Diseño de Plantas de Tratamientos de A

CASO PRACTICO
DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL
EMPLEANDO:
TRATAMIENTO ANAEROBIO (UASB)
TRATAMIENTO AEROBIO (LODOS ACTIVADOS)
JULIO CESAR TORRES SALAZAR
WAGNER COLMENARES MAYANGA
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JESUS ROBERTO MARCOS _ IBÁÑEZ BARRAZA
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Se tiene la localidad XXX, en el Dpto. de San Martín con 88,000 habitantes, con un
crecimiento poblacional anual del 1.5%. Un plano de la zona es presentado abajo.
Se ha realizado el levantamiento de información considerando los siguientes datos:
• A: Zona donde ubican los restaurantes turísticos y hoteles
• B: Zona donde se ubica el comercio: los bancos, tiendas y mercados
• C: Zona en que se ubican las viviendas residenciales de clase media
• D: Zona donde se ubican los asentamientos humanos e industria ligera (30
has)
• AE: Zona donde se ubica el aeropuerto.
El clima de la región es tropical con lluvias torrenciales en épocas de invierno. El
problema de las lluvias provoca inundaciones en la parte baja de la ciudad, lo que
ocasiona una elevada incidencia de malaria. Las inundaciones causan daño a la
comunidad y a la propiedad privada.
El uso del lago es para recreación. Antiguamente existían peces pero estos han ido
despareciendo con el tiempo.
El abastecimiento de agua para la localidad es realizada partir del río Beta.
Actualmente existen varias descargas de las aguas residuales al lago (de las zonas
A y B) y del sector comercial, lo cual crea serios problemas de contaminación en el
lago con elevadas concentraciones de Coliformes Fecales y Totales y florecimiento
de algas. Un resumen de la situación actual se presenta en el siguiente cuadro:
Zona Población Área
(ha)
Tipo de
abastecimiento
de agua
Saneamiento Cobertura de
saneamiento
A 8000 40 Conexión
domiciliaria
Colectores 90%
B 15000 100 Conexión
domiciliaria
Colectores 90%
C 15000 80 Piletas publicas
Conexiones
domiciliarias
Letrinas
Tanques
sépticos
20%
40%
D 50000 500 Piletas publicas Letrinas 60%
En base a la información se pide contestar las siguientes interrogantes:

1. Presentar una estimación del caudal de desagüe proyectada en el
horizonte del proyecto (20 años).
2. La caracterización de los colectores de la ciudad han dado los
valores medios que se muestran en el Cuadro 1. En su opinión que
sustancias podrían causar problemas en una planta de tratamiento.
3. PRE-diseñar una planta de tratamiento basada en dos etapas un
tratamiento anaerobio seguido de un tratamiento aerobio.
Considerar un diseño de al menos dos etapas 2015 y 2025. Verificar
si es posible utilizar lagunas de estabilización y proponer algún
sistema anaerobio/aerobio (p.e, UASB + Lodos Activados).
Para el tratamiento anaerobio seleccionado, Indicar los valores de:
a. Caudal de diseño y principales características de diseño como
volumen, altura, área.
b. ¿Usted recomendaría el uso del biogás? Dar sus
consideraciones si esto es factible o no.
c. Carga orgánica de diseño (Kg DBO/día)
4. Indicar posibles ubicaciones para las unidades de una futura planta
de tratamiento
5. Una vez establecida la ubicación de la planta, ubicar todas las
instalaciones en el plano a una escala apropiada, incluir todos los
edificios, salas de maquinas, accesos, jardines, etc.
6. Considerando el tema de reuso, indicar el tipo de reuso que UD daría
al efluente tratado?. Si ambas márgenes del río Beta hay
desarrollos agrícolas precarios.

NORMAS AMBIENTALES PARA AGUAS RECEPTORAS
Las normas peruanas sobre la calidad del agua para las aguas receptoras
se indican en la Tabla 2. Estas normas clasifican a las corrientes por su uso
en seis categorías:1
I. Abastecimiento de agua sin tratamiento para el consumo doméstico.
II. Fuentes de abastecimiento de agua tratada.
III. Agua de riego para cultivos alimenticios que generalmente se comen
crudos.
IV. Aguas usadas para recreación donde hay contacto corporal con el agua.
V. Aguas usadas para el cultivo de mariscos.
VI.Aguas usadas para la recreación sin contacto corporal y protección
general del ambiente.
En general las normas peruanas son consistentes con otras normas
internacionales. Sin embargo, las normas peruanas no hacen una distinción
explícita entre agua marina y agua fresca. Las Clases I, II y III se aplican
claramente a aguas frescas.
1
Ley No. 17752, “Ley General de Aguas”, Decretos Supremos No. 26169AP y No. 00783SA

Cuadro 1
Parámetro Unidad Ciudad XX
Bacteriológicos
(B)
Coliformes totales NMP/100
ml
5.75*107
Coliformes fecales NMP/100
ml
2.98*107
Estreptococos fecales NMP/100
ml
1.82*107
Carga Orgánica
DBO5 mg/l 341
DQO mg/l 981
Aceites y grasas mg/l 77
Nutrientes (N)
Nitrógeno total mg/l 54.2
Amoniacal mg/l 43.2
Orgánico mg/l 12
Nitritos mg/l 0.016
Nitratos mg/l 0.38
Fósforo total mg/l 10.6
Metales (M)
Arsénico (Ar) mg/l 0.044
Cadmio (Cd) mg/l 0.018
Zinc (Zn) mg/l 0.43
Cobre (Cu mg/l 0.13
Cromo total (Cr mg/l 0.84
Hierro (Fe) mg/l 2.11
Manganeso (Mn) mg/l 0.058
Mercurio (Hg) mg/l 0.0003
Níquel (Ni) mg/l 0.020
Plata (Ag) mg/l 0.033
Plomo (Pb) mg/l 0.19
Otros Inorgán. (I)
Alcalinidad total mg/l 286
Dureza total mg/l 370
Bicarbonatos mg/l 286
Cloruros mg/l 199
Fluoruros mg/l 0.15
Sulfatos mg/l 254
Sólidos totales mg/l 1460
Sólidos suspendidos mg/l 417
Sólidos solubles mg/l 1043
Sólidos volátiles mg/l 558
Sólidos sedimentables ml/l•hora 8.1
Hidrocarburos en agua mg/l 3.6

Tabla 2 Resumen de las Normas Peruanas para Aguas Receptoras
Parámetros y Otras Necesidades
Clase I
Fuentes de
Abastecimiento
sin Tratar
Clase II
Fuentes de
Abastecimiento
Tratadas
Clase III
Riego de Cultivos
Alimenticios que
se comen crudos
Clase IV
Agua para
recreación de
contacto directo
Clase V
Maricultura
Clase VI
Recreación
General y
Protección
Ambiental
Coliformes fecales, NMP/100 ml
(80% de muestras mensuales)
0 4,000 1,000 1,000 200 4,000
Coliformes totales, NMP/100 ml
(80% de muestras mensuales)
8.8 20,000 5,000 5,000 1,000 20,000
Oxígeno disuelto, mg/l 3 3 3 3 5 4
DBO, total, mg/l 5 5 15 10 10 10
Metales, mg/l
Cromo (+6) 0.05 0.05 n/a 0.05 0.05
Mercurio 0.002 0.002 1.0 n/a 0.0001 0.0002
Cobre 1.0 1.0 0.01 n/a 0.01 96 h LC50 x0.01
Plomo 0.05 0.05 0.5 n/a 0.01 0.03
Cadmio 0.01 0.01 0.1 n/a 0.0002 0.004
Níquel 0.002 0.002 0.05 n/a 0.002 96 h LC50 x0.02
Cianuro (CN) 0.2 0.2 0.005 0.005
Fenoles 0.0005 0.001 0.001 0.10
Bifenilos Policlorinados (PCB)

Tabla 3 Directrices de calidad microbiológica y parasitológica recomendadas
para el uso de aguas residuales en la agricultura (OMS, 1989)
1

www.ingenieriaquimica.org
A
B
C
D
Aeropuerto
800msnm
800msnm
R Beta
Esc. 1 km
Lago
Descarga actual de
aguas residuales
1000msnm
810msnm
Zona de
cultivo
Zona de
Cultivo
Inundable
Cota
790msnm
810msnm
Zona con potencial
agricola
815msn
m
Zona
cultivo
R. Alfa
N
Embarcaderos del
Lago
PT AP.T.
Agua
FUTURA
PTAR
UBICACIÓN DE LA PTAR DE LA LOCALIDAD XXX – SAN
MARTIN
8

RESPUESTA DE LAS PREGUNTAS
I. CAUDAL DE DESAGUE PROYECTADA EN EL HORIZONTE DEL PROYECTO (20 AÑOS)
LOCALIDAD XXX - DPTO. SAN MARTIN
Calido<> tropical
1. DATOS
Zona Descripción
Població
n
Area(Ha)
Tipo de Abast.
Agua
Saneamiento
Cobertura
Saneamiento
Dotación
l/habxdía
coeficiente de
escorrentía(Ce)
A Rest. turísticos y
hoteles
8000 40 C. Dom Colectores 90% 220 0,9
B Comercio: bancos,
tiendas, mercados
15000 100 C. Dom Colectores 90% 220 0,8
C viviendas residenciales
de clase media
15000 80 Piletas
Públicas C,
Dom.
Letrinas
tanques
sépticos
20%
40%
220 0,82
D Asent. Humanos,
industria ligera
50000 500 Piletas
Públicas
Letrinas 60% 220 0,18
AE Aeropuerto 30
Población 88000
Crecimiento Poblacional 1,50%
2. CALCULO DE CAUDAL DE AGUA RESIDUAL
Se va ha calcular el caudal de agua residual considerando el aporte por crecimimiento poblacional.
Concepto Criterio calculo
Años
0 10 20
Pob. Total(1) Pt=Po(1+r)t
88000 102128 118523
Cons. Percapita (L/hab/día)(2) 220 220 220
Evacuación per. cápita
L/hab/día(3)
(2)*80% 176 176 176

Cobertura(4) año0=∑ pobzona∗cob/Pob.Total23,52% 50% 95%
población servida(5) 1*4 20700 51064 112597
caudal promedio( l/s) 42 104 229
M M=1+14/(4+P1/2
) 2,64 2,26 1,96
Caudal max. diario(l/s) Qmxh=M*Qprom. 111 235 448
Caudal min diario(l/s) Qminh=Qprom/M 16 46 117
3.CAUDAL DE LLUVIA
Intensidad promedio lluvia( i)
mm/año
2460
Área de drenaje(Ha) 720 795,35 882,79
Caudal Zona A(l/s) Q=167*Ce*i*A 28
Caudal Zona B(l/s) 63
Caudal Zona C(l/s) 51
Caudal Zona D(l/s) 70
Caudal zona de crecimiento(l/s) 48
Caudal zona de crecimiento(l/s) 104
Caudal de lluvia(l/s) 91 260 364
Caudal promedio total l/s 133 364 593
Caudal Máximo diario total l/s 202 495 812
Caudal Mínimo diario total l/s 107 306 481
No se ha considerado el aporte de agua de lluvia, en el calculo de las unidades de tratamiento, con la finalidad de no
sobredimensionarlas. Se ha considerado solamente los aportes del agua de uso domestico

II. SUSTANCIAS QUE PODRÍAN CAUSAR PROBLEMAS EN UNA PLANTA DE
TRATAMIENTO
La concentración umbral del plomo de efecto inhibitorio en organismos
heterotróficos es de 0.1 mg/l y el reportado al caracterizar el agua residual es de
0.19 mg/l, por lo tanto esta sustancia ó elemento pueden causar problemas en la
planta de tratamiento.
Aceite y grasas 77mg/l y los Hidrocarburos 3.6 mg/l no afectan al proceso aeróbico
o anaerobio de tratamiento.
Todos los demás elementos están por debajo del valor umbral que inhib
III. DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL
(ANAEROBIO- AEROBIO)
TRATAMIENTO ANAEROBIO (UASB)
DATOS
Año 0 Año 10 Año 20
Qp(m3/h) 151,2 374,4 824,4
Qmax(m3/h) 399,6 846 1612,8
Qmin(m3/h) 57,6 165,6 421,2
DBO5(Kg/m3) 0,341
DQO(Kg/m3) 0,981
Y (Kg SST/Kg DQO apl.) 0,18
Yobs (Kg DQO Lodo/Kg DQO apl.) 0,11 - 0,23
P (Atm) 1
K (gr DQO/mol 64
R (Atm*L/mol*ºk) 0,08206
CONSIDERANDO
Temp. Aire del mes más frío °C 18
Temp. agua del mes más frío °C 23,35
temp. retención hidráulica TRH horas 7 fuente: Lettinga
altura zona sedimentación Hse m 1,2
Veloc. ascensional(lodo floculento,
desagüe domestico)
Vo m/h 0,7 fuente: Lettinga
Area de influencia de cada distribuidor Ad Ingreso/
m2
3
CALCULOS
Dimensionamiento del
reactor
10 años 20 años
Volumen de reactor (m3) Vr=Qp*TRHmi
n
m3 2620,8 5770,8
altura del manto de lodos(m) Hs=Vo*TRH m 4,9
altura de reactor(m) H=Hs+Hse m 6,1
altura de fondo(m) Hf m 0,4
altura borde libre(m) Hbl m 0,3

Nº módulos(Por facilidades
constructivas y operacionales
los volúmenes no pasen de
1500m3
3 6
Volumen de cada modulo Considerando
1000 m3.
m3 1000 1000
Área de cada modulo A=Vr/Hs m2 204
Adoptar reactores
rectangulares
a m 11,66 Consider
amos 12
m
L=1.5a m 17,49 Consider
amos 18
m
Verificando:
Año
10 Año 20
Área de cada modulo Au=L*a m2 216
Área total
A=Nº
módulos*Au m2 648 1296
Volumen V=A*Hs m3
3175,
2 6350,4
TRH TRH=V/Q horas 8,48 7,70
Cargas Orgánica
Volumétrica COV=Qp*So/V
KgDQO/m3
*d 2,78 3,06 ( 3.5 m3
/m3
.dia)
Cargas Hidráulica
Volumétrica CHV=Q/V m3/m3*d 2,83 3,12
(2.5 -3.5KgDQO
/m3*día)
Velocidades
superficiales:
Para Qp v=Qp/A m/h 0,58 0,64 (0.5 - 0.7 m/h)
para Qmax v=Qmax/A m/h 1,31 1,24 (0.9 - 1.1 m/h)
Distribución de afluente
Puntos de distribución asumiendo Und. 12,00
L m 1,50
Area de influencia de cada punto
de distribución
Ad=(L/puntos
de
distribución)2
m2 2,25 (2 - 3 m2)
N° ingresos de afluente N°=A/Ad Und. 96,0
a lo largo de cada reactor (18m) Und. 12
a lo ancho de cada reactor (12m) Und. 8,00
Nº puntos distribución - reactor Und. 96
Eficiencia
Eficiencia de remoción de DQO
para 20 - 25ºC.
EDQO=100*(1-0,68*TRH-
0,35
) 67,82 66,72
Eficiencia de remoción de DBO
para 20 - 25ºC.
EDBO=100*(1-0,70*TRH-
0,50
) 75,96 74,78
DQOfinal(Kg/m3)
DQOf=DQOo-
(E*DQOo)/100 0,316 0,326
DBO5final(Kg/m3)
DBOf=DBOo-
(E*DBOo)/100 0,082 0,086

Producción de metano. Año 10 Año 20
DQO Convertida en metano DQOCH4=Q(So-
S)-Yobs*Q*So
KgDQO/d 4127,32 8874,2
0
K(t)=P*K/R(273+T
)
Kg
DQO/m3
2,63
Producción volumétrica de
metano
QCH4=DQOCH4/
K(t)
m3 CH4/d 1568,28 3371,9
9
Producción de biogás Q
biogás=QCH4/0,7
5
m3/d 2091,04 4495,9
8
Dimensionamiento de colectores de gases:
Dimensionamiento de colectores de gases:
Numero colectores de
gases
7 por cada reactor N° 21,00 42,00
Longitud de cada colector a lo ancho del
reactor
m 12,00 12,00
Longitud total de colector de
gases
m 252,00 504,00
Ancho de cada colector de
gas
adoptado m 0,25 0,25
Área total colectores de
gases
Ag m2 63,00 126,00
Verificación tasa de
liberación biogás
Vg=Q biogás/Ag m3/m2*h 1,38 1,49 mínima:
1.0
m3/m2*h
Dimensionamiento aberturas de
decantadores
Año 10 Año 20
Adoptando 6 separadores trifásicos
N°de aberturas simples por reactor 2 6,00 12,00
N°de aberturas dobles por reactor 5 15,00 30,00
N° equivalente de aberturas
simples
36,00 72,00
largo de cada abertura 12,00 12,00
Largo equivalente de aberturas
simples
m 432,00 864,00
Ancho de cada abertura adoptada m 0,45 0,45
Area total de aberturas m2 194,40 388,80
Verificación velocidades en
aberturas:
Para Qp m/h 1,87 1,53 (2.0 - 2.3
m/h)
Para Qmax m/h 2,55 2,09 (4.0 - 4.2
m/h)
Aberturas simples largo=12m ancho=0.45
m
Aberturas dobles largo=12m ancho=0.90
m

Dimensionamiento: compartimiento de
decantador
Año 10 Año 20
N° de compartimientos decantador por
decantador
6 18,00 36,00
ancho de cada decantador a lo ancho
del reactor
m 12,00 12,00
ancho total total m 216,00 432,00
ancho de cada colector de gas (0.25+0.05) m 0,30 0,30
ancho cada compartimiento
decantador
m 3,00 3,00
ancho util de cada decantador m 2,70
Area total de decantador m2 583,20 1166,4
0
verificando tasas aplicación
superficial:
para Qp Vd m/h 0,64 0,71 (0.6 - 0.8
m/h)
para Qmax Vd m/h 1,45 1,38 (<1.2 m/h)
Evaluación de la producción de lodo Año 10 Año 20
Producción de lodo P
lodo=Y*DQOapli
Kg SST/día 1586,68 3493,74
Volumen de lodo Vlodo=Plodo/d*C m3/día 38,89 85,63
a.- Caudal de Diseño :
Caudal Año 0 Año 10 Año 20
Qprom (lps) 42 104 229
Qmax (lps) 111 235 448
Qmin (lps) 16 46 117
b.- Uso de Bio_Gas:
La producción de bogas (Metano), al año 10 es de 2091 m3/dia y al año 20 de 4496
m3/dia, el cual se puede usar para la generación de energía electrica de uso en la
misma planta y de uso en la comunidad. Es posible además su uso en el secado
térmico de los lodos, quitándole su agresividad bacteriológica y parasitaria.
c.- Carga Organica de Diseño:
Carga organica Año 10 Año 20
DBO(kg/dia) 3064 6747
DQO(kg/dia) 8815 19410
TRATAMIENTO AEROBIO (LODOS ACTIVADOS)

I.- Información General
Nombre
Ubicación San Martín
Area disponible
Cota topográfica 800
Temperatura Máxima
Temperatura mínima agua 23
Método de tratamiento del
afluente
Lodo activado Convencional
Año meta de diseño Año 10 Año 20
II.- Características del Afluente y calidad del Efluente Esperado
Año 10
Caudales l/s m3/h m3/dia
Promedio 104 374 8986
Caudal Maximo diario 235 846 20304
Caudal Minimo diario 46 166 3974
Año 20
Promedio 229 824 19786
Caudal Maximo diario 448 1613 38707
Caudal Minimo diario 117 421 36374
Parametro
Afluente Efluente Remoción
mgr/l Kgr/m3 Kgr/día mgr/l Kgr/m3 %
DBO5 86 0.086 772.80 15 0.015 82.56
DQO 326 0.326 2929.44
SS=
f´´b (relación SSb/SSV) fracción
biodegradable = 0.8

III. PARAMETROS Y
COEFICIENTES
Parametros cineticos:
Sintesis(Y) 0,5<Y<0,73(A/R
domestico)
mgSSV/mgDBO 0.65
Decaimiento
endogeno(0,04<Kd<0,075)
d1 0.05 (20ºC)
Kd (23ºc) K20=1.020 Kd(23)=K20* ^t20θ 0.0530604 Kd(23ºC)
Corrección de temperatura( )θ d1 1.07
Relación(O2/SSb) grO2/gr
SSVbiodegradables
1.42
Relación(DBOu/DBO5) 1.46
Relación entre sólidos:-
Desague crudo:
SSb/SSV 0.6
SSV/SS 0.8
Solidos biologicos que seran
generados:
SSb/SS 0.8
SSV/SS 0.9
Carga de DBO 5 removida en la etapa
biologica (Sr) Kg/Hora 10 años Qmedio*(DBO Total -DBO salida) 638.006
Carga de DBO 5 removida en la etapa
biologica (Sr) Kg/Hora 20 años Qmedio*(DBO Total -DBO salida) 1404.806
Coeficientes relativos a la
aereación
Θ(para corrección de Kla, por
temp.) a 20ºC y a 0 msnmm 1.024
Masa especifica del aire Kgr/m3 1.2
fracción de O2en el aire( por
peso) grO2/gr aire JJJHJ

IV.SISTEMA DE LODOS ACTIVADOS
CONVENCIONAL

Parametros de Proyecto
A) REACTOR. totalmente aerobio sin
zonas anoxicas ó anaerobias

cθ días 6
SSVTA Kv (mgr/lt) 3000
B) SISTEMA DE AEREACIÓN
ODmin(con Qmax)(Cl) mgr/lt 1
ODmax(con Qmin)(Cl) mgr/lt 2
Aeración mecanica(baja rotación) Kgr O2/Kw h 1.8
CALCULOS
1. Volumen de Reactor para 10 años
Fracción Biodegradable fb fb=f´b/(1+ (1fb´)kd*θc 0.75211121
Volumen del Reactor (m3) V= Y * c *Sr / Xv* (1+fb*Kd* c)θ θ 669.177346
Altura ( m) asumiendo una altura 4
Area (m2) m2 167.294336
Ancho (m) A=(Area/2)^0.5 9.14588258
Largo (m) L=2A 20
PRH 2.13903743
Nota:-
Ancho (m)= A=(Area/2)^0.5=9.14588258=Tomando 10 m
PRH=2.13903743=(*) TRH bajo ya que la demanda de DBO5 es muy baja 86 mg/l
1.- Volumen de Reactor para 20 años
Volumen del Reactor (m3) V= Y * θc *Sr / Xv* (1+fb*Kd*θc) 1473.44124
Altura( m) 4
Area (m2) 368.360309
Considerando 2 unidades 184.180155
Ancho A 10
Largo L 20
PRH PRH=V/Q 1.78815684
Nota:-
Considerando=2 unidades=184.180155=asumimos 200 m2
PRH=PRH=V/Q=1.78815684=(*) TRH bajo ya que la demanda de DBO5 es muy
baja 86 mg/l

2.- Demanda de Oxigeno por el Reactor
a´=(DBOu / DBO5)-(DBOu/Xb)*Y=1.46-1.42*Y = 0.537 = Kg O2/KgDBO5
b´=(DBOu-Xb)*fb*Kd = 0.0566684 = Kg O2/CGSB
Demanda para Sintesis a´*Sr 754 KgO2/Dia
Demanda de Oxigeno Para respiración
Endogena b´*Xv*V 272 KgO2/Dia
Demanda Total (Qpromedio) Romedio xxxxxxxxxxxxxx 1026 KgO2/Dia
Demanda de Oxigeno Total (QMax)
(Qmax /
Qpromedio)*ROmedio 2008 KgO2/Dia
3 Dimensionamiento de los Aereadores Superficiales
Csw(agua limpia, 20ºC)
9.02
α
Saturación de la concentración
de O2 en aguas residuales /
Saturacion de la concentración
de O2 en el agua pura 0.85
β 0.9
No 1.8 Kg O/KWH
CL 2 mg/l
Cst 9.17 mg/l
T ºC 23 ºC
PA(800nmm) 721.6 mmhg
p a (23ºC) 21 mmhg
Csw 8.7 mg/l
C´sw C´sw=Csw(PA-p/760-p) 8.24792963 mg/l
Tasa de Tranferencia del
Oxigeno por el Aereador en el
Campo
N=No[α(β*C´sw-
CL)/Cst)*1.024^(T-20)] 0.97156646 Kg O/KWH
23.3175951 Kg O/Kwdia
Potencia Total de los Arreadores = 86.1112304 = Kh = verificar en catalogos
Según la Distribucion se necesita 2 Aereadores Verticales por cada unidad 100Kw/4

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