COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
Influência do Grau de Compactação de um Solo Arenoso Fino na
Infiltração e Retenção da Carga Orgânica de Chorume
Cristiano Freitas da Silva
Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil, [email protected]
Rinaldo J. B Pinheiro
Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil, [email protected]
Djalma Silveira
Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil, [email protected]
RESUMO: O objetivo deste trabalho é avaliar a utilização de um solo arenoso fino como base e
cobertura em aterro sanitário, atuando como camada de retenção e filtração das cargas orgânicas e
inorgânicas do lixiviado (chorume). O solo é característico da área do aterro sanitário da cidade de
Santa Maria (RS) e o chorume foi coletado na saída de drenos de coleta de percolado. O solo é
arenoso fino, de cor predominantemente amarela, oriundo da alteração de rochas sedimentares de
origem fluvial. A mineralogia é formada por grãos de quartzo, caulinita e óxidos de ferro.
Apresenta um pH = 6, baixo teor de matéria orgânica (MO = 0,2%) e CTC = 19,2 cmol/dm3.
Geotecnicamente este solo foi classificado como silte arenoso (ML), com baixa plasticidade e
fração argila inferior a 20%. Para o experimento foram compactados em colunas de percolação
(PVC) este solo com graus de compactação variáveis (variação de densidade e volume de vazios) e
submetidos um taxa de aplicação do efluente constante (1 litro/semana). A eficiência e
comportamento do solo a ser empregado no processo de atenuação da carga orgânica do chorume,
em suas respectivas colunas de percolação (grau de compactação de 60, 70, 80, 90 e 100%), foi
realizado com a determinação das características físico-químicas do chorume e do percolado (pH,
DQO, DBO, condutividade elétrica (CE), oxigênio dissolvido (OD), sólidos totais dissolvidos
(STD) e cor. Os valores médios obtidos para o chorume foram pH = 7,8, DQO = 4864 mg/l, DBO =
351 mg/L, CE = 26830 µS/cm, OD = 1,9 mg/l, e STD = 13482 mg/l. Os valores medidos de DBO,
DQO e STD nos efluentes das colunas sofreram uma redução significativa, demostrando a
eficiência do sistema de atenuação em relação a estes parâmetros.
PALAVRAS-CHAVE: Chorume, Ensaios de Coluna, Infiltração, Retenção.
1
resíduos sólidos de forma inadequada, sendo
colocados diretamente em contato com o solo e
exposto a céu aberto, promovendo assim, a
contaminação do solo, do ar e das águas
superficiais e subterrâneas além de gerar a
proliferação de vetores de doenças, causando
sérios problemas a saúde publica.
Segundo Pesquisa Nacional de Saneamento PNSB (IBGE, 2002) somente 32,2% de todos
os municípios destinam adequadamente seus
resíduos sólidos (13,8% em aterros sanitários e
18,4% em aterros controlados). Em 63,6% dos
municípios, o lixo doméstico, quando recolhido,
é simplesmente transportado para depósitos
INTRODUÇÃO
Atualmente, uma das grandes preocupações ao
meio ambiente são os problemas relacionados
ao manejo, tratamento e destinação final dos
resíduos sólidos urbanos gerados. Com o
crescimento
populacional
aliado
a
intensificação do processo industrial e
consequentemente a demanda por bem de
consumo, o homem tem produzido quantidades
expressivas de resíduos sólidos, onde na grande
maioria dos paises não apresenta uma base
política clara e efetiva para sua supressão. No
Brasil grande parte dos municípios deposita os
1
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força de interação e a predominância de uma
reação sobre outra é controlada pelos
constituintes específicos do solo.
As interações solo-chorume e as reações
físico-químicas
envolvidas
durante
a
percolação, resultam na atenuação da carga de
contaminantes do chorume. Esse processo de
atenuação resulta na redução da concentração
de contaminantes durante o respectivo
transporte através do solo. As principais formas
de atenuação estão incluídas nos seguintes
mecanismos básicos: físico (filtração, difusão e
dispersão, diluição e absorção); químico
(precipitação/dissolução,
adsorção/desorção,
complexação, troca iônica e reações de redox);
e microbiológico (biodegradação aeróbia e
anaeróbia) (McBean et al, 1995 e Qasin et al
1994).
Em estudos anteriores, realizados por
Hamada (2000), Hamada et al (2002) e Iwai
(2004), relacionados ao dimensionamento de
um sistema de tratamento por percolação de
chorume em solo arenoso fino, surgiram alguns
questionamentos relacionados ao tipo de solo,
taxa limite de aplicação hidráulica e
a
influência da compactação para taxas de
aplicação hidráulica maiores.
O conhecimento adequado dos processos do
escoamento do chorume em solos arenosos, ao
longo das primeiras camadas do subsolo, sob
condições naturais ou compactadas de
permeabilidade, permite observar as condições
transitórias mais importantes do processo de
transporte de contaminantes. A compactação de
um solo arenoso nas bases de aterros constitui
uma forma pouco custosa de preparação,
resultando na redução da permeabilidade e
garantindo um confinamento maior do
chorume, sem, contudo atingir os valores
exigidos pelos órgãos ambientais. É essencial
conhecer os mecanismos envolvidos neste
sistema, para se fazer um planejamento
adequado dos critérios específicos como
execução e operação do sistema e disposição de
resíduos.
Diante destas circunstâncias o trabalho tem
como objtivo a montagem de um sistema que
permita avaliar a influência de diferentes graus
de compactação de um solo areno-siltoso fino
característico da cidade de Santa Maria-RS, na
irregulares, os chamados lixões. Estes não
possuem nenhum tipo de controle, quer quanto
ao tipo de resíduos recebidos, quer em relação
às medidas de segurança necessárias, para
minimizar ou evitar emissões de poluentes para
o meio ambiente.
Um dos sistemas mais adequado para a
disposição de resíduos sólidos urbanos, são os
aterros sanitários controlados, que aplica
conhecimentos de engenharia e segue normas
pré-estabelecidas de planejamento, construção e
operação, minimizando assim os riscos e
impactos ambientais. Uma maneira eficiente
para restringir o escoamento do chorume para
os aqüíferos subterrâneos, é, reduzindo sua
permeabilidade. Para a contenção dos efluentes
líquidos gerados pela decomposição do lixo é
necessária a compactação do solo da base
conhecidas como liners, que tem como função
separar os resíduos do subsolo e minimizar o
transporte de efluentes através dos solos,
evitando assim o contato com as águas
subterrâneas.
Segundo Daniel (1993), o procedimento de
compactação visa à criação de uma barreira
protetora, denominada de liner, considerada
como revestimento de base e laterais em aterros
e obras similares, ou como cobertura final dos
aterros. Como revestimentos de base são
indicados quando se deseja retardar ao máximo
a migração de contaminantes no solo, saturados
ou não, de forma a atenuar a concentração dos
contaminantes
quando
atingirem águas
subterrâneas.
Segundo McBean et al (1995) e Quasin e
Chiang (1994) os solos naturais apresentam um
sistema complexo e dinâmico em que interagem
continuamente os processos físicos, químicos e
biológicos. O solo é um sistema heterogêneo e
polidisperso de componentes sólidos, líquidos e
gasosos, em diversas proporções, e são também
bastante porosos e constituem corpos
quimicamente solventes pela presença de água
em seus interstícios. Os solos consistem de
compostos
quimicamente
inertes,
de
substâncias de alta ou baixa solubilidade, de
uma grande variedade de compostos orgânicos
e de organismos vivos e ainda apresentam um
meio favorável no qual ocorrem atividades
biológicas complexas de forma simultânea. A
2
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Figura 1, o modelo de coluna de percolação
usada na pesquisa.
O sistema de colunas de percolação
apresenta algumas características, quanto a seus
aspectos construtivos e de funcionamento. Para
fixar as colunas (tubos de PVC) no painel, serão
usadas abraçadeiras, que permitirão sua fácil
retirada para que o solo possa ser compactado
dentro das mesmas.
A compactação do solo no interior das
colunas de percolação foi realizado com
soquete de 2,5kg, e para se atingir o grau de
compactação desejado variou-se o número de
golpes (camadas de 20cm). O teor de umidade
adotado foi o obtido nos ensaios de
compactação com energia normal.
infiltração e retenção de carga orgânica de
lixiviados de aterro sanitário.
2
METODOLOGIA
Neste trabalho foram executadas colunas de
percolação, permitindo a avaliação do
transporte do chorume e atenuação do solo em
relação à carga orgânica do lixiviado com
diferentes condições de compactação. O solo
empregado é característico da região e ocorre
em abundância na área da Central de
Tratamento de Residuos da Caturrita (CTRC)
na cidade de Santa Maria(RS). O chorume
utilizado foi coletado no sistema de coleta do
referido aterro sanitário.
O experimento visou simular várias
condições de compactação (densidades). As
variáveis básicas foram as físicas e quimicas.
As variáveis físicas corresponderam a taxa de
aplicação
hidráulica
superficial
(m3.chorume/m2.dia); densidade do solo nas
colunas e taxa hidraúlica volumétrica
(m3/m3.solo.dia). As variáveis de eficiência para
as diferentes condições de compactação foram
remoção de DQO como parâmetro base,
remoçao de sólidos totais e carga de DQO
aplicada (kgDQO/kgSolo.dia).
Foram aplicadas neste ensaios uma carga
única de 1000ml em cada semana durante 5
semanas. Isto corresponde uma taxa
concentrada de 0,135 m3/m2.dia ou uma taxa
média diária de 0,0193 m3/m2.dia ao longo de
uma semana.
2.1
A lim e n t a ç ã o
A m o st ra d or
G e o t ê x t il
A m ost ra d or
c a m a d a d e a r e ia g r o s s a
E s p e s s u r a : 2 0 ,0 c m
L u va d e P V C D N 110 m m
T ub o d e p vc m arro m D N 10 0
S o lo c o m p a c t a d o
D is t â n c ia e n t r e a m o s t r a d o r e s = 2 0 c m
A lt u r a t o t a l d a c o l u n a = 1 6 0 c m
A m o stra d or
Concepção das Colunas de Percolação
S u po rte
Para a montagem das colunas de percolação,
foram utilizados os seguintes materiais: tubos
de PVC, com diâmetro nominal de 110 mm;
suporte móvel com estrutura em perfis
metálicos; chapa de compensado naval
resinada; luvas e CAPs de PVC; braçadeiras
metálicas com parafusos; chapas de PVC
branco perfurada (usadas na confecção dos
drenos); manta geotêxtil; adaptadores metálicos
para mangueiras; brita passante na peneira ¼”
(execução dos drenos) e areia média lavada. Na
G e o t ê x t il
C A P pvc
B r it a φ < 14 "
E spessura : 2 cm
D is c o p e r f u r a d o
φ = 10 cm
E f lu e n t e
Figura 1. Coluna de percolação
O controle do grau de compactação foi
realizado através da pesagem da coluna. Em
cada coluna, foi colocado um disco perfurado
de PVC, a 1 cm do fundo do CAP juntamente
com o disco perfurado será utilizada uma
3
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O solo estudado foi classificado texturalmente
como areia fina siltosa, com fração argila
inferior a 20%. Apresenta baixa plasticidade e
tendo quartzo, caulinita e óxidos de ferro como
mineralogia predominante.
As Tabelas 1 e 2 apresentam os resultados
dos ensaios de caracterização e químicos
realizados em 3 amostras típicas deste material.
A Figura 2 apresenta as curvas granulométricas.
Verifica-se pelos resultados a homogeneidade
desta camada arenosa na área do aterro
sanitário.
camada de brita com tamanho inferior a ¼”,
protegida por geotêxtil, com o objetivo de
drenagem do efluente a ser coletado, evitando a
passagem de solo pelo mesmo. A coleta do
lixiviado, será feito um orifício e adaptada uma
mangueira de silicone, na parte inferior do
CAP.
2.2
Solo Estudado
Neste trabalho foi utilizado um solo de
alteração de rochas sedimentares da Formação
Santa Maria que ocorre em camadas contínuas
na área da CTRC. As amostras para os ensaios
foram coletadas e preparadas para os ensaios de
caracterização, seguindo as os procedimentos
da NBR 6457/86. Os ensaios de caracterização
realizados foram a determinação da massa
específica real dos grãos
(NBR 6508/84),
granulometria
com
defloculante
(NBR
7181/84); limite de liquidez (NBR 6459/84);
limite de plasticidade (NBR 7180/84). Foram
realizados ensaios de compactação na energia
normal de acordo com (NBR 7182/86). Para
complementar os ensaios laboratoriais foram
realizados ensaios de permeabilidade em
permeâmetros de parede rígida com carga
variável, com diferentes graus de compactação
(GC = 100, 90, 80, 70 e 60%), de acordo com a
NBR 14545/00.
2.3
Tabela 1. Ensaios de caracterização e classificação dos
solos estudados
AM01
AM02
AM03
LL (%)
33
31
31
LP (%)
24
24
26
IP (%)
9
7
5
26,4
27,0
27,1
γs (kN/m3)
CTC (cmol/dm3)
19,2
M.O. (%)
0,2
pH
6,0
Mineralogia
Quartzo, caulinita e óxidos
HRB
A4
A4
A4
SUCS
CL
ML
ML
Obs.: LL = limite de liquidez; LP = limite de
plasticidade; IP = índice de plasticidade; γs = peso
específico real dos grãos; CTC = capacidade de troca
catiônica; MO = máteria orgânica.
Tabela 2. Resultados dos ensaios de granulometria com
defloculante
Frações
AM01
AM02
AM03
Chorume
O chorume foi coletado no sistema de drenagem
de percolado da CTRC, transportado em
recepientes apropriados e mantidos em
refrigeração para evitar mudanças das suas
propriedades. A caracterização do chorume foi
realizado pelo laboratório da Engenharia
Química da Universidade Federal de Santa
Maria.
Nas análises químicas realizadas no chorume
e no efluente das colunas foram determinados
os seguintes parâmetros: Demanda Química de
Oxigênio (DQO), Demanda Bioquímica de
Oxigênio (DBO), Sólidos Totais Dissolvidos
(SDT), Cor, Ph, Condutividade Elétrica (CE) e
Oxigênio Dissolvido (OD).
3
Pedregulho (%)
Areia grossa (%)
Areia média (%)
Areia fina (%)
Silte (%)
Argila. (%)
0
3
15
27
40
18
0
2
10
28
56
14
0
4
17
27
34
18
No estudo de compactação foram realizados
3 ensaios na energia normal, para determinação
do peso específico aparente seco máximo
(1700kg/m3) e teor de umidade ótima (16,5%).
Estes ensaios permitiram definir as densidades a
serem adotados nos ensaios de coluna. A Figura
3 apresenta as curvas de compactaçao para o
solo em estudo.
A Figura 4 apresenta os resultados dos
ensaios de permeabilidade (permeâmetro de
parede rígida) para os diferentes densidades
utilizados nesta pesquisa. Nos ensaios com
RESULTADOS
4
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corpos de prova menos densos a permeabilidade
obtida foi da ordem de 10-3 cm/s. A medida que
a densidade é aumenta os valores de
permeabilidade se reduzem, chegando a valores
da ordem de 10-7cm/s para grau de compactação
de 80%.
antes da amostragem. A Tabela 2 apresenta os
valores obtidos em 22 amostras de chorume
utilizados nos ensaios de coluna. Os valores
obtidos de DBO e pH estão na faixa de variação
esperada para aterros novos, que é o caso do
CTRC (menos de 2 anos de operação).
A relação entre a DBO/DQO pode
caracterizar a biodegrabilidade do chorume que
varia com o tempo. Para o chorume coletado
esta relação foi 0,07, valor este bem inferior a
0,5 que é característico de aterros novos
(Tchobanoglous et al, 1993). Esta diferença
pode estar relacionada com os baixos valores
obtidos de DBO (<2000mg/l) e valores bem
elevados de sólidos e suspensão (>2000mg/l).
100
90
80
% Passante
70
60
50
AM01
40
AM02
30
20
AM03
10
0
0,001
0,010
0,100
1,000
Tabela 3. Análise química do chorume (22 amostras)
Desvio
Coef. de
Análise química
Média
Padrão
Variação
(%)
DQO (mg/l)
4863,6
1077,3
22,1
DBO (mg/l)
351,1
194,3
55,3
STD (mg/l)
13491,9
2429
18,0
CE (uS/cm)
26829,5
6248,4
23,3
Cor (mg Pt Co)
6449,1
2377,4
36,9
Ph
7,8
0,1
1,9
OD (mg/l)
1,9
0,3
17
10,000
Diâmetro (mm)
Figura 2. Curvas granulométricas do solo
1720
Peso Esp. Ap. Seco (kg/m3)
1700
1680
1660
1640
A campanha de ensaios de colunas com
percolação de chorume em condições não
saturadas foram realizados para graus de
compactação diferentes. Para graus de
compactaão de 90 e 100% não ocorreram
percolação significativa, portanto estas colunas
foram descartadas da análise. Foram analisados
os volumes aplicados e coletados, DQO, DBO,
STD, cor, pH, CE e OD para o efluente das
colunas com grau de compactação de 60, 70 e
80%. A Figura 5 apresenta os volumes
aplicados de chorume e os volumes coletados
(efluentes). Observa-se uma diferença entre
estes volumes, devido ao volume necessário
para o preenchimento de vazios do solo, que
diminui em função do acréscimo de
compactação. Quantidades significativas de
efluente só ocorreram apos a segunda aplicação
de chorume.
1620
AM01
1600
AM02
AM03
1580
1560
5
10
15
20
25
Teor de umidade (% )
Figura 3. Curvas de compactação (energia normal)
Permeabilidade (cm/s)
1,00E-02
1,00E-03
1,00E-04
1,00E-05
1,00E-06
1,00E-07
50
60
70
80
90
100
Grau de compactação (% )
Figura 4. Resultados dos ensaios de permeabilidade
A caracterização química do chorume,
segundo vários autores, varia muito, depedendo
da idade do aterro e dos eventos que ocorreram
5
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removida (Figura 8), uma vez que nesta coluna
o escoamento é mais lento e mais suscetível a
colmatação.
6000
Volume aplicado
5000
Volume percolado
100
3000
Eficiência - remoção de DQO (%)
Volume (ml)
GC = 60%
4000
2000
1000
0
0
5
10
15
20
Tempo (dias)
25
30
6000
70
60
50
40
GC = 60%
30
GC = 70%
GC = 80%
20
10
0
Volume percolado
Volume (ml)
80
Volume aplicado
5000
4000
0
GC = 70%
5
10
15
20
25
30
Tempo (dias)
3000
Figura 6. Eficiência de remoção de DQO
2000
1,0
DBO removida (gDQO/KgSoloSeco)
1000
0
0
5
10
15
20
Tempo (dias)
25
30
6000
Volume aplicado
5000
Volume (ml)
90
Volume percolado
GC = 80%
4000
3000
0,9
GC = 60%
0,8
GC = 70%
GC = 80%
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
2000
0
5
10
15
20
25
30
Tempo (dias)
1000
Figura 7. Carga de DQO removida
0
0
5
10
15
20
Tempo (dias)
25
30
100
Eficiência - remoção de DQO (%)
Figura 5. Relação do volume de chorume aplicado e
coletado em função do tempo.
As Figuras 6, 7 e 8 apresentam os resultados
relativos as análises de DQO. Na figura 4 esta
apresentado a eficiência de remoção de DQO
em função do tempo, nota-se que para GC de 60
e 70% a partir da terceira coleta a eficiência
situou-se abaixo de 90%. Já para a coluna com
GC de 80% a eficiência não apresentou esta
redução. Para as 3 colunas, considerando uma
eficiência superior a 90%, o volume aplicado
foi de 3 litros por coluna, ou um equivalente a
400 litros de chorume por metro cúbico de solo
(Figura 8).
A eficiência do sistema de remoção de DBO
aumenta em função do acréscimo da densidade.
Verifica-se também que nem sempre a coluna
de maior densidade (GC = 80%), apresenta
melhores resultados em termos de carga
90
80
70
60
50
40
GC = 60%
30
GC = 70%
GC = 80%
20
10
0
0
100
200
300
400
500
600
700
Volume Aplic. Equiv. (Litros de chorume/m3 de Solo)
Figura 8. Eficiência de remoção de DQO em função do
volume aplicado por metro cúbico de solo seco.
Na Figura 9 são apresentados os resultados
obtidos para o pH do chorume, do efluente
coletado nas colunas e do solo. Até 14 dias de
ensaio o pH do efluente situa-se entre os valores
do chorume e do solo, mas com uma tendência
de redução. A partir desta data o pH do efluente
fica inferior ao do solo (pH = 6).
6
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Eficiência - remoção de Sólidos
Totais (%)
9
8
7
pH
6
5
GC = 60%
4
GC = 70%
3
GC = 80%
2
PH do chorume bruto
1
PH do solo
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
0
0
10
Tempo (dias)
20
800
Cor (mg Pt Co)
300
200
10
20
30
Tempo (dias)
Figura 12. Valores de cor (padrão relativo ao PlatinumCobalt Units Standart).
4
CONCLUSÕES
A partir dos resultados obtidos, verifica-se o
potencial de aplicação da alternativa de
utilização de solo para tratamento de
chorume.A compactação do solo tem influência
direta nos resultados obtidos. Verificou-se que
solos com alta densidade a velocidade de
escoamento é baixa, que resulta melhores
resultados em termos de eficiência, contudo
estando sujeitos a colmatação em tempos
menores, que dificulta a percolação do efluente
e comprometendo o sistema. O principal
mecanismo deste sistema de tratamento é a ação
física do solo na retenção de material
particulado, tendo grande parcela na eficiência
do sistema.
CE = 26828,5 uS/cm
5000
4000
3000
2000
1000
0
20
Tempo (dias)
Cor = 6449,1
mg Pt Co
400
0
GC = 80%
10
GC = 80%
500
0
GC = 70%
0
GC = 70%
600
100
GC = 60%
6000
30
GC = 60%
700
9000
7000
20
Tempo (dias)
Figura 11. Eficiência na redução de sólidos totais, no
efluente das colunas.
A Figura 10 apresenta os valores de
condutividade elétrica (T = 250C) obtida nos
efluentes das colunas. A coluna de maior
densidade a eficiência da remoção de
contaminantes é um pouco maior, que
correspondem a valores de condutividade
menores em função de menos contaminantes
existentes no efluente. Com o aumento do
volume de chorume a condutividade aumenta,
independente da densidade das colunas. Esta
observação fica mais evidente pela diminuição
de eficiência na remoção de sólidos totais, em
função do tempo, conforme apresentado na
Figura 11.
8000
10
30
Figura 9. Valores pH do chorume, dos efluentes
coletados e do solo.
Condutividade elétrica (uS/cm)
GC = 60%
GC = 70%
GC = 80%
30
Figura 10. Valores da condutividade elétrica para
amostras do efluente das colunas.
Observa-se, na Figura 12, a tendência a
redução acentuada na cor dos efluentes para
todas as colunas em relação ao chorume. Este
fato deve-se a remoção da matéria orgânica e
outros contaminantes que conferem cor ao
efluente.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradedem a empresa Tecnoresíduos
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COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
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Inc, International Edition 978p.
Soluções Ambientais e REVITA Engenharia
S/A pelos materiais fornecido e apoio
operacional no desenvolvimento deste estudo.
Ao Programa de Pós-Graduação de Engenharia
Civil da Universidade Federal de Santa Maria
que possibilitou o desenvolvimento do
mestrado do primeiro autor.
.
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