飲用水紫外線消毒技術應用分析
氯(lv)消(xiao)(xiao)毒(du)(du)會產(chan)(chan)生具有致癌作用的(de)(de)氯(lv)化消(xiao)(xiao)毒(du)(du)副(fu)產(chan)(chan)物(wu),而近些年來賈(jia)第蟲(chong)(chong)和隱孢子蟲(chong)(chong)的(de)(de)發現,使現有的(de)(de)氯(lv)消(xiao)(xiao)毒(du)(du)工藝面(mian)臨(lin)嚴峻(jun)的(de)(de)挑戰(zhan),人們(men)開始(shi)尋找新的(de)(de)替代消(xiao)(xiao)毒(du)(du)技術有效地提高消(xiao)(xiao)毒(du)(du)效果,并且可(ke)以降低消(xiao)(xiao)毒(du)(du)過程中產(chan)(chan)生的(de)(de)副(fu)產(chan)(chan)物(wu)對人體健康的(de)(de)潛在危害,同時保證飲用水的(de)(de)微生物(wu)學安全性(xing)和化學安全性(xing)。
在(zai)(zai)眾多的(de)(de)(de)(de)(de)(de)替代消(xiao)(xiao)毒(du)(du)(du)技(ji)術中(zhong)(zhong),由于紫(zi)(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)線(xian)(xian)消(xiao)(xiao)毒(du)(du)(du)不(bu)添加任何化(hua)學物(wu)質、消(xiao)(xiao)毒(du)(du)(du)效(xiao)果好(hao)及(ji)(ji)不(bu)產(chan)生消(xiao)(xiao)毒(du)(du)(du)副產(chan)物(wu)等(deng)優點而(er)引(yin)起人們的(de)(de)(de)(de)(de)(de)重(zhong)視。紫(zi)(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)線(xian)(xian)消(xiao)(xiao)毒(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)歷史(shi)非常悠久,在(zai)(zai)歐洲,飲(yin)用(yong)(yong)水(shui)(shui)(shui)紫(zi)(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)線(xian)(xian)消(xiao)(xiao)毒(du)(du)(du)已有(you)近百(bai)年的(de)(de)(de)(de)(de)(de)歷史(shi)。1910年,法(fa)國的(de)(de)(de)(de)(de)(de)馬賽一家自(zi)(zi)來(lai)(lai)水(shui)(shui)(shui)廠(chang)(chang)(chang)最(zui)先安(an)裝了(le)一套紫(zi)(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)線(xian)(xian)消(xiao)(xiao)毒(du)(du)(du)系(xi)統對飲(yin)用(yong)(yong)水(shui)(shui)(shui)進(jin)行(xing)消(xiao)(xiao)毒(du)(du)(du),到目前(qian)為(wei)止,西方發(fa)達國家已在(zai)(zai)污水(shui)(shui)(shui)處理(li)廠(chang)(chang)(chang)安(an)裝了(le)近4000套大(da)型(xing)紫(zi)(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)線(xian)(xian)消(xiao)(xiao)毒(du)(du)(du)系(xi)統,應用(yong)(yong)該(gai)技(ji)術的(de)(de)(de)(de)(de)(de)廠(chang)(chang)(chang)家約占(zhan)污水(shui)(shui)(shui)處理(li)廠(chang)(chang)(chang)總(zong)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)10%。同時,至2001年底已有(you)2000多家自(zi)(zi)來(lai)(lai)水(shui)(shui)(shui)廠(chang)(chang)(chang)采用(yong)(yong)了(le)紫(zi)(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)消(xiao)(xiao)毒(du)(du)(du)技(ji)術,占(zhan)自(zi)(zi)來(lai)(lai)水(shui)(shui)(shui)廠(chang)(chang)(chang)總(zong)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)10%以上,并且大(da)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)紫(zi)(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)消(xiao)(xiao)毒(du)(du)(du)技(ji)術改(gai)造(zao)工程正(zheng)在(zai)(zai)進(jin)行(xing)之中(zhong)(zhong)。由于紫(zi)(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)線(xian)(xian)消(xiao)(xiao)毒(du)(du)(du)在(zai)(zai)環(huan)保(bao)及(ji)(ji)人身安(an)全方面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)突出優點,歐洲及(ji)(ji)北美的(de)(de)(de)(de)(de)(de)許多國家將紫(zi)(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)線(xian)(xian)消(xiao)(xiao)毒(du)(du)(du)列為(wei)用(yong)(yong)水(shui)(shui)(shui)終端和用(yong)(yong)戶進(jin)水(shui)(shui)(shui)端及(ji)(ji)小型(xing)給水(shui)(shui)(shui)系(xi)統中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)首選(xuan)方法(fa)。尤其(qi)是發(fa)現自(zi)(zi)來(lai)(lai)水(shui)(shui)(shui)中(zhong)(zhong)存在(zai)(zai)隱孢(bao)子蟲后,美國已經將紫(zi)(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)消(xiao)(xiao)毒(du)(du)(du)工藝作為(wei)自(zi)(zi)來(lai)(lai)水(shui)(shui)(shui)消(xiao)(xiao)毒(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)最(zui)佳手段(duan)寫入供水(shui)(shui)(shui)法(fa)規中(zhong)(zhong)。
1 紫外線消毒的生物學原理
紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)線(xian)(xian)(xian)位于X射(she)線(xian)(xian)(xian)和可見光之間,在物(wu)理學上一般將紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)線(xian)(xian)(xian)分(fen)為真空紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)線(xian)(xian)(xian)區(qu)(<190nm)、遠紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)區(qu)(190-300nm)和近紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)區(qu)(300-400nm);按其(qi)生物(wu)學作用的(de)差異,紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)線(xian)(xian)(xian)可分(fen)為UV-A(320-400nm)、UV-B(275-320nm)、UV-C(200-275nm)和真空紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)線(xian)(xian)(xian)部(bu)分(fen)。水處理中實際上是(shi)(shi)使用紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)線(xian)(xian)(xian)的(de)UV-C部(bu)分(fen),在該波段中260nm 附近已(yi)被證實是(shi)(shi)殺菌效率最高(gao)的(de)紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)線(xian)(xian)(xian)。
紫(zi)(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)線(xian)(xian)(xian)滅(mie)菌的(de)原(yuan)(yuan)理是(shi)(shi)基于核(he)(he)酸(suan)(suan)對紫(zi)(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)線(xian)(xian)(xian)的(de)吸(xi)收(shou)。紫(zi)(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)殺菌本質上是(shi)(shi)一個光(guang)(guang)化(hua)學過程,每一粒波長(chang)253.7nm的(de)紫(zi)(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)線(xian)(xian)(xian)光(guang)(guang)子具有(you)4.9eV的(de)能(neng)量,紫(zi)(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)光(guang)(guang)子必須(xu)被(bei)吸(xi)收(shou)才具有(you)活性。核(he)(he)酸(suan)(suan)是(shi)(shi)一切生(sheng)命體的(de)基本物(wu)(wu)質和生(sheng)命基礎,核(he)(he)酸(suan)(suan)分(fen)為核(he)(he)糖(tang)核(he)(he)酸(suan)(suan)(RNA)和脫氧(yang)核(he)(he)糖(tang)核(he)(he)酸(suan)(suan)(DNA)兩大類(lei),其共同點是(shi)(shi)由磷酸(suan)(suan)二脂鍵按嘌(piao)呤與嘧(mi)(mi)(mi)啶(ding)(ding)(ding)堿基配對的(de)原(yuan)(yuan)則而(er)連接起(qi)(qi)來(lai)的(de)多核(he)(he)苷酸(suan)(suan)鏈。當微生(sheng)物(wu)(wu)體受到紫(zi)(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)線(xian)(xian)(xian)照射時,會吸(xi)收(shou)紫(zi)(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)線(xian)(xian)(xian)的(de)能(neng)量,從而(er)引起(qi)(qi)DNA的(de)損傷,最常見的(de)兩種(zhong)損傷形(xing)式為環丁(ding)烷嘧(mi)(mi)(mi)啶(ding)(ding)(ding)二聚體(cyclobutane pyrimidine dimmer,CPD)和嘧(mi)(mi)(mi)啶(ding)(ding)(ding)-嘧(mi)(mi)(mi)啶(ding)(ding)(ding)酮光(guang)(guang)產物(wu)(wu)(pyrimidine pyrimidone photoproducts, PP)。當DNA受到紫(zi)(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)線(xian)(xian)(xian)照射后,相鄰的(de)嘧(mi)(mi)(mi)啶(ding)(ding)(ding)堿基共價交(jiao)聯形(xing)成(cheng)環丁(ding)烷四圓環,使兩個堿基的(de)5、6位(wei)(wei)(wei)雙(shuang)鍵飽和,形(xing)成(cheng)CPD。嘧(mi)(mi)(mi)啶(ding)(ding)(ding)-嘧(mi)(mi)(mi)啶(ding)(ding)(ding)酮光(guang)(guang)產物(wu)(wu)是(shi)(shi)通(tong)過5嘧(mi)(mi)(mi)啶(ding)(ding)(ding)的(de)5和6位(wei)(wei)(wei)碳(tan)原(yuan)(yuan)子或3嘧(mi)(mi)(mi)啶(ding)(ding)(ding)的(de)4位(wei)(wei)(wei)碳(tan)原(yuan)(yuan)子和位(wei)(wei)(wei)于4位(wei)(wei)(wei)碳(tan)的(de)氧(yang)原(yuan)(yuan)子或亞(ya)氨(an)基異(yi)構體間形(xing)成(cheng)的(de)二氧(yang)乙烷或氮雜丁(ding)烷4圓環而(er)形(xing)成(cheng)的(de),這些(xie)都是(shi)(shi)比較(jiao)穩定的(de)化(hua)學鍵,從而(er)阻(zu)止了DNA的(de)復(fu)制;另一方面,在紫(zi)(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)線(xian)(xian)(xian)的(de)照射下(xia)可以產生(sheng)自由基引起(qi)(qi)光(guang)(guang)電(dian)離,造成(cheng)微生(sheng)物(wu)(wu)不(bu)能(neng)復(fu)制繁(fan)殖,就會自然死亡或被(bei)人體免(mian)疫系統(tong)消滅(mie),不(bu)會對人體造成(cheng)危害,從而(er)達到消毒的(de)目的(de)。
2 紫外線消毒對水中微生物的滅活效果
紫外線消毒(du)具有(you)較高的(de)微生物滅活效(xiao)(xiao)果(guo),對水中多(duo)種微生物都具有(you)良好的(de)滅活效(xiao)(xiao)果(guo),并且殺菌速度快,大多(duo)數都是在1秒之內。紫外線對常見細菌和病毒(du)的(de)滅菌效(xiao)(xiao)果(guo)如表1所示(shi):
表1 紫外技術對常見細菌病毒的殺菌效率(紫外輻射強度30mW/ cm2) |
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另外(wai),紫(zi)外(wai)線(xian)(xian)消(xiao)毒(du)技術對(dui)(dui)近些年發(fa)現的(de)(de)致病(bing)(bing)性病(bing)(bing)原微生物賈第蟲(chong)(chong)(chong)和(he)(he)(he)隱(yin)孢(bao)子(zi)(zi)蟲(chong)(chong)(chong)也具有良好的(de)(de)滅(mie)(mie)活效(xiao)果。隱(yin)孢(bao)子(zi)(zi)蟲(chong)(chong)(chong)孢(bao)囊通(tong)(tong)過(guo)人畜的(de)(de)糞(fen)便排入環(huan)境,它們可在(zai)環(huan)境中(zhong)存活很長(chang)時(shi)間,隱(yin)孢(bao)子(zi)(zi)蟲(chong)(chong)(chong)卵囊和(he)(he)(he)賈孢(bao)子(zi)(zi)蟲(chong)(chong)(chong)孢(bao)囊比其它水(shui)傳染(ran)病(bing)(bing)源微生物的(de)(de)存活時(shi)間長(chang),因而可引(yin)起(qi)多次疾(ji)(ji)病(bing)(bing)的(de)(de)爆發(fa)。隱(yin)孢(bao)子(zi)(zi)蟲(chong)(chong)(chong)引(yin)起(qi)的(de)(de)疾(ji)(ji)病(bing)(bing)非常(chang)嚴(yan)重(zhong),其普遍(bian)的(de)(de)的(de)(de)癥狀是腹瀉、嘔吐、低燒,類(lei)似流(liu)感(gan)的(de)(de)癥狀,而對(dui)(dui)免疫(yi)機能不健全的(de)(de)患者(zhe),如艾滋病(bing)(bing)患者(zhe),其疾(ji)(ji)病(bing)(bing)更(geng)為嚴(yan)重(zhong),導致死亡(wang)。如1994年美國拉斯維加斯市(shi)爆發(fa)隱(yin)孢(bao)子(zi)(zi)蟲(chong)(chong)(chong)病(bing)(bing),20名艾滋病(bing)(bing)患者(zhe)死亡(wang)。近年來(lai)的(de)(de)研究表明,使用低壓(ya)汞燈(deng)和(he)(he)(he)中(zhong)壓(ya)汞燈(deng)的(de)(de)輻射劑(ji)量在(zai)30J/m2時(shi),能滅(mie)(mie)活隱(yin)孢(bao)子(zi)(zi)蟲(chong)(chong)(chong)99.9 %以上,并(bing)且通(tong)(tong)過(guo)大量的(de)(de)實驗(yan)證明低壓(ya)汞燈(deng)和(he)(he)(he)中(zhong)壓(ya)汞燈(deng)均能有效(xiao)地滅(mie)(mie)活隱(yin)孢(bao)子(zi)(zi)蟲(chong)(chong)(chong)。紫(zi)外(wai)線(xian)(xian)消(xiao)毒(du)對(dui)(dui)軍團菌也有良好的(de)(de)效(xiao)果,Muraca比較了臭氧、紫(zi)外(wai)線(xian)(xian)和(he)(he)(he)氯(lv)和(he)(he)(he)加熱(re)對(dui)(dui)軍團菌的(de)(de)滅(mie)(mie)活情況(kuang),紫(zi)外(wai)線(xian)(xian)和(he)(he)(he)加熱(re)(60度)1個(ge)小(xiao)時(shi)產生了5log的(de)(de)滅(mie)(mie)活,氯(lv)和(he)(he)(he)臭氧需5個(ge)小(xiao)時(shi)才能達到同樣的(de)(de)滅(mie)(mie)活效(xiao)果。
3 紫外線消毒與其它消毒方法的比較
五種(zhong)常(chang)用的(de)(de)消毒(du)方(fang)法(fa)在(zai)消毒(du)效果、費(fei)用及(ji)安(an)全性方(fang)面(mian)的(de)(de)比(bi)較(jiao)(見表(biao)2)。從(cong)表(biao)中(zhong)可以看出,幾種(zhong)中(zhong)化(hua)學消毒(du)劑滅(mie)活微生(sheng)物(wu)需(xu)要(yao)較(jiao)長(chang)的(de)(de)時間,而紫外(wai)線消毒(du)僅(jin)需(xu)幾秒鐘即可達到同樣的(de)(de)滅(mie)活效果。化(hua)學消毒(du)劑都會(hui)產生(sheng)一些對人(ren)體健(jian)康有(you)害的(de)(de)消毒(du)副(fu)產物(wu),并(bing)且(qie)操作及(ji)管理也比(bi)較(jiao)復雜,紫外(wai)線消毒(du)在(zai)滅(mie)菌的(de)(de)過程中(zhong)不(bu)產生(sheng)消毒(du)副(fu)產物(wu),而且(qie)運行(xing)操作簡便,其(qi)基建投(tou)資及(ji)運行(xing)費(fei)用也低于其(qi)他幾種(zhong)化(hua)學消毒(du)方(fang)法(fa)。
表2 紫外線消毒與其他消毒方法的比較 |
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4 紫外線消毒應用的優缺點
紫外線消毒工藝具有其他消毒工藝所無法比擬的優勢,克服了現有傳統消毒技術的缺點。歐洲許多國家以及北美的加拿大和美國已在九十年代分別修改了環境立法,在處理后(hou)的(de)消(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)毒(du),以及飲用水的(de)消(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)毒(du)上(shang),推薦采用紫(zi)外線消(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)毒(du)技術。紫(zi)外線消(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)毒(du)的(de)優(you)勢主(zhu)要表現在(zai):
(1) 紫(zi)外(wai)線消毒(du)技術具有較高的殺菌(jun)效率,運行(xing)安(an)全可靠。紫(zi)外(wai)線消毒(du)對細菌(jun)和病毒(du)等具有較高的滅活效率并且由于不投加任何化學(xue)藥劑,因此它(ta)不會對水(shui)體和周圍(wei)環(huan)境(jing)產生二次污染。
(2) 對(dui)(dui)隱(yin)孢(bao)子蟲(chong)(chong)(chong)和賈第(di)蟲(chong)(chong)(chong)有特效(xiao)(xiao)消毒(du)效(xiao)(xiao)果,常規的氯(lv)消毒(du)工藝對(dui)(dui)隱(yin)孢(bao)子蟲(chong)(chong)(chong)和賈第(di)蟲(chong)(chong)(chong)的滅活(huo)(huo)效(xiao)(xiao)果很低(di),并且在較(jiao)高(gao)的氯(lv)投量下(xia)會(hui)產(chan)生大量的消毒(du)副產(chan)物,而紫外線(xian)消毒(du)在較(jiao)低(di)的紫外線(xian)劑量下(xia)對(dui)(dui)隱(yin)孢(bao)子蟲(chong)(chong)(chong)和賈第(di)蟲(chong)(chong)(chong)就(jiu)可以達到較(jiao)高(gao)的滅活(huo)(huo)效(xiao)(xiao)果。
(3) 不(bu)產(chan)(chan)生有(you)毒(du)有(you)害副(fu)產(chan)(chan)物(wu),不(bu)增加(jia)飲用水的(de)AOC含量。紫(zi)外線消毒(du)不(bu)改變有(you)機(ji)物(wu)的(de)特(te)性,并(bing)且由于不(bu)投(tou)加(jia)化學(xue)藥劑,不(bu)會(hui)產(chan)(chan)生對人(ren)體(ti)有(you)害的(de)副(fu)產(chan)(chan)物(wu),并(bing)且不(bu)會(hui)增加(jia)AOC和BDOC等(deng)損害管(guan)網水生物(wu)穩(wen)定性的(de)副(fu)產(chan)(chan)物(wu)。
(4) 能(neng)降(jiang)(jiang)低(di)臭味和(he)降(jiang)(jiang)解(jie)微量有機物,紫外(wai)線對水中多種微量有機物具有一定的降(jiang)(jiang)解(jie)能(neng)力,并且能(neng)夠降(jiang)(jiang)低(di)水的臭和(he)味。
(5) 占(zhan)地(di)面(mian)積小,運行(xing)維護(hu)(hu)簡單(dan)、費用(yong)低(di)(di)(di)。對每(mei)天5萬噸(dun)污水(shui)用(yong)氯消(xiao)毒來說,需建有一(yi)個130米(mi)長(chang)、3米(mi)寬(kuan)的接觸渠。采用(yong)紫(zi)外線消(xiao)毒只需20米(mi)長(chang)3米(mi)寬(kuan)的面(mian)積;紫(zi)外線消(xiao)毒運行(xing)維護(hu)(hu)簡單(dan),運行(xing)成本低(di)(di)(di),可達每(mei)噸(dun)水(shui)僅4厘人民幣甚至(zhi)更低(di)(di)(di),其性能價格比具有很大(da)優勢。
(6) 消毒效果(guo)受水(shui)溫(wen)、pH影響小。
紫外線(xian)消毒技術(shu)在(zai)工程應用中也存在(zai)一定的缺點,主要(yao)有以下幾個方面(mian):
(1) 無持(chi)續殺菌能力(li),消毒后(hou)的水如(ru)果遇到新的污染源,會再次(ci)被污染,需與氯配合使用;
(2) 濁度(du)及水(shui)中懸浮物對紫外殺(sha)菌有較大影響,降低消(xiao)毒效果(guo);
(3) 紫外(wai)燈套(tao)管容易結垢,影響紫外(wai)光的透出和(he)殺菌效(xiao)果,因此需要對套(tao)管進行定(ding)期的清(qing)洗(xi)以(yi)及(ji)采取表面(mian)降溫措施來防止管垢的形成;
(4) 細(xi)(xi)菌(jun)(jun)(jun)的(de)復活現象(xiang),一(yi)些細(xi)(xi)菌(jun)(jun)(jun)被(bei)紫(zi)外照射(she)失活的(de)病毒細(xi)(xi)菌(jun)(jun)(jun)可通過光的(de)協助修復自身被(bei)破壞(huai)的(de)組織,達(da)到復活目的(de),另外一(yi)些細(xi)(xi)菌(jun)(jun)(jun)可能存在著(zhu)暗(an)復活現象(xiang)(無(wu)需光照);
(5) 國內使用經驗少,在(zai)國內,雖然工(gong)程上已經逐漸開始使用紫外線系統(tong),但是(shi)對(dui)于紫外線消毒技術的研究(jiu)并沒有完全開展(zhan)起來(lai),對(dui)于紫外線消毒的應用也還存在(zai)較多問題(ti)。
5 紫外線消毒技術應用前景
紫外線消毒具有廣譜性,對多種病源微生物都有較好的作用效果。歐洲許多國家以及北美的加拿大和美國已在九十年代分別修改了環境立法,在處理后的消毒以及飲用水的消毒上,都推薦采用紫外線消毒技術[15]。目前紫外線在飲用水消毒、再生回用水消毒、生活污水、等(deng)的(de)(de)(de)消(xiao)(xiao)毒(du)(du)處理(li)中(zhong)得(de)到了一定的(de)(de)(de)應用(yong),盡管(guan)紫外線(xian)消(xiao)(xiao)毒(du)(du)技(ji)術存在無持久殺(sha)菌(jun)能力(li)、細菌(jun)光修復(fu)問題及燈管(guan)的(de)(de)(de)使用(yong)壽命(ming)等(deng)問題,但是相(xiang)信(xin)隨著(zhu)人們對紫外線(xian)消(xiao)(xiao)毒(du)(du)技(ji)術研究(jiu)的(de)(de)(de)不斷(duan)深入,殺(sha)菌(jun)效(xiao)率更(geng)高的(de)(de)(de)中(zhong)壓燈、脈沖燈的(de)(de)(de)出現,燈管(guan)使用(yong)壽命(ming)的(de)(de)(de)延長,以及對紫外線(xian)消(xiao)(xiao)毒(du)(du)系統設計研究(jiu)的(de)(de)(de)深入,紫外線(xian)消(xiao)(xiao)毒(du)(du)裝(zhuang)置產(chan)(chan)品(pin)的(de)(de)(de)商業化、國產(chan)(chan)化,綠(lv)色環保高效(xiao)的(de)(de)(de)紫外線(xian)消(xiao)(xiao)毒(du)(du)技(ji)術在我國飲用(yong)水消(xiao)(xiao)毒(du)(du)中(zhong)將具(ju)有良(liang)好的(de)(de)(de)應用(yong)前景。

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