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DISCIPLINA Tratamento de Águas, Esgotos e Resíduos Sólidos Prof. Marcos André Barros CONTEÚDO PROGRAMÁTICO Aspectos gerais sobre tratamento de águas naturais; Operações unitárias e processos para tratamento convencional; ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA - ETA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA -ETA A ETA convencional geralmente é composta das seguintes unidades: mistura rápida ou coagulação, mistura lenta ou floculação, decantação, filtração e desinfecção; Dependendo da qualidade da água a ser tratada algumas dessas unidades podem ser suprimidas, assim como outras podem ser acrescidas; OBJETIVO: adequar a qualidade da água aos padrões de potabilidade estabelecidos pela legislação vigente (Portaria 2914/2011 - MS). TECNOLOGIAS DE TRATAMENTO Fluxograma típico da tecnologia de filtração lenta Clarificação; Filtração; Desinfecção. ETAPAS DE POTABILIZAÇÃO DAS ÁGUAS NATURAIS TECNOLOGIAS DE TRATAMENTO Fluxograma típico da tecnologia de filtração direta em linha Fluxograma típico da tecnologia de filtração direta Unidades de filtros rápidos de escoamento ascendente e descendente em série: dupla filtração ou filtração em dois estágios. TECNOLOGIAS DE TRATAMENTO Vantagem do emprego da filtração direta: Redução dos custos de implantação e operação (unidades de decantação são onerosas); Limitações do emprego da filtração direta: Desempenho insatisfatório na potabilização de águas que apresentem cor verdadeira e turbidez elevadas (caso da ETA do Jiqui em épocas de chuva) Redução do tempo de detenção da água na ETA (por vezes de 2,5 h para 30 min): requer maior habilidade dos operadores quando ocorrem bruscas alterações das características da água bruta; Mais viável no tratamento de águas de represas e lagos (elevações de turbidez menos significativas). Consequência: redução das carreiras de filtração, podendo tornar o tratamento antieconômico! TECNOLOGIAS DE TRATAMENTO Fluxograma típico da tecnologia de tratamento convencional. BRASIL: prática generalizada do emprego quase padronizado da linha de tratamento convencional! Desconsideração de variáveis mais simplificadas de tratamento, mesmo para águas com qualidade compatível a tais soluções! ETA – ADIÇÃO DE PRODUTOS QUÍMICOS Exemplos: Cal ,Sulfato de alumínio, Policloreto de alumínio, cloreto férrico, Cloro, outros.... PRÉ-OXIDAÇÃO COAGULAÇÃO CORREÇÃO DE pH Pré-oxidação: oxidação de “Fe” e “Mn”; remoção de algas; elevar a duração das carreiras de filtração, além de assegurar melhor qualidade da água filtrada. ETA – ADIÇÃO DE PRODUTOS QUÍMICOS A remoção de metais por meio da formação de precipitado pode ser conseguida por oxidação ou elevação do pH, uma vez que esses procedimentos permitem fazer com que alguns metais se tornem insolúveis na água, possibilitando sua remoção posterior em decantadores ou filtros das ETAs Aumento do custo operacional pelo aumento do uso de produto químico e aumento do volume de lodo gerado!!! COAGULAÇÃO (Mistura Rápida) Desestabilização das partículas coloidais e suspensas realizada pela conjunção de ações físicas e reações químicas, com duração de poucos segundos, entre o coagulante, a água e as impurezas; Coagulante: usualmente sal de alumínio ou de ferro; Efetua-se na unidade de mistura rápida da ETA e está presente na quase totalidade das tecnologias de tratamento, excetuando-se a filtração lenta; Nas ETAS convencionais a eficiência da coagulação influi no desempenho das demais etapas do tratamento, pois: Favorece a qualidade microbiológica do efluente; Aumenta a duração das carreiras dos filtros; Redução do custo do metro cúbico de água tratada. O processo de coagulação, usado na maioria das ETAs, envolve a aplicação de produtos químicos para a precipitação de compostos em solução e desestabilização de suspensões coloidais de partículas sólidas, que, de outra maneira, não poderiam ser removidas por simples sedimentação, flotação ou filtração; A coagulação e a floculação desempenham um papel importante na cadeia de processos de tratamento de água, fundamentalmente para as etapas subsequentes de decantação ou de flotação e, em seguida, de filtração. COAGULAÇÃO (Mistura Rápida) O tamanho das partículas coloidais se situa em um intervalo compreendido entre 0,001μm e 1μm (10-6mm e 10-3mm). Todas as partículas coloidais trazem consigo uma carga elétrica que produz, em condições normais, uma força de repulsão mútua, a qual pode ser suficientemente grande para mantê-las separadas e em suspensão. OBJETIVO DA COAGULAÇÃO REDUZIR OU NEUTRALIZAR AS CARGAS DAS PARTÍCULAS COLOIDAIS PARA QUE POSSAM SE AGLOMERAR, POSSIBILITANDO A SEDIMENTAÇÃO! COAGULAÇÃO (Mistura Rápida) COAGULAÇÃO (Mistura Rápida) MECANISMO DE AÇÃO: Quando ocorre a dispersão do coagulante, são originadas espécies hidrolisadas que reagem quimicamente com as impurezas ou que atuam sobre a superfície delas e reduzem a força repulsiva que tende a mantê-las estáveis no meio aquoso; Aumentar a dosagem não é suficiente para melhorar a coagulação! A sobredosagem pode ser reduzida por meio de estudo de tratabilidade da água bruta. Erro na dosagem do coagulante ou no pH de coagulação pode conduzir à reversão da carga superficial das impurezas (reestabilização)! IMPORTÂNCIA DA COAGULAÇÃO Do ponto de vista sanitário: a remoção de partículas de dimensões microscópicas associa-se a de microrganismos patogênicos. Como consequência, espera-se que os microrganismos sejam envolvidos na formação dos flocos de maior tamanho. Microflocos formados após coagulação: 2 a 4 µm Bactérias do grupo coliformes totais: 0,5 a 2 µm Protozoários: 10 a 14 µm (cistos de Giardia) e 4 a 6 µm (oocistos de Cryptosporidium) Do ponto de vista econômico: elevar a velocidade de sedimentação do aglomerado de partículas a ser formado pela adição do coagulante. Partículas de sílica com diâmetro de 1 µm apresentam velocidade de sedimentação da ordem de 1 mm/h. Para unidades de decantação de escoamento horizontal (H ~ 4,0 m), seriam necessárias 4000 h para que a sedimentação ocorresse. Embora não consensual, a distinção entre partículas suspensas e coloidais, frequentemente é reportada à dimensão de 1 µm. Para efeito de tratamento, considera-se a maioria das bactérias e protozoários como partículas e os vírus como coloides. DISTRIBUIÇÃO DE TAMANHO DE PARTÍCULAS EM ÁGUAS NATURAIS DISTRIBUIÇÃO DE TAMANHO DE PARTÍCULAS EM ÁGUAS NATURAIS DISPOSITIVOS UTILIZADOS NA COAGULAÇÃO Dispositivos hidráulicos: • Calhas Parshall • Vertedores retangulares • Agitadores mecânicos • Turbinas • Hélice propulsora Dispositivos mecânicos: São necessários dispositivos que possibilitem agitação para a adição de coagulantes, ou seja, devem promover elevados gradientes de velocidade. OBS: as unidades mecanizadas de mistura rápida são mais versáteis que as hidráulicas, pois possibilitam a variação do gradiente de velocidade médio, se isso se fizer necessário, o que não é possível nas unidades hidráulicas. COAGULAÇÃO (Mistura Rápida) Agentes coagulantes comumente utilizados: Sulfato de Alumínio – Al2(SO4)3; Sulfato férrico – Fe2(SO4)3; Cloreto férrico – FeCl3; Aluminato de sódio – Na2Al2O4. A aplicação da solução de coagulante deve ser sempre feita antes do ponto de maior dissipação de energia e através de jatos separados de no máximo 10 cm. CALHAS PARSHALL Vertedores retangulares SISTEMAS DE AGITAÇÃO MECANIZADA Turbinas e Hélice propulsora É um processo físico no qual as partículas coloidais são colocadas em contato umas com as outras, de modo a permitir o aumento do seu tamanho físico, alterando, desta forma, a sua distribuiçãogranulométrica. FLOCULAÇÃO Nesta unidade não ocorre remoção de impurezas, a finalidade é apenas acondicionar a água que será encaminhada aos decantadores (ou flotadores) ou aos filtros da ETA, aumentando o tamanho das partículas. FLOCULADORES HIDRÁULICOS Horizontal Horizontal FLOCULADORES HIDRÁULICOS Floculadores Hidráulicos FLOCULADORES HIDRÁULICOS Vertical Floculadores Hidráulicos Floculadores mecânicos Misturadores e Floculadores - Tipos https://www.youtube.com/watch?v=ZKMx7MxEOPA IMPORTANTE!!! “competição” entre a água e os flocos! 2 Definição: Processo de separação sólido-líquido que tem como força propulsora a ação da gravidade. É a operação unitária pela qual a capacidade de carreamento e de erosão da água é diminuída, de modo que as partículas em suspensão sedimentem pela ação da gravidade e não possam mais ser relevantadas pela ação erosiva. As unidades de decantação são projetadas com base na Taxa de Aplicação Superficial (TAS), que está diretamente relacionada com a velocidade de sedimentação das partículas suspensas na água. A redução da TAS possibilita melhoria da qualidade da água decantada, contudo implica a construção de unidades de decantação maiores. 𝑇𝐴𝑆 = 𝑄 𝐴𝑆 A remoção de flocos muito leves (águas com concentração elevada de algas ou que possuem cor verdadeira elevada e baixa turbidez), exige o projeto de decantadores com baixas TAS! Área em planta! 16 Decantadores de Escoamento Horizontal o Tipo mais comumente utilizado, respondendo por 60 a 70% da área das unidades integrantes da ETA; o Usualmente, apresentam-se na forma retangular em planta, mais facilmente adaptável ao lay-out das ETAs, com a perspectiva do aproveitamento comum das paredes de floculadores e filtros; o Remoção de lodo sedimentado: efetua-se por descarga de fundo comumente instalada no início da unidade; o Frequência da limpeza, varia com: características da água bruta, êxito das etapas precedentes e com a TAS. 16 recebem a água floculada eConvencionais (clássicos) – processam apenas a decantação. Decantadores de Escoamento Horizontal 16 Decantadores de Escoamento Horizontal As características predominantes da água bruta e o tipo de coagulante utilizado influenciam na sedimentabilidade dos flocos Dificuldade de remoção por sedimentação de algas: menores TAS e emprego alternativo da flotação; Remoção de turbidez e cor verdadeira: TAS intermediária. 16 Decantadores de Escoamento Horizontal o Frequência de limpeza dos decantadores usuais em ETAs brasileiras: 2 meses, no período chuvoso, e 4 a 5 meses, no período de estiagem; o A limpeza pode ser mecanizada ou manual; o ETAS de grande porte, com vazão afluente superior a 2 m³/s, frequentemente dispõem de raspadores de lodo, que se deslocam com velocidade que evite a ressuspensão dos flocos NBR 12216: recomenda velocidade máxima de 30 cm/min 16 Decantadores de Escoamento Horizontal o Limpeza manual: raspagem do fundo com rodo e jateamento de água (ETAs de pequeno e médio porte); o Para estas unidades constrói-se na parte central, ao longo do comprimento, uma canaleta para facilitar o escoamento do lodo depositado o Mesmo para estações de pequeno porte, recomenda-se a implantação de pelo menos duas unidades de decantação; o Profundidade (h): entre 3 e 5 m; 16 Decantadores de Escoamento Horizontal 16 Decantadores de Escoamento Horizontal 25 A eficiência da clarificação nos decantadores é reduzida por: Correntes cinéticas causadas pela inércia do líquido afluente; Correntes induzidas pelo vento; Correntes de convecção de origem térmica Excesso e lodo, presença excessiva de algas, fermentação do lodo, etc... 26 As correntes cinéticas podem ser originadas por alterações na Zona de Entrada e Saída do decantador: Zona de Entrada: Canal de alimentação dos decantadores Antes da água entrar em um decantador, a água normalmente flui através de canais de distribuição, sendo que, a velocidade de escoamento nesse canal não deve ser inferior a 0,15 m/s e nem superior a 0,65 m/s. DIMINUEM A EFICIÊNCIA 27 Cortina distribuidora (CD): A eficiência da decantação é influenciada pela maneira com que a água floculada entra no decantador. O dispositivo colocado à entrada do decantador é chamado de cortina distribuidora e tem função de : diminuir a energia da água; promover a distribuição homogênea da água em toda a seção transversal do decantador. FATORES QUE DIMINUEM A EFICIÊNCIA NOS DECANTADORES CONVENCIONAIS 28 DIMINUEM A EFICIÊNCIA Zona de Saída: A coleta da água decantada é efetuada, geralmente, por meio de calhas dispostas transversalmente ao longo da largura, podendo estar associadas a segmentos longitudinais, valendo-se do final da unidade; Quando as calhas são dispostas longitudinalmente ao comprimento do decantador, devem ocupar preferencialmente menos de 20% do comprimento da unidade. Quando as calhas de coleta da água decantada não são igualmente dimensionadas ou não são instaladas no mesmo nível, podem gerar problemas na eficiência da decantação. 16 Calhas de coleta de água decantada dispostas transversalmente em relação ao comprimento do decantador ao final da unidade Função das calhas: evitar que linhas de corrente arrastem partículas para o efluente; quanto maior o comprimento da borda vertente menor a possibilidade de arraste de flocos (atenção: calhas longitudinais) Coleta de água – calhas dispostas transversalmente ao longo da largura 31 SAÍDA DE ÁGUA 3 DECANTADOR RETANGULAR 3 DECANTADOR CIRCULAR 16 Decantadores de Alta Taxa De Fluxo Laminar ou Tubulares – utilizam elementos tubulares ou placas paralelas para direcionar o fluxo (trajetória mais regular, por isso exigem menor tempo para a sedimentação). 16 Decantadores de Alta Taxa 16 Decantadores de Manta de Lodos (Floco-Decantadores) Processam a floculação e decantação no mesmo tanque Variante quase inexistente no Brasil, mas de extensivo emprego nos EUA e Canadá. Para remover cor a TAS deve ser baixa para que aumente o tempo de escoamento, pois como as partículas que conferem cor são diminutas, necessitam de mais tempo para sedimentar (TDH), ou seja, o decantador deve tratar uma menor vazão por unidade de área. 3 SEDIMENTAÇÃO Nas ETAs, quando a água bruta apresenta alta concentração de partículas em suspensão e coloidais, é necessária a construção de unidades que removam parte destas impurezas, antes de encaminhá-la aos filtros Para pequenas comunidades: sedimentação simples alternativa ao pré-tratamento do afluente, em substituição à coagulação e à floculação o Vantagens: menor custo operacional (não utilização de produtos químicos e, como consequência, disposição do lodo menos problemática). o Desvantagem: decantadores de grandes dimensões (velocidade de sedimentação) 3 FILTRAÇÃO Remoção das partículas responsáveis pela cor e turbidez, cuja presença reduziria a eficácia da desinfecção ETAs convencionais: cabe à filtração função relevante etapa na qual as falhas – porventura ocorridas na coagulação, floculação e sedimentação/flotação – podem ser corrigidas, assegurando a qualidade da água tratada. Relevância do processo no meio técnico (Portaria 2914/2011) 3 FILTRAÇÃO Com base na taxa de filtração a ser utilizada – o que definirá os filtros como rápidos ou lentos –, estabelece-se o tipo de meio filtrante; No Brasil, utilizam-se quase que exclusivamente meios filtrantes constituídos por apenas areia, denominados filtros de areia ou de camada simples, ou areia e antracito nos filtros de camada dupla; Na quase totalidade dos filtros empregadosno tratamento de água o meio filtrante assenta-se sobre camada de cascalho, pedregulho ou seixos rolados, denominada camada suporte. Uso incipiente no Brasil: carvão ativado granular empregado como meio filtrante, objetivando a adsorção de agrotóxicos; 3 FILTRAÇÃO RÁPIDA CARREIRA DE FILTRAÇÃO: intervalo de tempo entre o momento em que o filtro é colocado em operação e o momento em que ele é retirado de operação para limpeza. Os filtros devem ser projetados e operados para que as carreiras de filtração tenham duração mínima de 20 h: custos operacionais! Carreiras com duração muito longa devem ser evitadas: podem resultar no aumento da força de aderência das impurezas aos grão do meio filtrante remoção dificultada dos sólidos durante a lavagem; 3 FILTRAÇÃO LENTA Na filtração lenta o tratamento de água é feito por um processo biológico, Não há necessidade do emprego de coagulante químico! Menor frequência de limpeza dos filtros! VANTAGEM: operação simplificada; DESVANTAGEM: baixas taxas de filtração, requer espaços físicos significativamente maiores. 3 FILTRAÇÃO LENTA E FILTRAÇÃO EM MÚLTIPLAS ETAPAS Quando se emprega a pré-filtração, tem-se a técnica denominada Filtração em Múltiplas Etapas (FiME), por meio da qual é feita a separação gradual do material em suspensão, fazendo a água passar por sucessivas unidades de filtração antes de ser encaminhada para o filtro lento; O pré-tratamento pela FiME deve ser previsto quando há excesso de sólidos em suspensão na água bruta, visando atenuar a sobrecarga nos filtros lentos, cuja turbidez máxima do afluente, segundo alguns autores, não deve superar 10 uT. Águas cuja turbidez pode ser elevada nos períodos de chuva; Águas represadas que podem apresentam florescimento de algas. 3 FILTRAÇÃO LENTA E FILTRAÇÃO EM MÚLTIPLAS ETAPAS 3 FILTRAÇÃO LENTA Na filtração lenta geralmente são utilizadas areia com pequena granulometria, de modo que ocorre considerável remoção de impurezas no topo da camada filtrante; No início da filtração ocorre a remoção de partículas maiores que o espaço intergranular, o que contribui para a formação de uma camada biológica no topo do meio filtrante (BIOFILME); A eficiência da filtração lenta depende da formação da camada biológica, a qual normalmente demora desde alguns dias até semanas para se formar (amadurecimento do filtro). ETA: mínimo 2 filtros! 3 FILTRAÇÃO LENTA A camada biológica constitui-se por partículas inertes, matéria orgânica e uma grande variedade de microrganismos, tais como bactérias, algas e protozoários; Uma das principais vantagens atribuídas ao filtro lento é a elevada eficiência de remoção de organismos patogênicos (decaimento natural, predação e adsorção); Limpeza do filtro: remoção de cerca de 2 cm da camada superior da areia, lavando-a e recolocando-a no filtro; Na filtração lenta a carreira de filtração em geral é superior a 2 meses, podendo chegar a valores bem superiores, quando a água bruta apresenta pouca MO dissolvida e em suspensão. 3 CLASSIFICAÇÃO DOS FILTROS • Camada simples • Camada dupla • Camada tripla Com relação ao meio filtrante • Lentos • Rápidos Com relação à taxa de filtração • Ascendente • Descendente Com relação ao sentido de escoamento • Filtração Convencional • Filtração direta • Filtração em linha Com relação ao tratamento 3 MEIO FILTRANTE Materiais filtrantes mais utilizados! 3 FILTRAÇÃO Item Filtros lentos Filtros rápidos Taxa de filtração 1-7,5 m³/m².dia 120-480 m³/m².dia Profundidade do leito 0,3 m pedregulho 1,0-1,5 m areia 0,4 m pedregulho 0,5-0,7 m areia Duração da carreira de filtração 20-60 dias 1-3 dias Método de limpeza Raspagem da camada superficial e lavagem da areia removida Lavagem a contracorrente a ar e água ou somente a água a alta taxa Pré-tratamento Geralmente nenhum Coagulação + Floculação + Decantação ou Flotação Características dos filtros lentos e rápidos FONTE: Adaptado de RICHTER (2009) 3 DESINFECÇÃO Destruição de microrganismos patogênicos presentes na água. • Bactérias • Protozoários • Vírus • Vermes Desinfecção Esterilização Destruição de todos os organismos, patogênicos ou não! 3 DESINFECÇÃO – Principais agentes desinfetantes Cloro (cloro gasoso, hipoclorito de sódio e hipoclorito de cálcio); Cloraminas; Dióxido de cloro; Ozônio; Radiação Ultravioleta. 3 CLORO É o mais empregado na purificação de água: É facilmente disponível como gás (cloro gasoso, Cl2), líquido (hipoclorito de sódio) ou sólido (hipoclorito de cálcio); É barato; Na forma gasosa, é fácil de aplicar devido à sua alta solubilidade; Deixa um residual em solução que, não sendo prejudicial ao homem, protege o sistema de distribuição; É capaz de destruir a maioria dos microrganismos patogênicos; Desvantagens: É um gás venenoso e corrosivo, requerendo muitos cuidados; Pode causar problemas de gosto e odor; Irrita os olhos, membranas nasais e trato respiratório. 3 CLORO Grandes ETAs geralmente usam o cloro gasoso (forma mais eficiente e barata), armazenada na forma líquida sob pressão, em cilindros de aço. Um volume de cloro líquido sob pressão produz aproximadamente 460 volumes de cloro gasoso! 3 CLORO – Formas de Aplicação do Hipoclorito de Sódio Alternativa para pequenos sistemas. • É diluído em água antes da aplicação. • Mais fácil de aplicar. 3 CLORO – Formas de Aplicação do Hipoclorito de Cálcio 3 CLORAÇÃO MAIOR PODER DESINFETANTE 3 CLORAÇÃO Logo, prefere-se pH baixo para a desinfecção com cloro; No processo de desinfecção não controlar o pH pode implicar em maiores gastos no uso do cloro (maiores dosagens)! O ideal é que se tenha cloro residual livre na forma de ácido hipocloroso! O 𝐻𝐶𝑙𝑂 é o agente mais ativo na desinfecção e o 𝑂𝐶𝑙− é praticamente inativo! 3 CLORAÇÃO 3 CLORAÇÃO O cloro é um poderoso oxidante, e assim reage com grande número de substâncias orgânicas e inorgânicas presentes na água. DEMANDA que deve ser satisfeita para que o cloro em excesso aplicado torne-se disponível para a desinfecção! Tendo sido satisfeita a demanda, as seguintes reações podem ocorrer: 3 CLORAÇÃO COMPOSTOS DE CLORO COMBINADO. menos ativo como desinfetante do que o cloro livre! ou tricloroamina 3 CLORAÇÃO Na presença de amônia, a adição de quantidades crescentes de cloro produz residuais de cloro segundo a seguinte curva: Cloro residual para uma água contendo nitrogênio amoniacal 3 CLORAÇÃO “Break-point”: ponto no qual toda a amônia já reagiu com o cloro e começa e começa a aparecer residual de cloro livre; “B – C”: as cloroaminas são decompostas pelo cloro em excesso, produzindo compostos que não são detectados como cloro residual, resultando um declínio no residual de cloro até o valor mínimo que corresponde ao “break-point”; A partir deste ponto, qualquer adição de cloro produzirá um residual de cloro livre proporcional à dose aplicada! 3 REAÇÕES DO CLORO COM COMPOSTOS ORGÂNICOS Quando o cloro é aplicado à água, reage com compostos orgânicos dissolvidos formando substâncias organocloradas, tais como os trihalometanos (THM); Os THM têm fórmula geral 𝐶𝐻𝑋3, onde “X” é um halogênio que pode ser: Cl, Br e I; Os precursores dos THM compreendem os ácidos húmicos e fúlvicos (causadores de cor na água); A velocidade de reação do cloro com os compostos orgânicos é lenta e, assim, muitas vezes, análises de THM tomadas logo após a saída de água tratada não revelam a sua presença; 3 REAÇÕES DO CLORO COM COMPOSTOS ORGÂNICOS O cloro na forma combinada não reage com a matériaorgânica carbonácea e, portanto, não há perigo de formação de THM. Porém, como possui menor poder desinfetante, em quase 100% dos casos a cloração é feita com ele na forma livre, garantindo-se a remoção de matéria orgânica nas etapas antecedentes para não se ter o perigo de reação com o cloro! 3 REAÇÕES DO CLORO COM COMPOSTOS ORGÂNICOS A formação de THM pode ser minimizada com: Remoção dos precursores (ácidos húmicos e fúlvicos) com a eliminação da cor da água bruta pela coagulação precedendo a cloração (evitar a pré-cloração); Redução da dosagem de cloro; Adição de amônia para formar cloroaminas em vez de cloro livre (amônio-cloração). 3 DESINFECÇÃO – RECOMENDAÇÕES PORTARIA 2914/2011 3 OBRIGADO! marcos.barros@unp.br
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