CN107118943A - 餐厨垃圾发酵产沼气一体机及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开餐厨垃圾发酵产沼气一体机及其实现方法。餐厨垃圾发酵产沼气一体机主要包括称重***、预处理***、水解***、二级固液分离装置、厌氧发酵***、稀释水循环***、控制***；本发明涉及的餐厨垃圾发酵产沼气一体机能够从源头上实现餐厨垃圾减量化的同时，还可以产生可再生能源，实现餐厨垃圾的资源化利用。本发明建立了外源酶水解餐厨垃圾***，实现餐厨垃圾的快速、高效水解；利用一级固液分离***和油水分离***将餐厨垃圾中的粗油脂分离出来，降低餐厨垃圾中油脂对发酵产沼气的影响；建立餐厨垃圾水解产物厌氧发酵制沼气***，最终实现餐厨垃圾快速、高效发酵产沼气。

Description

餐厨垃圾发酵产沼气一体机及其实现方法
技术领域
本发明属于新能源技术设备领域，涉及餐厨垃圾发酵产沼气一体机及其实现方法。
背景技术
餐厨垃圾是指宾馆、饭店、餐馆和机关、部队、院校、企业事业单位在食品加工、用餐等过程中产生的食物残渣，是城市生活垃圾的主要组成部分，约占30％-40％。随着城市化进程的推进，我国餐厨垃圾生产能量逐年上升，据报道2016年我国城市餐厨垃圾总产量约6800万吨，它的处理是解决城市生活垃圾问题的重要环节。
传统的处理方法如卫生填埋和焚烧技术容易造成二次污染，已经不能实现餐厨垃圾的有效处理。我国餐厨垃圾含水率一般高于80％，干物质以有机物为主，主要组分包括蛋白质、糖类、油脂和纤维类等。其中，糖类和蛋白质含量超过60％，油脂的含量在15％～30％，木质纤维素类物质含量少于5％。脂肪、碳水化合物、蛋白质都具有较高的产甲烷潜力；此外，餐厨垃圾的碳氮比(C/N)一般在10～30之间，符合厌氧消化的C/N。这些特性为餐厨垃圾的资源化利用提供了有利条件。
厌氧消化又称沼气发酵，是指兼性菌和专性厌氧菌在无氧条件下将溶解性和颗粒态的可生物降解有机物质转化为沼气的过程。餐厨垃圾厌氧消化可以将餐厨垃圾减量化的同时，产生可再生能源沼气，而得到国内外的广泛应用。
目前我国各个城市广泛采取餐厨垃圾集中处理模式，然而，多年来的实践发现，餐厨垃圾集中处理存在很多问题：
①集中处理模式的安全无法保证，由于交通及餐馆的特殊性，无法保证餐厨垃圾在一小时内实现运输与处理。运到处理站的餐厨垃圾已经腐烂变臭，夹带着上千种有害细菌和毒素(高温无法消灭毒素)；
②成本问题，需要添加大量麦麸、玉米皮等辅料的耗费加大了处理成本(加热过程需要大量能源)；
③收集难问题，集中处理设备面临“吃不饱”等尴尬局面，往往计划的规模达不到，有的项目成为“见光死”，建成的项目也就意味着项目的停运；
④地沟油问题，一些运输公司收集餐厨垃圾油水，卖给不法商贩，提炼地沟油，混入食用油市场，危害百姓。地沟油中含有黄曲霉素、各种病菌、重金属等有毒有害成分，如黄曲霉素的毒性是砒霜的100倍；
⑤成本分析，餐厨垃圾作业服务涉及从收集到运输和处理3个环节服务，部分还涉及中转运输，每个阶段均涉及到不同的项目消耗和费用支出。投资大，不适宜良性循环发展。
因此，如何从源头上处理餐厨垃圾被认为是解决餐厨垃圾问题的关键。
目前欧美国近年来在积极推广使用餐厨垃圾粉碎与分离技术。在餐厨垃圾生产量较大的单位，安装餐厨垃圾粉碎机和油脂分离装置，分离出来的垃圾排入下水道，油脂则送往相关加工厂加以利用。对于餐厨垃圾生产量较小的单位如居民厨房，则被混入餐厨垃圾中统一处理，或通过安装餐厨垃圾处理机，将垃圾粉碎后排入下水道。80％的美国新建住宅中都装有食物垃圾处理器，每个家庭通过食物垃圾处理器将餐厨垃圾打碎，经下水道进入污水处理厂进行再生循环处理。这种方法在国外应用的很好，然而并不适合我国餐厨垃圾的处理，至少在目前阶段来说很难实行。我国人均占有污水处理厂和管网较少，国家严禁将餐厨垃圾粉碎后直接排入下水道，以免堵塞管道造成污水处理***崩溃。
我国餐厨垃圾处理起步比较晚，处理水平低、垃圾处理的科技水平和基础设施落后、国民的垃圾分类意识淡薄。我国目前还没有建立健全的餐厨垃圾处理管理体制，缺乏相应的管理政策和适宜的法律法规。在处理中，无论填埋还是焚烧需要大量的土地和资金投入，却不能产生经济上的增长，无法产生经济效益。很多处理厂的资金投入都不能到位。法律法规也不完善，即使相关的垃圾处理法规制定出来也不能得到很好的实施。环保部门没有有力的监管措施，政府各级单位之间行动不协调，责任不明确。依据现在的实际情况来看，我国在餐厨垃圾这方面的处理迫在眉睫。目前，政府大力支持餐厨垃圾处理产业的发展，鼓励社会资金投入，通过制定优惠的政府财政补贴、土地政策以及金融支撑政策，鼓励民间资本投入垃圾处理设施的建设和运营。餐厨垃圾处理的成套设备制造更是前景大好。
本发明针对我国餐厨垃圾的性质和特点，以及当前国情，设计餐厨垃圾发酵产沼气一体机，能够从源头上处理餐厨垃圾，实现餐厨垃圾的无害化、减量化和资源化。将餐厨垃圾发酵产沼气一体机安置在食堂、饭店、居民小区附近或后院，这样既可避免餐厨垃圾对城市环境的污染，又可降低餐厨垃圾收集运输费用，减少城市生活垃圾的处理量和处理费用，同时还能产生可再生的能源。餐厨垃圾的源头处理构想是针对我国餐厨垃圾集中处理规模不能满足当前垃圾产量大的处理需求、餐厨垃圾收集运输设施不完善、处理技术不成熟而提出的以期实现餐厨垃圾无害化、减量化和资源化的一种较理想的处理方法。
发明内容
本发明的目的是提供了一套餐厨垃圾发酵产沼气一体机，它实现餐厨垃圾发酵产沼气工艺的整合，能够从源头上解决餐厨垃圾减量化的同时，得到资源化的利用。强化水解酸化作用，缩短固态有机垃圾的水解时间，提高水解效率和产沼气效率。突破现有餐厨垃圾发酵制沼气的理论模式，为固态有机垃圾的高效减量化和资源化利用提供新途径。
本发明餐厨垃圾发酵产沼气一体机主要包括称重***、预处理***、水解***、二级固液分离装置、厌氧发酵***、稀释水循环***、控制***；称重***的出料口与预处理***的进料口相连，预处理***的出料口与水解***的进料口相连，水解***的出料口与二级固液分离装置的第一进料口相连，二级固液分离装置的第一出液口与厌氧发酵***的进液口相连，二级固液分离装置的第二出液口与稀释水循环***的进液口相连，厌氧发酵***的出液口与小型沉淀槽的进口相连，小型沉淀槽的液料出口与二级固液分离装置的第二进料口相连，稀释水循环***的出液口与水解***的进水口相连。
所述的称重***内设有质量测量模块、进水量分析模块以及数据存储模块，质量测量模块的两个信号输出端分别与进水量分析模块的信号输入端、数据存储模块的信号输入端相连，进水量分析模块的信号输出端与控制***的信号输入端相连；其中质量测量模块采用现有成熟的称重仪，用于获取待处理餐厨垃圾的质量数据；进水量分析模块根据餐厨垃圾与进水量的质量体积比为10-40g：100ml计算得到后续水解阶段进水量；
进一步地，数据存储模块根据按每桶、每天、每月、每季度、每年统计餐厨垃圾量。
所述的预处理***包括破碎***、一级固液分离***和油水分离***；其中破碎***用于将经称量后的餐厨垃圾进行破碎；一级固液分离***用于实现破碎后餐厨垃圾的固液分离；油水分离***用于对一级固液分离后的液体进行油水分离，水进入水解***，油脂分离收集，可卖至做生物柴油企业。
进一步地，所述的破碎***采用螺旋推进杆实现破碎；
所述的水解***采用内配备搅拌装置的水解罐，用于将预处理后的固态餐厨垃圾进入水解，使得餐厨垃圾减量率达到70％以上，液态水解产物中SCOD提高200％以上，实现餐厨垃圾快速、高效水解、纯化。
所述的二级固液分离装置用于实现餐厨垃圾水解产物的固液分离，其中液态水解产物可用于发酵制沼气，固态水解产物可用做肥料；
所述的厌氧发酵***为上流式厌氧污泥床反应器(UASB)，UASB反应器内设有提供足够微生物的污泥；UASB反应器的进液口作为厌氧发酵***的进液口，UASB反应器的出液口与小型沉淀槽的进料口相连，小型沉淀槽的出液口与二级固液分离装置的第二进料口相连；厌氧发酵罐UASB的出气口与水封罐的进气口相连，水封罐用于沼气的收集提纯；
所述的稀释水循环***用于收集水解罐分流的部分水以及厌氧发酵罐经发酵后的处理水，然后经提升泵将水循环入水解罐。
所述的控制***包括进水量控制模块、搅拌速率控制模块、自动控温模块；其中进水量控制模块，实现根据称重***计算得到的进水量控制水解罐的进水体积；搅拌速率控制模块，用以控制酶与餐厨垃圾接触的比表面积，实现水解效果最大化；自动控温模块，实现水解与厌氧发酵的适宜温度。
本发明的另一个目的是提供餐厨垃圾处理方法。
该方法包括以下步骤：
步骤(1)、称重
将餐厨垃圾置于称重***的餐厨垃圾专用标准方桶内，经质量测量模块获取垃圾质量数据，然后将数据传送至进水量分析模块，同时传送至数据存储模块进行数据保存；进水量分析模块根据接收到的垃圾质量数据，按照餐厨垃圾与进水量的质量体积比10-40g：100ml的比例关系计算获得后续水解罐内的进水量，然后传送至控制模块；
步骤(2)、预处理
经称量后的餐厨垃圾进入破碎***进行破碎，破碎的粒径0.5-2cm；将破碎后的垃圾在一级固液分离***进行一级固液分离；一级固液分离后的液料进入油水分离***，分离后水进入水解罐，油脂分离收集，可卖至做生物柴油企业；一级固液分离后的固料直接进入水解罐；
步骤(3)、水解
将预处理后餐厨垃圾进入水解罐后，进水量控制模块根据前期接收到的进水量数据添加水到水解罐进行稀释、制浆。自动控温模块通过人工设定从而控制水解温度，同时水解罐内加入外源水解酶，搅拌速率控制模块通过人工设定用以控制酶与餐厨垃圾接触的比表面积，加快餐厨垃圾液化水解，使得餐厨垃圾减量率达到70％以上，液态水解产物中SCOD提高200％以上，实现餐厨垃圾快速、高效水解、纯化。
所述的外源水解酶采用淀粉酶、纤维素酶或蛋白质酶等；其中餐厨垃圾量100g加入酶1-5g；
水解条件：36℃，水解2-5h；
步骤(4)、二级固液分离
将水解后的固液混合物排入二级固液分离装置进行固体沼渣分离，分离后的水解液大部分(80％-90％)进入UASB反应器，一部分(10％-20％)回流到稀释水池；
步骤(5)、厌氧发酵
餐厨垃圾水解液进入USAB反应器内,发酵气体(即沼气)经水封罐收集提纯；发酵后的产物排放到小型沉淀槽内，小型沉淀槽内的一部分上清液回流进入发酵罐体内，一部分进入稀释水循环***。
步骤(6)、稀释水循环
水解罐分流一部分水以及UASB反应器经发酵后的处理水均收集在稀释水槽中，通过提升泵将水循环入水解罐中。
本发明具有如下有益效果：
本发明是一套新型的餐厨垃圾发酵产沼气一体机。现有餐厨垃圾处理技术都是集中式处理，不仅增加了处理成本，还会存在污染问题，而目前市场上能够从源头上处理餐厨垃圾的设备是利用好氧堆肥技术创建起来的，该设备只能实现餐厨垃圾从源头上的减量化处理，而本发明涉及的餐厨垃圾发酵产沼气一体机能够从源头上实现餐厨垃圾减量化的同时，还可以产生可再生能源，实现餐厨垃圾的资源化利用。此外，本发明建立了外源酶水解餐厨垃圾***，实现餐厨垃圾的快速、高效水解；利用一级固液分离***和油水分离***将餐厨垃圾中的粗油脂分离出来，降低餐厨垃圾中油脂对发酵产沼气的影响；建立餐厨垃圾水解产物厌氧发酵制沼气***，最终实现餐厨垃圾快速、高效发酵产沼气。不仅如此，本发明还具有结构简单、运行稳定、操作灵活、水解时间短、产沼气效率高等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，图2为本发明的流程示意图。
图1中：1-破碎***；2-油水分离箱；3-水解罐；4-稀释水池；5-二级固液分离装置；6-UASB反应器；7-小型沉淀槽；8-水封罐；9-一级固液分离***的固料出口；10-进水管；11-抽水泵；12-出油管；13-出水管；14-进水泵；15-三相分离器；16-加热器；17-UASB出水管；18-搅拌电机；19-外排水管；20-排气管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的附图做进一步的分析。
如图1所示，餐厨垃圾发酵产沼气一体机主要包括称重***、预处理***、水解***、二级固液分离装置5、厌氧发酵***、稀释水循环***、控制***；称重***的出料口与预处理***的进料口相连，预处理***的出料口与水解***的进料口相连，水解***的出料口与二级固液分离装置的第一进料口相连，二级固液分离装置的第一出液口与厌氧发酵***的进液口相连，二级固液分离装置的第二出液口与稀释水循环***的进液口相连，厌氧发酵***的出液口与小型沉淀槽的进口相连，小型沉淀槽的液料出口与二级固液分离装置的第二进料口相连，稀释水循环***的出液口与水解***的进水口相连。
所述的称重***内设有质量测量模块、进水量分析模块以及数据存储模块，质量测量模块的两个信号输出端分别与进水量分析模块的信号输入端、数据存储模块的信号输入端相连，进水量分析模块的信号输出端与控制***的信号输入端相连；其中质量测量模块采用现有成熟的称重仪，用于获取待处理餐厨垃圾的质量数据；进水量分析模块根据餐厨垃圾与进水量的质量体积比为10-40g：100ml计算得到后续水解阶段进水管10的进水量；
进一步地，根据按每桶、每天、每月、每季度、每年统计餐厨垃圾量
所述的预处理***包括破碎***1、一级固液分离***和油水分离***(采用油水分离箱2)；其中破碎***用于将经称量后的餐厨垃圾进行破碎；一级固液分离***用于实现破碎后餐厨垃圾的固液分离，一级固液分离***的固料出口9接水解***的进料口；油水分离***用于对一级固液分离后的液体进行油水分离，水经出水管13进入水解***，油脂经出油管12分离收集，可卖至做生物柴油企业。
进一步地，所述的破碎***通过搅拌电机18采用螺旋推进杆实现破碎；
所述的水解***采用内配备搅拌装置的水解罐3，用于将预处理后的固态餐厨垃圾进入水解，使得餐厨垃圾减量率达到70％以上，液态水解产物中SCOD提高200％以上，实现餐厨垃圾快速、高效水解、纯化。
所述的二级固液分离装置用于实现餐厨垃圾水解产物的固液分离，其中液态水解产物可用于发酵制沼气，经出水管14进入厌氧发酵***，固态水解产物可用做肥料；
所述的厌氧发酵***为上流式厌氧污泥床反应器(UASB)，UASB反应器6内设有提供足够微生物的污泥，UASB反应器6内顶端设有三相分离器15，内壁设有加热器16；UASB反应器的进液口作为厌氧发酵***的进液口，UASB反应器的出液口经UASB出水管17与小型沉淀槽7的进料口相连，小型沉淀槽的出液口与二级固液分离装置的第二进料口相连，同时小型沉淀槽与二级固液分离装置间还设有外排水管19；厌氧发酵罐UASB的出气口经排气管20与水封罐8的进气口相连，水封罐用于沼气的收集提纯；
所述的稀释水循环***(即稀释水池4)用于收集水解罐分流的部分水以及厌氧发酵罐经发酵后的处理水，然后经抽水泵11将水循环入水解罐；
所述的控制***包括进水量控制模块、搅拌速率控制模块、自动控温模块；其中进水量控制模块，实现根据称重***计算得到的进水量控制水解罐的进水体积；搅拌速率控制模块，用以控制酶与餐厨垃圾接触的比表面积，实现水解效果最大化；自动控温模块，实现水解与厌氧发酵的适宜温度。
餐厨垃圾处理方法，如图2所示包括以下步骤：
步骤(1)、称重
将餐厨垃圾置于称重***的餐厨垃圾专用标准方桶内，经质量测量模块获取垃圾质量数据，然后将数据传送至进水量分析模块，同时传送至数据存储模块进行数据保存；进水量分析模块根据接收到的垃圾质量数据，按照餐厨垃圾与进水量的质量体积比10-40g：100ml的比例关系计算获得后续水解罐内的进水量，然后传送至控制模块；
步骤(2)、预处理
经称量后的餐厨垃圾进入破碎***进行破碎，破碎的粒径0.5-2cm；将破碎后的垃圾在一级固液分离***进行一级固液分离；一级固液分离后的液料进入油水分离***，分离后水进入水解罐，油脂分离收集，可卖至做生物柴油企业；一级固液分离后的固料直接进入水解罐；
步骤(3)、水解
将预处理后餐厨垃圾进入水解罐后，进水量控制模块根据前期接收到的进水量数据添加水到水解罐进行稀释、制浆。自动控温模块通过人工设定从而控制水解温度，同时水解罐内加入外源水解酶，加快餐厨垃圾液化水解，使得餐厨垃圾减量率达到70％以上，液态水解产物中SCOD提高200％以上，实现餐厨垃圾快速、高效水解、纯化。
所述的外源水解酶采用淀粉酶、纤维素酶或蛋白质酶等；其中餐厨垃圾量100g加入酶1-5g；
水解条件：36℃，水解2-5h；
步骤(4)、二级固液分离
将水解后的固液混合物排入二级固液分离装置进行固体沼渣分离，分离后的水解液大部分(80％-90％)进入UASB反应器，一部分(10％-20％)回流到稀释水池；
步骤(5)、厌氧发酵
餐厨垃圾水解液进入USAB反应器内,发酵气体(即沼气)经水封罐收集提纯；发酵后的产物排放到小型沉淀槽内，小型沉淀槽内的一部分上清液回流进入发酵罐体内，一部分进入稀释水循环***。
步骤(6)、稀释水循环
水解罐分流一部分水以及UASB反应器经发酵后的处理水均收集在稀释水槽中，通过提升泵将水循环入水解罐中。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.餐厨垃圾发酵产沼气一体机，其特征在于主要包括称重***、预处理***、水解***、二级固液分离装置、厌氧发酵***、稀释水循环***、控制***；称重***的出料口与预处理***的进料口相连，预处理***的出料口与水解***的进料口相连，水解***的出料口与二级固液分离装置的第一进料口相连，二级固液分离装置的第一出液口与厌氧发酵***的进液口相连，二级固液分离装置的第二出液口与稀释水循环***的进液口相连，厌氧发酵***的出液口与小型沉淀槽的进口相连，小型沉淀槽的液料出口与二级固液分离装置的第二进料口相连，稀释水循环***的出液口与水解***的进水口相连。
2.如权利要求1所述的餐厨垃圾发酵产沼气一体机，其特征在于所述的称重***内设有质量测量模块、进水量分析模块以及数据存储模块，质量测量模块的两个信号输出端分别与进水量分析模块的信号输入端、数据存储模块的信号输入端相连，进水量分析模块的信号输出端与控制***的信号输入端相连；其中质量测量模块用于获取待处理餐厨垃圾的质量数据；进水量分析模块根据餐厨垃圾与进水量的质量体积比为10-40g：100ml计算得到后续水解阶段进水量。
3.如权利要求2所述的餐厨垃圾发酵产沼气一体机，其特征在于数据存储模块根据按每桶、每天、每月、每季度、每年统计餐厨垃圾量。
4.如权利要求1所述的餐厨垃圾发酵产沼气一体机，其特征在于所述的预处理***包括破碎***、一级固液分离***和油水分离***；其中破碎***用于将经称量后的餐厨垃圾进行破碎；一级固液分离***用于实现破碎后餐厨垃圾的固液分离；油水分离***用于对一级固液分离后的液体进行油水分离，水进入水解***，油脂分离收集，可卖至做生物柴油企业。
5.如权利要求4所述的餐厨垃圾发酵产沼气一体机，其特征在于所述的破碎***采用螺旋推进杆实现破碎。
6.如权利要求1所述的餐厨垃圾发酵产沼气一体机，其特征在于所述的厌氧发酵***为上流式厌氧污泥床反应器(UASB)，UASB反应器内设有提供足够微生物的污泥；UASB反应器的进液口作为厌氧发酵***的进液口，UASB反应器的出液口与小型沉淀槽的进料口相连，小型沉淀槽的出液口与二级固液分离装置的第二进料口相连；厌氧发酵罐UASB的出气口与水封罐的进气口相连，水封罐用于沼气的收集提纯。
7.如权利要求1所述的餐厨垃圾发酵产沼气一体机，其特征在于所述的控制***包括进水量控制模块、搅拌速率控制模块、自动控温模块；其中进水量控制模块，实现根据称重***计算得到的进水量控制水解罐的进水体积；搅拌速率控制模块，用以控制酶与餐厨垃圾接触的比表面积，实现水解效果最大化；自动控温模块，实现水解与厌氧发酵的适宜温度。
8.一种餐厨垃圾处理方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤(1)、称重
将餐厨垃圾置于称重***的餐厨垃圾专用标准方桶内，经质量测量模块获取垃圾质量数据，然后将数据传送至进水量分析模块，同时传送至数据存储模块进行数据保存；进水量分析模块根据接收到的垃圾质量数据，按照餐厨垃圾与进水量的质量体积比10-40g：100ml的比例关系计算获得后续水解罐内的进水量，然后传送至控制模块；
步骤(2)、预处理
经称量后的餐厨垃圾进入破碎***进行破碎，破碎的粒径0.5-2cm；将破碎后的垃圾在一级固液分离***进行一级固液分离；一级固液分离后的液料进入油水分离***，分离后水进入水解罐，油脂分离收集，可卖至做生物柴油企业；一级固液分离后的固料直接进入水解罐；
步骤(3)、水解
将预处理后餐厨垃圾进入水解罐后，进水量控制模块根据前期接收到的进水量数据添加水到水解罐进行稀释、制浆；自动控温模块通过人工设定从而控制水解温度，同时水解罐内加入外源水解酶，搅拌速率控制模块通过人工设定用以控制酶与餐厨垃圾接触的比表面积，加快餐厨垃圾液化水解，使得餐厨垃圾减量率达到70％以上，液态水解产物中SCOD提高200％以上，实现餐厨垃圾快速、高效水解、纯化；
步骤(4)、二级固液分离
将水解后的固液混合物排入二级固液分离装置进行固体沼渣分离，分离后的水解液大部分进入UASB反应器，小部分回流到稀释水池；
步骤(5)、厌氧发酵
餐厨垃圾水解液进入USAB反应器内,发酵气体(即沼气)经水封罐收集提纯；发酵后的产物排放到小型沉淀槽内，小型沉淀槽内的一部分上清液回流进入发酵罐体内，一部分进入稀释水循环***；
步骤(6)、稀释水循环
水解罐分流一部分水以及UASB反应器经发酵后的处理水均收集在稀释水槽中，通过提升泵将水循环入水解罐中。
9.如权利要求8所述的一种餐厨垃圾处理方法，其特征在于步骤(3)所述的外源水解酶采用淀粉酶、纤维素酶或蛋白质酶；其中餐厨垃圾量100g加入酶1-5g。
10.如权利要求8所述的一种餐厨垃圾处理方法，其特征在于步骤(3)水解温度为36℃，水解时间为2-5h。
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