Aktuelle technische Möglichkeiten der ...

Aktuelle technische

Möglichkeiten der

Klärschlammbehandlung und -

verwertung

27. Osnabrücker Wasserfachtagung

Klärschlamm – Wie geht´s jetzt weiter?

Gertrud Edens | Dr. Born – Dr. Ermel GmbH

11. April 2018

Dr. Born – Dr. Ermel © | 27. Osnabrücker Wasserfachtagung | 11. April 2018 2/43

Wer wir sind…

Unabhängige, privat geführte Ingenieurgesellschaft

• Gegründet 1972

• Ca. 190 Mitarbeiter an 5 Standorten

• Tätig für öffentliche und industrielle Kunden

• Arbeitsbereiche u.a.

Wasser/Abwasser

Abfall/Energie

• DIN ISO 9001:2015 zertifiziert seit 1996

• DWA-Mitglied

Leistungsspektrum

• Beratung, Konzepte, Studien, Gutachten

• Planung (alle Phasen z. B nach HOAI)

• Bauleitung, Bauüberwachung

• Projektsteuerung und Projektmanagement


Inhalt

Einführung

Thermische Verfahren zur Klärschlammbehandlung

Klärschlammtrocknung

Praxisbeispiel - Die Mono-Klärschlammverbrennung auf Rügen

Verfahren zum P-Recycling aus Klärschlammasche

Zusammenfassung und Ausblick


Worum es geht…

ca. 26,4 Mio. m3/a

Klärschlamm

ca. 64 Mio. m³/a

Gärreste

ca.

208 Mio. m³/a

Gülle

LNF: 16,7 Mio. ha 18 m³/a*ha = 1,8 l/a*m²

ca. 300 Mio. m³/a

~800.000 tTR/a Stand 2015


Worum es geht…

Hygieneaspekte

• Medikamentenreste (KA und/oder

Massentierhaltung)

• resistente Bakterienstämme

• Aufnahme über Umwelt/Nahrungsmittel

Umweltaspekte

• Überdüngung (Nitrat im Grundwasser)

• Schwermetalle

• persistente organische Verbindungen und/oder

andere Schadstoffe (Mikroplastik)

Phosphor-Recycling

• Vorgaben gemäß AbfKlärV

• Klärschlämme höherwertig verwerten soweit

technisch und wirtschaftlich möglich

• Rückführung der Rezyklate in den

Wirtschaftskreislauf


Klärschlammentsorgung gemäß neuer AbfKlärV

Ausbaugröße

GK 1 - 4a (≤ 50.000 EW)

Ausbaugröße

GK 4b (≤ 100.000 EW)

Ausbaugröße

GK 5 (> 100.000 EW)

P-Rückgewinnung

Klärschlamm

(η min. 50 % o. < 20 g P/kg TR)

Mono-BehandlungMit-Behandlung

(Brennstoff: Kohle, Erdgas)

≤ Grenzwerte DüMV/AbfKlärV

Frachtenregelung DüV

Unzulässige Entsorgung

ab 2032 für GK 4b

ab 2029 für GK 5

P-Rückgewinnung

Asche / C-haltige Rückst.

(η min. 80 %)

Zwischenlagerung

Langzeitlager

Anderweitige thermische

Abfallentsorgung (bspw.

Müllverbrennung, Zementwerk)

Bodenbezogene

Verwertung

TOC < 3 Masse-% oder GV < 5 Masse-%

Wirtschaftskreislauf

ab 2032 ab 2029

Rezyklat

≤ Grenzwerte DüMV

oder Produkt

unabhängig vom P-Gehalt weiterhin möglich

< 20 g P/kg TR

≥ 20 g P/kg TR

Nebenprodukte

(bspw. Gips, Metallsalze, P-abgereicherte Stoffe etc.)

Entsorgung

Rückstände,

Reststoffe

Rezyklat

≤ Grenzwerte DüMV

< 20 g P/kg TR

≥ 20 g P/kg TR ≥ 20 g P/kg TR

< 20 g P/kg TR

Thermische

Vorbehandlung

≥ Grenzwerte DüMV/AbfKlärV

Entsorgung

Rückstände,

Reststoffe

Klärschlamm (GK 4b + GK 5)

Asche/C-haltiger Rückstand

Rezyklat

Wirtschaftsgut

P-abgereicherte Stoffe

Klärschlamm (GK 1 - 4a)


Inhalt

Einführung







Status Quo der thermischen

Klärschlammbehandlung

Möglichkeiten der thermischen Vorbehandlung

• Mitverbrennung in Kohlekraftwerken, Zementwerken oder Abfallverbrennungsanlagen

• Mono-Klärschlammverbrennungsanlagen

Aspekte der Mitverbrennung

• Limitierung von Kontingenten aufgrund genehmigungsrechtlicher und/oder betrieblicher

Vorgaben einzelner Standorte

• Kapazitätseinschränkungen durch „Energiewende“ (Abkündigung von Kraftwerken)

• Wirtschaftliche Aspekte der Entsorgung (Transport, Aufbereitung, Qualitäten)

Aspekte der Mono-Klärschlammverbrennung

• Effektive Schadstoffsenke für den Klärschlamm

• Prioritärer Weg der Phosphorrückgewinnung aus der Verbrennungsasche

• Effiziente Nutzung des im Klärschlamm enthaltenen Energiepotentials

• Wirtschaftlich unabhängig von steigenden Entsorgungspreisen, somit hohe

Entsorgungssicherheit


Mono- vs. Mitverbrennungskapazitäten

Entwicklung der Klärschlamm-Mono- und -Mitverbrennung in Deutschland Quelle: Wiechmann, B.: Klärschlammbehandlung in Mono- und Mitverbrennungsanlagen – Stand und Perspektiven,

UBA, 9/2013

2015 2020

AbfKlärV


Thermische Klärschlammbehandlung

Th

erm

isch

e

Klä

rsc

hla

mm

be

ha

nd

lun

g

Mono-Behandlung

Verbrennung

λ > 1

Schmelze λ >> 1

Vergasung

0 < λ < 1

Pyrolyse

λ = 0

Carbonisierung λ = 0

Mit-Behandlung

Kohlekraftwerke

Zementwerke

Abfallbehandlung


Beste verfügbare Technik - wie sieht die aus?

Geringer Invest

Einfache Technik

Genehmigungskonform

Sicherer Betrieb


Quelle: Fa. Eisenmann

Wirbelschichtfeuerung Verbrennung ist eine Redoxreaktion, die unter Abgabe

von Energie (exotherm) erfolgt

Klärschlammanforderung: Heizwert von 4.000 - 4.500 kJ/kg (ca. 40 - 50 % TR)

• Entwässerung / Trocknung erforderlich

• Autotherme Verbrennung (ohne Zusatzbrennstoff)

Sauerstoffverhältnis λ > 1

Temperaturen in der Wirbelschicht 850 – 950 °C

Ascheaustrag bevorzugt über Rauchgaspfad

Asche gelistet gemäß Anhang 2 DüMV

Referenzen:

• 21 Anlagen, Deutschland

• 2.000 - 90.000 tTS/a


Schmelzverfahren Umwandlung von brikettiertem Klärschlamm zu verglastem Material

Kupolofen aus Metallerzeugung

Klärschlammanforderung: min. 80 % TR


• Mischung mit Kohle und Brikettierung

Sauerstoffverhältnis λ >> 1

Temperaturen etwa 2.000 °C

(Synthesegasnutzung in BHKW)

Eisen- und phosphathaltige Schlacken

Listung gemäß Anhang 2 DüMV

Referenzen:

• Pilotanlage Nürnberg (KRN)

• Großtechnische Anlagen in Japan (ähnliches Prinzip, Fa. Kubota)

Quelle: Stadt Nürnberg, 2016


Vergasungsverfahren

Umwandlung von festen, kohlenstoffhaltigen Verbindungen

in Synthesegas (CO, H2, CXHY)

Klärschlammanforderung: mind. 90 % TS


Vergasung, begrenzte Luft- bzw. O2-Menge

• Sauerstoffmenge, 0 < λ < 1

Temperaturen 850 – 880 °C

Synthesegasnutzung bspw. in BHKW

Asche nicht gelistet gemäß Anhang 2 DüMV

Referenzen:

• Balingen, in Betrieb (2.300 tTS/a)

• Mannheim, in Betrieb (5.000 tTS/a)

• Koblenz in Bau (4.500 tTS/a)

Brennstoff

Luft

Asche

Synthesegas


„Pyrolyseverfahren“ (teilgestufte Verbrennung)

Quelle: Fa. PYREG AG

Pyrolyse, Form der Vergasung

Schnecken- oder Festbettreaktoren

Klärschlammanforderung: > 50 % TR


Ausschließlich unter Einwirkung zugeführter Wärme und ohne zusätzlichen Sauerstoff

• Sauerstoffmenge, λ = 0

• Sauerstoffmenge, λ > 0 (teilgestufte Verbrennung)

Temperaturen von 400 – 900 °C

Synthesegasnutzung in Brennkammer (FLOX-Brenner)

Modularer Aufbau (1.000 tTS/a)

Pyrolysekoks nicht gelistet (Anh. 2, DüMV)

Referenzen (teilgestufte Verbrennung):

• Versuchsanlage Dörth

• Linz-Unkel, in Betrieb (1 Modul)

• Homburg, im Bau (1-2 Module)

• Emmerich (in Planung)


HTC-Verfahren

(Hydrothermale Carbonisierung) Umwandlung von feuchter Biomasse zu kohleähnlichem Produkt

Rührreaktor (Druckbehälter)

Klärschlammanforderung: 25 % TS • Entwässerung erforderlich

Sauerstoffverhältnis λ = 0

Temperaturen 180 - 250 °C, Drücke 10 - 40 bar

„Kohleschlamm“ nach Behandlung, auf 75 % TR entwässerbar • Weitere Entwässerung erforderlich • HTC-Kohle fungiert als Schwermetallsenke

Ähnlich hohe Heizwerte wie Braunkohle

Prozesswasser (belastet mit CSB, N, Organik, etc.)

P-Produkt/Kohle nicht gelistet (Anh. 2, DüMV)

Referenzen: • Pilotanlage für Klärschlamm • Großtechnische Anlage in Jining/China

Quelle: Fa. Terra Nova


Entwicklungsstufen DIN 3460 -

angewendet auf thermische Verfahren Entwicklungs-

stufe Kriterium Vorgabe

Verfahren

Station. Wirbel- schicht

Rost- feuerung

Schmelz- Verfahren

Vergasung Pyrolyse HTC-

Verfahren

1

Anlage/Verfahren Tests im Labormaßstab, Massen- und Energiebilanzen Kernanlage

Eingangs-/

Ausgangsstoffe

Beschreibende Analyse Eingangs- / Ausgangsstoffe

(Qualität, Quantität)

Marktchancen Einschätzung Marktchance Großanlage (Basis Laborergebnisse)

Scale-up Darstellung Möglichkeiten & Risiken Scale-up, Planung Versuchsanlage

2

Anlage/Verfahren Stationärer Betrieb,

Versuchsanlage Massen- und Energiebilanzen Kernanlage

Eingangs-/ Ausgangsstoffe

Analyse Eingangs- /Ausgangsstoffe (Qualität, Quantität), Möglichkeiten & Grenzen Eingangsstoffe

Marktchancen Abschätzung der Marktchancen einer Großanlage

Scale-up Rahmenbedingung Scale-up, weitere Verfahrensschritte, Planung Technikumsanlage

Betrieb Abschätzung möglicher Betriebsprobleme (Korrosion, Erosion, … )

3

Anlage/Verfahren Stationärer Betrieb, Technikumsanlage (längere Zeit),Emissionsmessung


Prüfung der prozesstypischen Stoffe auf ihre Umweltrelevanz und Nutzbarkeit

Marktchancen Darlegung der Marktchancen einer Großanlage

Scale-up Technische und wirtschaftliche Interpretation Mess- und Analysenergebnisse bzgl. Großanlage, Größe Apparate, Materialien, Bau- und Betriebskosten Großanlage, Kosten pro Tonne Abfall

Betrieb Einschätzung Laufzeit, Anlagenverfügbarkeit und Standzeit einer zu konzipierenden Großanlage

4

Anlage/Verfahren Betrieb großtechnische Anlage in bestimmungsgemäßem Betrieb über ein bis zwei Jahre, Bestätigung der Massen- und Energiebilanzen, Emissionswerte


Nachweis der Eignung für geplante Eingangsstoffe, Möglichkeiten Produktvermarktung

Marktchancen Validierung der Investitions- und Betriebskosten (Business-Plan)

Betrieb Nachweis der Verfügbarkeit und Laufzeit

5

Anlage/Verfahren Großtechnische Anlage im bestimmungsgemäßem Betrieb über mehrere Jahre, Beurteilung der Umweltrelevanz von Verfahren und Anlage


Nachweis der Entsorgung der Einsatzstoffe, Nachweis der Vermarktung prozesstypischer Produkte

Marktchancen Nachvollziehbare Darstellung der Investitions- und Betriebskosten über mehrere Jahre

Betrieb Optimierung Effizienz, Verfügbarkeit, Laufzeit


Inhalt

Einführung







Trocknungsverfahren

Konvektionstrocknung

• Direkter Kontakt zwischen Wärmeträger (z. B. Gas, Dampf)

und Schlamm

Kontakttrocknung

• Direkter Kontakt zwischen Trocknungsfläche und Schlamm

Strahlungstrocknung

• Trocknung des Schlamms erfolgt mit Hilfe

elektromagnetischer Strahlung

Quelle: ATV-DVWK-M 379

Quelle: ATV-DVWK-M 379


Auswirkungen

Massenreduktion durch Entwässerung und Trocknung Quelle: Lehrmann, F.: Überblick über die thermische Klärschlammbehandlung,

UBA, 9/2013

Heizwerterhöhung durch Entwässerung und Trocknung Quelle: Lehrmann, F.: Überblick über die thermische Klärschlammbehandlung,

UBA, 9/2013


Technologieauswahl

Fixieren der angestrebten

Klärschlammentsorgungs- bzw.

Verwertungskonzepte

• Vorgabe Trocknungsgrad

Einbeziehen standortspezifischer

Randbedingungen

• Betriebliche, energetische und

emissionsseitige Hintergründe

• Platzverhältnisse

• Auswirkungen durch

Rückbelastungen

(Brüdenkondensat)

• Genehmigungsseitige

Vorgaben/Einschränkungen

Prinzip Konvektions-

trockner Strahlungs-

trockner Kontakt- trockner

Merkmal Einheit Band-

trockner Trommel- trockner

Wirbelschicht-verdampfungs- trockner

2) [5]

Solartrockner (thermisch unterstützt)

Dünn- schicht-/

Scheiben- trockner

Schnecken- trockner

Stand der Technik - Ja Ja Nein Ja Ja Ja

Realisierte Anlagen - Ja Ja Nein 3)

Ja Ja Ja

Betriebssicherheit - - - + + + +

Genehmigungsfähigkeit - Ja Ja Ja Ja Ja Ja

Flächenbedarf - - + ++ -- + +

Leistungsbereich je Aggregat

max. tH2O/h

5 5 2 - 55 0,9 6 1,5

el. Energieverbrauch kWhel/tH2O 60 - 120 70 - 120 90 - 110 20 - 30 50 - 60 30 - 60

therm. Energieverbrauch

kWhth/tH2 850 - 1.100

900 - 1.100

670 - 720 (2.5002)) 760 - 850 760 - 850

Teiltrocknung - - -- -- + + +

Volltrocknung - + + ++ (+) -(+) 4) +

Ausgangsmaterial - Stäbchen Granulat Granulat Granulat Feingranulat Granulat

Brüdenwärme - - - ++ -- + +

Geruchsgefahr - - - + + + +

++ sehr gut + gut - weniger gut -- gering

2) bis zu 4 bar Druck schlammseitig

3) realisierte Anlagen nur für Zuckerherstellung, jedoch nicht zur Klärschlammtrocknung

4) Dünnschichttrockner erzielt Volltrocknung ohne und Scheibentrockner mit Rückmischung


Inhalt

Einführung







Standorte Kläranlagen Rügen


Quo Vadis thermische

Klärschlammbehandlung?

BGA 30 €/t

2011 * 50 €/t

2015 * 72 €/t

2017 85 €/t

20XY

> 100 €/t?

Alle Angaben in €/tOS, netto ohne Transport

* KVA Anfrage


Anlagenkonzept Rügen

Kombiniertes Schlammbehandlungsverfahren

• Schlammfaulung mit Gasspeicher

• Schlammentwässerung und -trocknung

• Thermische Schlammbehandlung in stationärer Wirbelschicht

• Abgasreinigung im quasi-trocken Verfahren

Energienutzung

• Faulgasnutzung in BHKW-Motor

• Strom und Wärme für KA Standort

• Wärme aus Klärschlammverbrennung

• Trocknung des Klärschlamms für autotherme Verbrennung

Reststoffe

• Asche aus Verbrennung für mögliches späteres P-Recycling

• Reststoffe aus Abgasreinigung zur externen Entsorgung


Anlageneckdaten KVA Rügen

Parameter Einheit Wert

Faulung

Durchsatzleistung m³/d 120

Gasmenge m³/h 110

Energieerzeugung (BHKW) kWel. 330

Energieerzeugung (thermisch) kWth. 360

Verbrennung

Brennstoffmenge (Klärschlamm, Rechengut, Strandgut) MgTS/a 2.000

Durchsatzleistung Ofen kgTS/h 180 - 270

TR-Gehalt, Mischung Ofeneintritt % ca. 55

Feuerungswärmeleistung MWth 0,900

Luftvorwärmung °C 245

Verbrennungsasche (nutzbar) Mg/a ca. 800

Rückstandsmenge (Deponie) Mg/a ca.500


Anlagenkonzept

von der Idee zum Konzept

zur Realisierung

Faulung

Monoverbrennung

BHKW

Gasspeicher


Anlagenkonzept Verbrennung

Wirbelschicht-

ofen

Trockner Gewebefilter

E-Filter Abhitze-

kessel


Wirbelschichtofen mit Anfahrbrennkammer

Anfahr-

brennkammer

Sekundär-

luft

Frischluft

(Primärluft)

Windbox

Wirbelschicht

Feuerraum


Trockner und Kessel


Wirbelschichtofen und Düsenboden


Kostenrahmen

Leistungen Kosten [€, netto]

Bauleistungen 2.700.000

Maschinentechnik Faulung 2.000.000

Blockheizkraftwerk 300.000

Verbrennungstechnik 3.600.000

Elektro- und Leittechnik 900.000

Standortinfrastruktur und Auftragsabwicklung

1.800.000

Gesamtsumme 11.300.000


Kostenvergleich

Verwertungskonzept der Klärschlammkooperation MV GmbH Quelle: 16. Dialog Abfallwirtschaft MV, Rostock 4/2014

Verbrennung

Gesamtanlage

Rügen


Inhalt

Einführung







Aufwand und Potentiale für das P-Recycling

Volumen-/

Massenstrom

Kläranlagen-

ablauf

Schlamm-

wasser

entw.

Faulschlamm

Klärschlamm-

asche

Phosphor-

Konzentration

Rückgewinnungs-

potential

max.

Rückgewinnungs-

grad

Kosten

rot: „schlecht“ grün: „gut“


Entwicklungsstufen DIN 3460 -

angewendet auf P-Recycling Verfahren

0 1 2 3 4

Vorversuche Laborversuche Technikumsanlage PilotanlageGroßtechnische

Anlage

PASCH

SEPHOS

SESAL-PHOS

BioCon

LEACHPHOS

Eberhard-

Verfahren

EcoPhosgroßtechnische Anlage

für Rohphosphat

TetraPhos Baustart 2018

AshDec

Mephrec für Klärchlamm

ATZ-Eisenbad-

reaktor

RecoPhos AT

KALOGEO

Bioleaching Inocre P-bac

elektrokinetisch EPHOS

Entwicklungsstufe

thermisch

nasschemisch


AshDec-Verfahren 1. Stufe (thermische Behandlung)

• Drehrohrofen, 850 – 1.000 °C

• Zugabe von Natriumsulfat und/oder Natriumcarbonat und Klärschlammtrockengut

• Umwandlung von P zu Magnesium- bzw. Calciumphosphat

2. Stufe (Rauchgasreinigung)

• Quasi-trockenes Reinigungsverfahren (Kalkhydrat, HOK)

• Abscheidung von Schwermetallen

• Asche-Abzug

4. Stufe (Veredelung)

• Ascheveredelung durch weitere Zugabestoffe

• Verwertung bspw. Düngemittelindustrie

Referenzen

• Pilotanlage Leoben (zurückgebaut), Österreich 2008, Aufbereitung Klärschlammasche, Fa. Outotec

Quelle: Fa. Outotec


TetraPhos-Verfahren 1. Stufe (Rührreaktor)

• Elution von Phosphor aus Asche in Phosphorsäure als Calciumdihydrogenphosphat (Ca(H2PO4)2 )

2. Stufe (Fest-Flüssig-Trennung)

• Trennung Aschefraktion von Phosphor-Lösung

3. Stufe (Ca-Separation, Zugabe Schwefelsäure):

• Abscheidung von Gips

• Bildung von Phosphorsäure

4. Stufe (Ionenaustauscher)

• Regeneration mittels Salzsäure, Abscheidung von Mg-/Ca- bzw. Al-/Fe-Salzen

5. Stufe (Vakuumverdampfung)

• Aufkonzentrierung auf rd. 75 % (RePacid)

• Rezyklat als prozesseigene Säure und zur weiteren Verwertung, bspw. Düngemittelindustrie

Referenzen

• Pilot-Anlage Hamburg (KA Köhlbrandhöft), Aufbereitung Klärschlammasche, seit 2015 in Betrieb, Planung für großtechnische Anlage angelaufen (Realisierung 2018), Fa. Remondis

Quelle: Fa. Remondis


EcoPhos-Verfahren 1. Stufe (Rührreaktor)

• Elution von Phosphor aus Asche in Phosphorsäure als Calciumdihydrogenphosphat (Ca(H2PO4)2 )

2. Stufe (Fest-Flüssig-Trennung)

• Trennung Aschefraktion von Phosphor-Lösung

3. Stufe (Ionenaustauscher)

• Abscheidung von Erdalkalimetallen und Metallen

• Gereinigte Phosphorsäure (H3PO4),

• Wiederverwendung im Prozess

• Regeneration mittels Salzsäure, Mg-/Ca-Salzlösung bzw. Al-/Fe-Salzlösung

4. Stufe (Vakuumverdampfung)

• Aufkonzentrierung auf rd. 62 %

• Rezyklat zur weiteren Verwertung, bspw. Düngemittelindustrie

Referenzen

• Bspw. Bulgarien, Syrien, Peru, Namibia (100.000 t/a DCP/MCP aus phosphathaltigem Gestein)

• Pilotanlage Bulgarien, Aufbereitung Klärschlammasche

• Planung einer großtechnischen Anlage in Dünkirchen, Fa. EcoPhos

Quelle: Fa. EcoPhos


Inhalt

Einführung








AbfKlärV seit 03.10.2017 in Kraft - Übergangsfristen aktiv

Neue Kapazitäten an thermische Behandlungsanlagen erforderlich

Die Entsorgungskosten für die Klärschlammbehandlung zeigen eine steigende Tendenz

auf, aufgrund sich verändernder Rahmenbedingungen wie

• vermehrte Mengen an Wirtschaftsdüngern (Klärschlamm, Gülle, Gärrest) treffen auf

Einschränkungen bei der Flächenverfügbarkeit in der Landwirtschaft

• Reduzierung der Kapazitäten in der Mitverbrennung bei Kraftwerken und

Abfallverbrennungsanlagen

• die Novelle der AbfKlärV

Technisch bewährtes und dominierendes Verfahren für thermische Mono-Klärschlammbehandlung

• Stationäre Wirbelschicht

Alternative Verfahren zur Marktreife weiter entwickeln, da insbesondere für dezentrale Lösungen geeignet


Zusammenfassung und Ausblick Vorteile der Klärschlammtrocknung

• Mengenreduzierung (verringerter Transportaufwand)

• Erfüllung der Anforderungen aus der thermischen Verwertung

Effektives P-Recycling (Klärschlammasche/C-haltige Rückstände):

• Mono-Verbrennung, priorisierte Vorbehandlung

Großtechnische/wirtschaftliche P-Recycling-Verfahren sind noch nicht am Markt verfügbar (Erste Realisierungen sind in den nächsten Jahren zu erwarten)

• Alternativen:

Deponie (Langzeitlager)

Abgabe an die Düngemittelindustrie


Vielen Dank …

Weltgrößte Anlage Hong Kong

Entwässerter Klärschlamm

4 x 45.000 MgTS/a

TVM Mainz

Klärschlamm, entwässert + getrocknet

1 x 37.500 MgTR/a

Aktuelle technische Möglichkeiten der ...

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