CN109502754B - 用于两级式自养脱氮工艺的优化运行控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于污水生物处理技术领域，具体涉及一种基于脱氮负荷与脱氮效果分离控制的亚硝化‑厌氧氨氧化脱氮工艺优化运行策略，适用于两级式自养脱氮工艺的管理调控。所述用于两级式自养脱氮工艺的优化运行控制方法包括脱氮负荷控制和脱氮效果控制。所述装置按污水流向依次包括污水存储池、与污水存储池相连的PN反应器和与PN反应器相连的AMX反应器，所述污水存储池与PN反应器之间设有控制流量的水泵，所述PN反应器底部设有控制供氧量的风机，还包括调控系统。本发明提供的技术方案可以根据实时监测系统提供的进出水水质信息和定期输入的工艺脱氮能力预评估结果，通过计算机设定的分析判定逻辑，快速实现对操作参数的灵活自动调整。
Description
技术领域
本发明属于污水生物处理技术领域，具体涉及一种基于脱氮负荷与脱氮效果分离控制的亚硝化(PN)-厌氧氨氧化(ANAMMOX)脱氮工艺优化运行策略，适用于两级式PN-ANAMMOX脱氮工艺的管理调控。
背景技术
与传统硝化-反硝化生物脱氮技术相比，基于部分亚硝化(PN)和厌氧氨氧化(ANAMMOX)耦合反应的全自养生物脱氮技术具有脱氮高效、运行稳定、能耗节省以及环境友好等优点，被认为是当今最具可持续发展的污水生物脱氮技术之一。
全自养脱氮技术的工艺形式一直是研究者们争论的热点之一，即PN与ANAMMOX的耦合可以在同一反应器中实现(即一体式工艺)，也可以在分置于不同的反应器中完成(即两级式工艺)。目前污水自养脱氮技术的实验研究和专利技术多是基于一体式工艺构型的。尽管一体式全自养脱氮工艺具有结构简单、造价低廉的优势，但却普遍存在着工艺负荷低和出水水质差的问题，尤其用于低氨氮浓度类污水(如城市污水)处理时，这些问题表现更加突出。
两级式自养脱氮工艺可以为不同功能菌提供最佳的生物环境，因此理论上两级式自养脱氮工艺应具有处理能力高且出水水质好优势特征。然而，两级式全自养脱氮工艺上述优势的发挥依赖于精准、灵活的运行控制策略。遗憾的是，至今有关两级式自养脱氮工艺的运行调控策略尚属空白，从而限制了该技术的工程化应用。
因此，本发明目的在于通过制定和应用适于两级式自养脱氮工艺的调控策略，保证两级式部分亚硝化和厌氧氨氧化耦合系统的长期稳定运行，实现高效高质污水脱氮目标。
发明内容
本发明提供了一种用于两级式自养脱氮工艺的优化运行控制方法及装置，用以解决目前两级式自氧脱氮无法精确及时进行调控从而限制了工业化使用的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：所述用于两级式自养脱氮工艺的优化运行控制方法，所述两级式自养脱氮包括分别在两个反应器中进行的PN(部分亚硝化)系统和ANAMMOX(厌氧氨氧化)系统，所述用于两级式自养脱氮工艺的优化运行控制方法包括：
脱氮负荷控制，是指以ANAMMOX反应系统中出水的氮浓度为反馈信息源调节工艺进水流量，从而控制进水氮负荷；
和脱氮效果控制，是指在满足PN系统内逻辑设定的前提下，由ANAMMOX系统反馈的信息调节PN系统中O2(氧气)的供给，从而控制TN去除率；
所述PN系统内逻辑通过PN系统内的DO值、[NO2 --N]PN(PN系统出水中亚硝酸根离子的浓度)和[NH4 +-N]PN(PN系统出水中铵根离子的浓度)数据来设定；
所述ANAMMOX系统反馈的信息为ANAMMOX系统中或ANAMMOX系统出水中的[NO2 --N]AMX(ANAMMOX系统中或出水中的亚硝酸根离子的浓度)和[NH4 +-N]AMX(ANAMMOX系统中或出水中的铵根离子的浓度)数据。
可选地，所述脱氮负荷控制的流程为：
首先在厌氧环境下测定ANAMMOX系统所能承受的最大脱氮负荷(NRRAMX)；
然后获取工艺进水的氮浓度(TXNin)和进水流量(Qin)，从而根据式(1)计算进水氮负荷(NLRin)，使NLRin在NRRAMX以下，
NLRin＝TXNin×Qin 式(1)。
可选地，所述进水流量的具体控制标准为：当[NLRin/NRRAMX]≤0.7时，调高Qin；当[NLRin/NRRAMX]≥1.0时，调低Qin，直至0.7<[NLRin/NRRAMX]<1.0。
可选地，所述TXNin为进水中TKNin(总凯氏氮浓度)或TANin(铵根离子浓度)。
所述进水中总凯氏氮浓度可以通过在线水量水质监测仪表测得。
所述NRRAMX的值可采用本领域通用方法获得，测定固定温度下ANAMMOX系统内厌氧氨氧化污泥的活性(即总氮比去除速率)与数量(污泥浓度)计算获得。
可选地，所述PN系统内逻辑为0.05<[DO/NH4 +]PN<0.35且1.0<[NO2 --N]PN/[NH4 +-N]PN<1.5，若未达要求则调节PN系统中O2的供给。
可选地，所述由ANAMMOX系统反馈的信息调节PN系统中O2的供给具体为：
若[NO2 --N]AMX＜1.0mg N·L-1且[NH4 +-N]AMX＜1.0mg N·L-1时，无需调整供氧量；
若[NO2 --N]AMX＞1.0mg N·L-1且[NH4 +-N]AMX＜1.0mg N·L-1时，则降低DO；
若[NO2 --N]AMX＜1.0mg N·L-1且[NH4 +-N]AMX＞1.0mg N·L-1时，则增加DO；
若[NO2 --N]AMX＞1.0mg N·L-1且[NH4 +-N]AMX＞1.0mg N·L-1时，则进行脱氮负荷控制；
直至满足[NO2 --N]AMX＜1.0mg N·L-1且[NH4 +-N]AMX＜1.0mg N·L-1。
可选地，每次调节幅度为DO增加或下降0.05mg O2·L-1。
可选地，所述脱氮效果控制基于脱氮负荷控制完成的基础上进行。
本发明还提供了一种两级式自养脱氮工艺装置，按污水流向依次包括污水存储池、与污水存储池相连的PN反应器和与PN反应器相连的AMX反应器，所述污水存储池与PN反应器之间设有控制流量的水泵，所述PN反应器底部设有控制供氧量的风机，还包括调控系统，所述调控系统包括设置在PN反应器内的第一检测探头、第二检测探头和第三检测探头、以及设置在AMX反应器内的第四检测探头和第五检测探头，所述调控系统根据探头采集的数据分析处理后反馈控制水泵或风机，所述第一检测探头检测DO值，所述第二检测探头检测PN系统亚硝酸根离子浓度，所述第三检测探头检测PN反应器铵根离子浓度，所述第四检测探头检测AMX反应器亚硝酸根离子浓度，所述第五检测探头检测AMX反应器铵根离子浓度。
可选地，所述水泵为变频水泵，所述风机为爆气风机。
可选地，所述PN反应器进水口位于PN反应器下部，PN反应器出水口位于PN反应器上部，所述第二检测探头和第三检测探头位于PN反应器出水口处。
可选地，所述AMX反应器进水口位于AMX反应器上部，AMX反应器出水口位于AMX反应器上部，所述第四检测探头和第五检测探头位于AMX反应器出水口处。
本发明提供的技术方案可以根据实时监测系统提供的进出水水质信息和定期输入的工艺脱氮能力预评估结果，通过计算机设定的分析判定逻辑，快速实现对操作参数(进水量、曝气量)的灵活自动调整，增强量工艺运行调控管理的灵活性，保障工艺高负荷运转的同时获得高品质脱氮需求。
附图说明
图1是本发明所述用于两级式自养脱氮工艺的优化运行控制方法的流程示意图；
图2是本发明所述两级式自养脱氮工艺装置的结构示意图。
图中所示：
10-污水存储池，20-PN反应器，21-PN反应器进水口，22-PN反应器出水口，30-AMX反应器，31-AMX反应器进水口，32-AMX反应器出水口，40-变频水泵，50-爆气风机，60-调控系统，61-第一检测探头，62-第二检测探头，63-第三检测探头，64-第四检测探头，65-第五检测探头。
具体实施方式
为了便于理解，下面结合实施例阐述所述本发明所述用于两级式自养脱氮工艺的优化运行控制方法和装置，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位和位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
所述两级式自养脱氮为PN(部分亚硝化)反应和ANAMMOX(厌氧氨氧化)反应，如图1所示，所述用于两级式自养脱氮工艺的优化运行控制方法包括脱氮负荷控制和脱氮效果控制的两级控制。
第一级调控，脱氮负荷调控。
首先在厌氧环境下测定特定条件(如温度)下ANAMMOX系统内厌氧氨氧化污泥的活性(总氮比去除速率)与数量(污泥浓度)，评估该条件下ANAMMOX系统所能承受的最大脱氮负荷(NRRAMX)，这一评估过程为本领域公知方法；
然后，配合在线水量水质监测仪表获取的进水中总凯氏氮浓度(TKNin)，污水中有机氮浓度较低的污水，也可以进水NH4 +-N浓度(TANin)代替TKNin，对工艺进水流量(Qin)进行调控，进而保证进水氮负荷(NLRin)始终在低于NRRAMX的前提下运行，进水氮负荷通过式(1)NLRin＝TKNin×Qin式(1)计算，考虑为了获得工艺高效能脱氮目标，可将NLRin设定在相对较高的水平，比如图1所示，控制标准为0.8<[NLRin/NRRAMX]<1.0，当[NLRin/NRRAMX]≤0.8时，调高Qin；当[NLRin/NRRAMX]≥1.0时，调低Qin，Qin通过调节变频水泵来实现，当0.8<[NLRin/NRRAMX]<1.0，即可稳定Qin，进行第二级调控。
第二级调控，工艺脱氮效率(即TN去除率)调控。
在完成第一级脱氮负荷控制的基础上，通过调节PN系统中的O2供给来实现对工艺出水水质的把控。
该级调控所需的反馈信息源分两层，第一层是PN系统内部的控制逻辑设定(虚线框内)，通过曝气风机调节供氧量同时保证PN系统内DO与NH4 +浓度比在较为合适的范围内(比如图中给出的0.15<[DO/NH4 +]PN<0.30范围)，以及使得PN系统出水中[NO2 --N]PN和[NH4 +-N]PN浓度比例基本维持在适合AMX代谢需求的范围(比如图中给出的1.0<[NO2 --N]PN/[NH4 +-N]PN<1.3)，如果满足上述两个标准则采集第二层反馈信息源进行进一步评估；
在满足PN系统内逻辑设定的前提下，执行由ANAMMOX系统反馈来的第二层信息逻辑控制，即通过在线监测ANAMMOX系统中或其出水中的[NO2 --N]AMX和[NH4 +-N]AMX浓度，继续参见图1，
若[NO2 --N]AMX＜1.0mg N·L-1且[NH4 +-N]AMX＜1.0mg N·L-1时，则完成两级调控，稳定运行；
若[NO2 --N]AMX＞1.0mg N·L-1且[NH4 +-N]AMX＜1.0mg N·L-1时，则降低DO；
若[NO2 --N]AMX＜1.0mg N·L-1且[NH4 +-N]AMX＞1.0mg N·L-1时，则增加DO；
若[NO2 --N]AMX＞1.0mg N·L-1且[NH4 +-N]AMX＞1.0mg N·L-1时，则需回到第一级脱氮负荷控制；
特别注意的是，操作参数每次的调控步幅应视具体情况合理设定，在避免调控过度的同时降低调控的延迟影响，比如DO调控每次调控幅度为0.05mg O2·L-1。
经过上述两级实时控制，即可实现工艺高品质脱氮的目标。
所述两级式自氧脱氮装置如图2所示，按污水流向依次包括污水存储池10、与污水存储池10相连的PN反应器20和与PN反应器20相连的AMX反应器30，所述PN反应器20为用于好氧亚硝化的气提内循环反应器，所述AMX反应器30为厌氧氨氧化的完全混合式反应器，PN反应器20和AMX反应器30串联运行。
继续参见图2，所述污水存储池10与PN反应器20之间设有控制流量的变频水泵40，所述PN反应器20底部设有控制供氧量的爆气风机50，所述两级式自氧脱氮装置还包括调控系统60，所述调控系统60包括设置在PN反应器20内的第一检测探头61、第二检测探头62和第三检测探头63、以及设置在AMX反应器30内的第四检测探头64和第五检测探头65，所述调控系统60根据探头采集的数据分析处理后反馈控制变频水泵40或爆气风机50，所述第一检测探头61检测DO值，所述第二检测探头62检测PN系统亚硝酸根离子浓度，所述第三检测探头63检测PN反应器铵根离子浓度，所述第四检测探头64检测AMX反应器亚硝酸根离子浓度，所述第五检测探头65检测AMX反应器铵根离子浓度。
继续参见图2，所述PN反应器进水口21位于PN反应器10下部，PN反应器出水口22位于PN反应器20上部，所述第二检测探头62和第三检测探头63位于PN反应器出水口22处。
继续参见图2，所述AMX反应器进水口31位于AMX反应器30上部，AMX反应器出水口32位于AMX反应器30上部，所述第四检测探头64和第五检测探头65位于AMX反应器出水口32处。
PN反应器20有效容积为4L，上升流区域横截面积与下降流区域横截面积之比约为1；其中PN反应器20中pH通过投加NaHCO3维持在6.5-7.3之间；PN反应器20中接种具有良好亚硝化效能的颗粒污泥(污泥浓度为2.8g VSS·L-1)，PN系统中微生物以颗粒污泥或载体生物膜的形式悬浮生长。AMX反应器30有效容积为9L；AMX反应器30中的接种具有良好脱氮性能的厌氧氨氧化污泥，工艺运行温度在16-10℃范围；ANAMMOX系统中的微生物生长状态无特殊要求。
下面以一具体处理过程为例进行详细产生控制过程：
以经过有机质预分离后的实际城市污水为处理对象，具体水质如下：NH4 +-N为35.8±5.2mg N·L-1，NO3 --N为0.27±0.25mg N·L-1，TN为36.4±5.6mg N·L-1，COD为42±32mgCOD·L-1。
具体操作如下：
(1)评估AMX反应器的脱氮能力。实验初始阶段，运行温度在16±1℃左右。在此温度下，通过批式实验测得厌氧条件下厌氧氨氧化污泥的最大氮比去除速率为132.8mg N·g-1VSS·d-1，AMX反应器中污泥浓度为5.4g VSS·L-1，由此可得AMX反应器在16℃条件下的脱氮速率不超过0.72g N·L-1·d-1。考虑厌氧氨氧化反应TN去除效率一般不高于90％，则本实验中AMX反应器所能承受的进水氮负荷NRRAMX不超过0.8g N·L-1·d-1。
(2)确定工艺进水流量。基于(1)中所得AMX反应器的脱氮负荷NRRAMX以及AMX反应器有效容积(9L)、进水中TN浓度(36.4±5.6mg N·L-1)，计算确定工艺进水流量不高于200L·d-1。考虑工艺脱氮效能安全余量和高负荷运行(0.7<[NLRin/NRRAMX]<0.9)，则通过调节进水泵转速实现工艺进水流量在140-180L·d-1(即5.8-7.5L·h-1)范围。本实验中取进水流量Qin为7L·h-1。
自此完成第一级调控，脱氮负荷调控。
(3)在上述基础上，初步调控PN反应器中供氧量，实现PN反应器中NO2 --N氧化细菌(NOB)抑制和半亚硝化出水。在温度为16±1℃、进水流量为7L·h-1的条件下，通过调节气体流量计控制PN反应器中曝气速率在0.6L·min-1，此时PN反应器中DO浓度在2.8mg O2·L-1左右，对应的[DO/NH4 +]PN在0.16±0.02(在0.05<[DO/NH4 +]PN<0.35范围)，出水中[NO2 --N]PN/[NH4 +-N]PN值在1.1±0.13(在1.0<[NO2 --N]PN/[NH4 +-N]PN<1.3范围)，此时NO3 --N浓度低于0.5mg N·L-1。
(4)在上述基础上，稳定运行后评估自养脱氮工艺的脱氮效果。在温度为16±1℃、工艺进水流量为6.5L·h-1、PN中曝气速率在0.6L·min-1条件下，PN-AMX串联运作的自养脱氮工艺TN去除效果约为76％左右，即AMX反应器出水中NH4 +-N、NO2 --N和NO3 --N平均浓度分别为4.2mg N·L-1、0.2mg N·L-1和3.9mg N·L-1，工艺脱氮速率约为0.52g N·L-1·d-1。
(5)进一步优化工艺脱氮效果。由于(4)中显示工艺出水中氨氮有较高浓度剩余([NH4 +]AMX>1.0mg N·L-1且[NO2 --N]AMX<1.0mg N·L-1)，即反映出PN反应器中供氧量不足。因此，其他参数(如运行温度、进水流量)不变，逐渐提升PN中曝气速率至0.8L·min-1，此时PN反应器中DO浓度升至3.1mg O2·L-1左右，对应的[DO/NH4 +]PN在0.2±0.03(在0.05<[DO/NH4 +]PN<0.35范围)，出水中[NO2 --N]PN/[NH4 +-N]PN浓度比值在1.26±0.13(在1.0<[NO2 --N]PN/[NH4 +-N]PN<1.3范围)，此时NO3 --N浓度低于0.5mg N·L-1。此时，稳定运行后，按(4)中评估工艺脱氮效果，可得PN-AMX串联运作的自养脱氮工艺TN去除效果约为87％左右，即AMX反应器出水中[NH4 +-N]AMX、[NO2 --N]AMX和NO3 --N平均浓度分别为0.5mg N·L-1、0.3mg N·L-1和4.4mg N·L-1，工艺脱氮速率约为0.59g N·L-1·d-1。工艺实现在16±1℃条件下的高效高品质脱氮要求，保持运行。
自此完成第二级调控脱氮效率控制。
(6)借助天气预报以及以往当温度发生下降，造成自养脱氮工艺中AMX反应器出水[NH4 +]AMX>1.0mg N·L-1且[NO2 --N]AMX>1.0mg N·L-1，则表明工艺原来设定的进水流量和PN中曝气速率数值不再适合，工艺需重新开始调控，即重复(1)-(5)过程，获取新的运行控制参数(进水量、曝气量)数值，实现工艺在新温度下的高效高品质脱氮。
(7)基于上述工艺调控，在16-10℃的温度变化条件下，两级式自养脱氮工艺处理厌氧预处理城市污水的稳定运行结果表明，工艺出水中总氮小于10mg N·L-1，其中NH4 +-N、NO2 --N和NO3 --N平均浓度分别为0.6mg N·L-1、0.2mg N·L-1和4.8mg N·L-1。此外，工艺出水中COD浓度稳定在23±5mg COD·L-1。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种采用两级式自养脱氮装置的自养脱氮工艺的优化运行控制方法，所述两级式自养脱氮工艺包括分别在两个反应器中进行的PN系统和ANAMMOX系统，其特征在于，所述两级式自养脱氮装置按污水流向依次包括污水存储池、与污水存储池相连的PN反应器和与PN反应器相连的AMX反应器，所述污水存储池与PN反应器之间设有控制流量的水泵，所述PN反应器底部设有控制供氧量的风机，其特征在于，还包括调控系统，所述调控系统包括设置在PN反应器内的第一检测探头、第二检测探头和第三检测探头、以及设置在AMX反应器内的第四检测探头和第五检测探头，所述调控系统根据探头采集的数据分析处理后反馈控制水泵或风机，所述第一检测探头检测DO值，所述第二检测探头检测PN系统亚硝酸根离子浓度，所述第三检测探头检测PN反应器铵根离子浓度，所述第四检测探头检测AMX反应器亚硝酸根离子浓度，所述第五检测探头检测AMX反应器铵根离子浓度；
所述自养脱氮工艺的优化运行控制方法包括：
脱氮负荷控制，是指以ANAMMOX反应系统中出水的氮浓度为反馈信息源调节进水流量，从而控制进水氮负荷；
和脱氮效果控制，是指在满足PN系统内逻辑设定的前提下，由ANAMMOX系统反馈的信息调节PN系统中O2的供给，从而控制TN去除率；
所述PN系统内逻辑通过PN系统内的DO值、[NO2 --N]PN和[NH4 +-N]PN数据来设定；
所述ANAMMOX系统反馈的信息为ANAMMOX系统中或ANAMMOX系统出水中的[NO2 --N]AMX和[NH4 +-N]AMX数据；
所述脱氮负荷控制的流程为：
首先在厌氧环境下测定ANAMMOX系统所能承受的NRRAMX；然后获取TXNin和Qin，从而根据式（1）计算NLRin，使NLRin在NRRAMX以下，
NLRin=TXNin×Qin 式（1）；
所述TXNin为进水中TKNin或TANin；
其中，NRRAMX是指最大脱氮负荷，TXNin是指进水的氮浓度，Qin是指进水流量，NLRin是指进水氮负荷，TKNin是指总凯氏氮浓度，TANin是指铵根离子浓度；
所述由ANAMMOX系统反馈的信息调节PN系统中O2的供给具体为：
若[NO2 --N]AMX＜1.0 mg N·L-1且[NH4 +-N]AMX＜1.0 mg N·L-1时，无需调整供氧量；
若[NO2 --N]AMX＞1.0 mg N·L-1且[NH4 +-N]AMX＜1.0 mg N·L-1时，则降低DO；
若[NO2 --N]AMX＜1.0 mg N·L-1且[NH4 +-N]AMX＞1.0 mg N·L-1时，则增加DO；
若[NO2 --N]AMX＞1.0 mg N·L-1且[NH4 +-N]AMX＞1.0 mg N·L-1时，则进行脱氮负荷控制；
直至满足[NO2 --N]AMX＜1.0 mg N·L-1且[NH4 +-N]AMX＜1.0 mg N·L-1。
2.根据权利要求1所述采用两级式自养脱氮装置的自养脱氮工艺的优化运行控制方法，其特征在于，所述PN系统内逻辑为0.05<[DO/NH4 +]PN <0.35
且1.0<[NO2 --N]PN/[NH4 +-N]PN<1.5，若未达要求则调节PN系统中O2的供给。
3.根据权利要求1所述采用两级式自养脱氮装置的自养脱氮工艺的优化运行控制方法，其特征在于，每次调节幅度为DO增加或下降0.05 mg O2·L-1。
4.根据权利要求1所述采用两级式自养脱氮装置的自养脱氮工艺的优化运行控制方法，其特征在于，所述脱氮效果控制基于脱氮负荷控制完成的基础上进行。
5.根据权利要求1所述采用两级式自养脱氮装置的自养脱氮工艺的优化运行控制方法，其特征在于，所述PN反应器进水口位于PN反应器下部，PN反应器出水口位于PN反应器上部，所述第二检测探头和第三检测探头位于PN反应器出水口处。
6.根据权利要求1所述采用两级式自养脱氮装置的自养脱氮工艺的优化运行控制方法，其特征在于，所述AMX反应器进水口位于AMX反应器上部，AMX反应器出水口位于AMX反应器上部，所述第四检测探头和第五检测探头位于AMX反应器出水口处。
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