CN105149344B - 一种微生物和固化剂联合修复重金属污染土壤的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微生物和固化剂联合修复重金属污染土壤的方法,通过将趋磁细菌与重金属污染的土壤混合,灌溉混合有趋磁细菌的重金属污染土壤,并在该重金属污染的土壤上设置磁场,收集含有趋磁细菌的重金属污染土壤,并淋洗上述重金属污染的土壤,填回;在经过趋磁细菌吸附处理后的重金属污染土壤中植入含有固化剂的多孔隙硬质塑囊,培养20~25天之后,取回植入的多孔隙硬质塑囊,循环重复上述步骤,直至土壤中重金属的含量达到安全标准。本发明提出的重金属污染土壤的微生物和固化剂联合修复方法属于原位修复,操作简单、成本低廉、修复效果好,直接将重金属离子去除,不存在土壤的二次污染,适用于大面积污染土壤的治理。
Description
技术领域
本发明属于污染土壤治理领域,特别涉及一种微生物和固化剂联合修复重金属污染土壤的方法。
背景技术
土壤污染是由于土壤中含有的有害物质过多,超过了土壤的自净能力,从而引起了土壤的组成、结构和功能发生变化,有害物质在土壤中逐渐累积,通过“土壤→植物→人体”,或通过“土壤→水→人体”间接被人体吸收,达到危害人体健康的程度。土壤重金属污染主要包括汞(Hg)、镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)和类金属砷(As)等生物毒性显著的元素,以及有一定毒性的锌(Zn)、铜(Cu)、镍(Ni) 等元素,重金属污染元素在土壤中移动性差、滞留时间长、只能发生形态的转变和迁移,不能被微生物降解。历史上发生的“骨痛病”和“水俣病”就是由于重金属污染而致病的典型案例。因此,探索土壤重金属污染的有效修复方法成为当务之急。
目前,土壤重金属污染传统的治理修复方法通常为物理和化学的方法,如稀释和覆土法、玻璃化技术、热处理技术、淋洗法、电化学法等,传统的修复方法成本高、修复持续时间长、见效慢、重金属污染物一般形成络合物,仅是降低重金属的危害,并不能将重金属从土壤中除去,易造成土壤的二次污染。
微生物修复技术指利用土壤中的某些微生物对重金属具有吸收、沉淀、氧化和还原等作用,使重金属污染物被降解、被氧化、被还原、被脱除某些取代基等,从而降低土壤中重金属的毒性,并不能将重金属污染元素去除,待微生物死后,容易造成土壤的二次污染。
重金属污染土壤固化修复技术是通过添加不同外源物质(即固化剂)固定土壤中重金属元素,达到降低重金属迁移性和生物有效性的一种重要方法。由于操作方便和效果快速,使其在污染土壤治理过程中有着不可代替的作用;目前主要的固化剂有水泥、石灰、粉煤灰等,它们的适用面窄,成本高,而且有些固化剂本身存在二次污染,如粉煤灰,固化剂长期固化效果不稳定等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,针对现有技术的不足,提供一种操作简单、成本低廉、修复效果好、不破坏土壤肥力、直接将重金属离子去除,不存在土壤的二次污染,适用于大面积污染土壤治理的微生物和固化剂联合修复重金属污染土壤的方法。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:
一种微生物和固化剂联合修复重金属污染土壤的方法,包括以下步骤:
1)将趋磁细菌与重金属污染土壤的表层混合均匀,培养20~30天;
2)灌溉所述重金属污染的土壤,使重金属污染土壤保持淹水状态,并在所述重金属污染的土壤上面设置磁场,保持35~45天;
3)改变磁场方向,磁场强度保持不变,保持45~55天;
4)收集步骤3)中磁场方向的重金属污染土壤表层厚度10~15cm的土壤;
5)淋洗步骤4)所述收集的重金属污染的土壤,使趋磁细菌与土壤分离,重复淋洗4~5次,然后将淋洗过的土壤填回原处;
6)将固化剂放置在一个多孔隙硬质壳体内形成多孔隙硬质塑囊,将所述多孔隙硬质塑囊埋于步骤1)中经趋磁细菌处理过的重金属污染的土壤中,20~25天后取出;
7)循环重复执行步骤1)~步骤6),直至土壤中重金属的含量达到安全标准。
优选的,步骤1)中趋磁细菌的接种比例为每平方米重金属污染的土壤中接种7.0×109~9.0×109个趋磁细菌。
优选的,步骤2)所述磁场方向背离地面向上,磁场强度为200~500高斯,步骤3)所述磁场方向平行于地面。
优选的,步骤6)所述固化剂由55~60重量份的水泥、5~6重量份的硫化钾、120~150重量份的硅藻土、38~42重量份的二乙醇胺、5~8重量份的丙烯酰胺和6~10重量份的丙烯酸钾组成。
优选的,步骤6)所述多孔隙硬质壳体是直径为35~45mm的球形塑料壳,其上均匀设置45~65个直径为1~1.5mm的孔。
优选的,所述球形塑料壳由两个半球形塑料壳组成,两个半球形塑料壳螺纹连接。
优选的,所述多孔隙硬质塑囊植入深度为20~30cm,植入密度为每亩地80~100个。
本发明的有益效果:
1.趋磁细菌属于革兰氏阴性菌,是专性微好氧、兼性或专性厌氧细菌,具有负趋氧特性,细胞内有沿菌体长轴排列、由膜包被的磁小体颗粒链,在磁场的作用下可以定向运动,而且对重金属有较强的吸附能力;在地磁场的作用下趋磁细菌可以向地下深处移动,由于地磁场的作用力很弱,在土壤表面设置磁场,并通过控制磁场的方向使趋磁细菌集中在小面积内,步骤2)中灌溉重金属污染土壤的目的是降低土壤表层的含氧量,创造有利于趋磁细菌生存的环境。
2. 趋磁细菌对重金属离子的吸附是以细胞表面的吸附为主,所以趋磁细菌吸附重金属的速度很快,在其移动的过程中有效吸附土壤中的重金属,大大降低了土壤中重金属的积累量;同时也不会造成土壤的二次污染。
3. 本发明步骤5)得到的淋洗液回收重金属,一方面防止重金属在回到土壤或者水体,另一方面回收的重金属具有很高的附加价值,可以增加收益。趋磁细菌的回收率达到90%以上,淋洗液重金属回收率达到99%以上,有利于重金属污染土壤的修复。
4. 固化剂位于多孔隙硬质塑囊内,吸收、固化重金属,并向土壤中释放K+,有利于农作物的成长发育,提高土壤肥力;多孔隙硬质塑囊又便于回收,避免造成土壤的二次污染。
总之,本发明提供的一种微生物和固化剂联合修复重金属污染土壤的方法与传统的污染土壤治理方法相比,具有投资少、技术要求不高、操作简单、修复效果好、不破坏土壤肥力、不存在土壤的二次污染、适用于大面积污染土壤治理的优势。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明,以便于同行业技术人员的理解:
趋磁细菌的提取方法:将天津市纪庄子污水处理厂的活性污泥与已经过灭菌降至室温的富集培养基按 l:2的体积比混合均匀,放入广口瓶中,用已灭菌的纱布封住瓶口,28℃静置避光培养30 d,用趋磁细菌收集器收集趋磁细菌(具体参考:刘琚,周培国,张齐生.趋磁细菌处理含Cu、Zn废水的应用研究[J]. 环境科技,2013(26)4:20-24)。将收集的趋磁细菌按照10%的接种量,接种到富集培养基,静止避光、23℃下、当菌液浓度达到7.0×109~9.0×109个/mL的时候,测定吸附重金属的性能,具体如下:
取菌液10ml,加到100ml的Fe3+离子含量 50mg/L、Ni 3+离子含量 10mg/L、Cu3+离子含量 30mg/L、Pb2+离子含量20mg/L、Cr3+离子含量 40mg/L的溶液中28℃下培养2h,测定水中Fe3+、Ni 3+、Cu3+、Pb2+和Cr3+离子的含量,Fe3+、Ni 3+、Cu3+、Pb2+和Cr3+离子吸附率分别达到70%以上,即作为本发明的趋磁细菌使用。本发明中的趋磁细菌可以从其它活性污泥或者重金属污染的土壤中分离,也可以使是现有公开的趋磁细菌菌株,只要其吸附率得到要求即可。以下实施例中的所用到的趋磁细菌是按照上述方法筛选到的,不再赘述。
富集培养基的组成为:2000mg/L C6H12O6,2000 mg/L (NH4)2SO4,700 mg/L KH2PO4,700 mg/L K2HPO4,20 mg/L MgSO4·7H2O,20 mg/L ZnSO4,25 mg/L MnSO4。
本发明水泥作为主要的胶结剂在较高的碱性环境下容易和重金属离子形成难溶的复合物,从而固定住重金属离子;硅藻土具有很强的吸附作用,用来吸附土壤中重金属离子,并且可以利用水泥的包裹作用固定住被吸附的重金属离子;二乙醇胺即可作为吸附剂,又可以提供一个相对较高的碱性环境,更有利于水泥的固化;硫化钾对重金属污染物起到钝化和固化的作用,并可以向土壤中释放K+,提高土壤的肥力;丙烯酰胺和丙烯酸钾对土壤、地下水及农作物无害,在土壤中具有较强的稳定性,主要吸收并聚集土壤中含有重金属离子的水溶液。
采用被重金属污染的土壤厚度为 40cm,面积为 100m2的土地作为实验区域,并将整块实验区域进行样方划分,长宽均为5 m,每个样方之间留宽为0.5m的垄,每个样方根据对角线原则设置5个采样点。采取试验田表层0~40cm的土壤,阴凉通风晾干,去除杂质。测定土壤pH=6,重金属 Fe、Ni、Cu、Pb和Cr的浓度分别为562.3、142.5、325.2、195.6和408.6mg/kg。
根据国家土壤环境质量标准GB15618-2008可知,土壤pH=6.5~7.5的情况下,农业用地旱地重金属 Ni、Cu、Pb和Cr二级标准值分别为70,150,50,150mg/kg,土壤中Fe的平均值为297 mg/kg;因此,上述整块实验区域存在较严重的重金属污染,被重金属污染的土壤厚度为 50cm,面积为 100m2。
实施例1:
一种微生物和固化剂联合修复重金属污染土壤的方法,包括以下步骤:
1)将上述培养的趋磁细菌与重金属污染土壤的表层15cm厚的土壤混合均匀,趋磁细菌的添加比例为每平方米重金属污染的土壤中接种7.0×109个趋磁细菌,培养30天;
2)灌溉与趋磁细菌混合的重金属污染土壤,使重金属污染土壤保持淹水状态,并在该重金属污染的土壤上面放置通电线圈形成磁场,磁场方向背离地面向上,磁场强度为200高斯,保持45天;
3)改变磁场方向,使磁场方向平行于地面,保持磁场强度不变,保持45天;
4)收集重金属污染土壤表层厚度为10cm;
5)用清水淋洗步骤5)中收集的重金属污染土壤,重复淋洗4次,然后将淋洗过的土壤填回原处,淋洗液回收重金属;
6)将55重量份的水泥、5重量份的硫化钾、120重量份的硅藻土、38重量份的二乙醇胺、5重量份的丙烯酰胺和6重量份的丙烯酸钾作为固化剂,放置在多孔隙硬质壳体内形成多孔隙硬质塑囊,多孔隙硬质壳体是直径为45mm的球形塑料壳,其上均匀设置45个直径为1mm的孔,球形塑料壳由两个半球形塑料壳组成,两个半球形塑料壳螺纹连接;
7)将多孔隙硬质塑囊埋于经趋磁细菌处理过的重金属污染的土壤中,多孔隙硬质塑囊植入深度为20cm,植入密度为每亩地100个,25天后取出;
8)循环重复执行步骤1)~步骤8)3次,重金属污染土壤中重金属含量达到了安全标准。
结果显示:相比较于原土壤,土壤pH略微上升至6.3,重金属Fe、Ni、Cu、Pb和Cr的浓度分别为290.65、69.89、149.35、48.67和148.63mg/kg,土壤中重金属Fe、Ni、Cu、Pb和Cr的浓度分别下降了48.31%,50.95%,54.07%,75.12%,63.62%。
实施例2:
一种微生物和固化剂联合修复重金属污染土壤的方法,包括以下步骤:
1)将上述培养的趋磁细菌与重金属污染土壤的表层混合均匀,表层厚度为15cm,趋磁细菌的添加比例为每平方米重金属污染的土壤中接种9.0×109个趋磁细菌,培养20天;
2)灌溉与趋磁细菌混合的重金属污染土壤,使重金属污染土壤保持淹水状态,并在该重金属污染的土壤上面放置通电线圈形成磁场,磁场方向背离地面向上,磁场强度为500高斯,保持35天;
3)改变磁场方向,使磁场方向平行于地面,磁场强度不变,保持47天;
4)收集重金属污染土壤表层厚度为 15cm;
5)用清水淋洗步骤5)中收集的重金属污染土壤,重复淋洗5次,然后将淋洗过的土壤填回原处,淋洗液回收重金属;
6)将57重量份的水泥、7重量份的硫化钾、120重量份的硅藻土、40重量份的二乙醇胺、7重量份的丙烯酰胺和9重量份的丙烯酸钾作为固化剂,放置在多孔隙硬质壳体内形成多孔隙硬质塑囊,多孔隙硬质塑囊是直径为45mm的球形塑料壳,其上均匀设置65个直径为1.5mm的孔,球形塑料壳由两个半球型塑料壳组成,两个半球型塑料壳螺纹连接;
7)将多孔隙硬质塑囊埋于经趋磁细菌处理过的重金属污染的土壤中,多孔隙硬质塑囊植入深度为30cm,植入密度为每亩地80个,20天后取出;
8)循环重复执行步骤1)~步骤8)5次,重金属污染土壤中重金属含量达到了安全标准。
结果显示:相比较于原土壤,土壤pH略微上升至6.4,重金属Fe、Ni、Cu、Pb和Cr的浓度分别为230.81、40.59、90.31、20.69和79.34mg/kg,土壤中重金属Fe、Ni、Cu、Pb和Cr的浓度分别下降了58.95%,71.52%,72.23%,89.42%,80.58%。
实施例3:
一种微生物和固化剂联合修复重金属污染土壤的方法,包括以下步骤:
1)将上述培养的趋磁细菌与重金属污染土壤的表层15cm厚的土壤混合均匀,趋磁细菌的添加比例为每平方米重金属污染的土壤中接种8.0×109个趋磁细菌,培养25天;
2)灌溉与趋磁细菌混合的重金属污染土壤,使重金属污染土壤保持淹水状态,并在该重金属污染的土壤上面放置通电线圈形成磁场,磁场方向背离地面向上,磁场强度为300高斯,保持40天;
3)改变磁场方向,使磁场方向平行于地面,磁场强度不变,保持50天;
4)收集重金属污染土壤表层厚度为 12cm;
5)用清水淋洗步骤5)中收集的重金属污染土壤,重复淋洗4次,然后将淋洗过的土壤填回原处,淋洗液回收重金属;
6)将60重量份的水泥、6重量份的硫化钾、150重量份的硅藻土、42重量份的二乙醇胺、8重量份的丙烯酰胺和10重量份的丙烯酸钾作为固化剂,放置在多孔隙硬质壳体内形成多孔隙硬质塑囊,多孔隙硬质塑囊是直径为40mm的球形塑料壳,其上均匀设置55个直径为1.2mm的孔,球形塑料壳由两个半球形塑料壳组成,两个半球形塑料壳螺纹连接;
7)将多孔隙硬质塑囊埋于经趋磁细菌处理过的重金属污染的土壤中,多孔隙硬质塑囊植入深度为25cm,植入密度为每亩地90个,23天后取出;
8)循环重复执行步骤1)~步骤8)4次,重金属污染土壤中重金属含量达到了安全标准。
结果显示:相比较于原土壤,土壤pH略微上升至6.5,重金属Fe、Ni、Cu、Pb和Cr的浓度分别为253.27、56.81、120.67、35.49和123.93mg/kg,土壤中重金属Fe、Ni、Cu、Pb和Cr的浓度分别下降了54.96%,60.13%,62.89%,81.86%,69.67%。
实施例4:
本实施例中提供一种微生物和固化剂联合修复重金属污染土壤的方法,其具体过程与实施例1的区别仅在于步骤三中磁场强度为500高斯,其他各步骤与实施例1完全相同。
结果显示:相比较于原土壤,土壤pH略微上升至6.3,重金属Fe、Ni、Cu、Pb和Cr的浓度分别为290.64、69.85、149.30、48.69和148.60mg/kg,土壤中重金属Fe、Ni、Cu、Pb和Cr的浓度分别下降了48.31%,50.98%,54.08%,75.10%,63.63%。
从实施例1~4的修复结果可知,在重金属污染土壤中采用趋磁细菌和固化剂经过1~3年的联合修复试验能够大大的降低土壤中Fe、Ni、Cu、Pb和Cr重金属的含量,使得土壤中Fe、Ni、Cu、Pb和Cr重金属的含量达到安全标准,解决了重金属吸收效率低下、重金属修复元素单一、修复时间太长、二次污染的难题,同时也避免重金属污染土壤修复治理过程中改变和破坏土壤结构的情况。
为了突出本发明的创新点,使本领域的技术人员能够充分理解本发明,现列举本发明在试验阶段或采用现有技术的对比实施例,并对其与本发明的实施例进行效果说明。
对比例1:
在上述试验区域的试验田中仅实施趋磁细菌,将趋磁细菌与重金属污染土壤的表层20c m厚的土壤混合均匀,趋磁细菌的添加比例为每平方米重金属污染的土壤中接种9.0×109个趋磁细菌,培养30天;灌溉上述重金属污染土壤,使重金属污染土壤保持淹水状态,并在该重金属污染的土壤上面放置通电线圈形成磁场,磁场方向背离地面向上,磁场强度为200高斯,保持35天;改变磁场方向,使磁场方向平行于地面,磁场强度不变,保持55天;从试验田由西向东收集重金属污染土壤表层厚度为 15cm;用清水淋洗收集的重金属污染土壤,重复淋洗5次,然后将淋洗过的土壤填回原处,淋洗液回收重金属;循环重复执行上述步骤10次,对土壤pH值和重金属 Fe、Ni、Cu、Pb和Cr的浓度含量进行测定。
对比例2:
在上述试验区域的试验田中仅使用固化剂来修复重金属污染的土壤,将70重量份的水泥、8重量份的硫化钾、170重量份的硅藻土、43重量份的二乙醇胺、9重量份的丙烯酰胺和11重量份的丙烯酸钾作为固化剂,放置在多孔隙硬质壳体内形成多孔隙硬质塑囊,多孔隙硬质塑囊是直径为40mm的球形塑料壳,其上均匀设置55个直径为1.2mm的孔,球形塑料壳由两个半球形塑料壳组成,两个半球形塑料壳螺纹连接;将多孔隙硬质塑囊埋于重金属污染的土壤中,多孔隙硬质塑囊植入深度为25cm,植入密度为每亩地100个,25天后取出;循环重复执行上述步骤15次,对土壤pH值和重金属 Fe、Ni、Cu、Pb和Cr的浓度含量进行测定。
对比例3:
在上述试验区域的试验田中仅使用固化剂来修复重金属污染的土壤,其具体过程与对比例2的区别仅在于使用的固化剂不同,固化剂为72重量份的水泥、8重量份的硫化钾、176重量份的硅藻土、9重量份的丙烯酰胺和10重量份的丙烯酸钾,其他各步骤与对比例3完全相同。
对比例4:
在上述试验区域的试验田中仅使用固化剂来修复重金属污染的土壤,其具体过程与对比例2的区别仅在于使用的固化剂不同,固化剂为80重量份的水泥、8重量份的硫化钾、180重量份的硅藻土、50重量份的二乙醇胺,其他各步骤与对比例3完全相同。
土壤治理效果:
根据国家土壤环境质量标准GB15618-2008可知,土壤pH=5.5~6.5的情况下,农业用地旱地重金属Ni、Cu、Pb和Cr二级标准值分别为70,150,50,150mg/kg,土壤中Fe的平均值为297 mg/kg。对本发明实施例1~4及对比例1~4所述重金属污染的土壤治理方法的效果从土壤pH值和重金属最终含量(mg/kg)两个方面进行评价和检验,如表1所示。
表1 实施例和对比例测试结果
由表1可以看出,1)对比实施例1~4,经过1~3年的修复后土壤中重金属的含量均在国家土壤环境质量标准二级标准值以下,在很短的时间内即可完成对土壤重金属的修复。2)对比实施例1和4可以发现外加磁场的强度大小对趋磁细菌对重金属的吸附能力影响不大。3)对比例1~4与实施例1~4相比,不论减少哪一个治理步骤,对土壤的治理效果均会下降,这与各种治理方法之间的协同调节作用密不可分。4)在多种重金属离子共存时,趋磁细菌对土壤中重金属的修复吸收还具有一定的选择性,尤其对Cu离子的吸收是最弱的,相比较而言,实施例1~4中趋磁细菌和固化剂之间的交叉重复循环修复较任何单一形式对重金属土壤的修复更加全面具体。5)对比例2~4与实施例1~4相比,固化剂中缺少二乙醇胺或丙烯酰胺、丙烯酸钾时,其对重金属污染土壤的修复能力都明显的下降,说明固化剂中的各成分之间存在严格的协调关系,相互作用下其修复效果更佳。
上述结果表明,本发明提供的一种微生物和固化剂联合修复重金属污染土壤的方法与传统的污染土壤治理方法相比,具有投资少、技术要求不高、操作简单、修复效果好、修复时间短、不破坏土壤肥力、不存在土壤的二次污染、适用于大面积污染土壤治理的优势。
本发明一种微生物和固化剂联合修复重金属污染土壤的方法所述及的各项权利要求及技术支撑已经明确,凡依据本发明的技术支撑实质所作的任何修改与变化仍属于本发明技术支撑的范围内。
Claims (7)
1.一种微生物和固化剂联合修复重金属污染土壤的方法,其特征在于:包括以下步骤:
1)将趋磁细菌与重金属污染土壤的表层混合均匀,培养20~30天;
2)灌溉所述重金属污染的土壤,使重金属污染土壤保持淹水状态,并在所述重金属污染的土壤上面设置磁场,保持35~45天;
3)改变磁场方向,磁场强度保持不变,保持45~55天;
4)收集步骤3)中磁场方向的重金属污染土壤表层厚度10~15cm的土壤;
5)淋洗步骤4)所述收集的重金属污染的土壤,使趋磁细菌与土壤分离,重复淋洗4~5次,然后将淋洗过的土壤填回原处;
6)将固化剂放置在一个多孔隙硬质壳体内形成多孔隙硬质塑囊,将所述多孔隙硬质塑囊埋于步骤1)中经趋磁细菌处理过的重金属污染的土壤中,20~25天后取出;
7)循环重复执行步骤1)~步骤6),直至土壤中重金属的含量达到安全标准。
2.如权利要求1所述一种微生物和固化剂联合修复重金属污染土壤的方法,其特征在于:步骤1)中趋磁细菌的接种比例为每平方米重金属污染的土壤中接种7.0×109~9.0×109个趋磁细菌。
3.如权利要求1所述一种微生物和固化剂联合修复重金属污染土壤的方法,其特征在于:步骤2)所述磁场方向背离地面向上,磁场强度为200~500高斯,步骤3)所述磁场方向平行于地面。
4.如权利要求1所述一种微生物和固化剂联合修复重金属污染土壤的方法,其特征在于:步骤6)所述固化剂由55~60重量份的水泥、5~6重量份的硫化钾、120~150重量份的硅藻土、38~42重量份的二乙醇胺、5~8重量份的丙烯酰胺和6~10重量份的丙烯酸钾组成。
5.如权利要求1所述一种微生物和固化剂联合修复重金属污染土壤的方法,其特征在于:步骤6)所述多孔隙硬质壳体是直径为35~45mm的球形塑料壳,其上均匀设置45~65个直径为1~1.5mm的孔。
6.如权利要求5所述一种微生物和固化剂联合修复重金属污染土壤的方法,其特征在于:所述球形塑料壳由两个半球形塑料壳组成,两个半球形塑料壳螺纹连接。
7.如权利要求1或6所述一种微生物和固化剂联合修复重金属污染土壤的方法,其特征在于:所述多孔隙硬质塑囊植入深度为20~30cm,植入密度为每亩地80~100个。
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- 2015-09-30 CN CN201510637980.0A patent/CN105149344B/zh active Active
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