DETERMINACIN DE PARMETROS DE DISEO DE UN TRATAMIENTOFISICOQUMICO DE AGUAS RESIDUALES

Castillo Borges Elba R., Herrera Canch Gonzalo M., Mndez Novelo Roger I.

Universidad Autnoma de Yucatn, Facultad de Ingeniera. Ingeniera AmbientalAvenida Industrias no Contaminantes por anillo perifrico norte s/n.

Tel. (99) 410191 ext. 129; Fax. (99) 410189; e-mail mnovelo@tunku.uady.mx

RESUMEN

Se presentan los resultados y los anlisis de ensayos de laboratorio para determinar losparmetros ptimos de diseo de una planta convencional de tratamiento fisicoqumicode aguas residuales domsticas: dosis ptima, pH ptimo, concentracin ptima,Nmero de Camp para la mezcla rpida, Nmero de Camp para la mezcla lenta y cargasuperficial para la sedimentacin.

Con el coagulante utilizado (sulfato frrico), no se obtuvo una dosis ptima y lamejor dosis result de 300 mg/l que actu por accin de barrido. El pH ptimo fue de 5 ;la concentracin ptima de 1.5%; el Nmero de Camp para la mezcla rpida de 2700 ypara la mezcla lenta de 860. De los resultados obtenidos con la prueba de jarrasmodificada para la sedimentacin, se concluy que un 25% de la materia orgnica nofue factible de ser removida, por lo que se recomienda probar con polielectrolitoscatinicos de alta densidad que formen flculos de mayor tamao y densidad.

INTRODUCCIN

Una alternativa en el tratamiento de aguas residuales, tanto domsticas comoindustriales, es el proceso fisicoqumico. Consiste en remover con ayuda decoagulantes, principalmente sales metlicas y/o polielectrolitos, los slidos suspendidoso disueltos que poseen y de esta manera, la carga orgnica potencialmente peligrosapara la salud. Los productos de este tipo de tratamiento son aguas relativamente libresde materia orgnica y lodos no estabilizados que son la suma de la materia orgnica,suspendida y disuelta, removida del agua y los coagulantes aadidos.El proceso fisicoqumico ha sido aplicado extensamente en la potabilizacin. El procesoconvencional esquematizado en la figura 1, consiste en eliminar por medios fsicos(cribas y desarenadores) la materia gruesa suspendida, posteriormente someterlos auna agitacin violenta en una unidad denominada de mezcla rpida, en la que, conayuda de algunos agentes qumicos denominados coagulantes se propicia ladesestabilizacin de la materia suspendida y/o la accin de puentes qumicos que

permiten la formacin de pequeos microflculos, los cuales son aglutinados enpartculas de mayor tamao en unidades denominadas de mezcla lenta (en un procesodenominado floculacin) en los que se propicia su adherencia. Posteriormente, laspartculas ya desestabilizadas y aglutinadas poseen el tamao y densidades suficientespara poder removerse por accin de la gravedad, en unidades denominadassedimentadores o decantadores. Las partculas de pequeo tamao que no alcanzarona ser removidas en el anterior proceso, son removidas en los filtros rpidos, que sonunidades empacadas con arenas silsicas de aproximadamente 0.2 cm de dimetro, enlas que se hace pasar el agua a velocidades de 120 a 360 m/da. Los efluentes deestas unidades son aguas a las que se les han removido casi la totalidad de los slidosque posea el agua cruda. Generalmente, la ltima operacin consiste en adicionarlecloro al agua para eliminar cualquier microorganismo patgeno que an poseyera ybrindarle una proteccin residual para prevenirla de futuras contaminaciones.

Figura 1.- Proceso fisicoqumico convencional.

Cada una de las unidades de las plantas de tratamiento puede ser diseadaconsiderando las caractersticas del agua cruda y mediante la realizacin de ensayosde laboratorio. La eficiencia de los procesos en general est en funcin de algunospocos parmetros relacionados con: la turbiedad del agua, el coagulante utilizado, lostipos de flujo y los tiempos de retencin de los reactores.El fenmeno coagulacin-floculacin es complejo y no existe a la fecha un modeloplenamente aceptado que lo explique. La dosis de coagulante, de acuerdo con elmodelo fsico de la coagulacin, neutraliza las cargas elctricas de los coloides por elcambio de la concentracin de los iones que determinan el potencial del coloide. Lascargas, que se derivan de la hidrlisis del coagulante aadido al agua (cationes), seadhieren a la superficie de los coloides que originalmente poseen cargas negativas,reduciendo de esta manera el potencial elctrico del coloide y como consecuencia,permitiendo que la accin de las fuerzas de Van Der Walls derive en la formacin deflculos . Este modelo, sin embargo, no explica la sobredosis, esto es, que el fenmenose presenta a ciertas dosis denominadas dosis ptima, pero no a dosis ligeramentemayores o ligeramente menores, sin embargo para dosis muy altas y como efecto de laaccin de barrido se obtienen buenas remociones de turbiedad, siendo que laspartculas coloidales deberan estar reestabilizadas (con potenciales elctricos altos,ahora de carga positiva) y por consiguiente su eficiencia debera ser baja o nula. El pHptimo para el proceso es cercano a 7 (Richter, 1981), pero en aguas que no poseenalcalinidad, al agregar el coagulante se reduce el pH desmejorando el proceso, por loque es necesario regular este parmetro. La concentracin, adems de influir en laeficiencia de remocin, permite disear las dimensiones del tanque de disolucin delcoagulante, toda vez que ste se aplica en forma lquida y el reactivo es de naturalezaslida.

Para la mezcla rpida, se requiere de tiempos de retencin muy cortos,preferentemente inferiores a un segundo, dado que la hidrlisis, la polimerizacin ohidratacin de iones metlicos, la difusin de los compuestos formados y adsorcin enellos de las partculas coloidales es prcticamente instantnea, del orden de 8.5 x 10-5 a2.4 x 10-4 segundos (Richter, 1981). Los gradientes hidrulicos para lograr esta mezclahan de ser altos, idealmente cercanos a 1000 s-1(Richter, 1981). Estas condicionesdifcilmente pueden ser brindadas por reactores mecnicos, por lo que es usualencontrar reactores hidrulicos del tipo de salto hidrulico, inyectores o difusores. En ellaboratorio no es posible modelar las condiciones de los reactores reales, por lo que sehan definido diversos procedimientos para simular las reacciones. El ms utilizado parala mezcla rpida est basado en determinar el Nmero de Camp que es el producto delgradiente hidrulico por el tiempo de retencin y que se ha comprobado, es semejanteal de la planta de tamao real.Para la mezcla lenta, los gradientes hidrulicos estn en el rango de 30-60 s-1

(Arboleda, 1973) y los tiempos de retencin son del orden de 10 a 30 minutos.Tecnologas ms recientes trabajan con tiempos menores, de 2 a 5 minutos, enreactores compartamentalizados en los que se aplican los conceptos propuestos porArgaman y Kaufman, (Argaman, 1960). De manera semejante que en la mezcla rpida,en la mezcla lenta se puede calcular el Nmero de Camp en laboratorio y con base enl, determinar el diseo y la operacin de floculadores reales.Los sedimentadores pueden ser diseados y operados mediante la determinacin deparmetros calculados con sencillos procedimientos de laboratorio. Para el procesoconvencional, actualmente se prefiere el mtodo de la prueba de jarras modificadasobre el de la columna de sedimentacin. Con ambos se obtienen resultadossemejantes, pero el primero tiene la ventaja de la sencillez.Los filtros rpidos, que son las unidades ms caras de las plantas de tratamiento, sedisean generalmente por mtodos empricos y se optimiza su operacin con ayuda defiltros pilotos, empacados con los materiales de los filtros de las plantas potabilizadorasa los que se les hace pasar aguas de las propias plantas para determinar parmetroscomo la carga superficial, las prdidas de carga por colmatacin, la carrera del filtro,etc. Sin embargo, se ha comprobado que el hacer pasar el efluente del sedimentadorpor un papel filtro Whatman 40 (Culp, 1974), equivale a filtrar adecuadamente medianteun filtro rpido, por lo que para fines nicamente de comparacin de los procesosanteriores, es prctica comn su utilizacin.Las aguas residuales, tanto domsticas como industriales, son tratadas generalmentepor mtodos biolgicos, ya sea aerobios o anaerobios, en los que la remocin de lamateria orgnica y de otro tipo de contaminantes se realiza principalmente por la accinde microorganismos que degradan la materia orgnica como parte de su metabolismo.Por tanto, los tratamientos estn encaminados a proporcionar las condicionesambientales necesarias para la accin eficiente de los mismos. Esta caracterstica(depender de la accin de los microorganismos), le infiere un cierto grado devulnerabilidad a los tratamientos. Por otro lado, en los tratamientos fisicoqumicos, loscontroles que regulan la eficiencia de los procesos son mucho ms sencillos, por lo quesu funcionamiento es ms seguro. Como se ha mencionado, los tratamientosfisicoqumicos pueden remover las cargas orgnicas de la fraccin lquida de losdesechos, pero aumenta el volumen de los lodos producidos. Estos lodos, no estnestabilizados y poseen sustancias adicionales (coagulantes), lo que modifica su

composicin y por tanto sus posibles tratamientos. No se encontraron en la literaturaconsultada, trabajos sobre tratamiento, utilizacin y disposicin de este tipo de lodos,por lo que representa un campo frtil para la investigacin.Se reportan muchos estudios sobre el tipo y la dosis de coagulante para diferentes tiposde aguas residuales. Para una eficiente remocin de color, (Lyn et al , 1996),encontraron que el sulfato de fierro fue ms eficiente que el sulfato de aluminio,logrando remover la totalidad del carbn orgnico total (COT) en aguas residualesdomsticas. (Bell et al , 1996), probaron con distintos coagulantes (sulfato de aluminio,cloruro frrico y cloruro de polialuminio) para determinar el ms apropiado, no solo pararemover el total del COT, sino la eliminacin o inactivacin de microorganismos de lasaguas residuales domsticas.El color en las aguas residuales es producido por partculas de muy pequeo tamao(3.5 a 10 m) lo que las sita en la frontera entre dispersin coloidal y solucinverdadera. Por otro lado se ha demostrado que al bajar el pH de las aguas, disminuyela intensidad del color, por lo que para obtener eficiencias elevadas en su remocin losvalores de pH ms comunes estn en el rango de 3.5 a 6 (Montes, 1998), mientras quepara la remocin de otro tipo de material suspendido, el pH ptimo est en el rango de 6a 7 (Montes, 1998). El sulfato polifrrico es un reactivo que optimiza la hidrlisis deFe(III) y que posee un elevado peso molecular, caractersticas deseables en todocoagulante. Este reactivo fue utilizado en un estudio a nivel laboratorio (Jiang, 1996) enel que se demostr ms eficiencia que con los coagulantes convencionales. Estecoagulante comprob su eficiencia en la remocin de color a pH de 7. Otros estudiosrealizados por (De Tomaso, 1991996 y Van Benschoten, 1996), trabajando con aguasresiduales domsticas y utilizando coagulantes convencionales (sulfatos de aluminio yde fierro) comprobaron que se obtienen buenas eficiencias de remocin de materiaorgnica y de color, si se trabaja con pH cidos entre 5 y 6.(Kawamura , 1996) reporta, que la optimizacin de los procesos de coagulacin yfloculacin, son determinantes en la eficiencia de remocin de materia orgnica en losprocesos fisicoqumicos de tratamiento de aguas residuales y propone la utilizacin dela prueba de jarras para la determinacin de parmetros de diseo y control. A similaresconclusiones llegaron (Van Duser et al, 1996) con lo que pudieron incrementar un 57%el volumen de agua tratada de una planta de tratamiento de aguas residuales de laciudad de Hillsboro, Oregon.El propsito de este trabajo fue determinar con pruebas de laboratorio, los parmetrosde diseo de las diferentes unidades que componen un tratamiento fisicoqumico deaguas residuales domsticas, en los que se obtengan las mejores eficiencias deremocin de materia orgnica medida como Demanda Qumica de Oxgeno (DQO):- Dosis ptima de coagulantes necesarios para obtener eficiencias de remocin demateria orgnica, similares o superiores a los obtenidos por tratamientos biolgicos.- pH ptimo.- Concentracin ptima de coagulante.- Nmero de Camp (Arboleda, 1987), (Gradiente hidrulico por tiempo de retencin dela mezcla rpida).- Nmero de Camp (Arboleda, 1987) (Gradiente hidrulico por tiempo de retencin parala mezcla lenta).- Carga superficial para diseo de sedimentadores para una eficiencia

predeterminada.

Es importante mencionar que las aguas residuales domsticas en la regin, poseencaractersticas fisicoqumicas que las diferencian de la mayora de las aguas residualesdomsticas de otros lugares, tales como la alcalinidad que est en el rango de 250 a350 mg/l y pH cercano a 7, de donde se infiere que las caractersticas de los procesosde tratamiento fisicoqumico, deben ser tambin diferentes. De ah la importancia deestudiar este tipo de proceso para este tipo de aguas.

METODOLOGA

La investigacin consisti en la realizacin de ensayos de laboratorio (pruebas dejarras) con aguas residuales domsticas y el uso de sulfato frrico como coagulante. Enestos ensayos, el parmetro de control fue la DQO soluble (mg/l), la cual sedeterminaba al agua antes y despus del proceso simulado con equipo de prueba dejarras.Las aguas utilizadas en los ensayos fueron recolectadas del influente del crcamo de laplanta del fraccionamiento FOVISSTE de la ciudad de Mrida. A las aguas crudas seles removi por mtodos fsicos (una hora de asentamiento y remocin manual de lossobrenadantes) los slidos flotantes y los sedimentables, para emular lospretratamientos de las plantas de aguas residuales.Los parmetros de diseo determinados fueron los siguientes:1) Dosis ptima de coagulante: Se realizaron 12 ensayos de la prueba de jarras, para

cubrir un rango de 0 a 300 mg/l de sulfato frrico, 2 con dosis de 10 a 60 mg/I, 2 de20 a 120 mg/l, 2 de 100 a 250 mg/l y 6 de 200 a 300 mg/l.

2) pH ptimo: Se realizaron 8 ensayos de jarras: 6 para un rango de pH de 2.5 a 5 y 2ensayos para el rango de 4.5 a 7. Los valores de pH de las muestras de aguacruda, se ajustaban con soluciones de cido clorhdrico e hidrxido de sodio.

3) Concentracin ptima: Se realizaron 4 pruebas de jarras con un rango deconcentraciones de 0.5 a 3 %.

4) Mezcla rpida: Se determin el Nmero de Camp con dos ensayos de la prueba dejarras en las que se vari el tiempo de mezcla rpida de 20 a120 segundos.

5) Mezcla lenta: Para el diseo y operacin de floculadores se requiere calcular elNmero de Camp. Se realizaron 4 ensayos de la prueba de jarras con gradienteshidrulicos de 20, 40, 60 y 80 s-1.

6) Velocidad crtica de sedimentacin (vsc): Con la velocidad crtica se calcula la cargasuperficial, parmetro utilizado para disear y operar sedimentadores. Se realizaron2 ensayos de la prueba de jarras modificada para su determinacin.

Una vez determinados la dosis, pH y concentraciones ptimas, as como la cargasuperficial, se emul el proceso de filtracin rpida con el uso de filtros de papelWhatman 40 para determinar la remocin total de materia orgnica que se obtendra.

RESULTADOS

En la figura 2, se presentan los resultados de los 12 ensayos de la prueba de jarras y lacurva ajustada que de ellos se derivan para estimar la dosis ptima de coagulante; en lafigura 3, los correspondientes al pH ptimo; en la figura 4, los de la concentracinptima; en la figura 5, los de la mezcla rpida que permiten calcular el Nmero deCamp; en la figura 6, se presentan los resultados de los ensayos de la prueba de jarras

para la mezcla lenta y de ella se derivan las figuras 7 y 8, que son desarrolladas pararelacionar el gradiente hidrulico con el tiempo de floculacin; en la tabla 1, sepresentan los resultados de la prueba de jarras modificada y se calculan las velocidadesde sedimentacin (vs) y los remanentes de materia orgnica despus de lasedimentacin, que se presentan en la figura 9. Esta grfica, permite estimar la cargasuperficial con base en una eficiencia deseada. Por ltimo, se presenta en la figura 10,las remociones que sobre el agua sedimentada se obtiene con la filtracin en papelWhatman 40 y con base en estos resultados la eficiencia en remocin de materiaorgnica medida como DQO que se obtendra en una planta de tratamientofisicoqumico de las aguas estudiadas. Se ensay una regresin lineal (figura 11) paraestimar la DQO filtrada con base en la DQO sedimentada.

Tabla 1.- Resultados de la prueba de jarras modificada para la determinacin de lacarga superficial de la sedimentacin

Tiempo(seg)

DQO1(mg/l)

DQO2(mg/l)

DQOp(mg/l)

VS(cm/s)

R(%)

30 540.7 642.0 591.35 0.16666 0.094460 412.8 530.1 471.45 0.08333 0.2780

180 225.2 248.6 236.90 0.02777 0.6372300 184.7 214.5 199.60 0.01666 0.6943600 171.9 195.3 183.60 0.00833 0.71881200 144.1 192.3 168.20 0.00416 0.7424

DQOi = 653 mg/l (DQO promedio inicial).d = 5 cm (distancia de sedimentacin).DQO1 = DQO del primer ensayo.DQO2 = DQO del segundo ensayo.DQOp = DQO promedio.Vs = velocidad de sedimentacin (cm/s).R = Fraccin remanente de DQO, despus del tiempo T.

DISCUSIN

En la remocin de la turbiedad debida a partculas coloidales de origen mineral, lasdosis ptimas se encuentran en el rango de 10 a 30 mg/l de coagulante y a dosismayores o menores se tienen bajas eficiencias de remocin. Cuando este rango dedosis es pequeo y los controles operacionales de la planta ineficientes se tienen queadministrar sobredosis para que la remocin de las partculas coloidales se efecte porla accin de barrido. En la figura 2, puede notarse que no existe una dosis ptima decoagulante sino que las mejores remociones se obtienen a dosis elevadas, superiores a180 mg/l, lo que indica que acta la accin de barrido. Estas remociones son lasobtenidas despus de la sedimentacin, sin embargo, despus de la filtracin, comopuede observarse en la figura 10, la mejor eficiencia se obtiene a concentraciones de300 mg/l. La diferencia de remociones entre los efluentes de la sedimentacin y los de

la filtracin, se debe a un efecto combinado: por una parte, una fraccin de la materiaorgnica, cuando la dosis es menor de 300 mg/l, no forma flculos, o estos sonpequeos y no alcanzan a ser removidos por el filtro, adicionalmente, una mayorcantidad de coagulante produce una mejor remocin por accin de barrido.El pH ptimo fue de 5, lo que concuerda con los resultados obtenidos por De Tomaso yVan Benschoten. A este respecto es conveniente mencionar que las aguas crudas

Figura 2.- Dosis ptima de coagulante

Figura 3.- pH ptimo

50

100

150

200

250

300

350

DQ

O (

mg

/l)

0 50 100 150 200 250 300 Dosis (mg/l)

Figura 4.- Concentracin ptima

Figura 5.- Tiempos ptimos de coagulacin

Figura 6.- Tiempos ptimos de floculacin para diferentes gradientes

Figura 7.- Gradientes ptimos de floculacin para diferentes tiempos

Figura 8.- Relacin de tiempos y gradientes ptimos de floculacin

Figura 9.- Curva de eficiencia de sedimentacin

vscCf

C

1-C

1-C0

C0

vs

Figura 10.- Efecto de la filtracin en la remocin de la materia orgnica

Figura 11.- Modelo de regresin para la DQO filtrada

poseen elevada alcalinidad (250 a 350 mg/l), lo que evit que el pH bajara an cuandolas dosis fueron elevadas.

150

200

250

300

50 100 150 200 250 300

Dosis (mg/l)

DQ

O (

mg

/l)

Agua filtrada Agua sedimentada

Las mejores eficiencias de remocin se obtuvieron a concentraciones de coagulante 0.5y 1.5 %, por lo que se elige sta ltima como la ms adecuada toda vez que se asociacon volmenes de tanque dosificador 1/3 menores que la primera concentracin.La capacidad de agitacin mxima del equipo de prueba de jarras utilizado es de 100rpm, al que le corresponde un gradiente hidrulico de 300 s-1 cuando se utilizan vasosde precipitado con deflectores y una temperatura de 28 C. Este valor multiplicado porel tiempo de mezcla lenta con el que se obtuvieron las mejores eficiencias de remocinde DQO (100 segundos de acuerdo con la figura 5) nos permite estimar el Nmero deCamp para la coagulacin que es 3,000. Este valor se encuentra dentro del rango demezcladores rpidos utilizados en potabilizacin. A este respecto Camp sugieregradientes de 1000 a 2000 s-1 y tiempos de retencin menores de 1 segundo.En la figura 6, se presentan los grficos de eficiencias de remocin de la floculacinpara 4 gradientes hidrulicos (20, 40, 60 y 80 s-1), con base en sta y para diferentestiempos de retencin se elabor la figura 7 que relaciona los gradientes con laseficiencias. Los valores ptimos de esta ltima figura se utilizan para relacionar elgradiente hidrulico con el tiempo de retencin (figura 8) con lo que se obtiene unapoderosa herramienta de diseo y control del proceso de floculacin. Si suponemos untiempo de retencin de 20 minutos, le corresponde un gradiente hidrulico de 43 s-1, porlo que el Nmero de Camp sera de 860.Con los datos obtenidos en la prueba de jarras modificada para la sedimentacin (tabla6), se elabora el grfico presentado en la figura 9, en el eje de las absisas se tiene lavelocidad de sedimentacin que resulta de dividir la distancia de sedimentacin (5 cm)entre el tiempo y en las ordenadas la fraccin remanente de materia orgnica medidacomo DQO que se calcula con la siguiente expresin:

NNR

0

11-=

donde: R es la fraccin remanente, N0 es la concentracin inicial y Nt la obtenida en eltiempo t. Para cada velocidad de sedimentacin, la eficiencia de remocin se calculacon la siguiente expresin:

( )v

v

sc

sCE +-= 1

,donde: E, es la eficiencia de remocin, (1-C) representa la remocin de partculas develocidad de sedimentacin mayor que la crtica, vs la remocin de las de menorvelocidad (representadas por el rea sombreada) y vsc la velocidad crtica desedimentacin. Para el ejemplo de la figura, partiendo de una carga superficial tpica dediseo de decantadores, q = 32 m3/m2/da (vsc = 0.037 cm/s), se calcul que laeficiencia es del 49.5 %. Esta eficiencia es baja comparada con los sedimentadores deplantas potabilizadoras.La concentracin final Cf es del 25 %, lo que indica que existe una fraccin soluble demateria orgnica, o bien, formada por flculos de pequeo tamao o densidad, cuyasedimentacin es sumamente lenta. En cualquiera de los dos casos, es necesarioprobar con otros tipos de coagulantes que produzcan flculos ms densos y que

permitan remover mayores porcentajes de materia orgnica. Se podran probarpolielectrolitos catinicos de alta densidad como el cloruro de polialuminio o elclorhidrato de aluminio (Montes, 1998) o propiciar, dada la elevada dureza total de lasaguas, un proceso de ablandamiento elevando el pH a 11 y produciendo de estamanera un floc de elevada densidad que por accin de barrido elimine la materiaorgnica.Para emular el proceso de filtracin rpida, se hizo pasar el agua sedimentada por unpapel Whatman 40. En la figura 10, se presenta grficamente el incremento de laeficiencia de remocin de la materia orgnica. Con base en estos resultados, se ensayuna regresin lineal para estimar el valor de la DQO del agua filtrada (y) en trminos delagua sedimentada (x): y = 0.74x + 0.26, modelo significativo a niveles de confianzasuperiores al 99%.Las remociones totales de materia orgnica, medida como DQO, del procesoconvencional fueron del 66.3%, al pasar de una concentracin de 414 a 139.5 mg/l, lascuales son inferiores a las obtenidas en los tratamientos secundarios biolgicos(Richter, 1991).

CONCLUSIONES

1) No se obtuvo una dosis ptima de coagulante y por accin de barrido la mejor dosisfue la de 300 mg/l de sulfato frrico.

2) El pH ptimo fue de 5.3) La concentracin ptima fue de 1.5%.4) El Nmero de Camp para la mezcla rpida fue 3,000.5) El Nmero de Camp para la floculacin fue de 860.6) La remocin total de materia orgnica medida como DQO, del proceso convencional

fue de 66.3%, al pasar de una concentracin de 414 a 139.5 mg/l, las cuales soninferiores a las obtenidas en tratamientos biolgicos secundarios.

7) Se recomienda ensayar coagulantes polimricos de alta densidad como ayudantesde coagulacin, para propiciar la formacin de flculos de mayor tamao y densidadcon los que se obtendran mejores eficiencias.

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