11-Reactores anaerobios

REACTORES ANAEROBIOS

TRATAMIENTO DE EFLUENTES Curso 2012

2

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REACTORES ANAEROBIOS GENERALIDADES:

Los Los re reac acto tore res s anae anaero robi bios os pued pueden en ser ser util utiliz izad ados os par para trat tratar ar efluentes domésticos o industriales industrial es con altas cargas orgánicas. Pueden utilizarse solos o con unidades de pos-tratamiento para producir un efluente final adecuado para su disposición final. Ventajas: bajo consumo de energía (no requiere aporte O2, Ventajas: posibilidad posibili dad de recuperar recuperar CH4, lodo obtenido ya estabilizado) Desventajas: largo período de arranque si no se utiliza inóculo (4-6 meses), sensibilidad a variación de condiciones ambientales, menor eficiencia en remoción de MO que sistemas aerobios.

REACTORES ANAEROBIOS TRATABILIDAD DE LOS EFLUENTES:

Los compuestos presentes en el afluente pueden ser clasificados clasifi cados como de degradación fácil, difícil difí cil o no degradables. DQO cel DQO total

DQO bd

DQO rec

DQO

DQO cel DQO

CH4

DQO

AGV

DQO rem

AGV

DQO rec

DQO rec

DQO no rem

DQO total afluente: puede dividirse en la porción biodegradable DQObd (degradable biológ. en condiciones anaerobias) y la que no puede ser degradada por las bacterias (DQO recalcitrante) La MO biodegradable bi odegradable será será consumida por los microorg. fermentativos, siendo convertida en células y ác.grasos volátiles. volátil es. La mayor parte de los l os ác.volátiles serán transformados en CH4

REACTORES ANAEROBIOS DIGESTION ANAEROBIA:

MO - compuestos orgánicos complejos (carbohidratos, (carbohidratos, proteínas, lípidos)

Hidrólisis

compuestos orgánicos simples (azúcares, aminoácidos, etc)

Acidogénesis

ácidos orgánicos (acetato, propianato, butirato, etc)

Acetogénesis acetato + H2 + CO2 Metanogénesis H2S + CO2

CH4 + CO2

Se debe garantizar un adecuado equilibrio equil ibrio entre las comunidades de bacterias que intervienen (Obs: sensibilidad de las metanog.)

REACTORES ANAEROBIOS Inhibición de las bacterias metanogénicas: pH - rango para el desarrollo 6-8 Ac.volátiles – si pH sale de rango las metanog.se inhiben pero las acidogénicas continúan su actividad (se generan >> ác.volátiles) y el reactor se acidifica Alcalinidad – importante ya que controla las variaciones de pH; si no fuera suficiente se dosifica alcalinizante Tóxicos – las sales (Na, K, etc), el amonio y los sulfuros, en altas concentraciones, así como los metales pesados pueden inhibir el proceso. Debe haber ausencia de OD. Otros requisitos ambientales: - Nutrientes: macronutrientes (N, P, S) y micronutrientes (Fe, Zn, etc) en proporciones adecuada - Temperatura: rango mesófilo (30-35°C) o termófilo (50-55ºC)

REACTORES ANAEROBIOS CINETICA DE LA DEGRADACION ANAEROBIA:

Crecimiento bacteriano: La velocidad de crecimiento de los microorganismos es proporcional a la vel.utilización de sustrato: dX/dt = Y . dS/dt La velocidad de crecimiento de los microorganismos proporcional a la conc.de microorg. y depende del sustrato: - Cuando el crecimiento se da sin limitaciones: dX/dt = m . X - Cuando existen limitaciones del sustrato presente: dX/dt = mmáx . S/(Ks+S) . X m = mmáx . S/(Ks+S) Siendo: X = microorganismos (mg SSV/l) S = concentración de sustrato (mgDQO/l) Y = prod.biomasa por unidad sustrato (mgSSV/mgDQO) m = vel.crecimiento celular (d -1) mmáx = vel.crecimiento máxima (d -1) Ks = cte.saturación de sustrato (S para m = 0.5mmáx)

es


Decaimiento bacteriano: dX/dt = -Kd . X

con Kd = coef.de respiración endógena (d-1)

Crecimiento resultante: dX/dt = mmáx . S/(Ks+S) . X - Kd . X Siendo:X = microorganismos (mg SSV / l) m = tasa crecimiento (d -1) mmáx = tasa crecimiento máxima (d -1)

S = concentración de sustrato limitante (mg/l) Ks = oncentración de sustrato para la cual m = 0.5mmáx


Coeficientes cinéticos: población bacteriana

mm

Y Ks tasa metaboliz. (d-1) (gSSV/gDQO) (mgDQO/l) (gDQO/gSSV.d)

acidogénicas

2.0

0.15

200

13

metanogénicas

0.4

0.03

50

13

pobl.mixta

0.4

0.18

---

2

Se debe tener cuidado al aplicar los valores de la tabla ya que los mismos no se ajustarán al funcionamiento del real del reactor (características del tipo de sustrato, la población bacteriana y las condiciones ambientales)

REACTORES ANAEROBIOS EVALUACION DE LA ACTIVIDAD MICROBIANA:

El desempeño del proceso de tratamiento anaerobio depende del mantenimiento, dentro de los reactores, de una biomasa adaptada, con elevada actividad microbiológica. biogas Para evaluar la actividad microbiana se utiliza el test de AME (Actividad Metanogénica Específica), con el cual se determina la capacidad de la biomasa para convertir sustratos en CH4 y CO2. Test de AME:

sol. de NaOH

biogas

Ensayo de laboratorio donde se mide el metano liberado, por desplazamiento de volumen (es una medida indirecta). Se intenta repetir el proceso de degradación anaerobia del lodo, en un recipiente de ensayo, para evaluar la producción de metano. El ensayo se realiza en condiciones estandar.

lodo nutr. sustr. frasco de probeta reacción graduada


Insumos necesarios para el test: - lodo anaerobio a evaluar - sustrato orgánico (acetato de sodio) - solución de nutrientes - disp.controlador de temp.(estufa, baño maría) - dispositivo de mezcla (agitador) - dispositivo de medición de producción de gases Descripción del test: - medir sólidos volátiles del lodo a evaluar - colocar lodo + nutrientes en frasco reacción - purgar el O2 (con N2 gas) y agregar el sustrato - agitar y registrar vol.gas a lo largo del tiempo CO2 : se disuelve en la solución de NaOH CH4 : burbujea (desplaza NaOH a la probeta)

biogas sol. de NaOH

biogas

lodo nutr. sustr. frasco de probeta reacción graduada

REACTORES ANAEROBIOS CONFIGURACION DE REACTORES:

La selección de la configuración del reactor depende de: TDH, qc, carga orgánica e hidráulica, factores ambientales, disponibilidad de área, etc. En todos los casos es importante favorecer el contacto del líquido afluente con la biomasa activa en el reactor (para promover una degradación más eficiente). Los diseños con sistema de retención de biomasa permiten aumentar qc, reduciendo el TDH. Sistemas convencionales: C argas volumétricas bajas, altos TRH, no cuentan con mecanismos de retención de sólidos. Sistemas de alta tasa: C uentan con mecanismos de retención de biomasa (crecim.disperso o crecim.adherido), lo que permite operar con bajos TDH y altos qc.

REACTORES ANAEROBIOS Inmobilización de biomasa: Crecimiento disperso: Los microorganismos se adhieren y agregan unos a otros formando flocs o gránulos que se mantienen suspendidos en el reactor debido a las condiciones hidráulicas. Crecimiento adherido: Las bacterias se adhieren a un medio soporte formado por material inerte como arena, piedra, plástico. Al favorecer el desarrollo y retención de gran cantidad de microorganismos en el reactor, se logran altas velocidad de tratamiento, lo que permite aplicar altas cargas orgánicas en tanques de volumen reducido. Carga orgánica aplicada: CO = Q.S Carga orgánica máxima admisible: COmáx = V.X.AME (AME = activ. metanog. máx. por unidad de biomasa kgDQO CH4 /kgSSV.d)

REACTORES ANAEROBIOS SISTEMAS CONVENCIONALES:

Lagunas anaerobias: Funcionan como reactor y sedimentador conjunto. Fosas sépticas: Predominan los mecanismos de sedimentación, depositándose el lodo en el fondo donde se da la mayor parte de la remoción de materia orgánica. Digestores anaerobios: Son tanques circulares cubiertos, con pendiente de fondo para favorecer el retiro de los sólidos sedimentados. La cubierta del reactor puede ser fija o flotante. Se emplean para aguas residuales con alta concentración de sólidos suspendidos, lodos (1 arios y 2arios). La etapa de hidrólisis puede volverse la etapa limitante (temp.óptima para la hidrólisis: 25-35ºC).


Digestores anaerobios de baja carga: gas

ESPUMA

SOBRENADANTE

líquido sobren.

efluente crudo LODO EN DIGESTION

LODO DIGERIDO

lodo digerido

- No hay dispositivos de mezcla. - El líquido crudo ingresa en la zona de digestión. - En la superficie se forma una capa de espuma favorecida por el gas que asciende arrastrando lodo y flotantes. - Se purgan periódicamente sobrenadante y lodo digerido. - Volumen útil reactor = aprox 50% del vol.total del digestor


gas

ESPUMA

SOBRENADANTE

líquido sobren.

efluente crudo LODO EN DIGESTION

qc = TDH

30-60

Carga sólidos

0.6-1.6 kgSSV/m3.d

Vol. reactor

57-85 l/hab lodo 1ario

días

113-170 l/hab lodo 1ario+ lodo act. LODO DIGERIDO

lodo digerido


Digestores anaerobios de alta carga: gas

efluente crudo

control temp

- Cuentan con mecanismos de mezcla y calentamiento. - Admiten cargas mayores y los volúmenes requeridos son menores. - El proceso es más estable

LODO EN DIGESTION

qc = TDH 15-20

LODO DIGERIDO

lodo digerido

días

Carga sólidos

1.6-3.2 kgSSV/m3.d

Vol. reactor

37-57 l/hab lodo 1ario 74-113 l/hab lodo 1ario+ lodo act.

REACTORES ANAEROBIOS SISTEMAS DE ALTA TASA:

Biomasa adherida: Reactores de lecho fijo (filtros anaerobios): gas

-

líquido sobren.

MANTO

afluente crudo

lodo descaratado

En general son indicados para el tratamiento de aguas residuales con bajo contenido de SS, o para sistemas de tratamiento que cuenten con unidades de retención de sólidos aguas arriba (ej:fosa séptica). - El flujo puede ser ascendente o descendente - TDH @ horas - qc @ 20 días


gas

líquido sobren.

-

MANTO

afluente crudo

lodo descaratado

Existe un manto de material inerte que sirve como soporte para los microorganismos, que van formando una capa de biomasa adherida. Parte de los microorg. quedan retenidos en los intersticios del manto. El flujo de líquido por los intersticios del manto genera la mezcla y el contacto afluente-biomasa


Reactores de lecho rotativo (biodiscos anaerobios): efluente

afluente

-

Serie de discos instalados en forma paralelas, centradas en un eje giratorio accionado por un motor externo. La biomasa se adhiere a los discos de material poroso. Los discos se mantienen sumergidos y el reactor es cerrado Velocidad de rotación: debe permitir la adherencia de biomasa en los discos y el desprendimiento del exceso de biomasa retenida en los mismos.


efluente

afluente

-

La mezcla ocurre por el propio flujo hidráulico de movimiento de los discos. El líquido ingresa por un extremo inferior y sale por el extremo opuesto superior. A continuación del reactor se debe instalar un sedimentador secundario para la decantación de los lodos que salieron con el efluente.


Reactores de lecho expandido o fluidificado (RALF): gas

efluente

-

LECHO EXPANDIDO O FLUIDIF.

afluente

El reactor contiene un manto de material inerte que se mantiene expandido por la velocidad ascencional del líquido, al que se adhieren los microorganismos. La diferencia entre ambos reactores está en el grado de expansión del manto de lodo (fluidificación: movimiento de las partíc. del lecho se vuelve libre en relación a las demás) Lecho expandido: 10-20% Lecho fluidificado: > 30%


gas

efluente

LECHO EXPANDIDO O FLUIDIF.

afluente

- La expansión del lecho mejora el contacto afluentebiomasa y evita problemas de obstruciones (como en filtros anaerobios). - Manto: arena, antracita, PVC, etc con f = 0.3-3 mm cerca del 10% del volumen del reactor - En la parte superior de la unidad se ubica un sedimentador que evita la salida de partículas de lodo con el efluente.


Biomasa suspendida Reactores de manto de lodos (UASB-RAFA-DAFA): gas

efluente

-

MANTO DE LODO

CAPA DE LODO

afluente

-

No posee material inerte como soporte para la biomasa. La inmobilización de los microorg. ocurre por auto adensamiento (formación de flóculos o gránulos densos suspendidos, que se disponen en capas de lodo a partir del fondo del reactor) El flujo es ascendente y pasa a través del lecho de lodo denso. La estabilización de la MO ocurre en todas las zonas del reactor.


gas

efluente

MANTO DE LODO CAPA DE LODO

afluente

-

-

En la parte superior se ubica un sedimentador para evitar la salida de partículas de lodo con el efluente. Debajo del sedimentador existe un dispositivo de separación de los gases.

REACTORES ANAEROBIOS SISTEMAS COMBINADOS:

Pueden emplearse sistemas integrados de reactores anaerobios como primera etapa, con otros reactores biológicos para pos tratamiento, de modo de asegurar un efluente de alta calidad. Reactor anaerobio + Reactor anaerobio: Fosa séptica + Filtro anaerobio en la fosa séptica se retiene y degrada la fracción particulada de la MO por sedimentación, mientras que la fracción soluble es tratada en el filtro anaerobio UASB + Filtro anaerobio el efluente del UASB puede contener SS de pequeño tamaño que pueden ser retenidos en un filtro anaerobio Reactor anaerobio + Reactor aerobio: UASB + Barros activados, Filtro biológico o Laguna aireada con el tratam.aerobio posterior se logra remover MO remanente y otros elem, obteniendo efluente de alta calidad.


Desinfección de efluentes anaerobios: Lagunas de maduración para reducir el contenido de microorganismos patógenos Disposición en el suelo se puede lograr la remoción de los patógenos antes de alcanzar los cuerpos de agua Desinfección con cloro (generación de subproductos indeseables), con ozono (costo elevado)

REACTORES UASB DISEÑO DE REACTORES UASB: gas

efluente Separador Deflector de gases Manto de lodo

Capa de lodo

afluente

En la zona inferior se desarrolla una capa de lodo concentrado (4-10%) con buenas características de sedimentación. Sobre esa capa se desarrolla una zona de crecimiento bacteriano más disperso (manto de lodos) en el que los sólidos presentan velocidades de sedimentación más bajas. La concentración de lodo en esa zona es 1.5-3%

REACTORES UASB

gas

efluente Separador Deflector de gases Manto de lodo

Capa de lodo

afluente

En la zona superior hay un separador de gases-sólidolíquido, que ayuda a retener el lodo dentro del reactor. Sobre el separador se ubica el sedimentador donde el lodo sedimenta y vuelve al compartimiento de digestión. El sistema es auto mezclado por el mov. ascendente de las burbujas de gas y del flujo de líquido a través del reactor. En general qc > 30 días, por lo que el lodo excedente descartado ya se encontrará estabilizado.

REACTORES UASB Consideraciones generales: - Se deben garantizar bajas velocidades en los compartimientos de digestión y sedimentación para retener la biomasa en el sistema (Asup. para asegurar esas vel.) - Para favorecer la sedimentación del lodo en la cámara de sedimentación puede ser necesario aumentar el Asup. (para reducir la velocidad del flujo). - Se deben asegurar las velocidades admisibles para todo el rango de caudales afluentes. - Forma de los reactores:

circulares o rectangulares con Asup. uniforme o variable

REACTORES UASB Criterios de proyecto: Carga orgánica volumétrica: COV = Q.S/V COV < 15 kgDQO/m3.d Con:

COV = carga orgánica volumétrica (kgDQO/m3.d) Q = caudal afluente (m 3 /d) S = concentración de sustrato afluente (kgDQO/m 3) V = volumen del reactor (m 3)

Cuando se tratan líquidos domésticos la carga orgánica no es el factor limitante, ya que en general < 2.5-3 kgDQO/m3.d. Carga hidráulica volumétrica: CHV = Q/V = 1/TDH CHV < 5 m3 /m3.d (TDH>4.8 hs) Con:

CHV = carga hidráulica volumétrica (m3 /m3.d) Q = caudal afluente (m 3 /d) V = volumen del reactor (m 3) TDH = tiempo de retención hidráulico (d)

REACTORES UASB Observaciones: - Si se diseña con TDH menores puede producirse la pérdida excesiva de biomasa del sistema, con la reducción de qc. - La temperatura influye en la velocidad del proceso de digestión, por lo que se limita TDH según la temperatura: Temp.del líquido (°C)

TDH med. (Qm)

TDH mín (Qmáx)

16-19

> 10-14 hs

> 7-9 hs

20-26

> 6-9 hs

> 4-6 hs

>26

> 6 hs

> 4 hs

Qmáx es el que se da durante un tiempo máx.4-6 hs por día

- Según la concentración de sustrato del V(m3) afluente, el criterio de diseño limitante Q/CHV será por: CHV S < 2500 mgDQO/l COV S > 2500 mgDQO/l

Q.S/COV

2500 S(mgDQO/l)

REACTORES UASB

Carga biológica (carga de lodo): CB = Q.S/M Con:

CB = carga biológica (kgDQO/kgSSV.d) Q = caudal afluente (m 3 /d) S = concentración de sustrato afluente (kgDQO/m 3) M = masa de microorg. en el reactor (kgSSV)

Es la MO aplicada diariamente al reactor por unidad de biomasa presente. La carga biológica máxima depende de la actividad metanogénica del lodo. En la partida de reactores anaerobios CB será baja, del orden de 0.05-0.15 kgDQO/kgSSV.d, y se irá aumentando gradualmente. Durante la operación en régimen se pueden alcanzar valores de CB = 2 kgDQO/kgSSV.d

REACTORES UASB Velocidad superficial del flujo: v = Q/A = H/TDH Con:

v = velocidad ascencional (m/h) A = área superficial (m2) H = altura del reactor (m)

Corresponde a la zona de digestión y el valor máximo depende de las características del lodo presente y de las cargas aplicadas. Para líquidos domésticos: Q

v (m/h)

medio

0.5-0.7

máximo

0.9-1.1

pico

< 1.5

Los picos tendrán una duración máxima de 2-4 hs por día

Para mayores cargas orgánicas (5-6 kgDQO/m3.d): - Si el reactor opera con un lodo tipo floculento v @ 0.5-0.7 m/h y para picos v @ 1.5-2 m/h - Si opera con lodo tipo granular se admitirá v < 10m/h

REACTORES UASB Distribución del afluente: Se debe distribuir el sustrato afluente en forma uniforme en la parte inferior del reactor, evitando cortocircuitos a través de la capa inferior de lodo. Esto es fundamental cuando se tratan líquidos domésticos o la temperatura de operación es baja ya que la producción de gas no es suficiete como para lograr la mezcla adecuada. El sistema se diseña a partir de un canal de distribución ubicado en la parte superior, que distribuye el afluente a través de tubos que descargan el líquido en la zona inferior del reactor. A continuación se verán los parámetros de diseño para cada uno de los componentes del sistema (canaletas y tubos de distribución).

REACTORES UASB Esquemas para tanque circular o rectangular:

REACTORES UASB Esquemas para tanque circular o rectangular:

REACTORES UASB Canaleta de distribución: La canaleta de distribución se ubica en la zona superior del reactor y alimenta los tubos de distribución. Conviene que la canaleta se divida en compartimientos, en cada uno de los cuales se ubique un tubo de distribución (mejor respuesta frente a obstrucciones)

REACTORES UASB

Tubos de distribución: - f @ 75-100mm por obstrucciones - velocidad < 0.2 m/s para evitar ingreso de aire al reactor - en la zona inferior se busca tener una velocidad mayor para favorecer la mezcla y evitar sedimentaciones en la zona cercana: f @ 40-50mm - número de tubos: se determina en función del A del reactor y del área de influencia de cada distribuidor (Ad). Nd = A / Ad para líquidos domésticos se puede asumir Ad = 1.5-3 m 2

REACTORES UASB Separador de gases, sólidos y líquidos: Separación de sólidos: - Sedimentador: - profundidad de la cámara de sedimentación 1.5-2 m - tasade aplicación superficial y tiempo de retención según: Q

Vs (m/h)

TDH (h)

medio

0.6 - 0.8

1.5 - 2

máximo

< 1.2

>1

pico (2-4hs)

< 1.6

> 0.6

- paredes del sedimentador serán inclinadas (>45°) - Se instalarán deflectores debajo de las aberturas de ingreso al sedimentador (sobresaliendo 10-15 cm) para evitar ingreso de gases. La velocidad en las aberturas será menor a: 2-2.3 m/h (Qm), 4-4.2 m/h (Qmáx), 5.5-6 m/h (Qpico)

REACTORES UASB Separador de gases, sólidos y líquidos: Recolección del efluente: Estructura de salida mediante vertederos o tubos perforados sumergidos, con tabique para evitar salida de espumas. Alturas parciales del reactor: H cámara digestión = 2.5-3.5 m H cámara sedimentación = 1.5-2 m Eficiencia: Puede esperarse rendimientos de entre 50-70% para remoción de DQO. En base a datos experimentales se estimaron: EDQO = 100 (1 - 0.68 x TDH -0.35) EDBO = 100 (1 - 0.7 x TDH -0.50) ESS = 250/TDH + 10

REACTORES UASB Separador de gases, sólidos y líquidos: Separación de gases: Las dimensiones deben ser tales que permitan la formación de un área de interfase líquido-gas suficiente para permitir la liberación del gas generado. El gas, al liberarse, deberá vencer la capa de espumas pero sin arrastrar partículas de lodo hacia las tuberías de salida de gas. Tgas = Qgas / Ai Con:

Tgas = tasa de liberación de gas (m 3 /m2.h) Qgas = producción esperada de gas (m 3 /h) Ai = área de la interfase líquido-gas (m 2)

Se recomiendan valores de Tgas @ 1-3 m3 /m2.h, por lo que determinando Qgas se puede obtener el área de interfase.

REACTORES UASB


El gas puede ser utilizado para: - Calentamiento del reactor - Calefacción de las salas de operación - Producción de energía eléctrica Precauciones: La mezcla de gas y aire en proporciones entre 5,5-13,5% es explosiva y puede causar asfixia por agotamiento de oxígeno. El -

sistema de gases comprende: Campana de captación de gas Medidor de gas (caudalímetro) Almacenamiento de gas y quemador del gas sobrante Accesorios (válvulas de seguridad, manómetros, reguladores de presión, etc)

REACTORES ANAEROBIOS Remoción de DQO y producción de CH 4 en el proceso: La remoción de DQO se da en la etapa final metanogénica, donde se forma CH4 (muy poco soluble). La MO inicial termina siendo liberada a la atmósfera en forma de CH4, reduciendo así el contenido orgánico del efluente. Estimación de la producción de CH4: En el proceso de degradación de la MO se libera CH 4, el cual será luego oxidado a CO2 y H2O para completar el ciclo del carbono. CH + 2O CO + 2H O 4

(16gr)

2

(64gr)

2

(44gr)

2

(36gr)

De la ecuación surge que 1 mol de CH 4 requiere 2 moles de O2 para su completa oxidación. Es decir que por cada 16 gr de CH 4 producido y liberado se consumen 64 gr de O 2 (se remueven 64 gr de DQO).


Entonces puede determinarse la producción de metano a partir de la remoción de DQO en el proceso: VCH4 = DQOCH4 / k(T) Con:

K(T) = K.P / R(273+T)

VCH4 = volumen de CH4 liberado (l) DQOCH4 = DQO convertida en metano (grDQO removido) K = gr DQO por 1 mol de CH 4 (64 grDQO / molCH 4) R = cte. de los gases (0.08206 atm.l/mol.°K) P, T = presión atmosférica (atm) y temperatura (ºC)

Finalmente, considerando que el gas producido se compone de: 75-80% CH4 y 20-25% CO2, puede estimarse la producción total de gas en el proceso.

REACTORES UASB Sistema de descarte de lodo: En forma periódica se realiza la purga del lodo en exceso presente en el reactor, y del material inerte sedimentado en el fondo de la unidad. Se colocan dos puntos de purga (tuberías de f > 100mm): - junto al fondo del reactor - 1-1.5 m encima del fondo

FOTOS DE REACTORES ANAEROBIOS REACTORES UASB:

FOTOS DE REACTORES ANAEROBIOS REACTORES UASB:

11-Reactores anaerobios

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