CN112678947B - 一种确定厌氧颗粒污泥最适保存温度的方法 - Google Patents

一种确定厌氧颗粒污泥最适保存温度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种确定厌氧颗粒污泥最适保存温度的方法,属于环境工程技术领域。本发明方法利用流式细胞术测定不同温度保存的厌氧颗粒污泥的细胞活性状态,将其中细胞活性状态最接近厌氧颗粒污泥中试运行时的细胞活性状态的保存温度确定为最适保存温度,测试数据经活性恢复后细胞活性状态和性能效果验证可靠。本发明方法可以省略厌氧颗粒污泥活性恢复的步骤,有效帮助准备采用厌氧颗粒污泥技术的高浓度有机废水处理工艺缩短高效生产甲烷时间,且产甲烷浓度和甲烷产量均分别超过34%和70ml;既可维持厌氧颗粒污泥工艺长期稳定运行,又能够保持较好的活性,具有很高的可行性。

Description

一种确定厌氧颗粒污泥最适保存温度的方法
技术领域
本发明涉及一种确定厌氧颗粒污泥最适保存温度的方法,属于环境工程技术领域。
背景技术
随着国家对能源和资源需求的逐渐提高,提升高浓度有机废水资源化利用效能日益得到重视,可有效促进高浓度有机废水资源化利用效能的厌氧生物处理技术成为生产能源性物质与资源性物质的重要方法。厌氧颗粒污泥具有良好的沉降性能,较低的运行成本,较高的生物量和产甲烷能力,是全世界高浓度有机废水的首选资源化处理技术。但是工程实例中厌氧颗粒污泥的培养周期相对较长,且厌氧微生物的活性易受环境条件的影响,如果可以将厌氧颗粒污泥培养成熟并予以保存,则可以有效帮助准备采用厌氧颗粒污泥技术的高浓度有机废水处理工程在较短时间内启动运行,并促进高浓度废水中有机污染物的甲烷转化。温度是影响微生物活性最重要的参数,确定最适于厌氧颗粒污泥保存的温度,有助于简化厌氧颗粒污泥微生物活性恢复过程,缩短厌氧颗粒污泥工程化应用启动时间。现有方法对于最适保存温度的确定需要将厌氧颗粒污泥重新接种于厌氧生物反应器中,约需25d以上才能确定厌氧颗粒污泥活性恢复的效果,成为制约厌氧颗粒污泥强化产甲烷技术的工程化应用关键所在。
发明内容
为了简化厌氧颗粒污泥微生物活性恢复过程,缩短厌氧颗粒污泥工程化应用启动时间,同时促进资源化气体甲烷的高效生产。本发明基于流式细胞术对不同温度条件下保存的厌氧颗粒污泥的细胞活性状态进行表征,通过厌氧颗粒污泥活性恢复效果和污泥微生物活性恢复后细胞活性状态,对流式细胞术的表征结果进行验证,最终建立基于流式细胞术的确定厌氧颗粒污泥最适保存温度的方法,为强化高浓度有机废水产甲烷效能提供技术支撑。
本发明的第一个目的是提供一种确定厌氧颗粒污泥的最适保存温度的方法,所述方法是利用流式细胞术测定不同温度保存的厌氧颗粒污泥中微生物的细胞活性状态,将其中细胞活性状态最接近厌氧颗粒污泥中试运行时的细胞活性状态时保存的温度确定为最适保存温度;所述利用流式细胞术测定细胞活性状态的方法包括如下步骤:
(1)厌氧颗粒污泥测试样液的制备:用缓冲液稀释厌氧颗粒污泥样品,并加入半胱氨酸,混合均匀后过滤,取沉淀物;再用缓冲液稀释,同时加入半胱氨酸混合均匀,其中,半胱氨酸相对缓冲液的添加量不低于0.8-2.0mg/mL;过滤取沉淀物,使用添加了半胱氨酸的预冷缓冲液吹洗细胞,重复离心和清洗,再取上清液作为样品,使用适量10x Annexin VBinding Buffer 混匀制得,其中,预冷缓冲液中半胱氨酸的浓度为0.8-2mg/mL;
(2)置于流式细胞仪测定各样液的细胞活性状态。
在本发明的一种实施方式中,所述厌氧颗粒污泥微生物细胞活性状态的测定包括活细胞、凋亡早期细胞、凋亡晚期细胞和死细胞的含量测定。
在本发明的一种实施方式中,所述缓冲液是 pH为6.8-7.2的磷酸盐缓冲液。其中,pH优选7.0。
在本发明的一种实施方式中,所述缓冲液与厌氧颗粒污泥的稀释体积比为8~15:1。
在本发明的一种实施方式中,所述半胱氨酸相对缓冲液的浓度为1.0mg/mL。
在本发明的一种实施方式中,所述尼龙膜的孔径为10~20μm。
在本发明的一种实施方式中,所述离心速度为5000~10000rpm/min。
在本发明的一种实施方式中,所述样品清液与10x Annexin V Binding Buffer的混合体积比例为1:2~4。
在本发明的一种实施方式中,所述流式细胞仪测定各样液的细胞活性状态是在对照FITC Annexin V组加入0.5μl PI染色剂,对照PI组加入0.5μl FITC Annexin V,检测组加入0.5μl FITC Annexin V和0.5μl PI,混匀后室温下进行避光孵育,之后于流式细胞仪上机检测。
在本发明的一种实施方式中,所述孵育为10~20min。
在本发明的一种实施方式中,所述流式细胞术测定细胞活性状态的方法具体包括如下步骤:
(1)取10ml厌氧颗粒污泥混合物,用pH为7.0的磷酸盐缓冲液稀释至100ml,同时向此混合液中加入0.1g半胱氨酸,于涡旋仪漩涡震荡2min,使污泥破碎为絮体并保证均匀分布;
(2)用20μm孔径的尼龙膜过滤破碎后的样品,获得的样品重新用pH为7.0的磷酸盐缓冲液稀释至50ml,同时向此混合液中加入0.05g半胱氨酸;
(3)用10μm孔径的尼龙膜过滤破碎后的样品,取1.5ml置于1.5ml尖底离心管中;
(4)样品于8000rpm/min离心5min;
(5)用移液枪吸取离心后的样品上清液,留下约0.1ml样品,使用添加了半胱氨酸的预冷磷酸盐缓冲液(5℃)吹洗细胞,重复离心和清洗两次;
(6)离心后的样品用移液枪吸取上清液,留下约0.1ml样品,使用0.3ml 10xAnnexin V Binding Buffer混匀;
(7)对照FITC Annexin V组加入0.5μl PI染色剂,对照PI组加入0.5μl FITCAnnexin V,检测组加入0.5μl FITC Annexin V和0.5μl PI,混匀后室温下避光孵育15min,之后于流式细胞仪上机检测。
本发明的第二个目的是提供一种快速启动厌氧颗粒污泥工程的方法,是利用上述方法确定最适保存温度,在最适保存温度下,将培养成熟的厌氧颗粒污泥置于保存基质中进行保存,活性恢复后即可启动厌氧颗粒污泥工程。
在本发明的一种实施方式中,所述保存基质的COD为6000-8000mg/L,pH为5.8±0.2,同时含有尿素和磷酸二氢钾控制COD:N:P为200-500:5:1。
本发明的第三个目的是提供一种污水处理的方法,是利用上述方法快速启动厌氧颗粒污厌氧颗粒污泥工程。所述污水是高浓度有机废水。
本发明的有益效果:
本发明通过流式细胞术对厌氧颗粒污泥中活细胞,凋亡早期细胞,凋亡晚期细胞和死细胞比例进行表征,并与厌氧颗粒污泥活性恢复过程的特征指标进行关联性分析,建立了基于流式细胞术的确定厌氧颗粒污泥最适保存温度的方法。运用此方法,可以省略厌氧颗粒污泥活性恢复的步骤,有效帮助准备采用厌氧颗粒污泥技术的高浓度有机废水处理工艺缩短高效生产甲烷时间,且产甲烷浓度和甲烷产量均分别超过34%和70ml;既可维持厌氧颗粒污泥工艺长期稳定运行,有能够保持较好的活性,具有很高的可行性。
附图说明
图1为不同保存温度下,胞外聚合物PN/PS的变化趋势图;
图2为不同保存温度下,厌氧颗粒污泥的产甲烷效率变化趋势图;
图3为不同保存温度下,厌氧颗粒污泥的产甲烷产量变化趋势图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容,特举以下实施例详细说明,其目的仅在于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。
实施例1厌氧颗粒污泥的保存条件和微生物细胞活性状态测试
厌氧颗粒污泥的保存温度与保存基质:
厌氧颗粒污泥的保存温度设置为-20℃,4℃和20℃。将基于高浓度糖蜜废水的UASB反应器中的厌氧颗粒污泥泥水混合物900ml取出,平均三等份分别置于装有500ml保存基质的 1000ml血清瓶中,保存基质为UASB中的糖蜜废水,进水COD 6000-8000mg/L,pH为5.8 ±0.2,同时利用尿素和磷酸二氢钾控制COD:N:P为200-500:5:1。将血清瓶(每个保存温度下设置3个平行样)分别置于-20℃,4℃和20℃,静止遮光保存。
流式细胞术细胞状态测试方法:
于-20℃,4℃和20℃保存的厌氧颗粒污泥在保存超过6个月后,用于测定厌氧颗粒污泥细胞状态,具体步骤如下:
(1)取10ml厌氧颗粒污泥混合物,用pH为7.0的磷酸盐缓冲液稀释至100ml,同时向此混合液中加入0.1g半胱氨酸,于涡旋仪漩涡震荡2min,使污泥破碎为絮体并保证均匀分布;
(2)用20μm孔径的尼龙膜过滤破碎后的样品,获得的样品重新用pH为7.0的磷酸盐缓冲液稀释至50ml,同时向此混合液中加入0.05g半胱氨酸;
(3)用10μm孔径的尼龙膜过滤破碎后的样品,取1.5ml置于1.5ml尖底离心管中;
(4)样品于8000rpm/min离心5min;
(5)用移液枪吸取离心后的样品上清液,留下约0.1ml样品,使用添加了半胱氨酸的预冷磷酸盐缓冲液(5℃)吹洗细胞,重复离心和清洗两次;
(6)离心后的样品用移液枪吸取上清液,留下约0.1ml样品,使用0.3ml 10xAnnexin V Binding Buffer混匀;
(7)对照FITC Annexin V组加入0.5μl PI染色剂,对照PI组加入0.5μl FITCAnnexin V,检测组加入0.5μl FITC Annexin V和0.5μl PI,混匀后室温下避光孵育15min,之后于流式细胞仪上机检测。
结果如表1所示。UASB系统中厌氧颗粒污泥活细胞比例较高,表明UASB系统运行效果良好。保存于-20℃的厌氧颗粒污泥活细胞含量最低,死细胞含量最高,表明-20℃不适宜保存厌氧颗粒污泥。保存于4℃的厌氧颗粒污泥活细胞数量稍高,但其凋亡晚期细胞和死细胞比例约为37.0%,同样不适于厌氧颗粒污泥的保存。保存温度为20℃时,厌氧颗粒污泥活细胞比例高达62.3%,且凋亡晚期细胞和死细胞比例较-20℃和4℃保存时分别低57.2%和52.7%,表明20℃的保存条件更加适合保存厌氧颗粒污泥,同时由于控制和维持4℃的低温条件需要消耗更多能源,因此,初步确定20℃为保存厌氧颗粒污泥的最适温度。
表1保存180d后厌氧颗粒污泥活细胞状态(%)
厌氧颗粒污泥 活细胞 凋亡早期细胞 凋亡晚期细胞 死细胞
UASB系统 88.2±5.7 3.2±1.1 4.0±0.3 4.6±0.3
保存于-20℃ 40.1±3.7 19.0±2.1 18.0±2.0 22.9±2.5
保存于4℃ 45.5±3.8 17.5±2.1 17.1±2.2 19.9±2.2
保存于20℃ 62.3±4.2 20.2±2.3 8.5±2.2 9.0±1.6
实施例2厌氧颗粒污泥最适保存温度的验证
保存的厌氧颗粒污泥的活性恢复:
序批式反应器运行条件:取源于不同血清瓶厌氧颗粒污泥,接种于UASB反应器中用以对厌氧颗粒污泥进行活性恢复,于-20℃,4℃和20℃保存的厌氧颗粒污泥分别置于R1,R2 和R3中。UASB有效容积12.0L,水力停留时间24h。
活性恢复后厌氧颗粒污泥特性:
经过30d的活性恢复,R1,R2和R3中的厌氧颗粒污泥均具有较好的性能。如表2所示,在厌氧颗粒污泥活性恢复后,不同保存温度下厌氧颗粒污泥密度和粒径与保存之前的厌氧颗粒污泥较为接近。不同保存温度下厌氧颗粒污泥的生物量为保存之前的93.8%-95.8%,说明厌氧颗粒污泥适应环境能力较强,生物量稳定。通常UASB中厌氧颗粒污泥平均COD转化率和单位COD去除产甲烷率分别为75.0%和42.0ml/g,UASB中驯化厌氧颗粒污泥达到相同 COD转化率和单位COD去除产甲烷率的时间分别需要38和49d。将保存的厌氧颗粒污泥进行活性恢复后,R1中厌氧颗粒污泥达到相同COD转化率和单位COD去除产甲烷率的时间分别需要16和18d,R2中厌氧颗粒污泥达到相同COD转化率和单位COD去除产甲烷率的时间分别需要15和15d,R3中厌氧颗粒污泥达到相同COD转化率和单位COD去除产甲烷率的时间分别需要11和12d。说明经活性恢复后的厌氧颗粒污泥均具有较好的产甲烷效果,其中保存于20℃条件的厌氧颗粒污泥具有最短的微生物活性恢复时间,较为适宜保存厌氧颗粒污泥。
表2保存和活性恢复后厌氧颗粒污泥的特性
Figure BDA0002236873390000051
活性恢复后厌氧颗粒污泥的稳定性:
胞外聚合物是厌氧颗粒污泥形成的重要因素,而胞外聚合物中蛋白质类(PN)物质和多糖类(PS)物质的比值(PN/PS)是衡量厌氧颗粒污泥结构稳定的重要指标。在厌氧颗粒污泥活性恢复过程中,其胞外聚合物PN/PS的变化如图1所示。不同保存温度下,PN/PS差别较大,R1和R2中厌氧颗粒污泥PN/PS呈先降低后升高的趋势,表明保存于-20℃和4℃条件的厌氧颗粒污泥可维持保存前的稳定状态;R3中厌氧颗粒污泥PN/PS显著升高并趋于稳定,表明保存于20℃条件的厌氧颗粒污泥在活性恢复后其稳定性增强,适宜于作为厌氧颗粒污泥的保存温度。
活性恢复后厌氧颗粒污泥的产甲烷效能:
经过活性恢复过程后,不同保存温度下的厌氧颗粒污泥,其产甲烷浓度和产甲烷产量均逐渐升高(图2和图3),其产甲烷浓度和甲烷产量均超过34%和70ml,其中产甲烷浓度为产生的气体当中甲烷气体的体积浓度(mL/mL);甲烷产量采用湿式气体流量计进行测定,甲烷浓度通过气相色谱仪进行测定得到。在活性恢复的第25d,R3中的厌氧颗粒污泥获得较稳定的产甲烷效果,此结果也同表2中R3内厌氧颗粒污泥最快恢复较高的COD转化率和单位COD去除产甲烷率相对应,说明20℃的条件较为适宜保存厌氧颗粒污泥,在实际应用中具有较高的可行性。
活性恢复后厌氧颗粒污泥特性与污泥细胞状态相关性:
在厌氧颗粒污泥活性恢复30d后,采用流式细胞术对厌氧颗粒污泥细胞状态进行分析,结果如表3所示。不同保存温度下的厌氧颗粒污泥中活细胞含量与UASB中厌氧颗粒污泥中活细胞含量较为接近,说明经过活性恢复后,厌氧颗粒污泥均可发挥较高的资源化利用效能。其中R3内厌氧颗粒污泥活细胞比例(85.1%±4.5%)最高,且凋亡晚期细胞比例(3.7%±1.1%) 和死细胞比例(3.0%±0.6%)最低,说明20℃的保存条件下厌氧颗粒污泥细胞活性最高,较为适宜作为保存厌氧颗粒污泥的条件。
表3活性恢复后(30d)厌氧颗粒污泥细胞活性状态(%)
UASB系统 活细胞 凋亡早期细胞 凋亡晚期细胞 死细胞
中试系统 85.8±5.9 8.2±1.2 3.0±0.8 3.0±0.8
保存于-20℃ 80.5±4.8 8.0±1.5 4.5±1.1 7.0±1.2
保存于4℃ 82.9±4.3 7.9±1.4 5.5±1.1 3.7±0.4
保存于20℃ 85.1±4.5 8.2±1.6 3.7±1.1 3.0±0.6
依据Correl相关性分析发现,厌氧颗粒污泥COD转化率和单位COD去除产甲烷率和厌氧颗粒污泥活细胞比例具有极高的相关性(如表4所示),相关系数分别为0.9981和0.9628,表明利用厌氧颗粒污泥活细胞比例作为评价厌氧颗粒污泥活性的方法具有极高的可行性。同时,由于保存的厌氧颗粒污泥中,20℃的保存条件下厌氧颗粒污泥活细胞比例最高,与活性恢复后R3中厌氧颗粒污泥活细胞比例结果相吻合。
表4活性恢复后(30d)厌氧颗粒污泥特性与细胞活性状态关联性
Figure BDA0002236873390000071
因此,确定20℃是保存厌氧颗粒污泥的最适条件,利用流式细胞术可以作为确定厌氧颗粒污泥最适保存温度的依据。流式细胞术操作简便,数据快速易得且准确可靠,亦可省略厌氧颗粒污泥活性恢复过程,对于厌氧颗粒污泥的保存与活性恢复具有重要意义。
对比例1
厌氧颗粒污泥的保存温度与保存基质:
厌氧颗粒污泥的保存温度设置为-20℃,4℃和20℃。将基于高浓度糖蜜废水的UASB反应器中的厌氧颗粒污泥泥水混合物900ml取出,平均三等份分别置于装有500ml保存基质的 1000ml血清瓶中,保存基质为UASB中的糖蜜废水,进水COD 6000-8000mg/L,pH为5.8 ±0.2,同时利用尿素和磷酸二氢钾控制COD:N:P为200-500:5:1。将血清瓶(每个保存温度下设置3个平行样)分别置于-20℃,4℃和20℃,静止遮光保存。
流式细胞术细胞状态测试方法:
于-20℃,4℃和20℃保存的厌氧颗粒污泥在保存超过6个月后,用于测定厌氧颗粒污泥细胞状态,具体步骤如下:
(1)取10ml厌氧颗粒污泥混合物,用pH为7.0的磷酸盐缓冲液稀释至100ml,不添加半胱氨酸,直接置于涡旋仪漩涡震荡2min,使污泥破碎为絮体并保证均匀分布;
(2)用20μm孔径的尼龙膜过滤破碎后的样品,获得的样品重新用pH为7.0的磷酸盐缓冲液稀释至50ml;
(3)用10μm孔径的尼龙膜过滤破碎后的样品,取1.5ml置于1.5ml尖底离心管中;
(4)样品于8000rpm/min离心5min;
(5)用移液枪吸取离心后的样品上清液,留下约0.1ml样品,使用添加了半胱氨酸的预冷磷酸盐缓冲液(5℃)吹洗细胞,重复离心和清洗两次;
(6)离心后的样品用移液枪吸取上清液,留下约0.1ml样品,使用0.3ml 10xAnnexin V Binding Buffer混匀;
(7)对照FITC Annexin V组加入0.5μl PI染色剂,对照PI组加入0.5μl FITCAnnexin V,检测组加入0.5μl FITC Annexin V和0.5μl PI,混匀后室温下避光孵育15min,之后于流式细胞仪上机检测。
细胞状态测试结果如表5所示。
表5保存的厌氧颗粒污泥细胞活性状态(%)
厌氧颗粒污泥 活细胞 凋亡早期细胞 凋亡晚期细胞 死细胞
中试运行系统 88.2±5.7 3.2±1.1 4.0±0.3 4.6±0.3
保存于-20℃ 55.1±3.5 10.7±3.5 11.5±2.3 22.7±2.3
保存于4℃ 56.0±3.7 9.8±2.7 13.7±3.5 20.5±1.7
保存于20℃ 56.8±4.1 9.7±3.0 13.5±2.7 20.0±1.3
由表5结果发现,当在磷酸盐缓冲液中不添加半胱氨酸时,各保存温度生存下的细胞状态比例较为接近,且误差升高,无法获得有益结果用于分析,数据不可靠。
对照例2
参照实施例1,将步骤(1)中半胱氨酸的用量分别替换为0.05g/100ml时,细胞状态测试结果如表6所示。
表6保存的厌氧颗粒污泥细胞活性状态(%)
厌氧颗粒污泥 活细胞 凋亡早期细胞 凋亡晚期细胞 死细胞
中试运行系统 88.2±5.7 3.2±1.1 4.0±0.3 4.6±0.3
保存于-20℃ 61.4±4.0 9.9±1.1 17.5±1.5 11.2±1.2
保存于4℃ 62.5±4.1 10.2±1.0 17.0±1.3 10.3±0.9
保存于20℃ 63.1±3.9 9.7±0.9 16.7±1.1 10.5±1.0
由表6结果发现,当在磷酸盐缓冲液中添加不足量的半胱氨酸时,各保存温度状态下的凋亡细胞状态比例较为接近,无法获得有益结果用于分析,数据不可靠。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上,但其并非用以限定本发明,任何熟悉此技术的人,在不脱离本发明的精神和范围内,都可做各种的改动与修饰,因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (9)

1.一种确定厌氧颗粒污泥的最适保存温度的方法,其特征在于,所述方法是利用流式细胞术测定不同温度保存的厌氧颗粒污泥中微生物的细胞活性状态,将其中细胞活性状态最接近厌氧颗粒污泥中试运行时的细胞活性状态时保存的温度确定为最适保存温度;
不同温度为-20℃、4℃、20℃;
所述利用流式细胞术测定细胞活性状态的方法包括如下步骤:
(1)厌氧颗粒污泥测试样液的制备:用缓冲液稀释厌氧颗粒污泥样品,并加入半胱氨酸,混合均匀后过滤,取沉淀物;再用缓冲液稀释,同时加入半胱氨酸混合均匀,其中,半胱氨酸相对缓冲液的添加量不低于0.8-2.0mg/mL;过滤取沉淀物,使用添加了半胱氨酸的预冷缓冲液吹洗细胞,重复离心和清洗,再取上清液作为样品,使用适量10x Annexin VBinding Buffer混匀制得,其中,预冷缓冲液中半胱氨酸的浓度为0.8-2mg/mL;
(2)置于流式细胞仪测定各样液的细胞活性状态;
所述厌氧颗粒污泥微生物细胞活性状态的测定包括活细胞、凋亡早期细胞、凋亡晚期细胞和死细胞的含量测定;
所述流式细胞仪测定各样液的细胞活性状态是在对照FITC Annexin V组加入0.5μlPI染色剂,对照PI组加入0.5μl FITC Annexin V,检测组加入0.5μl FITC Annexin V和0.5μl PI,混匀后室温下进行避光孵育,之后于流式细胞仪上机检测。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述缓冲液是 pH为6.8-7.2的磷酸盐缓冲液。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述缓冲液与厌氧颗粒污泥的稀释体积比为8~15:1。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述半胱氨酸相对缓冲液的浓度为1.0mg/mL。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述尼龙膜的孔径为10~20μm。
6.根据权利要求1-5任一所述的方法,其特征在于,所述上清液样品与10x AnnexinVBinding Buffer的混合体积比例为1:2~4。
7.一种快速启动厌氧颗粒污泥工程的方法,其特征在于,所述方法是预先利用权利要求1-6任一所述的方法确定最适保存温度,在最适保存温度下,将培养成熟的厌氧颗粒污泥置于保存基质中进行保存,活性恢复后即可启动厌氧颗粒污泥工程。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述保存基质的COD为6000-8000mg/L,pH为5.8±0.2,COD:N:P为200-500:5:1。
9.一种污水处理的方法,其特征在于,所述方法是利用权利要求7所述方法启动厌氧颗粒污泥工程。
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