工業(yè)有害廢液地下灌注國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

鐘偉，高振記 ，臧雅瓊

1.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083

2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

隨著工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)有害廢液對(duì)地質(zhì)環(huán)境和人類生活生產(chǎn)將產(chǎn)生較大危害。如何安全有效地處理處置危險(xiǎn)工業(yè)廢液一直困擾著環(huán)保學(xué)者，目前我國工業(yè)廢水的處理與處置面臨三大問題:處理技術(shù)落后，資金短缺、投資力度不夠及管理水平較低［1］。近年來隨著我國城市化和工業(yè)化進(jìn)程加快，水資源短缺問題凸顯，地質(zhì)環(huán)境污染嚴(yán)重制約了我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，尤其是處理難度大，處理成本較高的工業(yè)有害廢液的處置已經(jīng)成為工業(yè)廢水處理的一個(gè)難題。高技術(shù)門檻和高成本費(fèi)用導(dǎo)致很多企業(yè)在技術(shù)上達(dá)不到國家排放標(biāo)準(zhǔn)要求，目前廢水隨意排放的行為普遍存在。我國地表環(huán)境容量有限，在總量控制和區(qū)域限批的環(huán)境管理前置條件下，對(duì)于正處于工業(yè)化發(fā)展過程的中國來說，迫切需要尋找一種新的工業(yè)有害廢液的處置方式。該處置方法即可以滿足現(xiàn)有的環(huán)境污染物總量控制要求，且對(duì)地表生態(tài)環(huán)境沒有影響。

地下灌注(underground injection，UI)作為一種工業(yè)廢液及溫室氣體處理與處置技術(shù)，同其他處理技術(shù)相比，深地質(zhì)處置方法具有開辟新的環(huán)境容量，減少污染物處置成本等特點(diǎn)［2］。地下灌注是指通過深井將液體廢物(灌注物)注入到地下多孔巖石或土壤地層的污染物處置技術(shù)，利用深層地質(zhì)環(huán)境有效處理液體污染物使其不進(jìn)入生物圈物質(zhì)循環(huán)，從而達(dá)到保護(hù)地表生態(tài)環(huán)境的目的［3-4］。自20 世紀(jì)70年代以來，廢液的地下回灌及控制技術(shù)已成為日益受到關(guān)注的新技術(shù)［5-6］。目前，深井灌注技術(shù)在發(fā)達(dá)國家已有近60年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在美國、俄羅斯等發(fā)達(dá)國家已成為一種成熟、安全和經(jīng)濟(jì)的廢液處理技術(shù)［7］。

我國當(dāng)前工業(yè)廢液的處置大多排放在地表，依賴地表構(gòu)筑物達(dá)到隔絕廢液的目的，一旦發(fā)生泄漏或轉(zhuǎn)移將對(duì)水環(huán)境和地質(zhì)環(huán)境造成較大影響，目前的工業(yè)有害廢棄物的處置方式存在較高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。地下灌注技術(shù)利用地質(zhì)屏障的隔離和封閉作用將廢棄物的處理、處置場(chǎng)所遠(yuǎn)離生物圈，從而達(dá)到長(zhǎng)久安全的環(huán)保效果［8］。同時(shí)，我國幅員遼闊，地質(zhì)條件適用于地下灌注的區(qū)域及儲(chǔ)層較多，開展地下灌注應(yīng)用理論及應(yīng)用研究對(duì)于擴(kuò)展我國環(huán)境容量，提高環(huán)境質(zhì)量，為更多工業(yè)企業(yè)提供發(fā)展機(jī)會(huì)具有重要意義。

1 國外地下灌注技術(shù)應(yīng)用狀況

(1)美國

美國是世界上地下灌注技術(shù)第一個(gè)得到法律認(rèn)可并出臺(tái)相關(guān)法規(guī)的國家。美國地下灌注技術(shù)始于20 世紀(jì)30年代，最初用于油田和天然氣行業(yè)［9］。隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，地下灌注的應(yīng)用涉及的方面越來越廣，從最初用于油田作業(yè)，處理石油開采過程中的油田鹽水和其他廢液，擴(kuò)展到金屬制造、化學(xué)品生產(chǎn)、制藥、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。隨著新型環(huán)境問題的不斷出現(xiàn)，深井地下灌注技術(shù)也在不斷發(fā)展［10］，目前地下灌注已觸及各領(lǐng)域，灌注井分類也細(xì)分為六類(表1)。

表1 美國地下灌注井的分類［11］Table 1 Class of injection wells in US

20 世紀(jì)50年代以來，美國工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，工業(yè)廢液排放量急劇增加，已對(duì)地表生態(tài)環(huán)境造成一定影響。1974年，美國國會(huì)頒布了《安全飲用水法案》(The Safe Drinking Water Act，SDWA)，該法案的頒布對(duì)地下灌注(UI)技術(shù)的發(fā)展和地下灌注管理體制起到一定的推動(dòng)作用［12］。由于地下灌注具有開辟新環(huán)境容量、不依賴地表構(gòu)筑物和永久封存等特點(diǎn)，成為美國工業(yè)有害廢液的主要處置技術(shù)之一，其中Ⅰ類灌注井分為危險(xiǎn)廢物處置井、非危險(xiǎn)工業(yè)廢物處置井、城市污水處置井和高放廢物處置井四種，其數(shù)量多、用途廣，是地下灌注井的主要組成部分。

1980年，美國國家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)頒布了《地下灌注控制》法規(guī)，該法規(guī)要求對(duì)包括Ⅰ類灌注井在內(nèi)的所有類型灌注井加強(qiáng)監(jiān)管。1988年，US EPA 補(bǔ)充規(guī)定了危險(xiǎn)廢液灌注區(qū)須通過多重論證，使有害廢液永久(10 000年內(nèi))不得發(fā)生泄露事故［3］。地下深井處置工業(yè)廢液技術(shù)確保地下飲用水資源不被污染已有超過50年的記錄［13］。截至2007年，美國灌注井的數(shù)量已達(dá)到80 萬口，每年有超過7 500 億加侖(約28 億t)的廢液被注入地下［14］，為控制地下灌注對(duì)地下水環(huán)境的影響，美國已制定出一整套完善的法律法規(guī)及相關(guān)管理?xiàng)l例。

近年來，CO2地下封存技術(shù)是地下灌注在應(yīng)對(duì)全球氣候變化中的一項(xiàng)新技術(shù)，已經(jīng)被越來越多的國家所關(guān)注。

(2)俄羅斯

俄羅斯工業(yè)起步早，開展地下灌注技術(shù)也相對(duì)較早［15］。早期大多利用地下灌注技術(shù)處置核廢料，達(dá)到降低放射性廢物對(duì)地表水環(huán)境污染的目的［16］。1966年以來，隨著俄羅斯聯(lián)邦“原子反應(yīng)堆”項(xiàng)目及國家科學(xué)中心在采礦領(lǐng)域的發(fā)展，深井地下灌注得到快速發(fā)展。1967年，在位于俄羅斯特維爾州北部的加里寧核電站灌注場(chǎng)址，進(jìn)行了非放射性廢物深地質(zhì)封存試驗(yàn)［17］(表2)。近10年來地下儲(chǔ)油、儲(chǔ)氣庫的大量投產(chǎn)，一方面為國家能源提供戰(zhàn)略儲(chǔ)備，另一方面也為百姓生產(chǎn)生活提供便利。

表2 俄羅斯原子能部企業(yè)對(duì)核廢物及非核廢物深井灌注處置案例［18］Table 2 Deep injection sites for liquid radioactive waste and nonradioactive waste from enterprises of Minatom，Russia

(3)德國

德國高放廢物的地質(zhì)處置庫選址工作始于20世紀(jì)60年代，目前已取得成功［19］。德國北部地區(qū)共有200 余個(gè)大小不同的鹽丘，是建設(shè)放射性廢物處置庫的理想場(chǎng)所，20 世紀(jì)60年代在下薩克森州建造了鹽礦Asse 試驗(yàn)處置庫;70年代在鹽礦中建設(shè)了Morse-leben 處置庫，1976年起在康納德廢棄鐵礦開展非發(fā)熱廢物的地質(zhì)儲(chǔ)存研究;1977年Gorleben 鹽礦被選為高放廢物地質(zhì)處置候選場(chǎng)址，在進(jìn)行了20 多年調(diào)查工作后由于政治原因暫停了該場(chǎng)址選址工作。

自1960年至今，德國已完成高放廢物的場(chǎng)址評(píng)價(jià)、深部地質(zhì)環(huán)境、工程屏障、處置庫施工及性能評(píng)價(jià)等，建立了完整的研究設(shè)施及地下實(shí)驗(yàn)室。

(4)加拿大

加拿大深地質(zhì)處置核廢物的選址研究始于1973年，已建成的地下實(shí)驗(yàn)室有White Shell 地下實(shí)驗(yàn)室、Lac du Bonnet 花崗巖地下實(shí)驗(yàn)室等。目前，通過地下實(shí)驗(yàn)室的大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及開展綜合地質(zhì)研究、地球物理、水文地質(zhì)調(diào)查等工作，已完成環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告書及地下灌注方法學(xué)研究［20］。

除此之外，瑞典、法國、芬蘭、印度、日本、荷蘭、英國、丹麥等國家均對(duì)核廢物深地質(zhì)處置進(jìn)行了不同程度的工作。隨著地質(zhì)環(huán)境概念的提出以及環(huán)保觀念不斷深入人心，地下灌注技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。

2 我國地下灌注應(yīng)用現(xiàn)狀及潛力分析

2.1 我國地下灌注開展現(xiàn)狀

我國正處在迅速推進(jìn)工業(yè)化的發(fā)展階段，資源消耗和環(huán)境污染成為制約我國工業(yè)發(fā)展的主要因素，伴隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，污染物的排放不斷增加，地表環(huán)境容量已很難滿足工業(yè)化發(fā)展要求［21］。我國地下灌注技術(shù)的應(yīng)用和研究剛剛起步，一些地方開始了自發(fā)的地下灌注處置技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用，但總體上我國地下灌注技術(shù)尚未正式全面應(yīng)用，地下灌注的相關(guān)法律、規(guī)程、理論體系、技術(shù)方法等尚待進(jìn)一步研究。根據(jù)實(shí)地調(diào)研和文獻(xiàn)資料調(diào)研，列舉了國內(nèi)幾個(gè)較早從事地下灌注工業(yè)廢液處置的案例。

2.1.1 重慶索特鹽礦廢渣處置

重慶索特鹽化股份有限公司自2004年以來利用地下灌注技術(shù)已經(jīng)成功處置了該公司60 萬t/a 真空制鹽裝置的制鹽廢水廢渣。其灌注裝置包括配渣桶四桶、注渣泵三臺(tái)、注渣井七口、DCS 自控系統(tǒng)一套。自工業(yè)化投運(yùn)以來，該套裝置運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了污染物零排放的目標(biāo)［22］。

2.1.2 大慶油田含氰污水的深井回灌

大慶油田含氰污水回灌項(xiàng)目始于1996年，結(jié)合大慶油氣藏特殊的地質(zhì)構(gòu)造，將含氰廢水注入油田邊界過渡帶，達(dá)到驅(qū)油和防止含氰廢水污染地下水的目的［23］。項(xiàng)目的研究對(duì)我國其他地區(qū)在地質(zhì)條件適宜的情況下從事工業(yè)廢液回灌具有借鑒意義。

2.1.3 東營杜邦項(xiàng)目

2005年，杜邦公司以山東東營市建設(shè)鈦白粉生產(chǎn)工業(yè)廢液地下灌注項(xiàng)目為依托，通過地質(zhì)選址、工程技術(shù)研究及環(huán)境管理研究，提出我國進(jìn)行工業(yè)廢液地下灌注的地質(zhì)選址方案、灌注方法、步驟、要求與評(píng)估規(guī)程等，為我國形成嚴(yán)格的環(huán)境技術(shù)管理體系提供技術(shù)支持［22］。通過前期調(diào)研，項(xiàng)目選址定在山東東營，根據(jù)其技術(shù)特點(diǎn)和當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)環(huán)境的條件，采用特殊的工業(yè)廢液處置技術(shù)——深井地下灌注填埋處置生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的金屬氯化廢液。

2.1.4 中石油金壇天然氣存儲(chǔ)項(xiàng)目

金壇儲(chǔ)氣庫是我國第一個(gè)巖穴儲(chǔ)氣庫，位于江蘇省金壇市。金壇鹽礦具備巖鹽分布穩(wěn)定、巖層厚度大和頂板強(qiáng)度大等地質(zhì)條件，加上其優(yōu)越的地理位置，成為建設(shè)儲(chǔ)氣庫的有利地點(diǎn)［24］。截至2011年12月，金壇儲(chǔ)氣庫累計(jì)造腔量為294 萬m3，在季節(jié)性天然氣需求突增的情況下能夠發(fā)揮調(diào)峰作用。

2.2 我國開展地下灌注潛力分析

2.2.1 沉積地層

我國沉積盆地眾多，陸相沉積巖分布廣泛，加之我國地震帶分布規(guī)律［25］，滿足地下灌注所需的灌注層、緩沖層和隔離層，并且滿足環(huán)境影響評(píng)價(jià)的區(qū)域均可作為灌注項(xiàng)目場(chǎng)所。我國適宜地下灌注的沉積地層地質(zhì)儲(chǔ)層分布廣泛，通過地下灌注方式擴(kuò)充環(huán)境容量的潛力巨大。

2.2.2 枯竭油氣藏

我國石油、煤炭以及鹽礦等非金屬礦井幾乎遍布全國各地，具有較大的地質(zhì)空間［26］。統(tǒng)計(jì)表明，我國礦業(yè)城市約400 座，在這些礦業(yè)城市中，處于成長(zhǎng)期的占19.7%，鼎盛期的占68.3%，衰退期的占12.0%［27］。鼎盛期和衰退期合計(jì)達(dá)到80.3%，可見今后10 ～15年內(nèi)將是我國大中型礦井衰退、報(bào)廢的集中期，利用廢棄礦井進(jìn)行地下灌注可以有效處置工業(yè)污染物，并降低或消除由于開采導(dǎo)致地層壓力下降引發(fā)的次生地質(zhì)災(zāi)害。

2.2.3 地下鹽穴

鹽穴一般埋藏于地下數(shù)十米至數(shù)千米，具有低滲透性、良好的密封性、損傷自愈合性［28］。與其他地質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，鹽穴的密封性能夠有效阻止灌注介質(zhì)與外界地下水聯(lián)系，在地質(zhì)條件合適的情況下可作為廢棄物處置庫選址的理想場(chǎng)所。

我國鹽礦資源豐富，分布范圍廣，具有大量處置有害工業(yè)廢液的潛力。特別是近年來隨著鹽穴利用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，如建設(shè)儲(chǔ)油庫、儲(chǔ)氣庫、處理鉆井廢液及高危放射性廢棄物等，我國已經(jīng)初步形成地下鹽穴行業(yè)規(guī)范，對(duì)科學(xué)、合理利用鹽穴資源具有重要指導(dǎo)意義。

2.2.4 其他地質(zhì)體

可略含水層、地下溶洞等在地質(zhì)條件適合的情況下均可作為危險(xiǎn)廢液的儲(chǔ)存場(chǎng)所。

3 地下灌注適用條件

3.1 灌注區(qū)選址地質(zhì)要求

地下灌注的地質(zhì)選址工作是廢液灌注工程成敗與否的首要條件［29］。首先，灌注區(qū)應(yīng)位于相對(duì)封閉的地質(zhì)空間內(nèi)，如相對(duì)獨(dú)立的凹陷或構(gòu)造盆地，利用天然地質(zhì)條件阻止廢液大面積擴(kuò)散;其次需要具有一定空間的灌注層即具有較大孔隙度能夠容納且能注入廢液的地質(zhì)體;第三，灌注層上、下部應(yīng)當(dāng)有連續(xù)的滲透性微弱的封蓋層，防止廢液上下串層;第四，要遠(yuǎn)離飲用水源，在預(yù)期時(shí)間內(nèi)不會(huì)再利用或人為擾動(dòng)灌注層;第五，要確保區(qū)域地殼相對(duì)穩(wěn)定，灌注區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育［9］。

3.2 灌注層、隔離層、緩沖層地質(zhì)要求

在選址過程中對(duì)灌注地層的要求應(yīng)滿足同時(shí)具備灌注層、隔離層、緩沖層三類地層［4］(圖1)。

圖1 危險(xiǎn)廢液灌注井結(jié)構(gòu)Fig.1 Hazardous waste injection well structure schematic diagram

灌注層必須具有一定孔隙度，良好的滲透性能和較大的厚度，具有足夠容納廢液的空間。隔離層的作用是隔離和封閉，隔離層應(yīng)具備以下特性:滲透性能差，能夠阻止液體廢棄介質(zhì)在垂向上通過該層進(jìn)入非灌注層;具有連續(xù)性，在灌注區(qū)影響范圍內(nèi)保持其完整性;具有抗壓性，有一定厚度，能夠確保在一定灌注壓力下隔離層不會(huì)出現(xiàn)破裂。

緩沖層類似于灌注層，需具有較大孔隙度和較強(qiáng)滲透性能，同時(shí)與灌注介質(zhì)具有較好的相容性［3］。

4 地下灌注引發(fā)地質(zhì)環(huán)境問題簡(jiǎn)析

地下灌注可能引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問題包括對(duì)地下水環(huán)境的影響，對(duì)地表生態(tài)環(huán)境影響及深部穩(wěn)定性影響等［30］。

4.1 對(duì)地下可飲用水的影響

地下灌注工程對(duì)地下水影響主要表現(xiàn)在:勘探和鉆井過程中人為導(dǎo)通上下含水層，造成地下水污染和水量的變化;灌注介質(zhì)在封井后期緩慢擴(kuò)散或泄漏對(duì)地下水造成污染。

4.2 對(duì)地表水及地表生態(tài)環(huán)境的影響

工業(yè)廢液含有的污染物種類多，成分復(fù)雜，一旦泄漏到含水層中將難以恢復(fù)，不可避免地會(huì)對(duì)地表水和人類生活造成影響。

4.3 對(duì)土壤的影響

在鉆井過程中，鉆井廢水、廢棄泥漿和廢棄鉆井液等含有的CODCr、石油類、重金屬、硫化物、揮發(fā)酚、氯化物和堿等主要污染物，將對(duì)土壤及地下水評(píng)價(jià)指標(biāo)產(chǎn)生影響［31-32］。封井后期灌注介質(zhì)泄漏也將對(duì)土壤產(chǎn)生影響。

4.4 對(duì)深部地質(zhì)穩(wěn)定性的影響

地下灌注對(duì)深部地質(zhì)穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、灌注層巖體力學(xué)性質(zhì)等方面［33］。施工期在鉆孔操作時(shí)可能導(dǎo)致小范圍的地震，對(duì)區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)產(chǎn)生一定影響;運(yùn)營期在向地下灌注的過程中對(duì)灌注速率和最大灌注量控制不當(dāng)可能導(dǎo)致灌注層位圍巖體壓力的改變而發(fā)生不規(guī)則變形，誘發(fā)地震或地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。

4.5 對(duì)地?zé)豳Y源的影響

地下灌注將灌注液封存在深部地質(zhì)環(huán)境中，有害廢液隨著時(shí)間運(yùn)移其有害成分(重金屬、砷、汞)進(jìn)入地?zé)崴?，?dāng)某些有害成分超過允許的臨界濃度時(shí)會(huì)對(duì)大氣、水、土壤等造成污染。

5 地下灌注環(huán)境問題對(duì)策分析

5.1 建立健全我國地下灌注相關(guān)法律法規(guī)

目前，我國地下灌注技術(shù)的應(yīng)用僅限于石油等少數(shù)行業(yè)，并未形成系統(tǒng)的評(píng)價(jià)和管理體系。在施工規(guī)范與監(jiān)管體制的制定上，一方面，在國內(nèi)沒有專門法律法規(guī)的情況下，對(duì)地下灌注技術(shù)制定行業(yè)規(guī)范時(shí)應(yīng)首先滿足中國環(huán)境保護(hù)法中有關(guān)法律原則和制度上的一般性規(guī)定;另一方面，應(yīng)針對(duì)地下灌注項(xiàng)目的特殊性對(duì)深部地質(zhì)空間進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析，確保法律法規(guī)的制定切實(shí)可行，能充分考慮地下灌注導(dǎo)致的各類新型環(huán)境問題。

5.2 加強(qiáng)地下灌注工程環(huán)境管理能力

環(huán)境影響評(píng)價(jià)是我國環(huán)境保護(hù)法律制度中的一項(xiàng)重要制度。與美國等發(fā)達(dá)國家相比［34］，目前我國還沒有出臺(tái)專門針對(duì)地下灌注的環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則，致使我國已經(jīng)開展了地下灌注工程但缺少適用的環(huán)境管理手段。

5.3 加強(qiáng)對(duì)深井灌注活動(dòng)的許可管理

許可制度是我國環(huán)境管理領(lǐng)域廣為運(yùn)用并卓有成效的一項(xiàng)管理制度，許可制度不僅有效地加強(qiáng)了對(duì)有關(guān)方面的資質(zhì)管理和市場(chǎng)準(zhǔn)入管理，而且也在根本上體現(xiàn)了管理法治化的基本要求。深井灌注技術(shù)復(fù)雜而且要求高，技術(shù)運(yùn)行的潛在風(fēng)險(xiǎn)大。因此，必須依據(jù)我國《行政許可法》的基本規(guī)定，并充分考慮深井灌注技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)深井灌注許可的設(shè)定、實(shí)施機(jī)關(guān)、實(shí)施程序等問題做出明確的規(guī)定［35-36］。及時(shí)建立和完善專門的深井灌注許可制度，是將深井灌注活動(dòng)納入法制化軌道的重要途徑。

6 存在問題和展望

近年來，我國陸續(xù)出現(xiàn)利用地質(zhì)環(huán)境處置工業(yè)廢物的實(shí)踐活動(dòng)或開展地質(zhì)儲(chǔ)存技術(shù)研究，如利用地下巖穴溶腔儲(chǔ)存工業(yè)廢液、天然氣，含氰污水深井回灌以及高放射性廢棄物深地質(zhì)處置等。然而，現(xiàn)階段我國對(duì)地下灌注技術(shù)的環(huán)境監(jiān)管十分薄弱，缺乏相應(yīng)的環(huán)境管理法規(guī)和控制標(biāo)準(zhǔn)。

隨著地下灌注技術(shù)的發(fā)展和完善，通過深井將人類生活生產(chǎn)所產(chǎn)生的各種廢液長(zhǎng)期封存于深部地質(zhì)環(huán)境中，可能成為未來10 ～20年我國對(duì)廢液實(shí)行最終處置的選擇之一。因此，隨著地下灌注技術(shù)的出現(xiàn)，我國有必要通過完善地質(zhì)環(huán)境保護(hù)法律法規(guī)、政策和標(biāo)準(zhǔn)，建立相應(yīng)管理機(jī)構(gòu)，通過加強(qiáng)監(jiān)管達(dá)到保護(hù)地質(zhì)環(huán)境的目的。

［1］田文龍，劉瑤環(huán).我國污水處理事業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.中國信息科技，2006(3):110-111.

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