方春玉 鄭丹萍 于佳祎 呂楓 嚴(yán)禾敏 譚梅 楊麗 楊智博 陳樺

摘要 好氧堆肥是能同時實現(xiàn)污泥減量化、無害化、資源化最有發(fā)展?jié)摿Φ奶幹梅绞街唬瑸閺娀勰嗟暮醚醵逊蔬M程和提高堆肥質(zhì)量，將圓褐固氮菌（Azotobacter chroococcum）、蠟狀芽孢桿菌（Bacillus cereus）和解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）等比例混合組建為復(fù)合菌劑，污泥與玉米秸稈按體積比1∶1.5混合，烘干調(diào)節(jié)混合物的含水率至60%后接種10%的復(fù)合菌劑，裝入堆肥裝置中，調(diào)節(jié)空氣流量為0.20 L/min進行通氣發(fā)酵15 d，所得堆體的TN、TC、TP、TK分別為（23.20±0.21）、（230.80±0.56）、（3.13±0.03）、（1.55±0.01） g/kg，發(fā)芽指數(shù)為（129.95±5.42）%。比較于未加菌劑空白組，營養(yǎng)基質(zhì)含量均有提高，且重金屬含量均大幅度降低，除As外，其他重金屬指標(biāo)均低于有機肥國標(biāo)的限值。復(fù)合菌劑發(fā)酵的堆料中總氮減少量降低，總磷含量增高，重金屬含量減少，表明該混合菌劑具有固氮、聚磷和鈍化重金屬的作用，有助于解決市政污泥堆肥中存在的堆肥效率低、營養(yǎng)流失大、重金屬超標(biāo)等瓶頸難題。

關(guān)鍵詞 市政污泥；污泥堆肥；秸稈；復(fù)合菌劑

中圖分類號 S141.4? 文獻標(biāo)識碼 A? 文章編號 0517-6611（2024）11-0036-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.11.009

Research on the Application of Compound Microbial Agent in Aerobic Composting of Sludge and Straw

FANG Chun-yu1，2， ZHENG Dan-ping2， YU Jia-yi2? et al

（1.Solid-state Fermentation Resource Utilization Key Laboratory of Sichuan Province，Yibin，Sichuan 644000.2.Biotechnology Engineering Dept，Sichuan University of Science&Engineering，Zigong，Sichuan 643000）

Abstract Aerobic composting is one of the most potential disposal methods realizing sludge reduction， innocuity and resource utilization simultaneously. To strengthen the aerobic composting process of sludge and improve composting quality， compound bacterial agent were formed by mixing Azotobacter chroococcum，Bacillus cereus and Bacillus amyloliquefaciens with the equal ratio. The sludge was mixed with corn straw according to the volume ratio of 1∶1.5， the moisture content of the mixture was adjusted to 60% by drying， then the mixture was inoculated with 10% compound microbial agent and put into the composting device， and the air flow is adjusted to 0.20 L/min for aeration fermentation for 15 d， the TN， TC， TP and TK of the sludge composting were （23.20±0.21） g/kg， （230.80±0.56） g/kg， （3.13±0.03） g/kg and （1.55±0.01） g/kg， respectively， the germination index was （129.95±5.42）%. Compared with the control group， the contents of nutrient substrate were increased， and the contents of heavy metals were decreased significantly， except As， other heavy metal indexes were lower than the limits of national standard of organic fertilizer. The decrease of total nitrogen， the increase of total phosphorus and the decrease of heavy metals in the compost of the compound microbial agent fermentation indicated that the compound microbial agent had the functions of nitrogen fixation， phosphorus accumulation and passivation of heavy metals， this will help to solve the problems of low composting efficiency， high nutrient loss and excessive heavy metals in municipal sludge composting.

Key words Municipal sludge;Sludge compost;Straw;Compound microbial agent

基金項目 固態(tài)發(fā)酵資源利用四川省重點實驗室項目（2020GTJ003）；四川輕化工大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（CX2024139）；四川省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（S202310622079）；四川輕化工大學(xué)-五糧液集團合作項目（CXY2019ZR008）。

作者簡介 方春玉（1977—），女，四川遂寧人，高級實驗師，碩士，從事環(huán)境生物技術(shù)研究。

*通信作者，從事環(huán)境生物技術(shù)研究。

收稿日期 2023-05-02；修回日期 2023-06-27

“雙碳”戰(zhàn)略倡導(dǎo)綠色、環(huán)保、低碳的生活方式，節(jié)能減排和廢棄物的循環(huán)利用是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措［1］。污泥問題成為中央生態(tài)環(huán)保督察特別關(guān)注的問題，我國出臺相應(yīng)政策、法律法規(guī)，規(guī)定污泥或廢渣（符合衛(wèi)生條件的可綜合利用除外）必須作最終處置，污泥處置成為打通污水處理的“最后一公里”，污泥處置的出路成為亟待解決的難題。污泥農(nóng)用是污泥最終處置手段中的最佳選擇，由污泥有機質(zhì)含量、龐大的數(shù)量和增值潛力所決定［2］。近年來，我國市政污泥產(chǎn)生量逐年上升，到2021年達到5 552萬t，預(yù)計2025年我國污泥年產(chǎn)量將突破9 000萬t，生活污水作為市政污泥的來源之一，是市政污泥產(chǎn)生量快速增多的原因，污泥處置問題面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［3］。好氧堆肥是達到污泥農(nóng)用有效方式之一，也是同時實現(xiàn)污泥環(huán)?；?、穩(wěn)定化、無害化、資源化最有發(fā)展?jié)摿Φ奶幹梅绞?。侯靜怡等［4］通過系動力學(xué)法和數(shù)值模擬法，對比了市政污泥減污與降碳的4條路徑效果，得出市政污泥堆肥和厭氧發(fā)酵能有效提高減污降碳協(xié)同度。好氧堆肥具有能耗低、處理量大、經(jīng)濟且環(huán)保等優(yōu)點，但也具有好氧自然堆肥效率低、臭味大、肥效低和重金屬難以穩(wěn)定化等缺點。研究表明［5-10］，外加微生物可強化堆肥，外源接種微生物可加快堆肥進程，縮短堆肥周期，提高對非溫度殺死堆體中的病原微生物，提高肥效和降低臭味。微生物是污泥堆肥的生力軍，能將污泥中的有機質(zhì)分解，產(chǎn)生堆料肥體物和熱量，促進污泥堆肥的腐熟。目前市場已有微生物菌劑品種繁多，如日本的EM菌劑，已有菌劑在餐廚垃圾和牲畜糞便的堆肥中得到了較好的應(yīng)用［11-12］。實際應(yīng)用中，部分菌劑存在質(zhì)量差異較大、微生物活性不穩(wěn)定、應(yīng)用效果不理想等問題。

為達到減少堆肥進程中營養(yǎng)基質(zhì)的流失、縮短發(fā)酵周期、提高堆肥效率、鈍化金屬的目的，將自行分離馴化、具有固氮、聚磷和鈍化金屬的功能性微生物組建為復(fù)合菌劑，對市政污泥和秸稈進行強化堆肥，并對堆肥條件進行優(yōu)化，旨在為污泥堆肥構(gòu)建高活性、高效能的微生物菌劑、提高污泥堆肥效率，從而推市政動污泥資源化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

活性污泥，取自宜賓市生活污水處理廠剩余活性污泥。小麥秸稈、玉米秸稈、稻草和小白菜種子均購自淘寶網(wǎng)。白菜種子是由青縣興運蔬菜良種繁育中心生產(chǎn)，一般溫度在10～25 ℃時均可播種，其發(fā)芽率不低于85%。

試驗菌株均為課題組自行從白酒廢水剩余污泥中分離所得，并通過鑒定為圓褐固氮菌（Azotobacter chroococcum）、蠟狀芽孢桿菌（Bacillus cereus）、解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）。

1.2 分析方法

含水率、溫度、有機質(zhì)、pH和種子發(fā)芽指數(shù)（GI）測定方法參考農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《有機肥料》（NY/T 525-2021）；電導(dǎo)率EC采用電導(dǎo)率儀直接測定；總碳采用總碳測定儀直接測定，總氮采用凱氏定氮儀直接測定，總磷采用水質(zhì)分析儀直接測定，總鉀采用原子吸收光譜儀測定；重金屬含量采用ICP光譜儀測定；E4/E6采用分光光度計法測定，于465和665 nm處測定吸光度，計算比值［13］。

1.3 試驗裝備

堆肥裝置如圖1所示，堆體主體設(shè)備用塑料桶自制而成，長40 cm、寬40 cm、高50 cm，側(cè)面開有取樣口和溫度檢測口；用空壓機供氣，在軟管底端接有曝氣頭，曝氣頭不同方位開孔進行全方位均勻布氣。

1.4 試驗操作

用LB 培養(yǎng)基斜面活化的菌種，取250 mL的三角瓶15個，分別裝入100 mL的LB液體培養(yǎng)基后高溫滅菌。各取3環(huán)活化菌種接種三角瓶中，每種菌接種5瓶，將三角瓶放在37 ℃、120 r/min的搖床中振蕩培養(yǎng)12 h后，取出后按1∶1∶1的比例將3種菌懸液混合，得到混合種子液。

量取市政污泥和秸稈按一定比例混合，接入適量的混菌液后攪拌均勻，裝入堆肥裝置中，啟動空壓機進行供氣發(fā)酵，注意曝氣頭周圍裝料不易過緊，或留一通道，保證氣流通暢。

2 結(jié)果與分析

2.1 輔料的選擇

含菌膠團的污泥脫水困難、黏度大，直接堆肥具有含水率高、溶氧低等弊端。添加秸稈能調(diào)節(jié)含水率、調(diào)節(jié)孔隙率、補充有機質(zhì)。秸稈的添加，既能增加污泥之間的孔隙，提高蓬松度，提高溶氧；又能增加堆體物的氮、磷、鉀等營養(yǎng)基質(zhì)，從而提高堆肥的效果。不同原料性能參數(shù)測定見表1。

由表1可知，不同種類的秸稈，其組成成分和性能差異較大。確定秸稈種類和添加比例，可以穩(wěn)定污泥堆肥效率和品質(zhì)。

2.1.1 秸稈種類的確定。

選用小麥、玉米、稻草的秸稈（XM、YM、SD）為調(diào)節(jié)劑，取相同質(zhì)量的秸稈分別和污泥混合均勻，接種10%的混合菌劑，混勻后置于堆肥裝置中，以不接種菌劑的為對照組。設(shè)置通風(fēng)量為0.15 L/min，取不同發(fā)酵時間的堆料測定其含水率、有機質(zhì)含量、pH、EC、E4/E6、發(fā)芽指數(shù)，測定結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，綜合各參數(shù)指標(biāo)，堆料發(fā)酵15 d 后，堆料基本達腐熟程度。圖2b顯示，堆體有機質(zhì)含量隨發(fā)酵時間延長逐漸降低，小麥、玉米、稻草秸稈組（XM、YM、SD）0～15 d時有機質(zhì)含量分別從80.19%、84.04%、81.00%下降到68.23%、69.00%、74.33%，分別下降了11.96百分點、15.04百分點、6.67百分點，添加菌劑組均小于空白對照組；添加玉米秸稈作為輔料的堆體的硝化作用和有機物降解作用較強，氮的損失較小，堆肥效果較好。從圖2c可以看出，所有堆體總的EC值均小于4.0 mS/cm，不會對種子發(fā)芽和作物的生長產(chǎn)生影響［14］。

E4/E6指示腐殖質(zhì)的腐殖化程度，其數(shù)值越小，表示堆體腐殖化程度越高，在環(huán)境中存留時間越長，有研究認為，E4/E6數(shù)值在 3～4 ，堆體已達腐熟狀態(tài)［15］，從圖2e可以看出，E4/E6值的變化是先升后降，堆肥結(jié)束時所有堆體的E4/E6值都到達了3～4，達到了腐熟要求。發(fā)酵結(jié)束，測得小麥秸稈組的E4/E6為2.74，玉米秸稈則為3.05，比較于其他試驗組，其值相對較低。

種子發(fā)芽指數(shù)是檢測堆肥植物毒性和評價堆料腐熟度的重要參數(shù)［16］ 。從圖2f可以看出發(fā)芽指數(shù)的變化是先升后降，其中玉米秸稈組的發(fā)芽指數(shù)整體優(yōu)于其他組，堆肥結(jié)束的發(fā)芽指數(shù)表明：所有堆體的發(fā)芽指數(shù)都大于70%，都達有機肥料國標(biāo)要求。但是若以發(fā)芽指數(shù)大于80%的堆體才腐熟為指標(biāo)［17］，則除稻草組和稻草對照組外，其余堆體的發(fā)芽指數(shù)都大于80%到達了腐熟度要求。對發(fā)芽指數(shù)第6天的結(jié)果進行顯著性分析得出玉米秸稈組差異最顯著（P＜0.05）。

添加復(fù)合菌劑，有利于促進秸稈和污泥的堆肥進程，改變堆體的含水率、pH及組成，促進有機質(zhì)分解，有利于農(nóng)作物吸收利用，促進發(fā)芽生長。玉米秸稈作為輔料的試驗組和對照組的有機質(zhì)含量下降均為最大，且堆肥過程中pH不高，氮損失小，發(fā)芽指數(shù)也較其他組的高，后續(xù)試驗選擇玉米秸稈作為污泥堆肥的輔料。

2.1.2 輔料和污泥最佳配比的確定。

將污泥與玉米秸稈按體積比 1∶0.5（1組）、1∶1（2組）和1∶2（3組）配比，控制堆體總質(zhì)量相同6 kg。由燒杯大致量取500 mL體積的玉米秸稈稱得質(zhì)量為61 g，500 mL體積的污泥稱得質(zhì)量為535 g。污泥、秸稈混勻后接種混合菌劑10%，置于堆肥裝置中，設(shè)置通風(fēng)量為 0.15 L/min進行堆肥發(fā)酵。測定不同發(fā)酵時間下各指標(biāo)參數(shù)，以確定輔料玉米秸稈/污泥的最佳配比，測定結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，添加玉米秸稈的堆體，隨著堆肥發(fā)酵進行，其水分、有機質(zhì)含量和pH都有不同程度的降低，堆體朝著腐熟的方向進行，特別是1∶2組合表現(xiàn)較為突出，EC為1.45 mS/cm，E4/E6為3.28，發(fā)芽指數(shù)為125%，均高于其他比例組合。玉米秸稈量的添加，增加了污泥之間的孔隙，便于空氣的流通，增加了溶氧，有利于微生物的生長代謝，從而加快了代謝進程，促進了堆體較快腐熟。但過多的秸稈添加，會使堆體含水率降低、難降解的纖維素增加，不利于污泥秸稈混合堆體的發(fā)酵。綜合考慮配比3組即污泥∶玉米秸稈的配比為1∶2的堆肥效果最好。

2.2 堆肥條件的研究

2.2.1 單因素試驗。

微生物發(fā)酵受溫度、水分、溶氧和接種量等因素的影響，由于堆肥有一個溫度上升的過程，采用保溫的方式聚集熱量，故溫度不作控制。通過單因素試驗設(shè)計，對復(fù)合菌劑發(fā)酵污泥和秸稈堆肥影響條件進行研究，找出通風(fēng)量、堆體含水率以及接種量的最適參數(shù)范圍，為優(yōu)化堆肥條件提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

堆肥發(fā)酵過程中，測定不同條件下堆料的E4/E6和發(fā)芽指數(shù)大小，結(jié)果如圖4所示。從圖4a中可以看出，0.15、0.30和0.45 L/min通風(fēng)量下，堆體的E4/E6隨時間變化的總趨勢是先降后升再降，最終 E4/E6值都小于4，達到了堆肥腐熟要求，但它們的值相差不大，分別為3.37、3.20和3.09。從圖4b可以看出堆體的發(fā)芽指數(shù)隨時間在逐漸增加，堆肥結(jié)束時的發(fā)芽指數(shù)都大于80%，滿足堆料的腐熟要求。堆體在不同的通風(fēng)量下發(fā)酵，其堆料的發(fā)芽指數(shù)不同，0.30 L/min的通風(fēng)量組發(fā)芽指數(shù)最大，其GI（0.30 L/min）為109.41%，3試驗組發(fā)芽指數(shù)大小關(guān)系為GI（0.30 L/min）>GI（0.15 L/min）>GI（0.45 L/min）。通風(fēng)量越高，通入污泥中的空氣量越大，越利于好氧微生物的生長繁殖和代謝，越利于污泥的腐熟；但通風(fēng)量增加，會加大氣流流動，帶走堆體中的水分和熱量，不利于堆肥發(fā)酵，同時，較大的通氣量會加快硝化和反硝化進程，導(dǎo)致氮元素以N2的形式排出而營養(yǎng)流失過大。試驗得出，該混合菌劑堆肥通風(fēng)量選擇0.30 L/min。

將污泥與玉米秸稈混勻，通過加熱干燥法控制水分含量，調(diào)整堆體的起始含水率分別為55%、60%和65%，加入混合菌劑后堆肥，測定發(fā)酵過程中各指標(biāo)大小。從圖4c～d可以看出，堆體不同起始含水率發(fā)酵進程中，E4/E6和發(fā)芽指數(shù)均有較大變化，堆體E4/E6隨時間變化的總趨勢是先降后升再降，且發(fā)酵結(jié)束后，E4/E6值都小于4，達到了堆肥腐熟要求，

55%、60%和65%含水率條件下吸光度比率E4/E6分別為3.34、3.63和3.50；對應(yīng)的發(fā)芽指數(shù)GI分別為114.19%、112.33%和101.45%。55%試驗組E4/E6值最低，發(fā)芽指數(shù)最高。水分能溶解堆體內(nèi)的小分子物質(zhì)，為微生物的生長代謝提供豐富的營養(yǎng)基質(zhì)；對于靜態(tài)發(fā)酵的堆體，其起始含水率越高，污泥黏度越大，污泥間孔隙越小，越不利于氣流的流通，勢必影響好氧微生物的正常生長代謝。該試驗選用起始含水率為55%。

從圖4e可以看出，堆體E4/E6隨時間變化的總趨勢是先降后升再降，發(fā)酵15 d后E4/E6值都小于4，達到了堆肥腐熟要求。接種量0、3%、5%和10%的堆體，測得其對應(yīng)E4/E6值分別為3.87，3.85、3.43和3.50，堆料的發(fā)芽指數(shù)分別為100.63%、92.68%、102.17%、104.45%。接種量的大小決定于微生物生長繁殖速度，較大的接種量可以縮短菌種繁殖達到高峰的時間而較快成為優(yōu)勢菌群，但接種量過大過小均會影響發(fā)酵，過小會延長培養(yǎng)時間，效率較低；過大會引起溶氧不足，影響代謝。比較吸光度比率E4/E6和發(fā)芽指數(shù)，該混合菌劑堆肥市政污泥的最佳接種量為10%。

通過單因素試驗，得出該復(fù)合菌劑發(fā)酵市政污泥和玉米秸稈的最佳條件為通氣量0.30 L/min，含水量55%，接種量10%。

2.2.2 正交試驗。

在單因素試驗基礎(chǔ)上，對堆肥的條件進行正交試驗設(shè)計，以優(yōu)化獲得最佳的微生物菌劑堆肥活性污泥的最佳條件。將污泥和玉米秸稈按體積1∶2的比例混勻后接種，裝入堆肥裝置中，控制不同的試驗條件進行發(fā)酵15 d，測定堆體中混合物的總碳（TC）、總氮（TN）、總磷（TP）和總鉀（TK）的量，并計算發(fā)酵前后對應(yīng)指標(biāo)的變化量，結(jié)果如表2 所示。

由表2可知，堆肥結(jié)束后堆體的C/N比均在10左右，滿足腐熟要求，且第6組的P含量在堆肥結(jié)束時增加了15.93%。在微生物菌劑參與堆肥的過程中，由于微生物的繁殖代謝，會消耗原料中的有機質(zhì)生成氮化物NOx、NH3和CO2等氣體排出，從而導(dǎo)致原料中N、C元素的含量減少，即營養(yǎng)損失，多數(shù)研究表明，好氧堆肥過程中氮素損失占總氮的 45%～71%［18］ 。在堆肥過程中營養(yǎng)損失（以K計）最高可達54.95%，最小為27.48%。

從表3可以看出，以堆體總養(yǎng)分變化為指標(biāo)，試驗號6的組合其營養(yǎng)減少量最小，為27.20%。比較k值可得出最佳組合為A2B3C1D1，即接種量為10%，含水率為60%，污泥∶秸稈1∶1.5，通風(fēng)量0.20 L/min。在此條件下堆肥15 d，得到的堆體外觀如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著堆肥發(fā)酵進程的推進，堆體的顏色由棕色變成黑褐色，顏色越來越深，外觀上顯示堆體已達腐熟。這一結(jié)果符合Sugahara等［19］和Jiménez等［20］對堆肥腐熟度判別方法的描述，認為隨著堆肥進程的增加，堆料的顏色逐漸加深，直到最終產(chǎn)品變成深棕色或幾乎全黑。

對堆體的成分指標(biāo)進行檢測，測得的數(shù)據(jù)如表4所示。

對比國家農(nóng)業(yè)行業(yè)《有機肥料》（NY/T 525—2021）指標(biāo)檢測標(biāo)準(zhǔn)，該市政污泥和玉米秸稈在復(fù)合微生物菌劑作用下所得堆料的質(zhì)量指標(biāo)均高于國家有機肥標(biāo)準(zhǔn)，堆肥過程中TP由2.78 g/kg增加至3.13 g/kg，提高了12.59%，這或許與菌劑中解淀粉芽孢桿菌有關(guān)，因為課題組前期研究表明，該株解淀粉芽孢桿菌具有較好的聚磷作用。

同時，對堆肥腐熟后的堆體中重金屬進行檢測，數(shù)據(jù)見表5。由表5可知，市政污泥中As和Cd含量均超過了國家標(biāo)準(zhǔn)《有機肥料》規(guī)定的限值，經(jīng)過復(fù)合菌劑堆肥后，堆體中重金屬含量均有大幅度的降低，Cd從4.11 mg/kg 降至2.90 mg/kg，雖然As含量仍不達標(biāo)，但其含量從35.00 mg/kg降至22.22 mg/kg，降低了36.51%，其他重金屬含量均低于有機肥國標(biāo)限值。說明該復(fù)合菌劑在市政污泥堆肥過程中具有鈍化固定重金屬的作用［21］，該研究結(jié)果與劉艷婷等［21］的結(jié)論一致，即外源微生物菌劑的添加可提高堆肥效率，利于重金屬鈍化，減少氮流失。

3 結(jié)論

市政污泥堆肥是污泥土地化利用的重要途徑，是契合國家發(fā)改委“十四五”新型城鎮(zhèn)化實施方案的重要舉措。將圓褐固氮菌（Azotobacter chroococcum）、蠟狀芽孢桿菌（Bacillus cereus）、解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）等比例混合組建為混合菌劑，污泥與玉米秸稈按體積比1∶1.5混合，烘干污泥秸稈混合物的含水率至60%后接種10%的復(fù)合菌劑，裝入堆肥裝置中，調(diào)節(jié)空氣流量為0.30 L/min進行通氣發(fā)酵15 d，所得堆體的TN、TC、TP、TK分別為（23.20±0.21）、（230.80±0.56）、（3.13±0.03）、（1.55±0.01） g/kg，發(fā)芽指數(shù)為（129.95±5.42）%。相較于未加菌劑空白組，營養(yǎng)基質(zhì)含量都有提高，但重金屬含量均大幅度降低，除As外，其他重金屬指標(biāo)均低于有機肥國標(biāo)的限值。堆料中總氮的減少量降低，總磷含量增高，重金屬含量減少，表明該混合菌劑具有固氮、聚磷和鈍化重金屬的作用，這為市政污泥堆肥解決了堆肥效率低、營養(yǎng)流失大、重金屬超標(biāo)等瓶頸難題。

但堆肥不能根本去除重金屬，只能改變其存在形態(tài)，降低重金屬生物有效性。重金屬含量特別是As的含量的進一步降低，是下一步研究的方向。

參考文獻

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