JP4623431B2 - 二段式凝集混和槽 - Google Patents

Description

この発明は、形状の異なる二組の撹拌羽根を凝集混和槽に上下に配設し、凝集剤を添加したスラリーを高速撹拌と緩速撹拌を行って、フロックを造粒させる二段式凝集混和槽の改良に関する。

従来、スクリュープレスやベルトプレスを使用してスラリーを濃縮脱水、或いは加圧脱水する場合、前処理操作として高分子凝集剤や無機凝集剤をスラリーに供給して凝集混和槽で撹拌混合し、フロックを造粒させることが良く知られている。そして、回転軸に平板形放射状翼と円板基部に固定した平板形後退翼を止着して、凝集混和槽に上下二段に配設し、槽底から凝集スラリーを供給する凝集反応装置は、例えば、特許文献１に記載してあるように公知である。また、固液分離槽の上部に垂下した撹拌軸に十字型或いは格子状のパドル撹拌翼を止着し、固液分離槽の下部に垂設した撹拌軸に止着したディスクの先端にタービン翼を固定した固液分離装置も、例えば、特許文献２に記載してあるように公知である。
特許第３１４６３７１号公報（段落番号０００６及び段落番号０００７、図３） 特許第３３６８９７８号公報（段落番号００１０及び段落番号００２０、図１及び図２）

圧搾脱水を目的とするスクリュープレスやベルトプレスでは、供給するスラリーを脱水に適したフロックに造粒する必要がある。フロックを造粒させる従来型の二段式凝集混和槽は、長い滞留時間が必要で槽容量も大きくなり、設備費も高くなる。また、撹拌効果を上げるためには槽内径に合わせた撹拌羽根が必要であり、二段式凝集混和槽が大きくなればなるほど撹拌羽根は大きくなる。撹拌動力は羽根の大きさと回転数で大きく変化し、特に羽根の大きさの影響は大きい。流入するスラリーは、流速と粘度が常時変化するため、最適凝集状態を得るために回転数も変化させる必要がある。従来の特許文献１に記載の凝集反応装置は、回転軸に止着した円板基部と垂直に固定されて先端が湾曲した平板形後退翼で良好な凝集フロックが造粒でき、旋回循環流が短絡することがなく、凝集混和槽の大型化も可能となるものであるが、回転軸に止着してある一対の撹拌翼は、流速と粘度が常時変化して最適凝集状態を得るための回転数の選定が難しく急速撹拌も困難である。繊維質を多く含む下水スラリー等では、円板基部から周方向に突設する先端が湾曲した平板形後退翼に絡まる恐れがある。また、特許文献２に記載の凝集反応装置は、パドル撹拌翼とタービン翼が夫々異なる回転数で撹拌できるので大容量処理が可能となるものであるが、円筒状の凝集混和槽が大型化するとタービン翼の撹拌部分で旋回循環流が短絡し、均一なフロックの造粒が不均一となる恐れがある。繊維質を多く含む下水スラリー等では、ディスクに止着したタービン翼に繊維質が絡まる恐れがある。本願発明は、凝集混和槽に高速撹拌羽根と緩速撹拌羽根を組み合わせ、撹拌手段を工夫して良好なフロックを造粒し、同時に二段式凝集混和槽の凝集体積の小型化を図ったものである。

この発明に係わる凝集反応装置は、凝集混和槽に撹拌羽根を上下二段に配設し、凝集剤を添加したスラリーを凝集混和槽の槽底から上向流で供給して撹拌混合する凝集装置において、凝集混和槽の槽底近傍に立設した駆動軸に高速撹拌の片面円錐形状の撹拌翼を止着し、凝集混和槽の下部周壁に接線状に連結した原液供給管を撹拌翼の先端近傍に開口させると共に、凝集混和槽の頂部より垂下した駆動軸に緩速撹拌のパドル翼を止着し、凝集混和槽の上部周壁に排出管を接線状に連結したもので、凝集剤を添加したスラリーを最も撹拌力の強い撹拌翼の先端部の近傍に接線方向から流入させるので、スラリーに遠心力を与えスムーズに流動させて混合効率を高める。そして、撹拌翼とパドル翼が別駆動のため、スラリーの常時変化する流速と粘性に応じて、適切な回転数を設定して最適凝集状態を得ることができる。

高速撹拌の撹拌翼の形状は、駆動軸に止着した回転板の表面に複数枚の羽根板を放射状に垂設し、羽根板の高さを回転板の中心部より円周方向に下り勾配に傾斜させて片面円錐形状に構成したもので、撹拌翼を形成する羽根板の羽根高さを遠心力が発生する方向に狭くしたので、多くの繊維を含むスラリーでも羽根に繊維の絡み付きがなく、撹拌翼を高速回転させることができる。そして、繊維の絡み付きがないので高速回転でも駆動軸が偏心することがなく、安定した運転が可能となる。そして、スラリーの入口側の撹拌翼の周速を１００〜３００ｍ／ｍｉｎとして凝集混和槽の下半部を急速撹拌部とし、凝集スラリーの出口側のパドル翼の周速を１０〜３０ｍ／ｍｉｎとして凝集混和槽の上半部を緩速撹拌部としたもので、凝集混和槽に流入してきたスラリーを急速撹拌により撹拌混合し、急速撹拌部での槽内回転を緩速撹拌部で減速し、差速効果により乱流を起こして適度なフロックを造粒することができる。

凝集混和槽の急速撹拌部と緩速撹拌部の容積比を概略１対３としたもので、急速撹拌部と緩速撹拌部が一体となっているため繋ぎ配管の必要がなくコンパクトな凝集混和槽となり、容積の小さい急速撹拌部でスラリーに遠心力を与えながら流速を高め、撹拌翼で急速撹拌した後、容積の大きい緩速撹拌部で減速することができる。そして、高速撹拌させる撹拌翼は小さくできるので、凝集混和槽の急速撹拌部の胴内径を緩速撹拌部の胴内径より小径とすれば、凝集混和槽の急速撹拌部の凝集体積も小型化が可能となり、撹拌翼の大きさの変更も容易となる。

凝集混和槽のスラリーの滞留時間を１〜４分程度としたもので、急速撹拌と緩速撹拌を組合せることで、スラリーの滞留時間を短くして凝集効果を高めることができる。そして、凝集混和槽の供給口と排出口に連結する原液供給管と排出管の口径は、凝集混和槽の内径の２０〜６５％としたもので、凝集混和槽の入口での流速を高め、スラリーに遠心力を与えながら撹拌翼で撹拌するので、スラリーの遠心力と撹拌羽根により作られた遠心力の相乗効果が得られ、滞留時間を短くして凝集させることができる。

本願発明に係わる二段式凝集混和槽は上記のように構成してあり、容積の小さい急速撹拌部の撹拌翼と緩速撹拌部のパドル翼の適切な回転数を設定すれば、スラリーの滞留時間を短くして差速効果により混合効率を高め、最適なフロックを造ることができる。急速撹拌部と緩速撹拌部が一体となっているため、コンパクトな凝集混和槽となり、繊維を含むスラリーでも片面円錐形状の撹拌翼に繊維の絡み付きがない。そして、高速回転でも偏心することがなく、安定した運転が可能となり、凝集混和槽の大型化と大容量処理も可能となる。

本願発明に係わる二段式凝集混和槽を図面に基づき詳述すると、先ず、図１はこの発明に係る二段式凝集混和槽のフローチャートであって、凝集混和槽１は下半部の撹拌翼２を配設した急速撹拌部３と、上半部のパドル翼４を配設した緩速撹拌部５で構成してあり、凝集混和槽１に薬液供給管６を接続した原液供給管７が急速撹拌部３の下部周壁に接線状に連結し、緩速撹拌部５の上部周壁に接線状に連結した排出管８がスクリュープレス９に接続してある。図２は凝集混和槽の縦断面図であって、凝集混和槽１の下端のテールプレート１０に連結した駆動機架台１１に高速撹拌モーター１２が吊設してあり、凝集混和槽１の急速撹拌部３に垂設した高速撹拌モーター１２の駆動軸１３に撹拌翼２を止着してある。凝集混和槽１の上端のカバープレート１４に連結した駆動機架台１５に緩速撹拌モーター１６が載置してあり、凝集混和槽１の緩速撹拌部５に垂下した駆動軸１７にパドル翼４を止着してある。急速撹拌部３と緩速撹拌部５が一体となっているため、繋ぎ配管の必要がなくコンパクトな凝集混和槽１となる。

図３は撹拌翼の外形図であって、高速撹拌モーター１２に連動連結する撹拌翼２は、円板状の回転板１８の中心部に駆動軸１３に連結する連結管１９を嵌着してある。回転板１８の表面に複数の羽根板２０・・・が放射状に垂設してあり、羽根板２０の先端部２０ａの高さを回転板１８の中心部より円周方向に下り勾配に傾斜させて、側面視が片面円錐形状に構成してある。図４は凝集混和槽の急速撹拌部の要部拡大図であって、原液供給管７の供給口７ａが撹拌翼２の羽根板２０の先端部２０ａの近傍に開口してあり、薬液供給管６から凝集剤を添加したスラリーを最も撹拌力の強い撹拌翼２の羽根板２０の近傍に接線方向から流入させる。スラリーの遠心力と撹拌羽根により作られた遠心力の相乗効果が得られる。この発明の実施例では、凝集混和槽１の供給口７ａと排出口８ａに連結する原液供給管７と排出管８の口径を、凝集混和槽の内径の２０〜６５％としてあり、接線状に流入してきた凝集剤とスラリーに撹拌翼２で遠心力を与えながら流速を高め、撹拌翼２で急速撹拌した後、緩速撹拌部５のパドル翼４で減速し、差速効果により乱流を起こして適度なフロックを造粒して、凝集スラリーを排出管８から排出する。撹拌翼２を形成する羽根板２０の羽根高さを遠心力が発生する外周方向に狭くしたので、多くの繊維を含むスラリーでも羽根板２０に繊維の絡み付きがなく、撹拌翼２を高速回転させることができる。繊維の絡み付きがないので、高速回転でも偏心することがなく、安定した運転が可能となる。

この発明の実施例では、凝集混和槽１の急速撹拌部３の撹拌翼２の周速を１００〜３００ｍ／ｍｉｎとして、緩速撹拌部５のパドル翼４の周速を１０〜３０ｍ／ｍｉｎとしてあり、撹拌翼２とパドル翼４が別駆動のため、それぞれの回転数を設定すれば、混合効率を高めることができる。季節変動や汚泥性状の変動に対しても、急速撹拌部３の撹拌翼２と緩速撹拌部５のパドル翼４の適切な回転数を設定でき、最適なフロックを造ることができる。図１及び図２に示す凝集混和槽１は、急速撹拌部３と緩速撹拌部５の容積比を概略１対３としてあり、容積の小さい急速撹拌部３の撹拌翼２で凝集混和槽１に流入してきた高分子凝集剤を添加したスラリーに遠心力を与えながら高速撹拌し、混合した高分子凝集剤とスラリーを緩速撹拌部５のパドル翼４でゆっくりと流動させれば、強固なフロックが生成される。急速撹拌と緩速撹拌の差速効果により乱流を起こし、滞留時間を短くして最適なフロックを造ることができる。この発明の実施例では、容積の小さい急速撹拌部３で高速撹拌して撹拌効果を高め、凝集混和槽１の滞留時間を短くできるので、凝集混和槽１のスラリーの滞留時間を１〜４分としてある。 図５は二段式凝集混和槽の他の実施例のフローチャートであって、凝集混和槽１ａの急速撹拌部３ａの直径を緩速撹拌部５ａの直径より小径としてあり、急速撹拌部３ａと緩速撹拌部５ａの容積比を概略１対３としてある。急速撹拌部３ａで高速撹拌させる撹拌翼２ａは小さくできるので、凝集混和槽１ａの急速撹拌部３ａの凝集体積も小型化が可能となる。撹拌翼２ａを高速回転させるため、撹拌翼２ａの大きさの変更も容易となる。凝集混和槽１ａを小さくできるので、滞留時間も少なくなる。なお、符号４ａは緩速撹拌部５ａに配設したパドル翼である。

凝集混和槽に急速撹拌部と緩速撹拌部を組合せた二段式凝集混和槽を検討するため、従来の単段式凝集混和槽とラインミキサーを対比して、それぞれの持つ長所と短所を比較・検討した。従来の単段式凝集混和槽では、スラリーと高分子凝集剤を撹拌混合するために滞留時間は４分以上必要であり、長い滞留時間を要するために凝集混和槽の容量が大きくなる。単段式凝集混和槽の撹拌羽根は低速撹拌のため、羽根が小さいとスラリーと高分子凝集剤との混合効率が悪く充分に混合できない。また、撹拌効果を上げるためには、凝集混和槽の内径に合わせた撹拌羽根が必要であり、撹拌羽根を大きくしている。通常適正な羽根外径は槽内径の約８０％程度を基準にしており、槽が大きくなればなるほど羽根外径は大きくなる。撹拌動力は羽根の大きさと回転数で大きく変わり、特に羽根の大きさの影響は大きい。そして、撹拌動力は流体の粘度も影響し、最適凝集状態を得るためには、変化する液体の粘度に応じて、回転数も変動させる必要がある。動力計算は、使用範囲の最高粘度と最高回転数の状態で計算するため、安全率が大きくなり無駄な動力設定になっている。凝集混和槽の適正回転数は撹拌羽根の周速を約１１０ｍ／ｍinを基準としており、凝集混和槽の容量が５００リッターでは、羽根外径が６００ｍｍとなり、回転数は約６０ｒｐｍ程度が基準となる。

一方、従来の邪魔板状の羽根を配設したラインミキサーは、配管内に流入する流体の流速により撹拌効果を持たせている。配管内に流入する流速は変化し、スラリーと凝集剤の撹拌は、流速だけでは十分な撹拌力が得られない欠陥がある。ラインミキサーは滞留時間が脱水機用では単段式凝集混和槽の１０％以下で良く、邪魔板状の羽根も小さい長所がある。仮に羽根を回転させるとすれば、ラインミキサーは槽容量が小さく、外径は２９０ｍｍであるので１２０ｒｐｍでよい。これからすればラインミキサーの羽根の回転数は、凝集混和槽の約２倍である。撹拌羽根の大きさは凝集混和槽がラインミキサーの径で２倍、幅で６倍あり必要動力はラインミキサーの３．５〜４倍になる。

加圧脱水機ではスラリーの凝集状態は、強固なフロックが要求されるため、スラリーと高分子凝集剤を撹拌混合し、充分に造粒させたスラリーの供給が必要である。濃縮脱水機では強固なフロックは必要がなく、高分子凝集剤とスラリーを混合するのが第１目的で、濃縮脱水機の中で造粒しながら重力ろ過を実施することができる。高分子凝集剤とスラリーを混合するだけでよければ、撹拌羽根を高速で回転し瞬間的に混合することが可能となる。高速回転させれば、撹拌羽根を混合槽内全体に覆う必要がなくなり、撹拌羽根を小さくできる。撹拌羽根が小さくなれば、凝集容積の小型化も可能となる。

従来の単段式凝集混和槽とラインミキサーの特徴を考慮して、開発する二段式凝集混和槽のスラリーの混合投入位置、羽根の構造、撹拌力を検討した。先ず、高分子凝集剤を添加したスラリーの混合投入位置は、
１．投入位置を撹拌羽根に近いところにすれば、最も撹拌力の強いところに位置して、混合効率を上げることができる。
２．円周の接線方向から供給すれば、スラリーに遠心力を与え、スラリーの流れをスムーズにできる。
３．供給管路の流速は１〜３ｍ／ｓｅｃを標準とするが、混合装置の撹拌室の入口では、撹拌羽根による撹拌効率を上げるため、スラリーの入口を撹拌羽根の回転と同方向の接線位置としてある。効率よく接線方向に入れるためには、入口径は撹拌胴径の２０〜６５％が最も適当といえる。
上記の検討に基づき、スラリーの混合投入位置を撹拌羽根の近傍で、円周の接線方向から供給し、スラリーの遠心力と撹拌羽根により作られた遠心力の相乗効果を得て、さらに、凝集に適した撹拌を得るため、二段式凝集混和槽の供給口と排出口に連結する原液供給管と排出管の口径を、撹拌室の内径の２０〜６５％に決定した。

次に、撹拌混合する羽根の構造と撹拌力は、
１．繊維の絡み付き防止は重要な要素であり、繊維が多いスラリーではからみつきが速く短期であっても連続で安定した運転に支障を来す。撹拌力は脱水機では混合率・フロック強度を良くするため羽根周速は１１０ｍ／ｍｉｎ程度を基準に決めている。例えば５００リッターの単段式凝集混和槽を考えると羽根の外径を槽内径の８０％とすると回転数は６０ｒｐｍ程度、これを５０リッターの混合装置で同機能を持たせるためには１２０ｒｐｍが必要になる。
２．高速撹拌させる撹拌翼は小さくできるので、撹拌室の凝集体積も小型化が可能となる。凝集混和槽のスラリーを高速撹拌により急速的に撹拌混合して、撹拌翼の撹拌力を変更することで、広範囲のスラリー処理量に適用できる。
そこで、駆動機はインバーターで変速可能として、撹拌翼の周速を１００〜３００ｍ／ｍｉｎとすることにした。

上記単段式凝集混和槽のスラリーの混合投入位置、羽根の構造、撹拌力の検討事項の結果から、ラインミキサーを応用する急速撹拌部と、単段式の凝集混和槽を応用する緩速撹拌部を組合せれば、急速撹拌部で撹拌羽根を急速回転して高分子凝集剤とスラリーを高速撹拌し、混合した高分子凝集剤とスラリーを緩速撹拌部でゆっくりと流動させれば、差速効果により強固なフロックが生成される。急速撹拌部と緩速撹拌部を組合せた２段速度二段式凝集混和槽が実現でき、強固なフロックのスラリーを加圧脱水機に供給して、高圧搾脱水が実現できる。実測データーを取るため、図５に示す構造の、撹拌室の容量が８リッターの急速撹拌部と、２６リッターの緩速撹拌部からなる二段式凝集混和槽と、従来の容量が４０リッターの単段式凝集混和槽を使用して、原液濃度２．０％のスラリーと、凝集剤注入率１．３％の高分子凝集剤を撹拌混合して造粒させた。その凝集スラリーをスクリュープレスに供給し、脱水ケーキの水分を８０％〜８４％に変動させた時の実測データーを取ってろ過速度と滞留時間の差を調査した。単段式及び二段式凝集混和槽におけるスクリュープレスの能力比較の結果を表１に示す。

１．従来の単段式凝集混和槽は、槽内での滞留時間を３．９〜９．２分として撹拌混合した後、スクリュープレスに供給した。スクリュープレスの脱水ケーキは、ケーキ水分７９．２〜８４．４％、ろ過速度５．２〜１２．４ｋｇ／ｈであった。
２．本願発明に係わる二段式凝集混和槽には、急速撹拌部での滞留時間１分で急速に撹拌混合した後、緩速撹拌部で造粒させた。二段式凝集混和槽でのスラリーの滞留時間を２．６〜６．６分程度としてスクリュープレスに供給した。
スクリュープレスの脱水ケーキは、ケーキ水分７６．９〜８３．８％、ろ過速度６．２〜１５．４ｋｇ／ｈであった。
即ち、スクリュープレスの脱水ケーキを８２％〜８４％のケーキ水分に維持させた時に、凝集混和槽での撹拌混合時間は、本願発明に係わる二段式凝集混和槽では１．３〜２．６分短縮でき、二段式凝集混和槽の凝集スラリーを供給したスクリュープレスのろ過速度が１．０〜３．０ｋｇ／ｈ増加した。

表２は濃度−処理量関係図であって、スクリュープレス型の濃縮脱水機に供給して、実測データーを取って濃縮状態を測定することとした。その結果を表２に示す。

実験結果から、従来の単段式凝集混和槽は、槽内での凝集スラリーの滞留時間を３．９〜９．２分で撹拌混合した後、スクリュープレス型の濃縮脱水機に供給した。濃縮脱水機の処理量５〜１２ｍ³／ｈ、濃縮濃度７９〜８５％であった。二段式凝集混和槽は、槽内での凝集スラリーの滞留時間を２．６〜６．６分で撹拌混合した後濃縮脱水機に供給した。濃縮脱水機の処理量６〜１６ｍ³／ｈ、濃縮濃度７７〜８３％であった。本願発明に係わる二段式凝集混和槽は、次の作用効果を奏することを示している。
１．スラリーおよび高分子凝集剤を撹拌室の直前に混入し、撹拌翼に近い場所へ供給することにより撹拌室での瞬時混合の効率が良くなった。
２．撹拌室より細い管で撹拌軸の接線方向から入れることにより、撹拌室へ入るスラリーの遠心力の増加と体積膨張による撹拌効果の上昇が得られた。
３．通常の凝集混和槽はスラリーの滞留時間が滞留時間３．９〜９．２分必要であり、撹拌翼も大きく動力が大きい。二段式凝集混和槽は滞留時間２．６〜６．６分で良いため撹拌翼が小さく省エネメリットがある。
単段式凝集混和槽は５００リッターとすれば、撹拌動力は０．７５ｋｗであるが、二段式凝集混和槽では０．２ｋｗで良く、撹拌動力が小さくなる。

本発明に係わる二段式凝集混和槽は、急速撹拌部と緩速撹拌部が一体となっているため、コンパクトな凝集混和槽となり、撹拌翼に繊維の絡み付きがなく、高速回転でも安定した運転が可能となり、凝集混和槽の大型化と大容量処理も可能となる。そして、容積の小さい急速撹拌部の撹拌翼と緩速撹拌部のパドル翼の適切な回転数を設定すれば、二段式凝集混和槽でのスラリーの滞留時間を短くして差速効果により混合効率を高め、最適なフロックを造粒することができる。したがって、高圧搾と大容量処理を必要とするスクリュープレスやベルトプレスの前段に設置する凝集混和槽に適するものである。

この発明に係る二段式凝集混和槽のフローチャートである。 同じく、凝集混和槽の縦断面図の要部拡大図である。 同じく、撹拌翼の外形図である。 同じく、凝集混和槽の急速撹拌部の要部拡大図である。 二段式凝集混和槽の他の実施例のフローチャートである。

符号の説明

１ 凝集混和槽
２ 撹拌翼
３ 急速撹拌部
４ パドル翼
５ 緩速撹拌部
７ 原液供給管
７ａ 供給口
８ 排出管
８ａ 排出口
１３ 駆動軸
１７ 駆動軸
１８ 回転板
２０ 羽根板

Claims (7)

1. 凝集混和槽に撹拌羽根を上下二段に配設し、凝集剤を添加したスラリーを凝集混和槽の槽底から上向流で供給して撹拌混合する凝集装置において、凝集混和槽（１）の槽底近傍に立設した駆動軸（１３）に高速撹拌の片面円錐形状の撹拌翼（２）を止着し、凝集混和槽（１）の下部周壁に接線状に連結した原液供給管（７）を撹拌翼（２）の先端近傍に開口させると共に、凝集混和槽（１）の頂部より垂下した駆動軸（１７）に緩速撹拌のパドル翼（４）を止着し、凝集混和槽（１）の上部周壁に排出管（８）を接線状に連結したことを特徴とする二段式凝集混和槽。
2. 上記撹拌翼（２）は、駆動軸（１３）に止着した回転板（１８）の表面に複数枚の羽根板（２０・・・）を放射状に垂設し、羽根板（２０）の高さを回転板（１８）の中心部より円周方向に下り勾配に傾斜させて片面円錐形状に構成したことを特徴とする請求項１に記載の二段式凝集混和槽。
3. 上記スラリーの入口側の撹拌翼（２）の周速を１００〜３００ｍ／ｍｉｎとして凝集混和槽（１）の下半部を急速撹拌部（３）とし、凝集スラリーの出口側のパドル翼（４）の周速を１０〜３０ｍ／ｍｉｎとして凝集混和槽（１）の上半部を緩速撹拌部（５）としたことを特徴とする請求項２に記載の二段式凝集混和槽。
4. 上記凝集混和槽（１）の急速撹拌部（３）と緩速撹拌部（５）の容積比を概略１対３としたことを特徴とする請求項３に記載の二段式凝集混和槽。
5. 上記凝集混和槽（１）の急速撹拌部（３）の胴内径を緩速撹拌部（５）の胴内径より小径としたことを特徴とする請求項３または４に記載の二段式凝集混和槽。
6. 上記凝集混和槽（１）での造粒させるスラリーの滞留時間を１〜４分としたことを特徴とする請求項３または４に記載の二段式凝集混和槽。
7. 上記凝集混和槽（１）の供給口（７ａ）と排出口（８ａ）に連結する原液供給管（７）と排出管（８）の口径を、凝集混和槽（１）の内径の２０〜６５％としたことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の二段式凝集混和槽。

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