CH630046A5 - Method for the continuous entry of air or other oxygen-containing gases into an activated-sludge-containing wastewater or fermentation broths - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Eintrag von luft- oder anderen sauerstoffhaltigen Gasen in ein belebtschlammhaltiges Abwasser oder Fermentationsbrühen. The present invention relates to a method for the continuous introduction of air or other oxygen-containing gases into activated sludge-containing wastewater or fermentation broths.
Zum Betrieb einer biologischen Abwasserkläranlage muss im Belebtschlammbehälter die für den Stoffwechsel der Mikroorganismen nötige Sauerstoffmenge zugeführt und eine bestimmte Sauerstoffkonzentration aufrecht erhalten werden, damit die Bakterienkultur aerob arbeiten kann. Der dazu notwendig Sauerstoff wird der Flüssigkeit aus der Gasphase zugeführt. Die Nachschubgeschwindigkeit von Sauerstoff aus dem Gas in die Flüssigkeit ist einerseits von der Grösse der Phasengrenzfläche gasförmig/flüssig und von der dort herrschenden Turbulenz abhängig, andererseits ist sie der Konzentrationsdifferenz Ac zwischen der maximal erreichbaren Oz-Sättigungskonzentration und der herrschenden 02-Konzentration in der Flüssigkeit direkt proportional. To operate a biological wastewater treatment plant, the amount of oxygen required for the metabolism of the microorganisms must be added to the activated sludge tank and a certain oxygen concentration must be maintained so that the bacterial culture can work aerobically. The oxygen required for this is supplied to the liquid from the gas phase. The rate of replenishment of oxygen from the gas into the liquid depends on the size of the gaseous / liquid phase interface and the turbulence there, on the other hand it is the concentration difference Ac between the maximum achievable Oz saturation concentration and the prevailing 02 concentration in the liquid directly proportional.
Zur Vergrösserung der Phasengrenzfläche werden unter anderem Oberflächenbelüfter eingesetzt oder das Gas, im allgemeinen Luft, wird in die Flüssigkeit geleitet und dort gegebenenfalls mittels Rührer oder Flüssigkeitsstrahlen (Injektor, Zweistoffdüse) dispergiert. Im ersten Fall herrscht am Begasungsort Normaldruck, im zweiten Fall werden in der Regel Becken oder Türme verwendet, wodurch an der Stelle der Gaszerteilung ein hydrostatischer Überdruck genutzt wird. To increase the phase interface, surface aerators are used, among other things, or the gas, generally air, is passed into the liquid and optionally dispersed there by means of a stirrer or liquid jets (injector, two-component nozzle). In the first case there is normal pressure at the fumigation site, in the second case basins or towers are usually used, whereby a hydrostatic overpressure is used at the point of gas separation.
Eine wesentliche Beschleunigung des Sauerstoffnachschubs in die Flüssigkeit lässt sich durch die Vergrösserung der Konzentrationsdifferenz Ac erreichen. Diese Vergrösserung der Konzentrationsdifferenz Ac wird in der Praxis nur durch Steigerung des 02-Partialdrucks im Gas erzielt. Letzteres ist entweder durch Anhebung des Systemdruckes oder durch Übergang von Luft zu Sauerstoff oder zu sauerstoffangereichertem Gas möglich. Die Verwendung von reinem Sauerstoff oder von sauerstoffangereichertem Gas setzt aus wirtschaftlichen Gründen allerdings voraus, dass der Gasstrom beim Passieren der Anlage weitgehend an Sauerstoff verarmt. Dies ist beim Arbeiten unter Normaldruck durch mehrfaches Einführen des Gasstromes in die Flüssigkeit und/oder durch Führen des Gases durch hintereinandergeschaltete Absorptionsstufen möglich (sogenanntes «mehrstufig betriebenes Belebtschlammbecken»). Das Erzielen einer engen Verweilzeitverteilung des Gasdurchsatzes durch Kaskadenschaltung der Behandlungsräume ist Gegenstand des Verfahrens nach der deutschen Auslegeschrift 2 032 535. A substantial acceleration of the oxygen supply into the liquid can be achieved by increasing the concentration difference Ac. In practice, this increase in the concentration difference Ac can only be achieved by increasing the 02 partial pressure in the gas. The latter is possible either by increasing the system pressure or by switching from air to oxygen or to oxygen-enriched gas. For economic reasons, however, the use of pure oxygen or oxygen-enriched gas presupposes that the gas flow is largely depleted of oxygen when passing through the plant. This is possible when working under normal pressure by repeatedly introducing the gas flow into the liquid and / or by guiding the gas through absorption stages connected in series (so-called “multi-stage activated sludge pool”). Achieving a narrow residence time distribution of the gas throughput by cascading the treatment rooms is the subject of the method according to German designation 2,032,535.
Die Anhebung des Systemdruckes zwecks Vergrösserung der Konzentrationsdifferenz kann ferner durch Ausbildung des Belebtschlammbehälters in Form eines Turmes bewerkstelligt werden. Der Aufbau eines hohen hydrostatischen Druckes in Form einer hohen Flüssigkeitssäule ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, dass sowohl das Abwasser auf eine entsprechende Höhe gefördert als auch das sauerstoffhaltige Gas auf den entsprechenden Systemdruck verdichtet werden muss. Führt man eine Begasung in hohen Türmen mit Einstoffdüsen durch, die nahe am Boden angeordnet sind, erfordert diese infolge der schlecht unterdrückten Bla-senkoaleszenz hohe Energiekosten für den Eintrag des Sauerstoffs, da der 02-Nutzungsgrad des sauerstoffhaltigen Gases gering ist. The system pressure can also be increased in order to increase the concentration difference by designing the activated sludge tank in the form of a tower. However, the build-up of a high hydrostatic pressure in the form of a high liquid column has the disadvantage that both the wastewater has to be conveyed to an appropriate level and the oxygen-containing gas has to be compressed to the corresponding system pressure. If fumigation is carried out in high towers with single-substance nozzles, which are arranged close to the ground, this requires high energy costs for the entry of oxygen due to the poorly suppressed bubble coalescence, since the 02 degree of utilization of the oxygen-containing gas is low.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung eines verbesserten einstufigen Verfahrens zur Abwasserbehandlung in hohen Belebtschlammbehältern, welches die genannten Nachteile der bisher bekannten Verfahren vermeidet, und damit gewährleistet, dass die Effizienz [kg02/kWh] des Sauerstoffeintrags möglichst hoch ist Das erfindungsgemässe Verfahren soll ferner in der Lage sein, den Sauerstoffgehalt von Luft, wenn diese als Begasungsmittel verwendet wird, in einer einzigen Absorptionsstufe so stark abzusenken, dass ein Restgas mit einem Sauerstoffgehalt von etwa 6 bis 9 Vol.-% resultiert, welches nach Brennstoffzusatz (z.B. Heizöl, Erdgas) thermisch bei etwa 1000°C desodoriert werden kann. It is an object of the present invention to develop an improved one-stage process for treating wastewater in high activated sludge tanks, which avoids the disadvantages of the previously known processes and thus ensures that the efficiency [kg02 / kWh] of the oxygen input is as high as possible be able to reduce the oxygen content of air, if it is used as a fumigant, so strongly in a single absorption stage that a residual gas with an oxygen content of about 6 to 9 vol.% results, which is added after adding fuel (e.g. heating oil, natural gas ) can be thermally deodorized at about 1000 ° C.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum kontinuierlichen Eintrag von luft- oder anderen sauerstoffhaltigen Gasen in ein belebtschlammhaltiges Abwasser oder Fermentations5 The method according to the invention for the continuous introduction of air- or other oxygen-containing gases into activated sludge-containing wastewater or fermentation5
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brühen, wobei sauerstoffhaltiges Gas in einer einzigen Absorptionsstufe in einem Behälter weitgehend durch das be-lebtschlammhaltige Abwasser oder die Fermentationsbrühe verbraucht wird und wobei das sauerstoffhaltige Gas mit mehr als 20 Vol.-% 02 in das unter dem eigenen hydrostatischen Druck stehende belebtschlammhaltige Abwasser oder die Fermentationsbrühe an Stellen mit hydrostatischen Drucken zwischen 0,9 bis 3 bar eingeführt wird und wobei der Gasdruck des eingeführten Gases 0,01 bis 0,5 m Wassersäule über dem hydrostatischen Druck der Gaseinführstelle liegt, ist dadurch gekennzeichnet, dass das sauerstoffhaltige Gas mittels Injektoren mit Durchmessern der Treibstrahldüse < 20 mm eingeführt wird, wobei die Injektoren mit einem Gasdurchsatz von 5 bis 100 eff.m3/h beaufschlagt werden und wobei der Treibstrahldurchsatz 15 bis 60 VoI.-% des Gasdurchsatzes, gemessen in eff.m3, beträgt. brew, the oxygen-containing gas in a single absorption stage in a container being largely consumed by the activated sludge-containing wastewater or the fermentation broth, and the oxygen-containing gas containing more than 20% by volume 02 in the activated sludge-containing wastewater or under its own hydrostatic pressure Fermentation broth is introduced at locations with hydrostatic pressures between 0.9 to 3 bar and the gas pressure of the introduced gas is 0.01 to 0.5 m water column above the hydrostatic pressure of the gas introduction point, characterized in that the oxygen-containing gas is injected with Diameters of the propulsion jet nozzle <20 mm is introduced, the injectors being subjected to a gas throughput of 5 to 100 eff.m3 / h and the propulsion jet throughput being 15 to 60 vol .-% of the gas throughput, measured in eff.m3.
Der Ausdruck «eff.m3» bedeutet m3 unter den jeweils herrschenden (Druck- und Temperatur-) Bedingungen im Gegensatz zu mn3 (Normal-m3). The expression «eff.m3» means m3 under the prevailing (pressure and temperature) conditions in contrast to mn3 (normal m3).
Das erfindungsgemässe Verfahren wird vorzugsweise in etwa 10 bis 30 m, besonders bevorzugt in etwa 15 bis 20 m hohen Türmen beliebigen Querschnitts durchgeführt. Das Verhältnis Höhe/Durchmesser liegt vorzugsweise bei Werten zwischen 5 und 0,5. Für das Verfahren ist der Einsatz von Luft als sauerstoffhaltiges Gas bevorzugt; es kann jedoch auch sauerstoffangereicherte Luft oder technischer Sauerstoff verwendet werden. Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich besonders günstig in einer Vorrichtung durchführen, bei der die Klärräume konzentrisch um den Belebtschlammbehälter angeordnet sind, wobei die Klärräume über Einlaufrohre mit Entgasungs- und Flockungszyklonen in Verbindung stehen. Eine derartige Vorrichtung ist in der DE-A 2 454 495 beschrieben. The method according to the invention is preferably carried out in towers of any cross section of approximately 10 to 30 m, particularly preferably in towers of approximately 15 to 20 m high. The height / diameter ratio is preferably between 5 and 0.5. The use of air as the oxygen-containing gas is preferred for the process; however, oxygen-enriched air or technical oxygen can also be used. The process according to the invention can be carried out particularly advantageously in a device in which the clarification rooms are arranged concentrically around the activated sludge tank, the clarification rooms being connected to degassing and flocculation cyclones via inlet pipes. Such a device is described in DE-A 2 454 495.
Bezogen auf die Querschnittsfläche des Belebtschlammbeckens wird vorzugsweise ein Injektor pro 1 bis 25 m2, vorzugsweise 1 bis 5 m2 vorgesehen. Die Injektoren besitzen im allgemeinen einen individuellen Austrittsquerschnitt von etwa 2 bis 15 cm2, und vorzugsweise eine kreis- oder schlitzförmige Form. Bei schlitzförmigem Injektoraustritt beträgt üblicherweise das Verhältnis von Breite zu Höhe etwa 5 bis 10. Durch die Injektoren wird üblicherweise das sauerstoffhaltige Gas in Durchsätzen von etwa 5 bis 100 eff.m3/h in den Belebtschlammbehälter eingeführt. Die Querschnittsbelastung des Injektoraustritts liegt im allgemeinen zwischen 2 bis 8, vorzugsweise 2 bis 4 eff.m3 Gas/cm2h. Based on the cross-sectional area of the activated sludge basin, one injector per 1 to 25 m2, preferably 1 to 5 m2, is preferably provided. The injectors generally have an individual outlet cross section of approximately 2 to 15 cm 2, and preferably have a circular or slot-like shape. With a slit-shaped injector outlet, the ratio of width to height is usually about 5 to 10. The injectors usually introduce the oxygen-containing gas into the activated sludge tank in throughputs of about 5 to 100 eff.m3 / h. The cross-sectional load on the injector outlet is generally between 2 to 8, preferably 2 to 4, eff.m3 gas / cm2h.
Dabei beträgt zweckmässig der Flüssigkeitsdurchsatz durch die Treibstrahldüse des Injektors etwa 15 bis 60 Vol.-% des Gasdurchsatzes, wobei dieser in effektiv-m3 aus-gedrück wird; die Treibstrahlgeschwindigkeiten liegen gewöhnlich zwischen etwa 10 und 20 m/sec, vorzugsweise 10 bis 15 m/sec. The liquid throughput through the jet nozzle of the injector is expediently about 15 to 60% by volume of the gas throughput, this being expressed in effective m3; the driving jet speeds are usually between about 10 and 20 m / sec, preferably 10 to 15 m / sec.
Für das erfindungsgemässe Verfahren eignen sich beispielsweise Injektoren mit Durchmessern der Treibstrahldüse < 20 mm, vorzugsweise 8 bis 16 mm, und individuellen Austrittsquerschnitten von etwa 2 bis 15 cm2. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden Injektoren eingesetzt, die Gegenstand eines bisher unveröffentlichten Vorschlags sind. Diese Injektoren haben einen schlitzförmigen Austrittsquerschnitt, wobei das Verhältnis Breite zu Höhe zwischen 5 bis 10 beträgt und wobei der Durchmesser der Treibstrahldüse zwischen 10 und 20 mm liegt. Bei diesen Injektoren ist der Mischraum so gestaltet, dass er von einem bevorzugt kreisrunden bis ovalen Querschnitt in einen schlitzförmigen Austrittsquerschnitt übergeht. Dadurch entstehen konvergierende Begrenzungsflächen des Mischraumes, was hohe Schergeschwindigkeiten in der Grenzschicht zur Folge hat und die Bildung von feinsten Primärgasbläschen begünstigt. Bei derartigen Injektoren verlässt die Gas/ For the method according to the invention, for example, injectors with diameters of the jet nozzle <20 mm, preferably 8 to 16 mm, and individual outlet cross sections of approximately 2 to 15 cm 2 are suitable. In a particularly preferred embodiment, injectors are used which are the subject of a previously unpublished proposal. These injectors have a slot-shaped outlet cross-section, the width to height ratio being between 5 and 10 and the diameter of the propulsion jet nozzle being between 10 and 20 mm. In the case of these injectors, the mixing space is designed in such a way that it changes from a preferably circular to oval cross section into a slot-shaped outlet cross section. This creates converging boundary surfaces of the mixing chamber, which results in high shear rates in the boundary layer and favors the formation of the finest primary gas bubbles. With such injectors, the gas /
Flüssigkeits-Dispersion den Injektor als ein flaches Band und mischt sich leichter in die umgebende Flüssigkeit ein. In der beiliegenden Fig. 1 ist ein derartiger Injektortyp so dargestellt, dass durch das ausgesparte Segment in der Wandung der Blick in das Innere des Injektors möglich ist. Liquid dispersion the injector as a flat band and mixes more easily into the surrounding liquid. Such an injector type is shown in the accompanying FIG. 1 in such a way that the recessed segment in the wall allows a view into the interior of the injector.
In die in der Figur gezeigte Treibstrahldüse tritt bei dem Pfeil 6 die Treibflüssigkeit, vorzugsweise belebtschlammhaltiges Abwasser ein und wird durch die Treibstrahldüse 1 in den Mischraum gefördert. Durch den Gaseintritt in Richtung des Pfeils 5 tritt das sauerstoffhaltige Gas mit leichtem Überdruck ein und gerät am Austritt der Treibstrahldüse in Kontakt mit dem Treibstrahl. Im Mischraum 2 wird das sauerstoffhaltige Gas mit der Treibstrahlflüssigkeit vermischt und tritt durch den schlitzförmigen Mischraumaustritt 4 in den Behälter ein. The propellant liquid, preferably activated sludge-containing waste water, enters the propellant jet nozzle shown in the figure and is conveyed through the propellant jet nozzle 1 into the mixing chamber. Through the gas inlet in the direction of arrow 5, the oxygen-containing gas enters with a slight overpressure and comes into contact with the drive jet at the outlet of the jet nozzle. In the mixing chamber 2, the oxygen-containing gas is mixed with the propellant jet liquid and enters the container through the slit-shaped mixing chamber outlet 4.
Die gezeigte bevorzugte Ausgestaltung, bei der der kreisrunde Mischraumeintrittsquerschnitt 3 in den schlitzförmigen Mischraumaustrittsquerschnitt 4 übergeht, begünstigt die Bildung von feinsten Primärgasbläschen aufgrund der auftretenden hohen Schergeschwindigkeit in der Grenzschicht. The preferred embodiment shown, in which the circular mixing chamber inlet cross section 3 merges into the slit-shaped mixing room outlet cross section 4, favors the formation of very fine primary gas bubbles due to the high shear rate that occurs in the boundary layer.
Sämtliche Injektoren befinden sich, wenn sie einzeln angeordnet sind, vorzugsweise an Stellen gleich hydrostatischen Drucks und sind in einem Abstand 1 von 1 bis 6 m, vorzugsweise 1 bis 2, angeordnet. Für eine Anordnung der Injektoren in Form von Büscheln vergrössert sich üblicherweise der Abstand. Enthält ein Büschel z-Injektoren, so vergrössert sich normalerweise der Abstand von Büschel zu Büschel bei gleicher Belegungsdichte (Bodenfläche pro Injektor) gemäss 1 ]/ z. Werden die Injektoren in Form von Büscheln angeordnet, so sind die Injektoraustritte vorzugsweise so anzuordnen, dass sich die austretenden Gas/Flüssig-keits-Freistrahlen möglichst wenig stören, da dies zu einer unerwünschten Blasenkoaleszenz führen könnte. All of the injectors, if they are arranged individually, are preferably located at the same hydrostatic pressure and are arranged at a distance 1 of 1 to 6 m, preferably 1 to 2. The distance is usually increased for an arrangement of the injectors in the form of tufts. If a tuft contains z injectors, the distance from tuft to tuft usually increases with the same occupancy (floor area per injector) according to 1] / z. If the injectors are arranged in the form of tufts, the injector outlets should preferably be arranged in such a way that the emerging gas / liquid free jets interfere as little as possible, since this could lead to undesired bubble coalescence.
Besonders vorteilhaft ist es, als Treibflüssigkeit für die Injektoren belebtschlammhaltiges Abwasser zu verwenden. It is particularly advantageous to use activated sludge-containing wastewater as the driving fluid for the injectors.
Es hat sich z.B. überraschenderweise herausgestellt, dass die erfindungsgemäss gestellte Aufgabe hervorragend mit speziellen Injektoren, nämlich solchen mit kleinen Durchmessern der Treibstrahldüse (d < 20 mm am Austritt der Treibstrahldüse), gelöst wird. Hierbei werden, was beispielsweise vom energetischen Standpunkt besonders wichtig ist, geringe Treibstrahldurchsätze benötigt, die mit einer relativ kleinen Geschwindigkeit durch den Injektor treten und kleine flüssigkeitsseitige Druckverluste verursachen. Für diese geringen Treibstrahldurchsätze ist im allgemeinen eine vorgeschaltete Filtration zur Entfernung grobteiliger Abwasserinhaltsstoffe einfach durchführbar. Beim erfindungsgemäs-sen Verfahren besteht daher normalerweise die Gefahr einer Verstopfung des Injektors nicht. It has e.g. Surprisingly, it was found that the object according to the invention is excellently solved with special injectors, namely those with small diameters of the jet nozzle (d <20 mm at the outlet of the jet nozzle). Here, what is particularly important from an energetic point of view, for example, low propellant jet throughputs are required, which pass through the injector at a relatively low speed and cause small pressure losses on the liquid side. For these low propellant jet throughputs, an upstream filtration to remove coarse wastewater constituents is generally easy to carry out. In the method according to the invention, there is therefore normally no risk of the injector becoming blocked.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft an einer Vorrichtung zur biologischen Abwasserreinigung erläutert, die mit Luft arbeitet. The invention is explained below by way of example on a device for biological wastewater treatment which works with air.
Ein Belebtschlammbehälter, der ein Flüssigkeitsvolumen von 10 000 m3 besitzt, wird mit 1000 m3 Abwasser pro Stunde beschickt. Der Sauerstoffbedarf dieser Anlage beträgt 20 Tagestonnen 02 bzw. 833 kg Oz/h. Die verlangte 02-Kon-zentration in der Flüssigkeit beträgt 1 mg pro Liter und die Wassertemperatur 25°C. Die Flüssigkeitshöhe beträgt im Falle A 10 m, der Bodenquerschnitt des Belebtschlammbehälters 1000 m2, im Falle B 20 m, der Bodenquerschnitt 500 m2. In beiden Fällen werden Injektoren mit einem Durchmesser der Treibstrahldüse von 8 mm (Austrittsquer-schnitt des Mischraumes: 2,3 cm2) eingesetzt, die äquidistant im Abstand von 2 m angeordnet sind. Im Behälter mit der Höhe 20 m sind daher bei halbem Bodenquerschnitt nur halb so viele Injektoren vorhanden. An activated sludge tank with a liquid volume of 10,000 m3 is fed with 1000 m3 of wastewater per hour. The oxygen requirement of this plant is 20 tonnes per day 02 or 833 kg Oz / h. The required 02 concentration in the liquid is 1 mg per liter and the water temperature is 25 ° C. The liquid height in case A is 10 m, the floor cross section of the activated sludge tank is 1000 m2, in case B 20 m, the floor cross section 500 m2. In both cases, injectors with a diameter of the jet nozzle of 8 mm (outlet cross section of the mixing chamber: 2.3 cm2) are used, which are arranged equidistantly at a distance of 2 m. In the container with a height of 20 m there are therefore only half as many injectors with half the floor cross-section.
5 5
10 10th
15 15
20 20th
25 25th
30 30th
35 35
40 40
45 45
50 50
55 55
60 60
65 65
630 046 630 046
4 4th
Folgende Betriebsparameter gelten für den Fall A: The following operating parameters apply to case A:
Flüssigkeitshöhe: 10 m Zahl der Injektoren: 318 Liquid height: 10 m Number of injectors: 318
Gasdurchsatz durch alle Injektoren in Norm-m3/h: 6200 Flüssigkeitsdurchsatz durch alle Injektoren in m3/h: 1330 02-Anteil im Abgas in Volumen- %: 12 Gas throughput through all injectors in standard m3 / h: 6200 Liquid throughput through all injectors in m3 / h: 1330 02 portion in the exhaust gas in volume%: 12
Der spezifische 02-Eintrag beträgt 2,5 kg02/kWh, wenn der Wirkungsgrad des Verdichters mit 0,6 und der der Flüssigkeitspumpen mit 0,75 eingesetzt wird. The specific 02 entry is 2.5 kg02 / kWh if the efficiency of the compressor is used at 0.6 and that of the liquid pumps at 0.75.
Für den Fall B ergeben sich folgende Betriebsbedingungen: The following operating conditions result for case B:
Flüssigkeitshöhe: 20 m Zahl der Injektoren: 159 Liquid height: 20 m Number of injectors: 159
Gasdurchsatz durch alle Injektoren, in Norm-m3/h: 3975 Flüssigkeitsdurchsatz durch alle Injektoren in m3/h: 690 02-Anteil im Abgas in Volumen-%: 6,3 Gas throughput through all injectors, in standard m3 / h: 3975 Liquid throughput through all injectors in m3 / h: 690 02 fraction in the exhaust gas in volume%: 6.3
Der spezifische 02-Eintrag beträgt in diesem Fall 2,9 io kgOa/kWh, wobei die Wirkungsgrade von Verdichter und Pumpe auch hier gleich denen im Fall A sind. The specific 02 entry is 2.9 io kgOa / kWh in this case, whereby the efficiencies of the compressor and pump are also the same as in case A.
v v
1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings
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