Partout dans le monde, les stations d’épuration sont confrontées à un écart croissant entre les résultats obtenus par les traitements biologiques classiques et les exigences de plus en plus strictes des réglementations en matière de rejets. Les effluents industriels contiennent des colorants, des solvants, des produits pharmaceutiques et des pesticides qui traversent les systèmes à boues activées sans être traités, tandis que les stations municipales doivent désormais faire face à des micropolluants organiques à l’état de traces, à des perturbateurs endocriniens et à la présence de plus en plus marquée de PFAS. Alors que les objectifs de réutilisation de l’eau se renforcent et que les autorités réglementaires abaissent les limites autorisées pour la DCO résiduelle, la couleur et les contaminants émergents, les exploitants et les propriétaires de stations recherchent une technologie de traitement de finition qui soit éprouvée, flexible et économique.
Le charbon actif utilisé dans le traitement des eaux usées est un milieu d'adsorption hautement poreux qui élimine les contaminants organiques dissous, la couleur, les composés odorants, les produits pharmaceutiques et de nombreux polluants émergents présents dans les effluents industriels et municipaux, permettant généralement d’atteindre un taux d’élimination de 50 à 90 % de la DCO résiduelle lors des étapes de polissage et un taux d’élimination supérieur à 90 % de nombreux composés organiques à l’état de traces. Disponible sous forme de charbon actif en poudre (PAC) destiné à être dosé dans des bassins et de charbon actif granulaire (GAC) pour l’affinage en lit fixe, il est devenu la technologie de traitement tertiaire la plus largement déployée pour répondre aux normes strictes en matière de rejet et de réutilisation.
Les sections ci-dessous expliquent le fonctionnement du processus d'adsorption, les différences entre le PAC et le GAC, la place qu'occupe le charbon actif dans les chaînes de traitement, ses limites, la durée de vie du média, ainsi que les critères que les acheteurs doivent prendre en compte avant de se procurer des produits à base de charbon actif pour leurs propres installations.
Pourquoi le traitement des eaux usées nécessite-t-il du charbon actif ?
Le charbon actif est indispensable au traitement des eaux usées, car les procédés biologiques n'éliminent que les matières organiques biodégradables, laissant derrière eux une DCO récalcitrante, des micropolluants à l'état de traces, des colorants synthétiques et des composés toxiques dont l'élimination nécessite une adsorption plutôt qu'une biodégradation. Il comble l'écart de performance entre le traitement secondaire et les exigences actuelles en matière de rejet ou de réutilisation.
Les procédés de traitement biologique tels que les boues activées, le MBR et le SBR sont très efficaces pour dégrader les matières organiques biodégradables, mais ils laissent systématiquement une fraction résiduelle qui résiste à la biodégradation. Après le traitement secondaire, l’effluent contient généralement encore entre 30 et 80 mg/L de DCO récalcitrante, composée de produits microbiens solubles, d’acides humiques et de composés organiques synthétiques réfractaires. Il contient également des traces de micropolluants organiques à des concentrations allant de quelques ng/L à quelques μg/L : résidus pharmaceutiques, perturbateurs endocriniens, pesticides et produits d’hygiène personnelle qui présentent des risques écologiques même à de faibles concentrations. Les colorants synthétiques, les tanins et les composés responsables des odeurs traversent le traitement biologique pratiquement sans subir de modification, tandis que les complexes de métaux lourds et les solvants chlorés nécessitent une adsorption plutôt qu’une destruction biologique.
C'est là que charbon actif pour le traitement des eaux usées est devenu un élément essentiel de la conception de traitements de pointe. Sa surface interne considérable, généralement comprise entre 500 et 1 500 m²/g, permet à un seul kilogramme de ce matériau de capturer simultanément un large éventail de contaminants :
- Composés organiques volatils (COV) et solvants chlorés
- Produits pharmaceutiques et produits d'hygiène personnelle (PPCP)
- Pesticides, herbicides et colorants synthétiques
- Composés responsables du goût, de l'odeur et de la couleur
- Certains métaux lourds, notamment lors de l'utilisation de nuances imprégnées
- Précurseurs de sous-produits de désinfection
Des études évaluées par des pairs confirment l'ampleur de cet impact : dans les applications tertiaires, il a été démontré que le charbon actif granulaire réduit la DBO de 3 à 84%, la DCO de 21 à 48%, la CDO de 13 à 441 TP4T, et d’éliminer 60 à 801 TP4T de produits pharmaceutiques et de soins personnels des effluents secondaires (Analyse approfondie de PMC). Pour les exploitants d'installations confrontés à un resserrement des limites fixées par les autorisations, ces chiffres se traduisent directement par une marge de manœuvre en matière de conformité.
Comment fonctionne le charbon actif dans le traitement de l'eau ?
Le charbon actif fonctionne par adsorption : les molécules de contaminants se diffusent dans son vaste réseau de pores internes et adhèrent aux parois de ces pores sous l'effet des forces de van der Waals et, dans certains cas, de liaisons chimiques, laissant ainsi l'eau propre à la sortie du lit. Le milieu ne se dissout pas et ne gonfle pas ; il retient simplement les polluants à sa surface jusqu'à ce que tous les sites disponibles soient occupés.
Le mécanisme d'adsorption
L'adsorption est un phénomène de surface au cours duquel des molécules d'une substance (l'adsorbat) adhèrent à la surface d'un solide (l'adsorbant). Deux mécanismes interviennent dans le traitement de l'eau :
- Physisorption — De faibles forces intermoléculaires de van der Waals attirent et retiennent les contaminants à la surface du carbone. Ce processus est réversible, rapide et explique la majeure partie de l'élimination des contaminants organiques.
- Chimisorption — Des liaisons chimiques se forment entre l'adsorbat et les groupes fonctionnels présents à la surface du carbone. Ces liaisons sont plus solides et en grande partie irréversibles ; elles sont à la base d'applications spécialisées telles que la décomposition catalytique de la chloramine et du sulfure d'hydrogène, ainsi que la capture de certains complexes métalliques.
Comme les molécules organiques possèdent les propriétés chimiques nécessaires pour se lier aux surfaces de carbone, contrairement aux minéraux dissous, le charbon actif est particulièrement efficace pour éliminer les composés organiques, mais son action est limitée sur les ions responsables de la dureté et sur la plupart des sels dissous.
Pourquoi la structure des pores est-elle importante ?
Tous les pores ne se valent pas. Le charbon actif comporte trois catégories de pores, chacune jouant un rôle bien précis :
| Type de pore | Diamètre | Fonction |
| Macropores | > 50 nm | Voies de transport qui acheminent l'eau jusqu'au cœur de la particule |
| Mésopores | 2 à 50 nm | Capturer des molécules de taille moyenne, telles que les composés organiques de plus grande taille et certains COV |
| Micropores | < 2 nm | C'est là que se produit l'essentiel de l'adsorption ; permet de retenir les petites molécules telles que le chlore, les pesticides et les THM |
La matière première détermine la répartition des pores. Le charbon issu de coques de noix de coco est riche en micropores, ce qui en fait un matériau de choix pour éliminer les petites substances organiques dissoutes ; le charbon à base de houille comporte davantage de mésopores et de macropores, ce qui le rend adapté à la capture des composés de poids moléculaire moyen à élevé, courants dans les effluents industriels.
Temps de contact et adsorption compétitive
L'adsorption n'est pas instantanée. L'eau doit rester en contact avec le média suffisamment longtemps pour que les contaminants puissent se diffuser vers les sites libres ; c'est pourquoi les ingénieurs définissent un temps de contact en lit vide (EBCT) — généralement compris entre 10 et 30 minutes pour le traitement de finition des eaux usées. Dans les effluents réels, les matières organiques naturelles sont présentes à des concentrations supérieures de plusieurs ordres de grandeur à celles des contaminants à l’état de traces qui nous intéressent et entrent en concurrence pour les mêmes sites d’adsorption. Cet encrassement par compétition est la principale raison pour laquelle la durée de vie réelle du lit est inférieure à ce que prédisent les données d’isothermes pour un composé unique, et explique pourquoi une coagulation en amont ou un traitement biologique réduisant la charge organique de fond peut multiplier plusieurs fois la durée de vie du charbon actif.
PAC ou GAC : choisir la bonne forme de charbon actif
Le PAC (charbon actif en poudre) est dosé sous forme de boue dans des bassins pour un traitement flexible et ponctuel des charges variables ou de pointe, tandis que le GAC (charbon actif granulé) est chargé dans des réacteurs à lit fixe pour un polissage continu et à long terme, et peut être régénéré thermiquement à plusieurs reprises. La plupart des plantes les utilisent pour remplir différentes fonctions plutôt que comme des substituts directs.
| Paramètre | PAC (en poudre) | GAC (granulaire) |
| Taille des particules | < 0,18 mm, dosé sous forme de bouillie | 0,4 à 2,4 mm, disposés en couches |
| Mode d'administration | Ajout par lots dans le bassin d'aération ou le bassin de contact | Contacteurs à lit fixe à écoulement continu |
| Durée du contact | De quelques minutes à plusieurs heures dans le mélange liquide | 10 à 30 min EBCT |
| Régénération | À usage unique ; se jette avec les boues résiduaires | Régénération thermique, 8 à 12 cycles de réutilisation |
| Le choix le plus adapté | Pics saisonniers, charges de choc, dosage d'urgence | Perfectionnement continu, conformité aux normes relatives aux micropolluants |
| Contrainte principale | Ajoute des fonctionnalités de gestion des résidus | Investissement dans les navires ; encrassement concurrentiel |
En ce qui concerne les matières premières, le choix entre charbon actif à base de coques de noix de coco et charbon actif à base de charbon En fonction des besoins en matière de structure poreuse : les grades à base de coques de noix de coco offrent une densité de micropores élevée et une grande dureté pour la capture de petites substances organiques, tandis que les grades à base de charbon fournissent le volume de mésopores nécessaire pour les molécules industrielles de plus grande taille, telles que les composés aromatiques chlorés et les colorants. Les grades à base de bois et activés à l'acide phosphorique, grâce à leur forte teneur en mésopores, sont couramment utilisés pour la décoloration.
Pour certaines cibles spécifiques, le charbon actif imprégné — chargé d'agents chimiques tels que le permanganate de potassium ou l'argent — étend l'adsorption au domaine de la chimisorption pour des contaminants comme le mercure, les sulfures ou la lutte contre l'encrassement biologique.
Une stratégie combinant PAC et GAC s'avère souvent optimale : le PAC gère les charges variables et les pics de débit au niveau de l'étape biologique, tandis que charbon actif granulaire assure un polissage homogène dans les lits fixes en aval, et charbon actif en poudre offre une solution d'entrée de gamme à faible investissement pour les usines qui ne peuvent pas encore se permettre d'acquérir des cuves.
Applications du charbon actif dans les systèmes de traitement des eaux usées
Le charbon actif est utilisé dans quatre domaines principaux : le traitement des effluents industriels, le traitement tertiaire des eaux usées municipales, la dépollution des eaux souterraines et des lixiviats, ainsi que l'élimination des contaminants émergents — chacun de ces domaines nécessitant une forme de charbon et une configuration du système adaptées au type de contaminant à traiter.
Traitement des eaux usées industrielles
Les usines textiles, pharmaceutiques, pétrochimiques et agroalimentaires génèrent des effluents chargés de composés dangereux et récalcitrants. Indicateurs de performance types issus des pratiques industrielles :
- Eaux usées issues de la teinture textile : Le PAC, à une concentration de 100 à 500 mg/L, élimine 80 à 951 TP4T de couleur résiduelle ; associé à la coagulation, il améliore encore davantage la rentabilité.
- Eaux usées issues de l'industrie pharmaceutique : Les lits GAC avec un temps de séjour équivalent (EBCT) de 15 à 30 minutes permettent d'éliminer 70 à 951 TP4T de composés organiques récalcitrants
- Polissage COD : Le charbon actif élimine généralement entre 50 et 90% de DCO résiduelle des effluents traités biologiquement.
- Plages de dosage du PAC : 10 à 50 mg/L pour un traitement léger, 50 à 200 mg/L pour une élimination modérée de la DCO et de la couleur, 200 à 1 000 mg/L pour les charges industrielles importantes
Au-delà de la simple mise en conformité, l'adsorption réduit la toxicité des effluents, protège les écosystèmes en aval et élimine les traces de substances organiques que les traitements conventionnels ne parviennent pas à retenir — ce qui constitue souvent le facteur déterminant lors du renouvellement des autorisations NPDES ou des permis de rejet locaux, assortis de limites plus strictes.
Traitement tertiaire des eaux usées municipales et réutilisation de l'eau
Les stations d'épuration municipales utilisent du charbon actif en granulés (CAG) au cours des étapes tertiaires pour affiner les effluents issus du traitement secondaire avant leur rejet ou leur réutilisation. Ce média élimine les résidus chimiques et pharmaceutiques, améliore la clarté de l’eau et supprime les composés responsables de la couleur et des odeurs qui nuisent à l’acceptation sociale de l’eau recyclée. Les eaux usées traitées deviennent ainsi aptes à l’irrigation, à l’alimentation des procédés industriels et à la recharge des nappes phréatiques — des applications de réutilisation qui se développent rapidement dans les régions confrontées à un stress hydrique. Lorsque le lit de charbon fonctionne sans résidu de chlore, un biofilm se développe sur le média en quelques semaines et la dégradation biologique commence à agir parallèlement à l’adsorption ; ce mode de fonctionnement du charbon biologiquement actif prolonge considérablement la durée de vie du lit, car les composés biodégradables sont détruits plutôt qu’accumulés.
Assainissement des eaux souterraines et des lixiviats de décharge
Les sites contaminés — décharges, déversements de produits chimiques et anciens sites industriels — ont recours au charbon actif pour capturer les polluants organiques dissous dans les systèmes de « pompage-traitement » et les flux de lixiviats. Les cuves à charbon actif en grains (GAC) à lit fixe capturent les produits chimiques dangereux, contribuent à la dépollution des sites et protègent les sources d'eau potable situées en aval. La même charbon actif pour le traitement de l'eau Ces infrastructures desservent à la fois les stations de traitement d'eau potable et les systèmes d'aquaculture, ce qui explique pourquoi les systèmes de qualité des fournisseurs se recoupent souvent entre ces deux marchés.
Élimination des contaminants émergents : PPCP, PFAS et perturbateurs endocriniens
Les contaminants émergents constituent désormais le principal moteur des investissements dans le charbon actif. Des études en laboratoire et à grande échelle compilées par l'EPA américaine montrent que l'adsorption permet d'éliminer plus de 90% de nombreux produits pharmaceutiques, antibiotiques et de la caféine des eaux usées (Note technique de l'EPA sur les PPCP). En ce qui concerne plus particulièrement les PFAS, le charbon actif granulé (GAC) s'avère efficace contre les composés à longue chaîne, tandis que les variantes à chaîne courte parviennent à le traverser plus rapidement, ce qui nécessite une surveillance ciblant spécifiquement les composés faisant l'objet de préoccupations réglementaires. Spécifique Élimination des PFAS Les programmes associent de plus en plus souvent l'adsorption sur charbon actif granulé (GAC) à l'osmose inverse ou à l'échange d'ions afin de couvrir l'ensemble du spectre des longueurs de chaîne ; par ailleurs, le charbon usagé issu du traitement des PFAS doit être éliminé avec précaution, car le contaminant y est concentré plutôt que détruit.
Limites et inconvénients du charbon actif dans le traitement de l'eau
Les principaux inconvénients du charbon actif sont son efficacité limitée vis-à-vis des sels inorganiques dissous et des petites molécules polaires, sa capacité d'adsorption limitée qui peut entraîner un « breakthrough » en l'absence de surveillance, sa sensibilité à l'encrassement et à la prolifération bactérienne en l'absence de prétraitement adéquat, ainsi que la charge énergétique et la gestion des déchets liées à la régénération et à l'élimination des médias usagés. Ces contraintes ne rendent pas cette technologie inapplicable, mais il faut les contourner par des solutions techniques.
- Couverture incomplète des contaminants. Le charbon actif n'élimine pas les minéraux dissous, la dureté, les nitrates ni la plupart des petites molécules hautement polaires. Des procédés complémentaires, tels que l'échange d'ions ou l'osmose inverse, sont nécessaires lorsque ces paramètres font l'objet d'une réglementation.
- Capacité limitée et percée. Les sites d'adsorption finissent par atteindre leur saturation, et des contaminants commencent à apparaître à la sortie : c'est ce qu'on appelle le « point de percée ». En l'absence de surveillance régulière des effluents, une station peut rejeter des eaux non conformes tout en pensant que ses lits filtrants assurent toujours sa protection.
- Encrassement et prolifération biologique. Les matières en suspension, les huiles et les graisses obstruent rapidement le réseau de pores ; sans préfiltration ni lavage à contre-courant, la durée de vie du lit s'effondre. À l'inverse, une prolifération incontrôlée de biofilm peut transformer le média en un foyer d'incubation bactérienne, ce qui est inacceptable dans les applications nécessitant un contrôle microbiologique.
- Résidus et charge de régénération. Le PAC quitte le système avec les boues résiduaires et doit être éliminé comme un déchet solide. La régénération du GAC nécessite une quantité d'énergie importante et, dans de nombreuses régions, des installations de réactivation hors site ; elle génère en outre un flux de déchets concentrés qui doit être traité de manière appropriée. Tous les contaminants ne sont pas détruits lors de la régénération.
La solution technique apportée à ces inconvénients consiste rarement à renoncer au charbon, mais plutôt à l'associer à un prétraitement adapté, à des configurations de cuves en série et en parallèle, ainsi qu'à une surveillance de la percée, afin de tirer parti de ses atouts tout en gérant ses limites.
Durée de vie, régénération et remplacement
Il n'existe pas de durée de vie standard pour le charbon actif : les cartouches installées au point d'utilisation ont généralement une durée de vie de 3 à 6 mois, les lits de charbon actif granulé (GAC) utilisés pour le traitement de finition des eaux usées ont une durée de vie moyenne de 6 à 18 mois, tandis que les grands lits municipaux soumis à de faibles charges peuvent fonctionner pendant des années — les variables déterminantes sont la charge en contaminants de l'effluent, l'EBCT et les conditions d'encrassement. Ce sont les résultats des contrôles, et non la durée écoulée depuis l'installation, qui doivent guider les décisions de remplacement.
| Demande | Durée de vie typique | Facteurs déterminants |
| Cartouches filtrantes pour point d'utilisation | 3 à 6 mois | Consommation d'eau, chlore et charge organique |
| Lits de polissage à charbon actif en granulés (GAC) pour eaux usées | 6 à 18 mois | DCO en eau d'alimentation, huiles et graisses, EBCT |
| Lits de traitement des PFAS | Souvent plus courte que la durée habituelle de service | Longueur de la chaîne, composés organiques concurrents |
| Lits d'épuration municipaux pour l'eau potable | 1 à 3 ans ou plus | Faible charge, activité biologique |
| Systèmes GAC pour toute la maison | 3 à 5 ans | Utilisation domestique, niveaux de contaminants |
La durée de vie du lit dans les eaux usées est nettement plus courte que dans le réseau d'eau potable, car la charge en contaminants y est bien plus élevée. Parmi les facteurs qui réduisent cette durée, on peut citer une DCO élevée dans l'effluent entrant, un EBCT insuffisant et la présence d'huiles et de graisses qui encrassent rapidement le charbon. Parmi les facteurs qui la prolongent, on peut citer la coagulation en amont ou un traitement biologique qui réduit la charge organique de fond, ainsi que la culture délibérée de charbon biologiquement actif, dans laquelle la biodégradation libère une capacité d’adsorption pour les composés que seul le charbon peut capturer.
Lorsque la capacité est épuisée, les opérateurs ont le choix entre une réactivation thermique, qui rétablit 90%+ de l'activité initiale et peut être répétée pendant 8 à 12 cycles, une régénération chimique telle que le lavage au solvant, ou le remplacement pur et simple par un média neuf. La surveillance en ligne du TOC ou de la DCO à la sortie, complétée par des essais périodiques en laboratoire, permet de prévoir le moment du remplacement de manière bien plus fiable que des calendriers fixes.
Comment choisir et se procurer du charbon actif pour le traitement des eaux usées
Les acheteurs doivent choisir le charbon actif en adaptant la structure poreuse et les indicateurs de qualité à leur profil de contaminants, en validant les performances à l'aide d'essais en bocal ou de colonnes pilotes, puis en s'approvisionnant auprès de fabricants ou de fournisseurs capables de justifier leur contrôle qualité, de proposer des spécifications sur mesure et d'assurer la logistique de régénération. L'endroit où vous achetez importe moins que ce que vous vérifiez avant d'acheter.
Le processus d'achat suit une séquence claire :
- Décrivez les caractéristiques de l'eau. Identifiez les contaminants cibles, la charge organique de fond, le débit et le temps de contact requis. Ces éléments permettent de déterminer si un PAC, un GAC ou une combinaison des deux convient à l'application.
- Définir des indicateurs de qualité. L'indice d'iode (capacité microporeuse, généralement comprise entre 800 et 1 100 mg/g), l'adsorption du bleu de méthylène (capacité mésoporeuse), la teneur en cendres, la dureté et la distribution granulométrique doivent être spécifiées en fonction de l'application, et non pas simplement reprises d'une fiche technique.
- Réaliser des essais sur banc et des essais pilotes. Les essais en jarre permettent de déterminer le dosage optimal de PAC ; les études isothermes et les petites colonnes pilotes permettent de prédire la durée de vie du lit de charbon actif granulé (GAC) bien plus précisément que les brochures des fournisseurs. L'EPA recommande explicitement de réaliser des essais à l'échelle de laboratoire avec des échantillons réels provenant de l'usine afin de garantir le choix du média le plus approprié, car l'efficacité d'élimination varie en fonction de la source de la matière première du charbon.
- Évaluer les fournisseurs. Comparez la régularité de la fabrication, la documentation relative au contrôle qualité, la traçabilité des lots, ainsi que la disponibilité des services de reprise ou de réactivation du charbon usagé. Dans le cadre d'achats à l'international, vérifiez les certifications et demandez des rapports d'essais réalisés par des organismes tiers pour chaque lot.
- Organiser la logistique. Vérifiez les formats d'emballage, les délais de livraison et si le fournisseur propose des services de conception de réservoirs, de remplacement ou des programmes de régénération permettant de réduire le coût du cycle de vie.
Les acheteurs peuvent s'approvisionner en produits à base de charbon actif proposés directement par les fabricants, par l'intermédiaire de distributeurs régionaux ou auprès de prestataires de services de réactivation. L'approvisionnement direct auprès du fabricant offre généralement un meilleur contrôle des spécifications et une meilleure homogénéité des lots, ce qui est primordial dans le cadre d'un traitement de polissage en continu, où un seul lot non conforme peut entraîner un écart de conformité. Une relation fournisseur bien documentée — comprenant notamment produits à base de charbon actif livré conformément aux spécifications convenues, avec une logistique de remplacement planifiée — transforme le charbon actif, qui était auparavant un poste de dépenses lié aux consommables, en un actif de traitement géré.
FAQ
Le charbon actif, c'est la même chose que le charbon végétal ?
Oui. Les termes « charbon actif », « charbon activé » et « carbone actif » sont interchangeables et désignent tous le même matériau : une substance riche en carbone qui a été carbonisée puis activée à l'aide de vapeur, de CO₂ ou de produits chimiques afin de lui conférer une structure poreuse présentant une grande surface spécifique. La différence de performance réside dans la matière première, la méthode d'activation et la répartition des pores, et non dans le nom.
Le charbon actif peut-il être associé à d'autres technologies de traitement ?
Oui, et dans la pratique, c'est généralement le cas. Le charbon actif s'associe naturellement aux membranes, aux UV, à l'ozonation et aux procédés d'oxydation avancés, chacun comblant les lacunes des autres. L'ozone ou les procédés d'oxydation avancés peuvent décomposer les grosses molécules récalcitrantes en fragments que le charbon adsorbe plus facilement ; le charbon, à son tour, élimine les sous-produits de l'ozonation. Les membranes traitent les sels dissous et les particules, tandis que le charbon les protège contre l'encrassement organique.
Le charbon actif régénéré est-il adapté aux applications liées aux eaux usées ?
Cela dépend de l'application. Le charbon actif granulé (CAG) réactivé thermiquement récupère généralement plus de 90% de sa capacité d'adsorption et est largement utilisé pour le polissage des eaux usées, l'assainissement des eaux souterraines et le prétraitement industriel. Pour les applications exigeant une grande pureté, telles que l’eau potable ou l’eau à usage pharmaceutique, la plupart des exploitants préfèrent utiliser du charbon vierge, car il est plus difficile de garantir l’absence d’antécédents de régénération et de contaminants résiduels. Le charbon usagé issu d’une utilisation pour le traitement des PFAS nécessite une élimination spécifique, quelle que soit l’application de destination.
Méta-description
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