环境工程课程设计

环境工程课程设计

课题名称：传统活性污泥法中核心构筑物设计

院 系：

完成时间： 2015 年 7月 5 日

环境工程学课程设计任务书

学生姓名 课题名称 传统活性污泥法中核心构筑物设计—初沉池和曝气池 设计条件： 某城区拟采用传统活性污泥法工艺处理其生活污水， 设计生活污水流量为100000m3/d； 进水水质：BOD5为200mg/L，TP为5 mg/L，SS为250 mg/L，COD为450 mg/L ，TN为20 mg/L。 出水水质要求：BOD5为20mg/L，COD为30 mg/L ,TP为1.0 mg/L，SS为20 mg/L，TN为5 mg/L。

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排放标准：（GB8978-1996）《污水综合排放标准》 设计要求： 设计说明书一份(不少于5000字)，内容要求： (1)掌握传统活性污泥法二级污水处理厂主要构筑物的设计计算及计算机绘图方法，主要包括格栅、污泥泵房、沉砂池、初沉池、曝气池、二沉池、污泥浓缩池、以及高程的计算. (2)确定曝气池的尺寸，并对供气量进行计算。 (3)绘制曝气池的平面布置图和剖面图。 参考资料：参考资料： 1 1 张自杰.排水工程[M].北京：中国建筑工业出版社，1996 2 孙力平.污水处理新工艺与设计计算实例[M].北京：科学出版社,2001 3 娄金生编.水污染治理新工艺与设计[M]..北京：海洋出版社，1999，3 4 曾科，卜秋平，陆少鸣.污水处理厂设计与运行[M]..北京:化学工业出版社,2001 5 高廷耀,顾国维.水污染控制工程[M].北京：高等教育出版社，1999 6 张中和.排水工程设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1986 7 郑兴灿. 污水生物除磷脱氮技术[M].北京：中国建筑工业出版社，1992 目录

1 引言..............................................3 2.工艺选择

2.1传统活性污泥法的背景及现状.........................4 2.2工艺设计原始资料..................................4 3.设计计算

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3.1传统活性污泥法流程图 ..............................5 3.2各处理单元设计计算

3.2.1 3.2.2

格栅计算...................................6 污泥泵房尺寸计算..........................7

3.2.3沉砂池尺寸计算............................8 3.2.4初沉池及其计算 ...........................9 3.2.5曝气池及其计算...........................11 3.2.6曝气系统的计算与设计.....................13 3.2.7供气量的计算 ............................14 3.2.8二沉池的设计计算...............................15

3.2.9污泥浓缩池设计计算.......................18 结语、致谢、参考文献..............................20 1 引言

随着我国社会经济持续快速的发展，环境问题逐渐变得突出，特别是城市水环境的恶化，尤为加剧了水资源的短缺，影响着人民群众的身心健康，水已经成为城市能否可持续发展的严重制约因素。最近年来以来，国家和地方政府非常的重视污水处理事业的发展，城市污水处理工程的建设正在以前所未有的速度向前逐步推进，有数百座污水处理厂正在工程设计和建设中。在建设污水处理厂的这一进程中，城市污水处理工艺的选择必将会是工程界面临的一个不可避免的首要问题。

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决定城镇污水处理厂投资和运行资本很重要的一个现实因素就是是污水处理工艺的选择。一座污水处理厂处理工艺的选择，虽然是由污水水质、水量、排放标准等因素来确定的，但是污水处理厂投资和运行成本也是一个极为重要的因素，不能过分的强调污水处理工艺的前沿性，先进性，以实际出发才为更加重要。污水处理的实质就是要用有限的资金来解决我们面临的日益严重的水污染问题。 城市污水主要是包括生活污水，自然雨水和工业废水的混合污水。对于现在的城市污水的排放现状已经造成了对水环境生态系统的严重污染，修建城市污水处理厂是做好城市污水的处理和再生利用的任务之一，同样也是解决城市污水对水环境污染的重要途径。

对于工业废水和城市污水是合并处理还是分别处理,世界各国都有不同的意见,我国更为突出。工业废水与城市污水处理的关系能否更加合理的解决,关系到资金在运转过程中如何才能获得更大的回报。要使得各地区能够正确落实因地制宜,区别对待的方针是极其重要的。我国是一个地域广大,资源丰富，各地的气候、地貌、经济条件的差异时巨大的,城市规模的大小不同、性质也不相同,因此不可能有一种废水处理方案来针对所有城市。只有深入的研究各地区的状况，通过多方案的比较,才能找出适合本地的污水处理的工艺。

坚持不同区域吧同对待，因地质疑，分开来建设,近期为主要,远近期结合的方针。这对于合理、快速地解决我国城镇污水水处理问题是很重要的。城市废水厂的建设可以从小到大，从少到多,从低级到高级。结合我国实际现状,尽量开发高效、低耗的处理工艺,以便在财力、物力都不是很不充足的条件下,能够经济有效地解决水污染和防治问题。

总而言之，污水处理厂的建设是十分必要的，是迫在眉睫的事情。党的十八大报告也指出，建设中国特色社会主义，总布局是政治建设、经济建设、文化建设、社会建设和生态文明建设五位一体，要大力推进生态文明建设，使得我国的经济更加繁荣，社会更加和谐，人民的物质生活精神神火得到更大的提高。

2.工艺选择

传统活性污泥法中核心构筑物设计

2.1传统活性污泥法的背景及现状

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活性污泥法工艺是一种有效的传统污水处理的方法，同样也是一项很有发展前景的污水处理技术。传统活性污泥法对进水水质的要求不高有很强的适应能力，运行灵活，有良好的控制性。还可以人为的控制厌氧区和好氧区，可以达到脱氮除磷的效果。自其从发展以来就有了很多的改进工艺如传统曝气工艺，完全混合工艺，阶段曝气工艺，吸附再生工艺，延时曝气工艺，高负荷曝气工艺，深井曝气工艺，纯氧曝气工艺。这些工艺都有各自的优缺点，在选着是用何种工艺的时候应该考虑进水水质的特点以及出水指标等情况。

传统活性污泥法处理流程包括曝气池、沉淀池、污泥回流及剩余污泥排除系统等基本组成部分。污水和回流污泥一起进入曝气池形成混合液。曝气池是一个生物反应池，曝气设备将空气传入污水中，空气重的氧气溶入污水中，污泥中的微生物发生好氧代谢反应，消耗掉污水中的有机物，同样利用污水中的有机物微生物自身也进行繁殖，增加了活性污泥的量，污水经过二沉池之后将污泥沉淀，出水经过紫外消毒渠后将有害的微生物杀灭。出水即符合国家出水标准。

2.2工艺设计原始资料

某城区拟采用传统活性污泥法工艺处理其生活污水，设计生活污水流量为100000m3/d；进水水质：BOD5为200mg/L，TP为5 mg/L，SS为250 mg/L，COD为450 mg/L ，TN为20 mg/L。

出水水质要求：BOD5为20mg/L，COD为30 mg/L ,TP为1.0 mg/L，SS为20 mg/L，TN为5 mg/L。排放标准：（GB8978-1996）《污水综合排放标准》。

3.设计计算

3.1传统活性污泥法流程图

传统活性污泥法工艺流程:

污水→格栅→提升泵房→沉砂池→初沉池→曝气池→二沉池→接触池→处理水

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排放

3.2各处理单元设计计算

3.2.1格栅计算 ① 栅槽宽度

设明渠数N1=1，明渠有效水深h1=0.5 m，水流速度v1=0.6 m/s，则明渠宽度B1为

B1=Q设/（N1·v1·h1）=1.1574/（1×0.6×0.5）=3.858 m

取栅前水深h=0.5 m，过栅流速v=0.8 m/s，栅条间隙宽度b=0.015 m，格栅倾角a=90°，格栅数N=1，则栅条间隙数n为 n=Q设（Sin a）1/2/N·b·h·v

n=1.1574×1/（1×0.015×0.5×0.8）=193个 设栅条宽度S=0.01 m，则栅槽宽度B为

B=S（n–1）+b·n=0.01×（193–1）+0.015×193=4.825 m ② 水流通过格栅的水头损失

水头损失为 ∑h=kβ（S/b）4/3 Sin a v2/2g 其中：k—格栅受污堵塞后水头损失增大倍数，取 k=3；

β—形状系数，本设计中，栅条采用迎水面为半圆的矩形断面，β=1.83；

S—栅条宽度，S=0.01 m； b—栅条间隙宽度，b=0.015 m； a—格栅倾角，a=90°； v—过栅流速，v=0.8 m/s；

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则 ∑h=3×1.83×（0.01/0.015）4/3×1×0.82/（2×9.8）=0.1 m ③ 栅槽总高度

栅槽总高度H=h+h2+∑h h—栅前水深，h=0.5 m；

h2—栅前渠道超高，取h2=0.3 m； 则栅槽总高度 H=0.5+0.3+0.1=0.9 m ④ 栅槽总长度

栅槽总长度L=L1+L2+1.0+0.5+H1/tg a

其中：L1—进水渠道渐宽部分长度，L1=（B–B1）/2tg a1； L2—栅槽与出水渠道渐缩部分长度，L2=L1/2； H1—栅前槽高，H1=h+h2=0.5+0.3=0.8 m； a1—进水渠展开角，取a1=20°； 将各参数代入上式，则

L=（4.825–3.858）/2tg20°+（4.825–3.858）/4tg20°+1.5=3.57 m ⑤ 每日栅渣量

每日栅渣量W=Q·W1/103

W1—栅渣量，本设计取为0.1 m3栅渣/1000 m3 污水； 则 W=100000×0.1×/1000=10m3/d，采用机械除污设备。 3.2.2污泥泵房尺寸计算 1流量的确定Q

Qmax=5833.3 m3/h，取设计秒流量为1620L/s

选择集水池与机器间合建式矩形泵房，本设计拟订选用5台泵（4用1备），则每台泵的设计流量为：

Q=Qmax/4=1620/4=405 L/s 2集水池容积V

① 泵站集水池容积一般取最大一台泵5～6分钟的流量设计

V=405*60*6/1000=146m3

②有效水深h为3.5米，则水池面积F为:F=V/h=146/3.5=41.71m2 3扬程的估算H

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H=Hst+2.0+1.0

式中：2.0——水泵吸水喇叭口到沉砂池的水头损失；

1.0——自由水头；

Hst——水泵集水池的最低水位H1与水泵出水管提升后的水位H2之差；水泵集水池的最低水位H1按吸水井有效水深2.0m计算，则： H1=进水管底标高+h–集水池有效水深－过栅水头损失 =28.8+1.6*0.75－2－0.1=27.9m H2=厂区地面标高+（4m-5m自由水头） Hst=H2-H1=39.5-27.9=11.6m 则水泵扬程为：

H=Hst+2.0+1.0=11.6+2+1.0=14.6m 3.2.3沉砂池尺寸计算

设计参数：基础流量为100000m3/d，变化系数1.4。 则设计流量Qmax=100000×1.4m3/d=140000m3/d=1.62m3/s。 设计水力停留时间t=30s；水平流速v=0.25 m／s 1采用v=0.25m/s，t=30s,则沉砂池长度：

L=vt=0.25×30=7.5m

2沉砂池水流断面面积： A=Qmax/v=6.48m2

3设计沉砂池有效水深：采用h2=1.0米

4池总宽B=6.48/1.0=6.48m,共分3格，每格宽度b=2.16m 5沉砂斗所需容积（总砂量）：

假定沉砂量为：30m^3砂/10万m^3水，每天两排一次砂，则 V=QmaxTX/400000=250000*30*2/6000000=2.5m^3

（每组沉砂池设两个沉砂斗，两组共有6个沉砂斗） 其中城市污水沉砂量：X=3m^3/10^5m^3.

6沉砂斗各部分尺寸及容积：

设计斗底宽a1=0.50m，斗壁与水平面的倾角为60°，贮砂斗高为： h3=（2.16-0.5）/2×√3=1.44m

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则沉砂斗上口宽：a=2*h3/tan60+a1=2.16m

沉砂斗容积：V=h3/3*(a^2+aa1+a1^2)=2.88m^3>2.5, 即V1?V0 故沉砂斗容积够用，符合要求。

7沉砂室的高度h4采用重力排砂，池底坡度i?6%，坡向砂斗，则 L2=（L-2a-a’）/2=1.49m

所以 h4=h3+0.06L2=1.44+0.06*1.49=1.53m 式中：a'为沉砂斗间距，m（a’=0.2m） 8池子总高度（H）设超高h1=0.3m H=h1+h2+h4=0.3+1+1.53=2.83m

式中：h1为超高，m

h2为设计有效水深，m

h4为沉砂室高度，m 9验算最小流速

在最小流量时，工作的池子个数为n1，在这里n1?1，则： Vmin?QminWmin=0.539m/s>0.15m/s

n1符合要求

3.2.4初沉池及其计算

初次沉淀池是借助于污水中的悬浮物质在重力的作用下可以下沉，从而与污水分离，初次沉淀池去除悬浮物40%~60%，去除BOD20%~30%。

初次沉淀池按照运行方式不同可分为平流沉淀池、竖流沉淀池、辐流沉淀池、斜板沉淀池。

设计中采用平流沉淀池，平流沉淀池是利用污水从沉淀池一端流入，按水平方向沿沉淀池长度从另一端流出，污水在沉淀池内水平流动时，污水中的悬浮物在重力作用下沉淀，与污水分离。平流沉淀池由进水装置、出水装置、沉淀区、缓冲层、污泥区及排泥装置组成。

沉淀池设三组，N=3组，每组设计流量Q=0.444m3 /s。 沉淀池表面积：

F=3600Q/q'

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F——沉淀池表面积（m2）；

q'——表面负荷（m3/m2·h），一般采用1.5-3.0m3/m2·h。 设计中取q’=2，得到 F=789.6m2。 沉淀部分有效水深：

h2=q＇×t

t——沉淀时间(h)，一般采用1.0-2.0h。 设计中取t=1.5h，得到 h2=3.0m。 沉淀部分有效容积：

V’=Qt×3600

得到V’=2395.8 m3 。

沉淀池长度：L=3.6vt

v ——设计流量时的水平流速(mm/s),一般采用v≤5mm/s。 设计中取v=5mm/s，得到 L=27m。

沉淀池宽度：B=F/L

得到 B=29.58m。 沉淀池格数：n1=B/b

b ——沉淀池分格的每格宽度（m）。 设计中取b=4.8m，得到n1=6.1625个，取n1=7个。 校核长宽比及长深比：

长宽比为5.6，大于4，满足要求。 长深比为9，满足8-12之间的要求。

污泥部分所需容积：V=Q(C1-C2)86400T100/(K2? (100-p0)n×10^6

Q——设计流量（m3 /s）；

C1——进水悬浮物浓度（mg/L）；

C2——出水悬浮物浓度（mg/L），一般采用沉淀效率η=40%-60%； K2——生活污水量总变化系数； γ——污泥容重（t/m3），约为1； p0——污泥含水率（%）。

设计中取每次排泥间隔时间T=1d，污泥含水率P0=97%，沉淀池的沉淀效率

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η=50%，出水悬浮物浓度C2=20 mg/L，计算得 V=97.96m3 。

每格沉淀池污泥部分所需容积：V’=V/n1

得到V’=14m3。

污泥斗容积： V1=h4(a^2+a1+a1^2)???

a——沉淀池污泥斗上口边长（m）；

a1——沉淀池污泥斗下口边长（m），一般采用0.4-0.5m； h4——污泥斗高度（m）。

设计中取a=4m，h4 =3.72m，a1=0.4m，得到V1=22m3 >14m3 。

沉淀池总高度： H=h1+h2+h3+h4

h1——沉淀池超高（m），一般采用0.3-0.5； h3——缓冲层高度（m），一般采用0.3m；

h4——污泥部分高度（m），一般采用污泥斗高度与池底坡度i=1‰的高度之和。

设计中取h1=0.5m，h3=0.3m，得h4=3.95m，得到H=7.75m。 3.2.5曝气池及其计算

设计中采用传统活性污泥法。传统活性污泥法，又称普通活性污泥法，污水从池子首端进入池内，二沉池回流的污泥也同步进入，废水在池内呈推流形式流至池子末端，其池型为多廊道式，污水流出池外进入二次沉淀池，进行泥水分离。污水在推流过程中，有机物在微生物的作用下得到降解，浓度逐渐降低。传统活性污泥法对污水处理效率高，BOD去除率可达到90%以上，是较早开始使用并沿用至今的一种运行方式

（1）污水处理程度计算：

假定一级处理对BOD5的去除率为25%，则进入曝气池中污水的BOD5浓度为：

Sa=SY×(1- 25%)

计算得Sa=150mg/L。

污水经二级处理后，出水中BOD5为 20mg/L，由此确定污水处理程度η。 计算得到ηBOD5=86.7%。 （2）BOD5-污泥负荷率：Ns=K2Sef/η

NS——BOD5-污泥负荷率，kgBOD5/kgMLSS˙d；

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K2——有机物最大比降解速度与饱和常数的比值，一般采用0.0168—0.0281之间；

Se ——处理后出水中BOD5浓度（mg/L）；按要求应小于20mg/L； f ——MLVSS/MLSS值，一般为0.7—0.8； η——BOD5的去除率，为86.7%。

设计中取k2=0.02，Se=20mg/L，f=0.75，计算得到 NS =0.346kgBOD5/(kgMLSS˙d)。

（3）曝气池内混合液污泥浓度计算：X=(R×r×10^6)/((1+R) ×SVI)

X——混合液污泥浓度（mg/L）；

R——污泥回流比，一般采用25%—75%；˙ r——系数；

SVI——污泥容积指数，根据NS，查图得SVI =120。 设计中取R=50%，r=1.2，计算得到 X =3333.3mg/L。

（4）曝气池的有效容积：V=QSa/(NsX)

V——曝气池有效容积（m3 ）；

Q——曝气池的进水量（m3/d）；按平均流量计算； Sa——曝气池进水中BOD5浓度值（mg/L）。

设计中Q=100000m3/d，Sa=150mg/L，计算得到 V =13005.9m3。 （5）单座曝气池面积：

设计中取2个曝气池，则每组曝气池的有效容积13005.9/2=6503m3 。单座曝气池面积：

F=V1/H

F——单座曝气池表面积（m2 ）； H——曝气池的有效水深（m）。

设计中取曝气池的有效水深H =4.2m，则 F=1548.3m2。

（6）曝气池长度：L=F/B

L——曝气池长度（m）； B——曝气池宽度（m）。

设计中取曝气池宽度B =5.0m， B/H=1.19，介于1-2之间，符合规定，

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计算得 L=309.7m。L/B=61.9>10，符合规定。共设7廊道，每廊道长44.2m，取为45m。

（7）曝气池总高度： H总 =H+h

H总——曝气池总高度（m）； h——曝气池超高（m），一般取0.3—0.5m。 设计中取 h=0.5m，则 H=4.7m。

在曝气池面对初次沉淀池和二次沉淀池的一侧，各设横向配水渠道，并在每两池中部设纵向中间配水渠道与横向配水渠道相连接，在两侧横向配水渠道上设进水口。

3.2.6曝气系统的计算与设计：（本设计采用鼓风曝气系统）

（1）平均时需氧量的计算 O2=aˊQSr+bˊVXV

aˊ——氧化每千克BOD所需氧的质量（Kg），一般取为0.42-0.53； bˊ——污泥自身氧化的氧化率，一般为0.18-0.11； Q——污水的平均流量（m3/d）；

XV ——挥发性悬浮固体（MLVSS）浓度（kg/m3 ），满足XV=0.75X； Sr——去除的BOD浓度（kg/m3）

设计中取aˊ=0.5，bˊ=0.15，XV=2500mg/L=2.5kg/m3，Sr=130/1000=0.13kg/m3，O2=11377.2kg/d=474kg/h。

（2）最大时需氧量的计算： O2max=aˊQKSr+bˊVXV

由K=1.15得O2max=12352.2kg/d=514.7kg/h。 （3）每日去除的BOD5值：

BOD5=100000×(150-20)/1000=13000kg/d。

（4）去除每kgBOD的需氧量

△O2=11377.2/13000=0.875kgO2/kgBOD。 （5）最大时需氧量与平均时需氧量之比 O2max / O2=514.7/474=1.086。 3.2.7供气量的计算

采用网状膜型中微孔空气扩散器，敷设于距池底0.2m处，淹没水深4.0m，计算温度定为30℃。

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查表得水中溶解氧饱和度：

CS（20）=9.17mg/L；CS（30）=7.63mg/L。 （1）空气扩散器出口处的绝对压力（Pb）：

Pb=1.013×105+9.8×103H=1.405×105Pa。 （2）空气离开曝气池面时，氧的百分比：

Ot=21(1-EA)/[79+21(1-EA)]×100%

EA——空气扩散器的氧转移效率，对网状膜型中微孔空气扩散器，取值12%。

计算得Ot=21(1-0.12)/[79+21(1-0.12)]×100%=18.96%。 （3）曝气池混合液中平均氧饱和度（按最不利的温度条件考虑）： Csb（T）=Cs (Pb/2.026×105+Ot/42)

最不利温度条件按30℃考虑，计算得Csb（30）=8.74mg/L。 （4）换算为在20℃条件下，脱氧清水的充氧量：

R0=R Csb（20）/[?(?·?·Csb（T）-C)·1.024 (T-20) ]

R——混合液需氧量（kg/h） α，β——修正系数； ρ——压力修正系数；

C——曝气池出口处溶解氧浓度（mg/L）。

设计中取α=0.82；β=0.95；C =2.0；ρ=1.0，计算得R0=663.4kg/h。 相应的最大时需氧量为：

R0=514.7×9.17/[0.82×(0.95×1.0

×8.74-2.0)×1.024)2030(?]=720.4kg/h。

（5）曝气池平均时供气量：

Gs=R0/(0.3EA)×100

计算得Gs=18427.8m3/h。 （6）曝气池最大时供气量：

GSMAX=720.4/(0.3×12)×100=20011.1m3/h。

（7）去除每kgBOD5的供气量：

18427.8/13000×24=34m3空气/kgBOD。

（8）每m3污水的供气量：

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18427.8/100000×24=4.42m3空气/ m3污水。

（9）本系统的空气总用量：

除采用鼓风曝气外，本系统还采用空气在回流污泥井提升污泥，空气量按回流污泥量的8倍考虑，污泥回流比R取值50%，这样提升污泥所需空气量为：

8×0.5×100000/24=16666.7m3/h

总需气量：

20011.1+16666.7=36677.8m3/h

3.2.8二沉池的设计计算 (1) 已知条件

日处理量Q=1×105（t/d）=4167（m3/h）=1.16m3/s=116L/s，总变化系数Kz=1.5， 日处理水量的最大值Qmax=Q×Kz=4167×1.5=6250.5m3/h=1.736m3/s； 混合液悬浮固体浓度X=3333.3mg/L；回流比R=50%。

采用普通辅流式沉淀池，中心进水，周边出水，共6座，沉淀池表面负荷q取1.5m3/(m2·h) (2)设计计算

(1)每座沉淀池的表面积A和池径D A=

Qmax6250.5==694.5m2

nq6?1.5D=

4A4?694.5==29.7m,取D=30m π3.14单池最大设计流量 Q’=

Qmax6250.5==1041.75（m3/h）=0.289（m3/s） n6（2）沉淀池的有效水深h

h=qt=1.5×2=3m，式中t——沉淀时间，取2h

30=10，在6至12之间 3（3）污泥部分所需容积V 径深比为：h=

X=

RXr 1?R15

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5f7v.html