垃圾填埋場(chǎng)滲濾液地下原位脫氮技術(shù)綜述
摘要:氨氮是城市垃圾厭氧填埋過(guò)程中產(chǎn)生的常見的污染物。由于氨氮的持久性和生物毒性,生活垃圾填埋場(chǎng)滲濾液中氮的脫除已引起了人們的高度關(guān)注。文中結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ),論述了厭氧滲濾液回灌、強(qiáng)制通風(fēng)好氧填埋、準(zhǔn)好氧填埋和生物反應(yīng)器填埋四種垃圾滲濾液原位脫氮處理技術(shù)的原理、技術(shù)特點(diǎn)、工程投資、運(yùn)行成本以及處理效果等;指出了垃圾填埋場(chǎng)滲濾液原位脫氮技術(shù)的未來(lái)研究重點(diǎn):填埋場(chǎng)內(nèi)脫氮機(jī)理和脫氮速率的深入研究、工藝控制優(yōu)化研究以及生物反應(yīng)器填埋的實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)研究。
關(guān)鍵詞:垃圾滲濾液;氨氮脫除;原位處理
垃圾填埋已經(jīng)有多年歷史,在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用。我國(guó)城市垃圾采用填埋方法處理的約占全部處理量的70%[1]。現(xiàn)代垃圾填埋場(chǎng)的主要目標(biāo)是減少滲濾液和填埋氣的滲漏,不把環(huán)境問(wèn)題遺留給后代[2]。傳統(tǒng)厭氧填埋產(chǎn)生的滲濾液中有大量氨氮積累且營(yíng)養(yǎng)不平衡生化性差,后續(xù)處理困難[3~5]。一種有發(fā)展?jié)摿?、效率高且投資少的環(huán)境修復(fù)技術(shù)―滲濾液地下原位脫氮技術(shù),逐漸成為近年研究熱點(diǎn),頻繁見諸文獻(xiàn)中。本文在結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,論述填埋場(chǎng)滲濾液地下原位脫氮的方法。
1 高氨氮滲濾液對(duì)地下水的影響
我國(guó)地下水資源保護(hù)和地下水污染治理形勢(shì)不容樂觀,國(guó)土資源部2002年公布的報(bào)告指出:中國(guó)約有一半城市市區(qū)的地下水污染嚴(yán)重地下水水質(zhì)呈下降趨勢(shì),全國(guó)約有7000萬(wàn)人仍在飲用不符合飲用標(biāo)準(zhǔn)的地下水[6]。三氮污染物對(duì)人類的危害僅次于農(nóng)藥的污染,地下含水層對(duì)三氮污染物的自凈能力很弱,因此地下水氮素污染的治理工作成為重點(diǎn)和熱點(diǎn)。我國(guó)的垃圾處理仍有多為露天堆放和簡(jiǎn)易填埋,缺乏完善的滲濾液收集、排導(dǎo)和處理設(shè)施。即使是有防滲層的填埋場(chǎng),如果不能對(duì)滲濾液進(jìn)行有效處理,也相當(dāng)于在地下埋了一個(gè)“污染源”定時(shí)炸彈,隨時(shí)有引發(fā)污染的可能。
滲濾液和地下水的管理成為垃圾填埋最主要的問(wèn)題。富含氨氮以及其他污染物的垃圾滲濾液容易對(duì)地下水造成二次污染,滲濾液泄漏、危害環(huán)境和公眾健康的事件常有發(fā)生[7-9]。Kejeldsen等人表示從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看填埋場(chǎng)滲濾液的危害以氨氮為主[10]。Pivato 和Gaspari等人做的急毒性測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中滲濾液以重金屬、氨氮和可溶有機(jī)碳的危害性為表征,其中因氨氮濃度高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、污染地下水而備受關(guān)注。其結(jié)果表明滲濾液的毒性主要依賴于氨氮濃度,氨氮濃度降解到可以忍受的程度時(shí)滲濾液的毒性就非常低;若老齡填埋場(chǎng)(30~50 a)防護(hù)層失效,其風(fēng)險(xiǎn)可只以氨氮濃度計(jì)算[11]。
滲濾液滲漏是通過(guò)穿透防滲底層垂直或水平遷移進(jìn)入到地下水體中[12]。其影響范圍主要取決于填埋場(chǎng)周邊的水文地質(zhì)特征,在縱向(60 m)和橫向(1200 m)都可形成污染羽[13]。丹麥的一個(gè)填埋場(chǎng)滲濾液污染羽監(jiān)測(cè)情況表明氨氮的阻滯主要依靠離子交換作用和厭氧氨氧化作用[14]。NH4+可以被粘土吸附成為其晶格的一部分。早年有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明滲濾液污染羽中氨氮濃度伴隨著Mn離子濃度的增加而減少[15],后為Slavinskaya等人的實(shí)驗(yàn)證實(shí)錳離子可起到催化氨氮氧化的作用[16]。傳統(tǒng)的簡(jiǎn)易填埋或衛(wèi)生填埋場(chǎng)的滲濾液滲漏污染地下水的情況可持續(xù)幾十年,甚至可能持續(xù)幾個(gè)世紀(jì)[9]。
2 滲濾液中氨氮產(chǎn)生過(guò)程和特點(diǎn)
垃圾填埋場(chǎng)是一個(gè)復(fù)雜的非均質(zhì)體系,一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物反應(yīng)同時(shí)發(fā)生。其中的氮素轉(zhuǎn)化包括氨化、同化、硝化和反硝化等作用。滲濾液的形成過(guò)程非常復(fù)雜,影響因素也很多,就其具體形成機(jī)理還不甚清楚。
生活垃圾中蛋白質(zhì)等含氮物質(zhì)的生物降解是垃圾滲濾液中NH3-N的主要來(lái)源[3,17]。蛋白質(zhì)在蛋白酶作用下水解成多肽和二肽,然后由肽酶進(jìn)一步水解成氨基酸,氨基酸通過(guò)降解釋放出NH4+。釋放出的一部分NH4+可被同化合成細(xì)胞物質(zhì),另一部分NH4+在有氧存在時(shí)可經(jīng)亞硝化菌和硝化菌作用氧化為NO2-和NO3-,NO2-和NO3-可以在兼氧/厭氧環(huán)境中被反硝化菌還原為N2。填埋場(chǎng)內(nèi)是固體垃圾-微生物-滲濾液-填埋氣混合的微生態(tài)系統(tǒng),包含多種無(wú)機(jī)和有機(jī)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[18]。場(chǎng)內(nèi)的生化反應(yīng)類型比傳統(tǒng)硝化反硝化反應(yīng)更多更復(fù)雜。厭氧條件下,厭氧氨氧化菌能以NO2-作為最終電子受體,進(jìn)行厭氧氨氧化作用,將NH4+轉(zhuǎn)化為N2 [19]??赡馨l(fā)生的反應(yīng)如下:
NH4+還可以被異養(yǎng)反硝化細(xì)菌作為最終電子受體,通過(guò)生物異化還原;通過(guò)自養(yǎng)反硝化細(xì)菌如反硝化硫桿菌的作用,利用含硫化合物和無(wú)機(jī)碳化合物作為能源進(jìn)行反硝化被還原[20]。
傳統(tǒng)厭氧填埋條件下蛋白質(zhì)水解較慢,使得垃圾填埋場(chǎng)中的氨氮的釋放可以持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間[10,17,21]。因此,很多學(xué)者認(rèn)為NH3-N是垃圾填埋場(chǎng)中重要的長(zhǎng)期污染,在運(yùn)行和封場(chǎng)之后仍是主要的污染源[14,22]。傳統(tǒng)厭氧填埋的條件通常不利于氨氮的降解,通常隨著填埋場(chǎng)年限的增加,垃圾滲濾液中的氨氮比例也相應(yīng)增加。
3 原位處理技術(shù)
鑒于垃圾填埋場(chǎng)滲濾液中高濃度的氨氮對(duì)地下水的污染問(wèn)題,滲濾液的妥善處置是垃圾填埋的首要任務(wù)。氨氮濃度高、可生化性差的滲濾液的處理成為長(zhǎng)期困擾環(huán)境工作者的難題。滲濾液的處理可采取物理化學(xué)和生物的方式處理,如離子交換、空氣吹脫、化學(xué)絮凝,反滲透、膜分離和生物處理等。物理化學(xué)方法的處理成本高,應(yīng)用受到限制。相比之下,生物脫氮方法的成本較低,常被用于滲濾液脫氮處理[23]。但是由于滲濾液的低碳氮比,在生物處理中需要添加反硝化碳源,或者是在生物處理前進(jìn)行物化絮凝和空氣吹脫預(yù)處理[23~26]。這不僅增加了運(yùn)行成本,也提高了管理難度。不是等生化性差、氨氮高、難處理的滲濾液已經(jīng)大量產(chǎn)生再進(jìn)行處理,而是從“源頭”解決滲濾液氨氮濃度高的問(wèn)題:改進(jìn)垃圾填埋方式,以減少滲濾液產(chǎn)量提高滲濾液水質(zhì)。這是城市垃圾處理處置的新思路,為城市垃圾管理提供可行的替代方案。
原位脫氮的垃圾填埋場(chǎng)在功能上與傳統(tǒng)厭氧填埋場(chǎng)類似,并通過(guò)改進(jìn)填埋方式和結(jié)構(gòu)、結(jié)合滲濾液回灌和原位通風(fēng)等技術(shù)將傳統(tǒng)填埋場(chǎng)改造成一個(gè)巨大的生物反應(yīng)器的形式。填埋場(chǎng)原位處理系統(tǒng),可以加速垃圾的穩(wěn)定化過(guò)程、減少滲濾液的產(chǎn)量或者提高滲濾液的性能,節(jié)省滲濾液處理的成本也就降低了垃圾處理的總成本。填埋場(chǎng)滲濾液地下原位脫氮技術(shù)成了近年來(lái)滲濾液處理研究的熱點(diǎn)。
3.1 厭氧滲濾液回灌
滲濾液回灌技術(shù)開展較早,國(guó)外在上世紀(jì)70年代就開始采用灑水和回灌的方式加速填埋垃圾的降解,國(guó)內(nèi)從1995年開始進(jìn)行研究[27,28]。回灌的基本操作是將在填埋場(chǎng)底部收集的滲濾液從場(chǎng)體覆蓋層或覆蓋層下部重新注入填埋場(chǎng)?;毓嗵幚碇饕抢锰盥駡?chǎng)覆蓋層的土壤凈化作用、垃圾填埋層的“生物濾床”作用等進(jìn)行的[29]。填埋場(chǎng)中微生物豐富,滲濾液的回流,增加填埋垃圾的濕度,可提高微生物的活性;同時(shí)滲濾液在場(chǎng)體內(nèi)的停留時(shí)間增長(zhǎng),微生物對(duì)滲濾液中的有機(jī)物的水解和發(fā)酵作用也增強(qiáng),這樣填埋垃圾和滲濾液的降解速度都增加。有報(bào)導(dǎo)稱滲濾液回灌可以將垃圾填埋場(chǎng)的穩(wěn)定時(shí)間縮短為2~3 a,從而使得填埋場(chǎng)長(zhǎng)期的負(fù)面環(huán)境影響達(dá)到最小[30]。?an和Onay的研究表明在適當(dāng)?shù)膒H控制條件下,夏天滲濾液回流率21%、每周回灌四次可以得到最快的垃圾穩(wěn)定化速度[31]。滲濾液回灌應(yīng)根據(jù)垃圾的穩(wěn)定狀態(tài)、季節(jié)和氣候進(jìn)行調(diào)整。實(shí)際應(yīng)用中高頻率的滲濾液回灌會(huì)造成積水、溢流或堵塞等問(wèn)題。
回灌滲濾液作為滲濾液原位土地處理方法,與物化和生物方法相比,能較好地適應(yīng)滲濾液水量和水質(zhì)的變化,是一種投資小、運(yùn)行費(fèi)用低、且能加速垃圾穩(wěn)定、增加甲烷產(chǎn)出和能源回收的方法。但也面臨挑戰(zhàn):厭氧條件下回灌滲濾液主要作用是脫碳,隨著填埋垃圾的降解,回灌后產(chǎn)生滲濾液具有“老齡”滲濾液的特征,不宜于生物處理,需輔助的要異位處理設(shè)施。傳統(tǒng)厭氧填埋場(chǎng)中回灌滲濾液,硝化反應(yīng)很難在場(chǎng)體內(nèi)部進(jìn)行,無(wú)法通過(guò)硝化-反硝化反應(yīng)脫除氨氮,氨氮積累較嚴(yán)重[3,32]。
3.2 強(qiáng)制通風(fēng)好氧填埋
強(qiáng)制通風(fēng)好氧填埋是利用鼓風(fēng)機(jī)直接向垃圾填埋場(chǎng)場(chǎng)體內(nèi)鼓風(fēng)供氧來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通風(fēng)好氧填埋與傳統(tǒng)厭氧填埋相比具有下列特點(diǎn):1)可以加速好氧降解,有效降解垃圾中可生物降解的有機(jī)質(zhì),縮短填埋垃圾穩(wěn)定時(shí)間[33,34];2)填埋場(chǎng)通風(fēng)可以干燥填埋場(chǎng),減少滲濾液的產(chǎn)出量和滲濾液中COD、NH3-N和TKN的濃度,降低滲濾液滲透污染的可能性[9,34~36];3)填埋垃圾沉降加快,提高了填埋場(chǎng)處理能力,延長(zhǎng)填埋場(chǎng)使用壽命;4)在實(shí)際運(yùn)用中,采用原位通風(fēng)技術(shù)可明顯減少填埋場(chǎng)惡臭、改善填埋場(chǎng)周邊環(huán)境[37]。
現(xiàn)在填埋場(chǎng)通風(fēng)供氧技術(shù)已經(jīng)成熟,氣體傳質(zhì)和供氧速率較高,要求的設(shè)備簡(jiǎn)單、安裝方便[38]。但是各填埋場(chǎng)的填埋場(chǎng)址條件和技術(shù)需求(如需氧量、填埋高度、氣體分配裝置的數(shù)量和分布、基層結(jié)構(gòu)等)都不盡相同,通常很難準(zhǔn)確計(jì)算通風(fēng)好氧填埋的預(yù)期成本。Heyer等人估計(jì)強(qiáng)制通風(fēng)處理每單位立方米填埋體積的成本在0.5~3歐元不等[39]。由于通風(fēng)供氧加速降解速率,縮短填埋場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)間,這就減少了監(jiān)測(cè)和維護(hù)所需成本。因此,采用通風(fēng)好氧填埋需要綜合權(quán)衡效益,選取適宜的供氧速率和強(qiáng)度。通風(fēng)好氧填埋節(jié)約成本的潛力需要從中長(zhǎng)期的角度考慮,垃圾穩(wěn)定封場(chǎng)后的總投資能減少約10%~25%[39]。通風(fēng)條件下,填埋場(chǎng)內(nèi)硝化反硝化作用可同時(shí)進(jìn)行,氨氮濃度明顯降低[21]。通風(fēng)對(duì)填埋垃圾的降解過(guò)程、碳氮元素的遷移轉(zhuǎn)換以及微生物種群的長(zhǎng)期影響還不是很清楚,需要進(jìn)一步研究[36,40]。
3.3 準(zhǔn)好氧填埋
準(zhǔn)好氧填埋方法早在20世紀(jì)70年代由日本最先研發(fā),該工藝在1979年被日本健康福利部頒布的廢物最終處置導(dǎo)則采用[41]。準(zhǔn)好氧填埋的思想是不用動(dòng)力供氧,利用滲濾液收集管道的不滿流設(shè)計(jì),使空氣自然通入,在垃圾堆體發(fā)酵產(chǎn)生溫差的推動(dòng)下,使填埋層處于需氧狀態(tài),可以保證在填埋場(chǎng)內(nèi)部特別是在滲濾液集排水管和排氣管周圍存在一定的好氧區(qū)域,抑制了沼氣和硫化氫等氣體的產(chǎn)生,垃圾也能盡早達(dá)到穩(wěn)定化,同時(shí)也降低了滲濾液的污染強(qiáng)度[42,43]。
由于準(zhǔn)好氧填埋結(jié)構(gòu)能使填埋層不斷得到補(bǔ)充空氣,場(chǎng)內(nèi)好氧/厭氧/兼氧三種狀態(tài)同時(shí)并存,垃圾層中含氮有機(jī)物在厭氧帶大量分解形成的氨氮經(jīng)過(guò)好氧帶的硝化作用和兼氧帶的反硝化作用后,大部分還原為N2逸出而得以去除,因而準(zhǔn)好氧填埋滲濾液中氨氮濃度非常低[44,45]。王琪、田艷錦等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明準(zhǔn)好氧填埋結(jié)構(gòu)下滲濾液中氨氮下降率可達(dá)99.6%,解決了傳統(tǒng)填埋場(chǎng)滲濾液中氨氮濃度過(guò)高的難題[46,47]。準(zhǔn)好氧填埋垃圾對(duì)低可生化性、高濃度氨氮的滲濾液有很好的處理能力,在后期碳源不足反硝化能力減弱??梢酝ㄟ^(guò)滲濾液回灌補(bǔ)充碳源,既有利于反硝化作用的順利進(jìn)行又能降低滲濾液的有機(jī)污染物濃度[48]。雖然準(zhǔn)好氧填埋場(chǎng)內(nèi)多存在好氧區(qū)域,可以抑制甲烷和硫化氫等氣體的產(chǎn)生,但直接排放的氣體中甲烷的含量仍然很高,易造成二次污染[49,50]。實(shí)際應(yīng)用中也容易出現(xiàn)集水管道結(jié)垢而堵塞的問(wèn)題,達(dá)不到自然通風(fēng)的效果。
3.4 生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)
生物反應(yīng)器填埋是在滲濾液回灌和強(qiáng)制通風(fēng)好氧填埋有機(jī)結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,代表了垃圾填埋方式的最新發(fā)展。近年來(lái)關(guān)于生物反應(yīng)器填埋技術(shù)的研究報(bào)導(dǎo)非常多,許多歐美國(guó)家已有工程應(yīng)用實(shí)例,在國(guó)內(nèi)是一種新趨勢(shì)[27,51]。生物反應(yīng)器填埋是利用填埋場(chǎng)場(chǎng)體本身作為大型生物反應(yīng)器單元,通過(guò)有效控制滲濾液回灌和通風(fēng)供氧實(shí)現(xiàn)滲濾液在填埋場(chǎng)內(nèi)部的硝化反硝化。其技術(shù)關(guān)鍵在于分別控制填埋單元的填埋條件使填埋垃圾成為氨氮硝化反硝化反應(yīng)各個(gè)階段的有效載體。
生物脫氮的過(guò)程中,硝化反應(yīng)是控制性步驟,因此硝化作用的穩(wěn)定和硝化速率的提高影響整個(gè)系統(tǒng)的脫氮效率。Onay和Pohland等人在垃圾填埋場(chǎng)底部曝氣通風(fēng),使?jié)B濾液中的NH3-N轉(zhuǎn)化成NO3-N,然后再將滲濾液回流到場(chǎng)體內(nèi)厭氧區(qū)域進(jìn)行反硝化,發(fā)現(xiàn)有內(nèi)循環(huán)同時(shí)進(jìn)行硝化反硝化的垃圾填埋場(chǎng)中氮的轉(zhuǎn)化率可達(dá)95%,而只有硝化作用的填埋場(chǎng)中氮的轉(zhuǎn)化率僅為30%~52%,只有反硝化作用的填埋場(chǎng)中氮的轉(zhuǎn)化率是16%~25%[3]。何若、沈東升等人對(duì)上層間歇曝氣充氧或滲濾液回流前經(jīng)氣提式污泥床(Air-Lift Sludge Blanket,ALSB)與上升式厭氧污泥床(UASB)相結(jié)合處理的生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)中滲濾液的脫氮性能進(jìn)行了研究[52,53]。實(shí)驗(yàn)證明:對(duì)填埋場(chǎng)頂層的垃圾進(jìn)行間歇曝氣使得填埋場(chǎng)在垂直方向上呈好氧/缺氧/厭氧狀態(tài)不但可以大大提高NH4+-N和TN的去除率,還可以加快垃圾的穩(wěn)定速率[52]。另一方式是將填埋場(chǎng)體原位厭氧反硝化與異位硝化相結(jié)合,滲濾液回流前經(jīng)ALSB的方式,其脫氮效果非常好[53]。何若認(rèn)為將生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)中以UASB和ALSB相結(jié)合的方式進(jìn)行脫氮也是可行的[54]。填埋場(chǎng)建成厭氧反硝化濾池和升流式好氧硝化濾池相結(jié)合的形式,可使?jié)B濾液中的氨氮濃度低于檢測(cè)限[17]。最近有學(xué)者提出一種新型生物反映器填埋方式:在填埋場(chǎng)底層填埋一層已腐化的垃圾作為甲烷生成區(qū)以去除TOC,上層填埋新鮮垃圾,底部收集的滲濾液經(jīng)過(guò)外部的硝化反應(yīng)器再回灌到填埋場(chǎng),可以在有效地去除氨氮、同時(shí)提高能源回收率[32]。Berge和Reinhart評(píng)估填埋場(chǎng)中的原位硝化動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在好氧填埋場(chǎng)存在厭氧/兼氧區(qū)域,即使?jié)B濾液的生化性很差,硝化和反硝化反應(yīng)仍可以同時(shí)進(jìn)行[21]。雖然很多生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人滿意,但生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)場(chǎng)體內(nèi)垃圾穩(wěn)定進(jìn)行的脫氮過(guò)程機(jī)理還需進(jìn)一步研究[54]。生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行比較麻煩,國(guó)內(nèi)尤其是在非典型濕度的多雨和干旱地區(qū)還缺少有效的工程應(yīng)用數(shù)據(jù)[21,51]。
綜上所述,簡(jiǎn)單列出各中填埋場(chǎng)原位脫氮技術(shù)特點(diǎn)如表1所示:
表1 四種填埋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和成本比較
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4 結(jié)論與展望
垃圾滲濾液原位脫氮處理技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。我國(guó)垃圾填埋場(chǎng)的建設(shè)與滲濾液處理才剛剛起步,滲濾液原位脫氮處理處于摸索階段,筆者認(rèn)為研究的主要發(fā)展趨勢(shì)為:
(1)滲濾液的脫氮機(jī)理比城市污水水處理中更復(fù)雜,隨著填埋場(chǎng)結(jié)構(gòu)和填埋方式的不同,有必要對(duì)其填埋場(chǎng)內(nèi)脫氮機(jī)理和反應(yīng)速率進(jìn)行深入研究以提高脫氮效率,減少滲濾液中氨氮污染問(wèn)題。
(2)應(yīng)用原位去除氨氮技術(shù),要考慮滲濾液其它污染物的濃度變化。滲濾液的處理要求能同時(shí)有效地處理所有相關(guān)污染物,因此有必要針對(duì)不同性質(zhì)和年齡的垃圾滲濾液進(jìn)行工藝控制優(yōu)化研究。
(3)生物反應(yīng)器垃圾填埋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行方法還不夠成熟,有一些技術(shù)問(wèn)題需要考慮,如pH值、濕度和溫度的監(jiān)控以及供氧、回灌方式和回流速率的選擇等。優(yōu)化對(duì)滲濾液中氨氮的去除影響較大的技術(shù)參數(shù),以降低處理成本、強(qiáng)化處理效果。
參考文獻(xiàn):(略)
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