JP4201042B2 - 液体処理方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、気泡を用いた液体処理方法及びその装置に関する。

オゾンを用いた液体処理方法には、〔非特許文献１〕に記載のように、被処理水中に注入されたオゾンは、被処理水が含む還元性物質により消費され、オゾン反応設備で注入されたオゾンの内、被処理水中に溶解することなく水面に達した気泡中のオゾンは気中に放散し、排オゾン処理装置で分解される。このため、反応槽設備に注入するオゾン量は、目標水質を達成するために必要なオゾン量に加え、還元性物質の酸化に消費されるオゾン量、及び溶解せずに廃棄されるオゾン量を加える必要がある。

水処理に用いられるオゾン処理システムは、オゾン反応設備に加え、前処理設備，後処理設備，オゾン発生設備、および排オゾン処理設備等で構成される。システム全体の消費電力のうちオゾン発生設備での消費電力の占める割合が最大であるため、処理システムの経済性向上には、オゾン発生量の低減、つまりオゾン利用率の向上が必要である。具体的には、上述の被処理水中の還元性物質の低減，オゾン溶解効率の向上、即ち排オゾン量の低減が有効である。

ここで、微細気泡とは、直径約５０マイクロメータ以下の気泡であり、〔非特許文献２〕によれば、一般に、この領域の気泡は、気泡内気体の周囲液相への溶け込みにしたがって直径が減少するため、表面張力の効果により内部が高圧，高温になり、消滅時にＯＨラジカルなどの酸化力の高いフリーラジカルと圧力波を生じる。また、比表面積が大きく、上昇速度が小さいため、液体中における気体の溶解度が高い。

このため、水処理に、オゾン等の酸化力を有する気体の微細気泡を用いる場合、溶存気体の酸化力に加え、微細気泡の消滅時に生じた圧力波やラジカル等の酸化力により細胞壁，細胞膜，細胞質等が物理的に破壊される可能性も考えられる。

オゾン等の気泡を利用して水処理を行う従来の技術としては、〔特許文献１〕に記載のように、オゾン接触槽内に設置した散気管からオゾンを直接注入し、その際接触槽の上部空間から、未溶解，未利用のオゾンを含む気体を回収するものがある。その回収気体と、オゾン原料ガスとしてオゾン発生器に注入される酸素富化気体の一部を混合し、最初沈殿池や曝気槽等の水処理工程の被処理水中に導入する手法が開示されている。

又、〔特許文献２〕には、オゾン水生成装置において、流出するオゾン水の上方から回収した気体を、圧縮・乾燥後にオゾン発生器のオゾン原料ガスとして利用する方法が開示されている。〔特許文献３〕には、気体を粗大気泡として混合した後にポンプで加圧し、その後減圧ノズルを通じて接触槽へ注入することで、注入気体を微細気泡化して接触槽へ注入する方法が開示されている。

なお、水処理とは、酸化力のある試薬や気体を注入、あるいは光・電磁波等の照射，ろ過等を用い、被処理水中の有機物や微生物等をろ過や酸化分解等により、除去する工程のことをいう。

特開２００４−１２２１０５号公報 特開平９−２８５７９４号公報 特開２００３−１１７３６５号公報 「オゾンハンドブック」、日本オゾン協会、２００４年 「水の特性と新しい利用技術」、株式会社エヌ・ティー・エス、 １４２−１４６頁、２００４年

〔特許文献１〕，〔特許文献２〕に記載の方法では、オゾンの注入に散気管を用いるため、気泡径がミリ径以上となり溶解効率が低く、「新版オゾン利用の新技術」、三▲ゆう▼書房によれば、オゾン吸収効率９０％程度以上を得るためには、約５ｍの水深が必要となり、設備の小型化が難しいという問題がある。

又、〔特許文献３〕に記載の方法では、粗大気泡として注入された気体の内、ポンプ後段の加圧部で溶解しなかった気体が、粗大気泡のまま減圧ノズルを通過し、生成した微細気泡と混在して接触槽へ流入するため、上述したように、ミリ径気泡は溶解効率が低い問題がある。また、減圧ノズル通過後、粗大気泡と微細気泡が接触すると、微細気泡が粗大気泡に合体し、溶解効率の高い微細気泡の含有率が低下する可能性がある。また、この微細気泡と粗大気泡の混入水を、オゾン吸収効率を向上のために、滞留時間を増加できる下降流の接触槽に注入しても、上昇速度の大きい粗大気泡により発生した上昇流に微細気泡が同伴され、水面に達した微細気泡が気中へ放散する可能性がある。

本発明の第１の目的は、管路で回収した粗大気泡を微細気泡生成工程へ再混合、或いは接触槽へ直接注入することにより、オゾンの利用効率を向上して、水処理性能を向上できる液体処理方法および装置を提供することにある。

本発明の第２の目的は、未溶解気体を回収，再利用することにより、水処理性能が高くかつ経済的な液体処理方法および装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の液体処理方法および装置は、気体を水中に混合し、混合された気体を加圧して溶解し、気体が溶解した水を減圧し微細気泡を発生させ、微細気泡と被処理水を接触させ反応を行う接触槽を備え、加圧溶解時に未溶解の気体を回収して、回収した気体を再利用するものである。微細気泡の生成は、加圧・剪断方式，旋回流方式等を用いてもよい。

又、回収した気体を被処理水に混合する、あるいは接触槽に注入する流路を備え、流路には回収した気体の流量を調整する調整手段を備えるものである。これらの流量は、回収した気体を滞留させる容器を設け、容器と混合手段、または容器と接触槽への注入手段の間の流路に設けた減圧弁やリリーフ弁により滞留槽内の圧力を維持することで調整してもよい。接触槽において、回収気体の注入位置は、気泡の合体を防止するため、微細気泡と混和されない場所がよい。オゾンを用いる場合、予め被処理水中のオゾン消費物質を除去するため、気泡含有水の注入位置の上流部に回収気体を注入してもよい。また、気体混合器へ注入する際、オゾン発生器前段へオゾン原料ガスとして注入してもよい。

又、被処理水は、接触槽から抽水し、再び接触槽に戻してもよく、気泡種はオゾン以外の酸化力を持つ気体を用いてもよい。又、各々の注入流量を制御するため、ポンプに流入する二相流の気液比を把握する手段を設け、その計測値・計算値に基づき、ポンプの許容上限以下になるように、混合手段への気体の流量を制御するものである。

本発明によれば、気体を溶存させて利用する液体処理装置の水処理性能と経済性を向上させることができる。

本発明の実施例１から実施例４を図面を用いて説明する。

図１は実施例１の液体処理装置の構成図である。本実施例では、気泡として微細気泡を用いている。なお、微細気泡の定義より大きい、直径数１００μｍ程度の気泡でもよく、定量的には劣るが同様の効果が得られると考えられる。

実施例１の液体処理装置は、被処理水１が流入する流路６に接続され、流路１７で導入された気体２と被処理水１を混合する気体混合器７と、気体混合器７と接続され、気体混合器７で気体と混合された被処理水１を送液するポンプ１１と、ポンプ１１に接続され未溶解の気泡を分離する気液分離器８と、気液分離器８に接続され被処理水１を減圧する減圧ノズル１２と、減圧ノズル１２に接続された接触槽５で構成される。ここで、被処理水１は、別系統の水でもよい。

接触槽５は、垂直方向に設けられた壁１９により第１槽５０と第２槽５１に分けられており、第１槽５０と第２槽５１は、２つの壁１９の間で連通され、被処理水３は、第１槽５０の下方から２つの壁１９の間を通って第２槽５１に流れるようになっている。

減圧ノズル１２は、接触槽５の第１槽５０の底部と接続され、接触槽５の上部には、被処理水３の流入口と、処理水の流出口が設けられている。気液分離器８で分離された気泡の一部は、流路９により流路１７に流入し、気泡の残りは、流路１０により接触槽５の第２槽５１の底部の散気部１８に流入するようになっている。

流路６に流入した被処理水１は、気体混合器７で気体２と混合された後、ポンプ１１により加圧され、気体の一部が被処理水に溶解する。未溶解の気体は気泡を形成し、被処理水とともに気液分離器８に流入する。気液分離器８において、気泡は分離，回収される。気泡を分離した被処理水は、減圧ノズル１２において減圧され、減圧発泡によって微細気泡が生成される。

微細気泡を含む被処理水は、接触槽５に注入される。一方、気液分離器８で回収された気泡の一部は、流路９を通り気体２とともに気体混合器７により流路６の被処理水１に混合される。気泡の残りは流路１０を通り、接触槽５の散気部１８から槽内に注入される。接触槽５に流入した被処理水３は、微細気泡を含有した被処理水１と混合され、被処理水１中の溶存気体の酸化力により処理された後、処理水４として流出する。被処理水１及び気体２の流量は、被処理水３の流量に基づいて設定される。

ここで、気液分離器８で回収した気体を接触槽５へ注入する場合、微細気泡が存在する槽へ注入すると、注入した気体の気泡径は、大きい気泡であるため上昇速度が高く、液相を同伴して上昇流が生じる。この結果、微細気泡の滞留時間を短縮する、あるいは微細気泡と合体する可能性があるので、流路１０から注入する気体は微細気泡の存在しない槽に注入するようになっている。また、気液分離器８は、接触槽５の水位を検出して設定された水位の範囲で作動する開閉弁を用いている。

図２に図１の変形例を示す。図２に示す例では、接触槽５の底部に流路１３を接続し、流路１３を流路６に接続している。

接触槽５から流路１３へ抽水された被処理水１は、気体混合器７，ポンプ１１，気液分離器８，減圧ノズル１２の微細気泡を生成する工程を経て再び接触槽５に注入される。この場合、注入する位置の下流側から抽水すると、注入位置と抽水位置の間で微細気泡の含有量が増加するため、気体にオゾンを用いる場合は、溶存オゾン濃度が局所的に高くなる。この結果、溶存オゾン濃度に依存する被処理水中の有機物分解効果等の向上が期待できる。

図３に図１の変形例を示す。図３に示す例では、気液分離器８にバッファタンク１４を接続し、バッファタンク１４と流路１７を接続する流路９に減圧弁１５を、バッファタンク１４と散気部１８を接続する流路１０にリリーフ弁１６を設けている。

気液分離器８により分離された気体は、バッファタンク１４で滞留し、バッファタンク１４に取りつけた減圧弁１５により減圧された気体は、気体混合器７へ流れ、バッファタンク１４からの気体がリリーフ弁１６を経て接触槽５へ供給される。この場合、バッファタンク１４内の圧力は所定の範囲に維持されるため、気体混合器７に流入する回収気体の流量が所定の範囲に調整される。

本実施例１の微細気泡を生成する工程を、図４及び図５を用いて説明する。図４は、図１に示す気体混合器７から減圧ノズル１２の微細気泡を生成する工程において、気液分離器８を設けない場合の気体の状態を示す模式図である。図４の下方に示したように、気体混合器７で混入された気体２は、直径の比較的大きいミリ径の気泡（以下、粗大気泡と呼ぶ）の状態でポンプ１１へ流入し、加圧されて一部が溶存気体となり、溶解しなかった気体は粗大気泡として残り、粗大気泡と溶存気体の混合状態となる。減圧ノズル１２を通過後、減圧された溶存気体は微細気泡として析出するが、粗大気泡も残存し、粗大気泡と微細気泡が混在している。

一方、図５は、図１に示す気体混合器７から減圧ノズル１２の微細気泡を生成する工程であり、気液分離器８が設けられているので、加圧部で溶解しなかった粗大気泡を、流路６途中の気液分離器８で回収する。その結果、図４では減圧ノズル１２の後段に粗大気泡として流出していた気体が、回収気体として注入気体と混合して再注入されると、注入気体が微細気泡化する割合の向上が期待でき、回収気体を曝気等、別の用途に利用することが可能である。また、減圧ノズル１２後段で粗大気泡が微細気泡と混在しないため、微細気泡の粗大気泡への合体を回避することができる。

本実施例１によれば、接触槽へ流入する微細気泡量を増加することができる。又、気体にオゾンを用いた場合のオゾン利用効率が向上する。

図１に示す気体２にオゾンを用い、生成したオゾン微細気泡を接触槽５に注入し、被処理水と混合させる水処理設備の場合、求められる処理性能を達成するための溶存オゾン量が被処理水の水質、即ち還元性物質の濃度等から決定され、必要なオゾン注入量は、オゾンの吸収効率に依存する。オゾン吸収効率は、オゾン注入時の気泡径が小さくなるほど増加する。本実施例の場合、微細気泡の割合が増加するため、オゾン吸収効率が向上する。また、回収した気体を再び被処理水１に混合する、あるいは接触槽５に直接注入することにより、オゾンの利用効率をさらに向上することができる。

本実施例のオゾン利用効率向上について、図６から図８を用いて説明する。図６は、気液分離器８を設けていなく、気体の回収を行わない場合の例で、横軸に処理工程、縦軸に注入したオゾンの状態を示している。図６に示すように、注入したオゾン気体は、加圧溶解、減圧工程を経て粗大気泡と微細気泡に分かれて接触槽５へ流入し、粗大気泡と微細気泡それぞれのオゾン吸収溶解に応じて溶存気体となり、水処理に寄与する。未溶解の気体は水面に達し、気相へ離脱する。

図７は、気液分離器８を設けて、回収した気体を全量再混合する場合を示す。回収された粗大気泡は再混合され、再び気泡生成工程を経て粗大気泡と微細気泡に分かれる。これを繰り返すことにより、注入した気体の利用効率を高めることができる。ただし、この場合、気泡生成工程の流路６を流れる気液二相流の気液比が増加し、ポンプ１１の安定運転に支障を来たす可能性がある。

図８は、再混合可能な流量を超える回収気体は、接触槽５へ直接注入する場合を示している。この場合、接触槽５への直接注入は粗大気泡になるが、図６に示す場合と異なり、減圧ノズル１２後段において微細気泡と粗大気泡が混在しないため、微細気泡の生成率が増加する。このため、回収しない場合に比べ、最終的なオゾン吸収量が増加する。

以上のように、本実施例では、全体として注入したオゾンの吸収量が増加するため、オゾンの利用効率が向上する。従って、オゾン生成量を低減可能であり、オゾン生成器の電力費を低減できる。また、廃棄するオゾン量が少ないため、排オゾン装置を小型化でき、排オゾン処理装置の電力費を低減できる。

なお、微細気泡の気体は、オゾン以外の塩素等の酸化力を持つ気体を用いてもよい。又、混合する気体の流量の上限値は、ポンプ１１の許容気液比に依存する。気体混合器７がポンプ１１の後段の場合、ポンプ１１に気液二相流が流入しないため、気液比の上限値ではなく、被処理水の水質と目標の処理水水質から必要な溶存気体量を実験等により求め、溶解効率から算出される利用できない量も加算して、注入量を設定するとよい。また、気液分離器８は、減圧ノズル１２の下流側に設置してもよい。

本実施例によれば、微細気泡を利用した液体処理装置において、未溶解の粗大気泡を回収・再利用することにより、注入した気体から生成する微細気泡の割合を増加することができる。また、オゾン等の酸化力を持つ気体を用いる場合は、溶解効率の高い微細気泡となる気体の割合が増加することと、回収した粗大気泡が再度微細気泡化されること、及び接触槽に再度注入されることにより、気体の利用効率が増加するため、水処理性能及び経済性を向上することができる。

本発明の実施例２を図９により説明する。本実施例は、図１に示す実施例と同様に構成されているが、本実施例では、流路６に被処理水１の流量調整弁２３を、流路１７に流量調整弁２４を、流路９に流量調整弁２５を、被処理水３の流路に流量計２２を設置している。流量計２２の計測値が制御器２１にフィードバックされ、制御器２１により流量調整弁２３，２４，２５が制御される。

本実施例では、回収気体の流量を調整するようになっている。接触槽５で処理される被処理水３の流量が変化すると、求められる水質を得るための気体の必要量が変化し、それに伴い被処理水１の流量，流路９から再混合される気体の流量も変化する。

制御器２１は、流量計２２により検知された被処理水３の流量に基づき、被処理水１の流量，気体２の流量を算出し、被処理水１の流量調整弁２３，気体２の流量調整弁２４を調整する。制御器２１は、気体混合器７の許容気液比の上限値を超えないように流路９に設けられた流量調整弁２５を調整する。

この結果、接触槽５における被処理水３の流量が変化しても、被処理水３に対する気体２の注入比は、予め求めておいた最大の気体利用効率が得られるように制御される。

なお、実施例１の図３と同様にバッファタンク１４を設けると、回収気体の流量変動が緩和され、再混合あるいは接触槽５へ注入される流量が安定する。また、流路１０に逆止弁を設けてもよく、気体混合器７における気液比を計測する装置を設け、その測定値に基づき所定の気液比になるように流量調整弁２４を調整してもよい。

本実施例によれば、微細気泡を用いた水処理装置において、被処理水の流量が変化した場合にも、安定して、最大の気体利用効率で運転することができる。

本発明の実施例３を図１０により説明する。本実施例は、図１に示す実施例と同様に構成されているが、本実施例では、気体混合器７に酸素濃度の高い酸素富化空気を生成する酸素富化気体生成部３０とオゾンを生成するオゾン生成器３３が接続されている。代わりに、流路１０と散気部１８は設けられていない。

実施例１では、回収気体を直接混合手段へ再混合しているが、気体にオゾンを使用する場合、回収気体は酸素濃度が高く、オゾン生成器の原料ガスとして利用できる可能性がある。本実施例では、回収気体をオゾン生成器の前段に注入している。この場合の生成オゾンは、主に酸素とオゾンにより構成され、回収気体はオゾン以外に酸素を多く含む。

図１０において、気液分離器８で回収された気体は、流路３２を流れて、酸素富化気体生成部３０からオゾン生成器３３へ送られる酸素富化空気３１と合流する。この結果、酸素富化気体生成部３０で生成する酸素富化空気量が低減できるため、酸素富化気体生成部の消費電力量を低減することができる。なお、回収気体は水分を含んでいるため、混合の前段で乾燥処理を施すとよい。

本実施例によれば、オゾンを用いた水処理装置において、回収気体中の酸素を有効に利用可能であるため、経済性を向上することができる。

本発明の実施例４を図１１により説明する。本実施例は、実施例１と同様に構成されているが、本実施例では、減圧ノズル１２が接触槽５の底部と接続される接触槽５の第１槽の微細気泡流入位置４１より上部に散気部１８が設置され、散気部１８と気液分離器８が流路４０で接続されている。散気部１８と微細気泡流入位置４１との間には、仕切板４３が設けられ、微細気泡がなるべく上昇しないようにしている。

実施例１では、回収気体を直接接触槽へ注入する場合、微細気泡の存在しない槽に注入しているが、微細気泡を注入する位置の上流側に回収気体を注入すると、微細気泡による処理の効果を促進できる可能性がある。本実施例では、回収気体を接触槽の微細気泡注入位置の上方に注入している。

本実施例では、気体にオゾンを用いている。被処理水１は、流路６に流入し微細気泡を含有して接触槽５の第１槽の下部に注入される。一方、気液分離器８により回収された気体は、流路４０から接触槽５の第１槽の微細気泡流入位置４１の上方に位置する回収気体の注入位置４２から注入され、被処理水３と混合される。この結果、被処理水３に含まれる還元性物質は、注入位置４２から注入されたオゾンにより、一部が分解され、下流側で、被処理水３は微細気泡と混合される。このとき、被処理水３中の消費物質が低減されているため、回収した気体を微細気泡注入後の槽に注入した場合に比べ、微細気泡と混合した部分での溶存オゾン濃度を高くすることができ、水処理性能を向上できる。

また、微細気泡は被処理水３の下降流に同伴し大部分が第２槽へ移動するが、第１槽で水面まで上昇する微細気泡量を低減するために、微細気泡の注入位置と回収気体の注入位置の間に狭隘流路を有する仕切板４３を設けている。具体的には、鉛直方向に、単一、または複数の孔を設けた仕切板を設けている。

本実施例によれば、オゾンを用いた水処理装置において、被処理水が微細気泡と混合される前に、回収気体を利用して予めオゾン消費物質である還元性物質を低減しておくこと、及びオゾン微細気泡で処理する際の溶存オゾン濃度を高めることにより、水処理性能を向上することができる。

本発明の実施例１である液体処理装置の構成図。 実施例１の変形例である液体処理装置の構成図。 実施例１の変形例である液体処理工程の構成図。 実施例１の微細気泡を生成する工程を説明する模式図。 実施例１の微細気泡を生成する工程を説明する模式図。 実施例１のオゾン利用効率向上について説明する図。 実施例１のオゾン利用効率向上について説明する図。 実施例１のオゾン利用効率向上について説明する図。 本発明の実施例２である液体処理装置の構成図。 本発明の実施例３である液体処理装置の構成図。 本発明の実施例４である液体処理装置の構成図。

符号の説明

１，３ 被処理水
２ 気体
４ 処理水
５ 接触槽
６，９，１０，１３，３２，４０ 流路
７ 気体混合器
８ 気液分離器
１１ ポンプ
１２ 減圧ノズル
１４ バッファタンク
１５ 減圧弁
１６ リリーフ弁
２１ 制御器
２２ 流量計
２３，２４，２５ 流量調整弁
３０ 酸素富化気体生成器
３１ 酸素富化空気
３３ オゾン生成器
４１，４２ 注入位置
４３ 仕切板

Claims (12)

1. 気体を水中に混合する気体混合器と、該気体混合器により気体を混合された水を加圧するポンプと、該ポンプにより加圧された水に未溶解の気泡を回収する回収手段と、該回収手段により回収した気泡を減圧弁を介して前記気体混合器に戻すための流路と、該流路から分岐された第二の流路と、接触槽内に該第二の流路に連通して被処理水に散気する散気部を備え、前記未溶解の気泡が回収された水を、減圧ノズルで構成される減圧手段を介して被処理水が流入する接触槽に流入させ、溶解した気体あるいは該微細気泡と被処理水を接触させ反応を行う液体処理装置。
2. 前記気体混合器が、オゾンを生成するオゾン生成部に接続され、前記気液分離器で分離された未溶解の気泡を前記オゾン生成部に戻すものである請求項１に記載の液体処理装置。
3. 前記被処理水に回収した気泡の一部を散気する散気部が前記接触槽の壁で分けられた第２槽に設置される請求項１に記載の液体処理装置。
4. 前記水が前記接触槽内の被処理水を抽水したものであって、該抽水を前記気体混合器に流す流路を具備した請求項１又は３に記載の液体処理装置。
5. 前記気液分離器がバッファタンクに接続され、該バッファタンクと前記気体混合器を減圧弁を介して接続した請求項１，３，４のいずれかに記載の液体処理装置。
6. 前記気液分離器がバッファタンクに接続され、該バッファタンクと前記散気部をリリーフ弁を介して接続した請求項１，３，４，５のいずれかに記載の液体処理装置。
7. 前記接触槽に流入する被処理水の流量を計測する流量計を具備し、該流量計で計測された被処理水の流量に基づいて前記回収手段において回収した気体の流量、前記気体混合器に送る気体の流量、前記接触槽に散気する流量のうち少なくとも１つを調整する流量調整弁を備えた請求項１から４のいずれかに記載の液体処理装置。
8. 前記気体として酸化力を有する気体を用いる請求項１から７のいずれかに記載の液体処理装置。
9. 前記回収した気体を前記接触槽の被処理水中に散気する前記散気部の位置が、前記未溶解の気泡が回収された水が前記接触槽に注入される位置より下流側である請求項１から７のいずれかに記載の液体処理装置。
10. 気体混合器により気体を水中に混合し、該気体混合器により気体を混合された水をポンプにより加圧して混合された気体を溶解し、該ポンプにより加圧された水に未溶解の気泡を回収手段により回収し、該回収手段により回収した気泡を減圧弁を介して流路により前記気体混合器に戻し、前記流路から分岐された第二の流路により接触槽内の被処理水に回収した気泡の一部を散気し、前記回収手段により未溶解の気泡が回収された水を、減圧ノズルで構成される減圧手段により減圧して被処理水が流入する接触槽に流入させ、溶解した気体あるいは該微細気泡と被処理水を接触させ反応を行う液体処理方法。
11. オゾン生成部によりオゾンを生成し、前記オゾン生成部で生成されたオゾンとポンプで送液される水を前記気体混合器で混合し、前記気液分離器で分離された未溶解の気泡を流路により前記オゾン生成部に戻す請求項１０に記載の液体処理方法。
12. 前記接触槽に流入する被処理水の流量を流量計により計測し、前記流量計で計測された被処理水の流量に基づいて流量調整弁により、前記回収手段において回収した気体の流量、前記気体混合器に送る気体の流量、前記接触槽に散気する流量のうち少なくとも１つを調整する請求項１０又は１１に記載の液体処理方法。

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