CN108480380B - 一种超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的原位与异位盐土修复方法 - Google Patents
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Abstract
一种超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的盐土原位与异位修复方法,本发明属于土壤修复领域。针对传统排水洗盐技术耗水量大、脱盐率低、淋洗周期长等问题,本发明利用超声波的空化作用及热效应,促进土壤中盐分向水溶液快速迁移。针对传统土壤改良剂生产成本高、易产生二次污染的缺陷,本发明采用天然纳米岩、腐殖酸和草木灰配制成复合改良剂,原材料廉价易得、清洁环保,利用多孔纳米岩的高吸附性及腐殖酸、草木灰提供的营养元素促进土壤增肥、保肥。本发明可实现土壤盐分的快速、深度脱除,淋洗效率是传统排水洗盐技术的4‑5倍;且显著提高修复后的土壤肥力,延长土壤可持续利用周期。为盐土的治理提供了一种高效经济、适用性广、安全环保的综合修复方法。
Description
技术领域
本发明涉及土壤修复领域,特别涉及一种超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的盐土原位与异位修复方法。
背景技术
我国盐渍化土地面积近1亿公顷,在土地资源如此紧缺的今天,仍有约80%的盐渍土没有被开发利用。盐渍土一般具有含盐量高、土壤肥力低等特点。传统的盐碱地改良技术主要有排水洗盐等水利措施,栽种耐盐碱植物等生物措施,施用肥料、土壤改良剂等化学措施。排水洗盐技术是利用水利灌溉或降雨,使土壤中的部分可溶性盐分被水“冲走”。此种方法虽然能一定程度得降低盐渍土的含盐量,但完全依赖淡水资源,消耗水资源量大,冲洗次数多,周期长,且土壤中的残留盐分在修复后期容易返盐,造成土壤再度盐渍化,并且盐碱土在排水洗盐的过程中会伴随土壤碱化和养分流失的现象,导致治理后的盐碱土不可持续利用。栽种耐盐碱植物的土壤生物降盐措施是利用植物根部分泌产生的有机酸和植物残体转化分解形成的腐殖酸等物质中和土壤碱性,提高土壤肥力,再通过耐盐碱植物生长过程中的吸收作用降低土壤中的盐分含量。这种技术一般投资大、见效慢、修复周期冗长、改良效果不稳定。增施土壤改良剂是近些年来发展起来的一种方便快捷的新型改良方法,能够改良土壤理化性质,促进盐分洗脱,增加土壤微生物的活性与数量,增强土壤肥力和保水性,提高植物对养分的吸收,达到改良土壤、提高生产力的目的。但常见改良剂生产工艺复杂、制备成本高,施用剂量大,难以大面积推广,且大量施用容易导致土壤板结,甚至形成土壤二次污染。单独采用任意一种改良方式都很难做到土壤的彻底修复,多种改良技术的综合应用是盐碱地治理的核心要点。
排水洗盐与施用土壤改良剂结合的修复技术是降低土壤含盐量、培肥土壤、改善土壤理化性质最简单、方便的有效手段。该技术是在灌水排盐后增施有机肥料等土壤改良剂,以此达到降低土壤含盐量、增强土壤肥力,绿化种植甚至栽培农作物的要求。虽然在一定程度上能降低土壤含盐量,但是该工艺灌水量大,需多次灌洗,耗费大量淡水资源,且只能洗掉土壤表层的盐分,需要大量的改良剂进一步脱盐,难以快速、高效得修复大面积盐渍土。特别是对重度盐渍化土壤的脱盐效果差,很难达到种植土壤的含盐量要求。因此开发一种高效、经济、操作简单、可持续性强、适用性广、无二次污染、低碳环保的盐碱地修复技术,具有广阔的应用前景和重要的研究意义。
发明内容
本发明的目的是一种超声淋洗与纳米岩复合改良剂耦合的盐土原位与异位修复方法,它克服了传统盐碱地修复技术耗水量大、洗盐周期长、脱盐力度弱、治理成本高、易造成土壤二次污染的缺陷,为盐碱地,特别是重度盐碱地的治理提供了一种更高效、经济、环保的综合改良修复方法。
本发明的一种超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的盐土原位修复方法,它是按照以下步骤进行:
一、向待处理的土壤中通入淋洗水;
二、将超声波换能器均匀分布于步骤一的水土混合液中;
三、开启超声设备以及配套的搅拌装置,使待修复土壤处于均匀扰动状态,进行超声淋洗;
四、超声淋洗后,关闭超声设备和搅拌器,排出淋洗液;
五、对步骤四排出淋洗液后的土壤脱水;
六、将混合改良剂,均匀投加至步骤五脱水的土壤中,即完成所述的超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的盐土修复;其中混合改良剂按质量百分比计是由30%~80%的纳米岩、30%~80%的腐殖酸和2%~10%的草木灰制成。
本发明的一种超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的盐土异位修复方法,它是按照以下步骤进行:
一、将待处理的土壤中放入到超声淋洗装置中,向待处理的土壤中通入淋洗水;
二、将超声波换能器均匀分布于步骤一的水土混合液中;
三、开启超声设备以及配套的搅拌装置,使待修复土壤处于均匀扰动状态;
四、超声淋洗后,关闭超声设备和搅拌器;
五、对淋洗后的土壤进行脱水;
六、将混合改良剂,均匀投加至步骤五脱水的土壤中,即完成所述的超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的盐土修复;其中混合改良剂按质量百分比是由30%~80%的纳米岩、30%~80%的腐殖酸和2%~10%的草木灰制成。
本发明提供一种超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的盐土修复方法,其技术优势可概括为:
(1)超声波淋洗脱盐技术可以用更少的淡水资源在更短时间内淋洗出更多的土壤盐分,同等条件下,该技术的脱盐率是一般水洗排盐的4-5倍。该技术通过对土壤胶体中盐分的深层脱洗,避免了改良后期由于降雨、灌溉等引起的土壤返盐,有利于盐碱地修复后期的维护和可持续利用。
(2)本发明提供的复合改良剂均采用天然环保的原材料:多孔纳米岩的高吸附性促使其能快速吸附土壤中的氮、磷、钾等营养元素,增加土壤的保肥、保水和透气性;腐殖酸为土壤提供有机质、氮、磷等营养元素,提高土壤肥力,中和土壤碱性;草木灰为土壤补充钾肥。
(3)超声波高效洗盐技术与纳米岩复合改良剂增肥技术的联合应用具有经济高效、工艺简单、绿色安全等特点,克服了传统盐碱地修复技术耗水量大、脱盐周期长、脱盐力度弱、治理成本高、易造成土壤二次污染的缺陷,为盐碱地,特别是重度盐碱地的治理提供了一种更高效、经济、环保的综合改良修复方法。经过本方法修复后的土壤含盐量能达到绿地种植土的要求,土壤肥力符合高肥力土壤指标。
本发明首次将超声波技术引用到盐渍土的灌水洗盐过程,通过超声波的机械空化效应对土壤进行强力深度脱盐后,再利用含天然纳米岩的复合改良剂对土壤肥力进行二次修复,从而达到土壤种植植物,特别是种植农作物的标准要求。本发明所采用的技术原理如下:
本发明首次将超声波处理技术应用到土壤的排水洗盐过程,主要利用超声波在土壤水溶液中形成的高能量机械振动引起的机械空化效应打散土团、破坏土壤结构,释放土壤胶体中的盐离子,促使颗粒上结合的离子由粗颗粒向细颗粒以及由细颗粒向溶液的迁移,继而利用空化现象产生的热效应和化学效应(形成反应活性极高的自由基)将土壤中的硫酸钙、碳酸钙等不溶或难溶盐转化为可溶于水的络合物,大幅提高水洗的脱盐效果。同时,该技术可以强化土、水两相的传质速度,从而促进土壤中的可溶性盐向水溶液的快速迁移,提高洗盐效率。
本发明提供的肥力改良剂主要是由天然纳米岩、腐殖酸、草木灰按照特定比例组合而成。其主要作用原理是利用纳米岩是一种孔径在0.04-0.8μm的多孔纳米材料,具有很强的吸附性和比表面积(通常为10~65m2/g),容重小,渗透性强,无毒无害,混合均匀性好,在多数pH条件下带负电荷,可通过氢键、共价键、静电引力及范德华力等多种作用吸附土壤中的盐类分子、离子甚至有害污染物,并对土壤中的氮磷钾等营养元素起到吸附和缓释作用,从而提高土壤的保肥性。其多孔结构可以增强土壤的透气性,增加土壤含氧量。同时,该纳米材料含有丰富的硅元素,提高土壤的矿物含量,在土壤中能起到保湿、保肥、疏松土质、助长农作物生长等效果。腐殖酸本身的酸性特质及其能有效结合土壤中多余的钠离子行成腐殖酸钠,降低土壤碱性。腐殖酸钠还能刺激作物生长,增强抗盐能力。腐殖酸能吸附交换活化土壤中很多矿质元素,释放土壤中难溶的养分,在增加土壤有机质的同时可以提高速效磷、碱解氮和速效钾的含量,增强土壤肥力,提高保肥性、保水性和通气性,减少蒸发,抑制盐分,同时腐殖酸还可以增加土壤中的微生物数量和土壤酶活性。本发明提供的改良剂中含有少量草木灰,植物燃烧后的草木灰含有丰富食物矿质元素,主要成分为碳酸钾,此外还含有磷、钙、铁、镁、硫等有效养分和少量的硼、铝、锰等微量元素,是肥效强于化肥的天然钾肥和磷肥。
附图说明
图1为本发明提供的一种超声波淋洗技术用于盐土原位修复的工艺示意图;其中,1为超声控制器,2为搅拌控制器,3为超声换能器,4为搅拌装置,5为排盐暗管,6为阀门,7为隔离层;
图2为本发明提供的一种超声波淋洗技术用于盐土异位修复的工艺示意图;其中,1为淋洗器,2为超声波控制器,3为搅拌控制器,4为超声换能器,5为搅拌装置,6为阀门,7为离心脱水机。
具体实施方式
具体实施方式一:结合图1说明本实施方式,本实施方式的一种超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的盐土原位修复方法,它是按照以下步骤进行:
一、向待处理的土壤中通入淋洗水;
二、将超声波换能器均匀分布于步骤一的水土混合液中;
三、开启超声设备以及配套的搅拌装置,使待修复土壤处于均匀扰动状态,进行超声淋洗;
四、超声淋洗后,关闭超声设备和搅拌器,排出淋洗液;
五、对步骤四排出淋洗液后的土壤脱水;
六、将混合改良剂,均匀投加至步骤五脱水的土壤中,即完成所述的超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的盐土修复;其中混合改良剂按质量百分比计是30%~80%的纳米岩、30%~80%的腐殖酸和2%~10%的草木灰制成。
具体实施方式二:结合图1说明本实施方式,本实施方式与具体实施方式一不同点在于:超声淋洗的时间为30~120分钟。其它与具体实施方式一相同。
超声淋洗是根据待处理土壤含盐量、粘度等理化性质和处理量,选取功率、占空比适宜的超声波换能器,将超声波换能器均匀分布于水土混合液中。其中超声功率以及淋洗时间对本实施方式土壤修复起到主要作用。淋洗时间是在本实施方式时间范围内的任何时间均具有很好的效果。
具体实施方式三:结合图1说明本实施方式,本实施方式与具体实施方式一不同点在于:在加入混合改良剂前,重复步骤一至四操作多次。其与具体实施方式一相同。
本实施方式的重复次数是根据灌水量及土壤含盐量决定。
具体实施方式四:结合图1说明本实施方式,本实施方式与具体实施方式一不同点在于:脱水方式采用原地晾晒。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五:结合图1说明本实施方式,本实施方式与具体实施方式一不同点在于:土壤脱水至含水率为10%~30%。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式较优的含水率为20%~25%。
具体实施方式六:结合图1说明本实施方式,本实施方式与具体实施方式一不同点在于:混合改良剂按质量百分比计是由30%~60%的纳米岩、30%~60%的腐殖酸和5%~10%的草木灰制成。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式较优的混合改良剂是按质量百分比计是由40%~70%的纳米岩、40%~70%的腐殖酸和5%~10%的草木灰制成。
具体实施方式七:结合图1说明本实施方式,本实施方式与具体实施方式一不同点在于:纳米岩为孔径为0.04~0.8μm的多孔纳米岩石,比表面积为10~65m2/g,纳米岩主要成分为二氧化硅、三氧化二铁、五氧化二磷和氧化钙。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式较优孔径为0.1-0.8μm;较优比表面积为20~60m2/g。
具体实施方式八:结合图1说明本实施方式,本实施方式与具体实施方式一不同点在于:腐殖酸的粒径为100~400目,纳米岩石粉的粒径为300~900目,草木灰的粒径为60~300目。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式九:结合图2说明本实施方式,本实施方式一种超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的盐土异位修复方法,它是按照以下步骤进行:
一、将待处理的土壤中放入到超声淋洗装置中,向待处理的土壤中通入淋洗水;
二、将超声波换能器均匀分布于步骤一的水土混合液中;
三、开启超声设备以及配套的搅拌装置,使待修复土壤处于均匀扰动状态;
四、超声淋洗后,关闭超声设备和搅拌器;
五、对淋洗后的土壤进行脱水;
六、将混合改良剂,均匀投加至步骤五脱水的土壤中,即完成所述的超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的盐土修复;其中混合改良剂是由30%~80%的纳米岩、30%~80%的腐殖酸和2%~10%的草木灰制成。
具体实施方式十:结合图2说明本实施方式,本实施方式与具体实施方式九不同点在于:土壤脱水采用离心进行脱水。其它与具体实施方式九相同。
具体实施方式十一:结合图2说明本实施方式,本实施方式与具体实施方式九不同点在于:超声淋洗的时间为30~120分钟。其它与具体实施方式九相同。
超声淋洗是根据待处理土壤含盐量、粘度等理化性质和处理量,选取功率、占空比适宜的超声波换能器,将超声波换能器均匀分布于水土混合液中。其中超声功率以及淋洗时间对本实施方式土壤修复起到主要作用。淋洗时间是在本实施方式时间范围内的任何时间均具有很好的效果。
具体实施方式十二:结合图2说明本实施方式,本实施方式与具体实施方式九不同点在于:在加入混合改良剂前,重复步骤一至四操作多次。其它与具体实施方式九相同。
本实施方式的重复次数是根据灌水量及土壤含盐量决定。
具体实施方式十三:结合图2说明本实施方式,本实施方式与具体实施方式九不同点在于:土壤脱水至含水率为10%~30%。其它与具体实施方式九相同。
本实施方式较优的含水率为20%~25%。
具体实施方式十四:结合图2说明本实施方式,本实施方式与具体实施方式九不同点在于:混合改良剂按质量百分比计是由30%~60%的纳米岩、30%~60%的腐殖酸和5%~10%的草木灰制成。其它与具体实施方式九相同。
本实施方式较优的混合改良剂是按质量百分比计是由40%~70%的纳米岩、40%~70%的腐殖酸和5%~10%的草木灰制成。
具体实施方式十五:结合图2说明本实施方式,本实施方式与具体实施方式九不同点在于:纳米岩为孔径为0.04~0.8μm的多孔纳米岩石,比表面积为10~65m2/g,纳米岩主要成分为二氧化硅、三氧化二铁、五氧化二磷和氧化钙。其它与具体实施方式九相同。
本实施方式较优孔径为0.1-0.8μm;较优比表面积为20~60m2/g。
具体实施方式十六:结合图2说明本实施方式,本实施方式与具体实施方式九不同点在于:腐殖酸的粒径为100~400目,纳米岩石粉的粒径为300~900目,草木灰的粒径为60~300目。其它与具体实施方式九相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容,其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
通过以下实施例验证本发明的有以效果:
实施例1
本实施例的一种超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的盐土原位修复方法,它是按照以下步骤进行:
(1)如图1所示,在铺设排盐暗管5、边界隔离层7等灌水洗盐的配套工程措施完善后,将被处理土地隔离两个淋洗单元;
(2)向单元池内灌水使地表灌水深度为30厘米;
(3)将3个超声换能器3置于被处理单元中心位置,开启超声波控制器1以及配套的搅拌控制装置2,使待修复土壤处于均匀扰动状态;
(4)淋洗60分钟后关闭超声设备和搅拌器;
(5)打开排盐暗管阀门6排出淋洗液;
(6)将烘干破碎的改良剂原料混合,具体包括:粒径为600目的纳米岩石粉,纯度为80%、180目的黑腐殖酸,纯度为70%、粒径150目的棕腐殖酸,80目的草木灰按重量比5:2:2.5:0.5混合制成土壤改良剂;
(7)待地表淋洗液排空、晾晒至耕层土壤含水率约25%,按20千克/亩用量向土壤中均匀加入此土壤改良剂,均匀搅拌。静置48小时后采集改良后的耕作层土壤带回实验室检测,将土壤自然阴干、研磨、过60目筛,测定改良土壤的全盐量、pH值以及有机质、速效磷、速效钾、碱解氮、全氮的含量。
土壤修复效果为,全盐量降为0.10%,pH值降为7.45,改良后的土壤有机质达到45.68g/kg、速效磷增加到77.68mg/kg、速效钾增为158mg/kg、全氮提高到1.8g/kg、碱解氮增为128mg/kg。
实施例2
本实施例的一种超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的盐土异位修复方法,它是按照以下步骤进行:
(1)如图2所示,将3吨盐渍土通过进料口倒入装置内;
(2)开启淋洗器1向装置内加12吨淋洗用水;
(3)灌水结束后调整3个超声换能器4及搅拌装置5的高度,使其位于水土混合液面下中心位置;
(4)打开超声波控制器2及搅拌控制器3,在均匀搅拌状态下淋洗处理30分钟后,关闭超声设备,停止搅拌;
(5)打开出水口阀门6,使淋洗混合液经离心脱水机7离心后得到含水率为20%的脱盐土;
(6)向脱盐土中投加烘干破碎的改良剂混合物,具体包括:30千克过800目的纳米岩石粉,7千克纯度为70%、粒径150目的黑腐殖酸,7.5千克纯度为65%、粒径200目的棕腐殖酸,1千克粒径90目的草木灰。
(7)将改良剂与土的混合物搅拌均匀后得到改良土壤。静置48小时后取适量改良土壤自然阴干、研磨、过60目筛后,测定改良土壤的全盐量、pH值以及有机质、速效磷、速效钾、碱解氮、全氮的含量。
具体的土壤修复效果为,全盐量降为0.08%,pH值降为7.22,改良后的土壤有机质增为48.23g/kg、速效磷增为79.62mg/kg、速效钾增为163mg/kg、全氮增为1.9g/kg、碱解氮增为132mg/kg。
Claims (8)
1.一种超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的盐土原位修复方法,其特征在于它是按照以下步骤进行:
一、向待处理的土壤中铺设排盐暗管(5)、边界隔离层(7),将待处理土地隔离成两个淋洗单元;向两个淋洗单元内灌水使地表灌水深度为30厘米;
二、每个淋洗单元均将3个超声换能器(3)置于中心位置,开启超声波控制器(1)以及配套的搅拌控制装置(2),使待修复土壤处于均匀扰动状态;
三、淋洗60分钟后关闭超声设备和搅拌装置(4),打开排盐暗管阀门(6)排出淋洗液;
四、超声淋洗后,关闭超声设备和搅拌装置(4),排出淋洗液;
五、对步骤四排出淋洗液后的土壤脱水;
六、将混合改良剂,均匀投加至步骤五脱水的土壤中,即完成所述的超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的盐土修复;其中混合改良剂按质量百分比计是由30%~80%的纳米岩、30%~80%的腐殖酸和2%~10%的草木灰制成;纳米岩为孔径为0.04-0.8 nm的多孔纳米岩石,比表面积为10~65 m2/g,纳米岩主要成分为二氧化硅、三氧化二铁、五氧化二磷和氧化钙;超声淋洗的时间为30~120分钟;
所述的超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的盐土原位修复系统是由超声波控制器(1)、搅拌控制装置(2)、超声换能器(3)、搅拌装置(4)、排盐暗管(5)、排盐暗管阀门(6)和隔离层(7);
所述的排盐暗管(5)与多个隔离层(7)合围成淋洗单元;所述的淋洗单元为两个;所述的排盐暗管(5)位于淋洗单元底部,且向淋洗单元两侧延伸;隔离层(7)竖直设置在排盐暗管(5)上方;位于淋洗单元外侧的排盐暗管(5)上设置有排盐暗管阀门(6);
所述的超声换能器(3)和搅拌装置(4)均位于淋洗单元内;搅拌装置(4)与搅拌控制装置(2)的末端转动连接;超声换能器(3)、搅拌控制装置(2)分别与超声波控制器(1)连接。
2.根据权利要求1所述的一种超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的盐土原位修复方法,其特征在于在加入混合改良剂前,重复步骤一至四操作。
3.根据权利要求1所述的一种超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的盐土原位修复方法,其特征在于脱水方式采用原地晾晒。
4.根据权利要求1所述的一种超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的盐土原位修复方法,其特征在于土壤脱水至含水率为10%~30%。
5.根据权利要求1所述的一种超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的盐土原位修复方法,其特征在于混合改良剂按质量百分比计是由30%~60%的纳米岩、30%~60%的腐殖酸和5%~10%的草木灰制成。
6.根据权利要求1或5所述的一种超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的盐土原位修复方法,其特征在于腐殖酸的粒径为100~400目,纳米岩石粉的粒径为300~900目,草木灰的粒径为60~300目。
7.一种超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的盐土异位修复方法,其特征在于它是按照以下步骤进行:
一、将待处理的土壤放入到超声淋洗装置中,开启淋洗器(1)向装置内的待处理土壤中通入淋洗水;
二、灌水结束后调整3个超声换能器(4)及搅拌装置(5)的高度,使其位于水土混合液面下中心位置;
三、打开超声波控制器(2)及搅拌控制器(3),在均匀搅拌状态下淋洗处理;
开启超声设备以及配套的搅拌装置,使待修复土壤处于均匀扰动状态;
四、超声淋洗后,关闭超声设备和搅拌装置(5);
五、打开出水口阀门(6),使淋洗混合液经离心脱水机(7)离心后得到脱盐土;
六、将混合改良剂,均匀投加至步骤五脱水的土壤中,即完成所述的超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的盐土修复;其中混合改良剂按质量百分比是由30%~80%的纳米岩、30%~80%的腐殖酸和2%~10%的草木灰制成;
所述的超声淋洗装置包括淋洗器(1)、超声波控制器(2)、搅拌控制器(3)、超声换能器(4)、搅拌装置(5)、出水口阀门(6)和离心脱水机(7);
所述的淋洗器(1)、超声波控制器(2)、搅拌控制器(3)、超声换能器(4)和搅拌装置(5)均位于底部为锥形的罐体中;淋洗器(1)橫置于罐体上部;超声波控制器(2)位于淋洗器(1)上方,并分别与位于淋洗器(1)下方的搅拌控制器(3)和超声换能器(4)连接,所述的搅拌控制器(3)与搅拌装置(5)的末端转动连接;所述的罐体底部的出水口与离心脱水机(7)进水口连通;在罐体底部的出水口与离心脱水机(7)之间设置有出水口阀门(6);所述的罐体侧壁设置有进料口。
8.根据权利要求7所述的一种超声深度淋洗耦合纳米岩复合改良剂的盐土异位修复方法,其特征在于土壤脱水采用离心进行脱水。
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