乙酸和产甲烷。胞外水解步骤指在多聚糖酶、淀粉酶、纤维素酶、蛋白质酶和脂肪酶的作用下，将多糖、淀粉、膳食纤维、蛋白质和脂类水解为单糖、氨基酸、甘油和长链脂肪酸；产酸步骤指水解产生的小分子化合物在产酸菌的作用下分解为更简单的乙酸、丙酸、丁酸、丙酮酸、乳酸、戊酸、乙醇及少量的二氧化碳和氢气；产乙酸步骤指产酸步骤的有机酸产物(除乙酸外)进一步转化为乙酸、二氧化碳和氢气的过程；产甲烷步骤指乙酸经乙酸营养型产甲烷菌生成甲烷和二氧化碳以及二氧化碳和氢气生成甲烷的过程。高效稳定的厌氧消化产甲烷工艺需要保证水解产酸过程和产乙酸产甲烷过程之间的平衡，水解产酸过程产生的小分子有机酸能够及时被产甲烷过程利用，避免有机酸积累从而抑制发酵***内的微生物，尤其是对产甲烷菌的抑制，因为产甲烷菌对有机酸的耐受浓度较低，有机酸浓度累积到13000mg/L时就会完全抑制产甲烷活性。
易腐性有机垃圾主要成分为多糖、淀粉、膳食纤维、蛋白质，它们属于容易水解酸化的物质，在厌氧消化过程中水解产酸速率较快，与之相比，产甲烷过程是整个厌氧消化过程的限速步骤，导致易腐性有机垃圾进行厌氧消化处理时容易产生有机酸抑制。为了避免有机酸抑制，传统的单相厌氧消化只能在较低的发酵原料浓度(低于4％)下完成，而对于像厨余垃圾这类的易腐性有机垃圾，其总固体含量一般为15％~25％。此时，不仅需要消耗大量的水用于调低原料浓度，而且较低的原料浓度大大降低了易腐性有机垃圾厌氧消化处理效率及产沼气能力。因此，开发无抑制高效厌氧消化产沼气工艺成为易腐性有机垃圾减量化和能源化处理的关键。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种以易腐性有机垃圾为原料的高固体两相三段厌氧消化产沼气的方法，以提高厌氧消化稳定性、处理效率及产沼气能力。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明方法的工艺流程包括以下步骤：
(1)在水解产酸反应器中将易腐性有机垃圾水解，生成可溶性的糖类、氨基酸、长链脂肪酸和甘油；并将上述水解后得到的混合物酸化，生成大量小分子有机酸产物；水解产酸反应器采用固体渗滤床，易腐性有机垃圾装填于渗滤床的渗滤填料上面，来自于喷淋头的水对易腐性有机垃圾进行淋洒，同时水解产酸反应生成的有机酸溶于水中，并经过渗滤填料和多孔板形成渗滤液贮于水解产酸反应器底部；
步骤(1)中优选工艺条件为：
将易腐性有机垃圾在原料固体浓度15％~40％、温度25℃~60℃、pH值4.5~6.5的条件下水解，生成可溶性的糖类、氨基酸、长链脂肪酸和甘油；
将上述水解后得到的混合物在温度25℃~60℃、pH值4.5~6.5的条件下酸化，生成大量小分子有机酸产物，包括丙酮酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、乳酸、乙醇，以及少量氢气和二氧化碳。
(2)水解产酸反应器底部和产甲烷反应器底部通过循环泵及管道连通；产甲烷反应器顶部和水解产酸反应器顶部连通；在产甲烷反应器中进行产乙酸反应，将步骤(1)酸化产生的除乙酸外的有机酸产物在产乙酸菌的作用下生成乙酸、氢气和二氧化碳；并继续进行产甲烷反应，将乙酸在乙酸营养型产甲烷菌的作用下发酵生成甲烷和二氧化碳，将氢气和二氧化碳在氢营养型产甲烷菌的作用下发酵生成甲烷；产甲烷反应器的主体为上部的纤维填料床反应器，纤维填料能够附着产乙酸菌和产甲烷菌，提高产甲烷反应器内产乙酸菌和产甲烷菌的浓度，从而提高产沼气性能；产甲烷反应器底部设置过滤床，用于截留渗滤液中的颗粒有机物，避免堵塞纤维填料床；在步骤(1)产生的渗滤液流经产甲烷反应器的同时，渗滤液中的有机酸在产乙酸菌和产甲烷菌的相继作用下生成甲烷和二氧化碳；
步骤(2)的优选工艺条件为：
将步骤(1)酸化产生的除乙酸外的有机酸产物在产乙酸菌的作用下生成乙酸、氢气和二氧化碳，该反应控制温度为25℃~60℃，pH值6.5~8.0。
所得乙酸在乙酸营养型产甲烷菌的作用下发酵生成甲烷和二氧化碳，上一步骤中的氢气和二氧化碳在氢营养型产甲烷菌的作用下发酵生成甲烷，这两类产甲烷菌参与的产甲烷反应均控制温度为25℃~60℃，pH值6.5~8.0。
(3)定期从水解产酸反应器的卸料口清除部分易腐性有机垃圾水解残渣，以提高反应器有效处理体积；定期从水解产酸反应器的排渣口清除易腐性有机垃圾渗滤液沉淀物，以提高渗滤液有效贮存体积；定期清洗并重新装填产甲烷反应器中过滤床内的过滤填料，保证良好的过滤效果。
一般定期清理的时间为：
每隔10天~60天从水解产酸反应器的卸料口清除部分易腐性有机垃圾水解残渣，以提高反应器有效处理体积；每隔30天~90天从水解产酸反应器的排渣口清除易腐性有机垃圾渗滤液沉淀物，以提高渗滤液有效贮存体积；每隔30天~90天清洗并重新装填产甲烷反应器中过滤床内的过滤填料，保证良好的过滤效果。
本发明的进一步改进是：
水解产酸反应器底部和产甲烷反应器底部通过循环泵及管道相连，所述循环泵入口段设置分支管路，用于向产甲烷反应器添加厌氧消化接种物、酸碱调节剂和水等。当产甲烷反应器运行出现异常时，具体来讲，当产甲烷反应器中轻度过酸或过碱时，可以通过控制渗滤液的循环量来调节；当产甲烷反应器中严重过酸或过碱时，可以从循环泵入口段的分支管路泵入酸碱度调节剂以调节酸碱度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明可以将厌氧消化过程的水解产酸过程(水解产酸相)和产乙酸产甲烷过程(产甲烷相)分开，避免易腐性有机垃圾产生的有机酸抑制产甲烷作用。水解产酸相采用高固体渗滤床反应器，可以使易腐性有机垃圾在较高的原料浓度下发酵，原料浓度最高可达40％，因此，无需额外添加大量的水用于调低原料浓度。另外，在固体渗滤床反应器内用于淋洒易腐性有机垃圾的水来自于产甲烷反应器，整个***内的水可以实现自循环，因此，该发明是一个水节约型易腐性有机垃圾厌氧消化产沼气处理装置。产甲烷反应器中纤维填料床内的填料可以附着产甲烷菌，提高反应器内产甲烷菌的细胞浓度，从而提高厌氧消化产沼气能力。渗滤液进入纤维填料床之前，过滤床的设置能够有效截留渗滤液中的颗粒有机物，以避免堵塞纤维填料床。在过滤床上设置过滤填料入口和出口，可以定期清洗并重新装填过滤填料以保证良好的过滤效果。与传统的易腐性有机垃圾单相厌氧消化装置相比，采用该发明装置能够显著提高易腐性有机垃圾厌氧消化的处理浓度，最高能从4％提高到40％，池容产沼气率最高能从0.8m3/(m3·d)提高到2.5m3/(m3·d)，而且能够有效避免有机酸对产甲烷作用的抑制。
本发明方法工艺运行管理简单，厌氧消化产沼气性能稳定可靠。适用于各类易腐性有机垃圾的厌氧消化处理，既可以高效处理有机垃圾，减少其对环境的严重污染，又可以生产清洁可再生能源(沼气)，能够实现有机垃圾的能源化利用，从而变废为宝。
本发明具有高效稳定的易腐性有机垃圾厌氧消化产沼气能力，非常适合厨余垃圾处理场、泔脚处理中心以及水果、蔬菜和肉类加工厂等进行应用推广，具有良好的经济、环境和社会效益。
附图说明
图1是本发明方法流程图。
附图标记：进料斗1、水解产酸反应器2、产甲烷反应器3、循环泵4、布水器5、喷淋头6、进料口7、多孔板8、卸料口9、排渣口10、渗滤填料11、过滤床12、纤维填料床13、过滤填料14、纤维填料架15、纤维填料16、过滤填料入口17、过滤填料出口18、气体排放口19、安全阀20、压力表21、气体排放口分别设置流量计22、增温夹套23、保温层24、温度/酸度计25、采样口26、分支管路27。
具体实施方式
以下结合附图和实施例进一步对本发明进行描述。
易腐性有机垃圾的主要成分为多糖、淀粉、膳食纤维、蛋白质和脂类，这类原料的厌氧消化产甲烷过程包括4个步骤：胞外水解、产酸、产乙酸和产甲烷。胞外水解步骤指在多聚糖酶、淀粉酶、纤维素酶、蛋白质酶和脂肪酶的作用下，将多糖、淀粉、膳食纤维、蛋白质和脂类水解为单糖、氨基酸、甘油和长链脂肪酸；产酸步骤指水解产生的小分子化合物在产酸菌的作用下分解为更简单的乙酸、丙酸、丁酸、丙酮酸、乳酸、戊酸、乙醇及少量的二氧化碳和氢气；产乙酸步骤指产酸步骤的有机酸产物(除乙酸外)进一步转化为乙酸、二氧化碳和氢气的过程；产甲烷步骤指乙酸经乙酸营养型产甲烷菌生成甲烷和二氧化碳以及二氧化碳和氢气生成甲烷的过程。
参与上述整个过程的微生物类型包括水解产酸菌、产乙酸菌和产甲烷菌，其中水解产酸菌能够分泌胞外水解酶进行原料水解，并将水解产物发酵生成有机酸，产甲烷菌包括乙酸营养型产甲烷菌和氢营养型产甲烷菌。来源于沼气池或市政污水处理厂等处的厌氧活性污泥，一般都含有上述类型的微生物，因此通常以这类厌氧活性污泥作为厌氧消化产沼气的接种物。但是水解产酸菌和产甲烷菌的生理特性不相同，水解产酸菌生长代谢允许的pH值范围较广，为4.5~9.0，且该菌的生长速率较快，其世代时间一般为10~30分钟；而产甲烷菌生长代谢允许的pH范围较窄，为6.5~8.0，且生长速率较慢，其世代时间一般在4~6天。本发明鉴于以上特点，将易腐性有机垃圾的水解产酸过程和产甲烷过程分别在两个反应器中完成，并对两个反应器的运行pH单独控制，一方面避免水解产酸生成的高浓度有机酸抑制产甲烷菌，另一方面便于对两个过程独立优化控制。同时，采用纤维填料床作为产甲烷反应器，通过纤维填料对产乙酸菌和产甲烷菌的吸附，提高产甲烷反应器中这两类细菌的浓度，从而提高厌氧消化产沼气性能。
本实施例中工艺的运行过程如下：
本实施例使用装置见图1，启动时，从进料斗1向水解产酸反应器2添加少量的易腐性有机垃圾，并将接种液从循环泵4入口段的分支管路27泵入产甲烷反应器3，待接种液淹没纤维填料后，继续泵入接种液直至在水解产酸反应器2底部形成易腐性有机垃圾渗滤液，且渗滤液高度接近多孔板8时，关闭分支管路27的阀门停止泵入接种液，至此完成接种液的添加。随后，将渗滤液从水解产酸反应器2底部通过循环泵4泵入产甲烷反应器3，而产甲烷反应器3中的液体又从纤维填料床13顶部溢流至水解产酸反应器2，并借助布水器5及喷淋头6对易腐性有机垃圾进行淋洒，淋洒下来的液体溶解易腐性有机垃圾水解产酸过程产生的有机酸，并流经渗滤填料11和多孔板8形成渗滤液贮存于水解产酸反应器2底部，至此完成一个液体循环。经过多次的这样一种循环完成产甲烷菌的驯化及其在纤维填料16上的附着和生长。当驯化完成后，逐步添加易腐性有机垃圾，直至易腐性有机垃圾的装填高度接近进料口7的位置。在逐步添加易腐性有机垃圾的同时，增加液体循环次数，直至连续循环，最终实现该发明装置的连续正常运行。
所述的接种液为沼气池或市政污水处理厂等处的厌氧活性污泥。
实施例1
(1)从进料斗1向水解产酸反应器2添加少量的厨余垃圾，并控制水解产酸反应器2温度为37℃。
(2)采集沼气池中的厌氧活性污泥，通过分支管路27泵入产甲烷反应器3，待厌氧活性污泥淹没纤维填料16后，继续泵入厌氧活性污泥直至在水解产酸反应器2底部形成厨余垃圾渗滤液，且渗滤液高度接近多孔板8时，关闭分支管路27的阀门停止泵入厌氧活性污泥，上述过程控制产甲烷反应器3的温度为37℃。
(3)上述过程中的水解产酸反应器内，厨余垃圾在厌氧活性污泥中水解产酸菌作用下生成乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、丙酮酸、乳酸、乙醇及少量二氧化碳和氢气，其中二氧化碳和氢气从水解产酸反应器2顶部的排气口19排出，有机酸溶解于渗滤液中。水解产酸作用控制温度为37℃，pH为5.5。
(4)将上述渗滤液经循环泵4泵入产甲烷反应器3，在产甲烷反应器3内，渗滤液中的有机酸在产乙酸菌和产甲烷菌的相继作用下生成甲烷和二氧化碳，甲烷和二氧化碳从产甲烷反应器3顶部的排气口排出，有机酸被利用后的渗滤液从产甲烷反应器3顶部的溢流口流至水解产酸反应器2。产乙酸和产甲烷作用控制温度为37℃，控制pH为7.2。
产乙酸和产甲烷反应在产甲烷反应器3中进行，产甲烷反应器3从下至上分为过滤床12和纤维填料床13，过滤床12截留渗滤液中的颗粒有机物，避免堵塞纤维填料床13。纤维填料床13内的纤维填料16能够附着产乙酸菌和产甲烷菌，提高产甲烷反应器3中这两类细菌的浓度，从而提高厌氧消化产沼气性能。
(5)经过10天的多次的渗滤液循环，完成产甲烷反应器3中产甲烷菌的驯化及其在纤维填料16上的附着和生长。在这个过程中控制水解产酸反应器2的温度为37℃，pH为5.5；控制产甲烷反应器3的温度为37℃，pH为7.2。
(6)当驯化完成后，逐步添加厨余垃圾，直至厨余垃圾的装填高度接近水解产酸反应器2进料口7的位置。在逐步添加厨余垃圾的同时，增加渗滤液循环次数，直至连续循环，最终实现该工艺的连续正常运行。在这个过程中控制水解产酸反应器2的温度为37℃，pH为5.5；控制产甲烷反应器3的温度为37℃，pH为7.2。
(7)正常运行后，每隔30天，从水解产酸反应器2的卸料口9清除部分厨余垃圾水解残渣。
(8)正常运行后，每隔50天，从水解产酸反应器2的排渣口10清除厨余垃圾渗滤液沉淀物；每隔50天，从过滤床12的过滤填料出口18排出过滤填料14进行清洗，并从过滤填料入口17处重新装填。
实施例2
本实施例的步骤与实施例1相同，其中处理原料为肉类加工垃圾，且
步骤(2)中控制产甲烷反应器3的温度为25℃；步骤(3)中水解产酸作用控制pH为6.5；步骤(4)中产乙酸和产甲烷作用控制温度为25℃，控制pH为8.0；步骤(5)中经过20天的多次的渗滤液循环，控制水解产酸反应器2的温度为25℃，pH为6.5；产甲烷反应器的温度为25℃，pH为8.0；步骤(6)中控制水解产酸反应器的温度为25℃，pH为6.5，产甲烷反应器的温度为25℃，pH为8.0；步骤(7)中每隔40天清除部分肉类加工垃圾水解残渣；步骤(8)中每隔60天，清除渗滤液沉淀物；每隔60天，清洗并重新装填过滤床12内的过滤填料14。
实施例3
本实施例的步骤与实施例1相同，其中处理原料为蔬菜加工垃圾，且
步骤(1)中控制水解产酸反应器2的温度为60℃；步骤(2)中控制产甲烷反应器3的温度为60℃；步骤(3)中水解产酸作用控制温度为60℃，pH为4.5；步骤(4)中产乙酸和产甲烷作用控制温度为60℃，pH为6.5；步骤(5)中经过15天的多次的渗滤液循环，控制水解产酸反应器2的温度为60℃，pH为4.5；产甲烷反应器3的温度为60℃，pH为6.5；步骤(6)中控制水解产酸反应器2的温度为60℃，pH为4.5；产甲烷反应器3的温度为60℃，pH为6.5；步骤(7)中每隔20天清除部分蔬菜加工垃圾水解残渣；步骤(8)中每隔40天，清除渗滤液沉淀物；每隔40天，清洗并重新装填过滤床12内的过滤填料14。
与传统的易腐性有机垃圾低固体浓度单相厌氧消化产沼气方法相比，本发明能在原料固体浓度高达40％的条件下处理易腐性有机垃圾，且将厌氧消化过程的水解产酸过程(水解产酸相)和产乙酸产甲烷过程(产甲烷相)分开，并在产甲烷相设置两段，即过滤床和纤维填料床，这种高固体两相三段厌氧消化产沼气工艺是一种高效稳定的易腐性有机垃圾能源化处理方法。采用该发明能够显著提高易腐性有机垃圾厌氧消化的处理浓度，最高能将原料固体浓度从4％提高到40％，最高能将池容产沼气率从0.8m3/(m3·d)提高到2.5m3/(m3·d)，而且能够有效避免有机酸对产甲烷作用的抑制。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例子。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种易腐性有机垃圾高固体两相三段厌氧消化产沼气的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)在水解产酸反应器中将易腐性有机垃圾水解，生成可溶性的糖类、氨基酸、长链脂肪酸和甘油；并将上述水解后得到的混合物酸化，生成大量小分子有机酸产物；水解产酸反应器采用固体渗滤床，易腐性有机垃圾装填于渗滤床的渗滤填料上面，来自于喷淋头的水对易腐性有机垃圾进行淋洒，同时水解产酸反应生成的有机酸溶于水中，并经过渗滤填料和多孔板形成渗滤液贮于水解产酸反应器底部；
(2)水解产酸反应器底部和产甲烷反应器底部通过循环泵及管道连通；产甲烷反应器顶部和水解产酸反应器顶部连通；所述循环泵入口段设置分支管路；当产甲烷反应器中轻度过酸或过碱时，通过控制渗滤液的循环量来调节；当产甲烷反应器中严重过酸或过碱时，从循环泵入口段的分支管路泵入酸碱度调节剂以调节酸碱度；在产甲烷反应器中进行产乙酸反应，将步骤(1)酸化产生的除乙酸外的有机酸产物在产乙酸菌的作用下生成乙酸、氢气和二氧化碳；并继续进行产甲烷反应，将乙酸在乙酸营养型产甲烷菌的作用下发酵生成甲烷和二氧化碳，将氢气和二氧化碳在氢营养型产甲烷菌的作用下发酵生成甲烷；产甲烷反应器的主体为上部的纤维填料床反应器，纤维填料能够附着产乙酸菌和产甲烷菌，提高产甲烷反应器内产乙酸菌和产甲烷菌的浓度，从而提高产沼气性能；产甲烷反应器底部设置过滤床，用于截留渗滤液中的颗粒有机物，避免堵塞纤维填料床；在步骤(1)产生的渗滤液流经产甲烷反应器的同时，渗滤液中的有机酸在产乙酸菌和产甲烷菌的相继作用下生成甲烷和二氧化碳；
(3)定期从水解产酸反应器的卸料口清除部分易腐性有机垃圾水解残渣，以提高反应器有效处理体积；定期从水解产酸反应器的排渣口清除易腐性有机垃圾渗滤液沉淀物，以提高渗滤液有效贮存体积；定期清洗并重新装填产甲烷反应器中过滤床内的过滤填料，保证良好的过滤效果。
2.如权利要求1所述的易腐性有机垃圾高固体两相三段厌氧消化产沼气的方法，其特征在于所述步骤(1)中将易腐性有机垃圾在原料固体浓度15％～40％、温度25℃～60℃、pH值4.5～6.5的条件下水解，生成可溶性的糖类、氨基酸、长链脂肪酸和甘油；将上述水解后得到的混合物在温度25℃～60℃、pH值4.5～6.5的条件下酸化，生成大量小分子有机酸产物，包括丙酮酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、乳酸、乙醇，以及少量氢气和二氧化碳。
3.如权利要求1所述的易腐性有机垃圾高固体两相三段厌氧消化产沼气的方法，其特征在于所述步骤(2)中将步骤(1)酸化产生的除乙酸外的有机酸产物在产乙酸菌的作用下生成乙酸、氢气和二氧化碳，该反应控制温度为25℃～60℃，pH值6.5～8.0；所得乙酸在乙酸营养型产甲烷菌的作用下发酵生成甲烷和二氧化碳，上一步骤中的氢气和二氧化碳在氢营养型产甲烷菌的作用下发酵生成甲烷，这两类产甲烷菌参与的产甲烷反应均控制温度为25℃～60℃，pH值6.5～8.0。
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