以BOT模式投资中国城市污水处理设施的研究.docx
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以BOT模式投资中国城市污水处理设施的研究
以BOT模式投资中国城市污水处理设施的研究
进入21世纪后我国经济形势继续保持良好的发展势头,城市化程度越来越高(然而伴随着经济高速发展而来的是自然环境仍然呈恶化趋势,尤其是水源危机越来越严重,水源危机在我国西北和华北地区表现为资源型匮乏和水污染,在华南、华东地区则是严重的水体污染所导致的。
为了解决日益严重的环境问题,我国政府在初步解决了工业点源污染后!
正全力进行规模更大的城市污水治理工程,以实现水资源的可持续发展。
建设运营城市污水处理设施所需的资金巨大,必须引入市场机制,拓展投融资渠道BOT模式是一种国际通行的基础建设融资方式!
在我国电力、交通等基础设施建设中已经有很多的案例,将BOT模式引进到环保处理领域可以有效的解决我国目前城市污水处理设施资金短缺的境地。
1、BOT模式的简介
BOT模式(Build-Operate-Transfermode,建造-运营-移交)的概念是由土耳其总理厄扎尔1984年正式提出的。
在我国又称为“特许权融资方式”具有民营化、全额投资、特许期和垄断经营的四个基本特征。
其涵义是:
国家或地方政府通过特许权协议,将一个公共基础设施、基础产业项目的特许权授予承包商)一般为国际财团承包商在特许期内负责项目设计、融资、建设、运营和维护,并回收成本,偿还债务,赚取利润。
特许期结束后将项目所有权无偿移交签约方的政府部门。
实质上融资方式是指私营机构含国外资本参与国家公共基础设施项目,在互利互惠的基础上分配该项目的资源、风险和利益的融资方式(是政府与承包商合作经营基础设施项目的一种特殊运作模式。
BOT融资一般指BOOT融资即建设-拥有-运营-转让。
在实际运作过程中BOOT融资方式产生了许多变形,BOT融资方式实际成为BOOT(建设-拥有-转让);BTO(建设-转让-经营);BOOS(建设-拥有-运营-出售);BS(建设-转让);OT(运营一转让);TOT(转让-运营-转让)等融资方式的总称。
从经济意义上说,各种方式区别并不大。
BOT投资模式通过使基础设施商业化和私营化,可以引进先进的技术和管理经验,提高基础设施的建设和服务效率。
又可以补充基础设施建设资金的不足,减轻政府的财政压力。
以BOT模式进行我国城市污水处理项目的融资,正逐步为我国政府和国内外投资者所注意。
2以BOT模式投资城市污水处理设施可行性分析
建设运营城市污水处理设施所需的资金巨大,必须引入市场机制,拓展投融资渠道以政府特许权形式引入私人资本达到融资目的为特征的模式,可以以准BOT模式;TOT模式;托管运营模式和供排水一体化模式等方式来实现。
2.1城市污水处理设施产业化经营是发展的必然趋势
据了解,我国污水处理确定的重点地区和项目为“三河三湖”(海河、辽河、淮河;滇池、太湖、巢湖、)、环渤海湾地区、南水北调和北京水资源保护,在这些地区和项目中,国家规划将建设多座城市污水处理厂。
为了解决日益严重的水资源危机,满足广大市民对生存环境越来越高的要求,按照国务院关于加强城市供水节水和水污染防治工作的通知上的要求,“十五”期间,所有的城市都必须建设污水处理厂。
到2005年,50万人口以上的城市,污水处理率应达到60%以上,到2010年,所有城市的污水处理率不得低于60%,直辖市、省会城市、计划单列市以及重点风景旅游城市不得低于70%。
但是,根据已建、在建污水厂的实际情况,我国城市污水处理厂的吨水造价一般在1500~200元之间,运行费在0.4~ 0.6元/t之间,为达到通知的要求,在“十五期间”我国城市污水处理设施需投资5000亿元人民币以上,这些设施的年运行费用也有数百亿元之巨!
如此巨额的投资和运行费用,仅仅依靠我国并不宽裕的财政支持,显然是无法解决的庞大的资金缺口。
已经成为我国市政设施建设的最根本的障碍。
以江苏太湖地区为例,尽管是我国经济最发达地区之一,在“十五”期间江苏太湖流域规划将实施城镇污水处理工程86项,目前仅有18个项目建成投运,还有31个项目在建,剩下的37个项目只是在开展前期工作,项目数量和投资规模均占总量的40%左右。
为了解决资金短缺的问题,我国各地政府开始把污水处理作为一项产业,开征污水处理费,用于城市污水处理设施的建设和运营。
建设部颁布了《关于加快市政公用行业市场化进程的意见》出台了一系列政策,其中包括转让特许经营权20年及融资、建设、运营一条龙方式,吸引外资介入。
国家计委《关于鼓励和引导民间投资的若干意见》和《外商投资产业指导目录》要求,要积极创造条件促使民间资本和海外资本流入城市水务行业,重点鼓励和吸引社会资本和外资投向城市水源工程和净水厂。
城市污水处理和回用设施的建设与运营,将城市污水处理设施市场化、产业化经营已经成为一种必然的趋势和优先的选择。
2.2投资城市污水处理设施-BOT模式是一种理想可行的选择
多年以来,我国城市市政污水处理一直以政府为主进行投融资活动。
建设资金主要依靠政府财政资金和银行贷款,投资主体单一,投资管理模式和项目建设管理组织形式十分落后,缺少市场配置机制,风险约束机制和财政杠杆机制的约束,导致城市污水设施的建设不仅严重滞后,且还有着不切实际,盲目求大的问题,现有污水处理设施的运行管理也不理想。
采用BOT模式"政府不仅可以用将来的按政策征收的污水处理费来发挥现实的环境效益,变以前的一次集中支付为分期支付,可以进一步减轻财政压力,可以使因财政原因而搁置的污水处理项目迅速的得到建设和运营,有效地加快了基础设施建设步伐,满足全社会对公共工程和基础设施的需求。
可以从国际、国内乃至民间多渠道融资,投资基础设施建设的资本在短时间内能够迅速放大,而且通过引入市场竞争机制,项目管理水平、技术水平都会有较明显的提高。
以BOT模式吸引民间资本和外资投资城市污水处理设施,已经成为我国城市污水处理设施建设和运行的重要选择之一,为了促进对城市污水处理设施的投资,我国政府对以BOT模式投资城市污水项目建设将给予一定政策扶持。
根据中国环保总局的文件,城市供水价格将包括污水处理。
污水处理费的征收标准将优先调整到满足城市污水处理厂建设和运营的需要上,在江苏太湖地区。
为了配合环保产业的发展,吨污水处理费用已经上调至1.15元,城市污水生产用电按优惠用电价格执行,对新建城市污水处理设施可采取行政划拨方式提供项目建设用地,投资,运营企业在合同期限内拥有划拨土地规定用途的使用权。
根据美、日等发达国家在市政污水处理上的经验,我国城市污水处理厂的建设一定要从实际出发,因地制宜#多建小型污水处理厂,污水处理由集中走向分散。
随着我国小城镇的发展,2~3万t/d的中小型城市污水处理厂的建设也越来越多,在目前的收费标准下。
以BOT模式融资投资一座5万t/d的中小型城市污水处理厂为例,特许权限为20a,其项目建设费用约在)5000万~8000万元人民币,污水处理费收费标准为1.10元/吨污水处理费用为0.65~0.9元(含运行费用和贷款利息等),一般在10a左右可以收回全部投资,在剩余年限内污水处理厂的运营利润将为该项目投资的净利润,这种规模的污水处理厂,投资金额和回报率作为BOT项目对于国内外水务投资商更易接受,且投资风险也有所下降,太湖流域在建的无锡城北、硕放、梅村等三个中小城市污水处理项目就采用了BOT模式进行融资,引进国外水务公司的投资和先进的管理。
对于国内民间资本和国外投资者,以BOT模式对我国城市污水处理等基础建设设施进行投资为他们在越来越激烈的市场竞争中提供了一个长期的、具有稳定可靠投资回报的投资方式。
桑德集团的公司发展战略,就将BOT模式投资城市污水处理设施定在很重要的位置;法国苏伊士水务公司、美国金源集团在国内也都以BOT模式积极投资于城市污水处理领域。
3BOT模式投资的风险性分析
以BOT模式投资我国城市污水处理厂是一个长期、稳健的投资方式;但是在运作过程中,从建造、运营直至移交整个过程中仍然存在着一系列的风险。
这些风险涉及3大类:
技术因素、财政因素以及政策因素。
根据国内外在建、运行的BOT投资案例分析,在这3类风险因素中#通常技术因素是最容易克服的,而财政上的风险尽管比较难以把握,但依然是可以掌握的;最不可琢磨的就是政策因素,政策上是否持续、稳定,是决定BOT模式投资项目能否双赢的关键。
根据BOT模式的运作规则,其各个运作阶段都存在着这3大类的风险,并且这些风险是相互影响的。
3.1项目建设期间
项目建设期间(B-build),项目的风险主要来自于一些诸如:
处理工艺和方案选择、技术路线选择、系统优化、项目前期管理、征地、施工及施工管理、工程质量控制等工程行为,这些风险从本质上都是属于技术方面的,当然部分也涉及到政府部门的合作,根据中国政府的承诺#征地将以行政划拨的方式提供,而工艺和管理等方面的问题应该完全可以在项目公司范围内得到很好的解决。
3.2 项目运营期间
在污水处理厂运营期间(O-operation),项目公司可能遇到的风险是多方面的,其风险的控制跟最终涉及到财政上的风险是否可以规避。
项目公司在以下几个方面遇到一定的风险:
(1)由设计规模与实际处理规模差异较大引起的风险。
倘若实际规模小于设计规模#尽管在特许权协议中有着最低回报的承诺,但是必然导致项目的投资回收期可能延长,甚至亏损,目前我国很多城市的城市污水处理设施存在盲目求大的问题,因此进行BOT项目投资时一定要进行很充分的调查。
(2)污水收费政策可能发生变化,从而使投资回收产生困难,对于这个风险#由于我国目前正在逐步进行市政收费的改革之初,通过各个方面的情况综合分析,污水处理收费的标准更大的可能是逐步增加,由于这个因素,即使各种运行成本因素发生价格上的变化,如电力成本、人员工资福利等上升的风险也完全可以规避,而且随着管理水平的逐步提高,将尽量减少实际运行成本,增加项目公司的回报,但是,由于我国污水收费机制尚不完善,给污水处理的BOT模式带来很大的障碍。
(3)由于技术失误等因素#导致污水厂运营期间处理效果达不到规定标准,这对于项目公司显然是致命的。
因此在设计阶段一定要确保工艺的合理可靠,而且运营期间,一定要严格科学的管理,确保处理效果等达到预期目标,克服运行中对环境和社会效益的不良影响。
(4)长达20a甚至更长的运营期中可能出现的政策,经济及自然不可抗拒诸方面的重大变化所带来的对项目执行的影响,对于自然不可抗拒的风险可以由保险公司来承担&至于政策"经济的风险,根据国外此类项目的经验教训,这决定了许多BOT项目失败的命运,如东南亚地区金融风暴以及政权更迭等影响。
但是,对于我国,这正是BOT投资方式得以正逐步推广的重要优势,尽管我国处于政策经济变革之中,但我国经济持续发展,政策也十分稳健,这一点国际上各大权威预测机构的预测给了我们很大的信心。
3.3移交过程
目前国内BOT项目还没有进入移交过程(T-transfer)的案例,但是移交过程中存在的风险,显然应该是前两个阶段的综合反应,这并不是导致投资回报和工程成败等的关键时期,但这对双方的合作关系和日后同类项目的发展也有着一定的影响,以BOT模式投资基础设施建设在中国经过近些年的实践之后,形成了自己的一些特色和特点,具体到在城市污水处理设施的投资上,有几种不同的方式。
为了减少BOT投资的风险#作为项目公司的投资者不仅要确保将污水处理设施从立项、建设、运营和移交等各个阶段的潜在风险降至最低,同时要积极延伸污水处理设施的下游产业,研究并投资污水处理后的回用#提高污水回用率,增加投资的自营收入,但是以BOT模式投资我国城市污水处理设施,也不是一个稳赢的投资,作为投资者必须汲取国内外BOT投资的经验教训,首先要根据项目公司的实力,做好充分的投资调研#选择成熟可靠的工艺,依靠科学高效的管理,以及和签约政府部门的精诚合作,把握各个方面的风险,以确保投资项目能够得到“双赢”的结果。
4结语
以BOT模式投资我国城市污水处理设施等环保产业,可以有效的缓解我国政府和财政的压力,并使众多业已规划,但由于财政等原因暂时搁置的项目迅速的投入建设和运营#改善人民的生活环境,提高政府在人民中的信,通过BOT模式投资城市污水处理设施等环保产业,也为国内外私有资本(跨国财团等)提供了一个具有长期、稳定回报的投资模式。
BOT模式投资我国城市污水处理设施,作为一个“双赢”的融资和投资战略,正为政府和投资界的有识之士所关注。
以DO、ORP、pH控制SBR法的脱氮过程
SBR法在处理水质水量变化很大的工业废水中已得到广泛应用,而且只要改变运行方式就可以实现同时去除有机物和脱氮除磷,但其运行操作复杂则影响了它的进一步推广应用。
因此,实现SBR法的自动控制是进一步提高SBR法运行效率的关键,而传统的时间控制和流量控制很不经济,应用数学模型(ASM1,2,3)又因其太过复杂而难于付诸实践。
模糊控制可以在模拟人脑思维的基础上,很好地解决大滞后、非线性生化反应器的实时控制问题,彭永臻曾对SBR法去除有机物[1~3]以及生物电极脱氮[4]进行了模糊控制研究,取得了满意的成果。
在此基础上,为实现SBR法去除有机物和脱氮除磷的全面模糊控制,对SBR法降解有机物和在硝化、反硝化过程中DO、ORP和pH的变化规律进行了详细深入的研究。
1 试验材料和方法
试验装置如图1。
反应器高为70cm,直径为30cm,总有效容积为38L,采用鼓风曝气,用转子流量计调节曝气量。
反应过程中在线检测DO、ORP、pH值,并根据DO、ORP、pH的变化在一定的时间内取样。
检测分析项目有:
CODCr(重铬酸钾法),MLSS(滤纸重量法),DO、温度(YSIMODEL50B溶解氧测定仪),ORP(AmericanSensorIncorporation生产的ORP复合电极),pH(pHS—3C型精密酸度计),SV%(100mL量筒),NO2-N[N-(1-萘基)-乙二胺光度法],NO3-N(麝香草酚分光光度法),NH3-N(纳氏试剂光度法)。
试验用水采用啤酒加适量自来水稀释(人工配制),投加氯化铵(NH4Cl)和磷酸二氢钾(KH2PO4)作为氮源、磷源,投加碳酸氢钠(NaHCO3)调整pH。
水温控制在30℃左右,恒定曝气量在0.8m3/h。
为了实现生物脱氮,SBR反应器的运行方式为:
瞬间进水,曝气(好氧降解有机物、硝化),投加碳源搅拌(反硝化),停止搅拌、短时间曝气吹脱N2。
试验方案:
经过污泥驯化接种和培养,维持MLSS=8000mg/L左右,长期维持进水混合液CODCr在300~330mg/L左右,磷足量,投加碳酸氢钠调节pH在中性偏碱的范围之内;首先维持进水混合液NH3-N在一定的浓度下运行一定的周期数,此试验共进行了2个水平:
80~85mg/L,110~120mg/L,考察不同进水混合液氨氮浓度情况下DO、ORP、pH的变化规律;然后模拟实际工程的进水水质冲击的情况,对这两种稳态分别进行了以4种不同进水混合液NH3-N浓度作为初始冲击氨氮浓度,验证硝化、反硝化过程的DO、ORP、pH的变化规律。
2 试验结果与分析
2.1 ORP、DO、pH在一个反应周期中的变化规律
2.1.1 ORP、DO的变化规律
选择进水混合液氨氮浓度为110~120mg/L的典型图见图2、3。
由图3可知,DO、ORP曲线的特点及其原因是:
在COD降解过程中,DO出现平台(0~25min),ORP也出现平台。
这是因为在恒定曝气量的条件下,有机污染物被微生物不断地氧化降解,微生物降解有机物过程的OUR基本不变,所以DO出现平台。
由ORP与DO的关系式(ORP=a+bln[O2])可知:
在DO出现平台的情况下,ORP也会出现平台,但ORP不只受DO影响,所以ORP的平台不如DO的平台那么明显。
当COD降至难降解部分时(图2中的点A:
第25min),DO突然迅速大幅上升,对应着ORP也大幅上升(图3中的点A),这是因为COD降解至难降解部分时,异养菌无法再大量摄取有机物,造成供氧大大高于耗氧,所以会出现DO,ORP都迅速大幅度上升的现象。
尔后,自养菌开始进行硝化反应,反应过程中ORP、DO不断上升直至硝化结束。
在硝化反应结束时(图2中的点B:
第150min),DO出现第二次跳跃或者是上升的速率加快(图3中的点B),然后DO很快接近饱和值,如果继续曝气,DO就在这个高值处维持基本不变。
DO出现第二次跳跃的原因是自养菌降解氨氮的过程已经结束,不再耗氧,而自养菌、异养菌内源呼吸耗氧又远远小于供氧,所以会出现DO的第二次跳跃;与之相对应,ORP并没有出现跳跃而是出现平台或者说基本不变化(图3中的点B)。
在硝化过程中DO、ORP没有出现平台而是不断徐徐上升的原因则是:
硝化细菌进行硝化反应的速率随着氨氮的降解不断减小,所以耗氧速率小于供氧速率,出现了DO、ORP都不断上升的现象。
ORP在硝化反应的后半程上升得越来越慢以及并未像DO一样出现第二次跳跃的原因是:
①DO绝对值较高,DO的微小变化并不会引起ORP的很大变化,即使DO出现跃升也并不足以引起ORP的再次跳跃。
②硝化反应的不断进行使氨氮不断被氧化,由ORP的定义式可知,还原态物质的不断减少,相应产生的氧化态物质也不断减少,这也是引起ORP上升变缓的一个原因。
③由于硝化反应的进行,产生了大量的亚硝态氮,这对生化反应起到了限制作用,因此硝化后期的反应速率小于反应初期速率。
在反应的最后,DO维持恒定以及ORP基本不变的原因是由于内源呼吸过程的OUR基本不变。
结束曝气后投加原水,进行搅拌,系统进入反硝化阶段:
ORP先是迅速下降,这是由于DO的迅速耗尽;在反硝化的过程中,ORP不断下降(但下降的速度越来越小),这是因为氧化态的硝态氮被还原成氮气,整个反应器中的氧化还原电位不断降低;由于无氧呼吸即反硝化的进行,硝态氮不断减少,整个反应器中氧化还原状态的变化不如反硝化初期的变化幅度大,所以ORP的变化越来越小;当反硝化结束时(图2中点C),ORP迅速下降,表现在曲线上为一拐点(图3中的点C),这一拐点指示出系统缺氧呼吸过程的结束,分子态氧消失,系统进入厌氧状态,所以ORP会大幅度下降。
ORP在硝化反硝化的全过程都可以给出控制信号,而且在试验中发现ORP探头反应灵敏稳定。
DO在结束曝气之后就迅速降至零左右,在反硝化过程中无法给出任何过程信息。
2.1.2pH的变化规律
pH曲线的特点是在COD降解过程中不断大幅度上升,这是因为:
①异养微生物对有机底物的分解代谢和合成代谢的结果都要形成CO2,CO2溶解在水中导致pH下降,但是曝气不断地将产生的CO2吹脱,这就引起了pH不断地大幅上升;②好氧降解废水中的有机酸引起pH的不断上升。
当COD降解停止时(图2中的点A),pH曲线出现转折点(图3中的点A),开始不断下降,这是因为硝化反应过程中产生了H+。
pH的下降一直进行至硝化反应的停止或结束(图2中的点B),然后pH会迅速上升,继而维持不变或在硝化反应结束时就基本维持不变(图3中的点B)。
pH迅速上升的原因是因为碱度含量大于硝化所需,曝气吹脱了CO2;pH在硝化反应停止时就维持不变,是因为碱度不足或没有剩余。
反硝化过程中,pH先是持续大幅度上升,这是由于反硝化的过程中不断地产生碱度。
在反硝化结束时(图2中的点C),pH会突然下降,出现一个转折点(图3中的点C),指示反硝化的结束,pH下降的原因是:
反硝化过程结束后,系统进入厌氧状态,一部分兼性异养菌开始产酸发酵、放磷,所以会出现这个转折点。
这个转折点在同时脱氮除磷的SBR生化反应器中不仅标志着反硝化的结束,也是厌氧发酵产酸进行磷的释放的标志。
2.2 ORP、DO、pH导数图形分析
对应图2、3给出上述典型过程中ORP,DO,pH的导数图形(图4、5、6)。
在图4中可以清楚地看到对应着COD降解的结束以及硝化反应的结束,ORP的突跃点(图4中点A)和平台出现的时间点(图4中点B);在反硝化过程中,反硝化结束的时间可由ORP导数绝对值的突然增加(图4中点C)来轻松地判断。
在图5中COD降解结束,开始硝化对应着的pH导数由正变负(图5中点A),硝化的结束以及反硝化的结束分别对应着pH导数由负变正(图5中点B)和由正变负(图5中点C)。
DO导数图形中对应着COD降解结束以及硝化反应的结束可见两个明显的突跃点(图6中点A,B)指示这两个反应的结束:
DO导数图形中的第三个负值跳跃点是停止曝气、开始搅拌,反应器中DO浓度迅速减少所致。
通过对这三个参数导数的分析,可知由ORP,DO,pH的特征点可以轻松实现降解有机物硝化反硝化的过程控制。
2.3 氨氮冲击浓度的试验结果与分析
在氨氮冲击浓度的试验中,维持污泥浓度在8000mg/L,进水混合液氨氮浓度分别为:
48、80、156、184mg/L。
好氧及缺/厌氧段的反应时间是尽量使反应进行完全,为了探求ORP、DO、pH的变化规律而没有采用实时控制。
试验结果见图7~12。
试验系统的硝化速率为0.0045~0.00606mgN/(mgMLSS·h),有机物降解速率约为0.09mgCOD/(mgMLSS·h)。
从冲击负荷的试验结果可以看出,ORP、DO、pH的规律重现性很好,进一步验证了前面给出的各曲线特征点的正确性。
从图7~10中ORP曲线明显可见ORP在好氧过程中的一个跳跃点(点A)和一个平台点(点B),在缺氧过程中的一个拐点(点C);DO在好氧过程中的两个突跃点(点A,B)分别对应着有机物及氨氮降解的终点;pH在好氧过程中有两个转折点(点A,B)在缺氧过程中有一个转折点(点C),重现性都不错。
由图7~10可知,进水混和液氨氮浓度的增加或减少对COD降解的时间影响不多,而明显的使硝化反应的时间延长或缩短。
由于原水中有机物的量一致,所以降解COD的时间都集中在20~25min左右,DO、ORP、pH出现跳跃和转折的时间与COD降解结束的时间十分吻合。
当进水混合液氨氮浓度分别为48、80、156mg/L时,对应着硝化结束的时间分别为80、120、215min,ORP、DO、pH的拐点出现时间也相应由80min增至215min,正确地指示了硝化反应的结束,并且硝化进行得完全,氨氮并没有剩余。
当进水混合液氨氮浓度为184mg/L时(图10),DO在第214min出现突跃(点B),ORP出现平台(点B),pH没有出现上升的转折点,而是基本保持不变(点B),此时氨氮的降解已经停止,但是有17mg/L的剩余,这是因为碱度不足所致,而且在图12中,本方案NO2-N的产量与进水混合液氨氮为156mg/L的试验结果相近,这都是硝化没有进行完全所致。
进水混合液氨氮浓度分别为48、80、184mg/L时,反硝化所耗费的时间分别为8、16、20min,反硝化的速率在0.0216~0.0323mgN/(mgMLSS·h)之间。
进水混合液氨氮为156mg/L时(图9),反硝化耗用的时间为55min,这是因为投加的原水不足,反映在pH的曲线上,就是在pH上升过程出现了上升速率变小的现象,这是由于外碳源用尽后异养菌利用内碳源进行反硝化的速率远小于外碳源的反硝化速率。
但是在反硝化结束时,pH曲线都出现了转折点且不断下降,指示了反硝化的结束。
值得一提的是,本试验的硝化反应是亚硝酸型硝化,产生的NO3-N一直维持在0~2mg/L,并且大多数情况下在零左右,与NO2-N的产量相比很小,所以没有给出其降解曲线。
亚硝酸型硝化产生的原因与反应过程中的温度一直维持在30℃有一定的关系。
3 结论
通过上述试验初步得到以下结论:
①DO在
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