全面解析膜生物反應(yīng)器(MBR)--先進(jìn)污水處理解決方案
膜生物反應(yīng)器（MBR）因其出色的出水品質(zhì),，以及靈活,、方便的運(yùn)行模式,，使得該項(xiàng)技術(shù)在污水深度處理中發(fā)揮著重要作用,。系統(tǒng)了解膜生物反應(yīng)器（MBR）技術(shù)，對(duì)工程人員使用好膜生物反應(yīng)器（MBR）至關(guān)重要,，期待以下內(nèi)容能讓工程人員更深度的了解膜生物反應(yīng)器（MBR）,，同時(shí)也期待同行們更多的參與膜生物反應(yīng)器（MBR）技術(shù)的分享與交流。
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浸沒式膜生物反應(yīng)器（MBR）的最早研究可以追溯到上世紀(jì)60年代末期的美國,。1969年Smith等報(bào)道采用超濾膜來替代傳統(tǒng)活性污泥工藝中的二沉池,，用于處理城市污水。70年代末期,，日本由于污水再生利用的需要,，膜生物反應(yīng)器(MBR)的研究工作有了較快的進(jìn)展。自1983年到1987年日本有13家公司使用好氧膜生物反應(yīng)器（MBR）處理大樓污水,，處理水作為中水回用,。從80年代后期到90年代初，Zenon公司繼續(xù)Dorr-Oliver公司的早期研究,，以開發(fā)用于處理工業(yè)廢水的系統(tǒng)并獲得了成功,。Zenon公司的商業(yè)化產(chǎn)品，ZenoGem于1982年投入使用,。
我國對(duì)浸沒式膜生物反應(yīng)器（MBR）的研究始于上世紀(jì)90年代初,。最早開始研究的有清華大學(xué)、中科院生態(tài)環(huán)境中心,、天津大學(xué),、同濟(jì)大學(xué)等。近年,，由于該項(xiàng)技術(shù)所具有的巨大吸引力和潛在的應(yīng)用前景,，受到了更多研究者的青睞,。
1、浸沒式膜生物反應(yīng)器原理
浸沒式膜生物反應(yīng)器（MBR）是膜分離技術(shù)和生物技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,。用超濾或微濾膜分離技術(shù)取代傳統(tǒng)的活性污泥法的二沉池和常規(guī)過濾單元,，使水力停留時(shí)間（HRT）和泥齡（STR）完全分離。其高效的固液分離能力使出水水質(zhì)良好,，懸浮物和濁度接近于零,，并可截留大腸桿菌等生物性污染物，處理后出水可直接回用,，出水水質(zhì)要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)污水處理工藝,，是一種高效、經(jīng)濟(jì)的污水資源化技術(shù),。
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2,、膜分離單元特點(diǎn)
浸沒式膜生物反應(yīng)器（MBR）中膜分離單元-濾膜的選擇基于三點(diǎn)：1.可有效的分離活性污泥；2.運(yùn)行成本最低,；3.抗污染能力強(qiáng),。通過對(duì)國內(nèi)外膜生物反應(yīng)器技術(shù)的研究，目前國內(nèi)外使用的膜生物反應(yīng)器大部分濾膜孔徑基本集中在0.05-0.4μm之間,，基本介于超濾,、微濾膜臨界點(diǎn)附近。在如上孔徑范圍基本上實(shí)現(xiàn)了對(duì)活性污泥的有效截留,，同時(shí)確保其運(yùn)行能耗最低,。再大或者再小的空間將不太適應(yīng)于膜生物反應(yīng)器技術(shù)。
微濾,、超濾,、納濾及反滲透過濾功能見如下表：
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2.1微濾膜（MF）
截留顆粒直徑0.1到數(shù)微米之間。微濾膜允許大分子和溶解性固體（無機(jī)鹽）等通過,，但會(huì)截留懸浮物,、細(xì)菌及大分子量膠體等物質(zhì)。微濾操作壓力一般在0.01～0.2MPa之間,。
2.2超濾膜（UF）
截留顆粒直徑0.002～0.1μm之間,。超濾允許小分子物質(zhì)和溶解性固體（無機(jī)鹽）等通過，同時(shí)截留下膠體,、蛋白質(zhì),、微生物及大分子有機(jī)物，用于表示超濾膜孔徑大小的切割分子量一般在1,000～500,000之間,。超濾操作壓力一般在0.05～0.6MPa之間,。
2.3膜組件型式
2.3.1中空纖維膜原理及型式
篩分過程，浸沒式膜生物反應(yīng)器（MBR）操作壓力一般在0-70kPa，混合液在靜壓差或自吸泵的作用下,，透過纖維素或高分子材料制成的微孔濾膜,，利用其均一孔徑，來截留水中的微粒,、細(xì)菌等,，使其不能通過濾膜而被去除。
2.3.2平板膜原理和形式
篩分過程,，膜生物反應(yīng)器（MBR）操作壓力0-35KPa,，混合液在靜壓差或自吸泵的作用下，透過纖維素或高分子材料制成的微孔濾膜,，利用其均一孔徑,，來截留水中的微粒、細(xì)菌等,，使其不能通過濾膜而被去除,。
（1）平板膜元件型式
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(2)平板膜組件形式
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3、膜生物反應(yīng)器工藝路線
3.1中空纖維膜-膜生物反應(yīng)器工藝路線
3.2平板膜-膜生物反應(yīng)器工藝路線
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3.3浸沒式MBR工藝流程
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常規(guī)MBR污水處理工藝說明：
（1）格柵
污廢水通過格柵,，利用機(jī)械格柵去除大塊雜物,、漂浮物等，避免對(duì)后續(xù)設(shè)備的影響,。在格柵井內(nèi)安裝一套機(jī)械格柵,，柵條間隙為1-2mm，由進(jìn)水室,、格柵渠道組成。在格柵進(jìn)水室設(shè)置應(yīng)急溢流管,，當(dāng)設(shè)備故障或其他非常原因,，使進(jìn)水室的污水超過最高設(shè)定水位時(shí)，污水通過應(yīng)急溢流管超越排出,，為檢修,，在格柵前設(shè)置圓形閘閥。柵渣需定期清理,，可作垃圾處理,。
（2）調(diào)節(jié)池
由于來自各時(shí)的水質(zhì)、水量均不一樣,，一般高峰流量為平均處理量的2～8倍,，因此為使處理系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行，同時(shí)調(diào)節(jié)水量和均和水質(zhì),，設(shè)計(jì)一座調(diào)節(jié)池,。調(diào)節(jié)池的設(shè)計(jì)有效容積一般為平均處理量的4～12倍，為保證調(diào)節(jié)池內(nèi)不沉積污物，設(shè)置潛水?dāng)嚢杵鬟M(jìn)行攪拌,。設(shè)置液位自動(dòng)控制裝置,，水泵將根據(jù)液位自動(dòng)開啟；設(shè)置潛污泵提升污水至缺氧池,，配套自動(dòng)耦合起吊裝置,。
（3）缺氧池
污水進(jìn)入缺氧池，同時(shí)進(jìn)入的還有膜池的回流混合液和污泥池的污泥,。缺氧池主要作用是依靠污水中的有機(jī)物為碳源,，利用反硝化細(xì)菌的反硝化作用將回流至該池泥水混合物中的硝酸鹽、亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，從而?shí)現(xiàn)廢水脫氮,。此外，由于在脫氮過程中也消耗了污水中的有機(jī)物,，所以廢水COD同時(shí)降低,。池內(nèi)設(shè)潛水?dāng)嚢杵鳎芙庋鯘舛葹?.5mg/L,。
（4）好氧池
污水經(jīng)缺氧池處理后,，自流進(jìn)入好氧池，即進(jìn)入好氧處理階段,。在曝氣狀態(tài)下中大量繁殖的活性污泥中微生物以及硝化菌群,、磷細(xì)菌，降解或吸附水中含碳,、氨氮,、磷有機(jī)污染物質(zhì)，以達(dá)到凈化水質(zhì)的目的,。池內(nèi)設(shè)置硅橡膠管式曝氣器,，具有良好的氧轉(zhuǎn)移率?？刂迫芙庋鯘舛?.0mg/L,。
好氧池采用鼓風(fēng)曝氣方式。傳統(tǒng)地埋式常用潛流曝氣方式,，但運(yùn)行發(fā)現(xiàn)當(dāng)停止曝氣時(shí),，污泥沉淀至曝氣口附近而造成曝氣口堵塞現(xiàn)象，使曝氣機(jī)難以啟動(dòng),，甚至完全不能啟動(dòng),；同時(shí)，由于潛流曝氣設(shè)備埋設(shè)于地下,，造成維修更換困難,，給正常運(yùn)行造成很大的麻煩。所以本設(shè)計(jì)采用羅茨鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行鼓風(fēng)曝氣，安裝由管道組成的曝氣系統(tǒng),，不易堵塞,，風(fēng)機(jī)設(shè)在設(shè)備房，維修更換方便,。
（5）MBR池
利用膜對(duì)生化反應(yīng)池內(nèi)的含泥污水進(jìn)行過濾,，實(shí)現(xiàn)泥水分離。一方面,，膜截留了反應(yīng)池中的微生物,，使池中的活性污泥濃度大增加，使降解污水的生化反應(yīng)進(jìn)行得更迅速更徹底,；另一方面,，由于膜的高過濾精度，保證了出水清澈透明,，得到高質(zhì)量的產(chǎn)水,。
膜池設(shè)置MBR膜組件系統(tǒng)及配套的出水、清洗,、吹掃等系統(tǒng),。MBR膜區(qū)內(nèi)的吹掃（曝氣）有兩個(gè)用途，一是用于膜組件周圍的氣水振蕩,，保持膜表面清潔,，二是為提供生物降解所需要的氧氣。通過膜的高效截留作用,，全部細(xì)菌及懸浮物均被截流在曝氣池中,，可以有效截留硝化菌，使硝化反應(yīng)順利進(jìn)行,，有效去除氨氮,；同時(shí)可以截留難于降解的大分子有機(jī)物，延長其在反應(yīng)器中的停留時(shí)間,，使之得到最大限度的降解。剩余污泥通過膜區(qū)剩余污泥泵定期排出,，可控制系統(tǒng)內(nèi)活性污泥的濃度及污泥齡,。
（6）消毒/清水池
經(jīng)膜過濾的出水尚有一部分病毒不能被去除，出水再經(jīng)消毒即可達(dá)標(biāo)回用,?？刹捎米贤庀荆竞蟮乃畠?chǔ)存在清水池內(nèi)供使用,，預(yù)留取水泵位置,。
MBR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從水中去除有機(jī)物（COD）、氨氮（NH3-H）、總氮（TN）和總磷（TP）,。用戶可根據(jù)出水要求,，組合厭氧、缺氧,、好氧工藝,，實(shí)現(xiàn)對(duì)出水的要求。
以下是本公司針對(duì)不同水處理要求所建議的處理工藝,，如表所示
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3.4膜池活性污泥循環(huán)方式
如果采用好氧池+膜池或脫氮池+膜池的運(yùn)行方式,，為了保證均衡的污泥濃度和脫氮效果，需要進(jìn)行活性污泥（MLSS）循環(huán),。大致有以下三種方式：
4,、浸沒式膜生物反應(yīng)器布置
4.1中空纖維膜組件布置
4.2平板膜組件布置圖
5、浸沒式膜生物反應(yīng)器的主要特點(diǎn)
膜生物反應(yīng)器（MembraneBio-Reactor,，MBR）是一種由膜分離單元與生物處理單元相結(jié)臺(tái)的新型水處理技術(shù),，以膜組件取代二沉池，在生物反應(yīng)器中保持高活性污泥濃度減少污水處理設(shè)施占地,，并通過保持低污泥負(fù)荷減少污泥量,。與傳統(tǒng)的生化水處理技術(shù)相比，MBR具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：
(1)能夠有效地進(jìn)行固液分離,，分離效果遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)的沉淀池,，出水水質(zhì)良好，出水懸浮物和濁度接近于零,，可直接回用,，實(shí)現(xiàn)了污水資源化；
(2)膜的高效攔截作用使微生物完全截流在反應(yīng)器內(nèi),，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器水力停留時(shí)間（HRT)和污泥齡（SRT)的完全分離,，使運(yùn)行控制更加靈活穩(wěn)定；
(3)反應(yīng)器內(nèi)的微生物濃度高,，耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng),；
(4)有利于增殖緩慢的硝化細(xì)菌的截流生長和繁殖，系統(tǒng)硝化效率得以提高,，具有一定的脫氮,、除磷功能，優(yōu)于傳統(tǒng)的生物處理單元,；
(5)污泥齡長,。膜分離使污水中的大分子難降解成分，在體積有限的生物反應(yīng)器內(nèi)有足夠的停留時(shí)間,，大大提高了難降解有機(jī)物的降解效率,。反應(yīng)器在高容積負(fù)荷,、低污泥負(fù)荷、長泥齡下運(yùn)行,，可以實(shí)現(xiàn)基本無剩余污泥排放,；
(6)省去二次沉淀池，節(jié)省占地,；
(7)系統(tǒng)采用PLC控制,，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制。
6,、浸沒式膜生物反應(yīng)器預(yù)處理
沒有預(yù)處理,，對(duì)MBR是不可想象。預(yù)處理的作用：既要防止膜污染,，又要保證生物體系的正常運(yùn)行,。處理不當(dāng)：格柵過粗、絮凝不充分（PAM）等高分子之間易吸附,，加強(qiáng)膜污染,。根據(jù)原水的特點(diǎn)，選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)處理措施,。
6.1MBR預(yù)處理設(shè)施選擇的原則
MBR工藝保護(hù)膜的預(yù)處理設(shè)施：超細(xì)格柵（0.2-2mm）,。超細(xì)格柵選擇原則：(1)設(shè)在沉砂池之后；(2)選用Mesh或Hole狀轉(zhuǎn)鼓格柵,；(3)平板膜1-2mm,。
6.2MBR工藝保護(hù)膜的預(yù)處理
多數(shù)膜工程商：進(jìn)水油脂<50mg/L,礦物油<3mg/L
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6.3中空纖維膜對(duì)預(yù)處理的要求
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6.4平板膜對(duì)預(yù)處理的要求
7.1MBR構(gòu)型選擇與膜組件形式
（1）污泥濃度<10g/L；
（2）膜組件排布時(shí),，需要考慮維護(hù)管理的便利性,；
（3）通量：工業(yè)廢水處理時(shí)，提供一般1/2生活污水通量,，但實(shí)際選擇時(shí),，需要結(jié)合具體的廢水類型和水質(zhì)特征進(jìn)行具體分析。
7.2運(yùn)行費(fèi)用與能耗
（1）運(yùn)行費(fèi)用是工程設(shè)計(jì)中需要特別考慮的,。
（2）MBR的運(yùn)行費(fèi)用：a.水泵的性能：與膜組件和TMP有關(guān),；b.曝氣：膜曝氣，一般采用大氣泡曝氣,；生物曝氣,，一般采用微氣泡曝氣；
注：①小型MBR,，生物曝氣和膜曝氣可以合并，采用大氣泡方式,，保證對(duì)膜組件的沖刷,，但能耗稍高,。②中型、大型MBR,，需分開設(shè)置,，既保證對(duì)膜組件的沖刷作用，又可以降低能耗,。③過量的膜曝氣,，會(huì)造成膜壽命下降和膜組件損傷。
（3）膜的清洗：所在比例很??；
（4）膜的更換：與膜材質(zhì)、膜廠家技術(shù)水平,、維護(hù)好壞等有關(guān),。
7.3風(fēng)機(jī)與曝氣管
（1）為保護(hù)膜，宜采用無油壓縮風(fēng)機(jī),。
（2）由于工業(yè)廢水沖擊負(fù)荷的問題,，需要足夠的溶解氧即需要有足夠的風(fēng)機(jī)富余量。
曝氣管容易堵塞,，需要設(shè)置清洗設(shè)備,。設(shè)計(jì)管路時(shí)，應(yīng)防止清洗水流入風(fēng)機(jī),。鼓風(fēng)機(jī)管路應(yīng)高于水面,，防止清洗水流入風(fēng)機(jī)。
7.4自控方式與監(jiān)測(cè)
（1）通常情況下采用PLC控制,，配置必要的電/氣動(dòng)閥門,，自動(dòng)運(yùn)行。
（2）自動(dòng)閥門應(yīng)帶有信號(hào)反饋,，以確定是否開關(guān)到位,。
（3）設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)：TMP、水質(zhì),、濁度等,。
7.5臭味、噪音和濕度問題
（1）由于曝氣量較大,，MBR車間的臭味,、噪音和濕度都較大。
（2）臭味：根據(jù)需要,，反應(yīng)池頂部加蓋,，做成密閉方式，用離心鼓風(fēng)機(jī)將臭氣抽取到臭味去除裝置中,。
（3）噪音：采用隔音罩,，或者選擇低噪音風(fēng)機(jī),。
（4）濕度：根據(jù)需要，增加除濕器或者加強(qiáng)通風(fēng),。
（5）溫度：不能超過40～45度,。
7.6色度問題與去除
（1）目前的MBR均采用超濾/微濾膜，對(duì)色度的截留效果較低,。
（2）原水中的色度：進(jìn)行預(yù)處理,，加入混凝劑或脫色劑，預(yù)先把色度降低到一個(gè)合理的范圍,，然后進(jìn)入MBR,，通過生物降解作用繼續(xù)脫色。
（3）膜出水有時(shí)會(huì)有色度,?？刹捎贸粞酢⒒钚蕴康确绞嚼^續(xù)脫色,。
7.7后期運(yùn)行維護(hù)的便利性
（1）考慮膜組件清洗的便利性,；
（2）考慮膜組件更換的便利性；
（3）操作人員日常維護(hù),、日常檢修等,。
7.8膜組件選型
膜元件用量計(jì)算
n（張）＝Qmax/（F˙A）
其中：Qmax：日最大污水量（m3/d）；考慮下雨,、洪水等情況的最大日污水量,。
F：膜通量[L/(m2˙d)]；
A：每張膜元件的有效膜面積（m2/張）,。
參考值：
1.生活污水設(shè)計(jì)膜通量范圍：400～800L/(m2˙d),。（中空、平板適用范圍）
2.工業(yè)廢水設(shè)計(jì)膜通量范圍：100～400L/(m2˙d),。工業(yè)廢水的場(chǎng)合最好通過試驗(yàn)確認(rèn)膜通量最佳值.（中空,、平板適用范圍）
7.9設(shè)計(jì)水量
設(shè)計(jì)流量的確定是污水處理廠設(shè)計(jì)最基本的問題，是污水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì),、工藝設(shè)備選型的基礎(chǔ),。
（1）傳統(tǒng)的生物處理工藝：污水處理廠規(guī)模Qd是指平均日污水量，污水處理的生物處理系統(tǒng)多數(shù)也是按照Qd設(shè)計(jì),。生物處理系統(tǒng)是利用微生物吸附,、水解或氧化水中有機(jī)物的設(shè)施，具有很強(qiáng)的緩沖能力,。
（2）MBR工藝：通常采取恒流出水模式,，決定了膜通量和膜數(shù)量的選擇。污水處理廠的設(shè)計(jì)流量與運(yùn)行流量要保持一致,。
多數(shù)膜供應(yīng)商：設(shè)定(1.2-1.3)Qd的水量沖擊負(fù)荷,。
如果出現(xiàn)長時(shí)間的污水量沖擊負(fù)荷,，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行膜而言，需以更大的膜通量運(yùn)行才能保證系統(tǒng)進(jìn),、出水平衡，顯然這樣高通量運(yùn)行勢(shì)必會(huì)造成嚴(yán)重的膜污染,，影響MBR系統(tǒng)的正常運(yùn)行,。如發(fā)生長時(shí)間污水量的沖擊，需采取一定的措施來分流超過設(shè)計(jì)流量的峰值負(fù)荷,，引向污水處理廠中其他非MBR工藝的處理系統(tǒng)或其他市政污水處理廠,。
7.10膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算書（以平板膜-膜生物反應(yīng)器為案例）
7.10.1設(shè)計(jì)參數(shù)
（1）處理對(duì)象：生活污水
（2）處理規(guī)模：200m3/d
（3）進(jìn)出水水質(zhì)：
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（4）處理工藝：缺氧+MBR工藝
7.10.2構(gòu)筑物容積設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）調(diào)節(jié)池
無特殊參數(shù)設(shè)定，一般按照平均小時(shí)處理量的4-12倍設(shè)計(jì),，有效停留時(shí)間4-12h,。
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流量調(diào)節(jié)比：
K=膜片數(shù)量（片）×膜面積（1.0或1.5m2）×0.4m3/(m2.d)÷Qm3.d=330×1.5×0.4÷200=0.99
計(jì)算式：V=(Q/T-KQ/24)T=(200/12-0.99×200/24)×12=100.92m3
實(shí)際尺寸：8.0×5.0×4.5m實(shí)際有效容積：100m3
(2)脫氮池
氮容積負(fù)荷定為0.2kg-N/(m3?d)以下。
流入水含氮量
200.0m3/d×0.035kg-N/m3＝7.0kg/d
需要容量
7.0kg/d÷0.2kg-N/(m3?d)＝35.0m3以上
實(shí)際尺寸：5.0m×2.0m×4.5m（實(shí)際有效容積40m3）
(3)硝化池
氮容積負(fù)荷定為0.25kg-N/(m3?d)以下,。
流入水含氮量
200.0m3/d×0.05kg-N/m3＝10.0kg/d
需要容量
10.0kg/d÷0.25kg-N/(m3?d)＝40.0m3以上
實(shí)際尺寸：5.0m×2.0m×4.5m（實(shí)際容量40m3）
※以上尺寸應(yīng)該為考慮到了膜組件的設(shè)置面積后的容量,。
(4)消毒池
日平均汚水量的15分鐘量以上
0.14m3/min×15min＝2.1m3以上
實(shí)際尺寸：1.0m×1.5m×4.5m（實(shí)際有效容積6m3）
(5)排放池
日平均汚水量的15分鐘量以上
0.14m3/min×15min＝2.1m3以上
實(shí)際尺寸：1.0m×1.5m×4.5m（實(shí)際有效容積6m3）
(6)殘?jiān)?汚泥儲(chǔ)存池
剩余汚泥量：（汚泥濃度設(shè)為2.0％，BOD的汚泥轉(zhuǎn)換率設(shè)為45％）
200.0m3/d×0.2kg-BOD/m3×0.45＝18.0kg/d
18.0kg/d÷20kg/m3＝0.9m3/d
殘?jiān)浚海堅(jiān)鼭舛?0000mg/L,，每流入1kgBOD為0.05kg）
200.0m3/d×0.2kg-BOD/m3×0.05kg/kg＝2.0kg/d
2.0kg/d÷50kg/m3＝0.04m3/d
存貯量設(shè)為14天的量,。（0.9m3/d＋0.04m3/d）×14d＝13.2m3以上
實(shí)際尺寸：3.0m×1.5m×4.5m（實(shí)際有效容積：18.0m3）
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