CN106986462A - 一种采用微生物降解三氯蔗糖废水中n,n‑二甲基甲酰胺的方法 - Google Patents

一种采用微生物降解三氯蔗糖废水中n,n‑二甲基甲酰胺的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用微生物降解三氯蔗糖废水中N,N‑二甲基甲酰胺的方法，包括以下步骤：(1)微生物菌群的富集培养：选取微生物菌群接种至培养液中，经富集培养得富集培养液；(2)微生物菌群的驯化：选取富集培养液，接种入含有N,N‑二甲基甲酰胺的初始驯化培养液中，通过不断调整生物反应装置中的N,N‑二甲基甲酰胺的含量，对微生物菌群进行驯化，得驯化完成的培养液；(3)微生物降解三氯蔗糖废水中N,N‑二甲基甲酰胺：将含有N,N‑二甲基甲酰胺的三氯蔗糖生产废水不断通入驯化完成的培养液中，通过微生物降解三氯蔗糖废水中的N,N‑二甲基甲酰胺。该方法能实现三氯蔗糖废水中N,N‑二甲基甲酰胺的高效率、低成本处理。

Description

一种采用微生物降解三氯蔗糖废水中N,N-二甲基甲酰胺的 方法
技术领域
本发明属于三氯蔗糖废水处理技术领域，具体涉及一种采用微生物降解三氯蔗糖废水中N,N-二甲基甲酰胺的方法。
背景技术
N,N-二甲基甲酰胺(N,N-dimethylformamide,DMF)是一种无色有机溶剂，广泛用于各种化工行业的生产中，有“万能溶剂”之称。DMF可以通过呼吸与皮肤接触进入人体，对人体造成各种程度的伤害。据调查，长期接触或吸入DMF容易导致肝功能异常、食欲减退及腹胀等症状。由于DMF仅作为溶剂存在于化工生产的过程中，基本没有被消耗就和生产废水一并排出，因此，如何有效地处理DMF废水是许多化工生产面临的难题。
目前工业上使用的DMF废水处理方法有物化法、化学法和生物法。常用的物化法有萃取、吸附和蒸馏法，物化法处理DMF废水具有快速简单的优点，但同时又面临萃取液处理困难，吸附剂重复使用成本高，蒸馏法用于低浓度DMF废水运行成本高等问题。工业上常用的化学法包括芬顿氧化法、碱性水解法等，工艺简单，DMF处理较为彻底，但成本较高。随着生物法在废水处理的应用上日渐成熟，生物法已成为低浓度DMF废水最为经济有效的处理方法之一。但由于DMF对大多数微生物具有一定的毒性，即使在低浓度下也会抑制微生物生长，因此，并非是所有的微生物都对降解DMF有效，筛选出能有效处理DMF的微生物菌类并验证该微生物降解DMF的效率是实现生物法处理DMF废水的关键突破口。
在三氯蔗糖生产过程中，DMF作为溶剂使用在多个步骤中，而三氯蔗糖生产废水中的有机物中，也以DMF为主。在工业生产中，高浓度DMF废水一般采用蒸馏回收，但低浓度DMF废水尚未找到一种最佳的处理方式。因此，若是能开发一种高效低成本的生物法处理三氯蔗糖中的含DMF废水，将可大大降低DMF废水处理成本，减轻三氯蔗糖废水处理压力，实现DMF废水的无害化处理。
发明内容
为解决现有技术中三氯蔗糖工业生产中低浓度DMF废水处理成本高，处理难度大的问题，本发明提供了一种采用微生物降解三氯蔗糖废水中N,N-二甲基甲酰胺的方法，该方法能实现三氯蔗糖废水中N,N-二甲基甲酰胺的高效率、低成本处理。
本发明的上述目的是通过以下技术方案来实现的：一种采用微生物降解三氯蔗糖废水中N,N-二甲基甲酰胺的方法，包括以下步骤：
(1)微生物菌群的富集培养：选取微生物菌群，接种至培养液中，经富集培养，得富集培养液；
(2)微生物菌群的驯化：选取富集培养液，接种入含有N,N-二甲基甲酰胺的初始驯化培养液的生物反应装置中，通过不断调整生物反应装置中的N,N-二甲基甲酰胺的含量，对微生物菌群进行驯化，得驯化完成的培养液；
(3)微生物降解三氯蔗糖废水中N,N-二甲基甲酰胺：将含有N,N-二甲基甲酰胺的三氯蔗糖生产废水不断通入驯化完成的培养液中，通过驯化完成的培养液中的微生物降解三氯蔗糖废水中的N,N-二甲基甲酰胺。
进一步的，本发明步骤(2)中的微生物菌群的驯化具体包括以下步骤：
选取富集培养液，接种入含有N,N-二甲基甲酰胺的初始驯化培养液的生物反应装置中；
测试生物反应装置中N,N-二甲基甲酰胺的含量，待N,N-二甲基甲酰胺的质量百分含量降至0.1％以下时，向生物反应装置中补充初始驯化培养液，并从反应装置中排出等量(指等体积)的溶液；
重复向生物反应装置中补充初始驯化培养液，并从生物反应装置中排出等量溶液步骤，至生物反应装置中N,N-二甲基甲酰胺的质量百分含量由1.8～2.2％(更佳为2.0％)降低至0.1％以下时，驯化完成，得驯化完成的培养液。
步骤(2)中对微生物菌群的驯化的目的是为了通过逐步提高生物反应装置中DMF的浓度，对微生物菌群进行驯化，驯化得到的微生物菌群可在DMF浓度为1.8～2.2％(更佳为2.0％)的废水中生长并快速降解DMF。
更进一步的，本发明步骤(3)中的微生物降解三氯蔗糖废水中N,N-二甲基甲酰胺具体包括以下步骤：
将含有N,N-二甲基甲酰胺的三氯蔗糖生产废水通入驯化完成的培养液中；
测试生物反应装置中N,N-二甲基甲酰胺的含量，待N,N-二甲基甲酰胺的质量百分含量降至0.1％以下时，向生物反应装置中补充含有N,N-二甲基甲酰胺的三氯蔗糖生产废水，并从生物反应装置中排出等量(指等体积)的溶液，实现三氯蔗糖生产废水中的N,N-二甲基甲酰胺的连续处理。
在上述采用微生物降解三氯蔗糖废水中N,N-二甲基甲酰胺的方法中：
步骤(1)中所述的微生物菌群为假单胞菌和/或副球菌，为市售菌种，或所述的微生物菌群是采用常规方法从三氯蔗糖生产污水厂污泥中筛选获得的假单胞菌和/或副球菌。
采用常规方法从三氯蔗糖生产污水厂污泥中筛选获得的假单胞菌或副球菌的筛选方法为：
(a)以筛选培养液体积1～5％的比例接种污泥至筛选培养液，1L筛选培养液包括：磷酸氢二钠5～7g、磷酸二氢钾2～4g，氯化钠0.1～1g，培养的温度为25～35℃，溶解氧为1～3mg/L，pH为7.0～8.0，培养时间为4～7天；
(b)以筛选培养液体积5～10％的比例将上述培养液转至新鲜筛选培养液中，继续培养4～7天，如此重复操作5～10次，得到能以DMF作为唯一碳源和氮源生长的微生物菌群，经常规生理生化鉴定及基因序列特征鉴定所述微生物菌群为假单胞菌和/或副球菌。
步骤(1)中所述的培养液的组成为1L培养液中包括胰蛋白胨8～12g、酵母提取物4.5～5.5g、氯化钠8～12g，富集培养的温度为25～35℃，溶解氧为1～3mg/L，pH为7.0～8.0，培养时间为18～24h。
更佳的，步骤(1)中所述的培养液的组成为1L培养液中包括胰蛋白胨10g、酵母提取物5g、氯化钠10g，富集培养的温度为25～35℃，溶解氧为1～3mg/L，pH为7.0～8.0，培养时间为24h。
步骤(2)中所述富集培养液以0.5～1％的质量百分含量接种入含有N,N-二甲基甲酰胺的初始驯化培养液的生物反应装置中。
步骤(2)中所述含有N,N-二甲基甲酰胺的初始驯化培养液的组成为1L溶液中含有氯化铵3～6g、磷酸氢二钠5～7g、磷酸二氢钾2～4g、氯化钠0.1～0.5g、硫酸镁0.2～0.6g、氯化钙0.01～0.03g、N,N-二甲基甲酰胺1～5g，对微生物菌群进行驯化时，温度为25～35℃，溶解氧为1～3mg/L，pH为7.0～8.0。
更佳的，步骤(2)中所述含有N,N-二甲基甲酰胺的初始驯化培养液的组成为1L溶液中含有氯化铵5g、磷酸氢二钠6g、磷酸二氢钾3g、氯化钠0.5g、硫酸镁0.5g、氯化钙0.01g、N,N-二甲基甲酰胺5g，对微生物菌群进行驯化时，温度为30℃，溶解氧为3mg/L，pH为7.0～8.0。
步骤(2)中待N,N-二甲基甲酰胺的质量百分含量降至0.1％以下时，向生物反应装置中补充占生物反应装置中反应溶液总体积10～40％的初始驯化培养液。
步骤(3)中待N,N-二甲基甲酰胺的质量百分含量降至0.1％以下时，向生物反应装置中补充占生物反应装置中反应溶液总体积10～40％的含有N,N-二甲基甲酰胺的三氯蔗糖生产废水(是指含有N,N-二甲基甲酰胺的三氯蔗糖生产废水原水)。
步骤(3)中含有N,N-二甲基甲酰胺的三氯蔗糖生产废水的COD值为15000mg/L～20000mg/L，其中N,N-二甲基甲酰胺对三氯蔗糖生产废水的COD值贡献率高于70％。
本发明步骤(3)中的含有N,N-二甲基甲酰胺的三氯蔗糖生产废水，通常来说，包括以下组分：DMF、二甲胺、氯化单糖、二糖、三糖、多糖或寡糖、氯化钠，亚硫酸钠及多种小分子硫化物，其中三氯蔗糖生产废水中DMF对COD值贡献率大于70％。
在上述各步骤的微生物菌群培养及生物反应装置的反应条件需控制为：温度25～35℃、pH＝7.0～8.0、DO＝1～3mg/L。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)降解效率高，本发明中采用的微生物菌群可在较高DMF浓度中生长，并可快速降解废水中DMF，且可几乎将废水中DMF完全降解，去除率较纯物理或纯化学法高，可大大减轻三氯蔗糖废水后续处理压力；
(2)处理成本低，利用微生物的代谢活动降解废水中的DMF，无需高温、高压等条件，设备需求度低，生物反应器一经建立，可连续使用，处理水量大，可大大降低DMF废水处理成本；
(3)操作简单，易于维护，生物反应装置经启动驯化并进入稳定运行阶段后，日常维护与操作简单，仅需定时对生物反应装置中的温度、溶解氧DO以及pH等进行调控即可保持生物反应装置稳定运行。
附图说明
图1为本发明实施例1、2中采用的生物反应器，其中1为进水口，2为出水口，3为曝气；
图2为本发明实例1中采用微生物降解三氯蔗糖废水中N,N-二甲基甲酰胺的去除效果及处理过程中COD的变化；
图3为本发明实例2中采用微生物降解三氯蔗糖废水中N,N-二甲基甲酰胺的去除效果及处理过程中COD的变化。
具体实施方式
实施例1
一、微生物菌群的富集培养
1)称取胰蛋白胨2g，酵母提取物1g，氯化钠2g，加水至200mL，调pH＝7.0后高温高压灭菌(灭菌条件：121℃，20分钟)。
2)接种微生物菌落至上述培养液，培养24小时。培养条件为：温度30℃，DO＝3mg/L，得富集培养液。
微生物菌群可在上述培养基中快速增长，使得微生物菌群浓度达到较高水平，微生物菌群的富集培养有利于快速启动下一步的生物反应器。
微生物菌群为购自广东省微生物菌种保藏中心的铜绿假单胞菌(编号GIM1.843)。
二、微生物菌群的驯化
微生物菌群的驯化在20L体积的生物反应器中开展，生物反应器如图1所示，在生物反应器的顶部设有进水口1，一侧下方设有出水口2，在生物反应器的底部设有曝气3，曝气用的空气由电磁式空气压缩机通入。
(1)称取氯化铵100g，磷酸氢二钠120g，磷酸二氢钾60g，氯化钠10g，硫酸镁10g，氯化钙0.2g，DMF 100g，加水至20L溶解，调pH＝7.0，获得新鲜驯化培养液。
(2)将上述(一)中获得的200mL富集培养液接种至生物反应器中，开始对微生物菌群的驯化培养。培养条件为：温度：30℃，pH＝7.0～8.0，DO为3mg/L。
(3)每24h测定一次生物反应器中DMF含量。
DMF采用高效液相测普法进行测定。检测器：安捷伦示差折光检测器，色谱柱：GRACE C18反相色谱柱，流动相：甲醇：乙腈：水＝1:1:2.5，流速：1mL/min，检测温度：35℃，柱温：35℃。
(4)待生物反应器中DMF含量低于0.1％时，从生物反应器中排出4L培养液，并向生物反应器补充4L新鲜驯化培养液。重复上述操作3批次后，调节新鲜驯化培养液DMF浓度，使生物反应器DMF浓度分别从0.5％、0.75％、1％、1.25％、1.5％、1.75％、2％依次递增，每个浓度重复操作3个批次，直至生物反应器成功将2％DMF降解至0.1％以下，驯化完成。
(5)记录各DMF浓度状态下每批次DMF降解至0.1％以下所需时间，如表1所示。
表1驯化阶段不同DMF浓度所需降解时间(天)
生物反应器启动初期，虽然DMF浓度较低，但因微生物菌群密度较低，且培养环境改变，微生物菌群需要一定适应时间后才能开始快速增长，并开始快速降解DMF。待生物反应器中微生物菌群浓度达到最大时，为生物反应器运行的最佳状态。随着DMF浓度逐渐升高，DMF浓度降至0.1％以下所需的时间逐渐增加，但微生物菌群降解DMF效率会逐渐提高。由表1可看出，当DMF浓度为1.25％～1.5％时，DMF的降解效率最高，当生物反应器DMF浓度升高至1.75％以上时，微生物菌群的降解效率受到一定的抑制，微生物菌群需要较长适应时间才开始降解DMF。
三、降解三氯蔗糖废水中DMF
每日向上述生物反应器中通入2L三氯蔗糖废水，三氯蔗糖废水COD＝18500mg/L，DMF含量为1.59％。
每日进水前测定生物反应器COD值与DMF含量，生物反应器共运行25天，每日COD值与DMF含量如图2所示。由图2可以看出，整个生物反应器运行期间，DMF浓度变化趋势与COD值变化趋势基本一致。生物反应器运行初期，反应器内DMF浓度和COD逐渐上升，这是因为三氯蔗糖生产废水成分复杂，其中某些成分可能抑制微生物菌群快速降解DMF，且一旦进水DMF浓度或成分发生改变，生物反应器内微生物菌群均需一定适应时间。此外，在运行初期生物反应器内COD的积累也是因为三氯蔗糖废水中含有氯代糖等难降解有机物不断积累，导致生物反应器COD上升。生物反应器运行10天后，微生物菌群DMF降解效率逐渐提高，从第12天开始，反应器内DMF和COD值开始下降，并在第20天后反应器内DMF浓度降至0.1％以下。第23天开始，生物反应器运行稳定，出水DMF浓度保持在0.05％左右，完成三氯蔗糖废水中DMF的快速高效的连续处理。
实施例2
一、从三氯蔗糖生产污水厂污泥中筛选微生物菌群
(1)称取磷酸氢二钠1g，磷酸二氢钾0.5g，氯化钠0.02g，加水至200mL。接种5g三氯蔗糖生产污水厂污泥，培养条件为25～35℃，溶解氧为1～3mg/L，pH为7.0～8.0，培养时间为5天。
从上述培养液中取10mL(5～10％的比例，体积百分含量)转至新鲜筛选培养液中，新鲜培养液包括磷酸氢二钠5g/L，磷酸二氢钾2.5g/L，氯化钠0.1g/L，培养5天。
(2)重复步骤(1)操作6次，得到能以DMF为唯一碳源、氮源生长的微生物菌群，经常规生理生化鉴定及基因序列特征鉴定该微生物菌群包括假单胞菌和副球菌。
二、微生物菌群的富集培养
(1)称取胰蛋白胨2g，酵母提取物1g，氯化钠2g，加水至200mL，调pH＝7.0后高温高压灭菌(灭菌条件：121℃，20分钟)。
(2)接种微生物菌落至上述培养液，培养24小时。培养条件为：温度30℃，DO＝3mg/L，得富集培养液。
微生物菌群可在上述培养基中快速增长，使得微生物菌群浓度达到较高水平，微生物菌群的富集培养有利于快速启动下一步的生物反应器。
三、微生物菌群的驯化
(1)微生物菌群的驯化在20L体积的生物反应器中开展，如图1所示，空气由电磁式空气压缩机通入。
(2)称取氯化铵100g，磷酸氢二钠120g，磷酸二氢钾60g，氯化钠10g，硫酸镁10g，氯化钙0.2g，DMF 100g，加水至20L溶解，调pH＝7.0，获得新鲜驯化培养液。
(3)将上述(二)中获得的200mL富集培养液接种至生物反应器中，开始对微生物菌群的驯化培养。培养条件为：温度：30℃，pH＝7.0～8.0，DO为3mg/L。
(4)每24h测定一次生物反应器中DMF含量。
(5)待生物反应器中DMF含量低于0.1％时，从生物反应器中排出4L培养液，并向生物反应器补充4L新鲜驯化培养液。重复上述操作3批次后，调节新鲜驯化培养液DMF浓度，使生物反应器DMF浓度分别从0.5％、0.75％、1％、1.25％、1.5％、1.75％、2％依次递增，每个浓度重复操作3个批次，直至生物反应器成功将2％DMF降解至0.1％以下，驯化完成。
(6)记录各DMF浓度状态下每批次DMF降解至0.1％以下所需时间，如表2所示。
表2驯化阶段不同DMF浓度所需降解时间(天)
随着DMF浓度上升，筛选的菌群将DMF浓度降至0.1％以下所需的时间越长。但从表2可以看出从三氯蔗糖生产污水厂污泥中筛选到的微生物菌群的DMF降解效率比实施例1中的铜绿假单胞菌高，且对高浓度DMF的适应性较强，当DMF浓度升至1.5％以上时，微生物菌群的生长依然没有收到明显抑制。
四、降解三氯蔗糖废水中DMF
每日向上述生物反应器中通入2L三氯蔗糖废水，三氯蔗糖废水COD＝18500mg/L，DMF含量为1.59％。
每日进水前测定生物反应器COD值与DMF含量，生物反应器共运行25天，每日COD值与DMF含量如图3所示。由图3可以看出，整个生物反应器运行期间，DMF浓度变化趋势与COD值变化趋势基本一致。生物反应器运行初期，反应器内DMF浓度和COD逐渐上升。但因为本实例中的微生物菌群来自三氯蔗糖废水，因此对三氯蔗糖废水的适应性较好，与实施例1相比，本实施例中的微生物菌群可较快适应三氯蔗糖生产废水，并开始快速降解废水中的DMF。生物反应器运行第10天后，反应器内DMF浓度与COD开始下降，微生物菌群DMF降解效率逐渐提高，从第16天开始，生物反应器内DMF含量降至0.1％以下。经过25天的运行后，生物反应器出水DMF可达0.045％左右，COD可降至3000mg/L以下。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种采用微生物降解三氯蔗糖废水中N,N-二甲基甲酰胺的方法，其特征是包括以下步骤：
(1)微生物菌群的富集培养：选取微生物菌群，接种至培养液中，经富集培养，得富集培养液；
(2)微生物菌群的驯化：选取富集培养液，接种入含有N,N-二甲基甲酰胺的初始驯化培养液的生物反应装置中，通过不断调整生物反应装置中的N,N-二甲基甲酰胺的含量，对微生物菌群进行驯化，得驯化完成的培养液；
(3)微生物降解三氯蔗糖废水中N,N-二甲基甲酰胺：将含有N,N-二甲基甲酰胺的三氯蔗糖生产废水不断通入驯化完成的培养液中，通过驯化完成的培养液中的微生物降解三氯蔗糖废水中的N,N-二甲基甲酰胺。
2.根据权利要求1所述的采用微生物降解三氯蔗糖废水中N,N-二甲基甲酰胺的方法，其特征是步骤(2)中的微生物菌群的驯化具体包括以下步骤：
选取富集培养液，接种入含有N,N-二甲基甲酰胺的初始驯化培养液的生物反应装置中；
测试生物反应装置中N,N-二甲基甲酰胺的含量，待N,N-二甲基甲酰胺的质量百分含量降至0.1％以下时，向生物反应装置中补充初始驯化培养液，并从反应装置中排出等量的溶液；
重复向生物反应装置中补充初始驯化培养液，并从生物反应装置中排出等量溶液步骤，至生物反应装置中N,N-二甲基甲酰胺的质量百分含量由1.8～2.2％降低至0.1％以下时，驯化完成，得驯化完成的培养液。
3.根据权利要求1或2所述的采用微生物降解三氯蔗糖废水中N,N-二甲基甲酰胺的方法，其特征是步骤(3)中的微生物降解三氯蔗糖废水中N,N-二甲基甲酰胺具体包括以下步骤：
将含有N,N-二甲基甲酰胺的三氯蔗糖生产废水通入驯化完成的培养液中；
测试生物反应装置中N,N-二甲基甲酰胺的含量，待N,N-二甲基甲酰胺的质量百分含量降至0.1％以下时，向生物反应装置中补充含有N,N-二甲基甲酰胺的三氯蔗糖生产废水，并从生物反应装置中排出等量的溶液，实现三氯蔗糖生产废水中的N,N-二甲基甲酰胺的连续处理。
4.根据权利要求3所述的采用微生物降解三氯蔗糖废水中N,N-二甲基甲酰胺的方法，其特征是：步骤(1)中所述的微生物菌群为市售的假单胞菌和/或副球菌，或所述的微生物菌群是采用常规方法从三氯蔗糖生产污水厂污泥中筛选获得的假单胞菌属微生物和副球菌属微生物。
5.根据权利要求3所述的采用微生物降解三氯蔗糖废水中N,N-二甲基甲酰胺的方法，其特征是：步骤(1)中所述的培养液的组成为1L培养液中包括胰蛋白胨8～12g、酵母提取物4.5～5.5g、氯化钠8～12g，富集培养的温度为25～35℃，溶解氧为1～3mg/L，pH为7.0～8.0，培养时间为18～24h。
6.根据权利要求3所述的采用微生物降解三氯蔗糖废水中N,N-二甲基甲酰胺的方法，其特征是：步骤(2)中所述富集培养液以0.5～1％的质量百分含量接种入含有N,N-二甲基甲酰胺的初始驯化培养液的生物反应装置中。
7.根据权利要求3所述的采用微生物降解三氯蔗糖废水中N,N-二甲基甲酰胺的方法，其特征是：步骤(2)中所述含有N,N-二甲基甲酰胺的初始驯化培养液的组成为1L溶液中含有氯化铵3～6g、磷酸氢二钠5～7g、磷酸二氢钾2～4g、氯化钠0.1～0.5g、硫酸镁0.2～0.6g、氯化钙0.01～0.03g、N,N-二甲基甲酰胺1～5g，对微生物菌群进行驯化时，温度为25～35℃，溶解氧为1～3mg/L，pH为7.0～8.0。
8.根据权利要求3所述的采用微生物降解三氯蔗糖废水中N,N-二甲基甲酰胺的方法，其特征是：步骤(2)中待N,N-二甲基甲酰胺的质量百分含量降至0.1％以下时，向生物反应装置中补充占生物反应装置中反应溶液总体积10～40％的初始驯化培养液。
9.根据权利要求3所述的采用微生物降解三氯蔗糖废水中N,N-二甲基甲酰胺的方法，其特征是：步骤(3)中待N,N-二甲基甲酰胺的质量百分含量降至0.1％以下时，向生物反应装置中补充占生物反应装置中反应溶液总体积10～40％的含有N,N-二甲基甲酰胺的三氯蔗糖生产废水。
10.根据权利要求3所述的采用微生物降解三氯蔗糖废水中N,N-二甲基甲酰胺的方法，其特征是：步骤(3)中含有N,N-二甲基甲酰胺的三氯蔗糖生产废水的COD值为15000mg/L～20000mg/L，其中N,N-二甲基甲酰胺对三氯蔗糖生产废水的COD值贡献率高于70％。
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