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Fachartikel
04. Januar 2022

Infrawatt-Innovationspreis

Dynamische Regelung der ARA Hofen

Die ARA Hofen hat den Infrawatt Innovationspreis 2021 für die Ertüchtigung ihrer Biologiebecken mit dem Konzept der dynamischen Regelung erhalten. Die Leistung der ARA konnte ­dadurch signifikant erhöht werden, bei stark vermindertem Energieverbrauch und gleichzeitig sehr geringen Lachgasemissionen.
Daniel Braun, Luzia von Känel, Lucien Biolley, Wenzel Gruber, Adriano Joss, Eberhard Morgenroth, Hanspeter Bauer, Daniel Gahler , 

Die ARA Hofen hat in den letzten Jahren systematisch eine fortschrittliche Energiestrategie umgesetzt. Es wurde ein modernes Blockheizkraftwerk (BHKW) kombiniert mit einer Wärmepumpe installiert. Die alten Gebläse wurden durch neue energieeffiziente Turboverdichter ersetzt und die Belüftungsstrategie mit dem Konzept der dynamischen Regelung modernisiert.

Die Behandlung der Stickstofffracht spielt in der modernen Abwasserreinigung eine wichtige Rolle. Ziel ist eine vollständige Nitrifikation, aber auch eine möglichst hohe Denitrifikation. Bei der Nitrifikation/Denitrifikation können auch unerwünschte Nebenprodukte entstehen wie Nitrit und Lachgas. Wegen ihres sehr grossen Treibhausgaspotenzials sind Lachgasemissionen in den letzten Jahren vermehrt untersucht worden. Da Lachgasemissionen pro Masseneinheit einen Treibhauseffekt erzeugen, der 265-mal stärker ist als derjenige von CO₂, müssen sie möglichst vermieden werden. Das Projekt N2Oara der Eawag, ETH und Empa hat gezeigt, dass die geschätzten durchschnittlichen Lachgasemissionen der schweizerischen Abwasserreinigungsanlagen (ARA) im Jahr 2020 in der Grössenordnung von 2,5% der Stickstofffracht im Zulauf liegen [1]. Damit übersteigt der Treibhauseffekt der Lachgasemissionen denjenigen des ARA-Bruttoenergieverbrauchs bei Weitem. Diese Aussage ist auch dann gültig, wenn man mit dem europäischen Strommix rechnet.

Die dynamische Regelung der ARA Hofen ermöglichte systematische Versuche mit unterschiedlichen Belüftungsstrategien. Es konnte gezeigt werden, dass mit der dynamischen Regelung nicht nur signifikante Einsparungen bei der Belüftungsenergie erzielt werden, sondern auch die Lachgasemissionen dank der lastangepassten Belüftung und Faulwasserdosierung minimiert werden können. Von den 14 ARA, die in der Schweiz untersucht wurden, hatte die ARA Hofen nach Inbetriebnahme der dynamischen Regelung einen der tiefsten Emissionswerte [1].

Ausbau der biologischen Stufe in der ARA Hofen

Die ARA Hofen ist eine von zwei ARA der Stadt St. Gallen. Die Belastung beträgt 87 000 Einwohnerwerte (Berechnung mit 85% Quantil nach A 198 [2]). Die ARA wurde in den Jahren 2010–2020 in vier Etappen erneuert. Bei der letzten Ausbauetappe wurden die biologischen Becken ertüchtigt. Die biologische Stufe der ARA besteht aus drei Doppelstrassen mit einem Volumen von je 1500 m3 pro Halbstrasse. Das spezifische Volumen der Biologie beträgt somit 103 Liter pro Einwohnerwert. Im Vergleich zur Dimensionierung nach A 131 [3] ist dieser Wert recht klein. Die Erfahrung der ARA Kloten-Opfikon hatte gezeigt, dass bei einem guten Belüftungskonzept das Volumen der Biologie wesentlich besser genutzt werden kann [4].

Vor der Renovation der Biologiebecken waren die äusseren beiden Strassen nicht unterteilt. Die mittlere Strasse war zwar in drei Zonen unterteilt, die Belüftungsfelder konnten aber nicht einzeln geregelt werden. Pro Halbstrasse gab es einen Luftregelschieber. Der Totalkollektor wurde mit einer Gebläsestaffel mit drei unterschiedlichen nicht frequenzgeregelten Gebläsen mit Luft versorgt. Diese Konfiguration von Gebläsen und Schiebern konnte nicht stabil geregelt werden, dementsprechend starke Sauerstoffschwankungen waren in den Becken zu beobachten [5, 6].

Beim Umbau wurde jede Strasse in drei Zonen aufgeteilt. Jede Zone verfügt über ein eigenes Belüftungsregister, einen Regulierschieber und eine Sauerstoffsonde. Die einzelnen Zonen sind mit Leichtbauwänden unterteilt. Diese verhindern unerwünschte grossskalige Strömungseffekte (Walzen), die zu instabilem Regelungsverhalten führen können [5]. Zusätzlich sind die ersten Zonen jeder Strasse mit einem Rührer ausgerüstet, sodass die Belüftung abgestellt werden kann. Die Versorgung mit Luft ist mit vier frequenzgesteuerten Turboverdichtern über den Totalkollektor realisiert. Bei der Erneuerung der Verteilleitungen zu den Becken wurden Messstellen für die Luftmengenmessungen frühzeitig eingeplant. Im Verlauf der Optimierungsphase hat sich gezeigt, dass diese Messstellen wesentlich zum Erfolg des Projekts beigetragen haben: Die Genauigkeit der Luftmengenmessungen hängt kritisch von gut geplanten Messstellen ab.

Implementierung der dynamischen Regelung

Die Belastung einer kommunalen ARA zeigt grosse Variationen in Bezug auf die Menge und Zusammensetzung des ankommenden Abwassers (Fig. 1). Es zeigt sich, dass für eine optimale Behandlung der Stickstofffracht der zeitliche Verlauf der Ammoniumfracht und des leichtabbaubaren Substrats eine grosse Rolle spielt. Die Konzentrationen dieser Stoffe unterliegen je nach Einzugsgebiet starken Schwankungen im Tagesgang und im Wochenverlauf. Aber auch saisonale Schwankungen spielen eine grosse Rolle. Ziel der dynamischen Regelung ist es, diese Schwankungen zu erfassen und die Regelung der ARA optimal an den Lastzustand anzupassen [6, 11]. Eine weitere Herausforderung der Regelung ist, dass gleichzeitig bis zu zehn Optimierungsziele verfolgt werden (Fig. 1, rechts). Dies erschwert die Konzeption einer leistungsfähigen Regelung wesentlich. Aus diesem Grund braucht es eine Prioritätenliste, sodass in einem starken Belastungsfall oder bei Ausfall von Teilsystemen die ARA in einen sicheren Zustand gefahren und die Betriebssicherheit jederzeit gewahrt werden kann:

Prioritätenliste

  1. Betriebssicherheit, Schutz der Aggregate
  2. Vermeiden von Feststoffen im Ablauf (Schlammabtrieb)
  3. Hydraulisches Bewältigen der maximalen Zulaufmenge
  4. Belüftung der Belebungsbecken (im Zweifelsfalle sind aerobe Prozesse zu priorisieren)
  5. Vollständiger Ammoniumabbau
  6. Vollständiger Nitritabbau, Minimierung der Lachgasemissionen
  7. Optimiertes Faulwasser-/Mischwassermanagement
  8. Hohe Denitrifikationsleistung
  9. Reduktion des Energieverbrauchs

Priorisierung der Optimierungsziele: Die für die Betriebssicherheit relevanten Ziele (1-4) müssen als Rückfallebene implementiert werden, sodass diese jederzeit auch manuell umgeschaltet und eingehalten werden können. Die Ziele 5-9 dienen der Optimierung der Sauerstoffdosierung.

Mit einer gezielten Belüftung können viele der Optimierungsziele gleichzeitig beeinflusst werden. Die Einteilung der einzelnen Strassen in drei bis vier klar abgetrennte Zonen macht es nun möglich, den Belebtschlamm mit der optimalen Sauerstoffmenge am richtigen Ort zu versorgen [7]. In einem Belüftungssystem mit einem Totalkollektor sind die Schieberregelkreise und der Gebläseregelkreis stark miteinander gekoppelt: Die Änderung einer Schieberstellung beeinflusst alle anderen Regelkreise. In der Regelungstechnik gibt es klare Konzepte, wie solche gekoppelten Regelungskreise entkoppelt werden können. Eine detaillierte Anleitung dazu findet man im VSA-Dokument «Dynamische Regelung in der Abwasserreinigung» [6]. Falls keine dazu nötigen Luftmengenmessungen vorhanden sind, wird ein Konstantdruckregler empfohlen. Allenfalls kann der Konstantdruck je nach Belastungsstufe angepasst werden.

Umsetzung der Prioritätenliste

Es braucht ein Regelungskonzept, mit dem die Prioritätenliste umgesetzt werden kann. Bei geringer und mittlerer Belastung der Anlage sollen möglichst alle Ziele erreicht werden. Bei erhöhter Belastung liegt der Fokus auf einer vollständigen Nitrifikation. Erreicht wird dieses Ziel mit vordefinierten Betriebsweisen für Tief-, Mittel- und Hochlast, die mit Softsensoren umgestellt werden (Fig. 2 und Box). Im Falle der ARA Hofen wird die Umstellung der Betriebsweise aufgrund der Schieberstellung in der 3. Zone vorgenommen. Da in der 3. Zone der CSB (chemischer Sauerstoffbedarf) meist abgebaut ist, hängt die Sauerstoffzehrung stark von der Ammoniumkonzentration ab. Damit reagiert das Kriterium sehr empfindlich auf Ammoniumdurchbrüche, und die Umstellung der Betriebsweisen kann so aufgrund der Schieberstellung realisiert werden. Bei der ARA Hofen hat sich dieser Softsensor bewährt. Nur bei sehr kaltem Wetter ist die Anpassung der Nitrifikationsleistung an die Ammoniumfracht zu gering, sodass der Softsensor «Schieberstellung in der hintersten Zone» nicht mehr zuverlässig anspricht. Aus diesem Grund wurde der Softsensor mit einem Temperaturlimit ergänzt, unter dem das Belüftungsschema auf eine höhere Stufe umgestellt wird.

Umschalten mit Softsensor
Softsensoren werden aus den Signalen von verschiedenen realen Sensoren berechnet. Durch die Kombination von verschiedenen Signalen kann die Zuverlässigkeit des Softsensors stark verbessert werden. Auch ist es möglich, in der Optimierungsphase die Softsensoren noch anzupassen. Die Qualität der dynamischen Regelung hängt kritisch von guten und robusten Umschaltkriterien ab, die in der Praxis erprobt und validiert werden. Um die Betriebssicherheit zu erhöhen, wird empfohlen, mehrere Softsensoren zu implementieren, sodass die Umschaltung auf den höheren Lastzustand redundant abgesichert ist. 
Damit bei Regenwetter die ARA möglichst frühzeitig auf den Laststoss, den die erhöhte Wassermenge aus dem Netz verursacht, vorbereitet werden kann, wurde zusätzlich zum Softsensor «Status Biologie» ein Softsensor «Status Netz» eingeführt. Dieser Sensor spricht an, wenn die Zulaufmenge bei dem Rückhaltebecken «Lukasmühle» einen definierten Schwellwert überschreitet. Die ARA wird dann für 40 Minuten auf das Betriebsschema «Vorbereitung Regen» umgestellt. Die 40 Minuten entsprechen der hydraulischen Laufzeit des Abwassers von der «Lukasmühle» zur ARA.

Aufbau des Sensornetzwerks für die Prozessoptimierung

Im Rahmen des Projektes N2Oara wurden nach dem Umbau der Biologie Abluftmessungen installiert. Die ersten Abluftmessungen [8, 11] mit den Hauben zeigten vielversprechende Resultate: Dank der Informationen aus den Sauerstofftransfermessungen konnte die Belüftungsstrategie schnell verbessert werden. Auch gelang es, die Lachgasemissionen dank der optimierten Regelung der Belüftung stark zu vermindern. Aufgrund dieser ersten Resultate wurde vom Labor für Umweltingenieurwissenschaften sukzessive ein Sensornetzwerk aufgebaut und betrieben, das es erlaubte, ein tieferes Prozessverständnis zu erlangen (Fig. 3, Mitte). Durch die zusätzlichen Luftmengenmessungen in den Verteilleitungen konnte der Einfluss der Beaufschlagung auf den Sauerstofftransfer ermittelt werden. Mit den ionenselektiven Sonden in der Zone 1 konnte die zeitabhängige Ammoniumfracht erfasst werden, wichtiger war aber die Nitratmessung. Damit war es möglich, den Tagesablauf der Denitrifikation zu verfolgen und somit die Denitrifikation zu optimieren. Für das Verständnis der Lachgasemissionen wurde zusätzlich ein Nitrit-Analyser installiert.

Wichtigste Resultate der Sauerstofftransfermessungen

Ein typisches Resultat von räumlich und zeitlich aufgelösten Sauerstofftransfermessungen ist in Figur 4 (unterer Graph) gezeigt. Es kann eine sehr hohe Dynamik des Sauerstofftransfers festgestellt werden. Die wichtigsten Einflussparameter sind die Zusammensetzung des Wassers, die Belüftungsintensität pro Belüftungselement, die Wassertemperatur und die Position der Belüfter (Zone). Zur Illustration dieser Effekte sind zusätzlich die Sauerstoffkonzentration (oberer Graph) und die Beaufschlagung der Belüfter (mittlerer Graph) dargestellt. Am 16. Dezember wurde der Sollwert für die Zone 2 von 1,5 auf 2 mg O2/l erhöht. Dies hatte zur Folge, dass die Belüfter mit mehr Luft beaufschlagt wurden. Der nominale Nennbetrieb der Membranelemente ist mit der schwarzen durchgezogenen Linie eingezeichnet, die maximale Beaufschlagung mit der schwarzen gestrichelten Linie. Es zeigt sich, dass bereits im nominalen Betrieb die Eintragseffizienz mit steigender Belüftungsintensität sinkt. Noch stärker ist dieser Effekt, wenn die maximale Belüftungsintensität überschritten wird. Der Abend des 16. Dezember 2019 dient als Beispiel:

  1. Der Sauerstoffsollwert wird erhöht, die Belüftungsintensität steigt stark an.
  2. Die Eintragseffizienz sinkt dadurch so tief ab, dass auch mit ganz geöffnetem Schieber die Sauerstoffkonzentration nicht mehr erreicht werden kann.
  3. Der Energieverbrauch der Gebläse steigt somit stark an, ohne dass mehr Sauerstoff eingetragen wird. Dieser Effekt konnte wiederholt auch in der 1. Zone beobachtet werden.


Versuche zeigten, dass die Denitrifikation in der 1. Zone einen positiven Einfluss auf den Sauerstofftransfer der ersten belüfteten Zone hat. Da eine vollständige Nitrifikation gewährleistet werden muss, wird die 1. Zone in der ARA Hofen bei Regenwetter oder allenfalls bei extrem tiefen Temperaturen im Winter belüftet. Einen idealen Sauerstofftransfer erreicht man in der hintersten Zone, hier sind die Schmutzstoffe, die den Sauerstofftransfer vermindern, bereits abgebaut. Verschiedene Versuche haben gezeigt, dass mit den verwendeten Belüftungselementen der Sauerstofftransfer bei mittleren Luftdurchflüssen optimal ist. Wichtig ist also eine ausgeglichene Beaufschlagung der aktiven Belüftungsfelder, sodass die Belüftungselemente weder unter- noch überbelastet werden. Schwach belüftete Membranen (unter der minimalen Beaufschlagung) tendieren zu verstärktem Fouling und somit zu einem verminderten Sauerstofftransfer über die Jahre. Aus diesen Gründen wird empfohlen, bei Schwach- und Mittellast die vorderen Zonen, wenn möglich, bei der optimalen Beaufschlagung der Belüfter zu betreiben. Die Beaufschlagung soll also, ungeachtet der Sauerstoffkonzentration, beschränkt werden. Für diese Beschränkung braucht es Luftmengenmessungen. Die Resultate der ARA Hofen lassen auch vermuten, dass die Belegung der Belüftungsregister generell grosszügig geplant werden sollten.

Minimierung der Lachgasemissionen

Die biologischen Ursachen der Lachgasemissionen bei der Nitrifikation und der Denitrifikation sind komplex und wurden im Rahmen des Projekts N2Oara untersucht [1]. Mithilfe des Sensornetzwerks konnte auf der ARA Hofen gezeigt werden, dass eine vollständige Denitrifikation in der 1. Zone die Lachgasemissionen stark vermindert. Eine wichtige Rolle bei den Lachgasemissionen und der Nitritbildung spielt auch die Faulwasserdosierung. Traditionellerweise wird empfohlen, das Faulwasser in Schwachlastphasen zu dosieren. Das Abwasser bringt in solchen Phasen häufig nur sehr wenig leicht abbaubares Substrat, sodass das Nitrat in der Denitrifikationszone nicht mehr vollständig abgebaut wird. Dieser Effekt ist in Figur 5 zu erkennen. Phasen mit Faulwasserdosierung sind mit roten Pfeilen markiert. Im oberen Graphen ist ersichtlich, dass während der Faulwasserdosierung die Ammoniumkonzentration in der Denitrifikationszone stark ansteigt, als direkter Effekt der Zugabe von Faulwasser. Als indirekten Effekt kann man beobachten, wie das Nitrat während der Faulwasserdosierung langsam ansteigt, weil durch die erhöhte Stickstofffracht im Zulauf mehr Nitrat gebildet wird und dieses über den Rücklaufschlamm wieder in die 1. Zone transportiert wird. Dieser Effekt wird besonders stark am Wochenende mit einem verringerten Angebot an leichtabbaubarem Substrat. Als Folge der Substratlimitation der Denitrifikation können über das Wochenende auch eine erhöhte Nitritkonzentration in der Zone 1 sowie erhöhte Lachgasemissionen in der Zone 2 und 3 beobachtet werden.

Wie wichtig es für die Reduzierung der Lachgasemissionen ist, eine möglichst vollständige Denitrifikation zu erreichen, konnte in einem Versuch im Frühling 2020 gezeigt werden, bei dem die Zone 1 der Strasse 2.1 über mehrere Wochen oxisch betrieben wurde. Der Vergleich mit der Parallelstrasse zeigt einen starken Anstieg der Lachgasemissionen. Beim Umstellen der 1. Zone auf die anoxische Betriebsweise reduzierten sich die Lachgasemissionen in wenigen Stunden, und bei der Vergleichsstrasse, bei der die Zone 1 gleichzeitig auf oxisch umgestellt wurde, beobachtet man einen starken Anstieg: vergleiche Figur 8 in Gruber et al. [1].

Wichtigste Resultate nach 2-jähriger Optimierungsphase

Durch die Umbaumassnahmen an den Belebungsbecken nach den Empfehlungen aus dem VSA-Dokument «Dynamische Regelung in der Abwasserreinigung», aber auch in der Optimierungsphase konnten die Reinigungsleistung und der Energieverbrauch der ARA Hofen stark verbessert werden. Dank dem zusätzlichen Sensornetzwerk des Labors für Umweltingenieurwissenschaften konnte detailliertes Prozesswissen zusätzlich erarbeitet werden, das eine weitere Optimierung der ARA ermöglichte.

Interessant ist, dass mit einer guten Prozessoptimierung gleichzeitig die Nitrifikation, die Denitrifikation, die Lachgasemissionen sowie der Energieverbrauch verbessert werden können. Nach der Ertüchtigung der biologischen Stufe der ARA Hofen sind auch deutlich weniger Nitritdurchbrüche beobachtet worden.

Die Treibhausgasbilanz ist für die ARA Hofen im Vergleich zu anderen Anlagen sehr gut. Auffällig ist die sehr geringe Energie für die Belüftung. Mit 11,4 kW/a/EW liegt die Belüftungsenergie deutlich unter dem «optimalen» Wert des Handbuchs «Energie in ARA» [9]. Die mittlere Denitrifikationsrate konnte durch die neue Belüftungsstrategie von 30 auf 70% erhöht werden und der Eigendeckungsgrad wurde durch die folgenden Massnahmen von 75 auf 130% gesteigert:

  1. neues effizientes Blockheizkraftwerk
  2. neue Turboverdichter
  3. dynamische Regelung


Der Emissionsfaktor für Lachgas liegt bei 0,2%. Die Daten des Sensornetzwerkes lassen vermuten, dass mit einer weiteren Optimierung der Faulwasserdosierung und einer höheren Belegung der Belüftungsregister die Treibhausgasbilanz weiter verbessert werden kann. Andererseits gibt es erste Hinweise, dass durch die Alterung der Membranen der Sauerstofftransfer abnimmt, dies gilt insbesondere bei hoher Beaufschlagung. Mit Abluftmessungen können solche Alterungsprozesse beobachtet werden und mit diesen Informationen können die Belüftungsregister in Zukunft gezielter optimiert und erneuert werden.

Empfehlungen und Ausblick

Durch die Implementation der dynamischen Regelung konnte bei der ARA Hofen sowohl die Reinigungsleistung erhöht wie auch der Energieverbrauch reduziert werden. Aufgrund der Resultate des N2Oara-Projekts kann davon ausgegangen werden, dass auch die Lachgasemissionen stark reduziert werden konnten. Bei der Optimierung der Prozessführung haben die Abluftmessung und das Sensornetzwerk, das durch das Labor für Umweltingenieurwissenschaften der ETH betrieben wurde, eine wichtige Rolle gespielt. Mithilfe einer optimierten Regelungsstrategie können ARA auch bei knapper Dimensionierung noch sicher und sehr effizient betrieben werden. Eine zentrale Rolle spielen dabei ein bis zwei bivalente Zonen, eine ausreichende Belegung der Belüftungsregister, die Überwachung der Belüftungsregister mit Luftvolumenstrommessungen und ein gutes Messkonzept für die Überwachung der Reinigungsleistung.
Da die Zusammensetzung des Abwassers je nach Einzugsgebiet erheblich variieren kann, müssen die hier publizierten Ergebnisse mit verschiedenen Einzugsgebieten und Reaktortypen validiert werden. Die Abluftmessung, wie sie innerhalb des Projektes N2Oara entwickelt wurde, ist eine sehr robuste Messtechnik, mit der zuverlässig Langzeitmessungen gemacht werden können. Diese Daten liefern wertvolle Informationen für die Prozessoptimierung, sowohl für die energetische Optimierung mit Sauerstofftransfermessungen wie auch für die Validierung der Reduktion von Treibhausgasemissionen.

Bibliographie

[1] Gruber, W. et al. (2022): Lachgasemissionen aus ARA. AQUA & GAS, 1: 14-22
[2] DWA-Regelwerk (2000): ATV-DVWK-A 198. Vereinheitlichung und Herleitung von Bemessungswerten für Abwasseranlagen e.V., Hennef
[3] DWA-Regelwerk (2016): ATV-DVWK-A 131. Bemessung von einstufigen Belebungsanlagen. Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V., Hennef
[4] von Känel, L.; Braun, D. (2014): Prozessorientierte Datenvisualisierung. AQUA & GAS, 12: 38–45
[5] Braun, D. et al. (2012): Robuste und leistungsfähige Regelungskonzepte für Kläranlagen, KA – Korrespondenz Abwasser Abfall Nr. 8: 725–729
[6] Braun, D.; Weber, Ph.; von Känel, L. (2019): VSA-Leitfaden: Dynamische Regelung von Abwasserreinigungsanlagen, VSA, Glattbrugg
[7] Weber, P.; von Känel, L.; Braun, D. (2016): Sauerstoff – Treibstoff für die Nitrifikation. AQUA & GAS, 7/8: 56–63
[8] DWA-Regelwerk (2007): Merkblatt DWA-M 209. Messung der Sauerstoffzufuhr von Belüftungseinrichtungen in Belebungsanlagen in Reinwasser und in belebtem Schlamm. Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V., Hennef
[9] Müller, E.A. et al. (2010): VSA-Handbuch: Energie in ARA, VSA, Glattbrugg
[10] VSA (2016): Definition und Standardisierung von Kennzahlen für die Abwasserentsorgung, VSA, Glattbrugg
[11] Gruber, W. et al. (2022): Abluftmessungen in der biologischen Abwasserreinigung. AQUA & GAS, 1: 24-25
[12] Braun, D.; von Känel L.; Weber, Ph. (2019): Dynamische Regelung von ARA, AQUA & GAS, 1: 46-51
[13] Gruber, W. (2021): Long-term N2O emission monitoring in biological wastewater treatment: methods, applications and relevance. Zurich, ETH Zurich. PhD Nummer: 27650

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