河北省清水河流域農(nóng)村生活污水產(chǎn)污特征

杜 歡， 劉春敬， 宋漫利， 高志嶺， 謝建治

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071001)

永定河-洋河段位于海河北系，是官?gòu)d水庫(kù)流域水質(zhì)改善與水污染防治的重點(diǎn)流域，其水質(zhì)的改善將為海河流域的水質(zhì)改善奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。清水河屬海河流域永定河水系上游，洋河上的支流，發(fā)源于河北省張家口市崇禮縣樺皮嶺南麓，主要由東溝、中溝和西溝等3條溝組成。3溝匯合后流經(jīng)河北省張家口市大境門外與元寶山西溝匯合，穿越張家口市區(qū)至清水河村西南2.5 km處注入洋河，由洋河流入官?gòu)d水庫(kù)，河道全長(zhǎng)109 km，流域面積2 380 km2[1]。北京-張家口成功申辦的2022年冬季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)雪上項(xiàng)目比賽場(chǎng)地位于崇禮縣清水河流域，這對(duì)清水河流域的水污染防治提出更高的要求，亟待明確清水河的水環(huán)境和水資源支撐能力，加強(qiáng)清水河流域的水污染防治和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。隨著工業(yè)廢水和城市生活污水等點(diǎn)源污染得到有效控制，農(nóng)村非點(diǎn)源污染已經(jīng)取代點(diǎn)源污染成為水環(huán)境污染的最重要來(lái)源[2]，而造成水體污染的一項(xiàng)重要原因是包括農(nóng)村生活污水污染在內(nèi)的農(nóng)村非點(diǎn)源污染的治理沒(méi)有跟上，另外農(nóng)村生活污水造成的環(huán)境污染問(wèn)題嚴(yán)重影響農(nóng)民生活質(zhì)量，是改善農(nóng)村人居環(huán)境亟須解決的問(wèn)題[3]。目前雖然國(guó)家有相關(guān)地域農(nóng)村生活污水水質(zhì)水量參考值，但是很多工程實(shí)踐表明，農(nóng)村生活污水的治理存在大馬拉小車的現(xiàn)象，因此有必要對(duì)農(nóng)村生活污水的產(chǎn)生特征進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查，清楚掌握農(nóng)村生活污水水質(zhì)水量的基本情況，是研究和解決農(nóng)村生活污水問(wèn)題的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[4]。由于缺乏清水河流域內(nèi)農(nóng)村生活污水污染現(xiàn)狀的基礎(chǔ)資料，很多工作不能因地制宜地開(kāi)展。本試驗(yàn)選擇崇禮縣距清水河?xùn)|溝、中溝和西溝1 km范圍內(nèi)的農(nóng)戶，調(diào)查并研究該流域范圍內(nèi)農(nóng)村生活污水污染狀況，為治理清水河流域農(nóng)村面源污染和實(shí)施分散型農(nóng)村生活污水處理技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查時(shí)間與范圍

本調(diào)查在冬季和夏季進(jìn)行，時(shí)間分別為2015年11月2日至2015年11月5日和2016年7月20日至2016年7月24日，根據(jù)河北省張家口市崇禮縣清水河流域地勢(shì)地貌和村莊分布情況選擇距清水河?xùn)|溝、中溝和西溝1 km范圍內(nèi)的行政村，調(diào)查地點(diǎn)依據(jù)在經(jīng)濟(jì)水平、人口數(shù)量、年齡結(jié)構(gòu)等方面具有代表性的原則抽樣選取獅子溝鄉(xiāng)六號(hào)村、高家營(yíng)鎮(zhèn)下新?tīng)I(yíng)村和高家營(yíng)村、紅旗營(yíng)鄉(xiāng)西紅旗營(yíng)村和下雙臺(tái)村、石嘴子鄉(xiāng)石嘴子村，分別編號(hào)為A、C、G、D、E、F，共計(jì)6個(gè)行政村，每個(gè)行政村隨機(jī)抽樣選擇5家農(nóng)戶，標(biāo)為1～5號(hào)，對(duì)選定的30家農(nóng)戶進(jìn)行農(nóng)村生活污水污染現(xiàn)狀調(diào)查。

1.2 調(diào)查內(nèi)容

對(duì)抽樣選定的30家農(nóng)戶進(jìn)行連續(xù)跟蹤調(diào)查，冬季持續(xù)時(shí)間為4 d，夏季持續(xù)時(shí)間為5 d，跟蹤記錄每戶每天的生活污水產(chǎn)生量，對(duì)1個(gè)行政村5家農(nóng)戶所產(chǎn)生的生活污水以村為單位取混合污水樣1 000 mL，所有監(jiān)測(cè)指標(biāo)均在12 h內(nèi)完成測(cè)定，連續(xù)監(jiān)測(cè)6個(gè)村每天的生活污水水質(zhì)情況。

1.3 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與方法

1.3.1 生活污水產(chǎn)生量 為抽樣選定的30家農(nóng)戶統(tǒng)一發(fā)放1～2個(gè)帶有刻度線的60 L塑料大桶作為生活污水收集容器，每24 h記錄1次生活污水產(chǎn)生量。

1.3.2 生活污水水質(zhì) 共監(jiān)測(cè)7項(xiàng)農(nóng)村生活污水水質(zhì)指標(biāo)，分別是化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand，簡(jiǎn)稱COD)、溶解氧(dissolved oxygen，簡(jiǎn)稱DO)濃度、酸堿度(pH值)以及氨態(tài)氮(ammonia nitrogen，簡(jiǎn)稱NH3-N)、總磷(total phosphorus，簡(jiǎn)稱TP)、總氮(total nitrogen，簡(jiǎn)稱TN)、懸浮物(suspended solids，簡(jiǎn)稱SS)濃度，所有監(jiān)測(cè)指標(biāo)均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析方法[5]進(jìn)行測(cè)定：COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定；NH3-N濃度采用納氏試劑分光光度法測(cè)定；TN濃度采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定；TP濃度采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定；SS和DO濃度采用便攜式儀器測(cè)定；pH值采用玻璃電極法測(cè)定。

1.3.3 計(jì)算公式 對(duì)1個(gè)村1 d內(nèi)生活污水中的各污染物濃度與1 d內(nèi)生活污水產(chǎn)生量加權(quán)平均得到1個(gè)村生活污水中各污染物的日均濃度：

(1)

對(duì)6個(gè)村生活污水中的各污染物日均濃度與其日生活污水產(chǎn)生量均值加權(quán)平均得到清水河流域農(nóng)村生活污水各污染物濃度：

(2)

農(nóng)村生活污水COD、NH3-N、TN、TP的產(chǎn)污系數(shù)為

(3)

式中：Wp，k為農(nóng)村生活污水污染物k的產(chǎn)污系數(shù)，g/(d·人)；Qp為污水產(chǎn)生量，L/(d·村)，表示每村所調(diào)查5戶的監(jiān)測(cè)值；x為村莊i的人口，人/村，表示每村所調(diào)查5戶的人口。

2 結(jié)果與分析

本調(diào)查所選的六號(hào)村、下新?tīng)I(yíng)村、西紅旗營(yíng)村、下雙臺(tái)村、石嘴子村和高家營(yíng)村等6個(gè)村的飲用水來(lái)源于各村自建飲用水井，自來(lái)水普及率為100%。由于當(dāng)?shù)貧夂驐l件、經(jīng)濟(jì)水平等因素的限制以及村民生活習(xí)慣的原因，調(diào)查區(qū)域內(nèi)的所有農(nóng)戶均沒(méi)有水沖式廁所和淋浴設(shè)施，農(nóng)戶使用的均是旱廁，因此收集的生活污水主要包括廚余廢水和洗衣廢水等灰水。76.7%的農(nóng)戶受當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境和長(zhǎng)期生活習(xí)慣的影響，1 d只吃2頓正餐，與其他地區(qū)一日三餐的習(xí)慣有明顯差異。6個(gè)村均無(wú)生活污水收集管網(wǎng)和處理設(shè)施，農(nóng)戶的環(huán)保意識(shí)較薄弱，所有生活污水隨意潑灑至開(kāi)闊地、街道路面、雨水渠或河溝等。

2.1 清水河流域農(nóng)村分散生活污水水量產(chǎn)生特征分析

在冬季、夏季分別連續(xù)4、5 d監(jiān)測(cè)6個(gè)村30家農(nóng)戶每天的生活污水產(chǎn)生量，發(fā)現(xiàn)清水河流域農(nóng)戶每天的人均生活污水產(chǎn)生量極不穩(wěn)定，在冬季和夏季所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的極值分別為1.0、38.0 L/(d·人)和1.7、33.0 L/(d·人)。對(duì)30家農(nóng)戶的人均生活污水產(chǎn)生量監(jiān)測(cè)可知，冬季每戶人均生活污水產(chǎn)生量4 d的平均值范圍為1.5～18.5 L/(d·人)，夏季每戶人均生活污水產(chǎn)生量5 d的平均值范圍為4.4～14.1 L/(d·人)，遠(yuǎn)低于我國(guó)其他省(市)地域農(nóng)村人均生活污水產(chǎn)生量(表1)[4，6-13]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，各個(gè)村基礎(chǔ)設(shè)施條件差異不明顯，每戶的人均生活污水產(chǎn)生量與該戶人均收入和所處的村鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)水平關(guān)系不大，農(nóng)戶的生活習(xí)慣、家庭成員年齡結(jié)構(gòu)和節(jié)水意識(shí)是影響生活污水產(chǎn)生量的重要因素。如下雙臺(tái)村和六號(hào)村整體經(jīng)濟(jì)條件不如高家營(yíng)村和石嘴子村，農(nóng)戶人均收入也較低，但是下雙臺(tái)村和六號(hào)村每戶人均生活污水產(chǎn)生量較高。E1號(hào)、E3號(hào)、D2號(hào)和D5號(hào)等4家農(nóng)戶家中均有兒童，且家庭成員年齡結(jié)構(gòu)較為年輕，在冬夏2季每戶人均生活污水產(chǎn)生量都相對(duì)較高。六號(hào)村A4號(hào)與該村其他4家農(nóng)戶基本情況差異不大，但該戶節(jié)水意識(shí)較弱，所以人均生活污水產(chǎn)生量比其他4戶都高。

表1 部分省(市)農(nóng)村人均生活污水產(chǎn)生量[4，6-13]

注：“—”表示無(wú)具體區(qū)域。

由表2可知，雖然各戶人均生活污水產(chǎn)生量波動(dòng)較大，但是以每個(gè)村為單位核算出的人均生活污水產(chǎn)生量波動(dòng)相對(duì)較小，其中冬季波動(dòng)最大的是西紅旗營(yíng)村，人均生活污水產(chǎn)生量的范圍為6.9～15.3 L/(d·人)，夏季波動(dòng)最大的是下雙臺(tái)村，人均生活污水產(chǎn)生量范圍為6.5～17.4 L/(d·人)。由于清水河流域地處張家口北部，冬季氣候寒冷且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)(約為5～6個(gè)月)，導(dǎo)致6個(gè)村冬季人均生活污水產(chǎn)生量整體略低于夏季，冬、夏季均值分別為7.0、8.4 L/(d·人)，就冬夏2季對(duì)6個(gè)村的調(diào)查數(shù)據(jù)均值來(lái)看差異并不大，僅為1.4 L/(d·人)，但夏季人均生活污水產(chǎn)生量波動(dòng)更小。總體而言，清水河流域農(nóng)村地處山區(qū)，氣候寒冷，經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，基礎(chǔ)設(shè)施落后，加上農(nóng)戶的生活習(xí)慣等因素，農(nóng)村人均生活污水產(chǎn)生量極低，僅為7.8 L/(d·人)，遠(yuǎn)小于華北地區(qū)農(nóng)村居民人均生活污水排放量參考取值15.0～25.0 L/(d·人)(戶內(nèi)有給水龍頭，無(wú)衛(wèi)生設(shè)備，只收集全部灰水進(jìn)入污水管網(wǎng))，造成這種差異的主要原因在于生活水平、水資源的豐富程度和地區(qū)的文化差異等[14-15]。

2.2 清水河流域農(nóng)村分散生活污水水質(zhì)特征分析

冬、夏季分別連續(xù)4、5 d監(jiān)測(cè)6個(gè)村的生活污水水質(zhì)，冬季監(jiān)測(cè)各村每天的COD、NH3-N濃度、TP濃度和pH值等4項(xiàng)指標(biāo)，夏季增加了對(duì)TN、SS、DO濃度的監(jiān)測(cè)，6個(gè)村的生活污水水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)圖1至圖6。

由圖1可知，6個(gè)村生活污水中的COD與季節(jié)變化關(guān)系不大，冬夏季沒(méi)有明顯差異，并沒(méi)有因?yàn)橄募旧钗鬯a(chǎn)生量較高而導(dǎo)致COD整體較低，每個(gè)村每天生活污水中的COD均有不同程度的波動(dòng)變化，六號(hào)村、下新?tīng)I(yíng)村、西紅旗營(yíng)村、下雙臺(tái)村、石嘴子村、 高家營(yíng)村等6個(gè)村生活污水中的COD分別為760～1 465、392～2 320、392～3 600、588～2 000、640～1 805、710～1 960 mg/L。各村生活污水中的COD日均值分別是六號(hào)村910.5 mg/L、下新?tīng)I(yíng)村1 115.9 mg/L、西紅旗營(yíng)村1 487.4 mg/L、下雙臺(tái)村 1 031.8 mg/L、石嘴子村 1 122.5 mg/L、高家營(yíng)村 1 235.7 mg/L。對(duì)6個(gè)村生活污水中的COD日均值與其日生活污水產(chǎn)生量均值加權(quán)平均求得清水河流域農(nóng)村生活污水的COD為1 157.8 mg/L，可見(jiàn)無(wú)論是各村的最大COD還是平均值，都遠(yuǎn)高于華北地區(qū)農(nóng)村居民生活污水水質(zhì)COD參考取值200～450 mg/L，與巢湖流域和滇池流域農(nóng)村生活污水的COD相當(dāng)[14，16]。

表2 6個(gè)村人均生活污水產(chǎn)生量

由圖2可知，六號(hào)村、下新?tīng)I(yíng)村、西紅旗營(yíng)村、下雙臺(tái)村、石嘴子村、高家營(yíng)村等6個(gè)村的生活污水NH3-N濃度分別為2.3～30.2、5.3～33.2、3.5～32.6、6.0～46.5、4.4～34.6、1.0～31.3 mg/L，各村生活污水中的NH3-N濃度日均值分別是六號(hào)村14.2 mg/L、下新?tīng)I(yíng)村10.8 mg/L、西紅旗營(yíng)村 11.6 mg/L、下雙臺(tái)村18.1 mg/L、石嘴子村16.7 mg/L、高家營(yíng)村11.0 mg/L，其中經(jīng)濟(jì)條件較差的下雙臺(tái)村無(wú)論是最大濃度還是日均值都是6個(gè)村中最高的，其次是經(jīng)濟(jì)條件較好的石嘴子村，可見(jiàn)生活污水中的NH3-N濃度與經(jīng)濟(jì)條件無(wú)關(guān)。對(duì)6個(gè)村生活污水中的NH3-N濃度日均值與其日生活污水產(chǎn)生量均值加權(quán)平均求得清水河流域農(nóng)村生活污水中的NH3-N濃度為14.0 mg/L，該值與城鎮(zhèn)生活污水中的NH3-N濃度相當(dāng)，較華北地區(qū)農(nóng)村居民生活污水水質(zhì)NH3-N參考取值20～90 mg/L略低。

由圖3可知，六號(hào)村、下新?tīng)I(yíng)村、西紅旗營(yíng)村、下雙臺(tái)村、石嘴子村、高家營(yíng)村等6個(gè)村的生活污水TP濃度分別為 2.5～9.4、0.6～13.3、1.8～19.5、2.5～9.5、2.7～18.4、0.5～6.5 mg/L，各村生活污水TP濃度日均值分別是六號(hào)村 4.7 mg/L、下新?tīng)I(yíng)村5.0 mg/L、西紅旗營(yíng)村7.0 mg/L、下雙臺(tái)村4.9 mg/L、石嘴子村6.9 mg/L、高家營(yíng)村3.1 mg/L，其中經(jīng)濟(jì)水平較好的下新?tīng)I(yíng)村、西紅旗營(yíng)村、石嘴子村無(wú)論是最大TP濃度還是日均值都較大，與這3個(gè)村經(jīng)濟(jì)水平較好的農(nóng)戶洗滌劑用量較大有關(guān)。對(duì)6個(gè)村生活污水中的TP濃度日均值與其日生活污水產(chǎn)生量均值加權(quán)平均求得清水河流域農(nóng)村生活污水中的TP濃度為5.4 mg/L，在華北地區(qū)農(nóng)村居民生活污水水質(zhì)TP濃度參考取值2.0～6.5 mg/L的范圍內(nèi)。

由圖4至圖6可知，6個(gè)村生活污水中的TN、SS、DO濃度范圍分別是3.0～92.0、333.0～1300.0、0.1～3.9 mg/L。各村生活污水中的TN、SS、DO濃度日均值見(jiàn)表3，可見(jiàn)雖然TN濃度有一定波動(dòng)，但都在合理范圍內(nèi)，對(duì)6個(gè)村生活污水中的TN濃度日均值與其日生活污水產(chǎn)生量均值加權(quán)平均求得清水河流域農(nóng)村生活污水中的TN濃度為34.4 mg/L；6個(gè)村生活污水中的SS濃度不僅變化范圍較大，而且日均值也非常高，對(duì)6個(gè)村生活污水中的SS濃度日均值與其日生活污水產(chǎn)生量均值加權(quán)平均求得清水河流域農(nóng)村生活污水中的SS濃度為697.6 mg/L，遠(yuǎn)高于華北地區(qū)農(nóng)村居民生活污水水質(zhì)SS濃度參考取值100～200 mg/L；除六號(hào)村和下新?tīng)I(yíng)村生活污水中的DO濃度較穩(wěn)定外，其他4個(gè)村生活污水中的DO濃度都很低，對(duì)6個(gè)村生活污水中的DO濃度日均值與其日生活污水產(chǎn)生量均值加權(quán)平均求得清水河流域農(nóng)村生活污水中的DO濃度為1.4 mg/L，約為城鎮(zhèn)生活污水中DO濃度的40%～50%。6個(gè)村生活污水的pH值為5.24～7.45，除極大值7.45外，其他所有監(jiān)測(cè)值均低于7.00，均值為6.14，可見(jiàn)清水河流域農(nóng)村生活污水整體呈酸性，這主要是由污水中SS濃度較高，同時(shí)DO濃度較低，導(dǎo)致微生物厭氧發(fā)酵產(chǎn)生酸性物質(zhì)所造成的。

2.3 清水河流域農(nóng)村分散生活污水產(chǎn)污系數(shù)

根據(jù)《第一次全國(guó)污染源普查技術(shù)規(guī)定》，在一定自然環(huán)境區(qū)域和一定經(jīng)濟(jì)收入水平下，每人每天正常生活所產(chǎn)生污染物的量即為農(nóng)村生活污染物產(chǎn)污系數(shù)[17]。清水河流域抽樣選定的6個(gè)村的生活污水中COD、NH3-N、TN、TP產(chǎn)污系數(shù)見(jiàn)表4，其中西紅旗營(yíng)村和下雙臺(tái)村人均污水產(chǎn)生量和產(chǎn)污系數(shù)均較高，2村在地理位置上均屬于中溝，且經(jīng)濟(jì)水平差異較大，可見(jiàn)生活污水產(chǎn)污系數(shù)受經(jīng)濟(jì)水平的影響不大，主要受生活習(xí)慣和節(jié)水意識(shí)等因素的影響。

表3 6個(gè)村生活污水污染物日均濃度

表4 6個(gè)村生活污水產(chǎn)污系數(shù)

清水河流域農(nóng)村生活污水人均日產(chǎn)生量和各污染物產(chǎn)污系數(shù)的平均值均遠(yuǎn)小于南方發(fā)達(dá)地區(qū)的農(nóng)村，與華北平原地區(qū)農(nóng)村相比，除COD略高外，其他3項(xiàng)指標(biāo)均較低[6，17]，如太湖流域農(nóng)村生活污水COD、NH3-N、TN、TP產(chǎn)污系數(shù)分別為24.13、4.39、6.49、0.53 g/(d·人)，華北平原地區(qū)農(nóng)村生活污水COD、NH3-N、TN、TP產(chǎn)污系數(shù)分別為7.87、0.58、1.31、0.07 g/(d·人)，造成該現(xiàn)象的原因是清水河流域農(nóng)村地處寒冷山區(qū)，在生活習(xí)慣、氣候條件和經(jīng)濟(jì)水平等方面與南方和華北平原地區(qū)有較大差異。

對(duì)清水河流域農(nóng)村生活污水水質(zhì)水量及產(chǎn)污系數(shù)的測(cè)算研究最終是為了確定農(nóng)村生活污水對(duì)環(huán)境的影響程度，為清水河流域水環(huán)境保護(hù)和實(shí)施分散型農(nóng)村生活污水處理技術(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該流域范圍內(nèi)農(nóng)村生活污水大部分是通過(guò)地表或地下徑流等方式進(jìn)入清水河的，而生活污水排放對(duì)環(huán)境的影響在自然環(huán)境中有一定的衰減[18]，本試驗(yàn)測(cè)算的農(nóng)村生活污水COD、NH3-N、TN、TP產(chǎn)污系數(shù)是指入河污染物產(chǎn)生源未經(jīng)自然環(huán)境要素衰減的凈排放，若要更加精確測(cè)算該流域內(nèi)農(nóng)村生活污水污染物入河量，還須要擴(kuò)大調(diào)查范圍，增加調(diào)查樣本，延長(zhǎng)調(diào)查時(shí)間，對(duì)影響污染物在環(huán)境中削減的要素進(jìn)行系統(tǒng)定量研究。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)清水河流域農(nóng)村生活污水產(chǎn)污特征監(jiān)測(cè)和抽樣調(diào)查研究，得出以下結(jié)論：

清水河流域農(nóng)村生活污水人均產(chǎn)生量為7.0～8.4 L/(d·人)，遠(yuǎn)低于其他地區(qū)，其值的高低與生活習(xí)慣、家庭成員年齡結(jié)構(gòu)和節(jié)水意識(shí)等有關(guān)，與經(jīng)濟(jì)水平關(guān)系不大，季節(jié)差異不明顯。

清水河流域農(nóng)村生活污水中的COD、SS濃度分別為 1 157.8、697.6 mg/L，均高于其他地區(qū)農(nóng)村生活污水；而DO濃度僅為1.4 mg/L，NH3-N濃度為14.0 mg/L，TN濃度為34.4 mg/L，TP濃度為5.4 mg/L，pH值為6.14，與其他地區(qū)農(nóng)村生活污水相當(dāng)[6-13]。對(duì)該流域內(nèi)農(nóng)村生活污水處理工藝的選擇除應(yīng)遵循低投資、小規(guī)模、耐低溫等原則外，也應(yīng)充分考慮極高的COD、SS濃度。

清水河流域農(nóng)村生活污水COD、NH3-N、TN、TP產(chǎn)污系數(shù)分別為9.038、0.108、0.263、0.042 g/(d·人)，該產(chǎn)污系數(shù)可為評(píng)估清水河流域內(nèi)農(nóng)村生活污水對(duì)清水河水環(huán)境的影響以及評(píng)估華北山區(qū)農(nóng)村生活污水對(duì)環(huán)境的影響提供一定的數(shù)據(jù)支持。

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