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'第三届MBR技术实践与发展研讨会膜法污水处理技术工程应用中的节能降耗与优化运行汪诚文清华大学环境学院教授北京国环清华环境工程设计研究院有限公司院长2015-5-29
主要内容一背景二MBR、CMF的节能降耗三MBR、CMF的优化运行四结语六
一.背景
一、背景污泥浓度高强化生物处理出水水质好节省占地模块化、自动化易于改造2008年以来,我国处理规模在万吨级以上的大型膜工程迅速增加,2013年投入运行的膜系统处理能力已超过230万m3/d,预计2015年,膜系统处理能力将超过500万m3/d。
一、背景膜材料、膜组器生产能力不足膜投资成本高工程运行能耗高工程应用标准化程度不高MBR污水处理工程工程应用水平不高CMF污水处理工程在国家水专项的支持下,由碧水源、清华大学、立升公司、国环清华设计院和北排一起开展MBR、CMF实际运行工程的跟踪监测与分析、膜法污水处理工艺的自控系统开发及膜法污水处理工艺的优化运行研究,以实现膜法污水处理技术工程应用的节能降耗与优化运行。
二.MBR、CMF的节能降耗2.1MBR实际运行工程的跟踪监测与分析2.2CMF实际运行工程的跟踪监测与分析
2.1MBR运行工程的跟踪监测与分析工程类型MBRCMF工程数量9个7个总处理规模45.345.2(万m3/d)总膜面积79.651.4(万m2)工业2个工业5个进水类型市政7个市政4个国产2个国产3个膜厂家进口3个进口4个
2.1MBR运行工程的跟踪监测与分析梅村二期梅村三期城北污水处理厂怀柔污水厂新城污水厂门头沟再生水工程温榆河二期昆明第四污水厂阳谷第二污水厂
2.1MBR运行工程的跟踪监测与分析MBR调研工程基本情况处理规模工程名称膜供应商进水类型出水执行标准m3/d梅村污水处理厂二期30000GE,帘式PVDF市政污水GB18918-2002一级A梅村污水处理厂三期100000碧水源,帘式PVDF市政污水GB18918-2002一级A门头沟再生水工程40000三菱,帘式PVDF市政污水GB18918-2002一级A温榆河二期100000三菱,帘式PVDF地表水+市政污水地表Ⅲ类水无锡城北污水处理厂50000碧水源,帘式PVDF生活+工业废水GB18918-2002一级A无锡新城污水处理厂30000三菱,束式PVDF市政污水GB18918-2002一级A昆明第四污水处理厂60000碧水源,帘式PVDF市政污水GB18918-2002一级A旭化成,柱式PVDF怀柔污水处理厂二期35000市政污水GB18918-2002一级A碧水源,帘式PVDF阳谷第二污水处理厂8000立升,帘式PVDF工业废水COD<50,RO预处理总处理规模4个采用进口膜6个市政污水7个一级A9个MBR工程45.3万6个采用国产膜1个工业废水1个地表Ⅲ类水5个膜厂家2个混合废水1个RO预处理
2.1MBR运行工程的跟踪监测与分析MBR调研工程工艺及主要运行参数膜孔径通量MLSS工程名称工艺产水周期μmLMHg/L梅村污水处理厂二期AAO+MBR0.02~0.04158-108min/2min梅村污水处理厂三期改良AAO+MBR0.2168-128min/1min门头沟再生水工程AAO+MBR0.4146-87min/1min温榆河二期AAO+MBR0.4206-87min/1min无锡城北污水处理厂AAO+MBR0.1209.67min/1min无锡新城污水处理厂AAO+MBR0.422.66-127min/1min昆明第四污水处理厂AAO+MBR0.1256-97min/1min怀柔污水处理厂二期AAO+MBR0.129,2588min/1min阳谷第二污水处理厂A+AAO+MBR0.0216-2089min/1min7个工程采用AAO+MBR工艺均为间歇产梅村采用了改良AAO+MBR工艺水,有利于阳谷采用A+AAO+MBR工艺控制膜污染
2.1MBR运行工程的跟踪监测与分析MBR调研工程污染物去除效果进水出水工程名称CODSSNH-NTPCODSSNH-NTP33mg/Lmg/Lmg/Lmg/Lmg/Lmg/Lmg/Lmg/L梅村污水处理厂二期<360400385<30<3<5<0.5门头沟再生水工程<450<300<30<5<50<10<5<0.5温榆河二期<130<68.8<27.4<2.1<19<4<1<0.2无锡城北污水处理厂511.5348.924.59.124.85.10.80.26无锡新城污水处理厂35045040440550.45昆明第四污水处理厂36030035630101.50.3怀柔污水处理厂二期5003003010401020.5膜单元出水水质优良,阳谷第二污水处理厂500~1300200~40060~80251尤其是N和P得到很好的去除,去除率达到90%以上。
2.1MBR运行工程的跟踪监测与分析梅村污水处理厂总氮氨氮BODCOD
2.1MBR运行工程的跟踪监测与分析城北污水处理厂COD总氮氨氮总磷
2.1MBR运行工程的跟踪监测与分析昆明第四污水处理厂CODBOD氨氮总氮
2.1MBR运行工程的跟踪监测与分析MBR调研工程运行能耗工程名称实际处理规模(m3)实际总耗电量(kWh)吨水耗电量(kWh/t)梅村污水处理厂二期3.0×1041.8×1040.6梅村污水处理厂三期5.0×1042.65×1040.53无锡新城污水处理厂1.32×1040.67×1040.51无锡城北污水处理厂4.55×1042.5×1040.55门头沟再生水工程3×1042.2×1040.74怀柔污水处理厂二期2.2×1041.54×1040.7温榆河二期9.2×1046.6×1040.72昆明第四污水处理厂5.5×1043.3×1040.5平均耗电量0.63kWh/m3MBR系统能耗范围在0.5~0.74kWh/t,平均电耗为0.63kWh/m3。MBR工程基本采用A2O-MBR工艺,吨水处理能耗差别主要是由于系统负荷差别,系统没有满负荷运行,导致MBR系统吨水能耗偏高。
2.1MBR运行工程的跟踪监测与分析MBR调研工程能耗分布提升泵房提升泵房水的提升曝气沉砂池19%曝气沉砂池29%水的转移40%膜格栅膜格栅混合液搅拌与混合厌氧池厌氧池17%好氧池鼓风机缺氧池缺氧池膜池鼓风机23%好氧池好氧池2.6%膜池膜池出水0.77%1.4%出水52%6%9.4%2.2%城北污水处理厂新城污水处理厂怀柔污水厂1.8%3.8%11%12%10%1.5%35%18%6.8%膜格栅出水自吸泵0.8%膜池风机污泥处置厌氧池反洗泵生化池风机曝气55%缺氧池0.5%45%膜池风机排泥泵化学洗膜变化池生化池风机14%混合液回流泵23%膜池外加碳源9.8%鼓风机房排泥泵加药系统除磷剂13%混合液回流泵出水自吸泵臭氧设备间0.7%加药系统其他脱水间1.8%0.7%6.5%0.22%4.5%64%2.5%0.2%62%6.1%18%8.2%3.2%1.6%5.1%4.8%12%昆明第四污水厂门头沟再生水工程温榆河二期梅村36%平均能耗分布:进水11%、预处理2%、厌氧池1%、缺氧池3%、好氧池30%、膜池45%。主要耗能单元:好氧池和膜池的曝气以及水的提升和转移,约占总体能耗86%以上。节能降耗的关键是降低膜池的曝气能耗
2.2CMF运行工程的跟踪监测与分析清河再生水厂怀柔污水处理厂抚顺石化大乙烯厂中水站小乙烯厂污水站晋煤坪上煤业矿井水超滤工程信汇循环冷却水超滤工程大连石化热电联用车间中水站
2.2CMF运行工程的跟踪监测与分析CMF调研工程基本情况工程名称膜供应商设计规模进水类型GE80000m3/d市政污水二沉出水清河再生水厂Norit180000m3/d市政污水二沉出水膜天140000m3/d市政污水二沉出水怀柔污水处理厂碧水源5000m3/d市政污水二沉出水抚顺石化大乙烯厂中水站陶氏10000m3/d工业废水抚顺石化小乙烯厂污水站陶氏6240m3/d工业废水晋煤坪上煤业矿井水站立升1440m3/d工业废水浙江信汇合成新材料污水站立升2400m3/d工业废水大连石化热电车间中水站Inge26880m3/d工业废水5个采用进口膜总处理规模4个市政二沉出水4个采用国产膜45.2万5个工业废水7个膜厂家
2.2CMF运行工程的跟踪监测与分析CMF调研工程主要参数膜孔径应用膜面积工程名称膜类型膜材质过滤方式µm方式m2中空纤维膜PVDF0.02浸没式14.5万浸没式清河再生水厂中空纤维膜——壳体,内压16.5万死端过滤中空纤维膜PVDF0.03壳体,外压15.68万错流过滤怀柔污水处理厂中空纤维膜PVDF0.02壳体,外压4160错流过滤抚顺石化大乙烯厂中空纤维膜PVDF0.03壳体,外压7488死端过滤中水站抚顺石化小乙烯厂中空纤维膜PVDF0.03壳体,外压6336死端过滤污水站晋煤坪上煤业矿井中空纤维膜PVDF0.02壳体,内压1200死端过滤水站浙江信汇合成新材中空纤维膜PVC合金0.02壳体,内压1920错流过滤料污水站大连石化热电车间中空纤维膜PESM0.02壳体,内压2.6万死端过滤中水站1个浸没式1个浸没式均为中空纤PVDF,PVC4个外压式膜面积3个错流维膜合金,PESM3个内压式51.4万5个死端
2.2CMF运行工程的跟踪监测与分析CMF调研工程主要参数通量工程名称物理清洗方式过滤通量反洗通量清河再生水厂23LMH44LMH气洗、气水联合反洗怀柔污水处理厂50LMH110LMH气洗、反洗抚顺石化大乙烯厂中水站58.8LMH128LMH气洗、反洗、正洗抚顺石化小乙烯厂污水站43.6LMH126.3LMH气洗、气水反洗、正洗晋煤坪上煤业矿井水站50LMH100LMH气洗、反洗、正洗浙江信汇合成新材料污水站52.08LMH104LMH正洗、反洗、正洗、反洗大连石化热电车间中水站68LMH200-250LMH正洗、反洗浸没式:23反洗通量为过滤2个工程没采壳体式:43.6-68通量的2-3.7倍用气洗
2.2CMF运行工程的跟踪监测与分析CMF调研工程运行能耗工程名称能耗清河再生水厂0.29kWh/m3怀柔污水处理厂0.24kWh/m3抚顺石化大乙烯厂中水站0.14kWh/m3抚顺石化小乙烯厂污水站0.23kWh/m3晋煤坪上煤业矿井水站0.14kWh/m3浙江信汇合成新材料污水站0.23kWh/m3大连石化热电车间中水站0.36kWh/m3平均能耗0.29kWh/m3CMF系统能耗范围在0.14~0.36kWh/m3,平均电耗为0.29kWh/m3。用于市政二沉出水,能耗比较接近,介于0.24~0.29kWh/m3用于工业废水,能耗差异较大,介于0.14~0.36kWh/m3,主要受到进水水质、膜特性以及实际处理规模等因素的影响
2.2CMF运行工程的跟踪监测与分析CMF调研工程能耗分布清河再生水厂抚顺石化大乙烯厂中水站抚顺石化小乙烯厂污水站43%进水泵进水泵进水泵产水泵反洗泵反洗泵反洗泵97%药洗加药泵98%药洗加药泵反洗空压机药洗加药泵6.5%0.3%1.9%0.1%2.7%2%0.2%48%怀柔污水处理厂山西晋煤集团坪上煤业矿井水处理工程浙江信汇合成新材料公司污水站大连石化热电联合车间中水站进水泵进水泵进水泵进水泵反洗泵反洗泵反洗泵反洗泵反洗空压机反洗空压机化学清洗泵药洗加药泵化学清洗泵7.3%96%药剂泵92%84%80%2.5%16%13%5%4%0.7%0.1%0.2%0.1%CMF的能量消耗中进水泵所占比例最高,平均占总能耗的85%。节能降耗的关键是降低进水泵压力
三.MBR、CMF的优化运行
3.1MBR工程的优化运行工程基本情况项目内容处理规模(m3/d)50000进水水质40%工业废水+60%市政污水工艺流程厌氧/缺氧/缺氧/好氧-膜池生化反应HRT(h)10.7SRT(d)20.5AB平均污泥浓度(g/L)6.42膜单元碧水源中空纤维膜,PVDFCD投产时间2010.01.28设计进出水水质项目进水出水化学需氧量(CODCr)mg/l500≤50生化需氧量(BOD5)mg/l150≤10悬浮物(SS)mg/l400≤10氨氮(NH4+-N)mg/l35.0≤5总氮(TN)mg/l50.0≤15总磷(TP)mg/l7.0≤0.5pH6~96~9城北污水处理厂四期MBR工程
3.1MBR工程的优化运行实际运行效果分析8/d6)3m442日处理水量(1002010-012011-012012-012013-012014-01月份24003月进水流量7月进水流量11月进水流量2000/h)31600进水COD浓度明显波动,但出水COD较稳定进水水量(1200m,去除率维持在90%以上。进水中氨氮和总氮的浓度较为稳定的,氨氮去800024487296时间(h)除率稳定97%左右,但对总氮的去除率不高,在60%~70%之间。该工程月平均日进水流量的变化存在规进水总磷的浓度波动较剧烈,这可能是由于磷律性,周期近似为一年。的排放源主要来自工业废水,而工业废水的排夏季居民用水量增加,且降雨较多,因放具有较大不确定性。该工程对总磷的去除效此水量较大;冬季至春季的水量较小果较稳定,去除率维持在95%左右
3.1MBR工程的优化运行膜系统运行过程存在问题分析项目碱洗酸洗原药剂次氯酸钠草酸原药剂浓度8%~10%10%3原药剂加药量(m)1.6~2.01.0~1.23CIP泵流量(m/h)8080药剂浓度(mg/L)2000~230030002单位膜面积药剂量(L/m)4.6-5.72.8进药速度(LMH)6.836.83加药时间(min)40~5025浸泡时间(h)42清洗周期(d)7~1430~90曝气方式膜通量清洗方式水样铁铝钙镁铜锰年份药剂1#2#3#4#5#6#7#8#进水上清0.9221.4257.69.7400.18进水碱洗12.699.59.910.28.810.311.1进水总9.472.155.39.10.0290.1942010酸洗44253933膜池上清0.3241.454.19.0300.095膜池膜池混合液500.295.315425.405.71碱洗9.37.88.17.387.78.67.2空白1.0380.483.870.4100.0892011酸洗32667637空白0.3560.503.670.3900.0322-上27.012.129.361.1000.295碱洗14.38.89.37.110.410.69.69.820122-中24.922.518.821.040.0940.448膜丝酸洗3341125482-下17.82.247.731.0000.4281-上7.011.158.771.1200.218碱洗3954.828.824.53229.330.230.220131-中7.992.248.451.0202.162酸洗403232241-下4.912.078.551.100.0930.476膜清洗频次进水、膜池、膜丝金属元素分析1.膜系统产水性能呈明显下降趋势2.膜箱曝气管路堵塞、曝气量偏低3.清洗频次和周期不规律4.清洗药剂浓度和进药速度不够5.中部膜丝板结严重,膜箱上部积泥严重
3.1MBR工程的优化运行膜系统清洗策略优化中试研究导流挡板溢流管膜膜膜膜膜膜抽吸泵组组组组组组件件件件件件曝气泵循环泵
3.1MBR工程的优化运行碱→碱→酸酸→碱→碱酸→碱+助剂碱+助剂水洗水洗酸洗:草酸(1500~2000ppm)酸洗碱洗碱洗酸洗碱洗:NaClO(1000~1500ppm)助剂:AEP(100~150mg/L)EDTA(150~200mg/L)策略2≈策略3>策略1>策略4
3.1MBR工程的优化运行城北MBR工程离线清洗方案(2014年5月~6月)廊道药剂清洗顺序助剂备注1#碱洗→碱洗→酸洗不添加对照组2#、3#酸洗→碱洗→碱洗不添加试验组(a.1)(a.2)(a.3)(a.4)1#0h1#24h1#48h1#72h1#_0h1#_24h1#_48h1#_72h(b.1)(b.2)(b.3)(b.4)2#0h2#24h2#48h2#72h2#_0h2#_24h2#_48h2#_72h离线清洗去除的主要对象是膜表面的凝胶层,有机物形成凝胶层的骨架,而金属离子则与有机物上的-COOH等基团以络合作用结合,起到在凝胶层中的“架桥”作用。因此,在离线清洗中,碱洗和酸洗就分别起到了去除凝胶层中有机物和金属离子的作用。如若采用直接碱洗,由于金属离子的架桥作用,碱洗药剂对有机物的去除作用可能受到金属离子的限制。相反的,如果采用先酸洗,由于酸洗药剂具有较强的酸性,可以有效地将凝胶层中起“架桥”作用的金属离子先去除,如此虽不能直接起到通量恢复作用,但可以起到提高后续碱洗效果的作用,后续碱洗时的凝胶层由于金属离子被大部分去除,凝胶层变得疏松,更易清洗
3.1MBR工程的优化运行为了提升生物脱氮除磷效果,使工艺沿程污泥浓度分布均衡同时进一步控制能耗利用Biowin模型进行生化段工艺优化概化模型校正模型参数后验证结果模拟平出水测定平均相对误差均浓度指标浓度(%)(%)(%)氨氮0.220.2615.4COD25.122.511.6TN11.9212.65.6TN0.550.596.8
3.1MBR工程的优化运行20种回流比配置方案回流比(%)序号回流泵开停闸板膜至好好至缺1好至缺2缺至厌H1A35016080240不增开H2B3502400240H3A35016080400增开缺H4B3502400400H5A350240120240增开好H6B353600240H7A44016080240增开膜H8B4402400240H9A35040120400增开好/缺H10B3503600400H11A440240120240增开膜/好H12B4403600040H13A44016080400增开膜/缺H14B4402400400H15A440240120400增开膜/好/缺H16B4403600400H17关闭好B3501500240H18关闭好增开缺B3501500400H19A25016080240关闭膜H20B25024002401.“缺”表示缺氧1至厌氧,“好”表示好氧至缺氧,“膜”表示膜池至好氧,2.增开或关闭均为1台;3.闸板AB表示两种开度,A表示好氧至缺1的回流量占2/3,B表示全部回流至缺1。
3.1MBR工程的优化运行20种回流比配置模拟结果MLSS(mg/L)厌氧污泥比例前端污泥比例出水水质(mg/L)序号回流方案厌氧池膜池(%)(%)氨氮CODTNTPH1350/160/80/240416996467.131.860.2525.1312.020.51H2350/240/0/240464694007.9133.580.2725.2611.710.51H3350/160/80/400434296057.432.080.2525.0711.930.57H4350/240/0/400484193688.2433.820.2725.2611.680.49H5350/240/120/240456092337.834.510.2824.9210.40.62H635/360/0/240492690178.4435.870.2924076100.71H7440/160/80/240420592907.1732.20.2825.1811.940.51H8440/240/0/240468690527.9933.940.325.3211.640.52H9350/40/120/400474491858.1234.750.2824.7810.230.7H10350/360/0/400512789758.7936.110.2924.649.940.74H11440/240/120/240459688887.8734.870.3124.9610.320.63H12440/360/0/040496586788.5336.230.3224.89.920.72H13440/160/80/400437992507.4832.430.2825.1211.850.58H14440/240/0/400788290208.3334.180.325.3311.610.5H15440/240/120/400478288418.2135.110.3124.8110.150.71H16440/360/0/400516786378.8836.480.3224.699.860.75H17350/150/0/240421599847.1130.140.2425.8714.230.14H18350/150/0/400439299537.4130.370.2425.8714.220.13H19350/160/80/2404103103216.9631.220.2225.0312.170.5H20350/240/0/2404572100617.7632.920.2325.1311.850.5
3.1MBR工程的优化运行1.为了提高脱氮效果和均衡污泥量分布方面,宜采用好氧至缺氧全部回流至缺氧1池的方案。将缺氧池至厌氧池的回流点由缺氧1改为缺氧2,可能会减少回流至厌氧池的硝酸盐氮,从而有利于生物除磷。2.从能耗来看,增大膜池至好氧池回流比,使膜池的高溶解氧被好氧池利用,可降低好氧池的风机供氧需求,但同时也会导致回流泵能耗升高,应结合现场实际情况灵活实施,并考虑到实际运行的需求。
3.2CMF工程的优化运行浙江信汇合成新材料污水站CMF工程聚合氯化铝循环冷却排放水缓冲池过滤器UF进水泵自清洗过滤器回用水RO系统RO高压泵保安过滤器中间水箱超滤系统
3.2CMF工程的优化运行超滤膜参数超滤膜系统当前工作条件和清洗方法膜组件型号LH3-1060-V最大进水压力0.5MPa组件外形尺寸1713.5×ø277最大跨膜压力差0.15MPa超滤膜丝数量9100初始产水量≥15m3/h抗余氯能力200ppm连续工设计产水量3/h作耐H2O2能力200ppm连续产水污染指数(SDI15)<1产水浊度<0.1NTU条最大进水浊度*200NTU件除直径0.2um以上颗粒100%o工作温度5-40C中空膜内外径I.D/O.D./截留分子量(道尔顿)80,000pH值范围2.0-12.0膜组件结构形式内压式操作模式全流或错流,定时反洗膜材质PVC封胶材料环氧树脂反洗压力0.15MPa膜反洗流量6/h的清药物清洗频率30-60天洗药物清洗时间10-30分钟方法清洗化学药剂NaOCl/H2O2/NaOH/柠檬酸除菌化学药剂NaOH/H2O2/戊二醛
3.2CMF工程的优化运行CMF回用系统于2011年7月调试成功,投入运行。该系统运行参数稳定。各单元设备运行正常,出水指标达到设计要求,符合回用标准。超滤系统进出水水质水质标准超滤进水超滤出水浊度(NTU)8.6<0.1SDI-<3电导率,µs/cm34892758RO系统进出水水质水质标准超滤出水RO出水SDI<3-电导率,µs/cm275812.3工艺优化:工艺参数优化+清洗方式优化
3.2CMF工程的优化运行对错流比,过滤时间,反洗通量进行了优化1.错流比10%的TMP比错流比5%的TMP低约1kPa。2.延长过滤时间后,跨膜压差的增长趋势加快。3.反洗通量越低,跨膜压差增涨趋势越快。优化后:错流比选择5%;过滤时间选择30min;反洗通量确定在104L/㎡•h
3.2CMF工程的优化运行维护性清洗参数优化NaClO浓度200ppm500ppm1000ppm清洗前跨膜压差(kpa)34.133.435.1清洗后跨膜压差(kpa)25.323.823.2清洗前后压差变化(kpa)8.89.211.7恢复率(%)90%96%98%化学清洗参数优化NaClO1000ppm+NaOH0.5%,柠檬酸1%NaClO1000ppm+NaOH0.5%,盐酸1%清洗前跨膜压差(kpa)65.466.2清洗后跨膜压差(kpa)24.623.4清洗前后压差变化(kpa)40.842.8恢复率(%)93.1%97.8%NaClO1000ppm+NaOH0.5%,盐酸1.5%NaClO1000ppm+NaOH1%,盐酸1%清洗前跨膜压差(kpa)68.467.8清洗后跨膜压差(kpa)23.323.2清洗前后压差变化(kpa)45.244.6恢复率(%)98.2%98.7%
3.2CMF工程的优化运行1.过滤方式:针对工业类污水,膜系统运行过滤的方式建议选择错流过滤,错流比不过10%。2.过滤通量设计:工业类污水的膜过滤通量设计时,建议设计在50L/㎡•h以内。3.反洗通量:压力式PVC合金膜最佳反洗通量在104L/㎡•h。4.维护性清洗:为延长膜系统化学清洗周期,膜系统在设计时,建议配置维护性清洗系统。5.化学清洗:化学清洗时应根据原水质中杂质的情况选择合适的化学药品。一般先用碱洗,再用酸洗;碱洗液为0.5%~1%NaOH/1000~2000ppmNaClO,酸洗液一般采用0.5~1%的盐酸
四.结语
四、结语《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》2010年《国家“十二五”科学和技术发展规划》2011年政《国家环境保护“十二五”科技发展规划》2011年策支《高性能膜材料科技发展“十二五”专项规划》2012年持《新材料产业“十二五”发展规划》2012年《节能减排“十二五规划”》2012年······问题解决对于MBR和CMF污水处理工程,通过工艺设计、运行管理的改进和优化,可节能20%以上,为膜法污水处理技术的推广提供有力的支持。
汪诚文邮箱:wangcw@tsinghua.eud.cn电话:01062771551'
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