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原创性声明 ifir f l ii ffj f i l ljlljrl l l lifllf y 17 9 3 0 7 3 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名:卑 日期:兰旦盟 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版,允许论文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 做作者虢埤 导师签名:日期:业1 7 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 符号表v i 1 绪论1 1 1 研究背景1 1 2 城市污水污泥概况2 1 2 1 污泥的定义2 1 2 2 污泥的分类3 1 2 3 城市污水污泥的产生3 1 2 4 城市污水污泥的环境危害和利用价值5 1 2 5 城市污水污泥干燥的必要性6 1 3 城市污水污泥干燥研究现状7 1 3 1 城市污水污泥水分特性研究现状7 1 3 2 城市污水污泥干燥特性研究现状9 1 3 3 城市污水污泥干燥工艺1 l 1 3 4 转筒干燥技术的发展和前景13 1 4 本文的研究目的和研究内容15 2 实验系统与研究方法16 2 1 试验样品16 2 2 试验装置16 2 2 1t g a d s c 热重差热分析系统16 2 2 2 水分分析仪试验系统18 2 3 试验方法19 2 3 1 水分特性试验方法19 2 3 2 干燥特性试验方法19 2 4 数据分析方法21 山东大学硕士学位论文 2 4 1 水分特性试验数据分析。21 2 4 2 干燥特性试验数据分析2 2 2 4 3 干燥动力学数据分析2 2 2 5 小结2 3 3 城市污水污泥干燥特性的实验研究2 4 3 1 城市污水污泥水分特性的分析2 4 3 2 污泥的干燥特性分析2 7 3 2 1 干燥温度对干燥特性的影响2 7 3 2 2 污泥颗粒粒径对干燥特性的影响2 8 3 2 3 污泥颗粒干燥过程的体积变化2 9 3 2 4 颗粒粒径对临界含湿量的影响31 3 3 小结3l 4 转筒干燥机抄板模型及抄板优化3 3 4 1 转筒干燥机抄板模型的建立3 3 4 2 污泥物性参数3 5 4 3 抄板散料过程的计算机模拟3 6 4 3 1 安装角对倾尽角的影响36 4 3 2 抄板类型对倾尽角的影响38 4 3 3 污泥颗粒休止角对倾尽角的影响3 9 4 3 4 不同抄板类型对撒料均匀度的影响4 0 4 3 5 物料休止角对撒料均匀度的影响4l 4 4 抄板的结构优化4 2 4 5 小结4 4 5 污泥颗粒在转筒内的干燥过程模拟4 5 5 1 污泥颗粒干燥动力学模型4 5 5 1 1 污泥颗粒干燥模型4 5 5 1 2 模型拟合结果4 8 山东大学硕士学位论文 5 2 转筒内物料的平均停留时间51 5 2 1 平均停留时间模型5l 5 2 2 平均停留时间模拟5 2 5 3 转筒干燥机内传热传质过程模拟5 4 5 3 1 污泥颗粒转筒干燥传热传质模型5 4 5 3 2 传热传质过程模拟结果58 5 4 小结5 8 6 总结与建议6 0 6 1 全文总结6 0 6 2 创新点6 2 6 3 建议6 2 参考文献6 3 i 改谢6 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文情况7 1 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t i e n g l i s ha b s t r a c t i i i n o m e n c l a t u r e v i li n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n d 1 1 2c i v i ls e w a g es l u d g e 2 1 2 1d e f i n i t i o no fs l u d g e 2 1 2 2c l a s s i f i c a t i o no fs l u d g e 3 1 2 3g e n e r a t i o no fc i v i ls e w a g es l u d g e 3 1 2 4a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs e w a g es l u d g e 5 1 2 5n e c e s s i t yo fs e w a g es l u d g ed r y i n g 6 1 3r e v i e wo fs e w a g es l u d g ed r y i n g 7 1 3 1r e v i e wo fs e w a g es l u d g em o i s t u r ec h a r a c t e r i s t i c s 7 1 3 2r e v i e wo fs e w a g es l u d g ed r y i n gc h a r a c t e r i s t i c s 9 1 3 3d r y i n gt e c h n o l o g yo fs e w a g es l u d g e 11 1 3 4d e v e l o p m e n ta n dp r o s p e c to fs e w a g es l u d g e 13 1 4p u r p o s ea n dc o n t e n t so fs t u d y 15 2m e t h o d sa n d t e c h n i i :! u e s 1 6 2 1e x p e r i m e n tm a t e r i a l 1 6 2 2i n t r o d u c t i o no fe x p e r i m e n td e v i c e 16 2 2 1t g a d s ct h e r m a la n a l y s i ss y s t e m 1 6 :! 2 2m o i s t u r ea n a l y z e rs y s t e m 18 :! 3e x p e r i m e n tm e t h o d s 。19 2 3 1e x p e r i m e n t a lm e t h o d so fm o i s t u r ec h a r a c t e r i s t i c s 19 2 3 2e x p e r i m e n t a lm e t h o d so fd r y i n gc h a r a c t e r i s t i c s 1 9 :! 4d a t ap r o c e s s i n gm e t h o d s 2 1 山东大学硕十学位论文 2 4 1d a t ap r o c e s s i n gm e t h o d so fm o i s t u r ec h a r a c t e r i s t i c s e x p e r i m e n t 2 1 2 4 2d a t ap r o c e s s i n gm e t h o d so fd r y i n gc h a r a c t e r i s t i c s e x p e r i m e n t 2 2 2 4 3d a t ap r o c e s s i n gm e t h o d so fd r y i n gd y n a m i c s 2 2 2 5 s u m m a r y :! :; 3e x p e r i m e n t a ls t u d i e so nc i v i ls e w a g es l u d g e d r y i n gc h a r a c t e r i s t i c s 2 4 3 1 a n a l y s i so fs w e a g es l u d g em o i s t u r ec h a r a c t e r i s t i c s 2 4 3 2a n a l y s i so fs w e a g es l u d g ed r y i n gc h a r a c t e r i s t i c s 2 7 3 2 1i n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r eo nd r y i n gc h a r a c t e r i s t i c s 2 7 3 2 2i n f l u e n c eo fp a r t i c l es i z eo nd r y i n gc h a r a c t e r i s t i c s 2 8 3 2 3v o l u m ec h a n g eo fp a r t i c l e si nd r y i n gp r o c e s s 2 9 3 2 4i n f l u e n c eo fp a r t i c l es i z eo nc r i t i c a lm o i s t u r ec o n t e n t 31 3 3s u m m a r y 3 1 4m o d e l i n ga n do p t i m i z i n go fr o t a r yd r y e rf l i g h t s :i :i 4 1m o d e l i n go fr o t a r yd r y e rf l i g h t s 3 3 4 2p h y s i c a lp r o p e r t i e so fs e w a g es l u d g e 3 5 4 3s i m u l a t i o no ff l i g h t sc a s c a d i n gp r o c e s s 3 6 4 3 1i n f l u e n c eo fi n s t a l l a t i o na n g l eo ne x h a u s t i n ga n g l e 3 6 4 3 2i n f l u e n c eo ff l i g h tt y p eo ne x h a u s t i n ga n g l e 3 8 4 3 3i n f l u e n c eo fr e p o s ea n g l eo ne x h a u s t i n ga n g l e 3 9 4 3 4i n f l u e n c eo ff l i g h tt y p eo nc a s c a d i n gu n i f o r m i t y 4 0 4 3 5i n f l u e n c eo fr e p o s ea n g l eo nc a s c a d i n gu n i f o r m i t y 4 1 4 4o p t i m i z i n go fr o t a r yd r y e rf l i g h t s 4 2 4 5s u m m a r y 4 4 山东大学硕士学位论文 5s i m u l a t i o no fs e 、v a g es l u d g ep a r t i c l e sr o t a r y d r y i n gp r o c e s s 4 5 5 1d r y i n gd y n a m i cm o d e l so fs e w a g es l u d g ep a r t i c l e 4 5 5 1 1s e w a g es l u d g ep a r t i c l ed r y i n gd y n a m i cm o d e l i n g 4 5 5 1 2f i t t i n gr e s u l to fm o d e l s 4 8 5 2m a t e r i a l sm e a nr e t e n t i o nt i m em o d e l 51 5 2 1m e a nr e t e n t i o nt i m em o d e l i n g 51 5 2 2s i m u l a t i o no fm e a nr e t e n t i o nt i m e 5 2 5 3s i m u l a t i o no fs e w a g es l u d g ep a r t i c l e sm a s sa n dh e a tt r a n s f e ri n d r y e r ! ;z l 5 3 1s e w a g es l u d g ep a r t i c l e sm a s sa n dh e a tt r a n s f e rm o d e l 5 4 5 3 2s i m u l a t i o nr e s u l t so fm a s sa n dh e a tt r a n s f e rp r o c e s s 5 8 5 4s u m m a r y 5 8 6c o n c l u s i o n sa n ds u g g e s t i o n s 6 0 6 1c o n c l u s i o n s 6 0 6 2i n n o v a t i o n 6 2 6 3s u g g e s t i o n s 6 2 r e f e r e n c e s 6 3 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 9 p u b l i s h e dp a p e rf o rm a s t e rd e g r e e 7 1 l 山东大学硕士学位论文 摘要 城市污水污泥干燥处理作为一种减容化、无害化、资源化的处 理方式已被广泛认识,但是如何根据污泥的干燥特性选择合理的干 燥工艺、提高干燥效率,一直以来是人们研究的重点。本文是在污 泥干燥特性研究的基础上指导转筒干燥过程,通过结合污泥干燥参 数对转筒干燥过程编程模拟,优化转筒干燥。 德国耐驰s t a 4 0 9 p c 热重差热联用仪上进行的水分特性实验 表明污泥水分中毛细结合水占8 0 以上,并以微毛细管水为主。微 毛细管结构使得污泥内部水分需要在内部气化再以蒸汽的形式扩 散出来,从而造成污泥干燥过程出现颗粒外硬内软现象。d h sl6 a 水分分析仪上进行的干燥实验表明:提高干燥温度至沸点以上时可 以显著提高污泥的干燥速率,但继续升温后干燥速率提高幅度减 弱;颗粒粒径增大会增大传热传质的阻力导致干燥速率降低,增大 干燥应力导致缩容率提高。在大量干燥实验的基础上,得到污泥干 燥常扩散模型和简变扩散模型,用来预测不同干燥温度、粒径下污 泥含湿量随时间的变化规律: 常扩散模型:x = 1 1 6 x o e x p _ 警x p ( 剽 简变扩散模型:x = 1 0 3 x oe x p- 0 8 6 +一134exp(-6t00),厂3一 1 + 1 r 一l 。1 其中,简变扩散模型预测结果与实验结果拟合度更好,相关性系数 达0 9 9 。 转筒干燥机是一种适合污泥工业干燥的推广机型,但缺少模型 指导污泥转筒干燥过程,使其进一步推广受到限制。本文采用计算 机模拟方法考察了污泥转筒干燥过程。首先,建立抄板持料撒料模 型,使用m a t l a b 编程模拟了抄板结构、安装角以及污泥颗粒休 山东大学硕士学位论文 止角对撒料规律的影响,研究发现:倾尽角主要受到了抄板末段结 构的影响,抄板转角为零时抄板末段与转筒壁面的夹角越大,倾尽 危越大,并且倾尽角会随休止角的增大而增大;在撒料均匀度方面, 普通抄板不能达到撒料量与落料空间成正比的合理撒料状态,但是 撤料会随物料休止角的减小趋于合理化:物料自由表面长度与该位 置的落料路程成正比时撒料量最合理,物料的自由表面长度可以通 过设计抄板结构来控制,在此基础上提出抄板优化模型。接着,本 文模拟了转筒干燥机倾斜角、半径、转速对平均停留时间的影响规 律,研究发现:这些因素对污泥颗粒停留时间有着相同的影响规律, 随着它们的增加,停留时间总体趋势是逐渐减小的,并且减小幅度 逐渐变缓。最后,本文将平均停留时间与污泥颗粒干燥动力学模型 耦合,结合传热及质量能量平衡方程,建立了污泥颗粒在转筒干燥 机内的传热传质模型,模拟得到了污泥颗粒温度、湿度以及空气温 度沿转筒轴向的分布结果,结果表明入口风温为6 50 的情况下污 泥颗粒含湿量逐渐降低,颗粒温度明显出现短暂升温和持续恒温的 现象,最终与热风温差保持在14 0 左右。 关键词:城市污水污泥、水分特性、干燥特性、转筒干燥机、模型 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c i v i ls e w a g es l u d g ed r y i n gh a sb e e nw i d e l y r e c o g n i z e da sa v o l u m er e d u c t i o n ,h a r m l e s s n e s sa n dr e s o u r c e - o r i e n t e d a p p r o a c h h o w e v e r ,h o wt oc h o o s ear e a s o n a b l ed r y i n gp r o c e s st oi m p r o v et h e d r y i n ge f f i c i e n c ya c c o r d i n gd r y i n gc h a r a c t e r i s t i c s ,h a sl o n gb e e no n e f o c u s o ft h e s t u d y t h i sa r t i c l e i sas t u d yo nt h e s l u d g ed r y i n g c h a r a c t e r i s t i c st og u i d ed r u md r y i n ga n dt h r o u g hac o m b i n a t i o no f s l u d g ed r y i n gp a r a m e t e r s o nd r u md r y i n gp r o c e s ss i m u l a t i o nt o o p t i m i z et h ed r u md r y i n g m o i s t u r ec h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n t a ls t u d yw a sc a r r i e do u to n t h e r m o g r a v i m e t r y d i f f e r e n t i a lt h e r m a la n a l y s i s ( n e t z s e hs t a 4 0 9 p c , g e r m a n y ) t h er e s u l t ss h o wt h a tm o r et h a n8 0 o ft h es l u d g eb o u n d w a t e ri s c a p i l l a r y w a t e r ,a n d m a i n l y i n m i c r o c a p i l l a r y m i c r o c a p i l l a r ys t r u c t u r e m a k e st h ew a t e rw i t h i nt h es l u d g en e e d s g a s i f yi n t e r n a l l yf i r s t l ya n dt h e ns p r e a d o u ti nt h ef o r mo fs t e a m , r e s u l t i n g i n s l u d g ep a r t i c l e so c c u rh a r do u t s i d ea n ds o f t i n s i d e p h e n o m e n ai nd r y i n gp r o c e s s d r y i n gc h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n t a l s t u d yw a sc a r r i e do u to nm o i s t u r ea n a l y z e rb e n c h ( d h s 16 - a ) t h e r e s u l t ss h o wt h a t :i n c r e a s i n gt h ed r y i n gt e m p e r a t u r eh i g h e rt h a n b o i l i n gp o i n tc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ed r y i n gr a t eo fs l u d g e ,b u t t h ei m p r o v er a t eo fd r y i n gr a t ed e c r e a s ew i t hc o n t i n u et oi n c r e a s et h e d r y i n gt e m p e r a t u r e ;i n c r e a s i n g t h ep a r t i c l es i z e w i l li n c r e a s et h e r e s i s t a n c et oh e a ta n dm a s st r a n s f e rl e a dt ot h ed r y i n gr a t ed e c r e a s e d , a n di n c r e a s e d r y i n g s t r e s sl e a dt ot h e c a p a c i t y r e d u c t i o nr a t e i n c r e a s e d c o n s t a n td i f f u s i o nm o d e l ( c d m ) a n ds i m p l ev a r i a b l e s d i f f u s i o nm o d e l ( s v d m ) w e r eg o t t e nf r o mal a r g en u m b e ro fd r y i n g e x p e r i m e n t s ,t op r e d i c td i f f e r e n td r y i n gt e m p e r a t u r e s ,t h ep a r t i c l e s i z eo fs l u d g em o i s t u r ec o n t e n tv a r i a t i o nw i t ht i m e i i i 山东大学硕士学位论文 c d m : 一舶x 0e x p 一警唧c 一剥 s v 。m :x = ,。3 a ,o exp一。86t+竿600,53一 a n di tw a sf o u n d e dt h a ts i m p l ev a r i a b l e sd i f f u s i o nm o d e lf i t t i n g e x p e r i m e n td a t ea th i g hp r e c i s i o n ,c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tw a s0 9 9 r o t a r yd r y e ri ss u i t a b l et ob ep r o m o t e df o rc i v i ls e w a g es l u d g e i n d u s t r i a ld r y i n g ,b u tt h el a c ko fm o d e lt od i r e c tt h er o t a r ys l u d g e d r y i n gp r o c e s st o c a u s ei t sf u r t h e rp r o m o t el i m i t e d t h ec o m p u t e r s i m u l a t i o nm e t h o dw a su s e dt oi n v e s t i g a t et h er o t a r yd r i e rs l u d g e p r o c e s s f i r s t ,b u i l d i n gf l i g h t s h o l d sm a t e r i a l m o d e l ,m a t l a b p r o g r a mw a su s e dt os i m u l a t et h ef l i g h ts t r u c t u r e ,i n s t a l l a t i o na n g l e a n ds l u d g ep a r t i c l e sr e p o s ea n g l eo nt h el a wo fs c a t t e r i n gm a t e r i a l , a n df o u n dt h a t :e x h a u s t i n ga n g l eo ft h ef l i g h t sm a i n l yi n f l u e n c e db y t h el a s ts e g m e n to ff l i g h t ,t h eg r e a t e rt h ea n g l eb e t w e e nt h ed r y e r w a l la n dt h el a s tf l i g h ts e g m e n tt h eg r e a t e rt h ee x h a u s t i n ga n g l e ,a n d e x h a u s t i n ga n g l ew i l li n c r e a s ew i t ht h er e p o s ea n g l ei n c r e a s i n g ;i n t h e a s p e c t o f m a t e r i a l s p r e a du n i f o r m i t y ,o r d i n a r yf l i g h t s c a n t a c h i e v es p r e a da m o u n t p r o p o r t i o n a l t o d r o ps p a c e ,b u tb e c o m e r e a s o n a b l ew i t ht h ed e c r e a s eo fm a t e r i a lr e p o s ea n g l e ;s p r e a da m o u n t i st h em o s tr e a s o n a b l ew h e nm a t e r i a lf r e es u r f a c el e n g t hp r o p o r t i o n a l t od r o ps p a c e ,o nt h eb a s i so ft h i sc o n c l u d e ,a no p t i m i z i n gm o d e lo f f l i g h t s w a sp r o p o s e da n dv i s u a l i z e db ym a t l a b s e c o n d l y ,m e a n r e s i d e n c et i m em o d e lo f r o t a r yd r y e r w a sa l s oi n t r o d u c e da n d s i m u l a t e di nt h i sa r t i c l e t h ei n f l u e n c eo fr o t a r ys p e e d ,i n c l i n a t i o n a n g l e ,a n dr a d i u sw e r ec o n s i d e r e d i tf o u n dt h a tt h e s ef a c t o r sh a v e t h es i m i l a ri n f l u e n c eo nt h es l u d g ep a r t i c l e sr e s i d e n c et i m e ,a st h e y i n c r e a s e ,t h e o v e r a l lt r e n di s g r a d u a l l yd e c r e a s e d ,a n d t h er a t e i v 山东大学硕士学位论文 d e c r e a s eo fs l o w i n gd o w n f i n a l l y ,t h em e a nr e s i d e n c et i m em o d e l , d r y i n g m o d e lo fs l u d g e p a r t i c l e ,h e a t t r a n s f e ra n dm a s s e n e r g y b a l a n c ee q u a t i o n so ft h es l u d g ep a r t i c l e si nt h er o t a r yd r u md r y e r w e r ec o m b i n e dt og e tt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rm o d e l t h e ni tw a s s i m u l a t e da n dg e tt h es l u d g ep a r t i c l e st e m p e r a t u r e ,h u m i d i t ya n da i r t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na l o n gt h er o t o ra x i s t h er e s u l ts h o w e dt h a t w h e ni m p o r ta i rt e m p e r a t u r ei s 6 5 0 ,s l u d g ep a r t i c l e sm o i s t u r e c o n t e n td e c r e a s e d ,p a r t i c l et e m p e r a t u r ec a nb ed i v i d e dt os h o r t - t e r m t e m p e r a t u r er i s es t a g ea n dc o n t i n u o u sc o n s t a n tt e m p e r a t u r es t a g e ,t h e f i n a ld i f f e r e n c ei n t e m p e r a t u r e b e t w e e nh o ta i ra n d p a r t i c l e m a i n t a i n e da ta b o u t14 0 k e yw o r d s :c i v i ls e w a g es l u d g e ;m o i s t u r ec h a r a c t e r i s t i c ;d r y i n g c h a r a c t e r i s t i c ;r o t a r yd r y e r ;m o d e l v 山东大学硕士学位论文 符号表 v i 微分单元中颗粒的换热面积,m 2 转筒的截面积,m 2 转筒干燥机分割的单元数 绝干污泥的比热容,k j ( k g ) 湿空气的比热容,k j ( k g ) 水蒸气比热容,k j ( k g ) 纯水的比热容,k j ( k g ) 颗粒直径,m 有效扩散系数 污泥水分的平均结合能,k j k g 重力加速度,m s 2 干空气的质量流量,k g s 绝干污泥颗粒的质量流量,k g s 落料高度,m 水蒸气的焓,k j k g 空气的焓,k j k g 湿污泥的焓,k j k g 模型修正系数 物料开始飘落点距转筒中心距的距离,m 转筒干燥机的长度,m 单元内干空气的质量,k g 单元内绝干污泥的质量,k g 抄板的持料量,m 3 相对含水率 转筒的转速,r m i n 干燥介质与物料间的传热速率,k w m 2 4 4 c 岛q g 嘭易 bo嚷办 o t c 七, 三 吩脚 g 山东大学硕士学位论文 每千克干污泥所对应的热损失,k j k g 0 。时水的气化潜热,k j k g 物料飘落水平方向的位移,m 时间,s 单元内物料的停留时间,s 升举阶段物料的停留时间,s 飘落阶段物料的停留时间,s 热力学绝对温度,k 热空气的温度, 湿污泥的温度, 气体速度,m s 污泥颗粒平均的干基含水量,k g k g 初始含水率,k g k g 平衡含水率,k g k g 空气的绝对湿度,k g k g 物料在转筒干燥机内的轴向位置,m 转筒的倾斜角,。 物料的收缩系数 抄板撤落物料的平均转角,。 污泥颗粒的初始密度,k g m 3 干空气的密度,k g m 3 气体密度,k g m 3 动力粘度,k g ( m s ) 空气导热率,w ( m ) 物料的动态休止角,r a d v i i 吼 s , 乞 厶 0 丁 乙 瓦 k x 拖 y z 口 万 岛 & 以矽 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 绪论 随着我国经济的发展、城市人口的膨胀,全国污水排放总量呈 逐年上升趋势,如图1 1 所示。 嘲 s o o 嘲豳鬯蠢飘霸 豳黼l l1 冒 g4 0 0 嘲 冀3 0 0 妊 薹2 0 0 圄_ = 墨 剞2 0 0 o 2 0 0 4 2 0 0 52 0 0 6 2 0 0 7 2 0 0 8 嚣生滔污水 2 6 1 32 8 1 42 9 6 63 l o 23 3 0 i i 工业污水2 2 1 12 4 3 12 4 0 。22 4 6 ,62 4 1 7 图1 1 中国环境保护部全国污水捧放量历年统计数据 与此同时,污水处理率也逐年提高。根据中国环境保护目标纲 要,到2 010 年,所有城市的污水处理率

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