A EVOLUÇÃO DO PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO DO LAGO PARANOÁ - BRASÍLIA, APÓS CINCO ANOS DE CONTROLE NAS DESCARGAS DE NUTRIENTES

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1 A EVOLUÇÃO DO PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO DO LAGO PARANOÁ - BRASÍLIA, APÓS CINCO ANOS DE CONTROLE NAS DESCARGAS DE NUTRIENTES Marcelo Teixeira Pinto (1) Engenheiro Químico pela Universidade Federal do Rio de Janeiro em 1981, M.Sc. em Saúde Pública e Engenharia de Controle Ambiental na University of Strathclyde (U.K.) em 1989 e especialização em Engenharia de Sistemas de Esgotos no Japão em Atualmente Superintendente de Operação e Manutenção de Esgotos da CAESB. Cristine Gobbato Cavalcanti Bióloga pela Universidade de Brasília em 1982 e especialização em ecossistemas aquáticos no Japão em Atualmente é Bióloga da Superintendência de Recursos Hídricos da CAESB. Maurício Luduvice Engenheiro Químico pela Universidade Federal de Sergipe em 1981, M.Sc e PhD pela University of NewCastle upon Tyne (U.K) em 1988 e Atualmente é Assessor Técnico da diretoria do Sistema de Esgotos da CAESB. Endereço (1) : SCS - Quadra 4 - bloco A, número 67/97 - Ed. CAESB - Brasília - DF - CEP: Brasil - Tel: (061) Fax: (061) marcelo.teixeira@persocom.com.br RESUMO O lago Paranoá é um lago artificial que passou por um acelerado processo de eutrofização, devido ao lançamento de esgotos sem tratamento adequado em suas águas. Um extenso programa de recuperação foi implementado desde o início da década de 80, com o esgotamento sanitário de toda a bacia, a construção de estações de tratamento de esgotos terciárias e um amplo programa de monitoramento e pesquisa de ligações clandestinas e irregulares. Finalmente, em 1993/94, as duas estações de tratamento começam a operar, produzindo significantes alterações na qualidade das águas do lago, ano após ano, trazendo perspectivas para sua total recuperação. As cargas de fósforo, fator limitante ao crescimento das algas, foi reduzida de 520 Kg/d lançadas em 1989 para 120 Kg/d em Consequentemente, a concentração de fósforo na coluna d água foi reduzida de 105 mg/m 3 para 42 mg/m 3 e de 85 mg/m 3 para 29 mg/m 3 nos seus segmentos mais afetados, e a concentração de clorofila de 100/80 mg/m 3 para 50/30 mg/m 3, dependendo do segmento. Neste trabalho é ainda proposto um modelo de cargas para o lago Paranoá e comparado ao modelo para lagos tropicais desenvolvido pelo CEPIS. Este modelo serviu de base para avaliação dos novos assentamentos urbanos previstos na bacia, os quais precisam ser melhor avaliados, sob o risco de regredirmos novamente a qualidade das águas do lago. PALAVRAS-CHAVE: Eutrofização, Remoção de Nutrientes, Lago, Fósforo, Clorofila. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2325

2 INTRODUÇÃO O lago Paranoá é um lago artificial, formado em 1959 com a construção da cidade de Brasília, com a finalidade de paisagismo e recreação. Seu espelho d água cobre uma superfície de 38 Km 2, com profundidade média de 13 metros e tempo de retenção de aproximadamente 300 dias. Sua área de drenagem abrange hectares que abriga atualmente cerca de habitantes. Embora Brasília fosse dotada de duas estações de tratamento de esgotos desde a década de 60, o crescimento populacional da cidade superou a capacidade das estruturas de esgotamento sanitário, fazendo com que o lago torna-se corpo receptor de esgotos não tratados desde o início dos anos 70. Este fato, acrescido da deficiência do sistema de tratamento de esgotos em remover nutrientes como fósforo e nitrogênio, culminou em 1978 com um enorme desastre ecológico (Bloom de microcistys aeruginosa), que causou um forte incomodo a população. Brasília Fede era a manchete dos principais jornais da época. Diversos estudos efetuados apontaram que o fósforo era o fator limitante para o controle do processo de eutrofização e que os esgotos lançados sem tratamento adequado no lago era a principal fonte do problema. Consequentemente, todos os esgotos da bacia deveriam ser tratados a nível terciário ou desviados para fora da bacia (Bjork, 1979). Assim, em 1993, após quase 10 anos de projeto e construção, entra em operação a nova estação de tratamento de esgotos de Brasília Sul, usando o processo Bardenpho modificado com polimento químico final, de modo a garantir remoções de nutrientes a níveis compatíveis com o lançamento no lago Paranoá. Um ano após, a estação de tratamento de esgotos de Brasília Norte também entra em operação, formando as principais estruturas do Programa de Recuperação do Lago Paranoá. A qualidade das águas do lago Paranoá, a partir de então, vem apresentando significante evolução (Pereira e Cavalcanti, 1996). A expansão do sistema de coleta para 95% de cobertura e um amplo programa de monitoramento e de identificação/retirada de lançamentos irregulares de esgotos em galerias de águas pluviais vem garantindo perspectivas de uma completa recuperação. Este trabalho analisa os resultados alcançados após cinco anos de controle das descargas de nutrientes e avalia as perspectivas de sua recuperação, através de modelo matemático de gerenciamento, frente as pressões de ocupação urbana e outras atividades antrópicas na bacia. MÉTODOS Estado Trófico e os Modelos de Balanço de Massa para Fósforo Bernhardt (1982;1983) propôs uma conexão entre as possibilidades de utilização de um reservatório pela população e o seu estado trófico. Por exemplo, o lago Paranoá que é utilizado para recreação e esportes aquáticos, requereria um estado mesotrófico, embora um nível levemente eutrófico poderia ser tolerado. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2326

3 A Organização Européia para Cooperação Econômica e Desenvolvimento - OECD desenvolveu uma metodologia estatística para classificar lagos temperados nos diversos níveis tróficos. Este método tem apontado que reservatórios com concentração de fósforo na ordem de 27 mg/m 3 teriam 65% de probabilidade de ser um lago mesotrófico (Bernhardt,1982). Se sabemos como o reservatório é utilizado e a desejada concentração de fósforo podemos estimar a máxima carga de fósforo que pode ser tolerada por um lago para manter o nível trófico desejado. Basicamente, os modelos são baseados no balança de massa de um reservatório com fluxo hidráulico de mistura completa, conforme mostrado na equação 1 seguinte. Ë importante enfatizar que devem ser consideradas todas as cargas pontuais e não pontuais de fósforo. (L in L out ) = V s. A. [P] (1) L in = Carga afluente (Kg/ano) A = Área (m 2 ) L out = Carga efluente (Kg/ano) V s = velocidade de sedimentação (m/ano) [P] = concentração no lago (Kg/m 3 ) A velocidade de sedimentação significa não somente as perdas por sedimentação mas também o balanço entre todas as formas de cargas e perdas do sistema. As dificuldades de obter experimentalmente o valor de V s tem levado diversos autores a propor algumas metodologias para estima-la. Alguns pesquisadores tem expressado a velocidade de sedimentação como um parâmetro constante variando de 10 m/ano (Vollenweider,1976) a 16 m/ano (Chapra,1975). Outros preferem estima-la como uma função da profundidade, tempo de retenção ou carga de fósforo afluente, como mostrado nas equações 2,3 e 4 abaixo: V s = 0,69. Z (Jones and Bachman, 1976) (2) V s = 0,162. (P in / Z) 0,458 (Recckown and Chapra, 1979) (3) V s = 0,824. T w 0,546. Z (Walker, 1981) (4) Z = profundidade média (m) P in = Carga de fósforo (g / m 2.ano) T w = tempo de retenção (ano) Entretanto, diversos autores têm mostrado que lagos tropicais possuem mecanismos metabólicos mais acelerados que os encontrados em lagos temperados (Sallas and Martino, 1991; Von Sperling, 1992; 1993; 1996). Radiação solar e temperaturas mais altas aumentam a absorção de nutrientes pelas algas, o que reduz a disponibilidade de fósforo na coluna d água. Da mesma maneira, podemos esperar uma menor viscosidade da água, o que leva a uma maior velocidade de sedimentação de organismos e nutrientes, o que aumenta a capacidade de retenção de fósforo. Isto significa que os modelos propostos para uso em lagos temperados têm dificuldades para representar os resultados verificados em lagos tropicais. Por esta razão, CEPIS Centro Pan-americano de Engenharia Sanitária e Ciências Ambientais propôs algumas modificações no modelo para lagos temperados para adapta-lo para as condições tropicais. Os resultados mostraram que lagos tropicais com concentração de fósforo de 40 mg/m 3 teriam 70% de probabilidade de serem mesotróficos. Entretanto, ainda existiria 15% de possibilidade do reservatório permanecer eutrófico. Para reduzir esta possibilidade a zero, a concentração de fósforo na coluna d água deveria ser reduzida para 25 mg/m o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2327

4 A equação 5 seguinte traduz a melhor regressão dos dados oriundos de lagos tropicais, e pode ser utilizado como uma ferramenta bastante útil para avaliação de níveis tróficos desses lagos e planejamento de sua futura utilização. P in. T w 3/4 [P] = (5) 3.Z P in = Carga de fósforo (g / m 2.ano) [P] = Concentração de fósforo (g/m 3 ) A equação 5 acima mostra que a concentração de fósforo no lago seria somente dependente das condições de carga se as características físicas do lago (profundidade e tempo de retenção) forem constantes. Isto significa que a capacidade de retenção, i.e., a velocidade aparente de sedimentação é uma constante, não variando com as condições de carga, mesmo em um lago que esteja passando por uma forte redução de aporte de cargas, como o lago Paranoá. Correlação entre as concentrações de fósforo e clorofila Muitos estudos têm buscado correlações entre a concentração de fósforo na coluna d água e algum tipo de medida de biomassa fitoplantônica, como a clorofila a. Geralmente se obtém uma grande variança entre a melhor curva de regressão, trazendo dificuldades para realmente correlacionar essas duas variáveis. Diversas razões são atribuídas a este fato, tais como limitação de luz, absorção de nutrientes pelas algas, aplicação de algicidas, temperatura, formato do lago e outros. Alguns modelos são mostrados a seguir: [Chl a] = 0,37 [P] 0,79 (Vollenweider, 1981) (6) [Chl a] = 0,28 [P] 0,96 ( OECD, 1982) (7) [Chl a] = 0,92 [P] 0,09 (Stockner and Shortreed,1985) (8) [Chl a] = 337 [P] 1,21 (CEPIS, 1990) (9) [Chl a] = Concentração de clorofila (mg/m 3 ) Amostragens e métodos analíticos O lago Paranoá possui 11 pontos de amostragem, distribuídos entre os 5 braços do reservatório, conforme mostrado na figura 1 seguinte. As amostras são coletadas a 1 metro de profundidade, semanalmente, e analisadas segundo o Standard Métodos americano. Os dados utilizados nos estudos são referentes ao período de 1992 a Os resultados dos braços A e E, que possuem mais de um ponto de coleta, foram calculados considerando-se as áreas de influência de cada ponto, para definição de um único valor, de acordo com Freitas (1993). 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2328

5 Os dados dos tributários foram medidos semanalmente e usados para calcular as cargas de fósforo afluente. As cargas oriundas das estações de tratamento são medidas diariamente, através de amostragens compostas. Cargas difusas, descargas de águas pluviais e ligações clandestinas foram estimadas de acordo com Anjos (1991) e Teixeira Pinto (1995). Figura 1: Pontos de Amostragem. RESULTADOS E DISCUSSÃO Respostas do lago Paranoá à redução de cargas de fósforo A Figura 2 apresenta a quantidade de fósforo lançada no lago entre o ano de 1989 a 1998, separado nas diversas fontes. Atualmente o lago está recebendo apenas 25% da carga de fósforo que recebia antes da partida das estações terciárias de esgotos. Os esgotos de todas as cidades localizadas dentro da bacia do lago, que eram lançados sem tratamento nos tributários, foram conectados nos interceptores e encaminhados às estações de tratamento. No momento, 94% da população residente na bacia estão conectadas nas estações de tratamento. O restante permanece usando sistemas individuais de fossa séptica e sumidouro. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2329

6 Figura 2: Cargas de fósforo lançadas no lago Paranoá. Carga de Fósforo Carga de Fósforo (Kg/d) Difusas Pluvial and Cland. Tributários ETE's As cargas de fósforo lançadas em cada braço do lago, proveniente de diferentes fontes, ocorridas no ano de 1998 são ilustradas na Tabela 1. Tabela 1 - Carga de Fósforo em cada braço do lago (Kg/d) Fonte A B C D E TOTAL ETE's Tributários Cland + Pluvial Difusa TOTAL Braço Anterior A resposta do lago Paranoá à redução das cargas de fósforo é mostrado na figura 3 e 4 seguintes. Pode-se observar uma significante redução nas concentrações de fósforo na coluna d água, principalmente nos braços A e E, que apresentavam os maiores problemas. Da mesma maneira, a concentração de clorofila em todas as regiões do lago foram reduzidas, conseqüência da diminuição da concentração de nutrientes na coluna d água. Pereira e Cavalcanti (1996) mostraram outras significantes melhorias em outros parâmetros, tais como coliformes fecais, nitrogênio, transparência e oxigênio dissolvido. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2330

7 Figura 3: Concentração de Fósforo no Lago Paranoá. Fósforo Total CONCENTRAÇÃO (mg/m3) B raço A B raço E B raço C B raço B Objetivo = 25 mg/m3 20 B raço D ETE 1993Sul ETE 1994N orte ANO Figura 4: Concentração de Clorofila no Lago Paranoá. Clorofila B raço B B raço A B raço D 50 B raço C B raço E Objetivo = 10 m g/m ETE Sul ETE Norte Ano Relação entre carga de fósforo e concentração na coluna d água Kenney (1988) tem mostrado que o steady-state de um reservatório é conseguido somente após um período igual a 5 T w e portanto os modelos mencionados não seriam apropriados para uso com os dados atuais do lago Paranoá, que se encontra ainda em transformação. Entretanto, o lago Paranoá é bem segmentado, onde cada braço segue o seu próprio modelo hidráulico, com poucas interferências entre eles. A exceção é o braço C. o qual é parcialmente influenciado pelos 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2331

8 aportes dos quatro outros segmentos. Assim, com o objetivo de reduzir a possibilidade de interferência nos resultados, devido a uma situação de não steady-state, os dados de carga de fósforo e concentração na coluna d água foram trabalhados por segmento do lago, em bases anuais, o que garantiria um tempo de retenção para se chegar no mesmo ano a uma condição estabilizada, próximo daquela proposta por Kenney. Assim, as cargas de fósforo e as concentrações da coluna d água dos 5 segmentos do lago do período compreendido entre 1992 e 1998 foram plotados na Figura 5. Diferentemente do modelo do CEPIS, que assume uma correlação linear entre esses parâmetros, os dados do lago Paranoá apontaram para uma correlação logarítmica entre as cargas de fósforo e a concentração na coluna d água. Com objetivo de avaliar se esta metodologia estava adequada, os dados do lago Paranoá, como um todo, foram também plotados (quadrados vazados) na mesma figura. O erro foi insignificante. Figura 5: Carga x Concentração de Fósforo. P conc.(mg/m3) Lake Paranoa y = 24,155Ln(x) + 26,009 R 2 = 0, P-load (g/m2.y) Existem diversas razões para isso. O modelo do CEPIS assume que a velocidade de sedimentação é um parâmetro constante, que não varia com a carga aplicada. Podemos ver pela Tabela 2 que a velocidade de sedimentação, calculada através da equação 1, variou em cada ano e para cada segmento do lago, decrescendo a medida que as cargas de fósforo eram reduzidas e aumentando novamente nos últimos dois anos, quando as condições limnológicas do lago tinham sido completamente modificadas. Podemos até especular que as cargas internas, provenientes da liberação de fósforo do sedimento de fundo estejam sendo reduzidas com a melhoria das condições gerais do reservatório. O segundo aspecto é que os braços formadores do lago Paranoá não seguem o típico modelo hidráulico de mistura completa, assumido no modelo do CEPIS. Na verdade, o modelo de fluxo em pistão representa mais adequadamente os mecanismos hidráulicos que ocorrem nos braços do lago. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2332

9 Tabela 2 - Velocidade de Sedimentação (m/d) Ano Lago A B C D E ,11 0,24 0,14 0,04 0,07 0, ,09 0,20 0,13 0,02 0,07 0, ,08 0,17 0,09 0,02 0,05 0, ,10 0,21 0,12 0,04 0,05 0, ,10 0,21 0,06 0,04 0,05 0, ,14 0,32 0,09 0,03 0,05 0, (*) 0,65 0,03 0,08 0,04 0,18 (*) Freitas et al (1991) Relação entre a concentração de fósforo e a concentração de clorofila Podemos ainda observar pela Figura 5 que a concentração de clorofila vem também declinando a medida que a concentração de fósforo é reduzida, conforme esperado. Entretanto, observa-se que mesmo uma concentração de fósforo na ordem de 20 mg/m 3, o lago Paranoá ainda suporta uma concentração de clorofila de 30 mg/m 3, considerada alta para um lago mesotrófico. Existem algumas suposições para explicar esta situação. Bernhardt (1986) mostrou que lago com o formato de um longo funil, semelhante aos braços do lago Paranoá, podem desenvolver uma grande quantidade de algas. Isto ocorre porque, embora a carga de fósforo seja pequena para o lago como um todo, um tributário ou uma estação de tratamento descarregando nutrientes em uma pequena área, provocaria naquele local uma alta concentração de fósforo e consequentemente uma alta produção de algas, com efeitos negativos em todo o lago. Esta área funcionaria como um berçário de algas, suprindo todo o lago com clorofila. A segunda explicação está relacionada com o atingimento da concentração de fósforo limitante cujo valor induziria a uma redução significativa na concentração de algas. A figura 6 apresenta a relação entre a concentração de fósforo e de clorofila nos segmentos do lago Paranoá. Observa-se que as concentrações de clorofila começam a ser reduzidas em taxas mais aceleradas quando as concentrações de fósforo estão abaixo de 30/40 mg/m 3. Figura 6: Relação Fósforo x Clorofila 100 Chlorophyll ( g/l) 10 y = 35,285Ln(x) - 64,813 R 2 = 0, Phosphorus (µ g/l) 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2333

10 Carga crítica de fósforo e o impacto proveniente de novas áreas urbanas Como já mencionado, Sallas e Martino (1991), mostram que um reservatório localizado em regiões tropicais com concentração de fósforo de 40 mg/m 3 teria 70% de probabilidade de se manter em um estado mesotrófico. Entretanto, a concentração de fósforo ideal que levaria a probabilidade de eutrofização para zero, seria de 25 mg/m 3. Assim, a máxima tolerável carga de fósforo pode ser calculada pela equação 5 referente ao modelo CEPIS ou pelo modelo ajustado ao lago Paranoá, mostrado na figura 5, para cada segmento e para o lago como um todo, usando as características definidas por Freitas (1993). Os resultados são apresentados na Tabela 3 seguinte. Tabela 3 - Carga de Fósforo Máxima Tolerável (Kg/d) Modelo P-CONC. SEGMENTO (mg/m3) A B C D E LAGO Lake Paranoa CEPIS Comparação entre as Tabelas 1 e 3 mostra que o braço A terá dificuldades em atingir a concentração de fósforo de 40 mg/m 3 desejada e os braços B e E estão muito próximo de seus limites. Se as hipóteses de Benhardt sobre os efeitos causados por cargas localizadas forem corretas, o lago Paranoá poderá se manter eutrófico devido às cargas de nutrientes lançadas no braço A. A Tabela 4 seguinte apresenta o balanço de cargas das áreas urbanas existentes e em consolidação, bem como os novos empreendimentos urbanos em estudo de implantação na bacia do lago Paranoá. Foram considerados que todos os esgotos produzidos na bacia teriam tratamento terciário (90% de remoção de fósforo) ou exportados para outra bacia. Tabela 4 - População e Carga de Fósforo População ETE's e Trib Dif.and Pluv. Total (habitants) (Kg/d) (Kg/d) (Kg/d) Atual (1998) 535, Areas em consolidação 350, Total em consolidação 886, Novos assentamento em estudo 60, (esgotos exportados) Novos assentamentos em estudo 200, (esgotos tratados na bacia) Total 1,148, Comparando as Tabelas 3 e 4 observa-se que a carga máxima para manter o lago Paranoá em um estado mesotrófico é de 186 Kg/d enquanto que o aporte total das áreas atuais em consolidação está na ordem de 156 Kg/d. Isto significa que, considerando o lago como um todo, o programa de recuperação é capaz de colocar a qualidade das águas do lago em condições apropriadas para recreação. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2334

11 Entretanto, se todos os novos assentamentos, que estão em estudos no momento, forem implementados, a carga de fósforo máxima tolerável será excedida. Acrescenta-se a isto, o fato de que a maioria desses novos assentamentos urbanos estarem localizados na área de drenagem do braço A, segmento mais comprometido do lago. Portanto, uma avaliação cuidadosa deve ser feita antes da localização de novas áreas urbanas, de modo a produzir o menor impacto na qualidade das águas do lago. CONCLUSÃO O lago Paranoá é um dos primeiros lagos tropicais a sofrer uma forte redução no aporte de nutrientes, após um longo período de eutrofização. A operação das novas estações de tratamento de esgotos terciárias e o esgotamento sanitário da bacia têm causado uma considerável melhoria na qualidade de suas águas, permitindo que a população volte a usar o lago para recreação. Experiências como esta permitem obter importantes informações a respeito dos mecanismos envolvidos na recuperação de um lago tropical. Os dados existentes permitem estimar a carga de fósforo máxima tolerável para manter a qualidade das águas do lago aptas para recreação (estado mesotrófico). Assumindo que todo os esgotos produzidos na bacia serão tratados a nível terciário ou exportados para outra bacia, as áreas urbanas existentes e em consolidação produzirão uma carga de fósforo menor que o limite crítico, considerando-se o lago como um todo. Entretanto, analisando separadamente cada região do lago, verifica-se que o braço A já ultrapassou o seu limite crítico e portanto dificilmente será possível reverter o seu estado sem que sejam desviadas algumas de suas cargas para outras áreas do lago ou exportadas para outra bacia. Isto significa que, mesmo não atingindo a carga de fósforo máxima tolerável para o lago como um todo, poderemos ter dificuldades em reduzir as concentrações de clorofila na coluna d água em todas as regiões do lago, aos níveis necessários para mante-lo no estado mesotrófico. Assim, a pressão para implantação de novas áreas urbanas na bacia, principalmente na região drenada pelo braço A (Riacho Fundo) precisa ser controlada, uma vez que a carga de fósforo produzida por esses novos assentamentos em estudo ultrapassará o limite crítico, mesmo que todos os esgotos sejam tratados a nível terciário. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Anjos, E.F.S.; Borges,M.N.; Ferreira,V.AP (1991) Uso do solo e cargas de nutrientes na bacia hidrográfica do Lago Paranoa. Internat. Conf. on Eutrophication and Water Supply - Brasilia. 2. Bernhardt, H. (1981). Recent developments in the field of eutrophication prevention. Z.Wasser Abwasser Forsch, 14 (1), Bernhardt, H. and Clansen, J. (1982). Thoughts on using the results of the OECD examination program in lake protection. IWSA Spec.Conf.in Eutrophication, Laxenburg. 4. Bernhardt, H. (1983). Imput control of nutrients by chemical and biological methods. Wat.Supply, 1 (1) Bernhardt, H. (1986). Strategies for lake sanitation. Int.Conf. on lake restoration, Zurich 6. Bjork. S. (1979) The lake Paranoa restoration project.brasilia - Brazil. Tecnical Report Project PAHO/WHO 87/PW/BRA/2341/04, 45 pp 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2335

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