めっき排水中の重金属ろ過処理：化学沈殿・イオン交換・ZLDの方式比較

めっき排水はCu、Ni、Cr⁶⁺、Cd、Zn、Agなどの重金属を含み、最も毒性の強いCr⁶⁺（六価クロム）の台湾EPA規制限値は0.5 mg/Lです。化学沈殿（pH調整）→ 凝集 → 沈殿 → ろ過 → ポリッシングの標準処理フローと各工程の役割を解説します。

この記事のポイント · Key Points

めっき排水にはCu、Ni、Cr⁶⁺、Cd、Zn、Agなどの重金属が含まれ、中でもCr⁶⁺（六価クロム）の毒性が最も強く、台湾EPAの規制限値は0.5 mg/L
標準的な処理フロー：化学沈殿（pH調整）→ 凝集 → 沈殿 → ろ過 → ポリッシング。各工程の役割は明確で、どれも欠かせない
各段のろ過設備の位置付けは明確：砂ろ過は一次固液分離、フィルターバッグはフロック捕捉、カートリッジフィルターは仕上げろ過、イオン交換塔は微量金属をppbレベルまで除去
めっき工場におけるZLD（ゼロ液体排出）の実現ルート：MBR + 逆浸透 + 蒸発。技術的には可能だが、コストは従来の放流方式の3–5倍
めっき排水におけるMBR（膜分離活性汚泥法）の適用条件と限界 —— 重金属による生物膜への毒性が設計上の主な課題

めっき排水の重金属マップ：6種類の元素の発生源と毒性
台湾EPAの重金属放流水基準：数値の裏にある科学的根拠
標準処理フローの全解説：化学沈殿から仕上げろ過まで
各段のろ過設備の選定：砂ろ過、フィルターバッグ、カートリッジ、イオン交換
ZLD（ゼロ液体排出）：めっき工場における排水処理の究極目標
MBRという選択肢：重金属排水における膜分離活性汚泥法の適用と限界
運転時によくあるトラブルと点検のポイント
よくあるご質問
参考文献

めっき排水の重金属マップ：6種類の元素の発生源と毒性

めっき工場の排水は、いわば工業化学の混合液です。そこに溶け込んでいる金属イオンは、現代の電子機器、自動車部品、宝飾品を直接つくる原料であると同時に、水環境と人の健康にとって深刻な脅威でもあります。これら6種類の主要金属の発生源を理解することが、効果的な処理システムを設計する出発点です。

めっき槽を「金属を移し替える装置」だと考えてみてください。陽極の金属は絶えず溶解し、陰極のワークには絶えず金属が析出します。このプロセスはクリーンでしょうか。ほとんどそうではありません。めっき液は水洗水に持ち出され、水洗水は排水となり、排水にはそれに比例した量のめっき金属イオンが含まれます。さらに、定期的なめっき液の更新、陽極の溶解残渣、槽底スラッジの排出も加わるため、めっき工場の排水は複雑な多金属混合液となり、しかもバッチごとの水質差が非常に大きくなります。

0.5 mg/L台湾EPA Cr⁶⁺（六価クロム）限値

3 mg/L台湾EPA Cu（銅）限値

1 mg/L台湾EPA Ni（ニッケル）限値

0.03 mg/L台湾EPA Cd（カドミウム）限値

5 mg/L台湾EPA Zn（亜鉛）限値

主要な重金属6種の発生源

金属	主なめっきプロセス発生源	主な毒性メカニズム	環境中での特性
Cu（銅）	銅めっき（PCB、コネクター）、ピロリン酸銅浴、硫酸銅浴	高濃度で水生生物の酵素活性を阻害、魚類のえら機能を妨げる	水中で比較的安定、有機物と錯体を形成しうる
Ni（ニッケル）	ニッケルめっき（装飾、耐摩耗）、無電解ニッケル（PCBスルーホール壁）	発がん性（IARC Group 1）、皮膚アレルギー、腎毒性	pH >8でNi(OH)₂として沈殿
Cr⁶⁺（六価クロム）	硬質クロムめっき、装飾クロムめっき、クロメート処理	最も強い：発がん性（DNAの酸化損傷）、肺毒性、皮膚腐食	pH 2–7で溶解性が高く安定、沈殿させるにはCr³⁺への還元が必要
Cd（カドミウム）	カドミウムめっき（航空機用締結部品）、カドミウム・希土類合金めっき	腎尿細管毒性、骨粗しょう症（イタイイタイ病）、IARC Group 1	pH 9–10でないと有効に沈殿しない、生物蓄積性が高い
Zn（亜鉛）	亜鉛めっき（ねじ、鋼板の防食）、亜鉛合金めっき	高濃度で水生毒性、過剰摂取でCu代謝を阻害	pH 8–10でZn(OH)₂として沈殿、再溶解が起こりうる
Ag（銀）	銀めっき（電子接点、食器）、銀ろう付け	魚類への急性毒性が強い（LC₅₀ <0.01 mg/L）、皮膚への黒色色素沈着	感光性、AgClとして沈殿しやすい

Cr⁶⁺に関する特別な注意：六価クロムはそのまま沈殿除去することができません。中性pHではCrO₄²⁻またはCr₂O₇²⁻の形で存在して水溶性が高く、NaOHを加えても沈殿しません。まず酸性条件（pH 2–3）で還元剤（FeSO₄、Na₂SO₃、亜硫酸水素ナトリウム）を用いてCr⁶⁺をCr³⁺に還元する必要があり、そのうえで初めて、後続のpH調整工程でCr(OH)₃として沈殿除去できます。この還元工程はめっき排水処理フローにおける重要な前処理であり、省略すれば重大なトラブルを招きます。

台湾EPAの重金属放流水基準：数値の裏にある科学的根拠

台湾のめっき業の放流水基準は「業種別放流水基準」に属し、一般基準よりも厳しく規制されています。これらの数値は行政担当者が思いつきで決めたものではありません。どの限値にも、対応する毒性学研究、環境容量の算定、水質クライテリア（Water Quality Criteria）の裏付けがあります。

金属	台湾EPA限値（mg/L）	US EPA水質クライテリア（淡水・急性毒性）	設計推奨目標値
Cr⁶⁺（六価クロム）	0.5	0.016 mg/L（水生生物・急性毒性）	<0.1 mg/L
Cu（銅）	3.0	0.013 mg/L	<0.5 mg/L
Ni（ニッケル）	1.0	0.470 mg/L	<0.2 mg/L
Cd（カドミウム）	0.03	0.00025 mg/L	<0.01 mg/L
Zn（亜鉛）	5.0	0.120 mg/L	<1.0 mg/L
Ag（銀）	0.5	0.0034 mg/L	<0.05 mg/L
Pb（鉛）	1.0	0.065 mg/L	<0.1 mg/L

注目すべきは、台湾EPAの放流水基準とUS EPAの水生生物毒性クライテリアの間に大きな開きがある点です。たとえばカドミウムの台湾限値（0.03 mg/L）は、US EPAの水生生物急性毒性クライテリア（0.00025 mg/L）の120倍です。つまり、合法的に放流していても、放流先の水域に入った後の金属濃度が水生生態系に負荷を与える可能性があります。特に希釈比が低い（Q_wastewater / Q_receiving_water > 0.1）小規模な水路や河川では注意が必要です。設計目標値（上表の4列目）はこの希釈係数を考慮したもので、推奨されるエンジニアリング上の設計目標です。

標準処理フローの全解説：化学沈殿から仕上げろ過まで

めっき排水の標準処理フローは、精密に設計された一連の化学反応です。各工程は前の工程がつくり出した条件を前提としており、それがそろって初めてフロー全体が有効に機能します。

図1 · めっき排水の重金属処理フロー：各工程の化学反応メカニズムとろ過設備の位置付け

ステップ1：Cr⁶⁺の還元（クロム含有排水のみ必要）

六価クロムの還元反応は、酸性条件（pH 2–3）で行う必要があります。一般的な還元剤は次のとおりです。

硫酸第一鉄（FeSO₄）：安価で広く使われていますが、排水中のFe含有量が増え、後段の汚泥量も増加します。反応の進行はORP（酸化還元電位）で監視する必要があり、目標はORP < 250 mV（Ag/AgCl電極基準）です。
亜硫酸水素ナトリウム（NaHSO₃）：Feを持ち込まず汚泥量も少なめですが、薬剤コストは高めです。pH 2では反応が速い一方、pH > 5になると反応速度が急激に低下するため、pHを厳密に管理する必要があります。
二酸化硫黄（SO₂ガス）：大規模工場では検討の余地があり、低コストですが、密閉式のガス供給システムが必要で、運転上の安全要求も高くなります。

ステップ2：化学沈殿（pH調整）

Cr⁶⁺を還元した後、NaOH（または消石灰Ca(OH)₂）を加えてpHを9–11に上げ、各金属イオンを水酸化物として沈殿させます。最適な沈殿pHは金属ごとに異なるため（上表参照）、混合排水では通常pH 9.5–10.5を折衷点とします。注意点として、石灰はNaOHより安価ですが、発生する汚泥量がはるかに多くなる（CaSO₄、CaCO₃などの無機沈殿物）ため、薬剤コストと汚泥処理コストを比較検討する必要があります。

ステップ3：凝集

化学沈殿で生成する金属水酸化物のコロイド粒子は非常に細かく（0.1–10 µm）、自然沈降の速度はきわめて遅くなります。凝集剤としてポリ塩化アルミニウム（PAC、Polyaluminium Chloride）を加えて電気二重層を圧縮し、さらに凝集助剤としてアニオン系ポリアクリルアミド（PAM、Polyacrylamide）を加えてフロック同士を架橋させることで、速やかに沈降する大きなフロック（100–1000 µm）を形成します。注入量はジャーテスト（jar test）で決定する必要があり、PAMが過剰になると、かえって処理水に高分子ポリマーが残留します。

ステップ4：沈殿と固液分離

薬剤注入後の排水は沈殿池に送られ（傾斜板式のlamella clarifierが最も効率的）、上澄水はろ過システムへ、底部の汚泥は定期的に汚泥貯槽へ排出し、フィルタープレス（filter press）で脱水して脱水ケーキにします。めっき汚泥は法令上、有害廃棄物（D類）に該当するため、許可を持つ業者に処理を委託しなければならず、自社で埋め立てたり一般廃棄物として廃棄したりすることはできません。

各段のろ過設備の選定：砂ろ過、フィルターバッグ、カートリッジ、イオン交換

めっき排水処理フローにおいて、ろ過設備は4つの異なる役割を担い、それぞれの役割に最適な設備タイプがあります。

1. 砂ろ過器：一次固液分離の主力

砂ろ過器（石英砂ろ層）は沈殿池の後段に設置し、上澄水とともに流出する微細なフロックや浮遊物質（SS）を除去します。設計のポイントは、砂の粒径0.4–0.8 mm（有効径）、ろ過速度5–10 m/h、逆洗は空気洗浄＋水洗浄の2段階です。注意点として、めっき排水用の砂ろ材は定期的に酸洗浄（HCl 5%）して蓄積した金属水酸化物を除去する必要があります。これを怠るとろ材表面が固結し、有効なろ過空隙が大きく減少します。

2. フィルターバッグ：フロックを的確に捕捉するツール

10–50 µmのフィルターバッグを砂ろ過の後段に設置し、砂ろ過で捕捉しきれない細かなフロック片を捕捉します。金属水酸化物のフロックが脆く、砂ろ過をすり抜けやすい場合には特に重要です。選定のポイントとして、凝集処理した排水にはデプス型（depth-type）バッグを選び、メンブレン型は避けます。フロックはかさ高く、容積的な負荷が大きいためです。材質はPPまたはPE（アルカリ性排水に耐性）を選び、Nylon（強アルカリ環境で劣化するおそれ）の使用は避けてください。

3. カートリッジ式仕上げフィルター：SSの最終チェック

1–5 µmの精密カートリッジフィルターは、イオン交換塔に入る前の最後の物理的バリアです。イオン交換樹脂は微細な固形粒子に非常に敏感で、粒子が樹脂層の空隙を埋めると交換サイクルが大幅に短くなり、樹脂が再生できなくなることさえあります。この1–5 µmの保護フィルターの目的は、SSを<5 mg/Lに抑え、イオン交換塔を最良の状態で運転させることです。

材質はPPメルトブローでもガラス繊維でも使用できますが、アルカリ性排水（pH 9–11）での材質の耐薬品性に注意が必要です。ガラス繊維は高pHに長期間さらされると溶出するおそれがあります。安全側に立つならPPを選ぶのが無難です。

4. イオン交換（IX）塔：微量金属をppbレベルまで仕上げ除去

化学沈殿＋凝集＋ろ過で重金属は通常0.5–2 mg/Lまで下げられますが、より厳しい設計目標値（Cu <0.5 mg/L、Ni <0.2 mg/Lなど）や、回収再利用の水質要件を満たすにはイオン交換塔が必要です。

汎用的な重金属除去

強酸性陽イオン交換樹脂（SAC）

スルホン酸基型（–SO₃H）で、H⁺形で再生します（H₂SO₄再生）。Cu²⁺、Ni²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺などの2価金属イオンに対する選択性が高く、処理水の重金属を<0.1 mg/Lまで下げられます。pH 0–14の酸・アルカリに耐え、樹脂の再生溶離液は高濃度の金属含有酸液となるため、金属を回収できます（Cuの回収率は95%以上に達します）。

微量金属の仕上げ除去

キレート樹脂（Chelating Resin）

イミノ二酢酸（IDA）またはアミノリン酸基を官能基とします。重金属に対する選択性がきわめて高く（吸着の優先順位はCu > Ni > Pb > Cd > Zn）、Na⁺、Ca²⁺などのベースイオンはほとんど吸着しません。処理水の重金属はppbレベルまで下げられます。コストはSACより高く、通常はポリッシング（polishing）の最終段に使用します。

Cr⁶⁺の仕上げ除去

強塩基性陰イオン交換樹脂（SBA）

CrO₄²⁻は陰イオンのため、SBA（第四級アンモニウム基型など）で交換する必要があります。NaOHで再生した後に溶出するクロム含有溶離液は、再度化学処理が必要です。Cr⁶⁺の還元が不完全な場合の補完的な除去や、排水にCrO₄²⁻が残留する場合の仕上げ段に適しています。

銀（Ag）の回収

活性炭＋イオン交換の組み合わせ

Ag⁺は弱酸性環境で活性炭に吸着させるか、塩化物イオンでAgClとして沈殿させた後にろ過して回収します。高濃度の銀含有排水（>50 mg/L）は直接電解回収を推奨します。イオン交換よりも経済性に優れます。

ZLD（ゼロ液体排出）：めっき工場における排水処理の究極目標

ゼロ液体排出（ZLD、Zero Liquid Discharge）は、排水処理における最高レベルの目標です。処理後に液体の排出が一切なく、水分はすべて回収・再利用され、残る汚染物質は固形物として申告・処分します。水資源が逼迫した地域や、排出許可が厳しく制限される工場では義務となっていますが、台湾では現在のところ自主的な採用が中心です。

ZLDの技術ルート

めっき工場におけるZLDの標準的な技術ルート：

化学沈殿＋ろ過（前述の標準処理フローと同様。主要な重金属とSSを除去）
MBR（膜分離活性汚泥法）：有機物（COD/BOD）を除去すると同時に生物学的脱窒を行います。MBR処理水はSSがきわめて低く、ROの前処理として優れています
2パスRO（逆浸透）：脱塩を行い、回収率は75–85%。RO濃縮水は次の工程へ送ります
蒸発晶析：RO濃縮水を機械式蒸気再圧縮（MVR）または多重効用蒸発（MEE）でさらに濃縮し、最終的に結晶固形物として申告します

システム全体の水回収率は、化学沈殿段で5–10%を損失（汚泥の含水分）、MBR＋ROで80–85%を回収、蒸発段でさらに10–15%を回収し、最終的な総水回収率は>95%に達します。

ZLDのコストの現実

ZLDのコストに関する注意：ZLDシステムの設備投資（CAPEX）は従来の放流システムの3–5倍、運転費用（OPEX）は2–4倍です。主な要因は、MBR膜の交換費用、蒸発システムのエネルギー消費（蒸発水1トンあたり7–15 kWh/m³の電力を消費）、結晶固形廃棄物の処分費用です。ZLDの検討をお勧めするのは次の場合に限られます：(1) 排出許可で明確に求められている、(2) 排水に回収価値の高い金属（銀、ニッケル）が含まれる、(3) 工場が水不足の地域にあり、再利用水に明確な用途がある。

MBRという選択肢：重金属排水における膜分離活性汚泥法の適用と限界

MBR（Membrane Bioreactor、膜分離活性汚泥法）は、活性汚泥による生物処理とMF/UF膜による固液分離を組み合わせた方式で、一般的な産業排水（食品、化学、製薬）で広く使われています。しかしめっき排水では、MBRの適用に重要な設計上の前提条件と制約があります。

重金属による生物膜への毒性の問題

めっき排水中の重金属は、微生物に対してさまざまな程度の阻害作用を示します。研究によると、活性汚泥に対する各金属のEC₅₀（半数影響濃度）はおおよそ次のとおりです。

Cr⁶⁺：EC₅₀ ~0.5 mg/L（猛毒、MBRへの直接流入は不可） Cu²⁺：EC₅₀ ~5 mg/L Ni²⁺：EC₅₀ ~20 mg/L Zn²⁺：EC₅₀ ~40 mg/L

つまりMBRが受け入れられるのは、化学沈殿後の金属含有量が低い処理水（各金属がEC₅₀を大きく下回るもの）だけであり、めっき排水の原水を直接処理することはできません。正しい構成は化学沈殿 → ろ過 → 重金属をEC₅₀未満まで低減 → MBR（COD/BOD除去）→ RO（脱塩）です。

めっき排水におけるMBRの実際の利点

重金属濃度がすでに安全な範囲にある場合、MBRの主な利点は次のとおりです。

MBR処理水はSS <1 mg/Lで、RO膜の供給水として非常に適している
生物処理によりめっき排水中の有機添加剤（光沢剤、レベリング剤、有機錯化剤）を除去し、CODを<50 mg/Lまで低減
一体型の設計により、従来の活性汚泥＋最終沈殿池に比べて設置面積を30–40%削減

運転時によくあるトラブルと点検のポイント

トラブル1：処理水の重金属が繰り返し基準を超えるが、化学沈殿のpHは正常に見える。最も多い原因は複合排水に含まれる有機錯化剤です。錯化剤（EDTAなど）、レベリング剤、有機アミン類はCu²⁺、Ni²⁺と安定な錯体を形成するため、金属イオンが遊離のM²⁺として存在せず、NaOHによる沈殿が効かなくなります。対策：化学沈殿の前に次亜塩素酸ナトリウム（漂白剤）またはH₂O₂を加えて有機錯化剤を酸化分解し、その後pH調整を行います。

トラブル2：Cr⁶⁺還元後のORPは合格なのに、最終処理水にCr⁶⁺が残留する。考えられる原因：(1) Cr⁶⁺排水を調整槽で他の排水と混合した際、他の排水に含まれる酸化性物質（次亜塩素酸イオンなど）の影響で、Cr³⁺の一部が再びCr⁶⁺に酸化された、(2) ORP電極が校正されておらず、読み値が高めに出ている。対策：Cr⁶⁺排水には専用の調整槽と還元槽を設けて混合を避け、ORP標準液で電極を定期的に校正します。

イオン交換樹脂の破過の診断：IX塔の処理水で重金属が急に上昇するケースには2通りあります。(1) 本当の破過（breakthrough）——樹脂の吸着容量が尽きており、再生が必要、(2) チャネリング（channeling）——樹脂層に水の優先流路ができ、大量の水が流路をそのまま素通りしている。両者の見分け方は、本当の破過では処理水の重金属がゆっくりと一様に上昇するのに対し、チャネリングでは突然、不安定に跳ね上がり、同時に差圧が急に低下する（流路の流動抵抗がきわめて低いため）点です。チャネリングは運転を停止して樹脂層を充填し直す必要があり、再生では解決できません。

トラブル3：めっき汚泥が急速に堆積し、フィルタープレスの処理が追いつかない。最も多い原因は薬剤の過剰注入です。NaOHの過剰によりCa(OH)₂が大量に沈殿する（石灰を使用している場合）、あるいはPAMの過剰で高分子ゲルの体積が膨張する、といったケースです。固定の注入量で運転し続けるのではなく、定期的に（毎月）ジャーテスト（jar test）を行って最適な薬剤注入量を再確認することをお勧めします。

よくあるご質問

めっき工場では、Cr⁶⁺含有排水とニッケル含有排水を混ぜて処理してもよいですか？

そのまま混合することはお勧めしません。理由は次のとおりです。(1) Cr⁶⁺排水はpH 2–3で還元し、ニッケル排水はpH 10–11で沈殿させるため、混合すると先に酸性化してから再びアルカリ化することになり、pH調整剤の消費量が倍増し、運転も複雑になります。(2) 強い酸化力を持つCr⁶⁺が亜硫酸水素ナトリウムを酸化し、還元剤を消費します。(3) 還元が不完全だと、後段でpHを上げてもCr⁶⁺は沈殿せず、クロム酸塩として処理水を汚染します。正しい方法は、各系統を分けて回収し、Cr⁶⁺排水は単独でORP <250 mVまで還元を完了させてから、他の排水と混合してpH調整を行うことです。

めっき汚泥の「有害廃棄物」申告とは何ですか？どう処理すればよいですか？

台湾の「廃棄物清理法」では、重金属を含むめっき汚泥は「有害事業廃棄物（D類）」に該当し、次の対応が義務付けられています。(1) 規定に従って袋またはドラムに詰め、廃棄物の種類、重量、発生日、廃棄物コードを明示する。(2)「事業廃棄物申告・管理情報システム（EMIS）」に登録し、収集運搬の許可を得る。(3) 許可を持つ有害廃棄物処理業者（乙級以上）に委託し、固化・安定化処理または資源化を行う（銅やニッケルのめっき汚泥は、通常は製錬所に引き渡して資源として回収できます）。(4) 収集運搬の記録（伝票）を少なくとも3年間保存し、検査に備える。違反した場合、廃棄物清理法第46条により、最高で1年以上5年以下の懲役が科されることがあります。

化学沈殿法で銅を0.05 mg/L以下まで下げられますか？

化学沈殿法のみ（NaOH/Ca(OH)₂）でも、理論上はCu²⁺を溶解度の限界まで下げられます（pH 10におけるCu(OH)₂の溶解度は約0.005 mg/L）。しかし実際の運転では、有機錯化剤、共沈による干渉、運転pHの制御精度などの要因により、安定して達成できるのは通常0.5–2 mg/L程度です。<0.05 mg/Lを達成するには、化学沈殿の後に陽イオン交換樹脂またはキレート樹脂による仕上げ処理を加える必要があります。キレート樹脂（IDA型）はCu²⁺に対する親和力が特に強く、pH 5–7ではCu²⁺を2 mg/Lから<0.01 mg/Lまで下げることができます。

イオン交換樹脂を再生した後の溶離液はどう処理しますか？

IX樹脂の再生溶離液（通常は高濃度の金属含有酸液で、たとえばCu²⁺ 5,000–20,000 mg/L、pH 1–2）は、それ自体が価値の高い資源であると同時に、高濃度の排水でもあります。処理方法は金属の種類によって異なります。(1) 銅の溶離液：めっき槽に直接戻して銅イオンを補給する（pHと濃度の調整が必要）か、電解回収設備に送って銅板として回収します。(2) ニッケルの溶離液：めっき槽に戻すか、ニッケル回収業者に委託します。(3) 混合金属の溶離液：排水処理の最上流に戻し、化学沈殿で濃縮回収します。(4) 直接放流は不可です。溶離液の重金属濃度は放流水基準をはるかに超えており、直接放流は重大な違反となります。

小規模なめっき工場（排水量 <10 m³/day）でも、本格的な処理システムを建設する価値はありますか？

価値はあります。また、建設コストを抑える代替案もあります。(1) バッチ処理（batch treatment）——排水を1バッチ分ためてまとめて処理する方式で、設備が小さく、CAPEXはNT$ 50–100万程度に抑えられます。(2) 全量外部委託処理——許可を持つ排水処理業者が工場まで回収に来る方式で、排水量が少なく水質が雑多な場合に適しています（委託費用は通常NT$ 1,000–3,000/m³で、年間コストを試算すると自社設備より高くなる可能性がある点に注意が必要です）。(3) モジュール式プレハブシステム——小規模めっき工場向けに設計された、設備一式を含むプレハブ型排水処理システムが市販されており、据付・試運転期間は2–4週間です。操業年数が浅く、将来の増設規模が見通せない場合に適しています。どの選択肢を選んでも、放流基準の達成義務を免れることはできません。処理せずに直接放流した場合の法的な代償は、どんな処理コストよりもはるかに重いものです。

参考文献

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