KR100911319B1 - 분말활성탄 체류식 반응조-침지형 막여과 연계고도정수처리 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분말활성탄과 침지형 막여과를 연계한 분말활성탄 체류식 반응조-침지형 막여과 연계 고도정수처리 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 저비용, 고효율의 고도정수처리 공정으로 맛좋은 고품질의 수돗물을 생산하고자 하는 것으로, 본 발명에서는 물 속에 존재하는 유기물질들의 제거에 효율적인 분말활성탄으로 반응조 내 슬러리 블랭킷을 형성하고 침지형 막여과와 연계한 고도정수처리 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명은 고품질의 맛 좋은 수돗물을 생산할 수 있는 새로운 고도정수처리 공정으로 이용될 수 있으며, 특히 설계 및 운영이 간편하고 시설 설치에 추가 부지가 필요 없어 기존 정수처리시설을 대체하는 저비용, 고효율의 고도정수처리 공정으로 활용될 수 있다.

고도정수처리, 활성탄, 분말활성탄, 유기물, 침지형 막여과, 분리막

Description

분말활성탄 체류식 반응조-침지형 막여과 연계 고도정수처리 방법 및 장치 {Advanced water treatment method of submerged membrane coupled with PAC slurry blanket and equipment therefor}

본 발명은 고도정수처리 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 분말활성탄과 침지형 막여과를 연계한 고도정수처리 방법 및 장치에 관한 것이다.

고도정수처리(Advanced Water Purification)란 상수원이 심각하게 오염되어 기존 정수처리로는 제거되지 않거나 제거효율이 낮을 경우 고도정수처리 기술을 도입하여 수돗물의 수질을 향상시키는 기술이다. 우리나라의 경우 주요 상수원의 수질이 나빠지면서 현재 고도정수처리 방법을 많이 사용하고 있다. 또, 생활수준이 높아지면서 기존 수돗물에 대한 소비자들의 품질향상 요구도 높아지고 있다. 고품질의 맛좋은 물을 공급하기 위해서는 맛냄새 유발물질(Geosmin, 2-MIB(Methylisoborneol))을 비롯한 유기물의 제거가 필요한데, 이를 위해서는 보다 효율적인 고도정수처리 공정의 도입이 필요하다. 종래 고도정수처리 방법으로 오존, 생물활성탄(BAC), 고급산화법(AOP), 입상활성탄(GAC) 및 광촉매산화법 등이 있 는데, 설계 및 운영이 복잡하고 제거효율이 그리 높지 못하며, 시설 설치를 위한 추가부지가 필요하여 기존 정수처리시설을 대체하는데는 어려움이 있다.

활성탄은 과실껍질, 목재, 야탄, 석탄 등의 탄소물질을 소성하여 제조한 흡착성이 강한 분말상 또는 입자상의 다공성 물질로, 그 내부는 1g 당 500∼1500 ㎡ 정도의 표면적을 갖는다. 활성탄을 이용한 고도정수처리 방법에는 크게 입상활성탄을 설치한 흡착조에 물을 통과시켜 흡착하는 방법과, 분말활성탄을 지속적으로 투입하여 용해성분을 흡착하도록 한 후 흡착된 분말활성탄을 제거하는 방법이 있는데, 이 두 가지 방법 모두 전용설비가 필요하다. 이중 입상활성탄을 사용하는 방법은, 분말활성탄 보다 제거시간이 오래 걸리고 입상활성탄의 가격이 비싸 비용이 많이 소요되는 문제점이 있다. 반면 분말활성탄은 물 속에 존재하는 미세한 무기이온이 유기물질들을 제거하는 면에서 더 효율적이고 가격 또한 입상활성탄에 비해 저가이나, 원수와 한번 접촉시킨 후 여과시켜 버리게 되므로 지속적인 투입이 필요하고, 그 결과 이 또한 정수처리에 많은 비용이 소요되는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허 10-2003-0073159호에서는, 분말활성탄액과 폐수를 혼합한 후 혼합용액의 압력을 조절하고 이어서 정밀여과막으로 처리하는 고도정수처리 방법 및 장치에 대해 기술하고 있다. 이 기술 역시 분말활성탄을 이용하고 있으나 폐수와 반응시키기 위해 계속적으로 새로운 분말활성탄을 공급해 주어야 하는 종래기술의 한계를 지니고 있어 처리에 여전히 고비용이 소요되는 문제점을 갖고 있다.

본 발명에서는, 유기물, 특히 맛냄새 유발물질(Geosmin, 2-MIB)을 완전히 제거한 고품질의 맛 좋은 수돗물을 생산할 수 있는 저비용, 고효율의 고도정수처리 방법 및 장치를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명에서는 추가 부지 없이도 기존 정수처리시설을 대체할 수 있고, 설계 및 운영 또한 간단하고 용이한 경제적인 고도정수처리 방법 및 장치를 제공하고자 한다.

특히, 본 발명에서는 물 속에 존재하는 유기물질들의 제거에 효율적인 분말활성탄을 사용하면서도 활성탄 사용에 따른 비용은 최소화하고 효율은 극대화한 고도정수처리 방법 및 장치를 제공하고자 한다.

본 발명에서는,

분말활성탄 슬러리 블랭킷 층을 만들어 분말활성탄이 체류되도록 반응조를 구성하는 단계와;

상기 반응조에 원수를 유입시켜 분말활성탄과 접촉시킨 후 침전분리된 상징수를 배출하는 단계와;

상기 배출된 상징수를 침지형 막여과조에서 분리막을 통해 고액분리하는 단계;를 포함하는 고도정수처리 방법이 제공된다.

또한 본 발명에서는,

분말활성탄 슬러리 블랭킷이 형성되어 있는 분말활성탄 체류식 반응조와, 고액분리를 위한 침지형 막여과조를 포함하는 고도정수처리 장치가 제공된다.

본 발명에 따른 고도정수처리 방법은 특히 하기 실시예를 통해 확인되는 바와 같이 2-MIB, Geosmin 등 맛냄새 유발물질에 대한 제거효율이 100%에 달해 맛 좋은 고품질의 수돗물을 생산할 수 있으며, 저비용으로 설치 및 운영이 가능하면서도 유기물(DOC)에 대한 높은 제거효율을 가지고 있고, 결과적으로 막여과 회수율을 높일 수 있어 수처리 용량을 극대화하는 반면 슬러지 발생량은 최소화 할 수 있다.

분말활성탄 체류식 반응조

분말활성탄(PAC: Powdered Activated Carbon)을 반응조에 투입하고 교반하여 분말활성탄 슬러리 블랭킷 층을 만든다. 이렇게 1회 주입으로 슬러리 블랭킷 층을 형성한 분말활성탄은 반응조 내에 체류하게 되므로, 분말활성탄이 월류수와 함께 흘러가게 되어 지속적으로 주입시켜 주어야 하는 종래의 흐름식 반응조와 달리 분말활성탄의 투입량을 크게 줄일 수 있다. 따라서 유입된 원수를 고농도의 분말활성탄과 충분히 반응시키면서도 분말활성탄의 사용에 따른 비용을 최소화할 수 있다.

투입된 분말활성탄이 반응조 내에서 침전되지 않고 슬러리 블랭킷 층을 형성하도록 하기 위해서는 분말활성탄을 반응조에 초회 고농도로 투입한 후 유체의 흐름 및 패들에 의한 교반을 이용하여 슬러리 블랭킷 층을 형성하도록 한다. 반응조 내 분말활성탄의 농도는 통상 바람직하게는 1,000∼100,000 ppm 정도이며, 더욱 바람직하게는 5,000∼50,000 ppm 정도이다. 그러나 원수의 수질 및 필요로 하는 처리수준에 따라 이 이상이나 이하로도 농도를 유동적으로 조정할 수 있다. 분말활성탄 슬러리 블랭킷 형태의 유지를 위해서는 유체의 흐름정도에 따라 분말활성탄이 침전하거나 월류하지 않도록 패들을 교반시킨다.

또, 분말활성탄이 슬러리 블랭킷 층을 이루어 상당 기간 반응조 내에 체류하게 되면 이 슬러리 블랭킷 내에 유용한 미생물 층이 형성되게 되며, 하기 실시예를 통해 확인되는 바와 같이 PAC가 BAC(생물활성탄)로 전환된다. 따라서 공정 개시후 일정시간이 경과한 이후부터는 PAC 흡착에 의한 제거와 BAC (생물활성탄, Biological Activated Carbon)에 의한 제거가 동시에 일어나는 것으로 판단할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 약 20일 경과 후 PAC가 BAC(생물활성탄)로 전환된 것으로 나타났다.

투입된 분말활성탄은 이렇게 대부분 슬러리 블랭킷을 형성하여 반응조 내에 체류하게 되나 일부 소량의 분말활성탄은 다음 단계의 침지형 막여과조로 유입되는 등 PAC 반응조에서 소실되게 되므로, 연간 운영에서는 새로운 PAC를 소량 반응조에 주입하여 PAC 량을 보충할 필요가 있다. 주입방법은 연간 총 PAC 소모량을 분기로 나누어 주입하거나 분기별 소모량을 계산하여 투입하는 방법 등을 사용할 수 있으며, 조류번성기나 2-MIB, Geosmin 유입시기에 맞추어 PAC접촉조에 새로운 PAC를 주입하는 방법을 사용할 수도 있다. 분말활성탄의 원료로는 목재, 야자각, 갈탄 등 다양한 원료가 제한 없이 모두 사용될 수 있다.

분말활성탄 슬러리 블랭킷과 원수의 접촉

원수는 상기와 같이 구성된 분말활성탄 체류식 반응조로 유입되어 분말활성탄 슬러리 블랭킷과 충분히 접촉하면서 맛냄새 유발물질(Geosmin, 2-MIB) 등의 유기물이 흡착 제거되게 된다. 분말활성탄 슬러리 블랭킷 반응조의 운영 초기에는 분말활성탄(PAC) 흡착에 의해 유기물이 제거되는 것으로 판단되며, 상기한 바와 같이 일정시간 경과 후에는 생물활성탄(BAC)에 의한 유기물 제거가 동시에 일어나는 것으로 생각된다.

본 반응조에 유입되는 원수는 일반적으로 스크린 등의 전처리를 거친 후 유입되는 것이 바람직하다. 그러나 필요에 따라서는 본 발명의 분말활성탄 체류식 반응조로 유입되기 전 또는 후에 응집조 등 당업자에게 자명한 공지의 수처리 단계가 부가될 수 있다. 유입 원수는 본 반응조에서 활성탄과 접촉 반응한 후 침전분리된 상징수로 배출되어 다음 단계의 침지형 막여과조로 보내지게 된다.

침지형 막여과조

침지형 막여과조에서는 전 단계의 분말활성탄 반응조에서 배출된 처리수(상징수)가 유입되어 분리막을 통해 고액분리되며, 여과된 물은 정수지 등으로 보내지게 된다. 바람직하게는 유기물 제거 및 회수율을 높이기 위해 본 침지형 막여과조에 새로운 분말활성탄 및/또는 다른 응집제를 추가로 주입한다. 따라서 본 침지형 막여과조에서의 오염물 제거기작은 새로 주입된 PAC의 흡착 및 응집효과와 분리막 효과로 볼 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 원수대비 5ppm의 PAC를 주입하여 막여과조 내 약 2,000ppm의 분말활성탄이 존재하는 상태에서 99.5%의 높은 총 회수율을 나타내었다. 또 다른 실시예에서는 PACs(17%)를 10ppm이상 연속주입한 결과 낮은 TMP(Transmembrane Pressure) 상승속도를 나타내었다.

또한, 바람직하게는 막여과조에서 분말활성탄 반응조로의 내부순환을 통하여 막여과조에 새롭게 주입시킨 분말활성탄 및 반응조로부터 월류된 분말활성탄을 반응조로 회수시킨다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 고도정수처리 장치를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 고도정수처리 장치이다.

분말활성탄 체류식 반응조(10)는, 분말활성탄이 슬러리 블랭킷 층을 형성하고 있으며, 일반적으로 스크린(30)원수가 유입되어 이 슬러리 블랭킷 층의 분말활성탄과 접촉하게 된다. 본 반응조(10)에서 분말활성탄과 접촉후 침전분리된 상징수는 배출되어 후단의 침지형 막여과조(20)로 보내진다.

침지형 막여과조(20)에서는 분리막(21)을 통해 고액분리되고, 여과된 물은 정수지(40)로 보내진다. 막여과조(20)에서는 바람직하게는 추가로 투입된 새로운 분말활성탄(A) 및/또는 다른 응집제(B)의 흡착응집작용을 통해 추가적인 유기물 제거가 함께 이루어지게 된다. 처리수 대비 2% 정도의 막여과조 내 용액(분말활성탄 및/또는 응집제 포함)이 원수로 내부반송된다. 본 발명에서 분리막(21)으로는 본 발명의 실시예에서는 PVDF(polyvinylidenefluoride) 수지재를 사용하였으나 분리막의 재질이 이에 한정되지는 않으며, 정수처리에 사용되는 일반적인 분리막, 예를 들어, PAN(Polyacrylonitrile), PS(Polysulfone), PES(Polyethersulfone) 등 본 발명이 목적하는 분리막 기능을 수행할 수 있는 것은 모두 사용 가능하다.

도 2는 분말활성탄 체류식 반응조를 복수조로 운영하는 실시예를 도시한 것이다. 3개의 반응조(11,12,13)가 3단 병렬로 연결되어 있으며, 응집조(50)를 거쳐 이 3개의 반응조(11,12,13)를 통과한 처리수가 후단의 막여과조(20)로 유입된다. 본 발명에서 반응조는 필요에 따라 복수로 설치하여 사용할 수 있다. 즉, 상수원이 심하게 오염되어 원수의 수질이 나쁠 경우나 또는 보다 고품질의 수돗물을 얻고자 할 경우 등에는 분말활성탄 반응조를 2∼4개, 또는 그 이상도 직렬 또는 병렬로 연결하여 사용할 수 있다.

PAC탱크(80)로부터 새로운 PAC가 막여과조로 공급되어 흡착, 응집작용으로 유기물을 추가 제거하게 된다. 막여과조에서 고액 분리된 배출수는 배출수탱크(70)에 저장된 후 착수정으로 배출된다. 필요에 따라서는 막여과조(20)의 생산수를 역세척 탱크(93)로 보내 역세척한 후 배출수 탱크로 보낸다. 본 발명의 고도정수처리 장치에는 도시된 유량계(91), 압력계(92), 펌프(94) 외에도 정수처리장치에 사용되는 공지의 구성들이 필요에 따라 추가 설치되어 사용될 수 있다.

이하 구체적인 실시예 및 실험예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 다음의 실시예 및 실험예에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 물론이다.

[ 실시예 ]

고도정수처리 공정 구성 및 실험

1. 분말활성탄 체류식 반응조

다음 표 1 내지 2의 조건으로 체류식 반응조를 구성하였다. 사용된 분말활성탄은 표 3과 같다.

2. 침지형 막여과조

사용된 분리막의 특성 및 모듈 규격은 각각 다음 표 4 및 5와 같다.

3. 분말활성탄 반응조의 특성

다음 표 6과 같은 운영조건에서 반응조의 분말활성탄 슬러지 농도변화를 관찰하였다. 이때 월류수의 활성탄 농도는 117.6㎎/ℓ 이고, 분말활성탄 슬러리 블랭킷 층은 수면 밑 5∼10㎝에서 유지되었다. 결과는 도 3과 같다. 막여과조 수위에 따른 원수유입의 변동에 의해 분말활성탄의 월류경향이 나타났으나, 최종적으로 모든 반응조에서 8,000ppm에서 안정화되었다.

고도정수처리 성능평가

1. 분석방법

샘플 대상은 원수, PAC접촉조 처리수, 막여과조 처리수로 하였으며, 샘플 주기는 1일 1회를 원칙으로 하였다. 샘플 방법은 다음과 같으며, 샘플은 분석 시까지 4℃ 미만에서 냉장보관하였다. 분석항목 및 조건은 다음 표 6과 같다.

- DOC, UV₂₅₄ 분석을 위한 샘플 : 50㎖ 멸균처리된 유리 바이알에 채수

- SS, SCODcr 분석을 위한 샘플 : 1ℓ 멸균채수병에 채수

2. 분석결과

(1) DOC 제거효율

결과는 도 4와 같다. 운영초기 PAC 흡착능이 충분할 시기에는 95%이상의 높은 처리효율을 나타내며, 이후 PAC 파과와 BAC 전환이 동시에 진해되면서 70∼80% 내외의 안정된 제거효율을 나타내었다.

(2) SCOD 제거효율

결과는 도 6과 같다.

(3) UV₂₅₄ 제거효율

결과는 도 7과 같다.

(4) 2-MIB, Geosmin 제거효율

Spiking Test를 하였으며, 그 결과는 다음 표 7 및 8과 같다. 스톡 솔루션(Stock Solution)은 10mg/㎖(methalole)의 시료를 20ℓ의 증류수에 희석하여 0.5 mg/ℓ로 만들었으며, 13.89 ㎖/min의 유속으로 24시간 동안 주입하였다(원수유입대비 125ng/ℓ). 샘플링은 원수, PAC 접촉조 월류수, 막여과조 처리수로 하였으며, 샘플링 주기는 spiking개시 후 6시간(또는 8시간) 간격 주기로 하였다. 2-MIB 3차와 Geosmin 2차는 혼합하여 Spiking Test를 수행하였다. 2-MIB 1차 결과는 표 9에, 2-MIB 2차 결과는 표 10에, Geosmin 1차 결과는 표 11에 나타내었다.

PAC 반응조에 대한 기타 평가

1. BAC 전환 모니터링

(1) NH₃-N Spiking 테스트

PAC 접촉조 Nitrifier의 증식을 확인하기 위한 암모니아성 질소(NH₃-N) Spiking Test를 수행하였다. 1차 Spiking은 2007.07.04(공정개시 15일)에 하였으며 Spiking 농도는 0.2ppm으로 하였다. 2차 Spiking은 2007.07.24(공정개시 34일)에 하였고 Spiking 농도는 0.5ppm으로 하였다. 결과는 도 8 및 9와 같다.

(2) 박테리아 수 측정

1차는 2007.06.29(공정개시 10일)에 하였고, 2차는 2007.07.26 (공정개시 37일)에 하였으며, 3차는 2007.08.08 (공정개시 50일)에 하였다. PAC 접촉조 내 미생물은 98% 이상 PAC에 부착되어 있었으며, 공정 지속에 따른 박테리아수 증식 경향은 없었다. 결과는 도 10과 같다.

평가 결과

상기와 같은 평가 결과, PAC 접촉조의 PAC가 흡착능을 보유한 기간동안 DOC 제거율은 95%이상이었으며, 파과된 후에도 DOC 제거율이 평균 70% 이상으로 유지되었고, BAC 진행으로 인해 제거율이 계속 유지되었다. 또한, PAC 접촉조의 BAC화를 확인할 수 있었으며, 맛냄새 유발 대표물질인 2-MIB, Geosmin 제거효율은 100%로 나타났다.

막여과 성능평가

1. 회수율( Water Balance )

원수대비 5ppm의 새로운 PAC를 주입하여 막여과조 내 약 2,000ppm의 분말활성탄이 존재하는 상태에서 회수율을 측정한 결과, 총 회수율은 [80(㎥/day) 생산수] / [80.4(㎥/day) 원수유입]으로 99.5%였다. 처리된 배출수는 2.4㎥/hr의 유속으로 8시간 마다 1회씩 200초간 유출, 일간 총 0.4㎥ 배출되었다.

2. 분말활성탄(응집제) 주입에 따른 회수율 향상

응집제로서 새로운 PACs(17%)를 10ppm이상 연속주입하여 운영하고 회수율을 측정하였다. 측정결과는 도 11과 같으며, 막여과조 내에 새로운 PACs(17%)를 주입함으로써 낮은 TMP상승속도를 나타내었다.

3. 평가결과

평가결과, 막여과에서 99.5%의 고회수율을 달성하는 것으로 나타났으며, 막여과조에의 새로운 PACs 주입이 고회수율 달성에 효과적임도 확인할 수 있었다.

본 발명은 고품질의 맛 좋은 수돗물을 생산할 수 있는 새로운 고도정수처리 공정으로 이용될 수 있으며, 특히 설계 및 운영이 간편하고 시설 설치에 추가 부지가 필요 없어 기존 정수처리시설을 대체하는 저비용, 고효율의 고도정수처리 공정으로 활용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고도정수처리 장치의 일 실시예이다.

도 2는 분말활성탄 체류식 반응조를 복수조로 운영하는 본 발명의 또 다른 실시예이다.

도 3은 분말활성탄 슬러지 농도변화를 관찰한 결과이다.

도 4는 본 발명에 따른 고도정수처리 공정의 DOC 제거효율을 분석한 결과이며,

도 5는 단위공정에 따른 DOC 제거 효율 경향을 나타낸 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 고도정수처리 공정의 SCOD 제거효율을 분석한 결과이며,

도 7은 UV₂₅₄ 제거효율을 분석한 결과이다.

도 8 및 9는 PAC 접촉조에 대한 암모니아성 질소(NH₃-N) Spiking Test 1차 및 2차 결과이다.

도 10은 PAC 접촉조 내 박테리아 수를 측정한 결과이다.

도 11은 분말활성탄(응집제) 주입에 따른 회수율 향상을 측정한 결과이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 분말활성탄(PAC) 체류식 반응조 20 : 침지형 막여과조

21 : 분리막 30 : 스크린

40 : 정수지 50 : 응집조

Claims (7)

1. 분말활성탄을 1,000∼100,000 ppm으로 반응조에 투입하여 유체의 흐름과 패들의 교반에 의해 분말활성탄이 체류되도록 반응조 내에 분말활성탄 슬러리 블랭킷 층을 형성시키는 단계와;

   상기 반응조에 원수를 유입시켜 분말활성탄과 접촉시킨 후 침전분리된 상징수를 배출하는 단계와;

   상기 배출된 상징수를 침지형 막여과조에서 분리막을 통해 고액분리하는 단계;를 포함하는, 맛냄새 유발물질이 함유된 미량유기물질을 제거하기 위한 고도정수처리 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 분말활성탄은 5,000∼50,000 ppm으로 반응조에 투입되는 것을 특징으로 하는 고도정수처리 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 침지형 막여과조에 새로운 분말활성탄을 주입하여 추가적인 유기물 제거가 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 고도정수처리 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬러리 블랭킷 층을 형성하고 있는 분말활성탄은 일정시간 경과 후 생물활성탄으로 전환되어 미량유기물질의 제거능이 유지되는 것을 특징으로 하는 고도정수처리 방법.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 막여과조에서 반응조로의 내부순환을 통하여 막여과조 내의 분말활성탄을 반응조로 회수시키는 단계를 더 포함하는 고도정수처리 방법.
6. 분말활성탄을 1,000∼100,000 ppm으로 투입하여 유체의 흐름과 패들의 교반에 의해 분말활성탄 슬러리 블랭킷 층을 형성시킨 분말활성탄 체류식 반응조로서 상기 분말활성탄은 일정 시간 경과 후 생물활성탄으로 전환되어 미량유기물질의 제거능이 유지되는 것인 분말활성탄 체류식 반응조와;

   고액분리를 위한 침지형 막여과조;를 포함하는, 맛냄새 유발물질이 함유된 미량유기물질을 제거하기 위한 고도정수처리 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 반응조는 2∼4개의 반응조가 병렬 또는 직렬로 연결된 복수조인 것을 특징으로 하는 고도정수처리 장치.

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