第26卷第3期2006年3月
环 境 科 学 学 报 A cta Scientiae C ircu m stantiae
V o.l 26,N o .3M ar .,2006
基金项目:广州市科技局科技攻关重大项目(No .2002Z1-E0022);广州市环保局市级污染防治专项资金项目(No .2000-001)
Supported by t h e Nat u ral Science Foundati on ofGuangzhou M un ici pal Science and Tec hno l ogy Bu reau (No .2002Z1-E0022);Polluti on Preventi on and C on trol Speci al Foundati on of Guangz hou M un i cipalEn vi ronm ent Protecti on Bureau (N o .2000-001)作者简介:凌 霄(1976 ),男,博士研究生,E-m ai:l gzli ngxiao @163.co m;*通讯作者(责任作者)
Biography :LI NG X i ao (1976 ),m al e ,Ph.D .candidate ,E-m ai:l gzlingxiao @163.co m;*Correspondi ng author
凌 霄,胡勇有,马 骥.2006.曝气生物滤池铝盐化学强化与生物协同除磷[J].环境科学学报,26(3):409-415
L i ng X ,H u Y Y,M a J .2006.Phos phorus re m oval by b i oche m ical syn erg i sti c preci p itati on i n upflo w b iol og i ca l aerated filter by us i ng al um i num ch l ori d e [J].Acta S ci en tiae C i rcum stanti ae ,26(3):409-415
[免审稿件]责任编辑提示:本刊欢迎广大读者针对免审稿件提出各种意见
曝气生物滤池铝盐化学强化与生物协同除磷
凌 霄,胡勇有*
,马 骥
华南理工大学环境科学与工程学院,广州510641
收稿日期:2005-11-09 修回日期:2005-12-30 录用日期:2005-12-31
摘要:为了解投加铝盐后曝气生物滤池的除磷效果及其对去碳、硝化功能和生物膜、生物相的影响,通过同步比较在投加药剂和不投加药剂情况下小试曝气生物滤池的净化效果和生物膜结构特征、生物相组成.结果表明,当反应器水力负荷和进水总磷(TP)负荷分别为1.3
m 3 m -2 h -1
和0.12~0.13kg m -3 d -1时,TP 的去除随铝盐投加量的增加而增加,但并不成正比例增加.投加铝盐后TP 去除率可提高70%~
86%.当投加系数 1.5时,适当加大气水比有利于除磷,但当投加系数 1.75时,加大气水比对TP 的去除没有影响.当气水比为(3~5) 1、投加系数 1.75时,曝气生物滤池出水TP<0.5m g L -1;若气水比增加到7 1时,投加系数可进一步降低至1.5.投加铝盐对浊度、COD 去除的贡献率分别只有4%~7%和5%~13%,而对氨氮的去除影响甚微.投加铝盐后反应器进水端陶粒表面发现大量网状絮体,出水端却较少.投加铝盐对生物膜中微生物的种类和数量的影响很小.
关键词:曝气生物滤池;化学强化除磷;生物除磷;协同作用;生物膜;生物相
文章编号:0253-2468(2006)03-0409-07 中图分类号:X703.1 文献标识码:A
Phosphorus re m oval by bioche m ical synergistic preci pitation i n upfl o w biol ogical aerated filter by usi ng al u m i nu m chlori de
LI N G X iao ,HU Y ongyou *
,MA Ji
C ollege ofEn vi ronm ental Science and Engi n eeri ng ,Sou t h C h i na Un i versit y ofT echnol ogy ,Gu angzhou 510641R ecei ved 9Nove m ber 2005; received i n revi sed f or m 30Dece m ber 2005; accepted 31Dece mber 2005
A bs tract :To compare w it h t he re moval effi ciency of totalphosphate (TP)and the infl uence of c h e m ical dos ed on t o t he reactors on the re m oval of organ ic m atter ,a mm on i a n itrogen (NH +4-N )and b i ofil m ,t w o pilot -scal e upflo w b i o l og i cal aerated filt ers (UBAF),UBAF -1w i th a l u m i num ch loride and UBAF-2w it h out che m i cal agent ,at hydrau li c l oad i ng rate (H LR)of 1.3m 3 m -2 h -1and TP loadi ng rate of 0.12~0.13kg m -3 d -1w ere operated syn chronously us i ng artifici alw ater .The re moval effi ciency ofTP i n UBAF -1w as 70%~86%m ore than the one i n UBAF -2.The results de m on strate t hat t he re m oval effici en cy of TP i ncreases graduall y d is p roporti onatl y w ith the i n crease of ch e m ical dos i ng ratio (A l/P m ol ratio).Th e su i tab le i ncrease of gas /li qu i d rati o w as i n f avor of re movi ng TP as che m i cal dose rati o w as l ess than or equa l t o 1.50.Bu t the i n crease of gas /liqu i d ratio had al m os t no i n fl u ence on t h e re m oval ofTP wh en t he che m ical dos i ng rati o w as h i gh er than or equal t o 1.75.The TP effl u ent concentrati on w as l ess than 0.5m g L -1w hen t he c h e m ical dose rati o w as m ore t h an 1.75w it h gas /liqu id rati o i n range of3~5.The sa m e res u lt could be achieved w hen che m i caldose rati o w as 1.50w it h gas /li qu i d rati o of 7.Th e ch e m ical dos i ng w as advan tageous t o t he re moval of t u rbidity and COD,wh ich contri bu ted respecti vel y 4%~7%and 5%~13%reducti on ,but it h ad little infl uence on the re m oval ofNH +4-N.M anym es h-struct ure flocs w ere ob s ervied on the s u rf ace of t h em ed i a near t h e i n l et ,bu t fe w on t h e s u rf ace of t h e media near the ou tlet ofUBAF -1.A l um i num ch l ori de preci p itati on s have little eff ect on the speci es and qu anti ti es of m i croorgan i s m.
K eywords :b i ological aerat ed filter ;che m i ca l enhance m ent phosph oru s re m ova;l b iol og i cal phosphoru s re m ova;l synergistic ;b i ofil m ;b i ofacies
据文献报道,当水力停留时间为4~5h 时,曝气生物滤池除磷效率达到80%以上,出水PO -4
-P 浓
度小于1.0m g L
-1
(Gonca l v es et al .,1992a ;
1992b ;Gonca l v es et al .,1994).可见,实现曝气生
环 境 科 学 学 报26卷
物滤池高效生物除磷需要较长的水力停留时间,这是不经济的.但是在通常情况下曝气生物滤池物理过滤除磷效率最高可达35%(C lark et al.,1997).为此,反应器需要通过投加化学药剂来强化除磷(Roga lla et al.,1990;Goncalves et al.,1994;C lark et al.,1997).此时,磷的去除主要通过絮凝和沉淀来实现,而生物和过滤作用可去除沉淀后剩余磷的50%(Rogalla et al.,1990).化学强化后磷的去除率最高可达85%,出水TN和TP分别为8.3m g L-1和0.8mg L-1(C lark et a l.,1997).不过,据Roga lla 等(1990)报道,铝盐会抑制曝气生物滤池的硝化作用.但C lar k等(1997)研究却表明,化学强化不影响BOD5、COD、TKN和SS的去除,而且也不影响滤池运行周期和水头损失(S tense l et al.,1988).从出水水质、工艺稳定性和运行成本角度来分析,Fe/P最佳质量比为2.00(Stense l et al.,1988),若采用模糊控制系统后可降低至1.50(C lar k et al.,1997);若要保证出水磷浓度分别小于1.0m g L-1和2.0 m g L-1,Fe/P最佳质量比则可降至1.25和1.00 (C lark et al.,1997).这些研究表明,化学强化曝气生物滤池除磷是一种高效低成本工艺.然而,有关曝气生物滤池投加铝盐强化除磷的研究及其对净化效果、生物膜结构特征和生物相的影响却鲜见报道.
为此,本文通过同步运行投加和不投加铝盐的2套小试上向流曝气生物滤池,比较分析曝气生物滤池的除磷效果及其对浊度、COD、氨氮的去除效果的影响,了解陶粒生物膜结构特征和生物相组成特点,以期为曝气生物滤池投加铝盐强化除磷的应用提供依据.
1 材料与方法(M ater i a ls and m ethods)
1.1实验装置及材料
有机玻璃制作的上向流曝气生物滤池(Upflo w B io l o g icalA erated Filter,UB AF)见图1所示,直径150mm,高3.5m,有效填充高度2.0m,在填料层高度0.5m、1.7m处设有陶粒取样口.陶粒粒径、比表面积、堆积密度分别为3~6mm、3.99m2 g-1和1.08kg m-3.UBAF-1运行时投加铝盐,UBAF-2运行时不投药.空气压缩机曝气.人工配水(酸碱度采用HC l、N a OH和Na HCO
3
调节,COD、氨氮和磷浓度分别通过投加工业葡萄糖、NH4C l和K2H PO4配制),其主要水质指标见表1.铝盐采用无水A l C l3配制
.
图1 上向流曝气生物滤池实验装置示意图
F i g.1 S che m atic d iagra m of up flo w b i o l og i cal aerat ed filters duri ng
experi m en t
表1 进水主要水质指标
T ab l e1 The w ater quali ty of i n fluent
p H
浊度
/NT U
COD
/(m g L-1)
NH+4-N
/(m g L-1)
TP
/(m g L-1)
Cl-1
/(m g L-1) 6.8 0.345.3 12.1153.8 36.321.5 4.36.0 0.780.1 14.2 1.2实验方法
实验历时47d(从2005年3月1日至4月16日).两个滤池运行的水力负荷、理论水力停留时间、进水总磷(TP)负荷分别为1.3m3 m-2 h-1、34.2 m i n、0.11~0.15kg m-3 d-1.运行气水比分别为3 1、5 1和7 1.药剂投加量以投加系数表征(即药剂与总磷的摩尔比,A l/P m o l ra ti o),在每个气水比条件下按投加系数分别为1.00、1 50、1 75和2.00进行投药.当气水比和加药量改变时,反应器连续稳定运行3d.每日下午采样监测,并取3d平均值作为监测结果.当每个运行条件结束后对滤池进行反冲洗,以尽可能消除残余铝盐.
浊度、C OD、NH+4-N、TP采用标准方法测定(国家环保总局《水和废水监测分析方法》编委会, 2002).生物膜结构特征采用FE I–XL30环境扫描电子显微镜(皇家飞利浦,阿姆斯特丹,荷兰)观察拍摄.生物相组成则在扫描电镜观察的基础上进一步采用N ikon YS2-H双目生物显微镜(尼康株式会社,东京,日本)和Canon PC1004数码相机(佳能株式会社,东京,日本)对陶粒脱膜混合液进行观察拍摄.
410
3期凌 霄等:曝气生物滤池铝盐化学强化与生物协同除磷2结果(Resu lts)2.1
总磷去除效果
2.1.1
生物除磷效果 从图2可见,当气水比为
3 1、进水TP 平均浓度为6.0m g L -1
、进水TP 负荷
为0.12kg m -3 d -1
时,UBAF-2出水TP 浓度和去除率分别为5.2mg L -1
和13%;当气水比为5 1、进水TP 平均浓度为5.8m g L -1
、进水TP 负荷为0.12
kg m -3 d -1
时,UBAF -2出水TP 浓度和去除率分别为5.2m g L -1
和9%;当气水比为7 1、进水TP 平均浓度为6.3m g L -1
、进水TP 负荷为0.13kg m -3
d -1
时,UBAF -2出水TP 浓度和去除率分别
为5.3mg L -1
和15%.可见,一般情况下曝气生物滤池对TP 的平均去除率很低,只有9%~15%.这部分磷的去除主要通过生物同化、生物絮凝吸附(W ester mm an et al .,2000)和物理过滤截留作用(C lark et al .,1997).据C lark 等(1997)报道,在滤床中磷的最高物理过滤截留率可达35%,其中有超过一半的磷在反冲洗中得到去除(W ester m m an et al .,2000).因此,要增加TP 的去除可通过投加化学药剂或者通过间歇曝气来达到聚磷菌的释放与吸
收(Sa mm ut et al .,1994;Goncalves et al .,1994).
2.1.2化学强化与生物协同除磷效果 从图2可见,在气水比为3 1、进水TP 负荷为0.11~0.15kg m -3
d -1
的情况下,当投加系数分别为 1.00、1 50、1.75和2.00时,UBAF -1出水TP 平均浓度分
别为1.1、1.2、0.5、0.1mg L -1
,去除率分别为80%、84%、91%和98%.与不投药的UBAF -2相比,UBAF-1对TP 的去除率提高了70%~86%.在气水
比为5 1、进水TP 负荷为0.11~0.14kg m -3 d -1
的情况下,当投加系数分别为1.00和1.50时,UBAF -1出水TP 浓度在1.0m g L -1
以下;当投加系数分别为1.75和2.00时,UB AF -1出水TP 小于0 5
mg L -1
.与不加药的UB AF -2相比,UBAF-1对TP 的去除率提高了78%~84%.在气水比为7:1、进水TP 负荷为0.12~0.14kg m -3
d -1
的情况下,当投加系数分别为1.50、1.75和2.00时,UB AF -1出水TP 小于0.5m g L -1
;与UB AF -2相比,UBAF -1对TP 的去除率提高了76%~84%.可见,UBAF-1对TP 的去除随着投加系数的增加而增加,但并不成正比例增加.与不投药的情况相比,TP 去除率提高了70%~86
%.
图2 上向流曝气生物滤池除磷效果
F i g .2 The re m ova l effici en cy of t otal phos phates i n UBAF
2.2加药对其它水质指标去除效果的影响2.2.1
对浊度去除效果的影响 从图3可以看
出,投加系数对UB AF -1去除浊度影响不大,其去除率差值稳定在1%之内.当气水比分别为3 1、5 1和
7 1以及与气水比相对应的进水平均浊度分别为35.7、40.7和45.7NTU 时,UB AF -1出水平均浊度及去除率分别为3.6、3.8、3.9NTU 和90%、91%和91%;UB AF -2出水平均浊度及去除率分别为5.1、
5.0、7.3NTU 和86%、88%和84%.可见,投加铝盐对曝气生物滤池的浊度去除率提高很小.2.2.2
对有机物去除效果的影响 从图4可以看
出,当气水比为3 1、投加系数为1.00~2.00、进水
有机负荷为2.12~2.64kg m -3 d -1
时,UB AF -1出水COD 和去除率分别为6.0~20.0m g L -1
和84%~95%.而UB AF -2出水C OD 和去除率分别为20.9~27.6m g L -1
和77%~84%.铝盐的投加使得出
411
环 境 科 学 学 报26卷
水COD 保持在20.0mg L -1
以下,对COD 的去除率提高了6%~13%.当气水比为5 1、投加系数为1 00~2.00以及进水有机负荷为2.30~4.40kg m -3
d -1
时,UBAF-1出水COD 和去除率分别为7.5~13.2mg L -1
和92%~94%.而UBAF -2出水
COD 和去除率分别为13.7~23.2m g L -1
和86%~
89%.投加铝盐后C OD 的去除率提高了5%~9%.
当气水比为7 1、投加系数为1.00~2.00以及进水有机负荷为3.90~4.20kg m -3
d -1
时,UB AF -1出水COD 和去除率分别为16.3~21.5m g L -1
和89%~92%.而UB AF -2出水COD 和去除率分别为
29.3~35.8m g L -1
和82%~85
%.
图3 上向流曝气生物滤池浊度去除效果F i g .3 The re moval effici ency of t urb i d ity i n
UBAF
图4 上向流曝气生物滤池COD 去除效果Fig .4 The re m oval effi ciency of COD i n UBAF
2.2.3对氨氮去除效果的影响 从图5可以看出,投加系数对UB AF -1去除氨氮影响不大,去除率差值稳定在2%之内.当气水比分别为3 1、5 1和7
1以及与气水比相对应的进水平均氨氮负荷分别为0.79、0.73和0.77kg m -3
d -1
时,UB AF -1出水氨
氮平均浓度和去除率分别为3.3、2.7、2.6m g L -1
和91%、92%和93%;UB AF -2出水氨氮平均浓度及去除率分别为5.8、4.6、3.1m g L -1
和85%、87%
和92%.
2.3加药对生物膜特性的影响2.
3.1对生物膜结构特征的影响 从图6可见,挂膜前陶粒表面具有形状不规则、表面粗糙、凹凸不平、较多沟壑、比表面积大等特点,这些有利于微生物的附着、生长繁殖、积聚以及生物膜的形成.从图7可见,投加铝盐后曝气生物滤池进水端发现大量丝网状结构的絮体交织在一起,并覆盖在陶料表
412
3期凌 霄等:曝气生物滤池铝盐化学强化与生物协同除磷层;偶见藻类,未观察到其它菌属.而出水端裸露的陶粒表面比例较大,也未观察到其它菌属.这是因为投加铝盐后所形成的絮体会包裹陶粒表层生物膜.从图8可见,在未投加药剂的情况下曝气生物滤池进水端发现大量短杆菌以聚结成链状结构为主
要形式存在,但少量以游离形式存在;局部聚居了少量丝状菌和球菌.而出水端裸露的陶粒表面比例较大,未发现优势菌属.这可能是生物膜被无机或有机物质包裹所致
.
图5 上向流曝气生物滤池氨氮去除效果
F i g .5 Th e re m oval effi ciency of a mm on ia n i trogen i n
UBAF
图6 挂膜前陶粒电镜扫描照片(800 )
Fig .6 The scann i ng el ectron m i crograph ofm ed ia w it hou t b i ofil m
(800 )
2.3.2对生物相组成的影响 根据对图7和图8
的分析结果并结合生物显微镜观察的结果,统计了生物膜生物相,其结果见表2.在UB AF -1进水端观察到2种藻类、2种原生动物和1种后生动物;出水端观察到2种藻类、7种原生动物、2种后生动物和1种寡毛属.在UB AF -2进水端观察到3类细菌、4种藻类和1种原生动物;出水端观察到2种藻类、10种原生动物和5种后生动物
.
图7 UBAF-1投加铝盐后陶粒生物膜电镜扫描照片(800 )F i g .7
The scann i ng electron m i crograph of m ed i a b i ofil m i n UBAF-1(800 )
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环 境 科 学 学 报26
卷
图8 UBAF -2未投药时陶粒生物膜电镜扫描照片(800 )
Fig .8 The scann i ng electron m i crograph ofm ed ia b iofil m i n UBAF -2(800 )
表2 生物相统计结果
Tab le 2 The statisti c report ofm i crobe fro m b iofil m
反应器
R eactor
取样口高度/m Sa m p l e connec -tion hei ght /m 微生物种类B iof aci es 细菌、真菌类、藻类
B acteria ,Eumycetes ,A l gol ogy
原生动物
Protoz an
后生动物M et azoon 其它O t h er UBAF -1
0.5
甲藻,直链藻
纤虫,纺锤全列虫
线虫
1.7甲藻,直链藻草履虫,弹跳虫,表壳虫,瓶累枝虫,粗圆纤虫,纺锤全列虫,有助盾纤虫
线虫,台氏合甲轮虫仙女虫
UBAF -2
0.5
球菌,短杆菌,丝状菌,舟形藻,眼虫藻,直链藻,小球藻
变形虫 菌胶团
1.7
直链藻,小环藻
油滴虫,草履虫,漫游虫,纤毛虫,变形虫,表壳虫,粗袋鞭虫,瓶累枝虫,纺锤全列虫,有助盾纤虫线虫,大口钟虫,念珠钟虫,对刺同尾轮虫,无常胶鞘轮虫
菌胶团
注: 表示未观察到微生物
3 分析与讨论(D iscussion)3.1 化学强化与生物协同除磷分析
从图2可以看出,与不投药的情况相比,投加铝盐后TP 去除率可提高70%~86%,这可解释为以下4方面原因.首先,铝离子与磷酸盐混合反应后通过化学沉析作用去除部分磷.其次,絮体的吸附作用可进一步去除部分磷(Okuno ,1990).另外,合成微生物机体的同化作用也去除部分磷.最后,曝气生物滤池通过填料层的物理过滤截留作用分离化学沉淀污泥与生物污泥,并以剩余污泥的形式通过反冲洗排出滤床.
根据混凝理论,合适的搅拌强度才能产生较佳的絮凝效果.那么,对于曝气生物滤池气水比的适度增大可增强流体湍流程度,合适的气水比就意味着合适的搅拌强度,有利于絮体的形成及其除磷效率.然而,过大或过低的气水比均不利于总磷的去除,这是因为过高的气水比造成的强湍流会破碎絮
体并减弱滤床的物理过滤截留作用且不利于生物除磷;而过低的气水比虽有利于生物除磷,但较弱的搅拌强度却不利于化学除磷.当投加系数 1.50时,适当加大气水比有利于曝气生物滤池除磷;而当投加系数 1.75时,加大气水比对总磷的去除却没有影响.
据Narasi a h 等(1991)报道,当铝盐投加系数为
3.21、进水TP 浓度为
4.8m g L -1
时,氧化沟对TP 的去除率达90%.当铝盐投加系数为1.95时,活性
污泥法出水TP 浓度小于1.5mg L -1
(C lark et al .,1997);而曝气生物滤池的铝盐投加系数最低至
1 50即可使出水TP 小于0.5m g L -1
.这表明曝气生物滤池比其它污水处理工艺在化学强化与生物协同除磷方面更具优势.3.2
加药对滤池净化效果和生物相的影响从图3和图4可以看出,投加铝盐对浊度、C OD 去除影响不大.加药后浊度、COD 去除率分别提高了4%~7%和6%~9%.浊度、COD 去除率的提高
414
3期凌 霄等:曝气生物滤池铝盐化学强化与生物协同除磷
可解释为,铝盐的化学沉析作用以及絮体的吸附作用均可去除部分悬浮物和有机物.
从图5可以看出,在低气水比情况下投加铝盐后氨氮去除率可提高5%~6%,这可能是由于形成的絮体对氨氮有一定的吸附作用.然而,在高气水比情况下溶解氧不再成为硝化的限制因素,故UB AF-2与UBAF-1对氨氮的去除效果较为接近.因此,当溶解氧足够时铝盐的投加对氨氮的去除没有影响,而投加铝盐导致碱度降低引起的硝化不良不再明显.这与C lark等(1997)所报道的结论相一致.不过,也有人认为,铝盐的投加会抑制硝化作用(Roga lla et al.,1990);同样,在活性污泥系统中化学除磷也会影响硝化;如果投加量较大时(B liss et al.,1994),还可能对硝化菌产生毒性作用(C lark et al.,1997).又据Stensel等(1988)报道,要实现完全硝化,平均进水BOD负荷不应超过 1.6 kg m-3 d-1.由于本实验进水COD负荷和氨氮负荷分别达到2.12~4.40kg m-3 d-1和0.73~0.79 kg m-3 d-1,所以滤池出水氨氮浓度较高,大于2.6 m g L-1.
从表2可以看出,在加药和不加药情况下,滤床中均出现了大量的原生动物、后生动物等高级微生物,这是生物膜反应器稳定运行的标志.它维持了曝气生物滤池生态系统正常的物质循环、能量流动以及生态功能,保证了滤池较强的净化能力.因此,从生物相的角度分析可知,投加铝盐对生物膜中微生物的数量和种类影响很小.同时,从反应器运行结果也可证实,加药对常规水质指标的去除影响不大.这些结果表明:采用投加铝盐来强化曝气生物滤池除磷是可行的,可弥补曝气生物滤池生物除磷效率较低的缺陷,也有利于曝气生物滤池的推广和应用.
4结论(Concl u si o ns)
1)TP的去除随着铝盐投加量的增加而增加,但并不成正比例增加.当投加系数 1.50时,适当加大气水比有利于除磷;但当投加系数 1.75时,加大气水比对总磷的去除没有影响.当气水比为3~5 1且投加系数 1.75时,曝气生物滤池出水TP 浓度小于0.5m g L-1;若气水比增加到7 1时,投加系数可进一步降低到1.50.
2)投加铝盐对浊度、C OD去除影响不大,其去除率分别提高了4%~7%和5%~13%.当溶解氧足够时,铝盐的投加对氨氮的去除没有影响.
3)投加铝盐后,滤池进水端陶粒表面有大量丝网状结构的絮体交织在一起,在出水端陶粒表面网状絮体较少.投加铝盐对微生物的种类和数量影响很小.
通讯作者简介:胡勇有(1964 ),男,教授,博士生导师.主要研究方向为絮凝技术与水处理材料、污水处理生物增强技术、污(废)水处理理论与工艺技术.E-m a i:l ppyyhu@scut. https://www.doczj.com/doc/6312213627.html,
References:
B liss P J,Ostarcevic E R,Potter A A.1994.Process op ti m iz ati on for
si m u ltaneou s b i ological n i trifi cati on and phos phorus re m oval[J].
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中文参考文献:
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