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规模化猪场粪污处理技术研究进展1

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第25卷第1期2004年2月家 畜 生 态

EcologyofDomesticAnimal.25No.1Vol

Feb.2004规模化猪场粪污处理技术研究进展

汪善锋,陈安国,汪海峰

(浙江大学动物科学学院,浙江杭州 310029)

Ξ

[摘 要] 我国规模化猪场的兴起与粪污处理的相对滞后,使养殖业对环境的污染日益严重,

畜牧场的污染问题已越来越受到人们的关注和重视。通过营养调控的方式可以提高动物对养分利用率,从而减少动物代谢废物的排泄量,但动物的粪污排泄量仍大大超出环境的承受能力,因此必须加强猪场废弃物和污水的综合治理。本文就国内外粪污处理技术和(粪)污水处理的工艺等方面研究近况作一综述。[关键词] 规模化猪场;粪污;污水;处理技术;再利用

[中图分类号] S811.5     [文献标识码] A  

[文章编号] 100425228(2003)0120049206

  随着规模化猪场的兴起和粪污处理的相对落后,畜粪对环境的污染日益严重,治理畜粪公害已成为当前畜牧业发展中迫切需要解决的一个重大问题。通过科学饲养管理可以减少粪污量和减轻畜粪对环境的污染,例如合成氨基酸、酶制剂、有机微量元素、微生态制剂、酸化剂以及除臭剂等添加剂的使用,饲料生产加工工艺的改进,阶段性的饲养技术等等。但要从根本上解决粪污染问题,必须加强综合治理。本文就从粪污处理现状和污水处理工艺等方面做一综述。

的影响,也受土地吸纳量稳定性的制约,而且分散运出的粪肥易渗漏外泻,造成二次污染,因此比较难适用于大规模、集约化的养殖场。

随着集约化养殖场的兴起和发展,畜禽粪便也日益集中,在一些地区已兴建了一批畜禽有机肥生产厂。采用的方法有厌氧发酵法、快速烘干法、微波法、膨化法、充氧动态发酵法等。尽管畜禽粪便是有效的有机肥,但从目前利用来看还很不乐观。主要原因:一是由于我国农业化学的进步,很多地方化肥的使用取代了传统的有机肥;二是养殖业和种植业的脱节,使得畜禽粪便的利用率极低。1.2 用作饲料

Mellullunis(1922)提出了以动物粪便为饲料营养成份的观点;继而Moelroy和Goss(1940),Hamvonol(1942),Botsed(1943)进行了深入细致的研究。一致认为粪便中的氮素、矿物质、纤维素等能作为取代饲料中某些营养成分的物质。猪粪中含粗蛋白3%~5%、粗纤维14.8%、钙2.72%、磷2.13%(张文龙,2001),可用作非常规饲料生产。吉林省稷丰生物工程有限公司等单位合作研究开发的“稷维菌素生物饲料发酵剂”已在稷丰猪场实际应用,不仅能显著降低猪场臭味,而且有利于猪只健康和降低饲料成本。

畜禽粪便既含丰富的营养成分,但又是有害物(如病原微生物、有毒金属、药物和激素等)的潜在来

1 粪便处理和再利用现状

家畜粪便是一个严重的污染源,如不经妥善处

理即排入环境,可对地表水、地下水、土壤和空气造成严重污染,并危及畜禽本身和人体的健康。同时,粪便中含有大量的氮、磷等营养物质,是宝贵的资源。通过一定的技术处理,将粪便由废弃物变成资源(农业的肥料、饲料和燃料等)。1.1 用作肥料

数千年来,广大人民一直把畜粪用作保持和提高土壤肥力的主要肥源。公元前400年,赞诺芬(Xenophon)就谈到过粪肥的重要性。随着科学技术的进步,畜粪的处理技术水平也不断提高。畜禽粪便经发酵后就地还田,是减轻环境污染、充分利用农业资源最经济有效的措施。但容易受季节和人民意愿

Ξ[收稿日期] 2003201220

[作者简介] 汪善锋(1976-),男,安徽怀宁人,硕士研究生,研究方向:动物营养与环境学。

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源。1967年美国曾限制使用畜禽粪便饲料。但是大量的实验和研究表明,经过适当处理、禁用治疗期的粪便和在动物屠宰前减少或停用粪便饲料,畜禽粪便作为饲料不仅是安全的,而且其效益也是可观。粪便饲料化的方法很多,主要有干燥(自然干燥、高温快速干燥、烘干法)、青贮、需氧发酵、固液分离和膨化制粒等。1.3 用作燃料

Gayon(1884)在35℃下处理动物粪便获得了沼气。Camovon(1895)用化粪池(Septictank)处理粪便,把产生的沼气用于采暖和照明。利用厌氧发酵或沼气池处理粪便,产生沼气、沼渣和沼液。沼气用作燃料,沼渣、沼液用于肥田、喂鱼和养蚯蚓等,从而使粪尿资源化、肥料化和饲料化。目前流行的粪污处理方式是普通消化池等传统厌氧技术,如图1所示。

普通消化池技术的缺陷主要有:(1)消化池内两大类微生物(产酸菌和产甲烷菌)均不在最佳的环境条件下生存,因此各自的活性都受到限制;(2)反应器内微生物浓度较低,所允许的有机物负荷较低,粪污的停留时间较长,一般需要30~60d,因此消化池的体积较大;(3)产沼气量低,处理后的出水污染物的浓度仍然很高;(4)消化池虽然能生产沼气,但由于微生物的浓度低,因此单位池容的处理量也就无法提高。其缺陷存在的最直接原因是:(1)无法将水力停留时间和微生物停留时间分离,从而无法提高池内微生态环境,不利于两大类微生物的生存;(2)池内流态呈完全混合型,使得消化粪污停留时间长,用于加热和搅拌所需的能量较多,因此增加了运行费用。上述因素的存在,使得厌氧处理工艺的应用受到了限制。

图1 目前国内较为常用的处理工艺

2 猪场污水处理工艺

2.1 猪场污水的人工处理工艺

②上流式厌氧污泥床(UASB) 1974年由荷兰著名学者Lettinga等提出.1977年在国外投入使用。1983年北京市环境保护科学研究所与国内其他单位进行了合作研究,并对有关技术指标进行了改进.其对有机污水COD的去除率可达90%以上。

③污泥床滤器(UBF) 是UASB和AF的结合,具有水力停留时间短、产气率高、对COD去除率高等优点。

④两段厌氧消化 1971年由Ghosh提出,把沼气发酵过程分为酸化和甲烷化两个阶段,并分别在两个消化器内进行,其特点在于消化器内可滞留大量厌氧活性污泥(具有极好的沉降性能和生物活性),提高了消化器内的负荷和产气率。

⑤升流式污泥床反应器(USR) 是厌氧消化器的一种,具有效率高、工艺简单等优点,目前已常被用于猪、鸡粪废水的处置,其装置产气率可达43

(m3d),COD去除率达80%以上。这些技术不同m󰃗

程度地被用于猪场污水的处理。

厌氧处理后的污水,在有可供利用土地的条件下,能够作为液态有机肥还田。由于排放量较大,运输、施用也不太方便,一般情况下、沼气池的出水再经多级好氧处理后达标排放。根据厌氧消化的三阶

畜禽生产污水主要来源于畜禽的粪尿、食物残渣、日常生产管理的污水、生活用水等,其主要污浊指标有pH、大肠菌群、BOD、COD、SS、N、P等。

污水处理的方法总的说来有物理法、化学法和生物法等。在生物法中按其过程中空气控制的程度又可分为厌氧、好氧和兼氧等。厌氧法又可分为厌氧

悬浮生物法(如厌氧消化)和厌氧固着生物法(如厌氧污泥床、厌氧滤池、厌氧流化床等);好氧法又分为好氧悬浮生物法(如活性污泥法、氧化塘法等)和好氧固着生物法(又称生物膜法,如生物滤池、塔式生物滤池、生物转盘、接触氧化、生物流化床等)。2.1.1 厌氧法 厌氧处理或称沼气工程已开发出

多种处理技术,目前用于处理养殖业粪污的厌氧工艺很多,其中较为常用的有以下几种:

①厌氧滤器(AF) 1969年由Young和Mc2我Carty首先提出,1972年国外开始在生产上应用。国于20世纪70年代末期开始引进并进行了改进,

(m3d),甲烷含量可达其沼气产率可达3.4m3󰃗65%。

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第1期汪善锋等:规模化猪场粪污处理技术研究进展51

段理论,位于沼气池前的酸化池的运行状况直接影响厌氧消化的产气量和有机物去除率。若要最大限度地发挥酸化池的功能,需要将消化池的pH、温度、水力停留时间、混合均匀度等控制在适当的范围内。一座运行良好的酸化池,能够去除30%~50%的用充填填料的酸化池处理猪场污水,CODcrCODcr。

的去除率最高可达60%~65%。虽然厌氧处理能够

去除70%~85%的COD(Bortone等,1992),但其HRT(水力停留时间)较长,装置容积较大,加上沼气贮存、去渣、脱水、脱硫等,因此基建投资较高。2.1.2 好氧法 有多种好氧法被应用于处理猪场

离、厌氧消化两级处理后进入SBR好氧系统,其对

COD的去除率可达70%,对BOD的去除率可达80%以上,出水可达标排放。

接触氧化和生物转盘的处理效果好于活性污泥;生物淤泥的处理效果也很好,但易于堵塞。氧化沟、SBR、A󰃗O均属于改进的活性污泥法。氧化沟出水水质好、产泥量少,可对污水进行脱氮处理,但它的BOD负荷小、处理水量小、占地面积大、运行费用高;SBR法自动化控制程度高,能够对污水进行深度处理,其缺点是BOD负荷较小;A󰃗O法是一种具有去除BOD和脱氮双重作用的活性污泥处理工艺。规模化养猪场日排放污水量并不很大,但有机物浓度很高,因此选择接触氧化、生物转盘等BOD负荷较大的好氧处理工艺较为合适。

无法用一级好氧的方法将猪场污水处理达标,必须多级串联,如酸化和三段接触氧化工艺处理猪场污水。其工艺流程如图2所示。在入水水质为CODcr2500~10000mg󰃗L,BOD51500~6000

~500mg󰃗~1500mg󰃗L,氨氮300L、悬浮物1000

mg󰃗L时,并且好氧池(󰂪)入水的CODcr≤5000mg󰃗L,出水能够达到国家污水综合排放标准。2.1.3 厌氧2好氧法 厌氧法BOD负荷大,好氧法BOD负荷小。在污水厌氧处理过程中,处理后的活

污水,如活性污泥、生物滤池、生物转盘、接触氧化、氧化沟、SBR、A󰃗O等。

①曝气 20世纪70年代日本采用好氧间歇曝气技术对养猪废水进行了有效治理、并开发出一系列相关设备。近年来澳大利亚在传统鼓风曝气装置上又开发出简单实用的多种浅层射流曝气装置。总体而言,养殖业污染控制领域中的好氧技术正朝着高效、实用、经济、操作简便的方向发展。

②接触氧化 该技术早已被用来处理各种不同浓度的有机污水,其本质是利用填料上的微生物对有机物进行氧化分解,从而实现对污水的净化。英国近年采用该技术对猪粪浆进行了处理,并开发出结构和性能很好的新型填料,其对COD的去除率达90%以上,对BOD也有较高的去除效果。③SBR 序批式活性污泥法是基于传统的Fill—Draw系统改进并发展起来的一种间歇式活性污泥工艺,近年来已被广泛用于城市污水、食品加工废水等的处理。试验结果表明,猪粪水经过固液分

水仍具一定的臭味,各项指标尚未完全达到规定的

排放标准,所以要求做进一步的好氧处理。厌氧2好氧处理工艺包括厌氧和好氧处理系统两部分,好氧处理系统一般作为二级净化,其大概工艺如下图3。

先用厌氧处理,然后再用好氧处理是高浓度有机污水常用的处理方法。

图2 猪场废水好氧处理工艺流程

图3 厌氧2好氧处理猪场废水的工艺流程

2.2 猪场污水的自然处理系统

自然处理系统是指利用大自然对污水自我净化

的原理而设计的污水处理系统。自然处理系统可分为土地处理系统和水生植物处理系统。

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2.2.1 土地处理系统(LandTreatmentSystem) 2.2.2.2 人工湿地法 人工湿地系统是一种模拟

土地处理系统是利用土地来净化污水,土壤之间的孔隙具有截留、滤除水中悬浮颗粒的性能。主要包括:

(1)快速渗滤系统(RapidInfiltrationSystems) 是以补给地下水,使污水再生为目的的

自然界湿地借助其生物多样性对水进行自然净化的办法,它由水生植物、碎石煤屑床、微生物等构成。污水流经湿地发生过滤、吸附、置换等物理过程及微生物吸收、降解等生物作用,从而达到净化水质的目

的。其流程大体为图4所示。廖新亻弟等(1995)研究了人工湿地对猪场污水净化的效果,测试表明:BOD去除率为88.04%,COD去除率为88.56%,SS去除率为90.77%,硫化物去除率为88.29%,铜

系统。适用于渗透性能十分良好的土壤。Kopchyns2

ki(1995)等研究表明,土壤湿度和污水预处理对氯的去除率有影响。

(2)慢速渗滤系统(SlowRateSystems) 适用于渗透性能良好的土壤和蒸发量小的地区。Nelson(1995)等发现近河森林地下水中氨的去除率因土壤排水种类及土壤排水系统在水平面下的深度而变化,与一年中的时间变化无关。更多的研究集中于废水灌溉对土壤环境的影响。

(3)地表径流系统(OverlandFlow) 适用于地面具2%~8%坡度的、透水性较差的粘土和重粘土地块,污水在地块高端散布开后,沿地面均匀漫流,在下段设集水渠。2.2.2 水生植物处理系统 

2.2.2.1 生物稳定塘(氧化塘) 它是一种利用天

化物去除率为95.74%(但排出物中铜仍然很高,为0.2mg󰃗L尚未达到国家排放标准,从另一方面说

明,饲料中一些微量成分过量的添加给废物处理带

来了麻烦,造成环境的污染)。

人工湿地法可以利用废弃或闲置的农田、洼地、水塘等加以改造而成,具有投资少、运行费用低、维护技术简便的特点,但占地面积大、超负荷运行易发生堵塞、冬季运行受影响等,而且处理效果也比较一般,比较适合作为畜禽场污水处理流程的一个组成部分。人工湿地也属于好氧处理。我国已有四级串联的人工湿地处理猪场污水的报道,其工艺、设计参数和处理效果见图4和表2。该系统设计处理水量

(m2・d),为80~100m3󰃗d,表面负荷250gCODcr󰃗入水CODcr12000mg󰃗L、BOD59000mg󰃗L、SS186000mg󰃗L,经一级处理后,人工湿地的入水CODcr246mg󰃗L、BOD5124mg󰃗L、SS52mg󰃗L。

然或人工整修的池塘进行污水生物处理的构筑物。其对污水的净化过程与天然水体的自净过程很相似。污水中的有机物通过水中微生物的代谢活动而被降解,溶解氧由藻类通过光合作用和塘面的复氧作用提供.或通过人工曝气法提供。

污水

格栅沉淀池

格栅

酸化池

四级人工湿池氧化塘达标排放

图4 人工湿地处理猪场污水的工艺流程

表1 四级人工湿地的设计参数和污染物的去除率

项 目人工湿地1人工湿地2人工湿地3人工湿地4

尺寸(m)

13.737.530.514.037.530.513.537.530.518.737.530.5

水力负荷(cm󰃗d)

80788060

CODcr(%)

39.237.730.649.3

BOD5(%)39.836.537.450.0

SS(%)44.043.041.051.0

2.3 猪场污水的混合处理工艺

自然处理工艺的处理单元与人工处理工艺的处理单元相互组合就形成了混合处理工艺。混合处理

工艺是猪场最常用的污水处理工艺,它具有二者的优点,能够以最低的处理成本,取得最好的处理效

果。混合处理工艺最常见的模式是在人工处理系统的最末一级设置生物塘,一方面利用生物塘进一步处理污水,另一方面塘水也可用作猪舍栏冲洗水。深圳农牧实业公司的污水处理工程见图5。

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第1期

污水

汪善锋等:规模化猪场粪污处理技术研究进展

固液分离器

调节池

上流式厌氧消化池

植物塘

鱼塘

达标排放

53

图5 深圳农牧实业公司猪场污水处理工程工艺流程

  香港理工大学利用曝气塘—序批操作反应器(SBR)处理接纳猪场废水的曝气塘出水。SBR进水中BOD和SS浓度分别为2881mg󰃗L和1418mg󰃗L,出水平均BOD和SS浓度分别为18.7mg󰃗L和12.3mg󰃗除了较高的基建投资和运行费用外,L。简便的操作、较高去除率和低的土地面积需求是其优点,尤其是在土地缺乏和地价昂贵的条件下,SBR工艺是比曝气塘更具有吸引力的一种选择(Wong等,1989)。

成文等(2000)采用接触氧化2水解(酸化)2两段接触氧化2混凝工艺处理高浓度养猪场废水,通过试验得到最佳工艺参数。在最佳试验条件下,进水CODcr小于5000mg󰃗L,经处理后出水CODcr平均去除率大于97%,BOD5去除率大于98%,氨氮去除率大于96%,各项主要指标可达污水综合排放标准(GB8978288)一级标准。

李长生等(2001)根据我国集约化猪场排粪方式和粪水的特性,提出了采用人工清粪方式、固液分离机2沉淀2UASB2SBR2水生植物塘的污水处理工艺和猪粪(渣)堆沤发酵生产有机肥新的粪污处理工艺。经上海市嘉定种畜场污水处理工程实践证明:在保证污水全面达标排放和猪粪(渣)无害化处理的前提下,新工艺比常规工艺节约工程投资35%、节约运行电费65%左右,经济效益好。

广东省东莞市某规模化猪场4万头猪日排放废水达600m3以上,原污水COD浓度高达6000~8000mg󰃗L。中国科学院广州能源所采用固液分离2UASB2生物曝气池2气浮池2三级氧化塘工艺处理该规模化猪场废水,厌氧处理和曝气池出水COD分别为1300mg󰃗L和730mg󰃗L,总出水COD达150~200mg󰃗L,NH3-N达31mg󰃗L,处理出水水质达到国家二级排放标准。

邓良伟等(2000)采用水解2SBR2活性炭吸附工艺处理规模化猪场粪污,水解反应器停留时间(HRT)2.0~6.0h,CODcr去除30.1%~47.3%,BOD5去除54.1%,SS去除56.0%~61.1%,TN

解CODcr。SBR对氮有较好的去除效果,TN去除率

为74.1%,特别是对高浓度NH32N的去除,取得了相当好的结果,去除率达97%以上。生化处理出水再经过活性炭吸附,接触时间15min,CODcr、BOD5、NH󰃙-32N、TN、TP去除率分别达75.8%、78.6%、12.8%、20.3%、28.3%。经过该工艺处

(GB89782理,出水完全能达到《污水综合排放标准》1996)的一级标准。不过,该工艺的不足之处在于用

活性炭处理的费用太高。

何睦盈等(2000)对猪场废水处理采用了一种新

3

工艺——A3󰃗O法,A󰃗O法即吸附2厌氧2缺氧2好氧法,它是AB法和A2󰃗O法的综合,即是AB工艺中的A段+A2󰃗O工艺。本工艺中的A段不曝气,在缺氧条件下利用污泥的絮凝吸附来去除污水中的COD,从而提高处理工艺的抵抗冲击负荷和有毒有害物质影响的能力,起到稳定本工艺的作用,然后采用A2󰃗O工艺来高效去除氮磷。其设计水量:该中心设计处理水量为30m3󰃗d,平均每小时处理量为1.5

3

~m󰃗h;设计水质及排放标准:废水水质为:pH=6

9、BOD51200mg󰃗L、CODcr2000mg󰃗L、SS600

mg󰃗L、NH32N180mg󰃗L;由于排放标准中有氨氮

及总磷的控制指标,故处理工艺在考虑去碳的同时还要除磷脱氮,污水处理工艺流程为:废水2格栅2沉砂池2调节池2A吸池2中沉池2厌氧池2缺氧池2好氧池2二沉池2砂滤池2排放。

于金莲等(2000)通过实验室模拟试验,探讨了混凝-脱氨-好氧生化处理养猪场废水的工艺。试验发现,经石灰乳混凝沉淀,可去除废水中大部分胶体物质和悬浮物,同时可去除一部分难降解物质;经脱氨使废水中氨氮低于200mg󰃗L,有利于后续生化的顺利进行。当生化池活性污泥浓度在3500~

(m3・4500mg󰃗L之间,CODcr容积负荷<3.0kg󰃗

(m3・d)时,生化出d),NH32N容积负荷<0.22kg󰃗

水能够达到CODcr≤400mg󰃗L,NH32N≤100mg󰃗L。

去除22.3%,TP去除55.3%,NH32N几乎没有去

除。水解对CODcr的去除效率比沉淀高17%。SBR停留时间(HRT)1.0~1.4d,CODcr、BOD5、SS去除率分别为52.1%~82.1%、89.0%~95.7%、93.9%~97.3%,但出水中仍残留相当数量的难降

3 结 语

粪污处理作为一个系统工程,为避免其对环境的污染,需要实行科学管理、无害化处理和有效利用。虽然国内已有部分养殖场开展了畜禽粪污的治理工作.但目前在技术上存在如下问题:①治理技术

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54家 畜 生 态

参考文献:

第25卷

单一、落后或组合不合理;②粪便利用率低,只注重单一的能源回收、不能兼顾资源和环境的综合效益;③管理模式落后。为尽快改变养殖业带来严重污染的现状,应切实选用一些较为先进的生产模式和粪污处理工艺,如干清粪和减少冲栏水及粪污混合处理工艺的采用等,在保证低污染或“零排放”的前提下降低处理成本。另外,通过添加除臭剂到粪便,如某些丝兰属植物的提取物、沙色素、活性炭及以天然沸石为主的偏硅酸盐矿石、绿矾等,以起到吸附、抑制、分解、转化排泄物中有毒有害成分的作用。

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ResearchDevelopmentonTechnologyofFecesandSewage

TreatmentinIntensiveScaledSwineFarms

WANGShan2feng,CHENAn2guo,WANGHai2feng

(AnimalScienceCollege,ZhejiangUniversity,Hangzhou,Zhejiang,310000,China)

Abstract:Therisingofscaleswinefarmandlagofexcrementandsewagedisposalmakethepollutionofenvironmentmoreandmoreseriously;Therefore,howtosettletheproblemhasbeingahotgambit.Itispossiblethatimproveanimal’snutrientutilizationefficiencyanddecreaseexcretionquantityofanimalmetabolicordurethroughmethodsofnutrition.Buttheexcretionquantityofanimalordureisstillgreatlyovertoppedenduranceabilityofenvironment.Soitmaybestrengthenedoveralldisposalofordure.Thear2ticlemainlyreviewstherecentgeneralsituationoffecesandsewagetreatmentandreutilizationonintensivescaledswinefarms.

Keyword:scaledswinefarms;feces;sewage;disposaltechnics;reutilization

(上接第40页)

ResourceInvestigationofGrassforRabbitsinLuoyangArea

11231

WANGJian2ping,XUEBang2qun,CHENJu2tao,LIUNing,CHENJu2e

(1.HenanUniversityofScienceandTechnolog,Luoyang,Henan,471003,China;2.BaiMa2siFarm,Luoyang,

Henan,471003,China;3.AnimalandPoultryCompanyofChunduGroupLuoyang,Henan,471003,China)

Abstract:InordertolearntheresourcesofgrassforrabbitsinLuoyangCity,Henanprovince,Wein2vestigatedninecountiesandsixdistrictsinLuoyangandvisitednumbersoffarmerswhowerefeedingrab2bits.Theresultsshowthatthereare20families,43genus,50speciesofgrassusedgenerally,andfreshandtendergrasscanbecollectedfromthelasttendaysofMarchtothesecondtendaysofOctobereveryyear,andmanyofthemhavemedicinalvalue.Usedreasonably,itcanimproverabbitproductionremark2ably.

Keywords:grass;rabbits;medicinalvalue

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