PRINCIPAIS TECNOLOGIAS EMPREGADAS NO POLIMENTO DO EFLUENTE DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO

PRINCIPAIS TECNOLOGIAS EMPREGADAS NO POLIMENTO DO EFLUENTE DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO Fabrícia Fafá de Oliveira (1) Engenheira Civil - UFES (1988), Mestre em Engenharia Ambiental - UFES (1996), Prof. do Departamento de Hidráulica e Saneamento Centro Tecnológico UFES desde Março/1998 Ricardo Franci Gonçalves Engenheiro Civil e Sanitarista - UERJ (1984), Pós-Graduado em Eng a de Saúde Pública - ENSP/RJ (1985), DEA Ciências do Meio Ambiente - Universidade Paris XII, ENGREF, ENPC, Paris (1990), Doutor em Engenharia do Tratamento e Depuração de Águas - INSA de Toulouse, França (1993), Prof. Adjunto do DHS e Coordenador do Programa de Mestrado em Engenharia Ambiental - UFES Endereço (1) : DHS - CT / UFES - Caixa Postal 01-9011 - Vitória - ES - CEP: 29060-970 - Brasil - Tel/Fax: (027) 335-2648 - e-mail. fafaoli@zaz.com.br RESUMO O presente trabalho discute as principais tecnologias aplicadas no polimento de efluentes de lagoas de estabilização, principalmente no que diz respeito à remoção de algas e nutrientes (N e P). São apresentados os processos mais conhecidos (filtros de pedra submersos, filtração intermitente em areia, escoamento superficial em gramíneas, lagoas terciárias e processos físico-químicos), e os novos processos (micropeneiras e Processo Petro*). Também são abordadas as tecnologias da microfiltração e dos Biofiltros Aerados Submersos, pesquisados recentemente para esse uso e apresentando resultados bastante satisfatórios. PALAVRAS-CHAVE: Lagoas de Estabilização, Polimento, Remoção de Algas, Defosfatação, Nitrificação Terciária. INTRODUÇÃO A constatação do processo de eutrofização em muitos corpos receptores, principalmente aqueles que servem como manancial de água para abastecimento público, levou a uma melhor avaliação com relação aos efluentes neles lançados. Buscando garantir a qualidade dos seus corpos d'água em áreas consideradas sensíveis, desde o início dos anos 80 diversos países em todo o mundo vêm estabelecendo padrões de lançamento mais exigentes (DQO < 90 mg/l e SST < 30 mg/l). As lagoas de estabilização se constituem numa das tecnologias mais simples e baratas empregadas no tratamento de efluentes líquidos, principalmente em regiões de clima quente, o que favorece o seu bom funcionamento. As baixas eficiências que apresentam com relação à remoção dos nutrientes N e P (entre 30 e 40 %) e as elevadas ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 402

concentrações de algas no seu efluente (fonte de nitrogênio e fósforo nas formas orgânicas) fazem com que esse tipo de tratamento não se adeque a padrões de qualidade muito restritivos. Nesse intuito, diversas tecnologias foram desenvolvidas e aplicadas no polimento dos efluentes de lagoas de estabilização. Experiências recentes indicam a possibilidade de remoção conjunta de algas e nutrientes (N e P) do efluente de lagoas facultativas: tratamento físico químico (Rocha, Roriz, Veronez e Gonçalves - UFES, 1998), e a utilização de reatores com biofilmes com destaque para os filtros biológicos percoladores (Meiring et al, 1995) e biofiltros aerados submersos (Oliveira e Gonçalves - UFES, 1996). PRINCIPAIS TECNOLOGIAS EMPREGADAS NO POLIMENTO DE LAGOAS As principais tecnologias abordadas a seguir são: Filtro de Pedra Submerso Middlebrooks (1988) apresenta informações detalhadas sobre a operação dos filtros de pedra no polimento do efluente de lagoas em diversas localidades nos E.U.A. Segundo o autor, nas regiões em que os teores de N-NH 4 + passaram a ser considerados importantes pelos órgãos de controle ambiental, a tecnologia caiu em desuso por não serem capazes de remover este composto (Middlebrooks, 1988). De simples operação e baixo custo, consiste em fazer passar o líquido a ser tratado por um leito, normalmente formado por pedras de 100 mm de diâmetro, com profundidade variando entre 1,5 e 2,0 m. A remoção das algas ocorre por deposição na superfície e nos vazios das pedras, onde são acumuladas e degradadas biologicamente, liberando nutrientes que serão utilizados para o crescimento de bactérias aderidas à superfície dessas pedras. Efluentes finais com concentrações abaixo de 30 mg/l podem ser produzidos, sendo que sua eficiência pode variar extensamente ( Middlebrooks, 1988). Após avaliar a operação de 13 sistemas de filtros de pedras, a Illinois Environment Protection Agency concluiu que os mesmos apresentam efluentes com concentrações médias de 30 mg/l em DBO 5 e 37 mg/l em SS para uma carga hidráulica máxima de 0,80 m 3 /m 3.d. Apesar de serem uma tecnologia de baixo custo de implantação e operação, suportam baixas cargas hidráulicas e não são capazes de remover nutrientes em situações onde a qualidade do corpo receptor quanto à concentração de nutrientes for mais restritiva. Durante algum período do ano podem exalar cheiro desagradável. Filtração Intermitente em Areia Similar aos filtros lentos de areia para tratamento de água potável e de esgoto bruto, consiste na aplicação, do efluente de lagoas em áreas com leito filtrante de areia, com diâmetro efetivo entre 0,20 e 0,30 mm e coeficiente de uniformidade menor que 7,0. A profundidade do leito filtrante deve ser de no mínimo 45 cm, acrescido de quantidade suficiente para no mínimo um ano de ciclo de limpeza (Middlebrooks, 1995). A remoção das algas ocorre pela combinação dos processos de filtração física e degradação biológica. A retenção progressiva desses sólidos no topo do leito leva à sua colmatação, o ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 403

que demanda a remoção da camada superior (de 5 a 8 cm) para que a filtração volte a ocorrer na sua totalidade. A areia removida pode ser lavada e reaproveitada, ou simplesmente descartada. Para limpezas manuais a área superficial do filtro não deve ser superior à 90 m 2, e com equipamentos mecânicos, essa área pode ser elevada para acima de 5000 m 2. A Tabela 1, à seguir, apresenta os resultados obtidos por Rich e Wahlberg (1990) para um sistema de lagoa facultativa seguida de filtro intermitente de areia. Tabela 1 - Características de projeto e qualidade do efluente de um sistema de lagoa facultativa seguida de um filtro intermitente de areia Q projeto (m 3 /d) Tempo det. hid. (d) Carga hid. (m 3 /m 2.d) DBO 5 (g/m 3 ) SST (g/m 3 ) N-NH 3 (g/m 3 ) 303 56 0,03 28 41 4,0 303 70 0,37 22 29 1,2 568 59 0,47 17 30-378 52 0,37 21 25 2,4 568 55 0,31 17 16 5,4 FONTE - Rich e Wahlberg ( 1990 ) As cargas hidráulicas superficiais típicas dessa tecnologia variam de 0,37 a 0,56 m 3 /m 2.d. Quando a concentração de sólidos na entrada for superior a 50 mg/l, essas cargas devem ser reduzidas para 0,19 a 0,37 m 3 /m 2.d. A aplicação desse sistema pode ser limitada quando não houver disponibilidade de área e quando for necessário remover nutrientes. Micropeneiras O processo é caracterizado pela passagem do líquido de dentro para fora de um tambor rotativo coberto por uma micropeneira. O material coletado no interior da parede é lavado com jatos pressurizados de água ou do seu próprio efluente. Segundo Kormanik e Cravens (1978), a água necessária para a lavagem equivale à 1% da vazão, e a taxa máxima aplicada é limitada pela perda de carga na tela. As micropeneiras capazes de produzir um efluente com concentrações de sólidos suspensos inferiores a 30 mg/l são as de poliéster, com diâmetro de 1 µm. Harrelson (1982) obteve bons resultados (SS e DBO 5 < 30 mg/l) operando com cargas hidráulicas entre 60 e 120 m 3 /m 2.d. Critérios típicos de dimensionamento incluem cargas hidráulicas superficiais entre 90 e 120 m 3 /m 2.d, e perdas de carga acima de 60 cm. As micropeneiras suportam cargas hidráulicas elevadas mas, além de não removerem nutrientes, apresentam custo elevado de implantação e operação. Processo PETRO* Processo desenvolvido por Meiring et al (1995), compreende um sistema composto por um reator aeróbio/anaeróbio com câmara de fermentação, seguido de lagoa de estabilização, filtro percolador e tanque de sedimentação de lodo. O lodo em excesso, proveniente da câmara de fermentação, deve ser disposto num leito de secagem. O ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 404

processo remove algas por adsorção no biofilme que se desenvolve sobre o meio suporte do filtro percolador. Isso é possível graças à alimentação mista (efluente de lagoas e efluente do tanque anaeróbio), que permite o desenvolvimento de um biofilme predominantemente heterotrófico, capaz de adsorver algas. A Tabela 2 apresenta os resultados obtidos em Kanyamazane (África do Sul) com dois filtros percoladores operando em paralelo. Tabela 2 - Processo PETRO* operando com dois filtros percoladores em paralelo em Kanyamazane (Agosto, 1994) Parâmetro Efl. Lagoa Saída Filtro 1* Saída Filtro 2** SS (mg/l) 46 23 28 DQO (mg/l) 150 96 80 DQOf (mg/l) - 36 28 NKT (mg/l) 28 5,6 5,6 N-NH 3 (mg/l) 24 4,0 3,8 N-NO 3 (mg/l) 0,3 26 31 * Alta carga ** Baixa Carga FONTE - Meiring ( 1995 ) Além de remover algas, o processo PETRO* nitrifica efluente de lagoas. Por suportar baixas taxas, e ser composto por uma série de unidades, demanda uma área considerável para a sua implantação. Escoamento Superficial em Gramíneas Tecnologia de fácil operação, recomendada principalmente em terrenos de baixa permeabilidade, e com lençol freático a mais de 0,90 m de profundidade. O esgoto a ser tratado é lançado por meio de aspersores na parte superior de um plano inclinado coberto por gramíneas. O efluente final é recolhido em uma calha na parte inferior, seguindo para o corpo receptor. À medida em que escoa, o esgoto é tratado por processos físicos, químicos e biológicos. As algas retidas se decompõem e liberam nutrientes que serão utilizados no crescimento das gramíneas. As taxas superficiais aplicadas para efluente de lagoas variam entre 2,5 a 9,0 cm/d (0,025 a 0,09 m3/m2.d) (Paganini, 1997). A declividade do terreno deve estar entre 1 e 1,6 % (Mara, 1992) e 2 e 8% (Paganini, 1997). A Tabela 3, abaixo, apresenta a qualidade do efluente obtido em estações já em operação, tratando efluente de lagoas. Os resultados obtidos são bem dispersos, variando conforme a taxa de aplicação superficial, período e freqüência de aplicação e qualidade do efluente da lagoa. Uma melhor eficiência foi observada para uma taxa de aplicação superficial de 1,27 cm/d (0,013 m 3 /m 2.d), período de aplicação de 18 horas por dia, e freqüência de aplicação de 5 dias por semana. Diversos estudos já foram realizados para a disposição final da biomassa produzida (grama cortada na manutenção dos terraços), com destaque para o reaproveitamento na alimentação de bovinos (experiência em Populina, SP). Exames clínicos mostraram que os animais permaneceram em condições ótimas para alimentação, dentro de limites estabelecidos pela O.M.S. (Paganini,1997). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 405

Tabela 3 Resultados operacionais do processo de escoamento superficial tratando efluente de lagoas em diversas localidades Taxa aplic. DBO (mg/l) SS (mg/l) N-NH4 + (mgn/l) Pt (mgp/l) Localização (cm/d) Ent. Saída Ent. Saída Ent. saída Ent. saída Paulus Valley 1,66 27.7 20.5 114 72.8 1.7 0.4 6.3 5.1 (Oklahoma) 1,27 22 3.5 30 5.5 15.6 0.1 10.3 4.9 Utica 2,54 22 4.0 30 8.0 15.6 0.8 10.3 6.1 (Mississipi) 2,54 22 5.5 30 13.0 15.6 0.7 10.3 5.9 5,08 22 7.5 30 13.0 15.6 1.1 10.3 8.2 1,27 22 8.6 30 6.4 15.6 0.8 10.3 7.1 Easley (South Caroline) 3,58 28 15.0 60 40.0 1.0 0.4 3.8 2.2 FONTE : USEPA É uma tecnologia que requer uma área muito grande para a sua aplicação mas, além das algas, é possível remover amônia nesse processo. Tem sido aplicado principalmente em pequenas cidades onde há disponibilidade de terrenos de baixo custo, sendo que Brasília já possuiu algumas ETEs em início de operação. Lagoas terciárias (ou de maturação) Geralmente são lagoas projetadas para remover organismos patogênicos. Têm sido muito aplicadas em regiões de temperatura mais elevada, que aliada ao ph também elevado (intensa atividade algal) consistem nos principais mecanismos de remoção. Possuem profundidade variando entre 1 e 1,5 m, e recebem efluente com baixa carga orgânica, proveniente de tratamentos secundários. Podem remover nitrogênio através da volatilização da amônia (ph elevado) e assimilação do nitrogênio orgânico pelas algas (Maynard et al,1999). No entanto, apresentam elevada população de algas que se reflete em elevadas concentrações de SS e DQO no efluente. Diversas modificações na configuração das lagoas terciárias foram propostas no intuito de melhorar a qualidade do efluente, destacando-se a ETE Samambaia DF (Pinto et al, 1997). Nela foram inseridas chicanas na lagoa de maturação com o objetivo de reduzir a concentração de algas e patogênicos. Os resultados obtidos foram satisfatórios no que diz respeito aos coliformes (9x10 2 NMP/100 ml), mas as concentrações de 96 mg/l de SS e 153 mg/l de DQO continuaram superiores aos padrões mais rigorosos, ou seja, 30 mg/l e 90 mg/l respectivamente Microfiltração Motivados pelos bons resultados obtidos no uso da microfiltração em tratamento de esgoto (Aim et al,1988, Bindof f et al, 1988, Al-Malack and Anderson,1997), Al- Malack et al (1998) realizaram testes em laboratório utilizando uma membrana multifilamentosa de fios de poliéster (poros de tamanho entre 20 e 40 µm) com o objetivo de remover algas e microorganismos. Também foi testada a aplicação de coagulante para implementar a eficiência do tratamento. Os resultados obtidos mostraram ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 406

uma remoção de 100 % das algas predominantes e microorganismos patogênicos do tipo S. faecalis. A aplicação de coagulante afetou o fluxo através dos poros, e foi atribuído a aglomeração das partículas de alimentação. Biofiltro Aerado Submerso Tecnologia testada por pesquisadores da UFES (Oliveira e Gonçalves, 1996) no polimento final de efluentes de lagoas de estabilização facultativas (LF) na região de Anchieta e Vitória (ES). Os testes foram realizados em um reator biológico (biofiltro) com 200 mm de diâmetro e 3,5 m de altura, dotado de um meio granular flutuante (Figura 01). A tecnologia baseia-se na introdução de esgoto na base do reator, que atravessa em fluxo ascendente um leito filtrante, de 2,5 m de altura, composto por pequenas bilhas de poliestireno (diâmetro entre 3 e 6 mm) totalmente aerado e mantido flutuante no interior do reator por uma placa perfurada situada na sua parte alta. A carga hidráulica imposta foi de 1,9 m/h (45,6 m 3 /m 2.d), sendo mantida constante durante todo o período de testes. Figura 01 Piloto Biofiltro Aerado Submerso Coluna alimentação Biofiltro aerado Compressor Efluente tratado Lodo lavagem Lagoa facultativa O biofiltro operou segundo diversas configurações de alimentação (efluente lagoas e mistura de eflluente lagoas com esgoto bruto) e aeração (com e sem aeração), com vistas à remoção de algas e nitrificação terciária. Os melhores resultados obtidos estão apresentados na Tabela 4, à seguir, e se referem ao reator aerado e alimentado pela mistura de efluente de lagoa e esgoto bruto. Verificou-se uma eficiência média de 54 % na remoção de SS, para uma carga volumétrica média aplicada de 1,4 Kg SS/m 3.d. As taxas volumétricas médias de nitrificação situaram-se em torno de 0,47 KgN- NH 4 + /m 3.d (25 o C), com as concentrações médias de 20 mg N-NH 4 + /l na entrada do BF sendo reduzidas para valores abaixo de 1 mgn-nh 4 + /l na saída. Tabela 4 - Teores de SS e DQO na entrada e saída do BF ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 407

Parâmetro SS (mg / l) DQO (mgo2 /l ) + N-NH 4 (mgn /l ) Ptotal (mgp /l ) Ent. saída Ent. Saída Ent. saída Ent. saída N 46 46 18 10 Média 71 31 207 85 23,7 3,0* 2,3 1,5 Dp 40,4 16,7 79 47 8,2 3,3 0,3 0,6 *teor médio elevado devido a período em que houve carência de alcalinidade FONTE : Oliveira e Gonçalves, 1996 O lodo proveniente da lavagem do leito filtrante é formado por algas e biofilme (despreendido do leito), de constituição orgânica e boa decantabilidade. Uma opção para seu tratamento seria a sua recirculação para a entrada da lagoa, permitindo assim uma zona de desnitrificação (Oliveira,1996). A qualidade do efluente produzido pelo BF atende a padrões mais restritivos, inclusive no que tange a remoção do nitrogênio amoniacal (nitrificação). Suportam cargas hidráulicas muito superiores aos outros processos, o que reflete numa demanda muito menor de área para a sua implantação, podendo ser inserido dentro da área da lagoa. Apresenta como desvantagem a necessidade de aeração contínua, o que eleva seu custo operacional. Processos Físico-Químicos Ensaios com coagulação/floculação/decantação foram realizados por Friedman et al (1977), apresentando eficiência acima de 80 % quando foram utilizados como coagulantes cal e alumínio em laboratório, e 95% para alumínio e magnésio no campo (Tabela 5). Tabela 5 - Polimento via coagulação/floculação seguida de sedimentação Ensaios Em Laboratório Ensaios no Campo Produto Efic.remoção Efic.remoção Dosagem PH SS (%) Dosagem ph SS (%) Cal 300-500 11,5-11,8 80 95 - - - Alumínio - < 7 80 95 20* 5-7 95* Magnésio - - - 10** 11 95** * Para 50 mgss/l ** Para 120 mgss/l FONTE - Friedman et al (1977) Piotto (UFES, 1995) realizou os primeiros estudos de utilização do lodo regenerado de ETA s (4 % de sólidos e concentração de Al = 38,7 mg/ml) como coagulante no tratamento físico-químico. Os resultados indicaram a viabilidade do produto, atingindo padrões mais rigorosos de qualidade (DQO < 90 mg/l e SST < 30 mg/l) para dosagens de 100 mg/l (Tabela 6). Estudos em laboratório estão sendo realizados pela equipe do Dep. Hidráulica e Saneamento da UFES utilizando efluentes de lagoas facultativas coletados nas ETEs Camburi 90.000 hab. (Vitória, ES) e Maringá 2.000 hab (Serra, ES). Diversos coagulantes foram testados, com destaque para o lodo regenerado de ETA s, e ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 408

policloretos W8044 e W8049. A Tabela 7, abaixo, mostra os melhores resultados obtidos após a realização de diversas campanhas. Tabela 6 - Resultados obtidos em ensaios com lodo regenerado de ETA DQO (mg/l) SS (mg/l) Dosagem (mg/l) EL EFQ EL EFQ 60 202 96 179 69 80 202 65 179 50 100 202 48 179 29 120 202 38 179 8 140 202 26 179 4 EL Efluente lagoa EFQ Efluente físico-químico FONTE : Piotto (1995) Tabela 7 Resultados melhor campanha usando efluente da ETE Camburi Dose DQO (mg/l) SST (mg/l) Pt (mg/l) Volume lodo Produto (mg/l) Ent. Saída Ent. Saída Ent. Saída (ml/l) LR 60 293 59 166 30,5 5,41 0,28 37 W8044 60 293 36 166 15,5 5,41 0,45 50 W8049 40 293 51 166 30 5,41 0,88 44 LR lodo regenerado ETA s FONTE : Rocha et al (1998) Os valores encontrados indicam um excelente desempenho do processo físico-químico na remoção de algas de efluente de lagoa de estabilização, com destaque para a remoção do fósforo que é fator limitante no processo de eutrofização dos corpos d água. Valores de SS e DQO abaixo de 30 e 90 mg/l, respectivamente, foram obtidos utilizando uma dosagens de 60 mg/l de lodo regenerado de ETA s. Os policloretos necessitaram de dosagens menores, porém apresentaram maior produção de lodo. Friedman et al (1977) obtiveram bons resultados em ensaios com a flotação precedida de coagulação/floculação (Tabela 8). Sua maior vantagem frente à decantação está na menor dimensão do tanque separador, já que seu tempo residência necessário situa-se entre 7 e 20 min. Entretanto, a decantação não exige o uso de equipamentos de injeção de ar, tornando o sistema mais simples no que diz respeito à operação e manutenção. Tabela 8 - Polimento via coagulação/floculação seguida de flotação Ensaios em Laboratório Ensaios no Campo Produto Dosagem (mg/l) Conc.afl. algas Eficiência remoção SS Dosagem (mg/l) Conc.afl. Algas Eficiência remoção SS (%) (mg/l) (%) (mg/l) Cal 500 250 >92 - - - Alumínio 300 250 90 300 77 72* Magnésio - - - 8 60* 69 ph = 10,9 FONTE - Friedman et al (1977) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 409

A implantação da tecnologia no fluxograma da ETE é relativamente simples, não necessitando de grandes investimentos em obras. Deve-se ressaltar também os excelentes resultados obtidos com a aplicação de lodo regenerado de ETA s como coagulante, se apresenta como uma interessante opção para o descarte desses lodos, geralmente lançados nos corpos d água sem nenhum tratamento. Sua aplicação pode ser limitada quando o tratamento e disposição final de lodo gerado (quantidade e qualidade) for um problema frente aos produtos químicos nele contidos. CONCLUSÕES O presente trabalho abordou as principais tecnologias aplicadas no polimento de efluentes de lagoas de estabilização, que se encontram resumidas no Quadro 01. Quadro 01 Resumo principais tecnologias aplicadas no polimento do efluente de lagoas Taxa Apl. Qualidade do Efluente Tecnologia (m 3 /m 2.d) SS (mg/l) DBO(mg/l) DQO (mg/l) OBS Filtro pedra submerso 0,8 37 30 - - Filtração intermitente em areia 0,37* 25 21 - Micropeneiras 60 a 120 < 30 < 30 - Processo PETRO* - 23-96 nitrificação Gramíneas 0,013 5,5 3,5 - nitrificação Lagoas terciárias - 96-153 remove coliformes remove 100 % algas e S. faecalis Microfiltração - - - - Biofiltro aerado submerso 45,6 31-85 nitrificação Físico-químico** 75 30,5-59 defosfatação * tempo detenção hidráulica=52 dias ** decantação e lodo regenerado como coagulante A aplicação de uma ou outra tecnologia deve levar em conta a disponibilidade de área, a qualidade requerida para o efluente e o custo / benefício para a sua construção e operação. Com relação à remoção de organismos patogênicos as lagoas terciárias e a microfiltração apresentaram os melhores resultados. Em função do estabelecimento de limites mais rigorosos para qualidade dos efluentes, incluindo os nutrientes N e P como alvo de restrição, destacam se o processo PETRO*, os Biofiltros Aerados e os processos físicoquímicos. No que se refere à remoção do fósforo, fator limitante no processo de eutrofização dos corpos d água, os processos físico-químicos se destacam. BIBLIOGRAFIA 1. EPA (1973) - Upgrading lagoons. EPA/625/4-73/001b. Technology Transfer Seminar Publication, Environmental Protection Agengy, USA 2. Gonçalves, R.F. e Oliveira, F.F. (1995) - Improving the effluent quality of facultative ponds by means of submerged aerated biofilters, Wat. Sci. Tech., Vol. 33, n o 3, pp. 145-152, 1996 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 410

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