Efficacité du couplage ozone/membrane pour la potabilisation des eaux de surface

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1 Efficacité du couplage ozone/membrane pour la potabilisation des eaux de surface Pierre Lahaye 1, Patrick Niquette 2 1 Ingénieur chimiste, Dagua inc. 2 Professeur, École de technologie supérieure de l Université du Québec Le couplage ozone/membrane offre une solution avantageuse pour la potabilisation des eaux de surface. L ozone jumelé de façon synergique à un type de membrane UMF permet de faciliter leur opération tout en produisant une eau répondant au règlement québécois sur la qualité de l eau potable. De plus, le jumelage de ces deux procédés correspond aux critères du développement durable en ne consommant pas de produits chimiques (pas de coagulants, très peu de lavage chimique des membranes) et en produisant des eaux résiduaires ne nécessitant pas de traitement ou de disposition particulière (pas de boues) contrairement aux technologies accréditées pour traiter des eaux brutes équivalentes. Les résultats obtenus pour le Comité québécois sur les technologies de traitement en eau potable démontrent que le couplage de ces deux technologies peut traiter adéquatement des eaux brutes fortement chargées (turbidité maximale de 130 UTN; contenu maximal en carbone organique total de 7,2 mg/l) et fortement contaminées par des microorganismes pathogènes (jusqu à UFC/100 ml de coliformes fécaux en rencontrant les logs d enlèvement requis pour les virus, kystes de giardia et oocystes de cryptosporidium). D autres résultats confirment l efficacité de cette filière pour éliminer complètement les cyanobactéries et les cyanotoxines. Le couplage synergique de seulement quelques procédés simples et très efficaces est gage d avenir dans le domaine du traitement des eaux à potabiliser où les normes exigent des niveaux élevés et les coûts sont grandissants. 1. Introduction La potabilisation des eaux de surface requiert des technologies performantes pour rencontrer la réglementation actuellement en vigueur au Québec (Gouvernement du Québec, 2005). Le couplage ozone/membrane (procédé DaguaFlo-IV) a été dernièrement validé par le Comité sur les nouvelles technologies de traitement en eau potable (CTTEP) pour être utilisé comme traitement complet (avec une désinfection finale au chlore ou avec des chloramines) à l échelle réelle (Gouvernement du Québec 2007a et 2007b). L ozonation est reconnue pour ses actions désinfectantes et oxydantes dans le traitement des eaux de surface. L ozone inactive avec efficacité les bactéries, les virus et les kystes de giardia (MDDEP, 2006). L ozone moléculaire oxyde la matière organique selon les mêmes mécanismes chimiques que le chlore et réduit ainsi la formation de sous-produits chlorés, tels les trihalométhanes, lors de la chloration (Doré, 1989). L ozone détruit également la micropollution organique telle les cyanotoxines, les goûts et les odeurs (MDDEP, 2007). De son côté, une membrane d ultramicrofiltration ayant une faible porosité et résistant à l ozone est complémentaire à l ozonation. Sa porosité inférieure à 1 µm lui permet de retenir la turbidité, les bactéries, les oocystes de cryptosporidium et les kystes de giardia. Cette porosité empêche également les cyanobactéries de passer à l effluent (MDDEP, 2007). Le couplage de deux technologies, ozone et membrane, permet donc de rencontrer la réglementation sévère en vigueur tant au point de vue microbiologique, particulaire et organique. Cependant, comme pour tout procédé de traitement, cette application a des limites quant à la qualité de l eau de surface pouvant être traitée et les résultats qui suivent les préciseront. Page 1 de 12

2 2. Matériel et méthodes Les résultats obtenus sont tirés de deux études pilotes. Une étude d accréditation présentée au CTTEP (Niquette, 2007a) et une étude de l enlèvement de cyanobactéries et de cyanotoxines (Niquette, 2007b). Les deux études ont été réalisées avec le même procédé de traitement, le DaguaFlo-IV, et les résultats proviennent de laboratoires accrédités par le gouvernement du Québec. Dans le procédé (voir figure 1), l eau brute passe initialement dans un préfiltre autonettoyant de 400 μm. L ozone gazeux est généré sur place à partir d un compresseur d air, d un générateur d oxygène et de générateurs d ozone, pour être ensuite injecté dans la conduite d eau à l aide d un Venturi. Par la suite, l eau demeure en contact avec l ozone dans le réservoir de réaction durant 4.6 minutes afin d obtenir les performances de désinfection et de décoloration requises. Vient ensuite l étape d enlèvement de la turbidité à l aide des membranes d ultramicrofiltration. L eau traitée est finalement stockée dans un réservoir pour être ensuite pompée en ville via le réseau de distribution. DaguaFlo-IV Eau brute Rivière/lac Préfiltration Chambre de réaction d ozone Membranes d ultramicrofiltration Ozonation Eau potable Figure 1: Description du procédé DaguaFlo-IV Les générateurs d ozone furent mis au point par la compagnie Dagua et utilisent la technologie de plaque en céramique. La génération d ozone, fabriquée à partir d oxygène tiré de l air ambiant, est réalisée à l aide d une décharge électrique à plasma. La concentration d ozone obtenue à la sortie des générateurs est de 8% massique. Par la suite, l injection d ozone dans l eau se fait sous pression via un Venturi. Le procédé d injection, breveté par Dagua, parvient ainsi à atteindre des dissolutions d ozone gazeux dans l eau de plus de 90%, ce qui représente une efficacité notable par rapport au système à pression atmosphérique par injection par diffuseur (40-70% d efficacité). La sécurité du procédé pour les opérateurs demeure un des premiers objectifs de design; un détecteur d ozone dans l air ambiant, relié à l automate de contrôle, détectera toutes fuites d ozone pouvant survenir en cas d accident. En cas de fuite accidentelle, l automate arrêtera immédiatement le procédé et enverra une alarme par téléavertisseur au personnel d opération. Par ailleurs, tous les matériaux entrant en contact avec l ozone sont classés compatibles. De plus, les techniques d assemblage de la tuyauterie transportant d ozone minimisent l utilisation de jointage afin de réduire le potentiel de fuite. Page 2 de 12

3 Un autre focus de design de la technologie ozone/membrane est axé sur l aspect facilité d opération. De par les opérations automatiques de filtration et de lavage gérées par l automate de contrôle ainsi que du monitoring en continu de la qualité d eau, le procédé DaguaFlo exige environ 30 minutes par jour de temps d opération. L absence de manipulation de produits chimiques jumelé à la surveillance et au contrôle à distance par télémétrie allègent en plus le temps d opération et rendent le procédé simple à opérer. Lors de l étude d accréditation du procédé DaguaFlo-IV, l eau brute traitée provenait de la rivière Yamaska (Québec) à la hauteur de Farnham. Le suivi du procédé pilote a été réalisé du 12 mars 2007 au 20 juin 2007 inclusivement. Les paramètres montrés au tableau 1 ont été mesurés pendant cette étude par le laboratoire accrédité selon la fréquence définie par la procédure d analyse du CTTEP (MENV et MAMM, 2004). Les trihalométhanes produits par une chloration ont été évalués suite à une chloration similaire à celle utilisée en amont d un réseau de distribution (SDS-THM; APHA et al., 2005). Les conditions d'incubation des SDS-THM après chloration ont été, tel que préconisé par le CTTEP (MENV et MAMM, 2004): ph et température in situ; temps d'incubation de 24 ±1 h; chlore résiduel libre après 24 h de 0,5 ±0,2 mg/l. La méthode de détermination des SDS-THM s applique aussi dans le cas de la désinfection aux chloramines (APHA et al., 2005). Pour respecter l esprit du CTTEP (MENV et MAMM, 2004) et du Guide de conception des installations de production d eau potable (surtout la section du volume 2; MDDEP 2006), les conditions proposées d application et d incubation des chloramines pour ensuite déterminer les SDS-THM ont été les suivantes: température in situ, temps d incubation de 24 h, ph de 7,2 (pour assurer la formation de monochloramines), concentration de monochloramines de 2 mg/l ±0,2 mg/l avec ratio massique chlore/ammoniaque de 4/1 (mg Cl 2 /mg NH 3 ). Lors de l étude de l enlèvement de cyanobactéries et de cyanotoxines, l eau brute a été tirée du lac Waterloo, près de Waterloo (Qc). La période de pilotage fut comprise entre le 30 août et le 4 octobre Les paramètres analytiques considérés pour ce suivi ont été le carbone organique total, les cyanobactéries et les cyanotoxines. Le carbone organique total a été mesuré par la méthode ILCE-059 du laboratoire SM. Les cyanobactéries ont été analysées selon la méthode GN478-CYA1 1.0 de Géostar inc. Les cyanotoxines mesurées par le Centre d expertise en analyse environnementale du Québec (méthode MA403 Microcys 1.0) étaient : la microcystine-lr, la microcystine-rr, la microcystine-yr et l anatoxine-a. Les microcystines sont des hépatotoxines et les anatoxines sont des neurotoxines. Les hépatotoxines et les neurotoxines sont produites par des cyanobactéries présentes couramment dans les approvisionnements d eau de surface et semblent donc les plus pertinentes pour les approvisionnements d eau (Santé Canada, 2002). Page 3 de 12

4 Paramètres Eau brute (# d'échantillon) Eau traitée (# d'échantillon) Eau de lavage préfiltre (# d'échantillon) Eau de lavage membrane (# d'échantillon) ph (sur place) Température (sur place) Coliformes fécaux Coliformes totaux BHAA Couleur vraie Carbone organique total Carbone organique dissous Turbidité Matières en suspension (MES) 3 3 Absorbance UV-254 nm 6 6 Azote ammoniacal 3 3 Nitrites 3 3 Nitrates et nitrites 3 3 Demande en chlore 3 3 Alcalinité totale 6 6 Calcium 6 6 Dureté totale 6 6 Fer total Manganèse total Solides dissous Solides totaux Conductivité 3 3 SDS-THM (chlore libre) 6 6 SDS-THM (chloramine) Bromates 3 Bromures 3 Toxicité (truites) 1 1 Toxicité (daphnies) 3 3 Tableau 1: Paramètres mesurés 3. Résultats 3.1 Étude d accréditation du procédé ozone/membrane (DaguaFlo-IV) Les matières organiques de l eau brute tirée de la rivière Yamaska sont majoritairement dissoutes et sont oxydées par le procédé DaguaFlo-IV. En effet, de 76,8 à 100% du carbone organique total (COT) est composé de carbone organique dissous (COD). La teneur maximale en COT de l eau brute est de 7,2 mg/l et celle en COD est de 5,5 mg/l. Le COT n est presque pas affecté par le procédé comprenant une filtration membranaire, car, tel que décrit précédemment, la matière organique est présente majoritairement sous forme dissoute. L étape d ozonation du procédé a pour fonction d oxyder la matière organique et de réduire le potentiel de formation de trihalométhanes. Page 4 de 12

5 SDS-THM Eau brute Eau traitée 13-mars mars avr avr avr mai mai juin juin-07 Figure 2: Évolution des concentrations de SDS-THM La figure 2 montre que les concentrations de SDS-THM présentes dans l eau brute de la rivière Yamaska, soit 132,3 µg/l en moyenne, sont abaissées à des concentrations de SDS-THM à l eau traitée toujours inférieures à la limite de 80 µg/l définie dans le Règlement sur la qualité de l eau potable (Gouvernement du Québec, 2005). 7,00 Demande en chlore (mg/l) 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Eau brute Eau traitée 13-mars mars avr avr avr mai mai juin juin-07 Figure 3: Évolution de la demande en chlore Page 5 de 12

6 Dans le même sens, la figure 3 montre que la demande en chlore est abaissée par le procédé. Les SDS- THM formés par l ajout de monochloramines sont minimes à l eau brute et à l eau traitée (inférieurs à 8 µg/l). Les résultats obtenus pendant la période montrent que le procédé DaguaFlo-IV abaisse considérablement la couleur à des valeurs approchant régulièrement le seuil de détection de la méthode de mesure (2,0 UCV) et nettement sous le seuil de 15 UCV recommandé par le gouvernement fédéral (Gouvernement du Canada, 1999). L absorbance UV à 254 nm de l eau brute est nettement abaissée par l action oxydante de l ozonation. 140,0 120,0 Turbidité (UTN) 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 13-mars mars avr avr avr juin juin mai mai-07 Figure 4: Évolution de la turbidité à l eau brute Les figures 4 et 5 montrent respectivement les valeurs de turbidité mesurées par le laboratoire accrédité sur l eau brute et sur l eau traitée. Malgré une pointe de turbidité de 130 UTN mesurée à l eau brute le 6 juin et une pointe de 37 UTN mesurée à l eau brute le 23 mars, le procédé membranaire a constamment maintenu la turbidité (figure 5) à des valeurs nettement inférieures à la norme de 0,1 UTN prescrite pour la filtration membranaire (Gouvernement du Québec, 2005). Page 6 de 12

7 0,10 0,08 Turbidité (UTN) 0,06 0,04 0,02 0,00 13-mars mars avr avr avr mai mai juin juin-07 Figure 5 : Évolution de la turbidité à l eau traitée Un résiduel d'ozone moyen de 1,0 mg/l était visé à l'effluent du procédé d'ozonation pour assurer un CT suffisant pour que la combinaison ozone/membrane réponde aux plus sévères critères de désinfection des eaux de surface (MDDEP, 2006). Cependant, les teneurs en bromates mesurées à l'effluent du procédé étaient très faibles ( 1,8 µg/l) et elles n'ont pas dépassé la norme de 10 µg/l (Gouvernement du Québec, 2005). La température de l eau brute a fluctué entre 0,7 et 20,1 C et celle de l eau traitée a varié entre 1,9 et 20,8 C pendant le suivi officiel du pilote. Le ph est demeuré près de la neutralité. Le procédé pilote élimine la présence de coliformes fécaux bien que de fortes concentrations aient été enregistrées à l eau brute, (trop nombreux pour être comptés dans une eau considérée comme «eau usée» par le laboratoire accrédité). Il est donc bien adapté pour les eaux très contaminées (jusqu à UFC de coliformes fécaux /100 ml). Pour ce qui est des coliformes totaux, le même phénomène est observé à l eau brute et aucun coliforme n a été détecté à l effluent du procédé. Aucune BHAA présente à l eau brute n a été observée à l eau traitée. La membrane utilisée, résistant à l ozone, n a nécessité aucun lavage chimique pendant la période de suivi de trois mois, car l ozone résiduel présent dans l eau traitée et dans l eau de lavage assure ce rôle. Si un lavage acide/alcalin avait lieu, ces eaux seraient neutralisées à un ph de 7.0 pour ne pas avoir d impact lors de leur rejet en milieu naturel. De plus, aucun autre produit potentiellement nocif n est rejeté dans l environnement, car les eaux de lavage du séparateur centrifuge et de la membrane ont des concentrations de matières en suspension inférieures à 20 mg/l, ce qui respecte la consigne de rejet dans l environnement (MENV, 2006). Cette constatation est confirmée par les tests de toxicité réalisés sur les eaux de lavage où aucune mortalité n a été observée pour les truites et les daphnies. De plus, comme aucun coagulant n est utilisé dans le procédé DaguaFlo-IV, les concentrations en aluminium total (< 3 mg/l) et en fer total (< 5 mg/l) des eaux de lavage respectent les normes en ce sens (MENV, 2006). Page 7 de 12

8 3.2 Enlèvements de cyanobactéries et de cyanotoxines Les essais d enlèvement de cyanobactéries et de cyanotoxines ont été effectués dans des conditions de forte charge en matières organiques alors que le COT de l eau brute variait de 9,2 à 13,5 mg/l. Les enlèvements de cyanobactéries par le procédé DaguaFlo-IV pendant le suivi sont montrés au tableau 2. Les concentrations moyennes de cyanobactéries sont réduites à des concentrations situées sous le seuil de détection analytique à la sortie du procédé. Cyanobactéries Eau brute Eau après ozone et membrane (UFC/mL) (UFC/mL) 30 août < 1 5 sept < 1 4 oct < 1 Tableau 2 : Concentrations moyennes de cyanobactéries dans les eaux Les enlèvements de cyanotoxines par le procédé DaguaFlo-IV pendant le suivi sont montrés au tableau 3. Les concentrations de cyanotoxines sont réduites à des concentrations situées sous le seuil de détection analytique à la sortie du procédé. Page 8 de 12

9 Microcystine-LR Eau brute Eau après ozone et membrane 30 août ,5 < 0,04 5 sept ,65 < 0,04 4 oct ,37 < 0,04 Microcystine-RR Eau brute Eau après ozone et membrane 30 août < 0,03 5 sept ,0 < 0,03 4 oct ,6 < 0,03 Microcystine-YR Eau brute Eau après ozone et membrane 30 août ,1 < 0,02 5 sept ,47 < 0,02 4 oct ,28 < 0,02 Anatoxine-A Eau brute Eau après ozone et membrane 30 août 2007 < 0,2 < 0,02 5 sept < 0,02 < 0,02 4 oct < 0,02 < 0,02 Tableau 3 : Concentrations de cyanotoxines 4. Discussion La filière de traitement ozone/membrane expérimentée, le DaguaFlo-IV, permet de traiter des eaux de surface chargées tel qu en témoigne un extrait de sa fiche technique (Gouvernement du Québec, 2007a) déterminée à partir des résultats montrés (Tableau 4). L utilisation combinée de l ozone (avec le CT expérimenté) et de la membrane accréditée (Gouvernement du Québec, 2007b) permet d enlever les microorganismes pathogènes à des niveaux suffisants pour les eaux de surface les plus contaminées (jusqu à UFC de coliformes fécaux/100 ml; MDDEP, 2006). Page 9 de 12

10 1 Celcius DÉSINFECTION [log d'enlèvement requis] Crypto Giardia VIRUS Crédits requis < Crédits de désinfection (par tableaux) 3,37 7,56 9,40 conception désinfection ozone CT disponible 4,23 [C] résiduel (mg/l) 1 efficacité hydraulique T 10 /T 0,92 T(minutes)= Vu/Qhmax 4,60 volume utile V u (m 3 ) 0,493 Qhmax (m3/h)) 6,43 débit moyen (gpm) 28,3 débit moyen journalier (m3/j) 154,3 Calcul par tableaux [log d'inactivation]=ctdisp/ctrequis/[log] Crypto Giardia Virus ozone 0,17 4,36 9,40 Désinfection membranes 3,20 3,20 sous-total 3,37 7,56 9,40 Température (Celcius) Valeurs de CT (en mg.min/l) pour une inactivation à 90% (1 log) Crypto (ph 6@9) Giardia (ph 6@9) Virus <1 25,6 0,97 0, ,3 3 21,2 5 17,5 0,63 0, , ,9 0,48 0, ,7 0,32 0, ,2 0,24 0, ,6 0,16 0,08 Tableau 4 : Résultats d enlèvements de microorganismes pathogènes Pendant l essai pilote, il a été démontré qu en maintenant un résiduel d ozone de 1.0 mg/l dans le bassin de contact durant 4.6 minutes avec une efficacité hydraulique T 10 /T de 0,92, le procédé d ozonation combiné avec les membranes rencontre les logs d enlèvement requis pour les virus, Giardia et Cryptosporidium, et ce, pour une eau fortement chargée dont la concentration de coliformes fécaux est inférieure à UFC/100 ml. Page 10 de 12

11 Une filtration membranaire en polyfluorure de vinylidène (PVDF), ayant une porosité de 0,1 µm, est complémentaire à l ozonation. Sa faible porosité de 0,1 µm lui permet de retenir la turbidité, les bactéries, les oocystes de cryptosporidium et les kystes de giardia (Gouvernement du Québec, 2007a et 2007b). Cette porosité inférieure à 1 micron empêche également les cyanobactéries de passer à l effluent (MDDEP, 2007). De plus, sa constitution (PVDF) lui permet de résister à l ozone. La présence d ozone sur la membrane aide à son auto-nettoyage et permet même de limiter les lavages chimiques. Le couplage ozone/membrane permet de traiter avantageusement les eaux de surface chargées dans un contexte de développement durable englobant les côtés économiques, environnementaux et sociaux. L ozone est fabriqué sur place à partir de l oxygène tiré de l air ambiant (minimisant le transport des ressources) et l efficacité du procédé de fabrication d ozone limite l utilisation d énergie et les coûts d opération. Les sous-produits d ozonation engendrés étant minimes et les bienfaits d enlèvement de microorganismes pathogènes étant élevés, les impacts sociaux via la qualité de l eau potable produite sont bénéfiques. La présence d un résiduel d ozone sur la membrane réduit la quantité d énergie requise pour les lavages et les pertes encourues par les rejets à l égout. Les lavages chimiques de la membrane deviennent presque facultatifs. Ainsi, les rejets à l égout ne nécessitent pas de traitement ou de disposition particulière (Gouvernement du Québec, 2007a), réduisant encore l utilisation de ressources. Les enlèvements de microorganismes pathogènes accrédités permettent même de remplacer l utilisation d une chloration finale par l application de chloramines, ce qui réduit encore plus l impact social sur la santé des trihalométhanes dans l eau distribuée. Comparativement aux autres procédés accrédités pour traiter des eaux brutes de qualité similaire, aucun coagulant ou adjuvant de coagulation n est nécessaire ce qui réduit l emploi de ressources, la disposition de boues et les coûts d opération. 5. Conclusion Le couplage ozone/membrane a très bien fonctionné pendant les périodes de suivi, malgré les fortes charges en matières organiques des eaux brutes traitées. De hauts standards d enlèvements de turbidité et de microorganismes pathogènes ont été atteints. Les cyanobactéries et les cyanotoxines ont été complètement éliminées par l ozonation et la membrane. La filière de traitement utilisée, le DaguaFlo-IV, répond très bien aux nouvelles contraintes de traitement des eaux brutes d eaux de surface chargées. Au point de vue du développement durable, les principales préoccupations économiques, environnementales et sociales sont prises en compte. Pour les municipalités, la simplicité d opération est minimisée par la présence de seulement deux procédés principaux et de systèmes de contrôle appropriés. Au point de vue sanitaire, toutes les exigences réglementaires et normatives sont rencontrées. Page 11 de 12

12 6. Références American Public Health Association (APHA), American Water Works Association (AWWA) et Water Environment Federation (WEF) (2005) Standard methods for the examination of water and wastewater. 21 ème édition. Pages multiples. Doré M. (1989) Chimie des oxydants & traitement des eaux. Technique et Documentation Lavoisier. Paris, France. 505 p. Gouvernement du Canada (1999) Résumé des recommandations pour la qualité de l eau potable au Canada. Sous-comité fédéral-provincial sur l eau potable du Comité fédéral-provincial de l hygiène du milieu et du travail. 7 p. Gouvernement du Québec (2005) Règlement sur la qualité de l'eau potable. Loi sur la qualité de l'environnement. Q-2, r er juin. 32 p. Gouvernement du Québec (2007a) DaguaFlo IV. Fiche d évaluation technique du comité sur les technologies de traitement en eau potable. Niveau de développement : en validation à l échelle réelle. Décembre. 6 p. Gouvernement du Québec (2007b) DaguaFlo-UMF et DaguaFlo IV. Fiche d évaluation technique du comité sur les technologies de traitement en eau potable. Crédits d enlèvement et suivi d intégrité. Niveau de développement : en validation à l échelle réelle. Décembre. 5 p. Ministère du développement durable de l environnement et des parcs (MDDEP) (2006) Guide de conception des installations de production d eau potable. Volume 1 et Volume 2, Direction des politiques de l eau, Québec, 286 p et Sites web consultés le 7 mars MDDEP (2007) Guide des procédés de traitement de l eau, Direction des politiques de l eau, Québec, 10 pages. Site web consulté le 7 mars Ministère de l environnement (MENV) et ministère des affaires municipales et de la métropole (MAMM) (2004) Procédure d analyse des technologies de traitement en eau potable. Février. 30 p. Site web consulté le 7 mars Niquette P. (2007a) Analyse et interprétation des résultats d analyse d'un essai pilote. Procédé DaguaFlo-IV à Farnham École de technologie supérieure. Rapport d accréditation remis au Comité sur les technologies de traitement d'eau potable du Québec. Ministère du développement durable de l environnement et des parcs et ministère des affaires municipales et de la métropole du Québec. 30 p. Niquette P. (2007b) Suivi de projet pilote pour l enlèvement de cyanobactéries et de cyanotoxines - Procédé DaguaFlo V à Waterloo. École de technologie supérieure. Rapport de recherche. 7p. Santé Canada (2002) Les toxines cyanobactériennes Les microcystines-lr. Recommandations pour la qualité de l eau potable au Canada : pièces à l appui. 24 p. Page 12 de 12

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