CN106315825A - 一种通过投加接种物启动微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液的方法 - Google Patents

一种通过投加接种物启动微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液的方法 Download PDF

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Abstract

一种通过投加接种物启动微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液的方法，本发明涉及环境，生物，能源和电化学领域。具体涉及微生物燃料电池的快速启动及处理牛粪发酵沼液产电的方法。本发明的目的是为了解决传统的厌氧发酵法启动周期长且沼液不能完全处理的缺点。本发明利用微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液的方法按以下步骤进行：一、配制投加微生物燃料电池培养基，二、将培养基加入微生物燃料电池并将接种物(活性污泥，生活污水)接种于微生物燃料电池，三、利用导线将500‑1000Ω的电阻连接微生物燃料电池阴阳极构成闭合回路，并将导线与电阻和多通道数据采集卡连接，四、更换培养基启动微生物燃料电池，对比投加接种物对微生物燃料电池的影响。

Description

一种通过投加接种物启动微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液 的方法
技术领域
本发明涉及环境，生物，能源和电化学领域。具体涉及微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液产电的方法。
背景技术
沼液是指用作集约化畜禽养殖场粪便及养殖污水处理的沼气工程所遗留下的发酵产物。与此同时，沼液是一种难降解的有机废水，若不妥善处置将其随意排放会对环境造成难以恢复的严重污染。目前，我国对沼液资源的开发和利用仍然不成熟，大多集中在农作物生产归田，养殖业饲料添加剂，还原湿地等方面。处理沼液大多采用厌氧发酵法，但由于经厌氧发酵后的沼液成分不稳定且对沼液有效利用的安全性有严重影响。
微生物燃料电池利用微生物实现将有机物中的化学能转化成电能的装置，是一种新型废水处理技术。此种技术避免了能量在多次转化过程中的浪费现象，可以直接利用废水中的有机物产生电能。微生物燃料电池不仅实现了废水中有机物高效利用，还产生了清洁型的能源。这种技术可以将废水中能够再利用的物质进行再回收，产生的能源对环境也几乎没有污染。
传统的利用微生物燃料电池处理沼液是直接将沼液投加到反应器内产电，存在启动微生物燃料电池时间长且输出电压不稳定的缺点。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统的厌氧发酵法产生的沼液存在处理处理效果不理想且不具有安全性，以及直接启动微生物燃料电池时间长且输出电压不稳定的缺点，而提供一种通过投加接种物启动微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液的方法。
本发明的通过投加接种物启动微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液的方法按以下步骤进行：
一、配制投加到微生物燃料电池反应器内的培养基：分别将0.1-10g/L乙酸钠、0.1-10ml/L维生素溶液、0.1-15ml/L矿质元素溶液和COD为200-5000mg/L的牛粪发酵沼液按重量份数为(30-50)：(0.8-1.2)：(2-3)：(150-170)的比例加入到容器内，得到配制好的培养基；乙酸钠作为底物，以补充牛粪发酵沼液里面的碳源，从而能够使内的产电微生物进行正常的新陈代谢；维生素和矿质元素目的是满足微生物燃料电池内部微生物的生长，牛粪发酵沼液作为处理对象；
二、将配制好的培养基加入微生物燃料电池反应器内，并在微生物燃料电池的阳极上连接参比电极，用于监测在启动阶段的阳极电势，方便了解反应器的运行情况；在启动微生物燃料电池初期，按1％-20％的接种量将接种物接种于微生物燃料电池的反应器内；
三、利用导线将500-1000Ω的电阻连接在微生物燃料电池的阴极和阳极之间从而构成闭合回路，且待培养基投加到微生物燃料电池的反应器后，将多通道数据采集卡通过导线与电阻连接，每隔30min测一次输出电压；
四、启动微生物燃料电池初期，更换培养基的周期为48h，每次更换培养基的同时均按1％-20％的接种量将接种物接种于微生物燃料电池的反应器内，待微生物燃料电池的最大输出电压连续三个周期高于500mV时微生物燃料电池已经成功启动，此时停止接种接种物到微生物燃料电池的反应器内，之后输出电压每次低于50mV时，更换培养基，循环更换培养基完成微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液。
所述接种物为经200目的筛子过滤将大颗粒物质进行筛选去除后的活性污泥或生活污水中的一种或两种的混合物；
所述微生物燃料电池的阳极为碳纤维组成的碳刷；阴极为由不锈钢钢网滚压活性炭组成的空气阴极，并涂有0.5mg/cm2的Pt催化剂；
所述维生素溶液为稀释80-120倍的维生素混合液，所述维生素混合液由0.01-0.5g/L维生素H、0.01-1g/L维生素B1、0.01-1g/L微生素B2、0.01-0.5g/L维生素B3、0.001-2g/L维生素B6、0.01-0.5g/L维生素B9、0.01-1g/L对氨基苯甲酸和0.01-1g/L硫辛酸的组成。
所述矿质元素溶液为0.1-3g/L NTA、0.01-1g/L MnSO4·H2O、0.1-5g/L MgSO4、0.01-2g/L NaCl、0.01-0.5g/LFeSO4·7H2O、0.01-0.5g/LCaCl2·2H2O:0.01-0.5g/LCoCl2·6H2O、0.01-0.2g/L ZnCl2、0.001-0.02g/L CuSO4·5H2O、0.001-0.02g/L AlK(SO4)2·12H2O、0.001-0.02g/L H3BO3、0.001-0.05g/L Na2MoO4、0.001-0.05g/LNiCl2·6H2O和0.001-0.05g/LNa2WO4·2H2O的混合溶液。
所述多通道数据采集卡由哈尔滨市研方公司开发；
沼液是指用作集约化畜禽养殖场粪便及养殖污水处理的沼气工程所遗留下的发酵产物。本发明所用沼液取自哈尔滨双城市某沼气工程牛粪厌氧发酵池的上清液。
本发明的优点是：通过接种活性污泥和生活污水利用微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液相较于未接种直接利用微生物燃料电池或者传统厌氧发酵法处理牛粪发酵沼液具有更高的处理效能，更短的启动反应器时间，且更为稳定的微生物燃料电池反应器运行效果，并具有产生清洁能源与减少环境污染相结合的特点。
本发明利用接种不同接种物于微生物燃料电池实现处理牛粪发酵沼液同步产电的方法，提高了其输出电能，且同比未接种接种物启动微生物燃料电池处理沼液的对照组具有启动时间短的优点。通过接种活性污泥和生活污水相较于未接种的微生物燃料电池在处理牛粪发酵沼液在输出电压和启动时间上有较高的处理效能。利用微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液在输出电压方面，活性污泥接种微生物燃料电池的最大输出电压为939±6mV；生活污水接种的最大输出电压为742±39mV；未接种接种微生物燃料电池的最大输出电压为650±33mV；在启动微生物燃料电池反应器时间上来看，活性污泥接种有最快的启动时间为148h,其次为生活污水接种组为263h,最慢的为未接种接种物的对照组为422h；待微生物燃料电池反应器运行稳定后对其进行功率密度测量发现活性污泥接种的微生物燃料电池相较于其他两组有较稳定的运行效果。活性污泥接种的微生物燃料电池获得最大输出功率密度为2.44±3.10W m-2，其次依次为生活污水接种组(2.24±2.12Wm-2)和未接种的对照组(2.06W m-2±4.3)；微生物燃料电池稳定运行7个周期后，对反应器出水进行COD测量并计算可得出在COD去除率和库伦效率方面，我们不难发现通过接种接种物，无论是活性污泥还是生活污水相较于未接种的对照组有明显优势。活性污泥接种有最高的COD去除率为84.72％±0.48％，其次为为生活污水接种组(71.6％±1.76％)和未接种的对照组(67.06％±0.52％)。在库伦效率方面，活性污泥接种的微生物燃料电池和生活污水接种的微生物燃料电池同未接种的对照组相比仍具有更高的能量回收效率。
附图说明
图1为实施例1利用微生物燃料电池实现处理沼液同步发电的电压历时曲线，其中1为活性污泥，2为生活污水，3为对照。
图2为实施例1利用微生物燃料电池实现处理沼液同步发电的功率密度曲线和极化曲线，其中1为活性污泥，2为生活污水，3为对照。
图3为实施例1利用微生物燃料电池实现处理沼液同步发电的COD去除率和库伦效率曲线，其中1为COD去除率，2为库伦效率。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式的通过投加接种物启动微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液的方法按以下步骤进行：
一、配制投加到微生物燃料电池反应器内的培养基：分别将0.1-10g/L乙酸钠、0.1-10ml/L维生素溶液、0.1-15ml/L矿质元素溶液和COD为200-5000mg/L的牛粪发酵沼液按重量份数为(30-50)：(0.8-1.2)：(2-3)：(150-170)的比例加入到容器内，得到配制好的培养基；
二、将配制好的培养基加入微生物燃料电池反应器内，并在微生物燃料电池的阳极上连接参比电极；在启动微生物燃料电池初期，按1％-20％的接种量将接种物接种于微生物燃料电池的反应器内；
三、利用导线将500-1000Ω的电阻连接在微生物燃料电池的阴极和阳极之间从而构成闭合回路，且待培养基投加到微生物燃料电池的反应器后，将多通道数据采集卡通过导线与电阻连接，每隔30min测一次输出电压；
四、启动微生物燃料电池初期，更换培养基的周期为48h，每次更换培养基的同时均按1％-20％的接种量将接种物接种于微生物燃料电池的反应器内，待微生物燃料电池的最大输出电压连续三个周期高于500mV时微生物燃料电池已经成功启动，此时停止接种接种物到微生物燃料电池的反应器内，之后输出电压每次低于50mV时，更换培养基，循环更换培养基完成微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液；
所述接种物为经200目的筛子过滤将大颗粒物质进行筛选去除后的活性污泥或生活污水中的一种或两种的混合物。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤一所述分别将2-8g/L乙酸钠、2-8ml/L维生素溶液、2-10ml/L矿质元素溶液和COD为500-1500mg/L的牛粪发酵沼液按重量份数为40：1：2.5：156.4的比例加入到容器内，得到配制好的培养基。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述微生物燃料电池的阳极为碳纤维组成的碳刷；阴极为由不锈钢钢网滚压活性炭组成的空气阴极，并涂有0.5mg/cm2的Pt催化剂。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述维生素溶液为稀释80-100倍的维生素混合液，所述维生素混合液由0.01-0.5g/L维生素H、0.01-1g/L维生素B1、0.01-1g/L微生素B2、0.01-0.5g/L维生素B3、0.001-2g/L维生素B6、0.01-0.5g/L维生素B9、0.01-1g/L对氨基苯甲酸和0.01-1g/L硫辛酸的组成。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述矿质元素溶液为0.1-3g/L NTA、0.01-1g/L MnSO4·H2O、0.1-5g/L MgSO4、0.01-2g/L NaCl、0.01-0.5g/LFeSO4·7H2O、0.01-0.5g/LCaCl2·2H2O:0.01-0.5g/LCoCl2·6H2O、0.01-0.2g/L ZnCl2、0.001-0.02g/L CuSO4·5H2O、0.001-0.02g/L AlK(SO4)2·12H2O、0.001-0.02g/L H3BO3、0.001-0.05g/L Na2MoO4、0.001-0.05g/LNiCl2·6H2O和0.001-0.05g/L Na2WO4·2H2O的混合溶液。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤二所述按10％的接种量将接种物接种于微生物燃料电池的反应器内。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。
实施例1
本实施例的通过投加接种物启动微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液的方法按以下步骤进行：
一、配制投加到微生物燃料电池反应器内的培养基：分别将2g/L乙酸钠40ml、5ml/L维生素溶液1ml、12.5ml/L矿质元素溶液2.5ml和COD为1500mg/L的牛粪发酵沼液156.4ml加入到容器内，得到配制好的培养基；乙酸钠作为底物，以补充牛粪发酵沼液里面的碳源，从而能够使微生物燃料电池内的产电微生物进行正常的新陈代谢；维生素和矿质元素目的是满足微生物燃料电池内部微生物的生长，牛粪发酵沼液作为处理对象；
二、将配制好的培养基加入到微生物燃料电池反应器内，并在微生物燃料电池的阳极上连接参比电极，用于监测在启动阶段的阳极电势，方便了解反应器的运行情况；在启动微生物燃料电池初期，按10％的接种量将经200目的筛子过滤将大颗粒物质进行筛选去除后的活性污泥接种于微生物燃料电池的反应器内；
三、利用导线将1000Ω的电阻连接在微生物燃料电池的阴极和阳极之间从而构成闭合回路，且待培养基投加到微生物燃料电池的反应器后，将多通道数据采集卡通过导线与电阻连接，每隔30min测一次输出电压；
四、启动微生物燃料电池初期，更换培养基的周期为48h，每次更换培养基的同时均按10％的接种量将经200目的筛子过滤将大颗粒物质进行筛选去除后的活性污泥接种于微生物燃料电池的反应器内，待微生物燃料电池的最大输出电压连续三个周期高于500mV时微生物燃料电池已经成功启动，此时停止接种活性污泥到微生物燃料电池的反应器内，之后更换培养基的周期为输出电压低于50mV，循环更换培养基完成微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液。
所述维生素溶液为稀释80-100倍的维生素混合液，所述维生素混合液由0.02g/L维生素H、0.05g/L维生素B1、0.05g/L微生素B2、0.2g/L维生素B3、1g/L维生素B6、0.2g/L维生素B9、0.5g/L对氨基苯甲酸和0.5g/L硫辛酸的组成。
所述矿质元素溶液为1g/L NTA、0.05g/L MnSO4·H2O、2g/L MgSO4、1g/L NaCl、0.2g/LFeSO4·7H2O、0.2g/LCaCl2·2H2O、0.01-0.5g/LCoCl2·6H2O、0.1g/L ZnCl2、0.1g/LCuSO4·5H2O、0.01g/L AlK(SO4)2·12H2O、0.01g/L H3BO3、0.02g/L Na2MoO4、0.02g/LNiCl2·6H2O、0.02g/L Na2WO4·2H2O的混合溶液组成。
本实施例通过接种活性污泥启动微生物燃料电池反应器，然后利用微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液。在启动微生物燃料电池初期，通过接种活性污泥到微生物燃料电池阳极室不仅加速了成功启动微生物燃料电池的时间，并相较于未接种的对照组微生物燃料电池有运行效果更加稳定，沼液的出水COD除去率更高的优势。
实施例2
本实施例的通过投加生活污水为接种物启动微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液的方法按以下步骤进行：
一、配制投加到微生物燃料电池反应器内的培养基：分别将2g/L乙酸钠40ml、5ml/L维生素溶液1ml、12.5ml/L矿质元素溶液2.5ml和COD为1500mg/L的牛粪发酵沼液156.4ml加入到容器内，得到配制好的培养基；乙酸钠作为底物，以补充牛粪发酵沼液里面的碳源，从而能够使微生物燃料电池内的产电微生物进行正常的新陈代谢；维生素和矿质元素目的是满足微生物燃料电池内部微生物的生长，牛粪发酵沼液作为处理对象；
二、将配制好的培养基加入微生物燃料电池反应器内，并在微生物燃料电池的阳极上连接参比电极，用于监测在启动阶段的阳极电势，方便了解反应器的运行情况；在启动微生物燃料电池初期，按10％的接种量将经200目的筛子过滤将大颗粒物质进行筛选去除后的生活污水接种于微生物燃料电池的反应器内；
三、利用导线将1000Ω的电阻连接在微生物燃料电池的阴极和阳极之间从而构成闭合回路，且待培养基投加到微生物燃料电池的反应器后，将多通道数据采集卡通过导线与电阻连接，每隔30min测一次输出电压；
四、启动微生物燃料电池初期，更换培养基的周期为48h，每次更换培养基的同时均按10％的接种量将经200目的筛子过滤将大颗粒物质进行筛选去除后的生活污水接种于微生物燃料电池的反应器内，待微生物燃料电池的最大输出电压连续三个周期高于500mV时微生物燃料电池已经成功启动，此时停止接种生活污水到微生物燃料电池的反应器内，之后更换培养基的周期为输出电压低于50mV，循环更换培养基完成微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液。
所述维生素溶液为稀释80-100倍的维生素混合液，所述维生素混合液由0.02g/L维生素H、0.05g/L维生素B1、0.05g/L微生素B2、0.2g/L维生素B3、1g/L维生素B6、0.2g/L维生素B9、0.5g/L对氨基苯甲酸和0.5g/L硫辛酸的组成。
所述矿质元素溶液为1g/L NTA、0.05g/L MnSO4·H2O、2g/L MgSO4、1g/L NaCl、0.2g/LFeSO4·7H2O、0.2g/LCaCl2·2H2O、0.01-0.5g/LCoCl2·6H2O、0.1g/L ZnCl2、0.1g/LCuSO4·5H2O、0.01g/L AlK(SO4)2·12H2O、0.01g/L H3BO3、0.02g/L Na2MoO4、0.02g/LNiCl2·6H2O、0.02g/L Na2WO4·2H2O的混合溶液组成。
本实施例通过接种生活污水启动微生物燃料电池反应器，然后利用微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液。在启动微生物燃料电池初期，通过接种生活污水到微生物燃料电池阳极室不仅加速了成功启动微生物燃料电池的时间，并相较于未接种的对照组微生物燃料电池有运行效果更加稳定，沼液的出水COD除去率更高的优势。
对比实施例
对照组也就是未接种接种物启动微生物燃料电池虽然仍能够成功启动，且有一定的输出电压。但相较于接种活性污泥和生活污水启动的微生物燃料电池相比，有启动时间长、反应器运行稳定后最大输出电压低于接种接种物的组别；在最大输出功率密度，开路输出电压，COD去除率和库伦效率来看，都有与启动时间一致的结论，即：未接种的对照组效果明显低于经过接种活性污泥和生活污水的微生物燃料电池。
实施1和实施2的区别是利用不同的接种物接种启动微生物燃料电池，其中实施1是投加活性污泥为接种物启动微生物燃料电池，而实施2是投加生活污水为接种物启动微生物燃料电池。对比实施1和实施2的实验结果我们不难发现，实施1中活性污泥接种的微生物燃料电池相较于实施2中生活污水接种的微生物燃料电池在最大输出电压方面从图1可以看出，活性污泥接种优于生活污水，其最大输出电压分别为：939mV和742mV；在启动时间上来看，实施1中活性污泥接种的微生物燃料电池启动时间快于实施2中生活污水接种的微生物燃料电池，分别为：148h和263h；待微生物燃料电池反应器运行稳定后对其进行功率密度测量发现实施1中活性污泥接种的微生物燃料电池和实施2中生活污水接种的微生物燃料电池有相似的最大输出功率密度从图2可以得到，分别为：2.44W m-2和2.24Wm-2；此结论说明无论是实施1的活性污泥还是实施2的生活污水接种启动微生物燃料电池，都有一致性的微生物燃料电池反应器运行效果稳定。微生物燃料电池稳定运行7个周期后，对反应器出水进行COD测量并计算可得出在COD去除率和库伦效率方面从图3明显看到，都有实施1接种活性污泥的微生物燃料电池处理效果优于实施2生活污水接种生活污水的微生物燃料电池，其中活性污泥接种有最高的COD去除率为84.72％，其次为为生活污水接种组71.6％；在库伦效率方面，实施1中活性污泥接种的微生物燃料电池和实施2中生活污水接种的微生物燃料电池同未接种的对照组相比仍具有更高的能量回收效率,分别为：69.16％(活性污泥)，58.49％(生活污水)和40.39％(未接种)。

Claims (6)

1.一种通过投加接种物启动微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液的方法，该方法按以下步骤进行：
一、配制投加到微生物燃料电池反应器内的培养基：分别将0.1-10g/L乙酸钠、0.1-10ml/L维生素溶液、0.1-15ml/L矿质元素溶液和COD为200-5000mg/L的牛粪发酵沼液按重量份数为(30-50)：(0.8-1.2)：(2-3)：(150-170)的比例加入到容器内，得到配制好的培养基；
二、将配制好的培养基加入微生物燃料电池反应器内，并在微生物燃料电池阳极上连接参比电极；在启动微生物燃料电池初期，按1％-20％的接种量将接种物接种于微生物燃料电池反应器内；
三、利用导线将500-1000Ω的电阻连接在微生物燃料电池的阴极和阳极之间从而构成闭合回路，且待培养基投加到微生物燃料电池反应器后，将多通道数据采集卡通过导线与电阻连接，每隔30min记录一次输出电压；
四、启动微生物燃料电池初期，更换培养基的周期为48h，每次更换培养基的同时均按1％-20％的接种量将接种物接种于微生物燃料电池反应器内，待MF的最大输出电压连续三个周期高于500mV时微生物燃料电池已经成功启动，此时停止接种接种物到微生物燃料电池反应器内，之后输出电压每次低于50mV时，更换培养基，循环更换培养基完成微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液；
所述接种物为经200目的筛子过滤将大颗粒物质进行筛选去除后的活性污泥或生活污水中的一种或两种的混合物。
2.根据权利要求1所述的一种通过投加接种物启动微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液的方法，其特征在于：步骤一所述分别将2-8g/L乙酸钠、2-8ml/L维生素溶液、2-10ml/L矿质元素溶液和COD为500-1500mg/L的牛粪发酵沼液按重量份数为40：1：2.5：156.4的比例加入到容器内，得到配制好的培养基。
3.根据权利要求1所述的一种通过投加接种物启动微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液的方法，其特征在于：所述微生物燃料电池阳极为碳纤维组成的碳刷；阴极为由不锈钢钢网滚压活性炭组成的空气阴极，并涂有0.5mg/cm2的Pt催化剂。
4.根据权利要求1所述的一种通过投加接种物启动微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液的方法，其特征在于：所述维生素溶液为稀释80-100倍的维生素混合液，所述维生素混合液由0.01-0.5g/L维生素H、0.01-1g/L维生素B1、0.01-1g/L微生素B2、0.01-0.5g/L维生素B3、0.001-2g/L维生素B6、0.01-0.5g/L维生素B9、0.01-1g/L对氨基苯甲酸和0.01-1g/L硫辛酸的组成。
5.根据权利要求1所述的一种通过投加接种物启动微生物燃料电池牛粪发酵沼液的方法，其特征在于：所述矿质元素溶液为0.1-3g/L NTA、0.01-1g/L MnSO4·H2O、0.1-5g/LMgSO4、0.01-2g/L NaCl、0.01-0.5g/LFeSO4·7H2O、0.01-0.5g/LCaCl2·2H2O:0.01-0.5g/LCoCl2·6H2O、0.01-0.2g/L ZnCl2、0.001-0.02g/L CuSO4·5H2O、0.001-0.02g/L AlK(SO4)2·12H2O、0.001-0.02g/L H3BO3、0.001-0.05g/L Na2MoO4、0.001-0.05g/LNiCl2·6H2O和0.001-0.05g/L Na2WO4·2H2O的混合溶液。
6.根据权利要求1所述的一种通过投加接种物启动微生物燃料电池处理牛粪发酵沼液的方法，其特征在于：步骤二所述按5％-10％的接种量将接种物接种于微生物燃料电池的反应器内。
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