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摘要好氧堆肥与其他常见污泥处理方式相比具有有机物降解快、彻底、无害化程度高、堆肥产品肥效好等优点。根据国内外污泥好氧堆肥研究现状，从C/N、温度、含水率、pH等方面，介绍了好氧堆肥过程的控制要点，总结了污泥好氧堆肥适宜的技术条件；分析了微生物菌剂在好氧堆肥中的重要作用。最后指出堆肥产品需依靠技术进步和完善相关行业标准来开拓市场。
关键词好氧堆肥；污泥处理；堆肥影响参数；微生物菌剂
中图分类号S141.4；X705文献标识码A文章编号0517-6611（2016）18-107-04
AbstractCompared with other common sludge treatment methods， aerobic composting has the advantages of quick and thorough degradation of organic matter， high degree of harmless， and good fertilizer efficiency from the compost. According to the current status of sludge aerobic composting at home and abroad， the controlling essentials of composting progress， such as C/N， temperature， moisture and pH， were introduced in this paper. We summarized the appropriate technical conditions of sludge aerobic composting and stressed the important role of microbial agents during composting. Finally， the suggestions were proposed that the final compost needed to rely on technological progress as well as the development and implementation of related industry standards to expand the market.
Key wordsAerobic composting； Sludge treatment； Compost parameters； Microbial agent
近几年，随着污水处理率的提高和处理程度的深化，由城市污水厂产生的大量污泥所带来的环境污染问题日趋严重。好氧堆肥是城市污泥无害化和资源化的重要途径之一，具有有机物分解彻底、无中间产物和臭味、无害化程度高的特点。研究表明，好氧堆肥腐熟的产品施用于土地后，可有效改善土壤的物理化学性质，是一种良好的肥料和土壤改良剂。而好氧堆肥是一个复杂的生物化学过程，温度、含水率、pH等因素直接影响微生物的生存状况，进而关系到最终堆肥产品的质量。同时，堆肥原料中微生物的数量及多样性也影响着堆肥的效率和周期的长短。因此，研究并控制合理的环境影响因素及发展微生物菌剂在堆肥中的作用，对于提高好氧堆肥的功效和促进其工业化进程具有重要意义。笔者综述了城市污泥好氧堆肥的研究进展，以期为尽快实现污泥的土地资源化利用提供借鉴。
1好氧堆肥原理
好氧堆肥是利用污泥中天然存在的细菌、放线菌、真菌等微生物，在有氧条件下，有控制地促进污泥中可降解的有机质向稳定的类腐殖质物质转化的微生物学过程。在污泥好氧堆肥过程中，溶解性的有机质可直接透过微生物的细胞壁和细胞膜为微生物所吸收利用；不溶性的固体和胶体有机物先附着在微生物体外，由微生物所分解的胞外水解酶分解成溶解性物质，再深入到细胞内部参与氧化、还原、合成等过程。好氧堆肥可使污泥稳定化，并能在高温发酵时将污泥中的病原菌、寄生虫卵等杀灭，其最终的产物还能作为肥料和土壤的改良剂。但好氧堆肥的成败和产品质量的好坏受堆肥参数的设计与控制、堆体中有益微生物的数量及酶活性的大小等多方面因素的影响。
2好氧堆肥影响参数
2.1碳氮比（C/N）
碳氮元素对微生物的生长和活性具有至关重要的作用。合适的C/N，不仅能够使堆体升温快，加快有机物降解速率，缩短堆肥时间，提高堆肥产品的稳定性[1-2]，还能使堆肥产品产生更多腐殖质，由于这种腐殖质具有较好的持水性，从而能增加施肥土壤的持水能力[3]。研究表明，在粉砂壤土中投加腐熟的堆肥产品，能够增加土壤的团聚能力和整体的物理稳定性[4]。不仅如此，堆肥产品中投加的腐殖质能够促进水溶性重金属向结合态转变，降低其迁移性[5]。最后，合理控制C/N的堆肥产品还能够强化对土壤中杀虫剂的吸附，稳定土壤中的难降解有机物[6]。因此，为保证堆肥效率和产品质量，堆肥物料的C/N应控制在25～35[2，7]。且一般当物料C/N下降到20以下时，可认为堆肥达到腐熟[8]。
2.2温度
温度是反映堆肥过程是否正常最直接的指标，也是影响堆肥过程中微生物种类和数量的重要因素。堆肥过程中，微生物的分解利用物料中的有机质，释放出大量热量使堆体温度升高；反之，温度的变化也影响着微生物的群落结构。随着堆肥过程的进行，占优势地位的细菌种类会发生很大变化[9-11]。腐熟稳定阶段，真菌群落的多样性会出现急剧减少[12]。不同阶段的温度特征和优势菌种及其主要作用见表1。虽然高温可以杀灭病原菌并减少氮素损失[13-15]，但是当温度超过60 ℃，部分嗜热微生物活动受到限制，有机质的降解速率会有所下降[16]。因此，在堆肥的高温阶段，温度最好控制在55～60 ℃[17]，这样既能满足无害化要求，又能达到稳定化处理。 2.3含水率
通常来说，温度对微生物的活性至关重要，但Liang等[18]在以污泥为堆肥原料的研究中指出，水分含量比温度对微生物活性的影响大，且可仅通过调节水分含量来提高微生物的活性。Makan等[19]认为，合适的初始含水率对好氧堆肥过程至关重要。水在微生物生长繁殖中必不可少，具有溶解有机物，参与微生物新陈代谢，并通过蒸发调节堆温的作用。因此，保持适宜的水分含量，是堆肥成功的首要条件。水分含量也影响着物料粒径大小和孔隙率。水分过多，堆层物料间空隙小，氧气交换率低，易形成厌氧环境，产生臭气；水分过少，微生物活动受限，使堆肥效率降低。堆肥原料最适合的含水率为50%～60%[20]，而城市污泥的含水率一般大于70%，因此，堆肥前需要加入调理剂，如木屑、作物秸秆、轧棉废料、废纸、煤灰等[21]，以调节污泥的理化性质和改善污泥颗粒透气性能，从而保证堆肥高效快速的进行。
2.4pH
pH是反映微生物活性的重要指标之一。适宜的pH可使微生物有效发挥降解作用，保留堆料中的有效氮成分。堆肥过程中，pH变化范围大约在6～9[11，22-23]。而多数堆肥微生物适合在中性或偏碱性环境中繁殖活动[24]。因此，根据大部分污泥的性质，在堆肥过程中无需调节pH[25]。而堆肥结束后pH一般相比于原料会有所增加[26]。增加的pH会加大OH-配位基的数量，通过配位体交换，影响施作土壤的微量元素（K+、Ca2+、Mg2+）供给[27]。但若堆肥产品pH过低，会使施作土壤中的可提取态重金属含量升高，增加堆肥产品农用的风险[28]。
2.5其他
物料粒径、有机质含量及C/P等对堆肥发酵的成败也至关重要。物料的分解是发生在固体颗粒表面的化学过程，较小的粒径可以增加微生物附着的表面积，也有利于维持堆体中最适的温度。但粒径过小会导致通气孔隙减小，不利于堆肥的进行。一般推荐的颗粒粒径为1.3～7.6 mm，这个区间的下限适用于通风或者连续翻堆的堆肥系统，上限适用于静态堆垛或其他静态通风堆肥系统[24]。当堆肥结束后，物料粒径为0.5～2.0 mm时，持水能力较好[29]。微生物是在有氧条件下分解转化有机物，一般情况下，堆体中氧含量应该保持在5%～15%。同时，堆肥微生物的活性受有机质含量的影响，因此，堆肥中的有机物一般以20%～80%为宜。而磷是构成微生物生命的重要元素，城市污水厂污泥中含有丰富的磷，可以满足微生物生长的需求，一般合适的C/P为75～150。
综上所述，堆肥过程相当复杂，影响堆肥进程的各个因素决定着微生物的活性，关系着堆肥的成效和产品质量。因此，合理控制这些技术参数，才能保证堆肥过程顺利进行。污泥堆肥适宜的技术条件：
C/N 20∶1～35∶1；pH 6～9（一般无需调节）；温度55～60 ℃维持5～7 d；堆料粒径1.3～7.6 mm；
含水率50%～60%；有机质20%～80%；氧含量5%～15%；C/P 75～150。
3接种微生物菌剂对好氧堆肥的影响
传统的好氧堆肥利用原料中土著微生物降解有机物以达到稳定化效果，但是堆肥初期有益微生物含量相对少，需要一定时间才能繁殖，这大大降低了堆肥效率，难以满足现代工业化生产的需求。而人工加入微生物菌剂可以调节微生物菌群结构，提高微生物活性，从而加快有机物降解速率，缩短腐熟时间，并提高堆肥产品中腐殖质含量[30]。因此，为促进堆肥的工业化进程，国内外学者相继开展了接种功能微生物菌剂的研究（表2）。
3.1对堆肥过程参数的影响
堆肥过程中，温度是微生物生命活动的重要标志。由表2可知，大多数研究表明，堆肥中添加微生物菌剂，可以加速有机物的分解，促进堆体快速升温，从而提前实现高温期。但许晓英等[42]研究表明，接种复合微生物菌剂对缩短达到高温时间的效果不明显。这可能是由于接种的复合微生物菌剂与原料中的土著微生物产生了竞争，未起到起爆的作用，未能使发酵温度迅速升高。一般，环境温度较低时不利于堆肥过程的启动，因为中温微生物在小于5 ℃时不能代谢外源有机物[43]。但在堆肥中接入低温复合菌剂，不仅能促进堆体迅速起温，快速进入高温期，也保证了堆肥的腐熟质量[44]。另外，含水率下降的快慢是有机肥工厂化生产的重要标志之一。由于接种复合微生物菌剂后使堆体温度上升较快，从而也促进了水分的挥发，使得物料的含水率迅速下降[32，36，40]。堆体pH在堆肥过程中会有一定的变化，但最终稳定在7.0～7.5，也达到了污泥堆肥腐熟的pH标准[40]。
3.2对堆肥微生物量的影响
堆肥是有微生物参与的生物化学反应过程，不同堆肥阶段有相适应的微生物发挥降解作用。由表2可知，接种微生物菌剂后可以提高微生物总数[33-35，39]。堆肥过程中，底物成分复杂，环境变化恶劣，这需要多种优势微生物相继发挥作用，才能将底物彻底稳定化、无害化。在堆肥初期投加复合微生物菌剂能够激发微生物大量增殖，迅速启动堆肥发酵。Wang 等[35]研究发现，接种微生物菌剂后，堆体中好氧异养细菌和真菌的数量比对照组中高出1～2个数量级。目前，已有新型复合微生物菌剂问世，它们不仅繁殖速度快，还可以通过竞争性的占位和排挤能力来阻止和排斥病原菌，产生的细菌素等可以杀死或者抑制病原菌的生长[45]。
3.3对堆肥中酶活性的影响
堆肥中微生物对有机物的分解能力取决于酶的活性，酶活性的变化对堆肥的生物化学过程至关重要。多种氧化还原酶和水解酶都与堆肥的物质代谢密切相关。顾文杰等[46]研究表明，加入外源菌剂后虽然对过氧化氢酶活性无影响，但可以提高脲酶和纤维素酶的活性，并可使转化酶活性提前达到峰值。脲酶的活性与微生物的数量呈正相关[47]，脲酶活性的提高也说明了堆体中微生物数量的增加。徐智等[48]研究发现，添加内源微生物有利于升温期蛋白酶和脱氢酶的积累，且添加外源微生物后，蛋白酶和脱氢酶在高温期最强，因而促进了堆肥的氧化还原反应。 4结语
好氧堆肥是城市污泥稳定化、无害化和资源化的有效途径，是一种符合可持续发展的污泥处理方式。但是要得到较好的处理效果，在处理城市污泥之前需要添加调理剂，以调节堆体结构和物料的理化性质。同时，还要控制堆肥过程中的通风量，最好能利用实时在线监测系统控制堆体中的温度及氧含量。为加快堆肥进程，提高堆肥效率，还可进行微生物菌剂的接种。目前，国内外学者在堆肥过程优化控制和微生物的选种与接种方面已经取得了一定成果，但是如何真正实现堆肥的自动化和筛选开发出价格低廉且高效的微生物菌剂，还应给予更多地关注。
污泥处理后的出路是值得重视的问题。土地利用是堆肥产品很好的去向，但是由于污泥中含有重金属等有毒有害物质，极大地阻碍了堆肥产品进入田地。因此，除了革新技术方法来处理降低污泥中的重金属外，还应该通过政策管控，从源头上制止和减少重金属等有毒有害物质进入污水污泥。技术和政策二者的结合，将会有效减轻污泥对城市环境的影响，同时可实现污泥的土地资源化利用。
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关键词好氧堆肥；污泥处理；堆肥影响参数；微生物菌剂
中图分类号S141.4；X705文献标识码A文章编号0517-6611（2016）18-107-04
AbstractCompared with other common sludge treatment methods， aerobic composting has the advantages of quick and thorough degradation of organic matter， high degree of harmless， and good fertilizer efficiency from the compost. According to the current status of sludge aerobic composting at home and abroad， the controlling essentials of composting progress， such as C/N， temperature， moisture and pH， were introduced in this paper. We summarized the appropriate technical conditions of sludge aerobic composting and stressed the important role of microbial agents during composting. Finally， the suggestions were proposed that the final compost needed to rely on technological progress as well as the development and implementation of related industry standards to expand the market.
Key wordsAerobic composting； Sludge treatment； Compost parameters； Microbial agent
近几年，随着污水处理率的提高和处理程度的深化，由城市污水厂产生的大量污泥所带来的环境污染问题日趋严重。好氧堆肥是城市污泥无害化和资源化的重要途径之一，具有有机物分解彻底、无中间产物和臭味、无害化程度高的特点。研究表明，好氧堆肥腐熟的产品施用于土地后，可有效改善土壤的物理化学性质，是一种良好的肥料和土壤改良剂。而好氧堆肥是一个复杂的生物化学过程，温度、含水率、pH等因素直接影响微生物的生存状况，进而关系到最终堆肥产品的质量。同时，堆肥原料中微生物的数量及多样性也影响着堆肥的效率和周期的长短。因此，研究并控制合理的环境影响因素及发展微生物菌剂在堆肥中的作用，对于提高好氧堆肥的功效和促进其工业化进程具有重要意义。笔者综述了城市污泥好氧堆肥的研究进展，以期为尽快实现污泥的土地资源化利用提供借鉴。
1好氧堆肥原理
好氧堆肥是利用污泥中天然存在的细菌、放线菌、真菌等微生物，在有氧条件下，有控制地促进污泥中可降解的有机质向稳定的类腐殖质物质转化的微生物学过程。在污泥好氧堆肥过程中，溶解性的有机质可直接透过微生物的细胞壁和细胞膜为微生物所吸收利用；不溶性的固体和胶体有机物先附着在微生物体外，由微生物所分解的胞外水解酶分解成溶解性物质，再深入到细胞内部参与氧化、还原、合成等过程。好氧堆肥可使污泥稳定化，并能在高温发酵时将污泥中的病原菌、寄生虫卵等杀灭，其最终的产物还能作为肥料和土壤的改良剂。但好氧堆肥的成败和产品质量的好坏受堆肥参数的设计与控制、堆体中有益微生物的数量及酶活性的大小等多方面因素的影响。
2好氧堆肥影响参数
2.1碳氮比（C/N）
碳氮元素对微生物的生长和活性具有至关重要的作用。合适的C/N，不仅能够使堆体升温快，加快有机物降解速率，缩短堆肥时间，提高堆肥产品的稳定性[1-2]，还能使堆肥产品产生更多腐殖质，由于这种腐殖质具有较好的持水性，从而能增加施肥土壤的持水能力[3]。研究表明，在粉砂壤土中投加腐熟的堆肥产品，能够增加土壤的团聚能力和整体的物理稳定性[4]。不仅如此，堆肥产品中投加的腐殖质能够促进水溶性重金属向结合态转变，降低其迁移性[5]。最后，合理控制C/N的堆肥产品还能够强化对土壤中杀虫剂的吸附，稳定土壤中的难降解有机物[6]。因此，为保证堆肥效率和产品质量，堆肥物料的C/N应控制在25～35[2，7]。且一般当物料C/N下降到20以下时，可认为堆肥达到腐熟[8]。
2.2温度
温度是反映堆肥过程是否正常最直接的指标，也是影响堆肥过程中微生物种类和数量的重要因素。堆肥过程中，微生物的分解利用物料中的有机质，释放出大量热量使堆体温度升高；反之，温度的变化也影响着微生物的群落结构。随着堆肥过程的进行，占优势地位的细菌种类会发生很大变化[9-11]。腐熟稳定阶段，真菌群落的多样性会出现急剧减少[12]。不同阶段的温度特征和优势菌种及其主要作用见表1。虽然高温可以杀灭病原菌并减少氮素损失[13-15]，但是当温度超过60 ℃，部分嗜热微生物活动受到限制，有机质的降解速率会有所下降[16]。因此，在堆肥的高温阶段，温度最好控制在55～60 ℃[17]，这样既能满足无害化要求，又能达到稳定化处理。 2.3含水率
通常来说，温度对微生物的活性至关重要，但Liang等[18]在以污泥为堆肥原料的研究中指出，水分含量比温度对微生物活性的影响大，且可仅通过调节水分含量来提高微生物的活性。Makan等[19]认为，合适的初始含水率对好氧堆肥过程至关重要。水在微生物生长繁殖中必不可少，具有溶解有机物，参与微生物新陈代谢，并通过蒸发调节堆温的作用。因此，保持适宜的水分含量，是堆肥成功的首要条件。水分含量也影响着物料粒径大小和孔隙率。水分过多，堆层物料间空隙小，氧气交换率低，易形成厌氧环境，产生臭气；水分过少，微生物活动受限，使堆肥效率降低。堆肥原料最适合的含水率为50%～60%[20]，而城市污泥的含水率一般大于70%，因此，堆肥前需要加入调理剂，如木屑、作物秸秆、轧棉废料、废纸、煤灰等[21]，以调节污泥的理化性质和改善污泥颗粒透气性能，从而保证堆肥高效快速的进行。
2.4pH
pH是反映微生物活性的重要指标之一。适宜的pH可使微生物有效发挥降解作用，保留堆料中的有效氮成分。堆肥过程中，pH变化范围大约在6～9[11，22-23]。而多数堆肥微生物适合在中性或偏碱性环境中繁殖活动[24]。因此，根据大部分污泥的性质，在堆肥过程中无需调节pH[25]。而堆肥结束后pH一般相比于原料会有所增加[26]。增加的pH会加大OH-配位基的数量，通过配位体交换，影响施作土壤的微量元素（K+、Ca2+、Mg2+）供给[27]。但若堆肥产品pH过低，会使施作土壤中的可提取态重金属含量升高，增加堆肥产品农用的风险[28]。
2.5其他
物料粒径、有机质含量及C/P等对堆肥发酵的成败也至关重要。物料的分解是发生在固体颗粒表面的化学过程，较小的粒径可以增加微生物附着的表面积，也有利于维持堆体中最适的温度。但粒径过小会导致通气孔隙减小，不利于堆肥的进行。一般推荐的颗粒粒径为1.3～7.6 mm，这个区间的下限适用于通风或者连续翻堆的堆肥系统，上限适用于静态堆垛或其他静态通风堆肥系统[24]。当堆肥结束后，物料粒径为0.5～2.0 mm时，持水能力较好[29]。微生物是在有氧条件下分解转化有机物，一般情况下，堆体中氧含量应该保持在5%～15%。同时，堆肥微生物的活性受有机质含量的影响，因此，堆肥中的有机物一般以20%～80%为宜。而磷是构成微生物生命的重要元素，城市污水厂污泥中含有丰富的磷，可以满足微生物生长的需求，一般合适的C/P为75～150。
综上所述，堆肥过程相当复杂，影响堆肥进程的各个因素决定着微生物的活性，关系着堆肥的成效和产品质量。因此，合理控制这些技术参数，才能保证堆肥过程顺利进行。污泥堆肥适宜的技术条件：
C/N 20∶1～35∶1；pH 6～9（一般无需调节）；温度55～60 ℃维持5～7 d；堆料粒径1.3～7.6 mm；
含水率50%～60%；有机质20%～80%；氧含量5%～15%；C/P 75～150。
3接种微生物菌剂对好氧堆肥的影响
传统的好氧堆肥利用原料中土著微生物降解有机物以达到稳定化效果，但是堆肥初期有益微生物含量相对少，需要一定时间才能繁殖，这大大降低了堆肥效率，难以满足现代工业化生产的需求。而人工加入微生物菌剂可以调节微生物菌群结构，提高微生物活性，从而加快有机物降解速率，缩短腐熟时间，并提高堆肥产品中腐殖质含量[30]。因此，为促进堆肥的工业化进程，国内外学者相继开展了接种功能微生物菌剂的研究（表2）。
3.1对堆肥过程参数的影响
堆肥过程中，温度是微生物生命活动的重要标志。由表2可知，大多数研究表明，堆肥中添加微生物菌剂，可以加速有机物的分解，促进堆体快速升温，从而提前实现高温期。但许晓英等[42]研究表明，接种复合微生物菌剂对缩短达到高温时间的效果不明显。这可能是由于接种的复合微生物菌剂与原料中的土著微生物产生了竞争，未起到起爆的作用，未能使发酵温度迅速升高。一般，环境温度较低时不利于堆肥过程的启动，因为中温微生物在小于5 ℃时不能代谢外源有机物[43]。但在堆肥中接入低温复合菌剂，不仅能促进堆体迅速起温，快速进入高温期，也保证了堆肥的腐熟质量[44]。另外，含水率下降的快慢是有机肥工厂化生产的重要标志之一。由于接种复合微生物菌剂后使堆体温度上升较快，从而也促进了水分的挥发，使得物料的含水率迅速下降[32，36，40]。堆体pH在堆肥过程中会有一定的变化，但最终稳定在7.0～7.5，也达到了污泥堆肥腐熟的pH标准[40]。
3.2对堆肥微生物量的影响
堆肥是有微生物参与的生物化学反应过程，不同堆肥阶段有相适应的微生物发挥降解作用。由表2可知，接种微生物菌剂后可以提高微生物总数[33-35，39]。堆肥过程中，底物成分复杂，环境变化恶劣，这需要多种优势微生物相继发挥作用，才能将底物彻底稳定化、无害化。在堆肥初期投加复合微生物菌剂能够激发微生物大量增殖，迅速启动堆肥发酵。Wang 等[35]研究发现，接种微生物菌剂后，堆体中好氧异养细菌和真菌的数量比对照组中高出1～2个数量级。目前，已有新型复合微生物菌剂问世，它们不仅繁殖速度快，还可以通过竞争性的占位和排挤能力来阻止和排斥病原菌，产生的细菌素等可以杀死或者抑制病原菌的生长[45]。
3.3对堆肥中酶活性的影响
堆肥中微生物对有机物的分解能力取决于酶的活性，酶活性的变化对堆肥的生物化学过程至关重要。多种氧化还原酶和水解酶都与堆肥的物质代谢密切相关。顾文杰等[46]研究表明，加入外源菌剂后虽然对过氧化氢酶活性无影响，但可以提高脲酶和纤维素酶的活性，并可使转化酶活性提前达到峰值。脲酶的活性与微生物的数量呈正相关[47]，脲酶活性的提高也说明了堆体中微生物数量的增加。徐智等[48]研究发现，添加内源微生物有利于升温期蛋白酶和脱氢酶的积累，且添加外源微生物后，蛋白酶和脱氢酶在高温期最强，因而促进了堆肥的氧化还原反应。 4结语
好氧堆肥是城市污泥稳定化、无害化和资源化的有效途径，是一种符合可持续发展的污泥处理方式。但是要得到较好的处理效果，在处理城市污泥之前需要添加调理剂，以调节堆体结构和物料的理化性质。同时，还要控制堆肥过程中的通风量，最好能利用实时在线监测系统控制堆体中的温度及氧含量。为加快堆肥进程，提高堆肥效率，还可进行微生物菌剂的接种。目前，国内外学者在堆肥过程优化控制和微生物的选种与接种方面已经取得了一定成果，但是如何真正实现堆肥的自动化和筛选开发出价格低廉且高效的微生物菌剂，还应给予更多地关注。
污泥处理后的出路是值得重视的问题。土地利用是堆肥产品很好的去向，但是由于污泥中含有重金属等有毒有害物质，极大地阻碍了堆肥产品进入田地。因此，除了革新技术方法来处理降低污泥中的重金属外，还应该通过政策管控，从源头上制止和减少重金属等有毒有害物质进入污水污泥。技术和政策二者的结合，将会有效减轻污泥对城市环境的影响，同时可实现污泥的土地资源化利用。
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