Rainwater harvesting: identifying opportunities for innovation by Design

Coleta de água de chuva: identificação de oportunidades de inovação através do Design Rainwater harvesting: identifying opportunities for innovation by Design Santos, Aguinaldo dos; PhD; Universidade Federal do Paraná [email protected] Pereira, João Victor Inácio; Mestre; Universidade Federal do Paraná [email protected] Zacar, Cláudia Regina Hasegawa; Mestre; Universidade Federal do Paraná [email protected] Costa Júnior, Jairo; Mestrando; Universidade Federal do Paraná [email protected] De Jesus, Viviane; Mestranda; Universidade Federal do Paraná [email protected] Enriconi, Alessandra; Graduanda; Universidade Federal do Paraná [email protected] Resumo Neste artigo é apresentado o Projeto Amana, que tem por objetivo o desenvolvimento de um Sistema Produto+Serviço para coleta de água pluvial em habitações de interesse social. Os autores exploram a taxonomia das soluções já existentes, identificam potencialidades e apontam desafios relacionados ao design, no que tange à adequação do sistema às necessidades da população de baixa renda. Palavras-chave: Design; Sistema Produto Serviço; Água de chuva. Abstract In this paper is presented the Project Amana, which aims at the development of a Product-Service System to harvest rainwater in low income houses. The authors explore the taxonomy of existing solutions, identify potentialities and indicate design-related challenges regarding to the adaptation of the system to the needs of the low income population. Keywords: Design, Product Service System; Rainwater

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Coleta de água de chuva: identificação de oportunidades de inovação através do Design

9º Congresso Brasileiro de Pesquisa e Desenvolvimento em Design

Introdução De acordo com a United Nations Conference on Human Settlements (UNCHS, 1996),

apenas 0,3% de toda a água doce existente no planeta está disponível para o consumo humano. A Organização das Nações Unidas (ONU) prevê que em 2050, mais de 45% da população mundial não poderá contar com a porção mínima individual de água para atender às suas necessidades básicas.

Em épocas de estiagem, vários centros urbanos sofrem com a escassez de água na rede de distribuição. Em contrapartida, em épocas de chuvas, padecem com enchentes e doenças provenientes das águas contaminadas. O cenário é crítico e, por isso, torna-se fundamental a busca por soluções que promovam a gestão dos recursos hídricos, com a conscientização da população e o uso racional da água.

A crescente urbanização tem implicações significativas no uso do solo, acarretando o aumento do escoamento superficial e a diminuição da infiltração (FONTES; BARBASSA, 2003). Disto podem decorrer sérios problemas de drenagem urbana, aumentando a probabilidade de enchentes causadas por chuvas torrenciais.

A coleta da água pluvial surge como uma das possíveis soluções para este problema, pois a água captada não é conduzida diretamente ao sistema de drenagem, reduzindo desta forma o escoamento rápido, principal causador das enchentes.

O aproveitamento das águas pluviais apresenta inúmeras vantagens. Zaizen et al. (1999) destacam os seguintes benefícios da utilização da água de chuva: controle da drenagem, prevenção de enchentes, conservação da água, restauração do ciclo hidrológico em áreas urbanas e educação ambiental.

Sistemas de aproveitamento de água de chuva podem ser adotados para fins domésticos, comerciais e industriais. Sua aplicação em ambiente doméstico pode permitir a substituição do uso de água tratada em atividades menos nobres, como em bacias sanitárias, lavagem de roupas, calçadas, jardinagem e limpeza geral (UNCHS, 1996).

Além destes benefícios, a utilização de sistemas de coleta de água pluvial vem se tornando cada vez mais premente, devido à recente implantação de leis e regulamentações com este enfoque. A legislação de alguns municípios, como Curitiba (PR) e São Paulo (SP), já dispõe sobre os critérios do uso e conservação racional da água nas edificações. Em Curitiba, por exemplo, foi instituído em 2003 o Programa de Conservação e Uso Racional da Água nas Edificações - PURAE (Lei 10.785/03). Em 2006 o Decreto Municipal 293/06 regulamenta a Lei 10.785/03, de 22 de Março de 2006, e dispõe sobre os critérios do uso e conservação racional da água nas edificações. De acordo com o artigo 2º do decreto 293/06 “para o licenciamento de construções no Município, fica obrigatória que no projeto de instalações hidráulicas seja prevista a implantação de mecanismo de captação das águas pluviais, nas coberturas das edificações, as quais deverão ser armazenadas para posterior utilização em atividades que não exijam o uso de água tratada” (CURITIBA, 2006). Conforme o decreto nº 176 de 2007, a implantação de reservatórios de detenção é obrigatória em novos empreendimentos, ampliações ou reformas, independente do uso e localização, que impermeabilizarem área igual ou superior a 3.000,00 m² (três mil metros quadrados) e também para os projetos que apresentarem redução da taxa de permeabilidade de 25% (CURITIBA, 2007). Além disso, a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT, 2007) também regulamenta o uso da água de chuva, por meio da norma NBR 15527.



Há um particular interesse estratégico em coletar água de chuva em habitações de interesse social (HIS), tendo em vista a elevação da renda desta população e o risco de esta emular padrões de consumo de elevado impacto ambiental. Estima-se que nos próximos 10 anos aproximadamente 800 milhões de consumidores dos chamados países do BRIC (Brasil, Índia, Rússia e China) vão entrar no mercado formal (da Rocha e Ferreira da Silva, 2008, p. 6). Para Myers e Kent (2002, p. 4963), os impactos ambientais do consumo estão se tornando cada vez mais evidentes, agora que 1.1 bilhões de novos consumidores dos países em desenvolvimento aumentam a demanda por novos produtos e serviços.

Acredita-se que o desenvolvimento de um sistema de coleta de água pluvial voltado à HIS tem potencial de melhorar a qualidade de vida das famílias de baixa renda, podendo ainda auxiliar na conscientização desta população acerca de questões relacionadas à sustentabilidade ambiental. Contitui-se, desta forma, uma oportunidade de inovação por meio do Design. Neste contexto surge o Projeto Amana, desenvolvido no Núcleo de Design e Sustentabilidade da Universidade Federal do Paraná, aprovado no Edital MCT/CNPq/CT-Hidro – No

021/2009, voltado ao apoio financeiro a projetos que promovam o desenvolvimento de tecnologias poupadoras de água em ambientes doméstico e comercial.

Taxonomia de soluções disponíveis para coleta de água pluvial Para o desenvolvimento do projeto, buscou-se inicialmente identificar sistemas já

existentes para coleta de água de chuva em ambiente doméstico. Procurou-se ainda compreender seus princípios básicos de funcionamento, bem como identificar diferentes modelos de componentes destes sistemas.

Há uma grande variedade de configurações possíveis para sistemas de coleta de água pluvial. Foram encontradas diversas soluções de grande porte, que fazem uso de reservatórios subterrâneos e filtros sofisticados (Figura 1). Um dos pontos fracos desse tipo de sistema é a utilização de energia elétrica para o bombeamento da água.

Figura 1: Exemplo de solução para a coleta de água pluvial (Alemanha)

Fonte: 3P TECHNICK (2009) Outras soluções apresentam grandes reservatórios externos, como os utilizados no

Programa Um Milhão de Cisternas (Figura 2). Neste caso, as grandes dimensões do reservatório se justificam devido à situação de aridez extrema dos locais de implantação, no nordeste do país.



Figura 2: Programa Um Milhão de Cisternas Fonte: http://www.odmbrasil.org.br/instituicao-detalhes/11/um-milhao-de-cisternas

Foi possível identificar também algumas soluções de menor porte, como as do tipo rain

barrel. Estes coletores são geralmente voltados à jardinagem, e encontrados principalmente no exterior (Austrália, França, Estados Unidos). São sistemas de instalação simples, que utilizam poucos acessórios (Figura 3). Uma vantagem da solução rain barrel é sua rapidez de instalação. Porém este sistema apresenta um baixo aproveitamento da energia potencial da água, sendo o escoamento resultante de baixa pressão, o que limita seu uso em atividades como limpeza de pisos ou de automóveis.

Figura 3: Coletor de água “rain barrel”

Fonte: King Country (2009) Outra solução identificada para a coleta de água de chuva em pequenas residências foi

desenvolvida na Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP (Figura 4).



Figura 4: Exemplo de solução brasileira para coletor de água pluvial

Fonte: UNICAMP (2009) Nesta solução, uma “cinta” de tubos é instalada à volta da edificação, o que permite a

manutenção da energia potencial da água, eliminado a necessidade de uso de bombas. Contudo, sua instalação demanda que a habitação tenha um pé-direito mais alto, sendo significativo o impacto estético do conjunto na edificação.

Tendo identificado alguns modelos de sistemas para coleta de água de chuva, procurou-se compreender seu funcionamento, bem como de seus principais componentes.

Num sistema típico de aproveitamento de águas pluviais, a água coletada deve ser reservada, filtrada e tratada, de forma a atingir a qualidade requerida para o seu destino final. Desta forma, esses sistemas são basicamente compostos por: área de captação, condutores, filtros, mecanismo de descarte da primeira água e reservatório. Em geral, a água é coletada na área de captação, passa por um pré-filtro para a retirada de fragmentos maiores, chega ao mecanismo de descarte da primeira água e finalmente é armazenada no reservatório. De lá a água segue para o sistema de distribuição (Figura 5).

Figura 5: Exemplo de um sistema de captação de água pluvial Fonte: Autor.



A área de captação é, portanto, aquela destinada à coleta de água pluvial, normalmente o telhado ou a laje das habitações. Há diversas configurações possíveis para a coleta por meio da cobertura, como se observa nas Figuras 6 a 10.

Figura 6: Sistema de captação mais comum, utilizando o telhado como área de captação.

Fonte: UNEP, 2010

Figura 7: Sistema de captação do tipo “roof glide”, de Bermudas Fonte: UNEP, 2010

Figura 8: Sistema de captação do tipo pátio, da China

Fonte: UNEP, 2010



Figura 9: Sistema de captação com uso de telhas metálicas onduladas, de Botswana Fonte: UNEP, 2010

Figura 10: Sistema de captação “Sarisa”, feito com tecido esticado, do Quênia Fonte: UNEP, 2010

Além das coberturas, é possível utilizar também pisos e formações rochosas como

área de captação de águas pluviais. Na Figura 11 observa-se um exemplo de captação por meio do piso, e nas Figuras 12 e 13 exemplos de captação em formações rochosas, com a construção de represas para contenção da água coletada.

Figura 11: Sistema de captação por meio do piso Fonte: UNEP, 2010



Figura 12: Sistema de captação por meio de rochas

Fonte: UNEP, 2010

Figura 13: Exemplo de sistema de captação por meio de rochas, do Quênia Fonte: UNEP, 2010

Cabe ressaltar que o material da área de captação pode interferir na eficiência do

sistema: quanto mais poroso o material, mais perda de água haverá (CILENTO, 2009). Outro fator importante a se considerar é o aspecto bacteriológico. Segundo Thomas (2001), os materiais que apresentam maior facilidade de limpeza são respectivamente: metálicos, fibrocimento, plásticos e cerâmicos.

Os sistemas de transporte da água coletada, da área de captação ao reservatório, podem incluir diferentes tipos de calhas, drenos e canais. Esses condutores também permitem o desvio da água para a rede de águas pluviais, quando o reservatório encontra-se cheio. As calhas constituem uma parte crucial do sistema de distribuição, e devem ter dimensionamento adequado e fixação correta, para permitir a vazão da água até o reservatório sem perdas excessivas ao longo do percurso. Há diversos tipos e formatos de calhas, como as de perfil retangular, semi-circular e em V (Figura 14). Estas podem ser fabricadas industrialmente, com materiais como o PVC, ou confeccionadas de forma artesanal, com uso de bambu ou chapas metálicas dobradas, por exemplo.

Figura 14: Calhas com diversos perfis e formas de fixação Fonte: UNEP, 2010



Quanto aos sistemas de filtração, também é possível identificar uma grande variedade de opções com diferentes níveis de sofisticação, do rudimentar ao altamente tecnológico. Há soluções para o tratamento da água antes, durante e após o armazenamento.

Os pré-filtros evitam que impurezas como folhas, galhos, insetos e musgo, entupam os condutores de água pluvial. Existem diversos modelos de pré-filtros industrializados, como:

Filtros de calha

: podem ser instalados no bocal de descida da calha (Figura 15: A) ou percorrer toda a calha (Figura15: B). Um aspecto negativo deste tipo de filtro é a necessidade de limpeza manual para garantir a eficiência do produto.

Figura 15: Filtros de calha Fonte: A – Tigre SA (2010) / B – Leafilter (2010)

Filtros de descida: são instalados diretamente nos condutores verticais. São

considerados auto-limpantes, por expelirem a sujeira que desce pelo condutor vertical, evitando assim a necessidade de manutenção constante (Figura 16).

Figura 16: Filtros de decida Fonte: A - 3P Technik (2010) / B - Wisy (2010)

Filtros vortex: neste mecanismo a água se separa das impurezas girando em

movimento de vórtice e passando por uma malha ou tecido filtrante (Figura 17).



Figura 17: Filtro vortex Fonte: Wisy (2010)

Filtros de volume: neste tipo de solução, o sistema que separa a água das

impurezas possui uma malha ou tecido em posição inclinada (Figura 18).

Figura 18: Filtro de volume Fonte: 3P Technik (2010)

Alguns modelos mais rudimentares de filtro podem ser construídos com galões ou cestos

de lixo, utilizando rocha e areia (Figura 19). São adequados para situações em que o fluxo de água é lento, não excedendo a taxa de infiltração na areia (UNEP, 2010).

Figura 19: Sistema de filtração feito com lata de lixo, rochas e areia

Fonte: UNEP, 2010



Na Índia, foi desenvolvido um modelo utilizando um funil cheio de areia, com redes

plásticas no topo e no fundo (Figura 20). Câmaras de decantação também podem ser utilizadas para remover o lodo e outras partículas sólidas que ficam em suspensão na água.

Figura 20: Filtro para água pluvial, da Índia Fonte: UNEP, 2010

Além dos filtros, pode ser utilizado um mecanismo de descarte da chuva inicial, que

elimina a água dos primeiros minutos de chuva. Esta água, ao passar pela área de captação, poder carregar vários tipos de substâncias contaminantes de origem mineral e orgânica, como resíduos de animais e vegetais. O volume de água a ser eliminada por este mecanismo depende da área de captação. A ABNT (2007) recomenda o descarte de 2 mm da precipitação inicial.

Para o descarte da chuva inicial, há desde sistemas simples de operação manual até sistemas um pouco mais complexos e automatizados. As idéias mais simples em geral baseiam-se em arranjo em que o tubo de entrada é manualmente afastado da abertura do tanque, sendo reposicionado após a vazão do volume de descarte.

Há também a possibilidade de uso de câmaras de entrada com tampa removível, para permitir o desvio da chuva inicial (Figura 21).

Figura 21: Sistema de câmara de entrada com tampa removível, para liberação da chuva inicial Fonte: UNEP, 2010

Na Figura 22 é apresentado um exemplo mais sofisticado, no qual uma esfera flutuante

obstrui a entrada de água quando é atingido o volume de descarte necessário. Assim, a



primeira água fica armazenada dentro do mecanismo, enquanto o restante do fluxo continua a ser conduzido até o reservatório. Porém, estas soluções demandam a intervenção do usuário para a liberação posterior da água retida no mecanismo.

Figura 22: Mecanismo de descarte da primeira água Fonte: Adaptado de Prosab (2010)

O reservatório é o recipiente que armazena a água captada. Pode ser apoiado, enterrado

ou elevado. Nos países em desenvolvimento, pequenos reservatórios como bacias e baldes de plástico, vasos de cerâmica, tambores de óleo e embalagens de alimentos vazias são usados para o armazenamento da água pluvial em pequena escala.

A água de chuva também pode ser represada em barragens rochosas e em reservatórios subterrâneos feitos de terra ou areia (Figura 23). Nestes reservatórios subterrâneos a água tende a ficar protegida da poluição e da evaporação e, considerando seu grande volume e dificuldade de implantação, podem ser utilizados de forma comunitária.



Figura 23: Exemplo de represa construída em leito de rios para armazenagem de água na areia, em Nairóbi Fonte: UNEP, 2010

Os reservatórios podem ainda ser feitos com ferro-cimento (Figura 24), tijolos ou blocos,

concreto armado ou madeira.

Figura 24: Construção de reservatório de ferro-cimento

Fonte: Gnadinger (2001a apud MAY, 2004)

Os reservatórios industrializados também são encontrados no mercado em vários materiais: polietileno, aço inox, fibra de vidro e fibrocimento (Figura 25). Uma desvantagem deste tipo de reservatório é a padronização de volumes, que dificulta a adaptação ou upgrade do sistema em relação a possíveis mudanças no contexto de utilização.

Figura 25: Exemplos de reservatórios

Fonte: Casa & Construção (2010)



No exterior, existem alternativas de reservatórios com configurações diferenciadas, que simulam paredes (wall tank) (Figura 26), por exemplo. Estes reservatórios se adaptam melhor à fachada das residências.

Figura 26: Wall tank Fonte: 3P Technik (2010)

De acordo com Cilento (2009) um reservatório destinado ao armazenamento de água

pluvial poderá incorporar alguns requisitos como: camada interna antibacteriana para evitar a proliferação de microrganismos, fundo inclinado para direcionar o acúmulo de lodo e tampa hermética para evitar a saída de eventuais odores.

O reservatório pode apresentar também um sifão-ladrão (Figura 27: A) para saída do excesso de água e evitar a entrada de insetos e pequenos animais; um dispositivo para reduzir a velocidade da água que chega ao reservatório, evitando o turbilhonamento (Figura 27: B); e uma saída para a limpeza.

Figura 27: Acessórios para reservatórios Fonte: 3P Technik (2010)

Como visto, existem diversos modelos de componentes e configurações possíveis para

sistemas de coleta de água pluvial para uso residencial. Porém, percebe-se que em sua maioria as soluções situam-se em extremos: aquelas produzidas industrialmente tendem a ser bastante complexas e sofisticadas, enquanto que as feitas artesanalmente tendem a ser menos eficientes, apresentando um caráter de improviso muito acentuado. Tendo mapeado soluções já existentes no mercado para coleta de água de chuva, a seguir são apresentados requisitos identificados para sistemas voltados especificamente às HIS, foco do projeto Amana.



Requisitos para um coletor de água pluvial voltado à HIS A partir de projetos de pesquisa anteriormente desenvolvidos no Núcleo de Design e

Sustentabilidade, destacando-se o Projeto Casa 1.0 (2001-2003), o Projeto Kits DIY (2003-2008) e o Projeto Eco-Agregado (2008/2009), foi realizado um levantamento inicial de requisitos projetuais específicos para um coletor de água de chuva voltado à HIS, tais como: Incorporar o conceito de poka-yoke (mecanismo à prova de erro): o sistema deve

apresentar processo de uso, montagem e desmontagem à prova de erro, de maneira a evitar falhas e acidentes. Para tanto, pode-se aplicar, por exemplo, soluções formais e/ou mecanismos visuais de sinalização do processo correto; Integrar o conceito de coordenação modular e modularidade: a solução deve integrar-

se às normas de coordenação modular do ambiente construído e, muito importante, ser passível de receber upgrade ou aumento da capacidade, acompanhando a evolução econômica do morador e/ou permitindo ajuste às suas reais necessidades; Prever a homogeneização de fixações: deve-se buscar a padronização dos elementos

de união utilizados no produto, que preferivelmente devem poder ser instalados sem o uso de ferramentas especiais; Utilizar o conceito da não-embalagem: se possível, a embalagem deve estar

incorporada ao próprio produto, reduzindo custos e impactos ambientais; Conter mecanismo de descarte da primeira água: o fluxo inicial deve ser descartado,

por conter nível elevado de contaminantes; Aproveitar a energia potencial: para evitar a utilização de energia elétrica e outros

componentes que podem onerar economicamente o produto, deve-se considerar o aproveitamento da energia potencial; Integrar-se à fachada da habitação: sugere-se que o coletor de água pluvial integre-se

esteticamente à fachada ou outro elemento arquitetônico da habitação Com base nestes requisitos iniciais, pesquisas complementares vêm sendo

desenvolvidas, principalmente com o intuito de levantar demandas do público-alvo, considerando aspectos funcionais e semânticos.

Oportunidades de inovação através do Design

A partir do confronto entre a taxonomia apresentada e os requisitos iniciais estabelecidos para um coletor de água pluvial voltado à HIS, foram identificadas lacunas de mercado e oportunidades de inovação através do Design.

Um primeiro ponto a ser considerado é que boa parte das soluções industrializadas encontradas são complexas e de grande porte, o que as torna incompatíveis com o perfil arquitetônico e as limitações fundiárias das HIS brasileiras. Além disso, sob o ponto de vista ambiental, boa parte das soluções existentes também apresenta deficiências, visto que demandam a utilização de energia elétrica para o bombeamento da água. Uma solução relativamente simples para esta questão é utilizar a própria energia potencial para que a água tenha pressão adequada, reduzindo assim custos de implantação e o gasto energético do sistema.

Com base nos requisitos identificados, sugere-se também que o sistema apresente processo de uso, montagem e desmontagem à prova de erro (poka-yoke); integre o conceito de coordenação modular; utilize o conceito da não-embalagem e seja passível de integração na fachada da habitação.

Observa-se, ainda, uma lacuna de componentes com características funcionais e semânticas que evitem a ingestão indevida de água pluvial não potável (para o caso de sistemas sem processo de tratamento). Outra lacuna observada diz respeito ao



desenvolvimento de mecanismos de descarte da primeira água de baixo custo, atualmente feitos, em geral, de forma improvisada.

Outra questão de grande importância é que não foram identificadas soluções sistêmicas, que contemplem todo o ciclo de vida do coletor de água pluvial. Por este motivo, além de buscar atender aos requisitos descritos, o Projeto Amana visa ao desenvolvimento não apenas de um produto, mas de um Sistema Produto+Serviço (PSS) para coleta de água de chuva.

Esta abordagem traz vantagens potenciais para a dimensão ambiental, econômica e social da sustentabilidade, tendo como objetivo a redução do conteúdo material por unidade de satisfação. Segundo o United Nations Environment Programme (UNEP, 2002), Sistemas Produto+Serviço podem ser definidos como o resultado de uma estratégia de inovação, redirecionando o foco de negócios do design e venda de produtos físicos para a venda de sistemas de produtos e serviços, capazes de atender integralmente demandas específicas dos clientes.

Além de focar na utilização e não na aquisição de produtos, o PSS também possui o objetivo de integrar ao ciclo de vida do produto diversos serviços, como por exemplo: manutenção, troca, upgrade, remanufatura, coleta e disposição final. Deste modo, objetiva-se otimizar o uso do produto/serviço oferecido, reduzindo ao máximo a quantidade de resíduos no fim de vida. O PSS também se propõe a efetuar a análise da cadeia de fornecedores que interagem em todas as fases do processo, buscando estabelecer parcerias que possibilitem a construção de uma rede de stakeholders que possuam interesse em atuar conjuntamente no processo de gestão dos produtos/serviços oferecidos.

Conclusões

Embora se perceba uma evolução sensível na percepção do consumidor brasileiro acerca da necessidade de re-orientação do consumo para parâmetros mais sustentáveis, nota-se uma carência de soluções eficientes e acessíveis para tornar as habitações mais sustentáveis.

De fato, embora em vários campos das necessidades humanas já se tenha conhecimento suficiente para o provimento de soluções sustentáveis, este conhecimento não se transformou em ofertas de produtos e serviços no mundo real, dificultando a adoção de estilos de vida mais sustentáveis. Uma explicação plausível para este fenômeno é o grau de inovação exigido para o consumo sustentável, que se torna ainda maior em ambientes de baixa renda. Isto implica em desafios técnicos, econômicos, sociais e culturais muitas vezes acima da capacidade técnica dos profissionais envolvidos no seu desenvolvimento, além de envolver desafios relacionados à capacidade de absorção da inovação pela própria sociedade.

Estas observações aplicam-se também ao caso dos coletores de água pluvial. Como visto, boa parte das soluções disponíveis no mercado são complexas e, em geral, incompatíveis com o perfil arquitetônico das HIS brasileiras. Já as soluções mais simples e de menor porte tendem a ser construídas de forma quase improvisada, com base na adaptação de materiais pré-existentes. Fica patente, portanto, a necessidade de desenvolvimento de uma solução sistêmica para a coleta de água pluvial em HIS, que seja adequada às necessidades práticas e semânticas da população brasileira de baixa renda. Referências 3P TECHNIK. Consulta geral a homepage. Disponível em: <http://www.3ptechnik.de/>. Acesso em: 30 de Julho de 2009.



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