CN102703514A - 一种餐厨垃圾处理方法及厌氧发酵反应装置 - Google Patents

一种餐厨垃圾处理方法及厌氧发酵反应装置 Download PDF

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Abstract

本发明一种餐厨垃圾处理方法，包括以下步骤：（1）餐厨垃圾的筛选及破碎；（2）湿热水解处理；（3）固液分离；（4）油脂分离；（5）制浆；（6）发酵预处理；（7）固形物微生物转化。本发明从提高餐厨垃圾生物降解效率和产沼气效率的角度出发，利用微生物复合菌剂与经处理的餐厨垃圾混合发酵制取沼气，其中微生物复合菌剂从根本上解决了餐厨垃圾高盐份、高油脂，以及生物处理过程中的臭味问题，且大大提高了厌氧消化产沼气的效率。

Description

一种餐厨垃圾处理方法及厌氧发酵反应装置
技术领域
本发明涉及一种发酵方法，具体地，涉及一种餐厨垃圾处理方法及厌氧发酵反应装置。
背景技术
能源问题已成为世界性的问题，并上升到国家的战略安全高度。我国资源总量较丰富，但人均保有量少，后备资源不足；经济的快速增长和高消耗比率更加快了能源的耗竭速度，使得能源供需矛盾突出，能源安全问题凸现。废弃物生物质能源开发及利用是再生能源的重要组成部分，目前我国城市垃圾年产量约1.5亿吨左右，其中餐厨垃圾占将近50%。餐厨垃圾中蕴含了大量的生物质能源，若能对其能源化利用，则可以成为我国能源安全保障的有益补充。
因此发酵产沼系统方案的设计对于保证厌氧发酵过程顺利高效的完成的影响很大，包括餐厨垃圾在内的有机固体废物具有与废水截然不同的流动和物料特性，迄今为止国内在有机固体废物厌氧发酵发酵装置方面的研究尚处于起步阶段。
产沼气厌氧发酵装置其发展可以分为以下三个阶段:第一代厌氧发酵罐包括化粪池、普通发酵、池隐化池(双层沉淀池)和高速发酵池等，主要用于处理生活污水、粪便、污泥等，其特点是固体停留时间或污泥龄(Solid Retention Time,SRT)等于水力停留时间(Hydrolic Retention Time,HRT)。为了保持较长的污泥龄和水力停留时间以使有机物降解彻底，厌氧发酵罐的容积较大。在英国Exeter市(18%年)建立了第一座处理生活污水污泥的厌氧发酵池。目前，全世界约有农村家用沼气池约530万座，其中中国占92%，主要用于处理畜禽粪便、秸秆、污泥。
第二代厌氧发酵罐包括厌氧生物滤池 (Anaerobic Filter,AF)、升流式厌氧污泥发酵罐(Upflow Anaerobic Sludge Bed,UASB)、厌氧流化床(Anaerobic Fluidised Bed,AFB)、厌氧膨胀床(Anaerobic Expanded Bed,AEB)、厌氧生物转盘(Anaerobic Rotating Biological Contactor,ARBC)和厌氧折流板发酵罐(Anaerobic Baffied Reactor,ABR)等，其中以UASB发酵罐为代表，其主要特点是可在发酵罐内维持很高的生物量，提高处理效率。第二代厌氧发酵罐就微生物主体而言，可以分为颗粒化活性污泥处理、特定微生物选育及强化处理、固定化酶和固定化微生物处理、光合细菌处理、生物膜处理等5种生物技术。
第三代高效厌氧发酵罐均是在UASB基础上发展起来，包括厌氧膨胀颗粒污泥床(Expanded Granular Sludge Bed,EGSB)、升流式厌氧污泥床过滤器 (Up flow Blanket Filter,UBF)、内循环厌氧发酵罐  (Internal Circulation anaerobic reactor,IC)以及适合高固体的升流式固体发酵罐 (Upflow Solid Reactor,USR)等。这些厌氧发酵罐可以有效扩大微生物与基质的接触，能承受更高的水力负荷或固体负荷，提高反应效率。
目前人类通过各种手段使餐厨垃圾能源化，采用生物处理法实现可降解餐厨垃圾的资源化和减量化。餐厨垃圾的生物降解是指利用微生物菌剂，将餐厨垃圾中的有机物（纤维素、脂类、蛋白类和甲壳质等物质）降解为微生物可利用的小分子有机物和营养物质（水、二氧化碳和有机质），利用这些菌种处理餐厨垃圾，消化率高达90%，减少了城市生活垃圾的总量。餐厨垃圾厌氧消化产物中最主要的生物质能是沼气，因此开发出一种适合于复合菌剂降解餐厨垃圾的沼气发酵装置势在必得。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供了一种餐厨垃圾处理方法及厌氧发酵反应装置。本发明从提高餐厨垃圾生物降解效率和产沼气效率的角度出发，利用微生物复合菌剂与经处理的餐厨垃圾混合发酵制取沼气，其中微生物复合菌剂从根本上解决了餐厨垃圾高盐份、高油脂，以及生物处理过程中的臭味问题，且大大提高了厌氧消化产沼气的效率。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
一种餐厨垃圾处理方法，包括以下步骤：
（1）餐厨垃圾的筛选及破碎：将收集的餐厨垃圾按照有机物和无机物分类，去除金属、塑料、玻璃瓶等杂物，将分离出来的有机物进行破碎成细小颗粒，得到混合物料；
（2）湿热水解处理：将步骤（1）获得的混合物料通过管道用泵输送到湿热反应装置中进行蒸煮，得到固形物、废水、油脂混合物；
（3）固液分离：将步骤（2）得到的混合物送入离心机，通过离心压滤的方式将湿热处理后的物料进行固液分离；
（4）油脂分离：将步骤（3）分离出的液体部分通过重力与离心分离，回收油脂，废水备用；
（5）制浆：水化打浆及酸化，将步骤（3）中得到的高浓固体部分磨制成浓浆，对浓浆进行水解酸化（24-36h），得到基料；
（6）发酵预处理：向步骤（5）得到的基料中添加微生物复合菌剂，进行第一次发酵处理，接种量为0.5-2％质量比，37℃厌氧发酵5天，获得发酵物；
（7）固形物微生物转化：将步骤（6）得到的发酵物连同步骤（4）的废水输送至厌氧发酵反应装置，在反应装置中接种微生物复合菌剂，将发酵物与微生物复合菌剂充分混合，接种量6-10%的质量比、发酵时间7天/周期、温度37℃、启动PH 6.8-7.5，进行产沼气发酵。
具体地，步骤（1）所述细小颗粒的粒径≤8mm。
具体地，步骤（2）所述湿热反应装置中进行蒸煮的温度为160℃、时间80min。
具体地，步骤（5）所述浓浆的固体颗粒直径≤0.1mm。
具体地，步骤（6）和（7）所述微生物复合菌剂为1∶1∶1∶1∶2∶2混合的纤维素降解菌、蛋白质降解菌、油脂降解菌、黑曲霉、产朊假丝酵母、乳酸杆菌混合菌剂。
一种厌氧发酵反应装置，由罐体、进料装置、出料装置构成，所述罐体外的顶部设有搅拌电机、压力表和气体流量计；所述罐体外的底部设有出料口和支腿；所述罐体外壁设有加热装置、视镜、进料口、人孔、pH电极和温度电极；所述罐体内部设有搅拌器，搅拌器的一端与搅拌电机固定连接；所述进料装置和出料装置分别与进料口、出料口通过管道连接，其特征在于，所述罐体的顶部还设有微生物复合菌剂投放口；所述加热装置为中空密封的U型电热夹套。
具体地，所述U型电热夹套设置于罐体外壁的中下部，其高度为罐体高度的2/3，U型电热夹套上设有热媒进口和热媒出口。
具体地，所述U型电热夹套内的热媒为热水。
本发明具有以下有益效果：
根据目前餐厨垃圾生物降解产沼取得的进展和存在的问题，充分利用自然界多种微生物的协同关系，建立以微生物为基础的调控方法，达到利用复合菌剂耦合发酵餐厨垃圾进行加快沼气发酵进程、改善传统发酵工艺、提高沼气产率。主要益处：
（1）在餐厨垃圾处理方法上，利用添加微生物复合菌剂来转化餐厨垃圾中的大分子物质，使其降解为更能够被吸收利用的小分子物质，因此在初步预处理环节，添加以1∶1∶1∶1∶2∶2的纤维素降解菌、蛋白质降解菌、油脂降解菌、黑曲霉、产朊假丝酵母、乳酸杆菌为混合菌剂,接种量0.5～2％, 37℃厌氧发酵5d。该菌剂能有效降解餐厨垃圾中的纤维素、蛋白质、油脂，将蛋白等大分子蛋白转化为更易被吸收的小分子蛋白,从而提高了后期厌氧发酵产沼气效率。
（2）在餐厨垃圾厌氧消化产沼气调控工艺上，??温度：温度对餐厨垃圾浆液的分解速率和产气量有较大的影响，通常在实际工程中都采用中温消化，因为所需的温度越高，消化温度所需的热量也相应增大，厌氧消化区与环境的温差大使热损失越多。??酸碱度：从发酵过程来看，酸性阶段产乙酸，使混和发酵物的pH值降低，碱性阶段分解乙酸，使混和发酵物的pH值升高，所以在正常的甲烷发酵过程中，无须随时调节。为了产气早、产量高，可以将启动时的pH值调到7.5～7.8。??搅拌：搅拌的目的是使装置内各处温度均匀，进入的原料与池内的微生物复合菌剂完全混合，底质与微生物完全接触，防止发酵浆料分层，底部物料出现酸积累。                                                
Figure 201210164003X100002DEST_PATH_IMAGE001
营养与碳氮比：消化区的营养由投配菌剂供给，营养配比中最重要的是C/N比。C/N比太高，细菌氮量不足，消化液缓冲能力降低；C/N比太低，含氮量过多，使有机物分解受到抑制。对于餐厨垃圾厌氧消化处理来说，C/N为(20-30)∶1较合适。
Figure 875790DEST_PATH_IMAGE002
投配率：投配率系数是指每日加入消化池的菌剂、废水体积与消化池体积的比率。
（3）在餐厨垃圾厌氧消化产沼气新型装置上，设置专用微生物复合菌剂投放口，以备提高消化区内餐厨垃圾浆液的降解转化率。与现有技术相比，本发明主要经分拣、高效除杂、粉碎来提高物料中有机物的含量，大幅降低沼渣产量；经离心分离、油水分离工艺，除去不易酸化的油脂，有利于厌氧发酵的进行；经水化打浆、水解酸化工艺，将非溶解态有机物逐步转变为溶解态有机物，提高了厌氧发酵产气率，污泥负荷率高，沼渣产生量很小。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的餐厨垃圾处理方法流程图；
图2是本发明的厌氧发酵反应装置结构示意图。
根据附图，给出以下附图标记：
1-罐体；2-搅拌器；3-U型电热夹套；4-支腿；5-进料装置；6-出料装置；7-搅拌电机；8-压力表；9-气体流量计；10-微生物复合菌剂投放口；11-视镜；12-人孔；13-pH电极；14-温度电极；15-热媒进口；16-热媒出口；17-进料口；18-出料口。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
餐厨垃圾处理方法，包括以下步骤：
（1）餐厨垃圾的筛选及破碎：将收集的餐厨垃圾按照有机物和无机物分类，去除金属、塑料、玻璃瓶等杂物，将分离出来的有机物进行破碎成粒径8mm的细小颗粒，得到混合物料；
（2）湿热水解处理：将步骤（1）获得的混合物料通过管道用泵输送到湿热反应装置中进行蒸煮，温度为160℃、时间80min，得到固形物、废水、油脂混合物；
（3）固液分离：将步骤（2）得到的混合物送入离心机，通过离心压滤的方式将湿热处理后的物料进行固液分离；
（4）油脂分离：将步骤（3）分离出的液体部分通过重力与离心分离，回收油脂，废水备用；
（5）制浆：水化打浆及酸化，将步骤（3）中得到的高浓固体部分磨制成浓浆，浓浆中颗粒直径0.1mm，对浓浆进行水解酸化，得到基料；
（6）发酵预处理：向步骤（5）得到的基料中添加微生物复合菌剂，进行第一次发酵处理，接种量为1％质量比，37℃厌氧发酵5天，获得发酵物；
（7）固形物微生物转化：将步骤（6）得到的发酵物连同步骤（4）的废水输送至厌氧发酵反应装置，在反应装置中接种微生物复合菌剂，将发酵物与微生物复合菌剂充分混合，接种量8%质量比、发酵时间7天/周期、温度37℃、启动PH 7.0，进行产沼气发酵。
其中，步骤（6）和（7）所述微生物复合菌剂为1∶1∶1∶1∶2∶2混合的纤维素降解菌、蛋白质降解菌、油脂降解菌、黑曲霉、产朊假丝酵母、乳酸杆菌混合菌剂。
如图1所示，本实施例从提高餐厨垃圾生物降解效率和产沼气效率的角度出发，利用微生物复合菌剂与经处理的餐厨垃圾混合发酵制取沼气，其中微生物复合菌剂从根本上解决了餐厨垃圾高盐份、高油脂的问题，处理过程中的没有出现臭味，利用微生物复合菌剂厌氧发酵产沼气，与空白不添加菌剂相比产气效率能提高到37%左右，提纯后甲烷含量能达到在97%。
实施例2
餐厨垃圾处理方法，包括以下步骤：
（1）餐厨垃圾的筛选及破碎：将收集的餐厨垃圾按照有机物和无机物分类，去除金属、塑料、玻璃瓶等杂物，将分离出来的有机物进行破碎成0.7mm细小颗粒，得到混合物料；
（2）湿热水解处理：将步骤（1）获得的混合物料通过管道用泵输送到湿热反应装置中进行蒸煮，得到固形物、废水、油脂混合物；
（3）固液分离：将步骤（2）得到的混合物送入离心机，通过离心压滤的方式将湿热处理后的物料进行固液分离；
（4）油脂分离：将步骤（3）分离出的液体部分通过重力与离心分离，回收油脂，废水备用；
（5）制浆：水化打浆及酸化，将步骤（3）中得到的高浓固体部分磨制成浓浆，对浓浆进行水解酸化，得到基料；
（6）发酵预处理：向步骤（5）得到的基料中添加微生物复合菌剂，进行第一次发酵处理，接种量为0.5％质量比，37℃厌氧发酵5天，获得发酵物；
（7）固形物微生物转化：将步骤（6）得到的发酵物连同步骤（4）的废水输送至厌氧发酵反应装置，在反应装置中接种微生物复合菌剂，将发酵物与微生物复合菌剂充分混合，接种量10%的质量比、发酵时间7天/周期、温度37℃、启动PH 7.5，进行产沼气发酵。
本实施例中，厌氧消化产沼气的效率为37%左右。
实施例3
餐厨垃圾处理方法，包括以下步骤：
（1）餐厨垃圾的筛选及破碎：将收集的餐厨垃圾按照有机物和无机物分类，去除金属、塑料、玻璃瓶等杂物，将分离出来的有机物进行破碎成细小颗粒，得到混合物料；
（2）湿热水解处理：将步骤（1）获得的混合物料通过管道用泵输送到湿热反应装置中进行蒸煮，温度为160℃、时间80min，得到固形物、废水、油脂混合物；
（3）固液分离：将步骤（2）得到的混合物送入离心机，通过离心压滤的方式将湿热处理后的物料进行固液分离；
（4）油脂分离：将步骤（3）分离出的液体部分通过重力与离心分离，回收油脂，废水备用；
（5）制浆：水化打浆及酸化，将步骤（3）中得到的高浓固体部分磨制成浓浆，颗粒直径0.05mm，对浓浆进行水解酸化，得到基料；
（6）发酵预处理：向步骤（5）得到的基料中添加微生物复合菌剂，进行第一次发酵处理，接种量为2％质量比，37℃厌氧发酵5天，获得发酵物；
（7）固形物微生物转化：将步骤（6）得到的发酵物连同步骤（4）的废水输送至厌氧发酵反应装置，在反应装置中接种微生物复合菌剂，将发酵物与微生物复合菌剂充分混合，接种量6%的质量比、发酵时间7天/周期、温度37℃、启动PH 6.8，进行产沼气发酵。
其中，步骤（6）和（7）所述微生物复合菌剂为1∶1∶1∶1∶2∶2混合的纤维素降解菌、蛋白质降解菌、油脂降解菌、黑曲霉、产朊假丝酵母、乳酸杆菌混合菌剂。
本实施例中，厌氧消化产沼气的效率为37%左右。
实施例4
餐厨垃圾处理方法，包括以下步骤：
（1）餐厨垃圾的筛选及破碎：将收集的餐厨垃圾按照有机物和无机物分类，去除金属、塑料、玻璃瓶等杂物，将分离出来的有机物进行破碎成0.5mm的细小颗粒，得到混合物料；
（2）湿热水解处理：将步骤（1）获得的混合物料通过管道用泵输送到湿热反应装置中进行蒸煮，温度为160℃、时间80min，得到固形物、废水、油脂混合物；
（3）固液分离：将步骤（2）得到的混合物送入离心机，通过离心压滤的方式将湿热处理后的物料进行固液分离；
（4）油脂分离：将步骤（3）分离出的液体部分通过重力与离心分离，回收油脂，废水备用；
（5）制浆：水化打浆及酸化，将步骤（3）中得到的高浓固体部分磨制成浓浆，固体颗粒直径0.03mm，对浓浆进行水解酸化，得到基料；
（6）发酵预处理：向步骤（5）得到的基料中添加微生物复合菌剂，进行第一次发酵处理，接种量为1.2％质量比，37℃厌氧发酵5天，获得发酵物；
（7）固形物微生物转化：将步骤（6）得到的发酵物连同步骤（4）的废水输送至厌氧发酵反应装置，在反应装置中接种微生物复合菌剂，将发酵物与微生物复合菌剂充分混合，接种量9%质量比、发酵时间7天/周期、温度37℃、启动PH 7.2，进行产沼气发酵。
步骤（6）和（7）所述微生物复合菌剂为1∶1∶1∶1∶2∶2混合的纤维素降解菌、蛋白质降解菌、油脂降解菌、黑曲霉、产朊假丝酵母、乳酸杆菌混合菌剂。
本实施例中，厌氧消化产沼气的效率为37%左右。
实施例5
实施例1-实施例4中步骤（7）所用到的厌氧发酵反应装置，如图2所示，由罐体1、进料装置5、出料装置6构成，所述罐体1外的顶部设有搅拌电机7、压力表8和气体流量计9；所述罐体1外的底部设有出料口18和支腿4；所述罐体1外壁设有加热装置、视镜11、进料口17、人孔12、pH电极13和温度电极14；所述罐体1内部设有搅拌器2，搅拌器2的一端与搅拌电机7固定连接；所述进料装置5和出料装置6分别与进料口17、出料口18通过管道连接，所述罐体1的顶部还设有微生物复合菌剂投放口10；所述加热装置为中空密封的U型电热夹套3。
优选地，所述U型电热夹套3设置于罐体1外壁的中下部，其高度为罐体1高度的2/3，U型电热夹套3上设有热媒进口15和热媒出口16。
优选地，所述U型电热夹套3内的热媒为热水。
厌氧发酵反应装置运行时，首先将前期初步分选及除油打浆预处理的餐厨垃圾送进厌氧发酵罐体餐厨垃圾消解区，同时在进料口17处加入部分经预处理离心得到废水，并在微生物复合菌剂投放口10加入适量降解餐厨垃圾的微生物复合菌剂，启动搅拌器2将餐厨垃圾浆液、微生物复合菌剂及废水混合均匀，调节温度使其进行厌氧消化产沼气反应。
厌氧发酵反应装置的厌氧消化处理单元是连续运行的，间断进料，间断出料，进料采用序批式的，每天进料一次。在每次进料前，先将系统中的料通过出料口18排出一定量，然后采用螺杆泵打入系统中相同量的物料。餐厨垃圾厌氧消化产生的沼气（气、水混合物）通过上升管收集，而底部残渣可定期通过抽渣泵由抽渣管排出。
在餐厨垃圾厌氧消化产沼气新型装置上，设置微生物复合菌剂投放口10，以备提高消化区内餐厨垃圾浆液的降解转化率。
U型电热夹套3连接电磁阀，当水温低于设定温度会自动加热夹套内的循环水，当温度高于设定温度时，会自动打开冷却水使温度降低至设定温度，如此循环保持恒定的厌氧罐培养温度。
与现有技术相比，本发明主要经分拣、高效除杂、粉碎来提高物料中有机物的含量，大幅降低沼渣产量；经离心分离、油水分离工艺，除去不易酸化的油脂，有利于厌氧发酵的进行；经水化打浆、水解酸化工艺，将非溶解态有机物逐步转变为溶解态有机物，提高了厌氧发酵产气率，污泥负荷率高，沼渣产生量很小。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种餐厨垃圾处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）餐厨垃圾的筛选及破碎：将收集的餐厨垃圾按照有机物和无机物分类，去除金属、塑料、玻璃瓶等杂物，将分离出来的有机物进行破碎成细小颗粒，得到混合物料；
（2）湿热水解处理：将步骤（1）获得的混合物料通过管道用泵输送到湿热反应装置中进行蒸煮，得到固形物、废水、油脂混合物；
（3）固液分离：将步骤（2）得到的混合物送入离心机，通过离心压滤的方式将湿热处理后的物料进行固液分离；
（4）油脂分离：将步骤（3）分离出的液体部分通过重力与离心分离，回收油脂，废水备用；
（5）制浆：水化打浆及酸化，将步骤（3）中得到的高浓固体部分磨制成浓浆，对浓浆进行水解酸化，得到基料；
（6）发酵预处理：向步骤（5）得到的基料中添加微生物复合菌剂，进行第一次发酵处理，接种量为0.5-2％质量比，37℃厌氧发酵5天，获得发酵物；
（7）固形物微生物转化：将步骤（6）得到的发酵物连同步骤（4）的废水输送至厌氧发酵反应装置，在反应装置中接种微生物复合菌剂，将发酵物与微生物复合菌剂充分混合，接种量6-10%的质量比、发酵时间7天/周期、温度37℃、启动PH 6.8-7.5，进行产沼气发酵。
2.根据权利要求1所述的餐厨垃圾处理方法，其特征在于，步骤（1）所述细小颗粒的粒径≤8mm。
3.根据权利要求1所述的餐厨垃圾处理方法，其特征在于，步骤（2）所述湿热反应装置中进行蒸煮的温度为160℃、时间80min。
4.根据权利要求1所述的餐厨垃圾处理方法，其特征在于，步骤（5）所述浓浆的固体颗粒直径≤0.1mm。
5.根据权利要求1所述的餐厨垃圾处理方法，其特征在于，步骤（6）和（7）所述微生物复合菌剂为1∶1∶1∶1∶2∶2混合的纤维素降解菌、蛋白质降解菌、油脂降解菌、黑曲霉、产朊假丝酵母、乳酸杆菌混合菌剂。
6.一种厌氧发酵反应装置，由罐体、进料装置、出料装置构成，所述罐体外的顶部设有搅拌电机、压力表和气体流量计；所述罐体外的底部设有出料口和支腿；所述罐体外壁设有加热装置、视镜、进料口、人孔、pH电极和温度电极；所述罐体内部设有搅拌器，搅拌器的一端与搅拌电机固定连接；所述进料装置和出料装置分别与进料口、出料口通过管道连接，其特征在于，所述罐体的顶部还设有微生物复合菌剂投放口；所述加热装置为中空密封的U型电热夹套。
7.根据权利要求6所述的厌氧发酵反应装置，其特征在于，所述U型电热夹套设置于罐体外壁的中下部，其高度为罐体高度的2/3，U型电热夹套上设有热媒进口和热媒出口。
8.根据权利要求6或7所述的厌氧发酵反应装置，其特征在于，所述U型电热夹套内的热媒为热水。
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