DE2535837C3 - Verfahren zur biologischen Behandlung von Abwasser in einer Kaskade - Google Patents

Verfahren zur biologischen Behandlung von Abwasser in einer Kaskade

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Description

a) die Teilmenge des im Kreislauf geführten Gases der jeweiligen Kaskadensiufe zusammen mit belebtschlammhaltigen Abwasser Ejektoren zuführt, die das Gas in feiner Verteilung dem belebtschlammhaltigen Abwasser zuführen, wobei die durch die Ejektoren tretenden Belebtschlammflocken auf V5 bis '/,o ihrer üblichen Größe von 20 bis 120 Mikrometer zerteilt werden,
b) durch Direkteinspeisung von technisch reinem Sauerstoff in die den Ejektoren zugeführte Gasteilmenge für eine Einhaltung vorgegebener Sollwerte innerhalb der angegebenen Sauerstoffgehalte in dem belebtschlammhaltigen Abwasser der jeweiligen Kaskadenstufe sorgt,
c) durch die Einspeisung von Sauerstoff in den Gasraum der ersten Kaskadenstufe für die Einhaltung eines vorgegebenen Sollwertes des Sauerstoffgehaltes im Gasraum dieser ersten Kaskadenstufe sorgt, und
d) anschließend das Gemisch von Belebtschlamm und gereinigtem Abwasser in einer Potentialströmung unter tangentialer Zuführung mit linearen Geschwindigkeiten von etwa 0,5 bis 3 m/sec und Verweilzeiten von etwa 30 bis 150 see zu Belebtschlammflocken üblicher Teilchengröße rekoaguliert.
Es sind bereits Verfahren bekanntgeworden, nach denen biologisch abbaubares Material, das in lndustrie- und Kommunalabwässeri, enthalten ist, mit Hilfe biologisch aktiver Massen (Belebtschlamm) durch Belüftung mit sauerstoffhaltigen Gasen abgebaut wird. Bei diesen Verfahren wird entweder Luft, mit Sauerstoff angereicherte I.uft oder technisch reiner Sauerstoff als Belüflungsgas verwendet.
Es ist ferner bekannt, daß bei den biologischen Abwasserreinigungen - wie bei jeder bakteriellen Tätigkeit — die Abbauvorgänge entscheidend von der ausreichenden Versorgung mit Sauerstoff abhängig sind. Rs isl daher erforderlich, dem Belebtschlamm den zur Atmung notwendigen Sauerstoff künstlich zuzuführen. Im allgemeinen wird der Sauerstoff aus der Umgebungsluft entnommen und in offenen Becken dem Gemisch aus Belebtschlamm und dem zu reinigenden Abwasser zugeführt Da nur etwa 2% des Luftsauerstoffs beim Durchgang durch das Belebtschlammbecken ausgenutzt werden, müssen große Luftmengen mit dem Gemisch aus Belebtschlamm und dem zu reinigenden Abwasser in Kontakt gebracht werden. Dies erfordert große Beckenvolumen und/oder eine Vielzahl aufwendiger Sauerstotfeintragungsvorrichtungen mit einem entsprechend hohen Energieaufwand. Hinzu kommen die Geruchsbelästigungen, die durch die Tröpfchenbildung bei Oberflächenbelüftern verursacht werden.
In den deutschen Auslegeschriften 20 32 189, 20 32 440, 20 32 480, 2ü 32 528 und 20 32 535 sind Verfahren beschrieben, die diese Nachteile durch Einsatz von mit Sauerstoff angereicherter Luft bzw. technisch reinem Sauerstoff zu vermeiden suchen.
Die genannten Vorveröffentlichungen beschreiben auch bereits ein Verfahren zur biologischen Behandlung von Abwasser in einer Kaskade, welches biochemisch oxydierbare Bestandteile enthält, in Gegenwart von Belebtschlamm unter Zufuhr von technisch reinem Sauerstoff in den Gasraum über der ersten Kaskadenstufe und Ableitung von an Sauerstoff verarmtem Gas aus dem Gasraum der letzten Kaskadenstufe, wobei eine Teilmenge des Gases aus dem Gasraum der jeweiligen Kaskadenstufe in feiner Verteilung unter intensiver Vermischung im Kreislauf dem belebtschlammhaltigen Abwasser dieser jeweiligen Kaskadenstufe zugeführt wird.
Es werden geschlossene Belüftungsbecken verwendet, wobei das Gas mittels eines rotierenden Gasverteilungssystems direkt in das Gemisch aus Belebtschlamm und Abwasser eingetragen wird. Zur besseren Ausnützung des Sauerstoffs wird das Belüftungsgas rezirkuliert. Eine Kaskadenschaltung der Belüftungssysteme hat sich dabei als zweckmäßig erwiesen. Hinter der letzten Kaskadenstufe befindet sich eine Zwischen- bzw. eine Endklärung, wobei man unter Zwischenklärung die Abtrennung des teilgereinigten Abwassers vom Belebtschlamm versteht und unter der Endklärung die Abtrennung vom vollständig gereinigten Abwasser vom Belebtschlamm.
Bei Lastschwankungen im Abwasser ist der Sauerstoffbedarf besonders bei Kaskadenschaltung sehr unterschiedlich. Besonders wirken sich diese Lastschwankungen in den ersten Kaskadenstufen aus.
Nach den bekannten Verfahren wurde der Sauerstoff entsprechend dem Sauerstoffbedarf des belebtschlammhaltigen Abwassers in die Gasphase der ersten Kaskadenstufe zugegeben. Das im Gasraum entstehende, an Sauerstoff verarmte Gas wurde anschließend in eine zweite und dritte Kaskadenstufe eingeführt, wobei es weiter an Sauerstoff verarmte.
Die Regelung des gelösten Sauerstoffs im belebtschlammhaltigen Abwasser kann in der jeweiligen Kasbo kadenstufe nur durch Erhöhung oder Erniedrigung der Menge des in der jeweiligen Kaskadenstufe rezirkulierten sauerstoffhaltigen Gases bewirkt werden. Bei dem bekannten Verfahren wird die Sauerstoffzufuhr mit einem Handventil in Abhängigkeit der Sauerstoffkonzenb5 tration im Ausgang der letzten Kaskade geregelt.
Bei dieser Art der Regelung der Sauerstoffzufuhr ist die Wirkung auf die Konzentration des in der Belebtschlammsuspension gelösten Sauerstoffs sehr träge. Da
der in den Gasraum der ersten Kaskadenstufe zugegebene Sauerstoff von dem dort befindlichen Gasgemisch, bestehend aus Sauerstoff und Kohlendioxid, verdünnt wird, ist es nicht möglich, bei Lastschwankungen im Abwasser bei optimalen Werten an gelöstem Sauerstoff, im belebtschlammhaltigen Abwasser zu arbeiten.
Überhaupt ist es bei diesem bekannten Verfahren nur schwer möglich, in den ersten Kaskadenstufen sowohl in der Gasphase als auch in der Belebtschlammsuspension bestimmte optimale konstante Sauerstoffkonzentrationen einzustellen.
Nach anderen bekannten Verfahren eifolgt die Sauerstoffzufuhr nicht in den Gasraum über dem Abwasser, sondern direkt in das Abwasser, eventuell mit rezirkuliertem Gas. jedoch erreichen solche Verfahren nur einen unzureichenden Sauerstoffnutzungsgrad. Gemäß US-PS 38 72 003 wird zur Verbesserung dieser Verfahren vorgeschlagen, nur große, an Sauerstoff wenig verarmte Gasblasen aus dem Abwasser zu rezirkulieren und kleinere stärker verarmte Gasblastn nach dem Durchperien durch das Abwasser in die Atmosphäre zu entlassen. Jedoch führt auch bei diesen Verfahren die erhöhte Sauerstoffzufuhr bei Lastschwankungen zu erhöhtem Abgasanfall und damit zu einem noch unbefriedigenden Sauerstoffnutzungsgrad.
Ferner neigen solche Systeme bereits bei kleinen Schwankungen des Sauerstoffbedarfs des Abwassers zur Ausbildung von starken Regelschwingungen des Sauerstoffangebotes.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die zuvor näher erläuterten bekannten Verfahren derart weiterzubilden, daß eine bessere Sauerstoffnutzung insbesondere bei Lastschwankungen unter Wahrung einer guten Reinigungsleistung ermöglicht wird.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zur biologischen Behandlung von Abwasser gemäß Patentanspruch.
Das erfindungsgemäße Verfahren schafft optimale Voraussetzungen für die Sauerstoffzehrung in den einzelnen Kaskadenstufen; eingebrachtes Rezirkulationsgas wird in der Flüssigkeit extrem fein verteilt, so daß infolge der dadurch geschaffenen Phasengrenzfläche und der großen Konzentrationsdifferenz zwischen der Sauerstoffkonzentration im Rezirkulationsgas und der Konzentration des gelösten Sauerstoffs im Belebtschlamm-Abwasser-Gemisch ein schneller Übergang einerseits von gasförmigem Sauerstoff in die Flüssigkeit und andererseits von in der Flüssigkeit gelöstem Sauerstoff in den in feinverteilter Suspension vorliegenden Belebtschlamm gewährleistet ist. Die Konzentrationsdifferenz kann noch erhöht werden, indem der umgewälzten Suspension, bestehend aus teilgereinigtem Abwasser und feinteiligem Belebtschlamm, nahezu sauerstofffreies Abwasser und sauerstoffarmer Belebtschlamm zugegeben wird.
Die Konzentration des in der Belebtschlammsuspension gelösten Sauerstoffs kann bei einem eingestellten Optimalwert (ungefähr 3 mg/1) trotz Lastschwankungen im Abwasser nahezu konstant gehalten werden. Über die Direktzufuhr von Sauerstoff in das den Ejektoren zugeführte Rezirkulationsgas erhöht sich der Bedarf — ohne Verzögerung — die Konzentration des in der Belcbtschlammsuspension gelösten Sauerstoffs. Da der .Sauerstoffeintrag direkt proportional ist der Differenz /wischen der Sättigungskonzcnlration und der aktuelun Konzentration des in der Bnlebtschlamnisuspension gelösten Sauerstoffs, werden infolge der Einstellung medriirer Konzentrationen des in der Belebtschlammsuspension gelösten Sauerstoffs energetisch optimale Bedingungen erreicht Überdosierungen von Sauerstoff werden vermieden, wodurch insbesondere eine bessere Nutzung des Sauerstoffs a'.s bisher gewährleistet ist
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren an einer speziellen Ausführungsform mit zwei hintereinandergeschalteten Kaskadenstufen an Hand der F i g. 1 beschrieben.
ίο Im einzelnen wird das Verfahren so durchgeführt, daß das Abwasser, das biologisch abbaubares Material enthält, mit Hilfe von Belebtschlamm und sauerstoffhaltigem Gas intensiv mit Sauerstoff in Kontakt gebracht wird. Dazu wird das Abwasser über eine Leitung 3 der Saugseite einer Flüssigkeitspumpe 4, die teilgereinigtes Abwasser mit Belebtschlamm aus einer Kaskadenstufe 1 über eine Leitung 5 umwälzt, zugegeben. Das Gemisch wird von der Pumpe 4 über eine Leitung 6 Ejektoren 7, die an einem Gaskompressor 8 angeschlossen sind, zugeführt. Durch die in den Ejektoren herrschenden Strömungsbedingungen wird der aus einem Absetzbecken 9 über eine Pumpe 10 rückgeführte Belebtschlamm, der in Flockenstruktur vorliegt, in eine feinverteilte Suspension gebracht. Nun wird technisch reiner Sauerstoff über eine Leitung 11 mittels eines Regelventiis 12 in den Gasraum 13 der ersten Kaskadenstufe 1 des Belebtschlammbeckens 14 in der Weise zudosiert, daß der Sauerstoffgehalt der Gasphase im Gasraum 13 der ersten Kaskadenstufe maximal um 10% von einem gegebenen Sollwert abweicht. Dieser Sollwert richtet sich zum einen nach dem Gehalt an biologisch abbaubarem Material im Abwasser, zum anderen ist er abhängig davon, welche Kaskadenslufe in einer Kaskadenschaltung betrachtet wird.
Um nun die Sauerstoffkonzentration im belebtschlammhaltigen Abwasser der ersten Kaskadenstufe 1, unabhängig von Lastschwankungen im Abwasser, bei konstanten Werten zwischen 1 mg/1 und 4 mg/1 zu halten, wobei hier ein Sollwert von etwa 2,5 mg/1 vorgegeben ist, wird dem Rezirkulationsgas in der Leitung 15, in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration im belebtschlammhaltigen Abwasser der ersten Kaskadenstufe 1, gemessen über einen Meßfühler 16, direkt über eine Leitung 17 mittels eines Regelventils 18 technisch reiner Sauerstoff zudosiert, so daß die gewünschten konstanten Sauerstoffkonzentrationen im belebtschlammhaltigen Abwasser der ersten Kaskadenstufe 1 erreicht werden. Hierfür geeignete Meßfühler sind beispielsweise von GlT, Fachzeitschrift für das Laboratorium, Heft6, 715-720, 1972, und »Die Wasserwirtschaft 9« (1969), 260-267, beschrieben. Entsprechend der über die Leitung 3 zugegebenen Menge Abwasser und über die Leitung 19 aus dem Absetzbecken 9 rückgeführten Menge Belebtschlamm fließt ein Gemisch
v, von Belebtschlamm und teilgereinigtem Abwasser durch eine öffnung 20 in einer zwischen den Kaskadenstufen 1 und 2 angebrachten Trennwand 21 in die zweite Kaskadenstufe 2. Ein Teil des in der zweiten Kaskadenstufe 2 befindlichen Gemisches aus teilgereinigtem Abwasser und Belebtschlamm wird über eine Leitung 22 mittels einer Pumpe 23 über eine Leitung 24 Ejektoren 25, die an einem Gaskompressor 26 angeschlossen sind, zugeführt.
Um nun die Sauerstoffkonzentration im belegen schlammigen Abwasser in der zweiten Kaskadenstufe 2 bei konstanten Werten zwischen 4 und 8 mg/1 zu halten, wobei ein Sollwert von b mg/1 vorgegeben ist. wird dem KczirkulationsKas in der Leitung 27, in Abhängigkeit
von der Sauerstoffkonzentration im belebtschlammhaltigen Abwasser der zweiten Kaskadenstufe 2, gemessen mit einem Meßfühler 28 direkt über eine Leitung 29 mittels eines Regelventils 30 technisch reiner Sauerstoff zudosiert, so daß auch im belebtschlammhaltigen Abwasser der zweiten Kaskadenstufe 2 die gewünschte konstante Sauerstoffkonzentration resultiert.
in den Gasräumen 13 und 31 herrscht ein Überdruck von 20—100 mm Wassersäule. Der Überdruck kann innerhalb dieses Bereiches auf einen gewünschten Solldruckwert eingestellt werden und wird mittels des Regelventils 12 und 32 konstant gehalten. Das Gasgemisch in dem Gasraum 13 der ersten Kaskadenstufe besteht im wesentlichen aus 40—80 Volumen-% Sauerstoff und 20—60 Volumen-% Kohlendioxid, im Gasraum 31 der zweiten Kaskadenstufe 2 befindet sich ein Gasgemisch, das im wesentlichen 30—60 Volumen-% Sauerstoff und 40—70 Volumen-% Kohlendioxid besteht. Die Sauerstoffkonzentration im Gasraum 3i ist abhängig von der Sauerstoffkonzentration im Gasraum 13. Die Sauerstoffkonzentration im Gasraum 13, gemessen an der Meßstelle 33, kann auf einen gewünschten Optimalwert, je nach Abwasserbeschaffenheit, eingestellt werden. Die Messung der Sauerstoffkonzentration an die Meßstelle 33 kann z. B. nach der in dem Buch »Messen und Regeln in der chemischen Technik«, Springer-Verlag 1957, herausgegeben von Hengstenberg, Sturm, Winkler, S. 463—482, beschriebenen Methode erfolgen. Dieser eingestellte Optimalwert wird dadurch konstant gehalten, daß in Abhängigkeit von dem über die Meßstelle 33 gemessenen Sauerstoffgehalt das Regelventil 32 so lange geöffnet wird, bis sich der Optimalwert wieder im Gasraum 13 eingestellt hat. Beim öffnen des Regelventils 32 entsteht eine Druckdifferenz zum eingestellten Drucksollwert die durch Zufuhr von technisch reinem Sauerstoff durch die Leitung 11 über das Regelventil 12 ausgeglichen wird. Während der Zufuhr von technisch reinem Sauerstoff über die Leitung 11 in den Gasraum 13 strömt Gasgemisch vom Gasraum 13 durch einen Gasdurchlaß 40 in den Gasraum 31 und von dort über eine Leitung 41 durch das Regelventil 32 in die freie Atmosphäre.
Entsprechend der über die Leitung 3 zugegebenen Menge Abwasser und der über die Leitung 19 aus dem Absetzbecken 9 zugeführten Menge Belebtschlamm fließt aus der zweiten Kaskadenstufe 2 ein Gemisch von Belebtschlamm und gereinigtem Abwasser über eine Leitung 34 einem Koagulator 35 zu und tritt in koagulierter Form über Leitungen 36 und 37 in das Absetzbecken 9 ein, in dem das gereinigte Abwasser von dem Belebtschlamm getrennt wird.
Der Koagulator 35 besteht im wesentlichen aus einem zylindrischen Reaktor, in den die aus dem Belebtschlammbecken 14 abgeführte feinteilige Suspension über eine tangentiale Zuführung mit linearen Geschwindigkeiten von etwa 0,5 bis 3 m/sec eingeführt wird und dort in eine Rotationsbewegung — unter Auslösung einer Potentialströmung — versetzt wird Die einzelnen Flüssigkeitsschichten bewegen sich in diesem Koagulator demnach um so schneller, je mehr sie an der Achse des Zylinders liegen. Die Verweilzeiten eines Flüssigkeits- bzw. Feststoffteilchens betragen durchschnittlich etwa 30 bis 150 see, vorzugsweise 40 bis 100 see In der Nähe der Achse bildet sich ein sogenannter Wirbelkern. Es hat sich gezeigt, daß die in der Potentialströmung vorhandene Relativ-Bewegung zwischen den einzelnen Strömungsschichten besonders dazu geeignet ist, den Zusammenschluß der feinteiligen Bclebtschlammflokken zu fördern. Auf diese Weise gelingt es, wieder absetzfähige Flocken zu bilden, die dann in dem nachgeschalteten Absetzbecken 9 von dem gereinigten Abwasser getrennt werden können. Unter einer Potentialströmung versteht man eine Strömung um eine Rotationsachse, die nach dem Gesetz r-c = konstant (r = Abstand eines Flüssigkeits- bzw. Feststoffteilchens von der Rotationsachse, c = Geschwindigkeit des Teilchens) abläuft.
Aus dem Absetzbecken 9 fließt das Klarwasser über ein Überlaufwehr 38 ab und kann je nach Reinheitsgrad einer weiteren Behandlung zugeführt oder abgelassen werden. Der abgetrennte Belebtschlamm wird mittels der Pumpe 10 in die erste Kaskadenstufc 1 zurückge-
pumpt und ein Teil als Übcrschußschlamm über eine Leitung 39 abgezogen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung der Sauerstoffzufuhr ist nicht auf eine Abwasserbehandlung in zwei Kaskadenstufen beschränkt, sondern kann auch entsprechend in einer Stufe oder in mehr als zwei Kaskadenstufen durchgeführt werden. Die Kaskadenfahrweise kann sowohl in getrennten Behältern als auch durch entsprechende Anordnung der Ejektoren in einem Becken ohne Trennwände durchgeführt werden.
Da die die Ejektoren verlassenden Gasblasen infolge ihrer Mammutpumpenwirkung die Flüssigkeit im wesentlichen nur in vertikaler Richtung durchmischen und eine axiale Rückvermischung des Flüssigkeitsdurchsatzes gering ist, wird eine »Kaskadenschaltung« für den Flüssigkeitsdurchsatz bereits ohne Trennwände in der Flüssigkeit bewirkt. Unter Verwendung der Ejektoren kann problemlos der Sauerstoff am Beckenboden des Belebtschlammbeckens, selbst in einer Tiefe von 5—20 m, eingetragen werden, was für eine wirtschaftliehe Fahrweise besonders wichtig ist.
Geeignete Ejektoren sind beispielsweise beschrieben in A. G. Kasatkin, Chemische Verfahrenstechnik, Band 1, VEB, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1962, Seiten 138, 177, 180. In besonderer Weise ist eine Ejektordüse geeignet, die Gegenstand eines bisher unveröffentlichten Vorschlags ist. Eine derartige Ejektordüse ist in der F i g. 2 dargestellt und dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse 101 mit einer Zufuhrleitung 102 für Flüssigkeit und einer Zufuhrleitung 103 für das Gas fest verbunden ist, wobei in das Gehäuse 101 an dem Eintritt der Zufuhrleitung 102 für Flüssigkeiten eine Dichtung 104 eingesetzt ist und wobei eine einschiebbare Treibdüse 105 gegen die Dichtung 104 geführt ist und wobei ein Hülsenrohr 106, welches n.it einer in das Gehäuse einschraubbar ausgestalteten Mischdüse 107 fest verbunden ist, das mit Bohrungen 108 versehen ist, auf den Rand der Treibdüse 105 aufgesetzt ist und wobei eine Kontermutter 109 am Ende des Gehäuses 101 angeordnet ist Die Ejektordüse besteht vorzugsweise aus Kunststoff, wie z. B. Hartpolyäthylen und/oder Polypropylen.
Durch die Zufuhrleitung 102 wird das Abwasser zusammen mit Belebtschlamm mit einer Geschwindigkeit von 5—24 m/sec, vorzugsweise 12—18 m/sec, gedruckt In der Mischdüse 107 wird die Strömungsenergie des Treibwassers in Druck umgesetzt Dabei wird das durch die Zufuhrleitung 103 eintretende sauerstoffhaltige Gas in feine Gasbläschen zerrissen und die zugeführten Belebtschlammflocken in sehr kleine Rocken zerteiit Das Gemisch tritt als feinteilige Suspension aus der Ejektordüse aus, wobei die feinen Gasbläschen beim Aufsteigen im Belebtschlammbecken weiter Sauerstoff an das Abwasser abgeben können. Derartige Ejektordüsen wer-
den vorteilhafterweise am Boden des Belebtschlammbeckens angebracht. Dem Abwasser wird vor dem Eintritt in die Ejektordüse grobflockiger Belebtschlamm in Mengen von 20—60 Volumen-%, bezogen auf Abwasser, zugesetzt. In einer vorteilhaften Ausführungsform 5 wird teilgereinigtes Abwasser, das bereits feinteiligen Belebtschlamm (»feinteilige Suspension«) enthält, in Mengen von 10—300 Volumen-%, bezogen auf Abwasser, aus dem Belebtschlammbecken rückgeführt und zusammen mit dem grobflockigen Belebtschlamm enthal- io tcnden Abwasser durch die Ejektordüse geleitet.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
15
20
25
30
35
40
50 %
55
bO
65

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verfahren zur biologischen Behandlung von Abwasser in einer Kaskade, welches biochemisch oxydierbare Bestandteile enthält in Gegenwart von Belebtschlamm unter Zufuhr von technisch reinem Sauerstoff in den Gasraum über der ersten Kaskadenstufe und Ableitung von an Sauerstoff verarmtem Gas aus dem Gasraum der letzten Kaskadenstufe, wobei in der Gasphase über dem belebtschlammhaltigen Abwasser der ersten Kaskadenstufe der Sauerstoffgehalt zwischen etwa 40 bis 80 VoIumen-%, im Gasraum der zweiten Kaskadenstufe bei etwa 30 bis 60 Volumen-% liegt, wobei eine Teilmenge des Gases aus dem Gasraum der jeweiligen Kaskadenstufe in feiner Verttilung unter ir-tensiver Vermischung im Kreislauf dem belebtschlammhaltigen Abwasser dieser jeweiligen Kaskadenstufe zugeführt wird, und wobei die Sauerstoffgehalte im belebtschlammhaltigen Abwasser in der ersten Kaskadenstufe zwischen etwa 1 bis 4 mg/1 und in der zweiten Kaskadenstufe zwischen 4 bis 8 mg/1 liegen, dadurch gekennzeichnet, daß man
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