DE10157347B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Abbau organischer Substanzen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Abbau organischer Substanzen (6), wobei die organischen Substanzen (6) durch eine Zufuhröffnung (2) in einen Reaktor (1) eingebracht, mittels einer anaerobe Bakterien enthaltenden Behandlungsflüssigkeit (5) zumindest teilweise hydrolysiert und die gebildeten Abbauprodukte anschließend wieder aus dem Reaktor (1) entnommen werden, wobei
die organischen Substanzen (6) im Reaktor (1) schwimmend von der Zufuhröffnung (2) bis zu einer entfernt davon angeordneten und im Wesentlichen auf demselben horizontalen Niveau befindlichen Entnahmeöffnung (3) transportiert werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Behandlungsflüssigkeit (5) durch einen weiteren Reaktor (11) geführt, im weiteren Reaktor (11) unter anaeroben Bedingungen vergoren, im Reaktor (1) und/oder im weiteren Reaktor (11) gebildetes Biogas abgezogen und einer Biogasverwertungsvorrichtung (BHKW) zugeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abbau organischer Substanzen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
  • Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet des Abbaus organischer Substanzen, z.B. Gartenabfälle, Festmist, Silage, Essensreste, Bioabfälle, organische Abfälle, nachwachsende Rohstoffe.
  • Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der DE-OS 197 19 323 A1 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren werden die organischen Substanzen diskontinuierlich durch eine Öffnung einem Tunnelfermenter zugeführt bzw. davon entnommen.
  • Das bekannte Verfahren erlaubt nachteiligerweise keine kontinuierliche Behandlung der organischen Substanzen. Die Zufuhr und die Entnahme der organischen Substanzen bzw. daraus hergestellten Abbauprodukte verursacht einen hohen Kosten- und Zeitaufwand. Ferner ist es erforderlich, die organischen Substanzen vor deren Zufuhr in den Tunnelfermenter zu zerkleinern. Auch das ist kosten- und zeitaufwendig. Schließlich sind die Ausbeute und die Zusammensetzung des gewonnenen Biogases nicht konstant.
  • Aus der DE 695 10 679 T2 ist ein Verfahren zur anaeroben Fermentation bekannt, bei welchem einem Reaktortank ein Gemisch aus festen organischen Stoffen und einer anaeroben Flüssigkeit zugeführt und darin hydrolysiert und vergärt wird.
  • Aus der EP 0 241 357 B1 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem ein zellulosehaltiges Trägermaterial und ein für eine anaerobe Fermentierung geeignetes Trägermaterial durch einen Fermentierer geleitet werden. Bei einem im Fermentierer ablaufenden Fermentiervorgang wird Biogas gebildet.
  • Aus der EP 0 037 612 B1 ist eine Vorrichtung zur anaeroben Verdauung von festem organischem Material bekannt. Die Vorrichtung weist einen Primär- und einen Hilfsreaktor auf. Der Hilfsreaktor dient dazu, eine geeignete Reaktionsflüssigkeit zum Anstoß einer Methanerzeugung im Primärreaktor bereit zu stellen.
  • Aus der US 4 334 997 ist ein Verfahren zum Erzeugen von methanreichem Gas bekannt. Bei dem Verfahren werden in einem Faulbehälter befindliche organische Materialien unter anaeroben Bedingungen vergärt.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein möglichst einfach und kostengünstig durchführbares Verfahren zum Abbau organischer Substanzen angegeben werden. Das Verfahren soll nach einem weiteren Ziel der Erfindung zumindest quasikontinuierlich durchführbar sein. Schließlich soll eine zur Durchführung eines Verfahrens geeignete, möglichst einfach aufgebaute Vorrichtung angegeben werden.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 13 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 12 und 14 bis 24.
  • Nach der verfahrensseitigen Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, daß die organischen Substanzen im Reaktor schwimmend von der Zufuhröffnung bis zu einer entfernt davon angeordne ten und im wesentlichen auf dem selben horizontalen Niveau befindlichen Entnahmeöffnung transportiert werden.
  • Der schwimmende Transport der organischen Substanzen von der Zufuhröffnung zur Entnahmeöffnung kann besonders einfach und kostengünstig durchgeführt werden. Eine zumindest quasi-kontinuierliche Verfahrensführung wird ermöglicht. Eine aufwändige Zerkleinerung der organischen Substanzen ist nicht mehr erforderlich. Das vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich durch eine konstante Ausbeute an Biogas mit gleichbleibender Zusammensetzung aus.
  • Die Behandlungsflüssigkeit enthält anaerobe Bakterien. Es kann sich dabei um hydrolysierende Bakterien handeln. Die Beaufschlagung der organischen Substanzen mit der Behandlungsflüssigkeit kann auch eine Versäuerung und im weiteren eine Umwandlung in Biogas bewirken.
  • Die Behandlungsflüssigkeit wird im weiteren Reaktor unter anaeroben Bedingungen vergoren. Die Kombination mit dem weiteren Reaktor bietet eine besonders hohe Prozeßstabilität. Im Vergleich zum Naßvergärungsverfahren ist es erfindungsgemäß möglich, den Reaktor mit einem besonders hohen Anteil an organischen Substanzen zu beaufschlagen. Der Hauptanteil der Biogasproduktion findet im nachgeschalteten weiteren Reaktor statt. Wegen der Trennung des Reaktors und des weiteren Reaktors kann eine besonders ausfallsichere Biogasproduktion erreicht werden. Eine Überladung des weiteren Reaktors mit einem zu hohen Anteil an organischen Substanzen kann beispielsweise durch Regelung der Menge an Behandlungsflüssigkeit sicher vermieden werden.
  • Im Reaktor und/oder im weiteren Reaktor gebildetes Biogas wird abgezogen und einer Biogasverwertungseinrichtung zugeführt.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die organischen Substanzen schwimmend in oder auf der Behandlungsflüssigkeit transportiert. Das vereinfacht die Verfahrensführung erheblich. Die organischen Substanzen werden zweckmäßigerweise quasi-kontinuierlich durch den Reaktor transportiert. Der Transport kann z.B. mit einer in der Nähe der Zufuhröffnung vorgesehenen Schnecke erfolgen.
  • Vorteilhafterweise werden in den organischen Substanzen enthaltene eine höhere Dichte als die Behandlungsflüssigkeit aufweisende Störstoffe mittels einer am Boden des Reaktors vorgesehenen Abzugsvorrichtung abgeführt. Die Abzugsvorrichtung kann im einfachsten Fall nach Art eines verschließbaren Abflusses ausgeführt sein, der an einer tiefsten Stelle des Bodens des Reaktors vorgesehen ist. Sie kann auch eine weitere Schnecke zum Abführen der Störstoffe aufweisen. Bei den Störstoffen handelt es sich meist um Sand, Steine und andere Reststoffe.
  • Nach einem besonders vorteilhaften Ausgestaltungsmerkmal werden die organischen Substanzen weitgehend unzerkleinert bzw. grob zerkleinert dem Reaktor zugeführt. Das spart Kosten- und Zeitaufwand. Die Behandlungsflüssigkeit wird zweckmäßigerweise auf eine Temperatur von 20°C bis 65°C erwärmt. Die Erwärmung bewirkt einen besonders effektiven Abbau der organischen Substanzen.
  • Die organischen Substanzen werden zweckmäßigerweise während des Transports durch den Reaktor mit Behandlungsflüssigkeit beregnet. Zum Beregnen kann die Behandlungsflüssigkeit im Kreislauf geführt werden. Das erhöht weiter die Effizienz des Verfahrens.
  • Die Behandlungsflüssigkeit kann auch im Kreislauf durch den weiteren Reaktor geführt werden. Es ist zweckmäßig, in der Behandlungsflüssigkeit enthaltene Feststoffanteile vor dem Eintritt in den weiteren Reaktor abzutrennen.
  • Die Behandlungsflüssigkeit wird im weiteren Reaktor zweckmäßigerweise mit anaeroben, vorzugsweise mit aceto- und/oder methanogenen, Bakterien in Kontakt gebracht.
  • Als weiterer Reaktor kann ein anaerober Hochleistungsreaktor, z.B. ein Festbettumlaufreaktor oder ein UASB-(= Upflow Anareobic Sludge Blanket) Reaktor, verwendet werden.
  • Zur Lösung der Aufgabe ist ferner vorgesehen eine Vorrichtung zum Abbau organischer Substanzen, wobei zwischen einer Zufuhröffnung zum Zuführen der organischen Substanzen und einer entfernt davon angeordneten und im wesentlichen auf dem selben horizontalen Niveau befindlichen Entnahmeöffnung für zumindest teilweise abgebaute organische Substanzen ein Reaktorbecken zur Aufnahme einer Flüssigkeit vorgesehen ist, so daß die organischen Substanzen schwimmend von der Zufuhr- zur Entnahmeöffnung transportierbar sind und wobei zum anaeroben Vergären der Behandlungsflüssigkeit ein über eine Leitung (10) verbundener weiterer mit einer Vorrichtung (16) zum Abziehen von Biogas versehener Reaktor (11) vorgesehen ist.
  • Die vorgeschlagene Vorrichtung ist besonders einfach aufgebaut. Sie kann zumindest quasi-kontinuierlich betrieben wer den. Eine Kombination mit weiteren Reaktoren ist ohne weiteres möglich.
  • Zweckmäßigerweise ist zum Zuführen der organischen Substanzen eine erste Schnecke vorgesehen. Dabei kann es sich um eine Stopfschnecke handeln. Zum Abführen der behandelten organischen Substanzen kann im Reaktor eine zweite Schnecke vorgesehen sein. Die zweite Schnecke erstreckt sich zweckmäßigerweise bis zur Entnahmeöffnung. Am Boden des Reaktorbeckens kann eine Abzugsvorrichtung für eine höhere Dichte als die Behandlungsflüssigkeit aufweisende Störstoffe vorgesehen sein. Die Abzugsvorrichtung kann eine dritte Schnecke aufweisen.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung ist eine Beregnungseinrichtung zum Beregnen von in oder auf der Behandlungsflüssigkeit schwimmenden organischen Substanzen mit der Behandlungsflüssigkeit vorgesehen. Dazu kann eine Leitung zum Zuführen von Behandlungsflüssigkeit vom Reaktorbecken zur Beregnungseinrichtung vorgesehen sein. In die Leitung kann ein Wärmetauscher eingeschaltet sein. Das ermöglicht auf einfache Weise eine Erwärmung der Behandlungsflüssigkeit.
  • Vorteilhafterweise ist eine Einrichtung zum Führen der Behandlungsflüssigkeit im Kreislauf durch den weiteren Reaktor vorgesehen. Bestandteil der Einrichtung zum Führen kann die Leitung sein. Der weitere Reaktor ist in die Leitung eingeschaltet. Die Beregnungseinrichtung von Behandlungsflüssigkeit gespeist, welche im wesentlichen aus dem weiteren Reaktor entnommen ist. Stromabwärts des weiteren Reaktors kann eine Vorrichtung zum Abtrennen von Feststoffen aus der Behandlungsflüssigkeit in die Leitung eingeschaltet sein. Bei dem weiteren Reaktor kann es sich um einen anaeroben Hochlei stungsreaktor, vorzugsweise um einen Festbettumlaufreaktor oder einen UASB-Reaktor, handeln.
    •
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein Reaktor 1 weist eine Zufuhröffnung 2 und eine vorzugsweise gegenüberliegend angeordnete Entnahmeöffnung 3 auf. Der Reaktor 1 ist mit einem kanalartig ausgeführten Reaktorbecken 4 versehen, in dem Behandlungsflüssigkeit 5 aufgenommen ist. Auf der Behandlungsflüssigkeit 5 schwimmt das Gärgut bzw. die organische Restmasse 6. Eine erste Schnecke 7 verbindet einen Aufgabetrichter 8 mit der Zufuhröffnung 2. Eine zweite Schnecke 9 führt vom Inneren des Reaktors 1 durch die Entnahmeöffnung 3 nach außen. Eine Leitung 10 führt zu einem weiteren Reaktor 11 und von da zu einer im Reaktor 1 oberhalb des Reaktorbeckens 4 vorgesehenen Beregnungseinrichtung 12. In die Leitung 10 ist zweckmäßigerweise ein Sieb 13 oder eine ähnliche Einrichtung zur Entfernung von Feststoffen eingeschaltet. Ferner ist in die Leitung 10 ein Wärmetauscher 14 eingeschaltet. Ein Bypaß 15 dient der unmittelbaren Zirkulation der Behandlungsflüssigkeit 5, d.h. unter Ausschaltung des weiteren Reaktors 11.
  • Mit 16 ist eine weitere Leitung bezeichnet, welche dem Abziehen von Biogas dient. In die weitere Leitung 16 kann eine Vorrichtung zum Abziehen von H2S eingeschaltet sein. Die weitere Leitung 16 führt zu einem Blockheizkraftwerk BHKW.
  • Die Funktion der Vorrichtung ist folgende:
    In den Aufgabetrichter 8 werden als organische Substanzen 6 z. B. Festmist, Gartenabfälle oder Silage weitgehend unzerkleinert bzw. grob zerkleinert aufgegeben. Die organischen Substanzen 6 werden mittels der ersten Schnecke 7 durch die Zufuhröffnung 2 in den Reaktor 1 gefördert. Sie schwimmen dort auf der im Reaktorbecken 4 befindlichen Behandlungsflüssigkeit 5 auf. Die Behandlungsflüssigkeit 5 bewirkt u.a. eine biologische Hydrolyse der organischen Substanzen 6. Die organischen Substanzen 6 können dabei weiterhin in mehreren Schritten anaerob abgebaut werden. Zur Steigerung der Effizienz werden die organischen Substanzen 6 während des Transports zur Entnahmeöffnung 3 mittels der Beregnungseinrichtung 12 mit Behandlungsflüssigkeit 5 beregnet. Die Beregnungseinrichtung 12 ist zweckmäßigerweise mit perforierten Leitungen versehen, die zur Vermeidung von Korrosionsproblemen aus Kunststoff hergestellt sein können. Durch das Zuführen organischer Substanzen 6 mittels der ersten Schnecke 7 und das Entnehmen behandelter organischer Substanzen 6 mittels der zweiten Schnecke 3 werden die organischen Substanzen 6 durch den Reaktor 1 bewegt. Es sind dazu innerhalb des Reaktors 1 keine weiteren, der korrossiv wirkenden Behandlungsflüssigkeit 5 und gebildeten gasförmigen Produkten ausgesetzte Vorrichtungen erforderlich. Am Boden des Reaktorbeckens 4 kann eine (hier nicht gezeigte) Vorrichtung zum Abführen von Störstoffen vorgesehen sein. Bei den Störstoffen handelt es sich üblicherweise um Sand, Steine oder andere Fremdstoffe, die eine höhere Dichte als die Behandlungsflüssigkeit 5 aufweisen. Diese Vorrichtung kann mit einer weiteren Schnecke zum Abführen der Störstoffe versehen sein.
  • Zur Speisung der Beregnungseinrichtung 12 mit Behandlungs- bzw. Perkolationsflüssigkeit 5 ist diese mit der Leitung 10 verbunden. Aus der mit organischen Stoffen hoch angereicher ten Behandlungsflüssigkeit 5 wird mittels eines Siebs 13 darin eventuell noch enthaltener Feststoff abgetrennt. Die Behandlungsflüssigkeit 5 gelangt entweder unmittelbar über den Bypaß 15 zur Beregnungseinrichtung 12. Wenn der Bypaß 15 geschlossen ist, wird die Behandlungsflüssigkeit 5 in einen kleinen, z.B. als Festbettumlaufreaktor ausgeführten, weiteren Reaktor 11 geführt und dort unter Einwirkung aceto- und/oder methanogener Bakterien weiter vergoren. Die Temperatur der Behandlungsflüssigkeit 5 kann mittels des Wärmetauschers 14 geregelt werden. Sie wird üblicherweise auf 20 bis 65°C eingestellt. Nach der weiteren Vergärung im weiteren Reaktor 11, wird die Behandlungsflüssigkeit 5 der Beregnungseinrichtung 12 zugeführt. Die Behandlungsflüssigkeit 5 wird üblicherweise mit einer Temperatur im Bereich von 20 bis 65°C der Beregnungseinrichtung 12 zugeführt. In den Reaktoren 1 und 11 gebildetes Biogas wird über die weitere Leitung 16 abgezogen und dem Blockheizkraftwerk BHKW oder einen anderen energetischen oder stofflichen Verwertung zugeführt.
    • 1
    Reaktor
    2
    Zufuhröffnung
    3
    Entnahmeöffnung
    4
    Reaktorbecken
    5
    Behandlungsflüssigkeit
    6
    organische Substanzen
    7
    erste Schnecke
    8
    Aufgabetrichter
    9
    zweite Schnecke
    10
    Leitung
    11
    weiterer Reaktor
    12
    Beregnungseinrichtung
    13
    Sieb
    14
    Wärmetauscher
    15
    Bypaß
    16
    weitere Leitung
    BHKW
    Blockheizkraftwerk

Claims (24)

  1. Verfahren zum Abbau organischer Substanzen (6), wobei die organischen Substanzen (6) durch eine Zufuhröffnung (2) in einen Reaktor (1) eingebracht, mittels einer anaerobe Bakterien enthaltenden Behandlungsflüssigkeit (5) zumindest teilweise hydrolysiert und die gebildeten Abbauprodukte anschließend wieder aus dem Reaktor (1) entnommen werden, wobei die organischen Substanzen (6) im Reaktor (1) schwimmend von der Zufuhröffnung (2) bis zu einer entfernt davon angeordneten und im Wesentlichen auf demselben horizontalen Niveau befindlichen Entnahmeöffnung (3) transportiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungsflüssigkeit (5) durch einen weiteren Reaktor (11) geführt, im weiteren Reaktor (11) unter anaeroben Bedingungen vergoren, im Reaktor (1) und/oder im weiteren Reaktor (11) gebildetes Biogas abgezogen und einer Biogasverwertungsvorrichtung (BHKW) zugeführt wird.
  2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Behandlungsflüssigkeit (5) im Kreislauf durch den weiteren Reaktor (11) geführt wird.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei Bestandteil der Einrichtung zum Führen die Leitung (10) ist und der weitere Reaktor (11) in die Leitung (10) eingeschaltet ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die organischen Substanzen (6) schwimmend in oder auf der Behandlungsflüssigkeit (5) transportiert werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die organischen Substanzen (6) quasi-kontinuierlich durch den Reaktor (1) transportiert werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in den organischen Substanzen (6) enthaltene eine höhere Dichte als die Behandlungsflüssigkeit (5) aufweisende Störstoffe mittels einer am Boden des Reaktors (1) vorgesehenen Abzugsvorrichtung abgeführt werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die organischen Substanzen (6) im Wesentlichen unzerkleinert dem Reaktor (1) zugeführt werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Behandlungsflüssigkeit (5) auf eine Temperatur von 20°C bis 65°C erwärmt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die organischen Substanzen (6) während des Transports durch den Reaktor (1) mit Behandlungsflüssigkeit (5) beregnet werden.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Beregnen die Behandlungsflüssigkeit (5) im Kreislauf geführt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Behandlungsflüssigkeit (5) enthaltene Feststoffanteile vor dem Eintritt in den weiteren Reaktor (11) abgetrennt werden.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Behandlungsflüssigkeit (5) im weiteren Reaktor (11) mit anaeroben, vorzugsweise mit aceto- oder methanogenen, Bakterien in Kontakt gebracht wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als weiterer Reaktor (11) ein anaerober Hochleistungsreaktor, vorzugsweise ein Festbettumlaufreaktor oder ein UASB-Reaktor, verwendet wird.
  14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen einer Zufuhröffung (2) zum Zuführen der organischen Substanzen (6) und einer entfernt davon angeordneten und im Wesentlichen auf demselben horizontalen Niveau befindlichen Entnahmeöffnung (3) für zumindest teilweise abgebaute organische Substanzen (6) ein Reaktorbecken (4) zur Aufnahme einer Flüssigkeit vorgesehen ist, so dass die organischen Substanzen (6) schwimmend von der Zufuhr- (2) zur Entnahmeöffnung (3) transportierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zum anaeroben Vergären der Behandlungsflüssigkeit ein über eine Leitung (10) verbundener weiterer mit einer Vorrichtung (16) zum Abziehen von Biogas versehener Reaktor (11) vorgesehen ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei zum Zuführen der organischen Substanzen (6) eine erste Schnecke (7) vorgesehen ist.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei zum Abführen der behandelten organischen Substanzen (6) im Reaktor (1) eine zweite Schnecke (9) vorgesehen ist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei am Boden des Reaktorbeckens (4) eine Abzugsvorrichtung für eine höheren Dichte als die Behandlungsflüssigkeit (3) aufweisende Störstoffe vorgesehen ist.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Abzugsvorrichtung eine dritte Schnecke aufweist.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei eine Beregnungseinrichtung (12) zum Beregnen von in oder auf der Behandlungsflüssigkeit (5) schwimmenden organischen Substanzen (6) mit der Behandlungsflüssigkeit (5) vorgesehen ist.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei eine Leitung (10) zum Zuführen von Behandlungsflüssigkeit (5) vom Reaktorbecken (4) zur Beregnungseinrichtung (12) vorgesehen ist.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei in die Leitung (10) ein Wärmetauscher (14) eingeschaltet ist.
  22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, wobei eine Einrichtung zum Führen der Behandlungsflüssigkeit (5) im Kreislauf durch einen weiteren Reaktor (11) vorgesehen ist.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei stromaufwärts des weiteren Reaktors (11) eine Vorrichtung (13) zum Abtrennen von Feststoffen aus der Behandlungsflüssigkeit (5) in die Leitung (10) eingeschaltet ist.
  24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 23, wobei der weitere Reaktor (11) ein anaerober Hochleistungsreaktor, vorzugsweise ein Festbettumlaufreaktor oder ein UASB-Reaktor, ist.
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