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CN114907000A - 一种基于碳氮比调配的高蛋白有机固废强化厌氧转化方法 - Google Patents

一种基于碳氮比调配的高蛋白有机固废强化厌氧转化方法 Download PDF

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CN114907000A
CN114907000A CN202210471447.1A CN202210471447A CN114907000A CN 114907000 A CN114907000 A CN 114907000A CN 202210471447 A CN202210471447 A CN 202210471447A CN 114907000 A CN114907000 A CN 114907000A
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CN
China
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organic solid
carbon
solid waste
anaerobic
nitrogen ratio
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CN202210471447.1A
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柴晓利
武博然
黄韬
戴晓虎
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Tongji University
Original Assignee
Tongji University
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Abstract

本发明涉及一种基于碳氮比调配的高蛋白有机固废强化厌氧转化方法，包括以下步骤：(1)将待处理的高蛋白有机固废和高含碳辅助物料分别进行预处理；(2)将各原料按一定比例混合，优化平衡混合物料的C/N至合适范围；(3)将混合物料与接种物按一定比例于厌氧反应器内混合均匀；(4)调节混合物料的含固率和初始pH，使反应器内处于厌氧环境后，开启搅拌或振荡装置，在中温条件下进行厌氧消化。与现有技术相比，本发明方法工艺简单，可协同处理多种有机固废，特别是强化高蛋白有机固废的厌氧转化效果，有效提高混合物料最终VS降解率及产甲烷效能的同时，还可使协同厌氧消化体系在高负荷下稳定运行，在实现城市有机固废减量化和资源化方面都具备较大优势。

Description

一种基于碳氮比调配的高蛋白有机固废强化厌氧转化方法
技术领域
本发明涉及有机固废处理处置技术领域，具体涉及一种基于碳氮比调配的高蛋白有机固废强化厌氧转化方法。
背景技术
随着社会经济水平的不断提高，污水处理行业和禽畜养殖业得到高速发展。剩余污泥和禽畜粪便作为污水处理厂和禽畜养殖场的主要废弃物，其产生量逐年增长，已成为两类重要的城镇有机固废来源。剩余污泥和禽畜粪便中含有大量的有机物、重金属和病原微生物，若不得到妥善处置，将会对环境造成严重的污染。
厌氧消化是一种处理城市有机固废的常用技术，是指在无氧条件下兼性和厌氧菌将可生物降解的有机物分解为CH4、CO2和H2O等物质，不仅可以达到有机固废减量化、稳定化处置的目的，还可以回收沼气沼液等生物质能源，做到有机固废资源化利用。
蛋白类物质是剩余污泥和禽畜粪便的主要有机组分，也是其厌氧消化过程中的主要底物，其降解转化效果对于剩余污泥和禽畜粪便厌氧消化效能的提升有着关键性作用。然而，高含量的蛋白类物质使得剩余污泥和禽畜粪便的C/N通常较低，一般不高于10，特别是剩余污泥只有5～7左右。较低的C/N容易造成厌氧消化系统中氨的过度积累，进而抑制酸化阶段蛋白类底物向VFAs的转化利用过程，降低系统的厌氧转化效能，导致产甲烷效率低、发酵周期长等问题，严重限制了厌氧消化在以剩余污泥和禽畜粪便为代表的高蛋白有机固废处理领域的工程化应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于碳氮比调配的高蛋白有机固废强化厌氧转化方法，提高协同厌氧消化体系的降解性能和产气性能。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于碳氮比调配的高蛋白有机固废强化厌氧转化方法，包括以下步骤：
(1)将待处理的高蛋白有机固废和高含碳辅助物料分别进行预处理；
(2)将各原料按一定比例混合，优化平衡混合物料的C/N至合适范围；
(3)将混合物料与接种物按一定比例于厌氧反应器内混合均匀；
(4)调节混合物料的含固率和初始pH，使反应器内处于厌氧环境后，开启搅拌或振荡装置，在中温条件下进行厌氧消化。
优选地，步骤(1)中，所述的高蛋白有机固废为剩余污泥或禽畜粪便中的一种，高含碳辅助物料为餐厨垃圾、厨余垃圾、秸秆中的几种。
餐厨垃圾、厨余垃圾、秸秆等城市有机固废含有丰富的淀粉、多糖及纤维素等碳水化合物，相较于剩余污泥和禽畜粪便等高蛋白有机固废，具有较高的C/N(即碳氮比)。因此，可以通过向低C/N的高蛋白有机固废中添加高含碳量的其他有机固废进行协同厌氧消化，通过对物料的合理调配，将混合物料C/N调整至适合厌氧消化功能微生物生长代谢区间内，提高水解产酸菌活性，促进高蛋白有机物料中蛋白类物质的释放和转化，提高系统降解效率和产气效率；同时，厌氧协同消化还能提高系统抵御负荷冲击的稳定性，并在一定程度上弥补单一物料消化时有机负荷低、停留时间长、反应器体积大等不足。
进一步优选地，所述的剩余污泥取自污水处理厂二沉池剩余污泥；禽畜粪便取自农村禽畜养殖基地，包括但不限于鸡粪、猪粪、牛粪等；餐厨垃圾取自餐饮行业及单位食堂的餐后废弃物，其成分包括但不限于油、水、果皮、蔬菜、米面、鱼、肉、骨头及其他杂质；厨余垃圾取自居民社区及农贸市场，其成分包括但不限于菜帮、菜叶、瓜果皮壳、剩菜剩饭及其他杂质；秸秆取自农村农业废弃物。
进一步优选地，步骤(1)中，所述的预处理包括除油、脱水、破碎制浆。
更进一步优选地，所述的预处理包括：
剩余污泥经静置沉淀后，去除上清液，控制其含水率≤95％；
新鲜禽畜粪便少量多次粉碎至均浆状；
餐厨垃圾经破碎处理后，产生的浆液经蒸汽加热至80～90℃后，通过三相离心机去除油脂，将剩余部分混合均匀形成餐厨垃圾有机浆料，其TS含量在20％～30％，有机干物质含量在80％～95％，含油率≤0.4％；
厨余垃圾经破碎处理后，经螺旋挤压脱水，形成厨余垃圾有机浆料，其TS含量在8％～15％，有机干物质含量在80％～95％；
秸秆粉碎成1～2cm碎段，并用NaOH溶液处理2～4天。
优选地，厨余垃圾经破碎处理后，经螺旋挤压脱水，形成厨余垃圾有机浆料，其TS含量在10％～15％，有机干物质含量在85％～90％。
优选地，秸秆粉碎成1～2cm碎段，并用2％NaOH处理3天。
优选地，步骤(2)中，所述的混合物料的碳氮比范围为(20～30):1。
本发明为一种基于碳氮比调配，对高蛋白有机固废和高含碳有机固废的组分进行优化的协同厌氧消化技术，可以解决高蛋白有机固废在传统厌氧消化中氨抑制严重、底物利用效率低、厌氧转化效能差等问题，提高协同厌氧消化体系的降解性能和产气性能，并满足大规模集约化处置多种有机固废的需求。
优选地，步骤(2)中，按VS计，所述的高蛋白有机固废占混合物料的30％～50％。
优选地，步骤(3)中，所述的混合物料和接种物按挥发性固体质量VS比在1:(1～2)范围内混合。
优选地，步骤(3)中，所述的接种物为污水厂运行稳定的厌氧消化污泥，静置后取底部活性物富集部分并在厌氧反应器内驯化。
进一步优选地，步骤(3)中，所述的接种物为污水厂运行稳定的厌氧消化污泥，静置后取底部活性物富集部分并在37℃厌氧反应器内驯化7天。
优选地，步骤(4)中，所述的混合物料有机含量为6～10gVS/L，初始pH为7～9。
优选地，步骤(4)中，向反应器内通高纯氮气保证厌氧环境，搅拌频率为18～22rpm，反应温度为35～40℃。
进一步优选地，步骤(4)中，向反应器内通高纯氮气5min保证厌氧环境，搅拌频率为20rpm。
本发明将高蛋白质含量的剩余污泥或禽畜粪便作为主要底物，在餐厨垃圾、厨余垃圾、秸秆等高含碳物料中选择一种或几种作为辅助物料，分别进行除油、脱水、破碎、制浆等预处理后，将主要底物和辅助物料混合，优化平衡协同厌氧消化系统中的碳氮比为(20～30):1，并控制接种比为1:(1～2)、有机含量为6～10gVS/L、pH为7～9，在优选的碳氮比营养条件下，消化体系中蛋白酶活性得到强化，促进高蛋白底物中蛋白质的释放和水解，进而增加产酸阶段VFAs的积累，为产甲烷菌提供更多反应底物，同时还能缓解氨基酸脱氨基后生成的游离氨带来的抑制效应，以及后续进料过程中成分波动导致的负荷冲击。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明工艺简单，可以在协同处置多种城市有机固废的同时，提高混合物料的降解和产气能力，特别是强化高蛋白有机固废的厌氧转化效能，并使体系在高有机负荷下仍保持稳定；
2.本发明基于混合物料的碳氮比调配，将高蛋白有机固废(剩余污泥、禽畜粪便)和高含碳有机固废(餐厨垃圾、厨余垃圾、秸秆等)以一定的比例混合，对混合物料的C/N进行优化，在优选的碳氮比条件下，消化物料的营养配比更为均衡，可以改善厌氧功能微生物的营养结构，提高水解产酸菌活性，促进高蛋白有机物料中蛋白类物质的释放和转化，提高降解和产气能力，强化高蛋白有机固废的厌氧转化效能；
3.本发明优选的组合方案相较于剩余污泥单一消化，VS降解率和累计产甲烷量可以分别提高(68.0％～88.0％)、(56.5％～63.6％)；相较于鸡粪单一消化，VS降解率和累计产甲烷量可以分别提高(22.4％～31.8％)、(33.8％～39.0％)；
4.本发明方法可以同时处理多种城市有机固废，不仅可以减少处理处置成本，提高处理量，还能让多源物料在成分上相互补充，产生协同效应，有效缓解高蛋白有机固废单一消化时存在的氨积累、底物利用效率低、发酵周期长等问题，增强体系的缓冲能力，使消化体系能够在高负荷和冲击下稳定、高效运行；
5.本发明方法可操作性强，能够满足大规模、集约化处理多种有机固废需求的同时，提高无害化、减量化和资源化处理有机固废的效果，具有较大的工程化应用价值。
具体实施方式
结合以下具体实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明保护不局限于以下实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。实施本发明的过程、条件、试剂、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。以下实施例有助于理解本发明，但不限制本发明保护范围。
以下实施例中的原料来源：
剩余污泥取自某污水处理厂的二沉池，使用前在4℃下沉降1天后倒掉上清液后使用。
禽畜粪便取自合肥市肥西县某家禽养殖场，主要成分为新鲜鸡粪，收集后少量多次粉碎至均浆状，使用前在4℃下保存。
餐厨垃圾取自合肥市肥西县部分餐饮单位配置的餐厨垃圾专用收集桶，经分解破碎、除砂除杂、蒸汽加热及油水分离后，形成均质的餐厨垃圾有机浆料，使用前在4℃下保存。
厨余垃圾取自合肥市肥西县中心镇部分居民小区厨余垃圾分类垃圾桶，经破碎、磁选、分离和挤压脱水后，形成高浓度厨余垃圾有机浆液，使用前在4℃下保存。
秸秆废弃物取自合肥市肥西县某农产品加工厂，经破碎机粉碎成1～2cm碎段，使用前用2％NaOH处理3天后使用。
接种污泥为污水处理厂中的厌氧消化污泥，使用前在35℃的厌氧条件下保存一周左右，消耗接种污泥中的有机物，防止对后面的厌氧消化过程产生影响。
处理后的各物料性质见表1：
表1消化物料和接种物组分
组分 剩余污泥 鸡粪 餐厨垃圾 厨余垃圾 秸秆 接种污泥
TS(％) 22.2(0.13) 28.3(0.02) 27.0(0.08) 10.1(0.02) 97.3(0.01) 6.4(0.02)
VS/TS 45.4(0.31) 85.3(0.05) 93.3(0.02) 90.2(0.06) 88.1(0.04) 45.9(0.13)
C/N 6.3(0.11) 9.7(0.08) 16.8(0.21) 22.3(0.24) 78.6(0.08) 5.9(0.07)
以下实施例中的厌氧消化装置：
小型批式厌氧消化装置是由250mL的高硼硅玻璃瓶和恒温空气摇床构成，使用弹簧网将高硼硅玻璃瓶固定在恒温空气摇床中。瓶口用双通瓶盖密封，其中一个通口用硅胶管连接气袋，用于收集产生的沼气；另一个通口用硅胶管连接，用于通入高纯氮气制造厌氧环境，装置启动后用止水夹密封；使用注射器收集发酵液样品。
实施例1
本实施例按以下步骤：
(1)将剩余污泥、餐厨垃圾、厨余垃圾和秸秆废弃物按上述要求进行预处理。
(2)固定混合物料的有机含量为10g VS/L，剩余污泥占30％(按VS计)，将四种物料按一定比例混合，配料方案见表2。同时设置剩余污泥单独消化的对照组K1。每组设3个平行。
表2实施例1物料混合方案
Figure BDA0003622607030000061
(3)将混合物料与接种污泥按1:2(按VS含量计)均匀混合，即每个厌氧反应器内加入136mL消化污泥。
(4)添加水调整混合物料和接种物总体积为200mL，放于厌氧消化反应器内，调节初始pH为8.0，于37℃的恒温摇床内振荡，振荡频率20rpm；每24h测定日甲烷产量；当反应达50d后，或连续3d日容积产气量低于反应体积的5％～10％，可视为厌氧消化产气结束，此时从瓶中取混合物料测定VS含量。
结果表明，剩余污泥(K1组)单独消化累计产甲烷量为176mL/gVS，VS降解率为34.8％。协同消化时，累计产甲烷量为288mL/gVS，VS降解率为62.5％，相比于K1，分别提高了63.6％、79.6％。
实施例2
本实施例按以下步骤：
(1)将剩余污泥、餐厨垃圾、厨余垃圾和秸秆废弃物按上述要求进行预处理。
(2)固定混合物料的有机含量为8g VS/L，剩余污泥占50％(按VS计)，将四种物料按一定比例混合，配料方案见表3。同时设置剩余污泥单独消化的对照组K2。每组设3个平行。
表3实施例2物料混合方案
Figure BDA0003622607030000062
(3)将混合物料与接种污泥按1:1.5(按VS含量计)均匀混合，即每个厌氧反应器内加入82mL消化污泥。
(4)添加水调整混合物料和接种物总体积为200mL，放于厌氧消化反应器内，调节初始pH为9.0，于37℃的恒温摇床内振荡，振荡频率20rpm；每24h测定日甲烷产量；当反应达50d后，或连续3d日容积产气量低于反应体积的5％～10％，可视为厌氧消化产气结束，此时从瓶中取混合物料测定VS含量。
结果表明，剩余污泥(K2组)单独消化累计产甲烷量为168mL/gVS，VS降解率为33.7％。协同消化时，累计产甲烷量为263mL/gVS，VS降解率为56.6％，相比于K2，分别提高了56.5％、68.0％。
实施例3
本实施例按以下步骤：
(1)将剩余污泥、餐厨垃圾、厨余垃圾和秸秆废弃物按上述要求进行预处理。
(2)固定混合物料的有机含量为6g VS/L，剩余污泥占40％(按VS计)，将四种物料按一定比例混合，配料方案见表4。同时设置剩余污泥单独消化的对照组K3。每组设3个平行。
表4实施例3物料混合方案
Figure BDA0003622607030000071
(3)将混合物料与接种污泥按1:1(按VS含量计)均匀混合，即每个厌氧反应器内加入41mL消化污泥。
(4)添加水调整混合物料和接种物总体积为200mL，放于厌氧消化反应器内，调节初始pH为7.0，于37℃的恒温摇床内振荡，振荡频率20rpm；每24h测定日甲烷产量；当反应达50d后，或连续3d日容积产气量低于反应体积的5％～10％，可视为厌氧消化产气结束，此时从瓶中取混合物料测定VS含量。
结果表明，剩余污泥(K3组)单独消化累计产甲烷量为170mL/gVS，VS降解率为34.2％。协同消化时，累计产甲烷量为275mL/gVS，VS降解率为64.3％，相比于K3，分别提高了61.8％、88.0％。
实施例4
本实施例按以下步骤：
(1)将鸡粪、餐厨垃圾、厨余垃圾和秸秆废弃物按上述要求进行预处理。
(2)固定混合物料的有机含量为9g VS/L，鸡粪占50％(按VS计)，将四种物料按一定比例混合，配料方案见表5。同时设置鸡粪单独消化的对照组K4。每组设3个平行。
表5实施例4物料混合方案
Figure BDA0003622607030000081
(3)将混合物料与接种污泥按1:2(按VS含量计)均匀混合，即每个厌氧反应器内加入123mL消化污泥。
(4)添加水调整混合物料和接种物总体积为200mL，放于厌氧消化反应器内，调节初始pH为7.5，于37℃的恒温摇床内振荡，振荡频率20rpm；每24h测定日甲烷产量；当反应达50d后，或连续3d日容积产气量低于反应体积的5％～10％，可视为厌氧消化产气结束，此时从瓶中取混合物料测定VS含量。
结果表明，鸡粪(K4组)单独消化累计产甲烷量为213mL/gVS，VS降解率为48.7％。协同消化时，累计产甲烷量为285mL/gVS，VS降解率为64.2％，相比于K4，分别提高了33.8％、31.8％。
实施例5
本实施例按以下步骤：
(1)将鸡粪、餐厨垃圾、厨余垃圾和秸秆废弃物按上述要求进行预处理
(2)固定混合物料的有机含量为7g VS/L，鸡粪占30％(按VS计)，将四种物料按一定比例混合，配料方案见表6。同时设置鸡粪单独消化的对照组K5。每组设3个平行。
表6实施例5物料混合方案
Figure BDA0003622607030000082
(3)将混合物料与接种污泥按1:1.5(按VS含量计)均匀混合，即每个厌氧反应器内加入71mL消化污泥。
(4)添加水调整混合物料和接种物总体积为200mL，放于厌氧消化反应器内，调节初始pH为7.5，于37℃的恒温摇床内振荡，振荡频率20rpm；每24h测定日甲烷产量；当反应达50d后，或连续3d日容积产气量低于反应体积的5％～10％，可视为厌氧消化产气结束，此时从瓶中取混合物料测定VS含量。
结果表明，鸡粪(K5组)单独消化累计产甲烷量为225mL/gVS，VS降解率为52.3％。协同消化时，累计产甲烷量为304mL/gVS，VS降解率为66.4％，相比于K5，分别提高了35.1％、27.0％。
实施例6
本实施例按以下步骤：
(1)将鸡粪、餐厨垃圾、厨余垃圾和秸秆废弃物按上述要求进行预处理
(2)固定混合物料的有机含量为8g VS/L，鸡粪占40％(按VS计)，将四种物料按一定比例混合，配料方案见表7。同时设置鸡粪单独消化的对照组K6。每组设3个平行。
表7实施例6物料混合方案
Figure BDA0003622607030000091
(3)将混合物料与接种污泥按1:1(按VS含量计)均匀混合，即每个厌氧反应器内加入54mL消化污泥。
(4)添加水调整混合物料和接种物总体积为200mL，放于厌氧消化反应器内，调节初始pH为8.0，于37℃的恒温摇床内振荡，振荡频率20rpm；每24h测定日甲烷产量；当反应达50d后，或连续3d日容积产气量低于反应体积的5％～10％，可视为厌氧消化产气结束，此时从瓶中取混合物料测定VS含量。
结果表明，鸡粪(K6组)单独消化累计产甲烷量为210mL/gVS，VS降解率为50.4％。协同消化时，累计产甲烷量为292mL/gVS，VS降解率为61.7％，相比于K6，分别提高了39.0％、22.4％。
本方法工艺简单，可协同处理多种有机固废，特别是强化高蛋白有机固废的厌氧转化效果，有效提高混合物料最终VS降解率及产甲烷效能的同时，还可使协同厌氧消化体系在高负荷下稳定运行，在实现城市有机固废减量化和资源化方面都具备较大优势。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于碳氮比调配的高蛋白有机固废强化厌氧转化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将待处理的高蛋白有机固废和高含碳辅助物料分别进行预处理；
(2)将各原料按一定比例混合，优化平衡混合物料的C/N至合适范围；
(3)将混合物料与接种物按一定比例于厌氧反应器内混合均匀；
(4)调节混合物料的含固率和初始pH，使反应器内处于厌氧环境后，开启搅拌或振荡装置，在中温条件下进行厌氧消化。
2.根据权利要求1所述的基于碳氮比调配的高蛋白有机固废强化厌氧转化方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的高蛋白有机固废为剩余污泥或禽畜粪便中的一种，高含碳辅助物料为餐厨垃圾、厨余垃圾、秸秆中的几种。
3.根据权利要求2所述的基于碳氮比调配的高蛋白有机固废强化厌氧转化方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的预处理包括除油、脱水、破碎制浆。
4.根据权利要求3所述的基于碳氮比调配的高蛋白有机固废强化厌氧转化方法，其特征在于，所述的预处理包括：
剩余污泥经静置沉淀后，去除上清液，控制其含水率≤95％；
新鲜禽畜粪便少量多次粉碎至均浆状；
餐厨垃圾经破碎处理后，产生的浆液经蒸汽加热至80～90℃后，通过三相离心机去除油脂，将剩余部分混合均匀形成餐厨垃圾有机浆料，其TS含量在20％～30％，有机干物质含量在80％～95％，含油率≤0.4％；
厨余垃圾经破碎处理后，经螺旋挤压脱水，形成厨余垃圾有机浆料，其TS含量在8％～15％，有机干物质含量在80％～95％；
秸秆粉碎成1～2cm碎段，并用NaOH溶液处理2～4天。
5.根据权利要求1所述的基于碳氮比调配的高蛋白有机固废强化厌氧转化方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的混合物料的碳氮比范围为(20～30):1。
6.根据权利要求1所述的基于碳氮比调配的高蛋白有机固废强化厌氧转化方法，其特征在于，步骤(2)中，按VS计，所述的高蛋白有机固废占混合物料的30％～50％。
7.根据权利要求1所述的基于碳氮比调配的高蛋白有机固废强化厌氧转化方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的混合物料和接种物按挥发性固体质量VS比在1:(1～2)范围内混合。
8.根据权利要求1所述的基于碳氮比调配的高蛋白有机固废强化厌氧转化方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的接种物为污水厂运行稳定的厌氧消化污泥，静置后取底部活性物富集部分并在厌氧反应器内驯化。
9.根据权利要求1所述的基于碳氮比调配的高蛋白有机固废强化厌氧转化方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的混合物料有机含量为6～10gVS/L，初始pH为7～9。
10.根据权利要求1所述的基于碳氮比调配的高蛋白有机固废强化厌氧转化方法，其特征在于，步骤(4)中，向反应器内通高纯氮气保证厌氧环境，搅拌频率为18～22rpm，反应温度为35～40℃。
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