管式膜生物反應器城市污水的工藝設計
摘要:在中試(shi)的基礎上,提出了膜--生物反應器工藝設計的基本原則、方法、步(bu)驟。以某(mou)居民小區的中水回用為(wei)目標進行(xing)了模擬設計計算,并探討了該工藝的運行(xing)能耗(hao)及固定投資。
關鍵詞:膜生(sheng)物反應器 城市污(wu)水 工藝設(she)計
膜—生(sheng)物(wu)(wu)反應器( Membrance Bioreactor,簡(jian)稱MBR)是膜分離與生(sheng)物(wu)(wu)處理(li)(li)技(ji)術組合而(er)成(cheng)的(de)廢水生(sheng)物(wu)(wu)處理(li)(li)新工藝,具有(you)對有(you)機污染物(wu)(wu)去除(chu)效率高、出水水質好、流程簡(jian)單、結構緊湊(cou)等優(you)點,在(zai)廢水回用與資源化(hua)領域具有(you)極為廣闊的(de)應用前景。至今國(guo)內外(wai)尚無(wu)MBR工藝放(fang)大(da)設(she)計(ji)(ji)的(de)成(cheng)熟(shu)經驗和理(li)(li)論,設(she)計(ji)(ji)手(shou)冊(ce)中亦(yi)無(wu)此實例可(ke)資參考。因此,探(tan)討MBR工藝放(fang)大(da)設(she)計(ji)(ji)具有(you)十分重要的(de)工程意義。
1 工藝設計基本原則
1.1MBR工藝(yi)流(liu)程
MBR工藝流程如圖1所示。進水(shui)由提升(sheng)(sheng)泵(beng)提升(sheng)(sheng)至(zhi)生物(wu)反應(ying)器(qi)后(hou)(hou)與活性(xing)污泥充分混合(he),通過(guo)微生物(wu)的(de)新陳代謝活動(dong)使(shi)廢水(shui)得以(yi)凈化。生物(wu)反應(ying)器(qi)的(de)混合(he)液則經加壓(ya)泵(beng)加壓(ya)后(hou)(hou),送(song)入膜組件(jian)(jian)實現液固分離,清水(shui)透過(guo)膜流出;濃縮液被送(song)回生物(wu)反應(ying)器(qi),參與下(xia)一個循環(huan)或經循環(huan)泵(beng)提速后(hou)(hou)再進入膜組件(jian)(jian)。
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1.2 放大設(she)計的基(ji)本原則
在近三年的(de)中試規模試驗(yan)研究期間,對(dui)MBR工藝(yi)流(liu)程各組成單元運(yun)行特(te)性的(de)考察表(biao)明:MBR工藝(yi)的(de)放大設計應主要包括生物(wu)反應器設計參數選(xuan)取、泵系統選(xuan)擇、膜組件選(xuan)擇等幾個方面。
① 生(sheng)物反應器參數的(de)(de)選取。大量試驗研究顯(xian)示:采用(yong)MBR工藝(yi)處理城市污水(shui),污泥(ni)負(fu)荷(he)、體積負(fu)荷(he)已不(bu)再是制約處理效果的(de)(de)重要指標(biao)。根據中試運行的(de)(de)經驗,可將水(shui)力停留時(shi)間(jian)HRT、污泥(ni)停留時(shi)間(jian)SRT作為MBR工藝(yi)生(sheng)物反應器單(dan)元的(de)(de)設(she)計依據,因(yin)為這樣不(bu)僅能(neng)確保工藝(yi)操作的(de)(de)長期(qi)穩定(ding)性,而且能(neng)簡化設(she)計過程。
② 泵(beng)(beng)系統選(xuan)(xuan)擇。MBR工藝中加(jia)(jia)壓(ya)泵(beng)(beng)的(de)特點是揚程(cheng)高、流(liu)量(liang)(liang)小;而循(xun)環泵(beng)(beng)則要求(qiu)揚程(cheng)低、流(liu)量(liang)(liang)大(da)。考慮到加(jia)(jia)壓(ya)泵(beng)(beng)和循(xun)環泵(beng)(beng)并(bing)聯工作的(de)需(xu)要,兩(liang)種泵(beng)(beng)的(de)揚程(cheng)必須(xu)相等(deng),即(ji)H2=H3。泵(beng)(beng)流(liu)量(liang)(liang)的(de)選(xuan)(xuan)擇,則只需(xu)達到膜(mo)組件(jian)對設計(ji)膜(mo)面(mian)流(liu)速的(de)要求(qiu)即(ji)可。在此前提下(xia),為節能起見(jian),循(xun)環泵(beng)(beng)的(de)流(liu)量(liang)(liang)宜大(da)一(yi)些(xie),而加(jia)(jia)壓(ya)泵(beng)(beng)的(de)流(liu)量(liang)(liang)宜小一(yi)些(xie)(至少(shao)應滿足Q2>Q)。
③ 膜(mo)組(zu)件(jian)(jian)選(xuan)(xuan)取。膜(mo)組(zu)件(jian)(jian)是(shi)MBR工(gong)藝(yi)的(de)(de)(de)(de)關(guan)鍵組(zu)成單(dan)元,它的(de)(de)(de)(de)選(xuan)(xuan)擇對MBR工(gong)藝(yi)的(de)(de)(de)(de)運(yun)行(xing)具有決定性的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)。研究表明:以(yi)回用(yong)為目(mu)的(de)(de)(de)(de)的(de)(de)(de)(de)城市(shi)污水生物處(chu)理應優先選(xuan)(xuan)用(yong)超濾膜(mo)組(zu)件(jian)(jian)。膜(mo)通量是(shi)膜(mo)組(zu)件(jian)(jian)設計(ji)中最重要的(de)(de)(de)(de)技術參數(shu)之一(yi)(yi)(yi)。當(dang)處(chu)理能力(li)一(yi)(yi)(yi)定時(shi),設計(ji)選(xuan)(xuan)擇的(de)(de)(de)(de)膜(mo)通量越(yue)高,所(suo)需的(de)(de)(de)(de)膜(mo)面(mian)積就越(yue)小,膜(mo)組(zu)件(jian)(jian)部分的(de)(de)(de)(de)固定投資就越(yue)少;但另一(yi)(yi)(yi)方(fang)(fang)面(mian),MBR工(gong)藝(yi)的(de)(de)(de)(de)運(yun)行(xing)周(zhou)(zhou)期(qi)也就會越(yue)短(duan),從(cong)而(er)增加膜(mo)組(zu)件(jian)(jian)清洗的(de)(de)(de)(de)次數(shu)和費用(yong)。因(yin)此,在具體(ti)的(de)(de)(de)(de)放(fang)大(da)設計(ji)中應兼顧工(gong)藝(yi)的(de)(de)(de)(de)運(yun)行(xing)周(zhou)(zhou)期(qi)和膜(mo)組(zu)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)固定投資兩(liang)個方(fang)(fang)面(mian)。設計(ji)運(yun)行(xing)周(zhou)(zhou)期(qi)一(yi)(yi)(yi)般不(bu)小于(yu)3周(zhou)(zhou)。
2 放大設計方法與步驟
2.1 生物(wu)反應器設計
從中試結果來(lai)看:當進水COD為(wei)50~2 234 mg/L,SS為(wei)80~1 327 mg/L,HRT在2.0~5.0 h范圍內時,系(xi)統運行的穩定性以及對(dui)污染(ran)物的處理效果均較好。SRT的選取則相對(dui)靈活得多,例如根據硝化的需(xu)要可(ke)選用一個較長的SRT。
生(sheng)物反應器中微生(sheng)物濃(nong)度(du)X(即污泥濃(nong)度(du))的理論計算公式如下(xia):
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MBR工(gong)藝的生(sheng)物(wu)(wu)反(fan)應(ying)器(qi)宜(yi)設(she)計成完全混合式,其形(xing)狀(zhuang)可根據具體(ti)情況選用,相應(ying)尺寸亦很容易確(que)定。這里以圓形(xing)生(sheng)物(wu)(wu)反(fan)應(ying)器(qi)為(wei)(wei)(wei)例進行計算,設(she)計采用生(sheng)物(wu)(wu)反(fan)應(ying)器(qi)n3座(考慮工(gong)程實際,n3≥2),有效(xiao)水深(shen)為(wei)(wei)(wei)h,則每座生(sheng)物(wu)(wu)反(fan)應(ying)器(qi)的直徑(jing)為(wei)(wei)(wei):
2.2 膜組件設計
根據試驗結(jie)果(guo),建議(yi)超濾膜(mo)(mo)的通(tong)量F取0.1~0.2 m3/(m2·h)(膜(mo)(mo)孔徑(jing)為(wei)450 nm),設計運(yun)行(xing)周期(qi)則為(wei)3~5周。所需膜(mo)(mo)組件的有效面積為(wei):
若已知膜(mo)組(zu)件(jian)制造廠家(jia)給(gei)定的(de)基本參數,可容易地計算出所需的(de)膜(mo)組(zu)件(jian)數:
進而,可利用式(5)求出膜組件通(tong)道的總橫截面積(ji):
2.3 曝氣裝置(zhi)設計
為有(you)效利用(yong)高(gao)速循環的(de)污泥混合液的(de)能量,建議采用(yong)射流(liu)曝(pu)氣裝(zhuang)置進行曝(pu)氣,具體可參閱《給水排水設計手冊》第5冊。一般,射流(liu)曝(pu)氣器的(de)工作壓(ya)力在98~196 kPa,建議回(hui)流(liu)流(liu)量 Qr 取(qu) 2Q。
2.4 選泵計算
提(ti)升泵的(de)選(xuan)擇較為簡單,只(zhi)需滿足設(she)(she)計流(liu)量Q、提(ti)升高度 H1 即可,可直接查《給(gei)水(shui)排水(shui)設(she)(she)計手冊(ce)》第(di)11冊(ce)進(jin)行選(xuan)泵。流(liu)經膜(mo)(mo)面(mian)(mian)的(de)總流(liu)量 Qt 則(ze)可由最(zui)小膜(mo)(mo)面(mian)(mian)流(liu)速與膜(mo)(mo)組(zu)件橫截面(mian)(mian)積的(de)乘(cheng)積來計算,而最(zui)小膜(mo)(mo)面(mian)(mian)流(liu)速和生物反應器中(zhong)的(de)污泥濃(nong)度線性(xing)相關。
從圖1中(zhong)的(de)(de)流(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang)平衡(heng)關系(xi)可(ke)(ke)(ke)知,流(liu)(liu)(liu)經(jing)膜(mo)面(mian)的(de)(de)總流(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang) Qt 等于加(jia)(jia)壓泵與循(xun)環泵的(de)(de)流(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang)之和。加(jia)(jia)壓泵揚(yang)程 H2 的(de)(de)選擇非常重要(yao),必須(xu)能(neng)夠滿足(zu)膜(mo)組件過濾(lv)操作對(dui)壓力的(de)(de)需要(yao)以及整個系(xi)統管路的(de)(de)沿程、局(ju)部水頭(tou)損失(shi)。根據中(zhong)試經(jing)驗,加(jia)(jia)壓泵的(de)(de)揚(yang)程H2≥147.1 kPa即(ji)可(ke)(ke)(ke)。為達到經(jing)濟的(de)(de)目(mu)的(de)(de),加(jia)(jia)壓泵流(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang)的(de)(de)選擇應盡(jin)量(liang)(liang)小(xiao)并使(shi)運行(xing)工況盡(jin)可(ke)(ke)(ke)能(neng)在最(zui)佳狀態。如果考(kao)慮到射流(liu)(liu)(liu)曝氣的(de)(de)需要(yao),加(jia)(jia)壓泵的(de)(de)流(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang)須(xu)滿足(zu):
Q2≥Qr+Q (6)
若不考慮(lv)射流曝氣的(de)需要(yao),在實際MBR工(gong)藝的(de)運(yun)行中(zhong)則只須:
Q2≥Q (7)
選泵(beng)時可參(can)考泵(beng)生產廠(chang)家給定(ding)的技術(shu)參(can)數,使Q2大(da)于Q有(you)一個余量,確保工藝長期穩定(ding)的運行。
循環(huan)泵流量(liang)Q3等于流經(jing)膜面的總流量(liang)和加壓泵流量(liang)Q2之差(由(you)于循環(huan)、加壓泵并聯工作(zuo))。
2.5 污泥負荷、體積負荷校核
MBR工(gong)藝的污(wu)泥負荷比普(pu)通活(huo)(huo)性(xing)污(wu)泥法略低,而體(ti)積(ji)負荷則是普(pu)通活(huo)(huo)性(xing)污(wu)泥法的數倍(bei)。換句話說,與普(pu)通活(huo)(huo)性(xing)污(wu)泥法相比,這種工(gong)藝不僅(jin)對污(wu)染物(wu)去除(chu)效率高(gao),而且占地面積(ji)可以很小。
3 放大設計計算實例
3.1 基本設計資料
① 設計流量
模(mo)擬設(she)計以北京(jing)西北郊某居民小區的(de)中水回用(yong)為(wei)目標,設(she)計服(fu)務人(ren)口(kou)為(wei)2.5萬人(ren)。考慮到公共建(jian)筑(zhu)及服(fu)務設(she)施(shi)用(yong)水,用(yong)水指標取為(wei)200 L/(人(ren)·d )。
擬采用(yong)MBR工藝(yi)進(jin)行處(chu)理(li)并回(hui)用(yong),故障檢修時則將全部(bu)或部(bu)分污(wu)水(shui)排(pai)入(ru)城市污(wu)水(shui)收集(ji)系統。
② 進、出(chu)水設計水質
設計水(shui)(shui)質選取中(zhong)等強度的城市污水(shui)(shui),參(can)考中(zhong)試的近三(san)年運(yun)行結果,確定進、出水(shui)(shui)設計水(shui)(shui)質如表1。
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③ 流程與(yu)裝置參閱圖1。
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3.2 膜組件計算
① 膜組件數
設計采(cai)用超濾膜組件,膜通量F取(qu)0.15 m3/(m2·h)(膜孔(kong)徑為450 nm),運行周期3~5周。
以Modules KERASEPTM系(xi)列產品K07BC1XX為例(li),每根膜(mo)長1200 mm,直(zhi)徑(jing)25 mm,內有19個通(tong)道(dao),通(tong)道(dao)內徑(jing)約3.5 mm,7根膜(mo)裝配成一個膜(mo)組件(jian),膜(mo)組件(jian)直(zhi)徑(jing)約為100 mm,每個膜(mo)組件(jian)的有效表面積為1.72 m2。
② 膜組件的通(tong)道(dao)總(zong)橫(heng)截(jie)面(mian)(mian)積及安裝占(zhan)(zhan)地面(mian)(mian)積已知膜組件有關(guan)尺寸,可由式(5)得到膜組件通(tong)道(dao)總(zong)橫(heng)截(jie)面(mian)(mian)積A截(jie)及占(zhan)(zhan)地面(mian)(mian)積A占(zhan)(zhan)。
3.3 生物反應器計算
① 生(sheng)物(wu)反應器中的(de)污(wu)泥(ni)濃(nong)度
根據2.1的分析,取(qu)SRT=15 d、HRT=4 h,可(ke)得生(sheng)物反應器中(zhong)的污泥(ni)濃(nong)度X
② 生物反應器(qi)的直徑(jing)
設(she)生物反應(ying)器為(wei)圓形完全混合(he)式,有(you)效水深h=3.0 m,可由式(2)得到D。
上述各參數見表1。
3.4 曝氣(qi)部(bu)分(fen)計算
根據2.3的分析,采用射流曝氣(qi),查《給(gei)水(shui)排水(shui)設計手冊》第5冊選用射流流量Qr≥2Q,此處(chu)即416.6 m3/h;工作壓(ya)力Hr要求98~147 MPa。
3.5 選泵計算
① 提升泵
由2.4的(de)(de)分析知,污水提升泵的(de)(de)選擇(ze)較為簡單(dan),只需滿足設計流量Q、提升高度H1即可。其基本參數見表2。
② 加壓泵
為節能(neng)需要(yao),設計(ji)采用射(she)流曝氣。根據式(6)和2.4節的分析,確定(ding)加壓泵的設計(ji)流量應為:Q2≥624.9 m3/h。
此處取加壓泵的流(liu)量Q2=800 m3/h,揚(yang)程(cheng)H2=161.8 kPa,已能滿(man)足超濾操作的需要。其基(ji)本參數見表2。
③ 循環泵
循(xun)環泵(beng)的(de)(de)設計流量(liang)Q3主要(yao)功能是為膜組件提供適宜的(de)(de)膜面流速,以減緩膜堵(du)塞(sai)的(de)(de)發(fa)生;而揚程(cheng)H3還應滿足與加壓泵(beng)并聯工(gong)作的(de)(de)需(xu)要(yao)。選泵(beng)結果見表(biao)2。
3.6 污泥負荷(he)、體積負荷(he)校核(he)
經校核污(wu)泥(ni)負荷(he)(he)FW、體(ti)積(ji)負荷(he)(he)FV分別為0。14 kgCOD去(qu)除/(kgVSS·d)、2.88 kgCOD去(qu)除/(m3·d)。普(pu)(pu)通(tong)(tong)活性污(wu)泥(ni)法中(zhong)FW=0.1~0.4 kgCOD/(kgVSS·d),FV=0.4~0.8 kgCOD/(m3·d)。顯(xian)然,與之相比,MBR工(gong)藝(yi)的污(wu)泥(ni)負荷(he)(he)略低,而體(ti)積(ji)負荷(he)(he)則是(shi)普(pu)(pu)通(tong)(tong)活性污(wu)泥(ni)法的3~7倍。
3.7 運行成本分析
MBR工藝回(hui)用城(cheng)市污(wu)水的運行(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)(ben)主要由(you)電費(fei)(fei)、藥(yao)(yao)劑(ji)費(fei)(fei)、人(ren)工費(fei)(fei)等三部(bu)分組成(cheng)(cheng)(cheng)。其中藥(yao)(yao)劑(ji)費(fei)(fei)主要指膜組件化(hua)學清洗所(suo)消耗藥(yao)(yao)劑(ji)的費(fei)(fei)用,在運行(xing)(xing)周(zhou)期3~5周(zhou)的情況下(xia),該部(bu)分費(fei)(fei)用占運行(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)(ben)的比例很(hen)小,且所(suo)用藥(yao)(yao)劑(ji)可分別存(cun)放,經簡單沉淀后可重復使用,因此藥(yao)(yao)劑(ji)費(fei)(fei)可忽略不計。同時由(you)于MBR工藝自(zi)動(dong)化(hua)程度(du)高,設(she)崗(gang)少(shao),人(ren)工費(fei)(fei)也較(jiao)少(shao)。所(suo)以,電費(fei)(fei)在運行(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)(ben)的三個(ge)組成(cheng)(cheng)(cheng)部(bu)分中是最(zui)主要的。本(ben)(ben)文在此僅就MBR工藝回(hui)用城(cheng)市污(wu)水運行(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)(ben)中的電費(fei)(fei)部(bu)分作一(yi)估計。
根據3.5計算(suan),可得總耗電(dian)功率為492.5 kW。
回用城市(shi)污水的(de)電耗為:
E=P/Q=492.5/208.3≈2.36kW·h/m3
按工(gong)業用(yong)(yong)電0.5 元/(kW·h)計算,MBR回用(yong)(yong)城市污水的(de)(de)運(yun)行成本約1.18 元/m3。目前(qian)北京(jing)市賓(bin)館、寫字(zi)樓等場所的(de)(de)自來(lai)水費為2.0 元/m3,超過用(yong)(yong)水指標(biao)的(de)(de)部分還要加(jia)倍收費。顯然,MBR工(gong)藝的(de)(de)出水回用(yong)(yong)到(dao)賓(bin)館、寫字(zi)樓等處(chu)還是可行的(de)(de)。
3.8 固(gu)定投資(zi)分析
① 膜(mo)組件購置費用
以(yi)膜(mo)通(tong)量F=0.15 m3/(m2·h)為(wei)例,相當于(yu)每(mei)m2的超濾膜(mo)組件處理(li)能力為(wei)3.6 m3/d。國外每(mei)m2膜(mo)組件(包括(kuo)壓力表等附件)的售價約1.0~1.5萬元人(ren)民幣。因此(ci),處理(li)1.0 m3/d所需進口膜(mo)組件的購置費為(wei)2778~4167元人(ren)民幣。
若采用國產同類產品的超濾(lv)膜(mo)組(zu)(zu)件(jian)(包括(kuo)壓力表等附(fu)件(jian)),每m2膜(mo)組(zu)(zu)件(jian)的售(shou)價約(yue)0.4~0.6萬元(yuan)人民幣,處理1.0 m3/d所需膜(mo)組(zu)(zu)件(jian)的購置費可(ke)以(yi)降至1111~1667元(yuan)人民幣。
② 膜循(xun)環回路的雙泵系統
根據3.5選泵結(jie)果:選用300S-19A型單級(ji)雙吸離(li)心泵2臺(包(bao)括(kuo)配(pei)套電機)約(yue)需人民(min)幣(bi)4萬;1200HLB-12型立式離(li)心混流泵2臺(包(bao)括(kuo)配(pei)套電機)約(yue)需人民(min)幣(bi)110萬元(yuan),合(he)計共(gong)需人民(min)幣(bi)114萬元(yuan)。即處理1.0m3/d的泵系(xi)統(tong)購(gou)置費約(yue)228元(yuan)人民(min)幣(bi)。
③ 處(chu)理構筑物及(ji)附屬設(she)(she)備(bei)從進水格柵到生物反應器單(dan)元(yuan)的土建、管(guan)線、設(she)(she)備(bei)等(deng)固定投(tou)資費用計(ji)算,借鑒(jian)傳統二(er)級生物處(chu)理設(she)(she)計(ji)的經驗(yan):當(dang)設(she)(she)計(ji)規模為5000 m3/d時,處(chu)理1.0m3/d的固定投(tou)資約需1800~2000元(yuan)人民幣(bi)。
綜合以上(shang)三部分的(de)費(fei)用(yong),處(chu)理1.0 m3/d的(de)城市污水(shui)采用(yong)進口膜(mo)組(zu)(zu)件固(gu)定(ding)投資(zi)(zi)為(wei)4 806~6 395元(yuan)人民幣,其(qi)中膜(mo)組(zu)(zu)件的(de)購置費(fei)占57.6%~65.2%。若采用(yong)國產膜(mo)組(zu)(zu)件,處(chu)理1.0m3/d的(de)城市污水(shui)只需固(gu)定(ding)投資(zi)(zi)約3139~3895元(yuan)人民幣,其(qi)中膜(mo)組(zu)(zu)件的(de)購置費(fei)占35.4%~42.8%,此(ci)已和(he)采用(yong)生物接觸氧(yang)化法為(wei)主處(chu)理單元(yuan)的(de)中水(shui)回用(yong)工藝的(de)固(gu)定(ding)投資(zi)(zi)(處(chu)理1.0m3/d約3500元(yuan))相當,但MBR工藝的(de)出水(shui)水(shui)質要明顯(xian)優于生物接觸氧(yang)化法。
4 結論
① 根據近三(san)年(nian)的中試運行(xing)結果提(ti)出(chu)的MBR工(gong)藝放大設計(ji)(ji)基本(ben)原則(ze)、方法和步驟可成功地應用(yong)于以某居(ju)民(min)小區城市污(wu)水回用(yong)為例的MBR工(gong)藝設計(ji)(ji)計(ji)(ji)算。
② MBR工藝處(chu)理(li)城(cheng)市污(wu)水(shui)(shui)的(de)(de)運行能耗約(yue)2.36 kW·h/m3。處(chu)理(li)規(gui)模1.0 m3/d的(de)(de)固定投(tou)資(zi)(采(cai)用國(guo)產膜組件)和(he)采(cai)用生物接觸氧化法(fa)為主處(chu)理(li)單元的(de)(de)中(zhong)水(shui)(shui)回用工藝的(de)(de)固定投(tou)資(zi)大致相當,但(dan)前者(zhe)的(de)(de)出(chu)水(shui)(shui)水(shui)(shui)質要明(ming)顯優于(yu)后(hou)者(zhe)。
參考文獻(略)

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