[環(huán)保知識]膜生物反應器(MBR)培訓資料 --先進污水處理解決方案
[前言]膜生物反應器（MBR）因其出色的出水品質(zhì)，以及靈活、方便的運行模式，使得該項技術在污水深度處理中發(fā)揮著重要作用。系統(tǒng)了解膜生物反應器（MBR）技術，對工程人員使用好膜生物反應器（MBR）至關重要，期待以下內(nèi)容能讓工程人員更深度的了解膜生物反應器（MBR），同時也期待同行們更多的參與膜生物反應器（MBR）技術的分享與交流，歡迎大家一道加入微信交流群：中國環(huán)保水圈，分享與交流。加入方式：請加微信號rge2012，我將及時引大家加入中國環(huán)保圈最活躍的在線技術交流微信群。
浸沒式膜生物反應器（MBR）的最早研究可以追溯到上世紀60年代末期的美國。1969年Smith等報道采用超濾膜來替代傳統(tǒng)活性污泥工藝中的二沉池，用于處理城市污水。70年代末期，日本由于污水再生利用的需要，膜生物反應器(MBR)的研究工作有了較快的進展。自1983年到1987年日本有13家公司使用好氧膜生物反應器（MBR）處理大樓污水，處理水作為中水回用。從80年代后期到90年代初，Zenon公司繼續(xù)Dorr-Oliver公司的早期研究，以開發(fā)用于處理工業(yè)廢水的系統(tǒng)并獲得了成功。Zenon公司的商業(yè)化產(chǎn)品，ZenoGem于1982年投入使用。
我國對浸沒式膜生物反應器（MBR）的研究始于上世紀90年代初。最早開始研究的有清華大學、中科院生態(tài)環(huán)境中心、天津大學、同濟大學等。近年，由于該項技術所具有的巨大吸引力和潛在的應用前景，受到了更多研究者的青睞。
1、浸沒式膜生物反應器原理
浸沒式膜生物反應器（MBR）是膜分離技術和生物技術的有機結合。用超濾或微濾膜分離技術取代傳統(tǒng)的活性污泥法的二沉池和常規(guī)過濾單元，使水力停留時間（HRT）和泥齡（STR）完全分離。其高效的固液分離能力使出水水質(zhì)良好，懸浮物和濁度接近于零，并可截留大腸桿菌等生物性污染物，處理后出水可直接回用，出水水質(zhì)要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)污水處理工藝，是一種高效、經(jīng)濟的污水資源化技術。
2、膜分離單元特點
浸沒式膜生物反應器（MBR）中膜分離單元-濾膜的選擇基于三點：1.可有效的分離活性污泥；2.運行成本最低；3.抗污染能力強。通過對國內(nèi)外膜生物反應器技術的研究，目前國內(nèi)外使用的膜生物反應器大部分濾膜孔徑基本集中在0.05-0.4μm之間，基本介于超濾、微濾膜臨界點附近。在如上孔徑范圍基本上實現(xiàn)了對活性污泥的有效截留，同時確保其運行能耗最低。再大或者再小的空間將不太適應于膜生物反應器技術。
微濾、超濾、納濾及反滲透過濾功能見如下表：
2.1 微濾膜（MF）
截留顆粒直徑0.1 到數(shù)微米之間。微濾膜允許大分子和溶解性固體（無機鹽）等通過，但會截留懸浮物、細菌及大分子量膠體等物質(zhì)。微濾操作壓力一般在0.01～0.2MPa之間。
2.2 超濾膜（UF）
截留顆粒直徑0.002～0.1μm 之間。超濾允許小分子物質(zhì)和溶解性固體（無機鹽）等通過，同時截留下膠體、蛋白質(zhì)、微生物及大分子有機物，用于表示超濾膜孔徑大小的切割分子量一般在1,000～500,000 之間。超濾操作壓力一般在0.05～0.6MPa 之間。
2.3 膜組件型式
2.3.1 中空纖維膜原理及型式
篩分過程，浸沒式膜生物反應器（MBR）操作壓力一般在0-70kPa，混合液在靜壓差或自吸泵的作用下，透過纖維素或高分子材料制成的微孔濾膜，利用其均一孔徑，來截留水中的微粒、細菌等，使其不能通過濾膜而被去除。
2.3.2平板膜原理和形式
篩分過程，膜生物反應器（MBR）操作壓力0-35KPa，混合液在靜壓差或自吸泵的作用下，透過纖維素或高分子材料制成的微孔濾膜，利用其均一孔徑，來截留水中的微粒、細菌等，使其不能通過濾膜而被去除。
（1）平板膜元件型式
（2）平板膜組件形式
3、膜生物反應器工藝路線
3.1 中空纖維膜-膜生物反應器工藝路線
3.2 平板膜-膜生物反應器工藝路線
3.3 浸沒式MBR工藝流程
常規(guī)MBR 污水處理工藝說明：
（1）格柵
污廢水通過格柵，利用機械格柵去除大塊雜物、漂浮物等，避免對后續(xù)設備的影響。在格柵井內(nèi)安裝一套機械格柵，柵條間隙為1-2mm，由進水室、格柵渠道組成。在格柵進水室設置應急溢流管，當設備故障或其他非常原因，使進水室的污水超過最高設定水位時，污水通過應急溢流管超越排出，為檢修，在格柵前設置圓形閘閥。柵渣需定期清理，可作垃圾處理。
（2）調(diào)節(jié)池
由于來自各時的水質(zhì)、水量均不一樣，一般高峰流量為平均處理量的2～8倍，因此為使處理系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定地運行，同時調(diào)節(jié)水量和均和水質(zhì)，設計一座調(diào)節(jié)池。調(diào)節(jié)池的設計有效容積一般為平均處理量的4～12倍，為保證調(diào)節(jié)池內(nèi)不沉積污物，設置潛水攪拌器進行攪拌。設置液位自動控制裝置，水泵將根據(jù)液位自動開啟；設置潛污泵提升污水至缺氧池，配套自動耦合起吊裝置。
（3）缺氧池
污水進入缺氧池，同時進入的還有膜池的回流混合液和污泥池的污泥。缺氧池主要作用是依靠污水中的有機物為碳源，利用反硝化細菌的反硝化作用將回流至該池泥水混合物中的硝酸鹽、亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮氣，從而實現(xiàn)廢水脫氮。此外，由于在脫氮過程中也消耗了污水中的有機物，所以廢水COD同時降低。池內(nèi)設潛水攪拌器，溶解氧濃度為0.5mg/L。
（4）好氧池
污水經(jīng)缺氧池處理后，自流進入好氧池，即進入好氧處理階段。在曝氣狀態(tài)下中大量繁殖的活性污泥中微生物以及硝化菌群、磷細菌，降解或吸附水中含碳、氨氮、磷有機污染物質(zhì)，以達到凈化水質(zhì)的目的。池內(nèi)設置硅橡膠管式曝氣器，具有良好的氧轉(zhuǎn)移率�？刂迫芙庋鯘舛�2.0mg/L。
好氧池采用鼓風曝氣方式。傳統(tǒng)地埋式常用潛流曝氣方式，但運行發(fā)現(xiàn)當停止曝氣時，污泥沉淀至曝氣口附近而造成曝氣口堵塞現(xiàn)象，使曝氣機難以啟動，甚至完全不能啟動；同時，由于潛流曝氣設備埋設于地下，造成維修更換困難，給正常運行造成很大的麻煩。所以本設計采用羅茨鼓風機進行鼓風曝氣，安裝由管道組成的曝氣系統(tǒng)，不易堵塞，風機設在設備房，維修更換方便。
（5）MBR池
利用膜對生化反應池內(nèi)的含泥污水進行過濾，實現(xiàn)泥水分離。一方面，膜截留了反應池中的微生物，使池中的活性污泥濃度大增加，使降解污水的生化反應進行得更迅速更徹底；另一方面，由于膜的高過濾精度，保證了出水清澈透明，得到高質(zhì)量的產(chǎn)水。
膜池設置MBR膜組件系統(tǒng)及配套的出水、清洗、吹掃等系統(tǒng)。MBR膜區(qū)內(nèi)的吹掃（曝氣）有兩個用途，一是用于膜組件周圍的氣水振蕩，保持膜表面清潔，二是為提供生物降解所需要的氧氣。通過膜的高效截留作用，全部細菌及懸浮物均被截流在曝氣池中，可以有效截留硝化菌，使硝化反應順利進行，有效去除氨氮；同時可以截留難于降解的大分子有機物，延長其在反應器中的停留時間，使之得到最大限度的降解。剩余污泥通過膜區(qū)剩余污泥泵定期排出，可控制系統(tǒng)內(nèi)活性污泥的濃度及污泥齡。
（6）消毒/清水池
經(jīng)膜過濾的出水尚有一部分病毒不能被去除，出水再經(jīng)消毒即可達標回用。可采用紫外消毒，消毒后的水儲存在清水池內(nèi)供使用，預留取水泵位置。
MBR 系統(tǒng)實現(xiàn)從水中去除有機物（COD）、氨氮（NH3-H）、總氮（TN）和總磷（TP）。用戶可根據(jù)出水要求，組合厭氧、缺氧、好氧工藝，實現(xiàn)對出水的要求。
以下是本公司針對不同水處理要求所建議的處理工藝，如表所示
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水處理要求 |
處理工藝 |
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去除有機物（BOD） |
好氧池（膜池） |
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去除有機物（BOD）+脫氮 |
缺氧池+好氧池（膜池） |
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去除有機物（BOD）+除磷 |
化學除磷+好氧池（膜池） |
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去除有機物（BOD）+脫氮除磷 |
厭氧池+缺氧池+好氧池（膜池） |
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高濃度有機物（BOD） |
厭氧+MBR |
3.4膜池活性污泥循環(huán)方式
如果采用好氧池+膜池或脫氮池+膜池的運行方式，為了保證均衡的污泥濃度和脫氮效果，需要進行活性污泥（MLSS）循環(huán)。大致有以下三種方式：
4、 浸沒式膜生物反應器布置
4.1 中空纖維膜組件布置
4.2 平板膜組件布置圖
5、浸沒式膜生物反應器的主要特點
膜生物反應器（Membrane Bio-Reactor，MBR）是一種由膜分離單元與生物處理單元相結臺的新型水處理技術，以膜組件取代二沉池，在生物反應器中保持高活性污泥濃度減少污水處理設施占地，并通過保持低污泥負荷減少污泥量。與傳統(tǒng)的生化水處理技術相比，MBR 具有以下主要優(yōu)點：
(1) 能夠有效地進行固液分離，分離效果遠好于傳統(tǒng)的沉淀池，出水水質(zhì)良好，出水懸浮物和濁度接近于零，可直接回用，實現(xiàn)了污水資源化；
(2) 膜的高效攔截作用使微生物完全截流在反應器內(nèi)，實現(xiàn)了反應器水力停留時間（HRT)和污泥齡（SRT)的完全分離，使運行控制更加靈活穩(wěn)定；
(3) 反應器內(nèi)的微生物濃度高，耐沖擊負荷能力強；
(4) 有利于增殖緩慢的硝化細菌的截流生長和繁殖，系統(tǒng)硝化效率得以提高，具有一定的脫氮、除磷功能，優(yōu)于傳統(tǒng)的生物處理單元；
(5) 污泥齡長。膜分離使污水中的大分子難降解成分，在體積有限的生物反應器內(nèi)有足夠的停留時間，大大提高了難降解有機物的降解效率。反應器在高容積負荷、低污泥負荷、長泥齡下運行，可以實現(xiàn)基本無剩余污泥排放；
(6) 省去二次沉淀池，節(jié)省占地；
(7) 系統(tǒng)采用PLC 控制，可實現(xiàn)全自動化控制。
6、浸沒式膜生物反應器預處理
沒有預處理，對MBR是不可想象。預處理的作用：既要防止膜污染，又要保證生物體系的正常運行。處理不當：格柵過粗、絮凝不充分（PAM）等高分子之間易吸附，加強膜污染。根據(jù)原水的特點，選擇適當?shù)念A處理措施。
6.1 MBR預處理設施選擇的原則
MBR工藝保護膜的預處理設施：超細格柵（0.2-2mm）。超細格柵選擇原則： (1) 設在沉砂池之后； (2) 選用Mesh或Hole狀轉(zhuǎn)鼓格柵； (3) 平板膜1-2mm。
6.2 MBR工藝保護膜的預處理
多數(shù)膜工程商：進水油脂<50mg/L,礦物油<3mg/L
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序號 |
原水水質(zhì) |
具體措施 |
備注 |
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1 |
漂浮物 |
細格柵（＜2mm） |
細格柵容易堵塞， 宜配置高壓水沖洗 |
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2 |
酸、堿性 |
pH值調(diào)節(jié) |
自動感覺，自動調(diào)節(jié)pH值 |
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3 |
懸浮物 |
混凝沉淀 |
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4 |
油類 |
隔油或氣浮 |
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5 |
鈣、鎂、鐵、錳、硅 |
預處理 |
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6 |
可生化性差 |
水解酸化 |
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7 |
高濃度有機廢水 |
厭氧處理 |
6.3 中空纖維膜對預處理的要求
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指標 |
允許范圍 |
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進料水源 |
適用于各種水源 |
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pH值 |
1-10，對于易結垢原水需特別注意 |
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進料最大顆粒粒徑 |
≤2mm |
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進料中含油量 |
＜2mg/L,否則必須先進行除油預處理 |
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硬度（以CaCO3計） |
＜150mg/L,視pH值、結垢等確定指標 |
6.4 平板膜對預處理的要求
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指標 |
要求 |
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動植物油 |
＜0.15*BOD mg/L |
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石油類 |
＜10 mg/L |
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鈣（Ca2+） |
＜100 mg/L，如＞100 mg/L，推薦采用鹽酸作為清洗藥品 |
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氯離子（Cl-） |
＜3000 mg/L，如＞3000 mg/L，必須采用316 L以上鋼材 |
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水溫 |
5-40 ℃ |
7、MBR技術設計關鍵點
7.1 MBR構型選擇與膜組件形式
（1）污泥濃度<10g/L；
（2）膜組件排布時，需要考慮維護管理的便利性；
（3）通量：工業(yè)廢水處理時，提供一般1/2生活污水通量，但實際選擇時，需要結合具體的廢水類型和水質(zhì)特征進行具體分析。
7.2 運行費用與能耗
（1）運行費用是工程設計中需要特別考慮的。
（2）MBR的運行費用：a.水泵的性能：與膜組件和TMP有關；b.曝氣：膜曝氣，一般采用大氣泡曝氣；生物曝氣，一般采用微氣泡曝氣；
注：①小型MBR，生物曝氣和膜曝氣可以合并，采用大氣泡方式，保證對膜組件的沖刷，但能耗稍高。②中型、大型MBR，需分開設置，既保證對膜組件的沖刷作用，又可以降低能耗。③過量的膜曝氣，會造成膜壽命下降和膜組件損傷。
（3）膜的清洗：所在比例很��；
（4）膜的更換：與膜材質(zhì)、膜廠家技術水平、維護好壞等有關。
7.3 風機與曝氣管
（1）為保護膜，宜采用無油壓縮風機。
（2）由于工業(yè)廢水沖擊負荷的問題，需要足夠的溶解氧即需要有足夠的風機富余量。
曝氣管容易堵塞，需要設置清洗設備。設計管路時，應防止清洗水流入風機。鼓風機管路應高于水面，防止清洗水流入風機。
7.4 自控方式與監(jiān)測
（1）通常情況下采用PLC控制，配置必要的電/氣動閥門，自動運行。
（2）自動閥門應帶有信號反饋，以確定是否開關到位。
（3）設計監(jiān)測指標：TMP、水質(zhì)、濁度等。
7.5 臭味、噪音和濕度問題
（1）由于曝氣量較大，MBR車間的臭味、噪音和濕度都較大。
（2）臭味：根據(jù)需要，反應池頂部加蓋，做成密閉方式，用離心鼓風機將臭氣抽取到臭味去除裝置中。
（3）噪音：采用隔音罩，或者選擇低噪音風機。
（4）濕度：根據(jù)需要，增加除濕器或者加強通風。
（5）溫度：不能超過40～45度。
7.6 色度問題與去除
（1）目前的MBR均采用超濾/微濾膜，對色度的截留效果較低。
（2）原水中的色度：進行預處理，加入混凝劑或脫色劑，預先把色度降低到一個合理的范圍，然后進入MBR，通過生物降解作用繼續(xù)脫色。
（3）膜出水有時會有色度�？刹捎贸粞酢⒒钚蕴康确绞嚼^續(xù)脫色。
7.7 后期運行維護的便利性
（1）考慮膜組件清洗的便利性；
（2）考慮膜組件更換的便利性；
（3）操作人員日常維護、日常檢修等。
7.8 膜組件選型
膜元件用量計算
n（張）＝Qmax/（F·A）
其中： Qmax：日最大污水量（m3/d）；考慮下雨、洪水等情況的最大日污水量。
F： 膜通量[L/( m2·d)]；
A ：每張膜元件的有效膜面積（m2/張）。
參考值：
1.生活污水設計膜通量范圍：400～800L/(m2·d)。（中空、平板適用范圍）
2.工業(yè)廢水設計膜通量范圍：100～400L/(m2·d)。工業(yè)廢水的場合最好通過試驗確認膜通量最佳值.（中空、平板適用范圍）
7.9 設計水量
設計流量的確定是污水處理廠設計最基本的問題，是污水處理系統(tǒng)設計、工藝設備選型的基礎。
（1）傳統(tǒng)的生物處理工藝：污水處理廠規(guī)模Qd是指平均日污水量，污水處理的生物處理系統(tǒng)多數(shù)也是按照Qd設計。生物處理系統(tǒng)是利用微生物吸附、水解或氧化水中有機物的設施，具有很強的緩沖能力。
（2）MBR工藝：通常采取恒流出水模式，決定了膜通量和膜數(shù)量的選擇。污水處理廠的設計流量與運行流量要保持一致。
多數(shù)膜供應商：設定(1.2-1.3)Qd的水量沖擊負荷。
如果出現(xiàn)長時間的污水量沖擊負荷，對系統(tǒng)運行膜而言，需以更大的膜通量運行才能保證系統(tǒng)進、出水平衡，顯然這樣高通量運行勢必會造成嚴重的膜污染，影響MBR系統(tǒng)的正常運行。如發(fā)生長時間污水量的沖擊，需采取一定的措施來分流超過設計流量的峰值負荷，引向污水處理廠中其他非MBR工藝的處理系統(tǒng)或其他市政污水處理廠。
7.10 膜生物反應器系統(tǒng)設計計算書（以平板膜-膜生物反應器為案例）
7.10.1設計參數(shù)
（1）處理對象：生活污水
（2）處理規(guī)模：200m3/d
（3）進出水水質(zhì)：
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項 目 |
進水水質(zhì)（mg/L） |
出水水質(zhì)（mg/L） |
去除率（%） |
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CODcr |
350 |
≦50 |
85.7 |
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BOD5 |
200 |
≦10 |
95 |
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T-N |
50 |
≦15 |
70 |
|
SS |
180 |
≦5 |
97.2 |
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PH |
6～9 |
6～9 |
- |
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T-P |
3 |
≦0.5 |
83.3% |
（4）處理工藝：缺氧+MBR工藝
7.10.2 構筑物容積設計計算
（1）調(diào)節(jié)池
無特殊參數(shù)設定，一般按照平均小時處理量的4-12倍設計，有效停留時間4-12h。
流量調(diào)節(jié)比：
K=膜片數(shù)量（片）×膜面積（1.0或1.5m2）×0.4m3/(m2.d)÷Q m3.d=330×1.5×0.4÷200=0.99
計算式：V=(Q/T-KQ/24)T=(200/12-0.99×200/24)×12=100.92 m3
實際尺寸：8.0×5.0×4.5m 實際有效容積：100m3
(2)脫氮池
氮容積負荷定為0.2 kg-N/(m3･d)以下。
流入水含氮量
200.0 m3/d×0.035kg-N/m3＝7.0 kg/d
需要容量
7.0 kg/d÷0.2 kg-N/(m3･d)＝35.0 m3以上
實際尺寸： 5.0m×2.0m×4.5m （實際有效容積40m3）
(3) 硝化池
氮容積負荷定為0.25 kg-N/(m3･d)以下。
流入水含氮量
200.0 m3/d×0.05kg-N/m3＝10.0 kg/d
需要容量
10.0 kg/d÷0.25 kg-N/(m3･d)＝40.0 m3以上
實際尺寸：5.0m×2.0m×4.5m（實際容量40m3）
※ 以上尺寸應該為考慮到了膜組件的設置面積后的容量。
(4) 消毒池
日平均汚水量的15分鐘量以上
0.14 m3/min×15 min＝2.1 m3以上
實際尺寸： 1.0m×1.5m×4.5m（實際有效容積6 m3）
(5) 排放池
日平均汚水量的15分鐘量以上
0.14 m3/min×15 min＝2.1 m3以上
實際尺寸： 1.0m×1.5m×4.5m（實際有效容積6m3）
(6) 殘渣･汚泥儲存池
剩余汚泥量：（汚泥濃度設為2.0％，BOD的汚泥轉(zhuǎn)換率設為45％）
200.0 m3/d×0.2kg-BOD/m3×0.45＝18.0 kg/d
18.0 kg/d÷20kg/m3＝0.9m3/d
殘渣量：（殘渣濃度50 000 mg/L，每流入1kg BOD為0.05kg）
200.0 m3/d×0.2kg-BOD/m3×0.05kg/kg＝2.0 kg/d
2.0 kg/d÷50kg/m3＝0.04m3/d
存貯量設為14天的量。（0.9 m3/d＋0.04 m3/d）×14d＝13.2 m3以上
實際尺寸：3.0m×1.5m×4.5m（實際有效容積：18.0m3）
