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污水生物處理系統中呼吸測量技術(shù)

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污水生物處理技術(shù)是指利用微生物的呼吸代謝作用去除污水中有機污染物的一種方法。微生物呼吸過(guò)程常伴隨著(zhù)基質(zhì)減少、O2 消耗、CO2 生成和能量釋放等現象,呼吸測量技術(shù)就是通過(guò)測定微生物呼吸過(guò)程中這些物理量的變化來(lái)評價(jià)污水生物處理系統中微生物的代謝活性、污水中有機物的生物降解性、短期生化需氧量( BODst ) 和有毒物質(zhì)的影響等過(guò)程。


  呼吸測量技術(shù)在污水生物處理中的應用始于20 世紀 50 ~ 60 年代,目前已廣泛應用于活性污泥中微生物活性的分析測定、生物異源物質(zhì)的毒性評價(jià)、城市污水廠(chǎng)毒性進(jìn)水的檢測與評價(jià)等方面[1- 4]。根據微生物呼吸原理,污水生物處理系統中的呼吸測量技術(shù)主要分為 3 類(lèi): 基于產(chǎn)物 CO2、CH4 的呼吸測量技術(shù)、基于消耗物 O2 的呼吸測量技術(shù)和基于電化學(xué)的呼吸測量技術(shù)。筆者主要從以上 3 個(gè)方面闡述呼吸測量技術(shù)在污水生物處理系統中的應用現狀及研究進(jìn)展,旨在推動(dòng)呼吸測量技術(shù)在污水生物處理系統中的進(jìn)一步發(fā)展和應用。


  1 基于產(chǎn)物 CO2、CH4 的呼吸測量技術(shù)


  對于污水生物處理系統而言,污水的生物降解性通常采用綜合水質(zhì)指標 BOD5 / CODCr 表示,雖然該值可以反映生物處理工藝對廢水中有機物的降解程度,但不能反映構成廢水 COD 的單項有機物的降解效果。尤其當污水中含有較多難降解有機物( 如多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、鹵代有機化合物、雜環(huán)化合物等) 時(shí),對其生物降解性進(jìn)行分析測定,評價(jià)有機物在污水中的遷移轉化規律及其生態(tài)與健康風(fēng)險,以及預測其在污水生物處理系統中的去除效果等都具有重要的意義。


  有機物的生物降解性評價(jià)方法通常有 2 種: 一種是通過(guò)測定某種物質(zhì)生物降解前后的濃度變化來(lái)評估其分解難易或降解快慢程度; 另一種是通過(guò)測定生物分解過(guò)程中氣態(tài)產(chǎn)物的生成量間接評價(jià)有機物的生物降解性。其中,基于產(chǎn)物 CO2 、CH4 的呼吸測量技術(shù)是指通過(guò)測定微生物在好氧呼吸時(shí)CO2 生成量或在無(wú)氧呼吸時(shí) CO2 、CH4 等氣態(tài)產(chǎn)物的生成量來(lái)間接反映和評價(jià)有機物的生物降解性的方法。該技術(shù)根據生成氣態(tài)產(chǎn)物的監測方法,主要分為CO2 堿溶液吸收法和氣相CO2 、CH4 直接檢測法。CO2 堿溶液吸收法的典型代表是世界經(jīng)濟合作與發(fā)展組織( OECD) 提出的OECD 301B CO2 評價(jià)試驗[5],該方法采用微生物降解基質(zhì)過(guò)程中 CO 生成量來(lái)評價(jià)有機物的生物降解性,測試裝置如圖 1 所示。He 等[6]采用 OECD 301B 標準研究了 24 種合成芳香族化合物的生物降解性,通過(guò)單一受試物 28 d 實(shí)際生物降解生成的 CO2 量與理論生成的CO2 量之比可知,24 種化合物的生物降解性在2. 2% ~ 80. 7%之間。




  宋佳秀等[7]通過(guò)厭氧消化實(shí)驗馴化污水廠(chǎng)剩余污泥的醌呼吸微生物,采用氣相色譜法檢測厭氧呼吸過(guò)程中產(chǎn)生的氣相 CO2、CH4,結果表明: 醌呼吸微生物具有還原腐殖質(zhì)能力,富集醌呼吸微生物過(guò)程的 CO2 / CH4 比正常厭氧消化實(shí)驗高出 1. 7 倍,即醌呼吸微生物與產(chǎn)甲烷微生物在厭氧消化過(guò)程中共同爭奪氫供體;诋a(chǎn)物 CO2、CH4 的呼吸測量技術(shù)主要用于評價(jià)有機物的生物降解性,然而,完成一次生物降解性測試的時(shí)間較長(cháng),一般需要 20 ~ 30 d,且好氧呼吸過(guò)程必須通入不含 CO2 的空氣或通入純氧來(lái)保持有氧環(huán)境; 此外,實(shí)驗過(guò)程中產(chǎn)生的一部分 CO2 產(chǎn)物會(huì )溶于液體樣品中,導致測試結果產(chǎn)生一定的誤差。該方法的優(yōu)點(diǎn)是測試結果不受硝化作用、微生物細胞吸附作用和無(wú)機還原性物質(zhì)的影響,且在恒定運行條件下微生物產(chǎn)氣的濃度與有機物污染的程度密切相關(guān)。


  1 基于消耗物 O2 的呼吸測量技術(shù)


  微生物在進(jìn)行好氧呼吸時(shí)需要消耗水中的溶解氧;谙奈 O2 的呼吸測量技術(shù)是通過(guò)測定 O2消耗量來(lái)間接反映污水中微生物對有機質(zhì)的代謝狀況。耗氧速率( OUR) 是指微生物進(jìn)行好氧呼吸時(shí)消耗氧氣的速度,是表征活性污泥中微生物活性的指標之一,同時(shí)將微生物的生長(cháng)、底物的消耗直接聯(lián)系起來(lái),可用于測定生物降解反應的動(dòng)力學(xué)參數、污水中基質(zhì)降解或消耗的總量( 如 BOD5 ) ,此外還可以評估污水中特定化學(xué)物質(zhì)的毒性; OUR 的呼吸測量技術(shù)主要體現在活性污泥呼吸儀和生物膜傳感器的發(fā)展和應用。


  2. 1 活性污泥呼吸儀


  活性污泥呼吸儀經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,已經(jīng)從傳統的實(shí)驗室自建等簡(jiǎn)易裝置或技術(shù)發(fā)展形成一系列相對較成熟的技術(shù)標準或商業(yè)化產(chǎn)品。其中,瓦勃式呼吸儀作為一種常見(jiàn)的測定耗氧速率儀因其樣品測定體積小、取樣要求精細、操作誤差大等缺點(diǎn)而逐漸被更先進(jìn)的呼吸測量技術(shù)取代[8- 9]。目前,根據O2 測量方法不同,活性污泥呼吸儀分為氣相測氧法和液相測氧法;跉庀鄿y氧法的呼吸儀,如 PF系列活性污泥呼吸儀、BI2000 型電解質(zhì)呼吸儀,其微生物好氧呼吸消耗的 O2 由純氧瓶提供或由電解產(chǎn)生的 O2 及時(shí)補充,產(chǎn)生的 CO2 被吸收池中的堿溶液吸收,結果導致密閉系統內壓力的降低,通過(guò)壓力降的檢測即可計算出微生物消耗 O2 的量。由于溶解氧電極的普遍使用,基于液相測氧的呼吸儀得到了更加廣泛的應用,如英國 strathkelvin 公司的Strathtox 活性污泥呼吸儀和西班牙 的 BM - TAdvance 多用途呼吸儀等。這些呼吸儀均可以進(jìn)行微生物的好氧呼吸測定,能提供關(guān)于活性污泥健康狀況、耗氧速率、硝化及呼吸抑制和優(yōu)化曝氣的分析數據,也可用于污廢水毒性測試。


  Cai 等[10]采用 BI2000 型電解質(zhì)呼吸儀評價(jià)了24 種芳香族化合物對活性污泥的毒性抑制,測得30 min 內 24 種芳香族化合物對微生物的半抑制濃度 IC50 值在 0. 002 ~ 4. 996 g / L 之間,其中乙苯對活性污泥的毒性最強,2,4 - 二氨基甲苯的毒性最弱。


  Cristovao 等[11]采用 BM-T Advance 多用途呼吸測試儀評估 NaCl 質(zhì)量濃度對罐頭廢水生物降解的影響,結果表明,廢水中油脂含量不是抑制微生物“呼吸”作用的主要因素; 低質(zhì)量濃度的 NaCl 不影響微生物的“呼吸”作用,當 NaCl 質(zhì)量濃度大于 17. 5 g / L 時(shí),微生物的“呼吸”作用受到抑制。


  綜上可知,微生物呼吸測試過(guò)程能有效地評估活性污泥中微生物的行為,了解污染物對廢水處理系統中微生物活性的潛在抑制作用,以便進(jìn)行更好的污水處理工藝設計或優(yōu)化。但是,活性污泥呼吸儀也存在穩定性不高、便攜性能不佳和價(jià)格昂貴等缺點(diǎn),從而限制了其廣泛應用。


  2. 2 生物膜傳感器


  Karube 等[12]于 1977 年首次提出了微生物傳感器,并將其用于 BOD 的測定。測定 BOD 的微生物傳感器是由氧電極和微生物菌膜組成。根據微生物菌膜引入方式的不同,生物膜傳感器可分為固定微生物的生物膜傳感器和連續流式微生物傳感器,其在污水處理中主要用于 BOD 的測定。


  2. 2. 1 固定微生物的生物膜傳感器


  固定微生物的生物膜傳感器主要由信號轉換裝置和微生物膜組成,當水樣經(jīng)過(guò)微生物膜時(shí),其上固定的微生物開(kāi)始分解有機物,同時(shí)膜內的溶解氧發(fā)生變化,其改變量被信號轉換裝置識別并最終轉換為電信號,該信號強度通常與有機物濃度成線(xiàn)性關(guān)系,由此實(shí)現對水樣 BOD 值的檢測[13]。


  陳長(cháng)茵[14]依次采用質(zhì)量濃度為( 73. 7 ± 5. 9) 、( 56. 6 ± 4. 6) 、( 16. 3 ± 1. 3) mg / L 的 BOD 標準樣品B1、B2 和 B3 對 220B 型生物膜傳感器進(jìn)行準確度和精密度測試,其 BOD 測定均值依次為 73. 2、56. 7mg / L 和 16. 4 mg / L,相對標準偏差小于 5. 0 mg / L,準確性和重現性均較好。趙磊等[15]以金屬離子鋯 ( Zr) 改性膠原纖維( ZICF) 固定化釀酒酵母為響應元件制備了一種生物膜傳感器,其 BOD 線(xiàn)性響應范圍為 2 ~ 200 mg / L,響應時(shí)間為 2 ~ 9 min。


  2. 2. 2 連續流式生物膜傳感器


  固定微生物的 BOD 生物膜傳感器具有操作簡(jiǎn)便、分析周期短和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),能滿(mǎn)足常規水樣的在線(xiàn)監測需求,但是對于成分復雜的水樣( 如強酸、強堿和有毒廢水) 而言,其菌膜中微生物的活性和使用壽命受到嚴重影響。因此,連續流式微生物傳感器便應運而生。連續流式生物膜傳感器以先期富集培養的待測樣品中微生物為生物識別物,利用溶解氧監測設備檢測微生物呼吸速率的變化,進(jìn)而測定樣品中 BOD 值。目前,已開(kāi)發(fā)研究的一些相對較成熟的在線(xiàn)微生物呼吸檢測設備如表 1 所示[16- 17]。




  Liu 等[18]提出一種微生物在線(xiàn)傳感器,該傳感器由一種特殊設計的壁面射流式反應裝置和內置式溶解氧探頭組成,檢測 BOD 標準稀釋溶液( 質(zhì)量濃度為 26 mg / L ) 時(shí)測量精度較好 ( 標準偏差為1. 0 mg / L) ,響應時(shí)間約為 60 s,可以監測連續流樣品的 BOD 值。張虎軍等[19]報道了一種基于樣品微生物的傳感器,該儀器以螺旋管路內壁為微生物富集載體,多次檢測某地表水的 BOD 與標準 BOD5 方法測量值之間的最大相對誤差為 11. 7%,平均相對誤差僅為 5. 6%,檢測結果較為理想。由于有機物質(zhì)的連續喂養,連續流式微生物傳感器中微生物密度高于真實(shí)環(huán)境,微生物群落完全適應了有機底物,大大減少了分析時(shí)間,響應時(shí)間一般小于 45 min,并且能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監測。


  生物膜傳感器具有響應快、選擇性好、體積小等優(yōu)勢,能快速測定污水中可降解物質(zhì)而使污水在線(xiàn)監測和過(guò)程控制成為可能。然而,受水環(huán)境變化影響,微生物細胞易引起自身復雜的生理狀態(tài),由于生物膜傳感器對組分變化較大的水樣測定可靠性差、污水毒物的非抵抗性等缺點(diǎn)并未在水質(zhì)檢測領(lǐng)域得到普遍應用。


  3 基于電化學(xué)的呼吸測量技術(shù)


  基于電化學(xué)的呼吸測量技術(shù)將微生物生化反應、電化學(xué)技術(shù)和現代信息處理技術(shù)相結合,以微生物為敏感元件對相應環(huán)境的變化( 如 pH、電導率、離子濃度等) 作出響應,以電勢或電流的特征信號反映微生物的生化反應信息。該技術(shù)主要包括電導型微生物傳感器和微生物燃料電池生物傳感器。


  3. 1 電導型微生物傳感器


  有酶參與的生化反應都消耗或產(chǎn)生帶電物質(zhì),這使得測試樣品的離子成分發(fā)生了根本變化[20]。很多微生物催化反應過(guò)程都涉及到離子種類(lèi)的變化,從而產(chǎn)生溶液電導率的變化,而且電導率的變化非常敏感。據此,人們開(kāi)發(fā)了電導型微生物傳感器,其中硫氧化細菌傳感器( SOB) 具有靈敏度好、精度高、維護簡(jiǎn)單、適溫范圍廣等特點(diǎn),成為目前電導型微生物傳感器的研究熱點(diǎn)[21]。


  在有氧條件下,化能自養型的硫氧化細菌能將無(wú)機硫( S) 氧化為硫酸( H2SO4) ,化學(xué)方程式如下:




  SOB 中,O2 作為微生物好氧呼吸的電子受體,反應產(chǎn)生的 H+ 使溶液的 pH 降低,SO2- 使溶液的電導率( EC ) 增大; 在有毒化學(xué)物質(zhì)存在的情況下,SOB 中的硫氧化菌的活性將受到抑制,導致 pH 增大、EC 變小。


  Ginkel 等[22]采用 SOB 生物傳感器檢測水體中5 種內分泌干擾物( EDCs) ( 雙酚 A、壬基酚、雌二醇、二乙基芪和三丁基烯) ,由于 EDCs 對硫氧化菌的抑制作用,導致出水 EC 降低、pH 增加,該傳感器檢測出 EDCs 范圍為 50 ~ 200 μg / L。Gurung 等[23]采用 SOB 生物傳感器評估某紡織工業(yè)廢水的毒性,檢測結果發(fā)現: 廢水中 1,4 - 二 烷、NO- - N 和3 NO- -N 的毒物半數有效濃度 EC50分別為 105 μg / L、 0. 4 mg / L 和 10 mg / L。


  電導型微生物傳感器靈敏度高、價(jià)格適中且能耗較低,然而其受引入的微生物種類(lèi)影響較大,特定的電導型微生物傳感器一般僅能較好地檢測毒物的毒性,普遍適用性能不佳。


  3. 2 微生物燃料電池生物傳感器


  研究發(fā)現,微生物燃料電池( microbial fuel cell,MFC) 的產(chǎn)電量與底物中可降解有機物濃度或毒物濃度呈現良好的線(xiàn)性關(guān)系,為了避免生物傳感器中O2 檢測效率低、誤差大的限制,開(kāi)發(fā)了微生物燃料電池生物傳感器。MFC 是一種利用微生物的呼吸代謝作用降解有機物,把呼吸作用產(chǎn)生的電子傳遞到外電路輸出電能的裝置。典型的 MFC 由陽(yáng)極室和陰極室組成,2 個(gè)極室被質(zhì)子交換膜隔開(kāi),工作原理如圖 2 所示。陽(yáng)極室為無(wú)氧環(huán)境,陰極室為有氧環(huán)境,附著(zhù)在陽(yáng)極表面的產(chǎn)電菌降解有機物產(chǎn)生電子和質(zhì)子,H+ 質(zhì)子通過(guò)離子交換膜從陽(yáng)極室遷移到陰極室,電子通過(guò)外部電路從陽(yáng)極到達陰極,陰極室+ [24- 25]O2 得電子并與 H 結合生成 H2O 。MFC 中微生物呼吸作用產(chǎn)生的電流量與微生物生物降解活動(dòng)成正相關(guān)關(guān)系,產(chǎn)電量與底物中可降解有機物或有毒物的濃度呈現一定的線(xiàn)性關(guān)系,從而可以估算出水樣的 BOD、COD 值或毒性物質(zhì)的影響,進(jìn)而反映微生物活性。




  根據產(chǎn)電菌向陽(yáng)極傳遞電子方式的差異,MFC可分為引入電子中介體和無(wú)介體 2 類(lèi)。無(wú)介體的MFC 中,有機物降解產(chǎn)生的電子通過(guò)細胞膜接觸或納米導線(xiàn)形式傳遞到陽(yáng)極; 在引入電子中介體的MFC 中,則通過(guò)電子傳遞的媒介物—氧化還原介體傳遞電子。


  3. 2. 1 引入電子中介體的 MFC 生物傳感器


  微生物細胞膜上的不導電物質(zhì)會(huì )阻礙電子向電極轉移,導致微生物胞內電子向外傳遞速率較低。為解決該問(wèn)題,研究人員向 MFC 中引入電子中介體以促進(jìn)電子傳遞。在陽(yáng)極室內加入氧化還原介質(zhì)( 如三價(jià)鐵氰化物、二茂洛鐵等) 作為電子中介體,陽(yáng)極附近有機物質(zhì)在呼吸代謝過(guò)程中被氧化,電子通過(guò)電子中介體的還原—氧化態(tài)的轉化轉移到陽(yáng)極上,如圖 3 所示。陽(yáng)極和陰極之間的電勢差反映了與微生物代謝活性成正相關(guān)的信息。




 


  Yoshida 等[26]研制了以三價(jià)鐵氰化物為氧化還原介質(zhì)的 MFC 生物傳感器,用于測定某污水處理廠(chǎng)的 BOD 值,并與標準 BOD5 方法比較,兩者的相關(guān)性較好( R2 = 0. 93) 。徐筑君等[27]以含有鐵氰化鉀氧化還原介質(zhì)的 MFC 生物傳感器研究了聚乙二醇辛基苯基醚( TritonX- 100) 預處理表面的大腸桿菌( E. coli) 活性及其對毒物毒性靈敏度的變化,結果表明: 經(jīng) 2% TritonX- 100 預處理 1 h 的 E. coli 活性及其對毒物毒性靈敏度效果較好,適用于水質(zhì)毒性檢測。然而,電子中介體的引入也存在一些問(wèn)題,如pH 變化將影響氧化還原介體的電化學(xué)靈敏性,氧化還原介質(zhì)可能與待測物發(fā)生直接反應影響電子傳遞,多數氧化還原介體有毒不利于微生物正常代謝等[28]。


  引入電子中介體的 MFC 生物傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是利用外加的氧化還原介質(zhì)加快了陽(yáng)極電子傳遞速率和生物降解反應速率,縮短基質(zhì)降解周期,且多數不需要通過(guò)稀釋高負荷樣品來(lái)降低有機負荷。然而,由于氧化還原介質(zhì)易受 pH 變化影響且具有毒副作用,影響了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。


  3. 2. 2 無(wú)介體的 MFC 生物傳感器


  20 世紀 90 年代后期,MFC 生物傳感器在測定水樣 BOD 方面取得了較大進(jìn)展。研究發(fā)現,一些具有電化學(xué)活性的微生物細菌,如腐敗希瓦氏菌、鐵還原紅育菌、梭狀芽胞桿菌等,降解有機物產(chǎn)生的電子可以通過(guò)細胞膜與電極直接接觸,或是通過(guò)微生物自身的導電附屬物—納米導線(xiàn)將胞內電子快速傳遞至陽(yáng)極[29],從而實(shí)現了微生物燃料電池在無(wú)氧化還原介體條件下運行。因此,無(wú)介體的 MFC 生物傳感器日益受到關(guān)注。


  Kim 等[30]基于無(wú)介體 MFC 檢測了某淀粉加工廢水的 BOD 值,測定結果與標準 BOD5 方法具有良好的相關(guān)性( R2 = 0. 999) ,然而,該實(shí)驗僅對樣品進(jìn)行了 BOD 評估,對其他廢水水質(zhì)測定還有待進(jìn)一步驗證。Tront 等[31] 將金屬還原桿菌引入 MFC,用MFC 檢測含有醋酸鹽的廢水,結果表明: 當醋酸鹽濃度在 0 ~ 2. 3 mmol / L,對應產(chǎn)生的電流為 0 ~ 0. 30mA,MFC 產(chǎn)生的電流與進(jìn)水醋酸鹽濃度具有較好的相關(guān)性( 相關(guān)性系數 R2 = 0. 92) 。賈輝等[32]利用無(wú)介體MFC 探究了UASB 進(jìn)水COD 濃度對MFC 反饋性能的影響,結果表明: 當進(jìn)水 COD 質(zhì)量濃度分別為 1 000 ~ 3 000 mg / L 和 4 000 ~ 6 000 mg / L 時(shí),MFC 檢測進(jìn)水 COD 的結果與實(shí)驗室標準 COD 檢測值有良好的相關(guān)性( R2 分別為 0. 995 和 0. 997) 。


  MFC 中,產(chǎn)電微生物主要通過(guò)細胞膜接觸、納米導線(xiàn)和電子中介體轉移等 3 種方式向電極傳遞電子,將化學(xué)能轉化為電能,電信號的變化預示著(zhù)水質(zhì)的變化[33]。MFC 利用微生物消耗目標化合物或有毒化合物對呼吸代謝途徑的抑制,產(chǎn)生的電流變化可間接檢測 BOD、COD 或毒性物質(zhì)濃度,并可以實(shí)時(shí)監測污水處理系統的水質(zhì)。然而,MFC 生物傳感器也存在一些問(wèn)題,如響應時(shí)間較長(cháng)、穩定性差、對樣品中復雜毒物成分缺乏抵抗性等[34]。


  4 結語(yǔ)與展望


  呼吸測量技術(shù)在污水生物處理系統中的應用已經(jīng)有幾十年的歷史,是污水生物處理系統理論研究和工藝運行管理的重要手段。目前,雖然呼吸測量技術(shù)在污水生物處理系統中已有較多應用,但仍存在一些問(wèn)題和不足。


  ( 1) 基于產(chǎn)物CO2、CH4 的呼吸測量技術(shù)和基于消耗物 O2的活性污泥呼吸儀主要應用于實(shí)驗室微生物呼吸速率的研究、水樣 BOD 檢測及微生物毒性抑制等方面,但是其分析周期較長(cháng)、測試頻率低、便攜性不佳,大多不適用于微生物代謝活動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程研究。


  ( 2) 基于消耗物 O2 的生物膜傳感器主要用于污水 BOD 的檢測,其響應時(shí)間相對較短,其中,連續流式生物膜傳感器可以進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測,但仍存在對組分變化較大的水樣測定可靠性差、污水毒物的非抵抗性、O2 監測誤差大等問(wèn)題缺陷。


  ( 3) 基于電化學(xué)的呼吸測量技術(shù)中,MFC 生物傳感器產(chǎn)生的電流可以直接反映產(chǎn)電微生物的代謝活性,可以用來(lái)研究微生物呼吸代謝的動(dòng)態(tài)過(guò)程和監測污廢水水質(zhì)與毒性影響。然而,該技術(shù)目前仍處于實(shí)驗室研究階段。隨著(zhù) MFC 技術(shù)的進(jìn)一步完善和發(fā)展,如電極材料的改進(jìn)、產(chǎn)電微生物活性的提高、質(zhì)子交換膜的改善等,MFC 生物傳感器將成為污水生物處理系統中一種發(fā)展前景較好的呼吸測量技術(shù)。(來(lái)源:江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院)

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