JP2008272669A - 排水処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 排水中に含まれる重金属を効率良く除去しつつ、多量の水を回収、リサイクルすることができる排水処理方法を提供する。
を提供する。
【解決手段】 重金属を含む排水を濃縮装置２０において蒸発濃縮し、発生した蒸気を回収する濃縮回収ステップと、濃縮装置２０で生成された濃縮排水を、晶析装置５０において更に蒸発濃縮することにより、発生した蒸気を回収すると共に濃縮排水に含まれる塩類を析出させる析出ステップと、析出した塩類の結晶を塩分離装置６０により分離し、固形物として取り出す塩分離ステップと、塩分離装置６０を経たろ液を乾燥して余剰水分を蒸発させ、固形物を残留させる乾燥ステップとを備える排水処理方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、清掃工場の処理水や、廃棄物処分場の浸出水などの重金属を含む排水を処理してリサイクルするための排水処理方法に関する。

清掃工場の処理水や、廃棄物処分場の浸出水などの排水は、重金属などの有害物質が含まれているため、これを無害化する処理が従来から行われている。

例えば、特許文献１に開示された廃棄物埋立処分地浸出水の処理方法は、浸出水を、まず前処理装置に導入して重金属の一部やカルシウム分などを除去した後、逆浸透膜ろ過装置及びＮＦろ過装置でろ過することにより、カルシウムや重金属などを濃縮液側に分離する。ＮＦろ過装置の濃縮液は、排水処理装置において、凝集沈殿、砂ろ過処理、活性炭吸着処理などの処理を施した後に、焼却炉または灰溶融炉に返送して有害物質を熱分解する一方、ろ液については、キレート吸着塔に導入して、微量の重金属などを除去した後、晶析処理を施すことにより塩を回収する。
特開２００１−３２１７６８号公報

上記特許文献１に開示された処理方法は、ろ過装置で分離された濃縮液に重金属が含まれるため、そのまま放流することができず、凝集沈殿などの重金属除去工程が必要になり、処理が煩雑でコスト高になるという問題があった。また、ろ過装置を経たろ液にも重金属が僅かに含まれるため、これを除去するためにキレート処理が必要になり、この点においても処理が煩雑になっていた。

そこで、本発明は、排水中に含まれる重金属を効率良く除去しつつ、多量の水を回収、リサイクルすることができる排水処理方法の提供を目的とする。

本発明の前記目的は、重金属を含む排水を濃縮装置において蒸発濃縮し、発生した蒸気を回収する濃縮回収ステップと、前記濃縮装置で生成された濃縮排水を、晶析装置において更に蒸発濃縮することにより、発生した蒸気を回収すると共に濃縮排水に含まれる塩類を析出させる析出ステップと、析出した塩類の結晶を塩分離装置により分離し、固形物として取り出す塩分離ステップと、前記塩分離装置を経たろ液を乾燥して余剰水分を蒸発させ、固形物を残留させる乾燥ステップとを備える排水処理方法により達成される。

この排水処理方法において、前記濃縮回収ステップは、２効用型濃縮装置で排水の蒸発濃縮を行った後、単効用型濃縮装置で更に蒸発濃縮を行うステップを含むことができ、特に処理量が多い場合に有効である。

前記濃縮回収ステップで用いる熱源としては、燃焼設備で発生した燃焼排ガスの熱エネルギーを駆動源とする蒸気タービンの排蒸気を好ましく利用することができる。

排水に重金属と共にカルシウムが含まれる場合には、前記濃縮回収ステップの前に、排水を二酸化炭素含有ガスと接触させて、炭酸カルシウムを生成する前処理ステップを備えることが好ましく、更に、前記濃縮回収ステップと前記析出ステップとの間に炭酸カルシウムの固形物を分離するカルシウム分離ステップを備えることが好ましい。

この場合、前記前処理ステップで用いる二酸化炭素含有ガスとして、燃焼設備で発生した燃焼排ガスを利用し、前記濃縮回収ステップで用いる熱源として、燃焼設備で発生した燃焼排ガスの熱エネルギーを駆動源とする蒸気タービンの排蒸気を利用し、前記析出ステップ及び乾燥ステップで用いる熱源として、前記蒸気タービンの途中から抽気した蒸気を利用することができる。

本発明の排水処理方法によれば、排水中に含まれる重金属を効率良く除去しつつ、多量の水を回収、リサイクルすることができる排水処理方法を提供することができる。また、燃焼設備で発生した燃焼排ガスを有効利用することができ、工場からの二酸化炭素排出量を効果的に低減することができる。

以下、本発明の実態形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る排水処理方法に用いる排水処理装置の概略構成図である。図１に示す排水処理装置は、ごみ焼却炉９０を備える清掃工場に設置された例を示しており、排水中に重金属及びカルシウムを含む場合に特に有効である。

図１に示すように、排水処理装置１は、清掃工場で発生したカルシウムイオンを含む排水を貯留する前処理槽１０と、前処理槽１０から供給された排水を蒸発濃縮する第１の濃縮装置２０と、第１の濃縮装置２０で生成された濃縮排水の固液分離を行う固液分離装置３０と、固液分離装置３０を経た濃縮排水を再び蒸発濃縮する第２の濃縮装置４０と、第２の濃縮装置４０で生成された再濃縮排水に含まれる塩類を析出させる晶析装置５０と、析出された塩類の結晶を分離する塩分離装置６０と、塩分離後の再濃縮排水を乾燥させる乾燥装置７０とを備えている。

前処理槽１０は、二酸化炭素含有ガスを排水中に導入する散気管１１を備えている。前処理槽１０に貯留された排水は、水酸化ナトリウム等のアルカリを供給することによりｐＨ値（水素イオン濃度）を調整可能であり、排水のｐＨ値は、ｐＨ計１２により測定することができる。また、前処理槽１０には、排水を撹拌する撹拌装置１３が設けられている。

第１の濃縮装置２０は、内部を加熱流体が通過する複数の伝熱管２１と、貯留された排水を伝熱管２１の表面に散布するノズル２２とを備えており、内部を真空ポンプ（図示せず）により減圧した状態で、循環ライン２３を介して排水を循環させることにより、伝熱管２１の表面で排水を加熱蒸発させるように構成されている。第１の濃縮装置２０で発生した蒸気は、凝縮器２に案内されて凝縮水となり、凝縮水タンク４に貯留される。図１においては、第１の濃縮装置２０を単効用型としているが、排水処理量が多い場合（例えば、２５０ｍ^３／日以上）には、蒸発負荷を考慮して、２効用型の濃縮装置を用いることが好ましい。

固液分離装置３０は、第１の濃縮装置２０で生成された濃縮排水を貯留する濃縮液タンク３１と、濃縮液タンク３１から供給された濃縮排水に含まれる炭酸カルシウムなどの固形分を分離する遠心脱水機３２とを備えている。固液分離を容易にするため、遠心脱水機３２には、硫酸アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム、塩化第二鉄などの凝集剤や、重金属を捕集するキレート剤などを添加してもよい。固液分離装置３０は、固形物を沈降させて固液分離が可能な構成であってもよく、必ずしも動力を備えるものに限定されない。遠心脱水機３２により固形物が分離された濃縮排水は、濃縮液タンク３１内の上澄み液と共に第２の濃縮装置４０に供給される。

第２の濃縮装置４０は、第１の濃縮装置２０と同様に構成されており、内部を加熱流体が通過する複数の伝熱管４１と、貯留された排水を伝熱管４１の表面に散布するノズル４２とを備え、内部を真空ポンプ（図示せず）により減圧した状態で、循環ライン４３を介して排水を循環させることにより、伝熱管４１の表面で排水を加熱蒸発させるように構成されている。第２の濃縮装置４０で発生した蒸気は、凝縮器２に案内されて凝縮水となり、凝縮水タンク４に貯留される。

晶析装置５０は、第２の濃縮装置４０から供給された再濃縮排水を貯留する蒸発缶５１と、貯留された再濃縮排水を循環させて加熱する加熱器５２とを備えており、蒸発缶５１の内部を減圧して再濃縮排水を更に蒸発濃縮することにより、再濃縮排水に含まれる塩類の結晶を析出させる。蒸発缶５１で発生した蒸気は、凝縮器２に案内されて凝縮水となり、凝縮水タンク４に貯留される。

塩分離装置６０は、晶析装置５０から供給された再濃縮排水のスラリーから塩類の結晶を分離する遠心分離機６１と、結晶が分離されたろ液を貯留するろ液タンク６２とを備えている。ろ液タンク６２内のろ液は、上澄み液以外が乾燥装置７０に供給される一方、上澄み液は蒸発缶５１に戻される。

乾燥装置７０は、ドラムドライヤーからなり、加熱蒸気の吸い込みにより加熱されたドラムに再濃縮排水を供給してドラムを回転することにより、蒸発乾燥させ、固形物を得る。乾燥装置７０は、ディスクドライヤーや真空乾燥機など他の公知の構成であってもよい。

本実施形態においては、ゴミ焼却炉９０から排出される燃焼排ガスの熱を回収して蒸気を生成する廃熱ボイラ９１を備えており、生成された蒸気は過熱器９２によって加熱された後、蒸気タービン９３に導入されて発電機９４が駆動される。廃熱ボイラ９１に熱を供給した後の燃焼排ガスは、図示しない集塵装置やフィルタなどを経て排出され、その一部が二酸化炭素含有ガスとして前処理槽１０の散気管１１に供給される。

一方、蒸気タービン９３から排出される排蒸気は、一部が第１の濃縮装置２０及び第２の濃縮装置４０の伝熱管２１，４１に供給され、加熱流体として利用される。そして、排水との熱交換後に、蒸気タービン９３からの残部の排蒸気と共に復水器９５に導かれ、廃熱ボイラ９１に再び供給される。

また、蒸気タービン９３の途中からは、排蒸気よりも高圧（例えば、０．５ＭＰａＧ）の蒸気が抽気され、この抽気蒸気が晶析装置５０及び乾燥装置７０に供給される。晶析装置５０に供給された抽気蒸気は、加熱器５２の熱源として利用され、乾燥装置７０に供給された抽気蒸気は、再濃縮排水を蒸発乾燥させるための熱源として利用される。

次に、以上の構成を備える排水処理装置を用いて、排水を処理する方法を説明する。

まず、前処理槽１０にリサイクルの対象となる排水を貯留し、散気管１１から二酸化炭素含有ガスを放出して排水と接触させる。

前処理槽１０に貯留される排水は、本実施形態においては、清掃工場における排水としているが、カルシウムイオンを含むものであれば特に限定されず、他の工場排水や処分場における浸出水などであってもよい。また、二酸化炭素含有ガスは、本実施形態においては、清掃工場におけるごみ焼却炉９１の燃焼排ガスとしているが、火力発電所など他の燃焼設備で発生した燃焼排ガスを使用することもでき、この場合も工場内で発生する二酸化炭素を有効活用して排出量を低減することができる。但し、燃焼排ガス以外の二酸化炭素含有ガス（炭酸ガスのみの場合も含む）を使用することもできる。このような前処理を行うことにより、排水中のカルシウムイオンと炭酸イオンとが反応して炭酸カルシウムが生成される。

炭酸カルシウムの生成中は、撹拌装置１３を作動させてｐＨ計１２の測定値をモニタリングしながら、前処理槽１０内にアルカリ（例えば、水酸化ナトリウム水溶液）を適宜供給することにより、排水のｐＨ値を制御する。このｐＨ値は、炭酸カルシウムが生成される条件であればよく、例えば８以上とすることができるが、低すぎると炭酸カルシウム結晶が生じにくくなり、残存カルシウムイオンに対する炭酸カルシウム結晶比率の低下につながる。このため、清掃工場排水など一般的な排水の場合、ｐＨ値は９より大きいことが好ましく、９．５以上がより好ましい。ｐＨ値の上限は特に存在しないが、例えば１１以下であることが好ましい。アルカリの供給による排水のｐＨ調整は、連続的に行われる。

こうして、排水中の大部分のカルシウムイオンが反応して炭酸カルシウムが生成され、その炭酸カルシウムを含む排水が、連続的に第１の濃縮装置２０に供給される。

第１の濃縮装置２０においては、排水が循環ライン２３を介して循環され、伝熱管２１を通過する加熱流体との熱交換により加熱蒸発する。伝熱管２１に供給される加熱流体は、本実施形態においては蒸気タービン９３の排蒸気を利用しており、燃焼炉９１の廃熱の有効利用を図っている。熱交換後の流体は、復水タンク９５に貯留される。

蒸気タービン９３の排蒸気の温度は、例えば６５℃程度であり、ＴＤＳ（全塩量）が１０％程度まで濃縮することが可能である（濃縮倍率は５倍程度）。この場合、沸点上昇は約１．０℃と小さいので、第１の濃縮装置２０を２効用型とした場合であっても必要な伝熱温度差を確保することができ、蒸気タービン９３の排蒸気を熱源として有効に利用可能である。なお、蒸気タービン９３の排蒸気以外を熱源として利用する場合、よりエネルギーレベルの高い熱源を用いることにより、ＴＤＳの濃度を更に高い値にすることも可能である。

第１の濃縮装置２０に供給された排水には、カルシウムイオンが僅かに残存しているため、排水の蒸発濃縮に伴いスケールが発生するおそれがある。ところが、排水に含まれる炭酸カルシウムが種結晶となることにより、排水中のカルシウムイオンを種結晶に接触させて、種結晶の表面上で結晶成長させることができるので、伝熱管２１へのスケールの付着を防止することができる。このように、前処理工程で生成された炭酸カルシウムを種結晶として利用することにより、第１の濃縮装置２０に種結晶を別途添加することなく種晶効果を生じさせることが可能である。

第１の濃縮装置２０で生成された蒸気は、凝縮器２において凝縮水となり、凝縮水タンク４に回収される。この凝縮水は、現状上水が用いられている用途（洗浄、冷却、散水用途等）に再利用することができる。上記のように濃縮倍率を５倍程度に設定した場合、排水中の８０％程度の水を凝縮水として回収することができる。一方、第１の濃縮装置２０で生成された濃縮排水は、固液分離装置３０に供給される。

固液分離装置３０においては、濃縮液タンク３１に濃縮排水が貯留され、上澄み液以外が遠心脱水機３２に供給されて、鉛や水銀などの重金属が炭酸カルシウムとともに固形物として回収され、埋め立て等により処分される。遠心脱水機３２においては、凝集剤を添加することで固形物の分離を容易にすることができる。

遠心脱水機３２で固形物が除去された濃縮排水は、濃縮液タンク３１と共に第２の濃縮装置４０に供給され、再び蒸発濃縮が行われる。伝熱管４１に供給される加熱流体についても、第１の濃縮装置２０の場合と同様に、廃熱の有効利用の観点から蒸気タービン９３の排蒸気を利用している。

第１の濃縮装置２０及び第２の濃縮装置４０に供給される蒸気タービンの排蒸気は、低圧で利用価値の低いものであるが、本実施形態の排水処理方法は、このような低圧蒸気も有効に利用することができる。熱源となる燃焼設備は、必ずしも同一である必要はなく、異なる複数の燃焼設備の廃熱を利用して排水処理を行うようにしてもよい。なお、第１の濃縮装置２０及び第２の濃縮装置４０の熱源は、必ずしも蒸気タービンの排蒸気に限定されるものではなく、
例えば、第１の濃縮装置２０や第２の濃縮装置４０で発生した蒸気を圧縮ブロワにより伝熱管２１，４１に導くように構成することや、ガスエンジン、ガスタービンコージェネレーションやボイラーからの蒸気や温水を用いることもできる。

第２の濃縮装置４０内の濃縮排水は、カルシウムイオンはほぼ完全に除去されている一方、硫酸イオン、塩素イオン、ナトリウムイオンなどが存在するため、これらの溶解成分（ＮａＣｌ、Ｎａ_２ＳＯ_４など）が過飽和とならない範囲（例えば、ＴＤＳの濃度が３０％程度、濃縮倍率が３〜４倍程度）で濃縮することで、ＮａＣｌ、Ｎａ_２ＳＯ_４等によるスケールの発生を抑制して伝熱管４１等への付着を防止することができる。

第２の濃縮装置４０で生成された蒸気は、凝縮器２において凝縮水となり、凝縮水タンク４に回収される。ここで回収できる凝縮水は、濃縮倍率が３〜４倍程度の場合、第１の濃縮装置２０で回収できなかった水の７０％程度である。

このように、第１の濃縮装置２０で生成された濃縮排水に含まれる炭酸カルシウムの固形物を固液分離装置３０により分離した後、固液分離装置３０を経た濃縮排水を第２の濃縮装置４０で再び蒸発濃縮するようにしているので、排水に含まれるカルシウムの除去を容易にしつつ、排水から多量の水を回収することができる。

第２の濃縮装置４０で生成された再濃縮排水は、蒸発缶５１に供給され、加熱器５２により加熱されて、減圧下で蒸発濃縮される。これにより、蒸発缶５１の内部において、再濃縮排水に含まれる塩類（主に、ＮａＣｌ、Ｎａ_２ＳＯ_４）の結晶が析出する。蒸発缶５１で生成された蒸気は、凝縮器２において凝縮水となり、凝縮水タンク４に回収される。このように、第１の濃縮装置２０及び第２の濃縮装置４０でそれぞれ蒸発濃縮が行われた再濃縮排水を、更に蒸発濃縮して凝縮水を得ることができるので、ほぼ１００％に近い量の水を回収して再利用することができる。加熱器５２の加熱源には、０．５ＭＰａＧ以上の高圧蒸気を用いることが好ましく、例えば本実施形態のように蒸気タービン９３の途中から抽気した蒸気を利用することで、蒸気タービン９３の余剰蒸気を効率良く活用することができる。

塩類の結晶が析出したスラリー状の再濃縮排水は、遠心分離器６１に供給されて、排水中のＮａＣｌ、Ｎａ_２ＳＯ_４などの塩類や微量の重金属が固形物として回収され、埋め立て等により処分される。

塩分離後のろ液は、ろ液タンク６２に貯留される。ろ液タンク６２内の上澄み液には微量のイオンが含まれているため、これを再び蒸発缶５１に供給して再濃縮排水と混合することにより、塩類の析出を促すことができる。ろ液タンク６２内の上澄み液以外のろ液は、乾燥装置７０に供給される。

乾燥装置７０に供給されたろ液は、イオンはほとんど全てが除去されており、回収可能な水の大部分を凝縮水として回収した結果、有機物及び重金属を高濃度で含んでいる。乾燥装置７０は、僅かに残る水分を蒸発させて大気放出することにより、有機物及び重金属を固形物として得る。この固形物は、埋め立て等により処分される。乾燥装置７０の加熱源についても、加熱器５２の加熱源と同様に、０．５ＭＰａＧ以上の高圧蒸気を用いることが好ましく、本実施形態のように蒸気タービン９３の途中から抽気した余剰蒸気を利用可能である。熱交換後の蒸気は、復水タンク９５に貯留される。

以上のように、本実施形態の排水処理方法によれば、排水に含まれる大部分の水を回収して再利用することが可能になり、工場などにおける節水効果（上水利用量及び下水道放流量の低減効果）を高めることができ、間接的に二酸化炭素排出量の低減を図ることができる。

また、工場内に燃焼設備を有する場合、燃焼設備で発生する燃焼排ガスを、前処理槽１０に導入する二酸化炭素含有ガスとして有効利用できると共に、燃焼排ガスの廃熱を、第１及び第２の濃縮装置、晶析装置、乾燥装置の熱源として有効利用できるので、直接的な二酸化炭素の削減効果や経済的効果を得ることができる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明の具体的な態様は上記実施形態に限定されない。例えば、本実施形態においては、第１の濃縮装置２０と第２の濃縮装置４０との間に固液分離装置３０を配置することで、第２の濃縮装置４０による再濃縮前の排水に対して固液分離を行うことができ、ＴＤＳが高濃度であることに伴う腐食の防止を図っているが、第２の濃縮装置４０と晶析装置５０との間に固液分離装置３０を配置することも可能である。いずれの場合も、晶析装置５０における処理の前に炭酸カルシウムを分離除去することができ、遠心分離機６１におけるろ布の詰まりを防止することができる。

また、本実施形態においては、排水を蒸発濃縮する濃縮装置として、第１の濃縮装置２０及び第２の濃縮装置４０を使用しているが、排水処理量が少ない場合（例えば、２５０ｍ^３／日未満）には、図２に示すように、第１の濃縮装置２０のみを使用するようにしてもよい。この場合、第１の濃縮装置２０の蒸発負荷がそれほど大きくないことから単効用型を使用することができ、図１の構成と同様にタービンの排蒸気を熱源として利用することができる。なお、図２において、図１と同様の構成部分には同一の符号を付している（以下の図面においても同様）。

また、排水にカルシウムが含まれておらず、主な除去対象が重金属のみである場合は、図３に示すように、前処理槽１０及び固液分離装置３０を備えない構成にすることもできる。排水処理量が多い場合（例えば、２５０ｍ^３／日以上）には、第１の濃縮装置２０及び第２の濃縮装置４０をそれぞれ２効用型、単効用型とすることが好ましく、これによって、それぞれの熱源としてタービンの排蒸気を利用することが可能である。第１の濃縮装置２０及び第２の濃縮装置４０における濃縮倍率は、図１に示す構成と同様に設定することが好ましい。

また、図３に示す構成において、排水処理量が少ない場合（例えば、２５０ｍ^３／日未満）には、図４に示すように、第１の濃縮装置２０のみを使用するようにしてもよい。第１の濃縮装置２０としては、図２に示す構成と同様に、単効用型を使用することができる。

図１に示す排水処理装置を用いた排水処理方法の効果を示す一例として、排水量が５００ｍ^３／日のケースで水のマスバランスを算出した結果を表１に示す。排水の重量が５０７ｔ／日であるのに対し、本実施形態の排水処理方法で回収できる水の量は４９５．２ｔ／日であり、排水の９７％以上を回収可能である。

次に、二酸化炭素削減効果及び経済的効果の一例として、排水量が５００ｍ^３／日のケースで算出した結果を表２及び表３に示す。表２において、ＣＯ_２の排出減量は、１年３００日稼働として計算している。また、表３は、電気料金をkWhあたり7.7円で計算し、上水購入費用は480円/m³、下水放流費用は360円/m³で計算している。

本発明の一実施形態に係る排水処理方法に用いる排水処理装置の概略構成図である。 本発明の他の実施形態に係る排水処理方法に用いる排水処理装置の概略構成図である。 本発明の更に他の実施形態に係る排水処理方法に用いる排水処理装置の概略構成図である。 本発明の更に他の実施形態に係る排水処理方法に用いる排水処理装置の概略構成図である。

符号の説明

１ 排水処理装置
１０ 前処理槽
２０ 第１の濃縮装置
３０ 固液分離装置
４０ 第２の濃縮装置
５０ 晶析装置
６０ 塩分離装置
７０ 乾燥装置
９０ ごみ焼却炉
９３ 蒸気タービン

Claims (4)

1. 重金属を含む排水を濃縮装置において蒸発濃縮し、発生した蒸気を回収する濃縮回収ステップと、
   前記濃縮装置で生成された濃縮排水を、晶析装置において更に蒸発濃縮することにより、発生した蒸気を回収すると共に濃縮排水に含まれる塩類を析出させる析出ステップと、
   析出した塩類の結晶を塩分離装置により分離し、固形物として取り出す塩分離ステップと、
   前記塩分離装置を経たろ液を乾燥して余剰水分を蒸発させ、固形物を残留させる乾燥ステップとを備える排水処理方法。
2. 前記濃縮回収ステップで用いる熱源として、燃焼設備で発生した燃焼排ガスの熱エネルギーを駆動源とする蒸気タービンの排蒸気を利用する請求項１に記載の排水処理方法。
3. 排水には、重金属と共にカルシウムが含まれており、
   前記濃縮回収ステップの前に、排水を二酸化炭素含有ガスと接触させて、炭酸カルシウムを生成する前処理ステップを備え、
   前記濃縮回収ステップと前記析出ステップとの間に、炭酸カルシウムの固形物を分離するカルシウム分離ステップを備える請求項１に記載の排水処理方法。
4. 前記前処理ステップで用いる二酸化炭素含有ガスとして、燃焼設備で発生した燃焼排ガスを利用し、
   前記濃縮回収ステップで用いる熱源として、燃焼設備で発生した燃焼排ガスの熱エネルギーを駆動源とする蒸気タービンの排蒸気を利用し、
   前記析出ステップ及び乾燥ステップで用いる熱源として、前記蒸気タービンの途中から抽気した蒸気を利用する請求項３に記載の排水処理方法。
   
   
   

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