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论文-移动床物膜反应器docx

发布时间: 2022-08-17 07:51:15 来源:bbv体育游戏平台 作者:bbv体育官网下载

 

  MBBR技术简介及研究现状分析 摘 要:简述了移动床生物膜反应器的工艺原理、结构和特性,并分析了污水处理中影响反应器运行的主要因素。概述了国内外移动床生物膜反应器在含碳有机物去除、硝化与反硝化、除磷和反应动力学方面的最新研究进展以及实际应用。通过对比不同生物膜法对焦化废水的处理效果,指出移动床生物膜反应器是一种经济、高效的焦化废水处理方法,最后提出移动床生物膜反应器在实际工程应用中存在的问题以及发展趋势。 关键词:移动床生物膜反应器;污水处理;影响因素;焦化废水 Research Status and Prospect of Wastewater Treatment by Moving Bed Biofilm Reactor Abstract: The article presents the principle, structure and characteristics of Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR), and analyses the factors influencing its function. The research and application on MBBR technology conducted at home and abroad has been introduced simply. With its high efficiency, the moving bed Biofilm reactor is suggested to be used in the coking wastewater process. The problems in the practical projects and development trend of MBBR are also discussed. Key words: MBBR; wastewater treatment; factor; coking wastewater 移动床生物膜反应器(Moving-bed Biofilm Reactor,MBBR)是一种革新型生物膜反应器,因其填料可移动的特性,对于废水的脱氮具有较好的效果而受到广泛的关注[1]。焦化废水是典型的高氨氮浓度、有毒难降解工业废水,我国焦化厂外排废水常因氨氮含量严重超标而污染环境。随着人们对环境质量要求的日益提高,如何提高焦化废水的处理能力成为焦化厂面临的重要问题。目前在焦化废水处理中,已经推广应用的工艺有A2O工艺和SBR工艺[2-5],但其缺点是运行和操作费用高、耐冲击性和适应性差。MBBR技术是为解决固定床反应器需定期反冲洗、流化床需使载体回流、淹没式生物滤池需清洗滤料和更换曝气器的复杂操作而发展起来的[6]。此外,MBBR中可随污水流动的填料起到了增加污泥量和延长污泥停留时间的作用,有利于生长速率慢的硝化细菌的生长,可以提高NH4+的硝化效果,改善出水水质。MBBR不但可以提高微生物的浓度,具有处理负荷大、抗冲击和抗毒性的优点,还能解决A/O工艺占地面积大、投资费用高的问题,所以MBBR非常适合焦化废水中的脱氮[7]。 1移动床生物膜反应器 移动床生物膜反应器是一种新型低能耗的生物废水处理装置,该反应器工艺简单,是介于固定填料生物接触氧化法和生物流化床之间的一项新工艺,结合了悬浮生长的活性污泥法与附着生长的生物膜法的优点,克服了接触氧化法填料易堵塞、生物膜过厚易结团的缺点;同时也解决了生物流化床三项分离困难、动力消耗高的问题。将其应用于工业废水的处理,既提高污水厂的脱氮效率,改善运行效果,又不需要增加原有反应器的容积。 1.1工艺原理及结构 MBBR的主要原理就是将密度接近水的悬浮填料直接投加到反应器中,作为微生物生长附着的载体,在一定条件进行挂膜,使填料上附着大量微生物。然后向反应器内连续通入污水和空气,并创造良好的混合接触条件,栖息在填料表面上的微生物不断摄取水中氧和有机物,从而达到净化污水的目的。 MBBR的结构如图1所示。MBBR既可在好氧条件下运行(见图1a),也可以在缺氧和厌氧条件下运行(见图1b)。在好氧MBBR中,填料依靠曝气和水流的提升作用,在反应器内自由流动;在缺氧和厌氧MBBR中,通过机械搅拌或者沼气搅拌即可使填料呈流化状。 (a)好氧移动床反应器 (b)厌氧/缺氧移动床反应器 图1 移动床生物膜反应器示意图 1.2工艺特点 移动床生物膜反应器工艺的优势[8-10]概括体现在以下几个方面: (1)微生物量大,污泥浓度是普通活性污泥的5倍~10倍,净化功能显著提高;微生物相多样化,生物的食物链长; (2)生物膜上脱落下来的生物污泥含动物成分多,密度大,污泥颗粒大,沉降性能好,易于固液分离,并且剩余污泥量少,减少了污泥处理费用; (3)载体密度轻,流化过程能耗低,加大了传质速率,氧转移效率高;不需要反冲洗,水头损失小,不发生堵塞,无需污泥回流,剩余污泥量少; (4)耐冲击负荷,对水质、水量变动有较强的适应性,并能处理高浓度污水; (5)在这个生物生态系统中同时具有好氧和厌氧代谢活性,硝化和反硝化反应能在一个反应器内发生,对氨氮的去除具有良好的效果。而且对毒性以及其他不利于生物处理环境因素的敏感度低,适应性强; (6)结构紧凑,占地少,能耗低,易于运行和管理,减少污泥膨胀问题,投资和运行费用低; (7)生化池的设计弹性大,适于已建污水系统的扩建。 2影响因素 2.1DO 2.1.1DO对挂膜启动的影响 曝气强度影响填料的流化程度。合适的流化程度起到平衡填料上生物膜生长,加速老化生物膜脱落,维持生物膜活性的作用;而过于强烈的流化作用会减少填料上的生物量,降低填料的除污效果。因此,在保证供氧充分和维持填料流化的前提下,应减小曝气量,降低填料流化强度。研究[11]表明DO质量浓度为5mg/L时,由于曝气量比较大,滚动剧烈,生物膜的形成比较困难,填料表面挂膜困难,对污水的COD处理效果低。 2.1.2DO对挂膜时期COD去除率的影响 在挂膜初期,DO质量浓度不宜太大,随着反应器运行时间的延长,应适当增加曝气量。因为在挂膜初期,由于曝气量较小,悬浮填料移动缓慢,有利于初期微生物在膜表面粘附,有利于生物膜的形成。而随着运行时间的推移,微生物的量不断增长,进水COD的值也在增加,DO即成为COD降解的限制因素。所以,应逐渐增加曝气量,使填料维持正常的流化状态,避免生物膜上形成大比例的缺氧层,保证好氧微生物的正常代谢需氧量。 2.1.3DO对挂膜时期NH3-N去除率的影响 NH3-N的去除主要是硝化反应的作用,氧(O)是生物硝化作用中的电子受体,硝化反应必须在好氧条件下运行,相关研究[12-14]表明悬浮载体生物膜及其他生物膜工艺在保持较高的硝化效果时,均需较高的DO质量浓度,反应器中DO的大小必将影响硝化反应的速率,最终必将影响着NH3-N去除率,故DO的增加有利于NH3-N去除率的明显提高。但曝气量太大不利于微生物在填料表面吸附,因此,在挂膜初期要适当减小曝气量,在运行一段时间后,可以增大曝气量。这样更有利于挂膜和缩短启动时间。 2.2HRT 2.2.1HRT对挂膜时期COD去除率的影响 HRT是影响污水中COD去除率的一个重要因素。HRT过短,流化作用过于强烈,不利于填料表面微生物的附着生长,此时水中营养物质丰富,大部分微生物处于对数生长期,微生物生长旺盛,细胞表面的粘液层和荚膜尚未形成,运动活跃,不易自行凝聚成菌胶团,对污水的处理效果不够理想。然而由于反应器内的微生物的总数是有限的,其处理污水的能力也有限,因而当水力停留时间过长时,COD的去除率趋于稳定。因此,HRT的选择应适中,一般可选择4~6h。 2.2.2HRT对挂膜时期NH3-N去除率的影响 较短的HRT不利于挂膜过程中微生物的生长,填料上生物膜增长趋势减缓。为确保反应器中存活并维持一定数量和性能稳定的硝化菌,反应器必须有足够的HRT。对一定进水底物质量浓度而言,在一定范围内延长HRT,会降低容积负荷,提高氧浓度,从而提高MBBR的NH3-N去除率[15]。超出这一范围,延长HRT,NH3-N去除率会增大,但很有限。HRT过长,氨氮的去除率反而降低,因为水力停留时间过长减弱了生物膜中固着态微生物的生长速度,使填料表面的生物膜变得松散。此外,HRT的延长会增加池容,增加基建费用,不经济。 2.3填料 悬浮填料是MBBR工艺的核心部分,它是生物膜附着生长和降解有机物的重要场所,是加强传质、改善反应器内水力条件和生化反应条件的基本手段。填料的性能好坏,直接影响到挂膜的难易程度、反应器中生物量的多少及反应器的处理效果[16]。研究[17]表明,改性填料具有更高的废水处理效率和更大的挂膜量。改性填料具有良好的亲水性和生物亲和性,使得生物活性高,处理效果好。郭志涛[18]等的研究表明,填料的亲水性与生物亲和性对处理效果的影响大于填料比表面积对处理效果的影响。此外,悬浮填料的种类还影响填料表面生物膜的种群结构[19]。为了使填料能在反应器内自由运动,填料最大填充比例应小于70%,最好在67%左右[20]。填料的有效比表面积是影响运行效果的主要因素,填料大小、形状居次要地位[21]。 2.4搅拌类型和搅拌方式 在好氧反应器中,一般采用空气搅拌。由于好氧反应器中污泥产量高、增殖快,填料的挂膜较为容易,考虑到好氧微生物对氧气的需求,故多采用连续搅拌的方式。在厌氧反应器中,采用水力、机械、沼气来搅拌。在厌氧反应器挂膜的初期,可采用间歇搅拌的方式,缩短厌氧挂膜的启动时间。挂膜成功后,可增加搅拌的次数,采用间歇或连续搅拌方式。 2.5有机负荷 有机负荷较高时,对污泥的沉降性有一定的影响。据Odegarrd[20]等的研究,污泥的沉降性随着有机负荷的增加而降低,因此,需在高速移动床生物膜反应器的出水中投加絮凝剂或其他分离技术,以提高污泥的沉降性。 3研究现状及应用[21] 3.1研究现状 3.1.1工艺条件的研究 朱文亭等用经过改造的MBBR处理人工配制的葡萄糖废水,对工艺条件进行了研究。结果表明,当进水COD为200?700mg/L、气水比为10 : 1、水力停留时间为4h时,COD平均去除率可达88.8%。挪威的Rusten等在FREVAR废水处理厂对MBBR脱氮作用的中试结果表明,在一定的DO浓度下,硝化速率随着温度的升高而增加。当DO浓度增加时,硝化速率也有显著的提高。SS和不可溶有机负荷的增加将降低硝化速率。反硝化速率随着BSCOD(可生物降解的可溶COD)浓度的增加而增加。 3.1.2净化功能及效率的探讨 3.1.2.1含碳有机物的去除 孙华等采用MBBR处理染料化工废水。运行数据表明,出水BOD5、氨氮和苯胺等可以达到排放标准,COD的去除率为70%左右。在意大利的Villa Rendena有一个应用MBBR工艺的污水处理厂。在夏季时,系统操作温度为10?16C,在平均TCOD (总量COD )有机负荷为9.9gTCOD/m2?d时,去除率达到了79%。在冬季时,水温范围为4.8?8.2℃,MBBR单元平均负荷为7. 9gCOD/m2?d,去除率为73%。李锋等用MBBR工艺处理上海桃浦工业区废水。试验结果显示,MBBR法对COD的平均去除率大于75%,当进水COD浓度在800mg/L时,出水基本达到200mg /L的出水要求,而且出水较稳定。 3.1.2.2含氨的硝化去除 生物脱氮中,一般认为,硝化反应在好氧条件下进行,反硝化反应在厌氧条件下进行。因而,目前的生物脱氮工艺大多单独设立缺氧和厌氧环境。近年来,一些研究发现硝化和反硝化可同时进行。对一定厚度的生物膜,氧只能渗透到填料外层的某一深度,即外层为好氧层,发生硝化反应,内层为缺氧层,反硝化菌利用硝化菌产生的硝酸盐进行脱氮。Rusten等应用MBBR工艺处理生活污水,对其脱氮的硝化反应进行了研究。在有机负荷较低的条件下,对于相同的操作状况,处理先沉淀废水的后反硝化工艺的最大硝化速率比处理原水的先反硝化工艺的最大硝化速率高 20% ?25%。 3.1.2.3反硝化脱氮 Rusten等对MBBR在寒冷气候下去除低浓度废水中的氮进行了中试,对比了前置反硝化和后置反硝化的优劣。对于先反硝化还是后反硝化工艺的选择主要取决于原水的组成和需要达到的去除率。在进水浓度为20?25mgTN /L时,先反硝化工艺TN去除率为50%?70%,水力停留时间为6h。后反硝化工艺在水力停留时间小于3h的情况下,TN去除率在80%?90 %之间。瑞典某污水处理厂将 MBBR作为反硝化反应池,并投加碳源。在水温16℃时,投加乙醇的最大反硝化率约为2. 5gN/m2?d,投加甲醇的最大反硝化率约为2.0gN/m2?d。完全反硝化应需要4. 0?5. 0gCOD/gNO3-Neq。 3.1.2.4磷的去除 对磷的去除的方法主要有两种:化学方法是通过加入化学除磷剂后排除富磷污泥,或是在一级强化过程中通过化学混凝除磷;生物除磷则必须使微生物处于厌氧、好氧的交替状态,通过生物的同化作用吸附作用和生物积累作用去除磷。意大利的Pastorelli等用SBMBBR工艺研究了在没有外加碳源的情况下磷的去除。试验证明,磷的释放是在循环过程中的厌氧单元完成的,只有在有外加碳源的情况下磷才能获得稳定的去除率。Helness等认为,生物除磷是通过能过量富集磷(对磷的摄入量超过本身生长的需要)的细菌来实现的,生物除磷的生化机理还不十分明了。但大家都认同的是,磷富集生物(PAO)的生长不仅依靠废水中的底物,而且还依靠在PAO内部储存的化合物。这些储存的物质包括聚磷,聚β羟基酯(PHA ) 和糖原质。Helness等在讨论生物除磷的几个限制条件时指出,保持足够的总COD负荷率是十分重要的。为了避免来自异氧菌的竞争,必须在厌氧阶段有较高的COD去除率。为了避免亚硝酸盐富集的抑制作用,好氧阶段应足够长,以便完成硝化反应。 3.1.1.5反应动力学研究 生物膜反应器系统的动力学研究比较深入,但对MBBR的动力学研究报道还很少。意大利的Pastorelli等对MBBR去除有机碳和氮的动力学行为进行了研究。结果显示,有机碳去除率与对应的负荷率成比例关系。关于非扩散COD的水解动力学研究还处在起步阶段,还没有一个完善的动力学表达式,而且非扩散COD的水解是发生在液相还是在生物膜表面还无从知晓。在高氨氮浓度

  4mgNH4 + -N /L,氧为限制条件下,反应速率对应于DO是一级而不是半级反应,这意味着液膜扩散是这一过程的限制步骤。当DO

  2.08mg o2 /l时,不发生硝化反应。 3.1.3移动床生物膜反应器技术的改进 迄今,国内外的一些研究人员己经对反应器的结构和应用等方面进行了进一步探讨和改进。朱文亭等对mbbr的池型和内部结构进行了改造,开发了循环移动载体生物膜反应器。该反应器克服了填料在反应器内的移动状态不均衡,池内不同程度地存在死区的缺点,改善了反应器内水力流动特性和能耗方面的问题。将mbbr按照sbr的运行方式来操作是mbbr技术的进一步发展,它被称为移动床序批式生物膜反应器(moving-bed sequencing batch biofilm reactor,mbsbbr )。mbsbbr 既具有mbbr的优点又具有序批式运作方式带来的好处,因而它的操作和净化性能更优,适用性更强,更具发展前途。 3.2应用 3.2.1生物污水的处理 odegaard等研究了挪威的steinsholt生活污水处理厂中mbbr的运行情况。最后结果显示,总氮、总磷、tcod的去除率分别为45%、98%和93%。挪威的rusten等研究了mbbr在几个小的生物/化学工艺处理生活污水的处理厂的应用。试验显示,处理效果非常好,磷的去除率达到97%,出水浓度低于0.3mgp/l,出水bod7 (大约为1. 17×bod5) ≤10mgbod7 /l。 3.2.2工业废水的处理 3.2.2.1纸浆和造纸废水 挪威rusten等应用mbbr来处理几个不同水质的造纸厂废水。在stora papyrus grycksbo ab造纸厂出水的平均cod去除率从化学处理的45%上升到生物化学处理的78%,出水bod7从平均60gbod7 /m3降低至小于10gbod7/m3,最大值不超过25gbod7/m3。在 stora cell industri ab 造纸厂重要的是氯酸盐的去除。结果显示,氯酸盐在厌氧反应器中去除率达90%。fcod (过滤cod )的去除率在70%?75 %之间,fbod7的去除率为96%。挪威的jahren等研究了用厌氧-好氧mbbr工艺处理高温造纸废水(55℃)。厌氧反应器去除率达到3.4kgscod/m3?d,好氧反应器去除率为1. 8kgscod/ m3?d。厌氧反应器在负荷为7kgscod /m3?d时,bscod去除30%,最终bscod去除60%。 3.2.2.2食品工业废水 挪威的rusten等把mbbr用以乳酪加工废水生化处理厂的改造工程中。运行结果证明,即使负荷大幅度变化且超出设计值时,改造后的处理系统仍可达到98%的cod与磷的去除率。rusten等还在挪威乳品联合公司一家牛奶厂用mbbr进行牛奶废水的预处理的小试研究。当cod负荷达500gcod/m3?h和900gcod/m3?h时,cod的去除率分别为85%和60%。 3.2.3与其他水处理技术的结合应用 对于成分复杂的废水,可以通过mbbr和其他一些工艺组合来研究最佳的处理工艺流程。采用移动床生物膜反应器与活性污泥法组合工艺来处理木材加工纤维污水的一项中试及两项实际规模的研究证明,作为第一单元的移动床生物膜反应器可承受的cod有机负荷范围通常高达15?25kgcod/m3?d,无论从技术还是从投资和运行费用方面,该工艺系统都表现出高效、稳定和具有竞争力。 4焦化废水处理效果对比 jeong等[22]对移动床生物膜法工艺同步去除焦化废水中的cod、scn、cn、nh4+-n、tn进行了试验研究,并将其成功应用于一家现有焦化厂的改造。实验室条件下,在cod负荷3.4kg/(m3·d)、载体填充率50%、hrt为1d时,cod、scn、cn、nh4+-n、tn的去除率分别为97%、99%、99%、93%;研究人员用该技术对一家采用aoao工艺处理焦化废水的现有厂进行改造,实际处理效果与实验室所得结果基本吻合,出水中所有污染物的浓度都达到了排放标准。将这种工艺与现有的其他生物膜法相比(见表1),不难看出,该工艺不仅污染物去除率高,操作简单,而且实验室结果可直接用于生产实际的指导。 mbbr生物处理系统运行稳定可靠,抗冲击负荷能力强,脱氮除磷效果好,是一种经济高效的废水处理方法,可解决目前煤化工行业焦化废水不能高效达标排放的问题。该系统可以在不增加任何处理设施的情况下,显著提高处理效果,并可以通过对运行方式及运行参数的调整而实现不同的处理要求。针对我国部分早期建设的老污水处理厂处理效果不理想,用地紧张,资金不足与日益严格的出水排放标准矛盾的问题,mbbr生物处理系统无疑使非常合适的解决方法,应大力推广研究。 表1 不同生物膜法对焦化废水的处理效果 项目 tf pac/as fbr sbf fbr 反应器形式 好氧 好氧 好氧 厌氧—好氧 厌氧—好氧 hrt/d 1.36 11.7 0.3 0.42/0.91 0.7/0.3 有机负荷/kg·l-1 2.50 0.25 16.5 1.87 3.4 进水质量浓度/ mg·l-1 cod 3400 2980 4900 1700 2400 nh4+-n 1000 30 — 400 240 tn — — — 590 332 去除率/% cod 67.6 78 90 90 97 nh4+-n 19 33 — 99 99 tn — — — 80 93 注:1)tf:曝气生物滤池;2)pac/as:活性炭—活性污泥工艺;3)fbr:砂石作填料的流化床反应器;4)浸没式膜—活性污泥工艺;5)fbr:聚乙烯作填料的流化床反应器。 5mbbr工艺在运行中容易出现的问题 (1)反应器中的填料依靠曝气和水流的提升作用处于流化状态,在实际工程中,容易出现局部填料堆积的现象。为了避免该现象的发生,需改进曝气管路的布置以及反应器的结构。反应器的结构在很大程度上决定了它的水力特性。实际工程中,当单个反应器的长深比为0.5左右,且长度不大于3m时,有利于填料完全移动。在实际工程设计时应通过大量试验来优化反应器的构造和水力特性,降低能耗,进一步提高mbbr的经济效益。 (2)反应器出水往往设置栅板或格网,以避免填料流失,但容易造成堵塞。在实际工程中,可以设置活动栅板,定期进行人工清理,也可以设置空气反吹装置,以防止堵塞。 6结论 鉴于mbbr相比于活性污泥法及其他生物膜法的特点,国内外许多研究者对这一技术进行了深入的研究,尝试实际应用,而且对其对有机物的降解和脱氮除磷有了较多的认识。目前我国对生物膜法处理污水的研究应用还处于起步阶段,因此开发经济适用、易挂膜的悬浮填料尤显重要,特别是应该深入研究与其他污水处理工艺相组合的工艺,优化组合各自优势。 mbbr污水处理技术是一种高效、经济、运行费用低的污水处理工艺,而且较适用于中小型城市生活污水的处理,具有很好的发展前景。 参考文献 [1]张忠华,汤兵,赵一宁,等.移动床生物膜反应器的启动及影响因素的研究[j].水处理技术,2012,38(11):84-89. [2]刘俊新,李伟光.生物膜-活性污泥工艺处理焦化废水[j].哈尔滨建筑大学学报,1997,30(3):50-53. [3]郭建辉.用生物脱氮工艺处理焦化废水[j].现代化工,2001,21(3):48-49. [4]齐荣,余兆祥.焦化废水生物处理技术的发展[j].现代化工,2005,25(增刊):57-61. [5]彭党聪,袁林江,任勇翔,等.焦化废水生物脱氮除碳技术研究[j].西安建筑科技大学学报,1998,30(4):349-352. [6]rusten b, cook g m. nitrification of municipal wastewater in moving-bed biofilm reactors[j]. water environ res., 1995, 67(1):75-86. [7]荆洁颖,李文英.移动床生物膜反应器污水处理工艺的研究现状及展望[j].煤化工,2008,4:23-27. [8]柴社立,蔡晶,芮尊元.移动床生物膜反应器及其应用[j].上海环境科学,2004,23(6):257-261. [9]杨玉旺.移动床生物膜反应器处理污水的研究应用进展[j].工业水处理,2004,24(2):12-15. [10]李碧.mbbr工艺的研究现状与应用[j].技术与工程应用,2009,(1):20-23. [11]张忠华,汤兵,赵一宁,等.移动床生物膜反应器的启动及影响因素的研究[j].水处理技术,2012,38(11):84-89. [12]肖社明.移动床生物膜同步硝化反硝化生物脱氮的研究[d].北京:北京工业大学,2008:44-46. [13]张永祥,姚伟涛,肖社明,等.好氧mbbr连续流和间歇流的挂膜试验研究[j].哈尔滨商业大学学报:自然科学版,2010,26(3):295-299,306. [14]rongchang wang, akihiko terada, susanne lackner, et al. nitritation performance and biofilm development of co-and counter-diffusion biofilm reactors: modeling and experimental comparison[j]. water research, 2009, 43:2699-2709. [15]cheng sun, torove leiknes, jan weitzenbock, et al. development of an integrated shipboard wastewater treatment system using biofilm-mbr[j]. separation and purification technology, 2010, 75:22-31. [16]詹志薇.移动床生物膜反应器污水处理技术简介[j].广东化工,2011,38(10):239-240. [17]海景,黄尚东,张凡,等.改性聚丙烯生物填料的制备与应用[j].化工环保,2006,26(4):333-336. [18]郭志涛,任洪强,丁丽丽.改性填料对移动床生物膜反应器性能的影响[j].化工环保,2010,30(6):473-476. [19]肖鸿,杨平,郭勇,等.生物膜反应器中生物膜脱落的机理及数学模型[j].化工环保,2005,25(1):23-28. [20]odegarrd h. moving bed biofilm reactor. water environmental engineering and reuse of water[j]. eds, hokkaido press, japan, 1999:250-305 [21]赵江冰,胡龙兴.移动床生物膜反应器技术研究现状与发展[j].环境科学与技术,2004,27(2):103-106. [22]jeong y s, chung j s. simultaneous removal of cod, thiocyanate, cyanide and nitrogen from coal process wastewater using fluidized biofilm process [j]. process biochemistry, 2006, 41(5): 1141-1147.

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