李 冬,王 朗,陳冠宇,梁瑜海,張 杰,2(.北京工業(yè)大學(xué),水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 0024;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué),城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 50090)
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兩級CSTR亞硝化啟動(dòng)及穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)研究
李 冬1*,王 朗1,陳冠宇1,梁瑜海1,張 杰1,2(1.北京工業(yè)大學(xué),水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué),城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150090)
摘要:采用兩級CSTR反應(yīng)器對實(shí)際生活污水亞硝化的啟動(dòng)過程及穩(wěn)定運(yùn)行主要影響因素進(jìn)行了研究.通過向生活污水里投加(NH4)2SO4來提高進(jìn)水氨氮濃度,并逐漸調(diào)整兩級反應(yīng)器的曝氣強(qiáng)度至DO濃度分別為(1.5±0.12),(0.35±0.1)mg/L,歷經(jīng)45d即實(shí)現(xiàn)了亞硝化的啟動(dòng),亞硝化率保持在90.3%以上,氨氧化率保持在91.2%以上.低氨氮生活污水運(yùn)行時(shí),通過第一級反應(yīng)器中三組DO/ALR的效果對比,表明DO/ALR在1.2~2.0mgO2/(gN·d)時(shí)亞硝化效果最好.降低氨氮濃度以及增大HRT兩種情況下導(dǎo)致ALR改變時(shí),維持上述DO/ALR范圍依然可以保證亞硝化的穩(wěn)定.
關(guān)鍵詞:實(shí)際生活污水;亞硝化;DO/ALR;CSTR
* 責(zé)任作者, 教授, lidong2006@bjut.edu.cn
相比于傳統(tǒng)脫氮工藝,厭氧氨氧化工藝(Anammox)節(jié)省曝氣能耗、無需外加有機(jī)碳源,被認(rèn)為是污水處理領(lǐng)域最經(jīng)濟(jì)、最可持續(xù)的處理工藝之一[1-3].亞硝化做為厭氧氨氧化的前置工藝,近年來國內(nèi)外研究者在序批式反應(yīng)器(SBR)[4-7]或連續(xù)流反應(yīng)器中對污泥消化上清液、垃圾滲濾液等高氨氮廢水中研究較廣泛[8-12],而在連續(xù)流低氨氮廢水中還鮮有研究.MA等[13]在前置反硝化反應(yīng)器中將溶解氧濃度(DO)控制在0.3~0.7mg/L,以生活污水啟動(dòng)兩個(gè)月以上才實(shí)現(xiàn)了NO2--N的積累[13];仲航等[14]在低DO條件下嘗試以低氨氮配水及A/O除磷工藝的出水啟動(dòng)單級連續(xù)流全混合式反應(yīng)(CSTR),在短期內(nèi)未啟動(dòng)成功,低氨氮連續(xù)流轉(zhuǎn)為高氨氮SBR啟動(dòng)成功后,再轉(zhuǎn)入連續(xù)流低DO條件下運(yùn)行,運(yùn)行一段時(shí)間會(huì)出現(xiàn)亞硝化效果惡化的現(xiàn)象.上述研究由于氨氮濃度較低,游離氨濃度(FA)也較低,無法抑制NOB實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽氮的快速積累,導(dǎo)致啟動(dòng)失敗或時(shí)間較長.而穩(wěn)定運(yùn)行階段長時(shí)間低DO條件可能會(huì)導(dǎo)致NOB產(chǎn)生適應(yīng),破壞亞硝化的穩(wěn)定性.故本研究采用兩級CSTR反應(yīng)器并向生活污水中投加氨氮做為進(jìn)水,嘗試?yán)脙杉塂O梯度及高氨氮進(jìn)水下FA抑制來啟動(dòng)亞硝化,低氨氮運(yùn)行時(shí)引入進(jìn)水氨氮濃度(ALR),將DO/ALR做為控制因素,并對不同DO/ALR運(yùn)行效果進(jìn)行對比,尋求亞硝化穩(wěn)定運(yùn)行的最佳工況條件.
1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與操作條件
實(shí)驗(yàn)裝置由兩個(gè)恒流攪拌反應(yīng)器(CSTR) 和二沉池組成,如圖1,兩個(gè)反應(yīng)器有效容積都為15L,底部設(shè)置曝氣環(huán),通過可調(diào)式氣泵為反應(yīng)過程提供溶解氧,由轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制氣量,反應(yīng)器內(nèi)通過便攜式WTW測定儀分別測定反應(yīng)器中的pH、DO及溫度并設(shè)置攪拌器,提供泥水混合動(dòng)力.
圖1 反應(yīng)器裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental equipment 1.進(jìn)水泵;2.取水口;3.CSTR反應(yīng)器;4.攪拌器;5.曝氣孔;6.豎流二沉池;7.溢流口;8.回流泵;9.出水口;10.排泥口
采用兩級CSTR反應(yīng)器啟動(dòng)亞硝化,擬通過控制兩級DO濃度的變化來將硝化反應(yīng)控制在亞硝態(tài)氮階段; HRT (水力停留時(shí)間)控制在6h左右,兩級分別為3h;SRT(污泥停留時(shí)間)控制在15d左右;回流比R為60%~120%;試驗(yàn)階段不定期投加一定堿度來確保亞硝化所需pH值和無機(jī)碳源的充足.
1.2 接種污泥和實(shí)驗(yàn)用水
接種污泥取自北京高碑店污水處理A2/O工藝回流污泥,接種后反應(yīng)器污泥濃度為5000mg/L.試驗(yàn)用水為北京工業(yè)大學(xué)西校區(qū)小區(qū)化糞池的生活污水,NH4+–N:S1~S3 階段向生活污水里投加(NH4)2SO4至NH4+–N濃度為233.1~ 275.29mg/L;S4~S6及S8階段為實(shí)際生活污水, NH4+–N濃度為52.29~80.60mg/L;S7階段將生活污水稀釋一倍左右,NH4+–N濃度為31.27~ 42.25mg/L,COD:121.2~335.5mg/L,NO2-–N:0.05~ 0.51mg/L,NO3-–N:0.01~3.36mg/L,堿度:275~ 400mg/L,pH值:7.0~8.0,溫度為室溫,不控制.
1.3 分析方法
定期檢測反應(yīng)器內(nèi)混合液的MLSS、SV30及進(jìn)出水NH4+–N、NO2-–N、NO3-–N 的濃度等參數(shù),通過WTW便攜式測定儀監(jiān)定DO、pH 和水溫等.水樣分析中NH4+–N測定采用納氏試劑光度法,NO2-–N采用N-(1-萘基)乙二胺光度法,NO3-–N采用紫外分光光度法,COD采用快速測定儀,其余水質(zhì)指標(biāo)的分析方法均采用國標(biāo)方法.
本實(shí)驗(yàn)中亞硝化率、氨氧化率按下式計(jì)算:
式中:ρ(NH4+–Nin)為進(jìn)水氨氮濃度;ρ(NH4+–N)為進(jìn)出水氨氮的濃度差;ρ(NO2-–N)為進(jìn)出水亞硝酸鹽氮的濃度差;ρ(NO3-–N)為進(jìn)出水硝酸鹽氮的濃度差;ρ(NH4+–Ninner)為反應(yīng)器中氨氮濃度;T為水溫.
2.1 CSTR亞硝化的啟動(dòng)
啟動(dòng)期在實(shí)際生活污水投加(NH4)2SO4后進(jìn)水氨氮濃度見圖2,DO具體控制見表1,此條件下運(yùn)行55d,分為3個(gè)階段,每階段分別為12, 17,26d.
試驗(yàn)S1階段(1~12d),初始氨氧化率為37.2%,亞硝化率僅為10.8%,由于接種污泥為A2O回流污泥,反應(yīng)器內(nèi)含反硝化細(xì)菌、聚磷菌等雜菌較多;另外以實(shí)際生活污水為進(jìn)水也會(huì)帶入反應(yīng)器一部分雜菌,以上兩種情況對硝化細(xì)菌增殖都有一定限制,為了加快硝化細(xì)菌的增殖速度,逐漸增大兩級的曝氣量至一級DO濃度為1.5~2.5mg/L,二級DO濃度為1.6~2.25mg/L,如圖2所示,隨著DO濃度的提高,兩級出水氨氮濃度都迅速降低,氨氧化率也隨之提高,至第12d已經(jīng)達(dá)到90.2%;如圖3所示,兩級出水NO2--N、NO3--N濃度都在升高,但明顯NO3--N濃度增長速率比NO2--N濃度增長速率快, NO3--N最大積累量為132.3mg/L, NO2--N最大僅為50.81mg/L,前12d大多數(shù)時(shí)候出水NO2--N濃度比一級出水NO2--N濃度低,也就是說第二級反應(yīng)器中不僅沒有NO2--N積累,還將第一級中積累的NO2--N進(jìn)一步氧化成NO3--N.同時(shí)亞硝化率增加緩慢,12d時(shí)僅為27.8%.分析原因可能是由于進(jìn)水含有COD及高氨氮基質(zhì)濃度,此時(shí)異養(yǎng)菌、AOB開始增殖,氨氧化率逐漸升高,而兩級DO濃度都較高,無法抑制NOB的增殖,表現(xiàn)為生成的NO2--N大多被NOB氧化成NO3--N,亞硝化率增長緩慢.
表1 各階段反應(yīng)器兩級DO變化情況Table 1 The variation of two reactors of DO in each stage
S2階段(13~29d)逐漸降低兩級曝氣量至一級DO濃度1.5~1.8mg/L,二級DO濃度0.9~1.1mg/L,如圖2所示,氨氧化率逐漸下降,至第15d時(shí)下降到66.6%,而后又開始緩慢升高,至29d時(shí)達(dá)到92.6%.分析原因可能是由于降低DO濃度使硝化細(xì)菌初期不適應(yīng)而增殖受限,但后期微生物逐步適應(yīng)低氧環(huán)境后,低DO能加快AOB的增殖速率,補(bǔ)償?shù)虳O變化所造成的微生物代謝活性下降[15-16].如圖3所示,出水NO2--N總體保持著緩慢波動(dòng)上升的趨勢,但本階段后期(22~29d)也出現(xiàn)了出水NO2--N濃度比一級出水NO2--N濃度低的現(xiàn)象;而NO3--N出水初期下降明顯,后期一級NO3--N出水穩(wěn)定在21.2~53.8mg/L,平均為36.1mg/L,而出水NO3--N逐漸升高,最大為112.2mg/L;亞硝化率初期迅速升高后保持平穩(wěn)波動(dòng),后期有下降趨勢,平均為57.9%,較前一階段有明顯提高.分析原因可能是在第一級反應(yīng)器中由于COD較高,異養(yǎng)菌基質(zhì)充足,會(huì)優(yōu)先利用溶解氧而快速增殖,AOB與NOB爭奪剩余溶解氧來維持自養(yǎng)菌的增殖,DO不足的條件下由于“飽食饑餓”原理AOB更具有競爭優(yōu)勢,NOB受到一定抑制,此外,高氨氮進(jìn)水使一級反應(yīng)器中FA濃度平均為1.53mg/L,介于NOB與AOB的抑制濃度范圍之間[17],對NOB也產(chǎn)生抑制;而水流入二級反應(yīng)器時(shí),易降解的COD被消耗殆盡,異養(yǎng)菌缺少基質(zhì)受到抑制,此時(shí)DO充足而二級反應(yīng)器中氨氮濃度進(jìn)一步降低,因此FA較低,無法抑制NOB增殖.
圖2 進(jìn)、出氨氮濃度及氨氧化率變化規(guī)律Fig.2 Variation of ammonia concentration and ammonia oxidation rate in influent and effluent
圖3 進(jìn)、出水亞、硝態(tài)氮濃度及亞硝化率變化Fig.3 Variation of nitrite and nitrate concentration and nitrite accumulation rate in influent and effluent
因此在S3階段(30~55d)一級反應(yīng)器曝氣量基本不變,DO為1.4~1.62mg/L,降低二級反應(yīng)器曝氣量至DO為0.25~0.45mg/L.如圖2所示,出水氨氮在初期上升,而后逐漸下降,氨氧化率也隨之緩慢上升,至44d時(shí)達(dá)到95.7%,而后一直維持在91%以上,平均為94.5%.如圖3所示,二級反應(yīng)器中NO2--N積累量開始升高,出水NO2--N也快速升高,出水NO3--N隨之降低,亞硝化率緩緩升高至41d時(shí)達(dá)到90.2%.說明此時(shí)第二級反應(yīng)器中由于DO下降使NOB產(chǎn)生抑制.從45d開始,亞硝化率,氨氧化率均保持在90%以上,亞硝化啟動(dòng)成功.
2.2 不同DO/ALR對亞硝化的影響
反應(yīng)器在啟動(dòng)成功后,從56d開始轉(zhuǎn)為不投加(NH4)2SO4的生活污水運(yùn)行,在連續(xù)流系統(tǒng)中低氨氮條件下,僅利用一個(gè)影響因素DO來維持亞硝化的穩(wěn)定比較困難,而進(jìn)水氨氮負(fù)荷(ALR)是一個(gè)包含氨氮濃度和進(jìn)水流量的參數(shù),可以有效反映反應(yīng)器的進(jìn)水氨氮情況;另外根據(jù)Bernet 等[18]和Peng等[19]的研究,發(fā)現(xiàn)適宜的DO/ALR的比值對于能否控制亞硝化的穩(wěn)定十分重要,相比于DO/NH4+–N能更為全面的調(diào)控整個(gè)亞硝化反應(yīng)器的運(yùn)行狀況.由此本實(shí)驗(yàn)引入DO/ALR作為控制亞硝化的關(guān)鍵影響因素.
根據(jù)啟動(dòng)期的經(jīng)驗(yàn),由于進(jìn)水氨氮濃度的降低,將第二級反應(yīng)器中DO濃度始終控制在0.2mg/L以下,來試圖通過調(diào)整第一級中DO/ ALR的比例變化來確定整個(gè)反應(yīng)過程中亞硝化的實(shí)現(xiàn)與穩(wěn)定最適合的DO/ALR.此過程分為三個(gè)階段S4、S5、S6,分別為14d、11d、20d.三個(gè)階段的進(jìn)水水質(zhì)情況如圖4所示,此過程中SRT依然保持在15d左右,兩級HRT保持不變,各為3h,進(jìn)水流量也不變,而ALR在此條件下僅與進(jìn)水氨氮濃度有關(guān),0.52±0.11gN/(L·d),此時(shí)一級反應(yīng)器中的DO/ALR隨DO的變化而變化,三個(gè)階段具體DO變化見表1.
試驗(yàn)S4階段(56~69d), DO范圍0.34~ 0.45mg/L,DO/ALR大致為0.5~0.9mgO2/gN·d,如圖4、圖5所示,此階段平均出水氨氮濃度10.61mg/L,氨氧化率有下降趨勢,69d降至最低67.1%,平均出水亞、硝態(tài)氮濃度分別為38.79、9.76mg/L,亞硝化率保持在73.8%以上.說明此DO/ALR范圍下由于DO不足導(dǎo)致硝化細(xì)菌活性下降,從而出水氨氮升高,氨氧化率下降.S5階段(70~80d)提高曝氣至1.32~1.65mg/L,對應(yīng)DO/ALR范圍2.5~3.7mgO2/ gN·d,此時(shí)平均出水氨氮濃度降低2.99mg/L,氨氧化率明顯升高,最高接近100%,本階段開始一周內(nèi)出水NO2--N濃度和亞硝化率也逐漸升高,但77d開始出水亞硝態(tài)氮呈減低趨勢,從52.3mg/L降低至35.1mg/L,亞硝化率也由91.5%降至69.7%,分析原因可能為硝化細(xì)菌在前一階段因低氧環(huán)境所造成的微生物代謝活性下降,增殖速度降低在本階段得到改善,充足的DO解除了硝化細(xì)菌的生長限制,而NOB在此環(huán)境下慢慢恢復(fù)了一定活性,表現(xiàn)為出水硝態(tài)氮最高為15.9mg/L.S6階段降低曝氣至0.68~ 0.8mg/L,DO/ALR范圍1.2~ 2.0mgO2/gN·d,此階段平均出水氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮濃度為4.16、45.51、6.86mg/L,較開始階段效果有一定提高.經(jīng)歷20d的運(yùn)行,氨氧化率(除前兩天低于90%外)維持在90%以上,平均為93.52%,亞硝化率也基本維持在85%以上,平均為89.3%.
圖4 進(jìn)、出水氮素變化情況Fig.4 Variation of nitrogen concentration in influent and effluent
圖5可以看出本過程三個(gè)階段下反應(yīng)器的運(yùn)行情況,在S6階段DO/ALR 1.2~2.0mgO2/gN·d范圍內(nèi),亞硝化率與氨氧化率都維持在較高水平,反應(yīng)器運(yùn)行效果良好,說明在低氨氮下適宜的DO濃度應(yīng)該與給定的ALR相匹配,二者的比值DO/ALR想較與單一控制DO濃度,更有利于控制反應(yīng)器的運(yùn)行.
圖5 不同DO/ALR對亞硝化的影響Fig.5 Effect of variation of DO/ALR on partial nitrification
2.3 變化ALR下保持恒定DO/ALR的效果
然而上述三個(gè)階段由于進(jìn)水氨氮濃度變化不大,故ALR值基本穩(wěn)定在(0.52±0.11)gN/(L·d),嚴(yán)格來說DO/ALR值主要是依賴于DO的變化而變化.但在實(shí)際運(yùn)行過程中進(jìn)水氨氮濃度、HRT改變等因素都可能導(dǎo)致ALR變化,不能總是保持在一定的范圍,上述給出的DO/ALR范圍能否在ALR變化的進(jìn)水水質(zhì)下依然有效將在S7、S8階段進(jìn)行研究.
S7階段(101~115d)保持HRT為6h不變,將進(jìn)水稀釋后作為反應(yīng)器進(jìn)水,進(jìn)水氨氮濃度如圖6,此時(shí)進(jìn)水ALR范圍變?yōu)?0.29±0.05)gN/(L·d), DO控制見表1,根據(jù)每天不同的ALR適時(shí)調(diào)節(jié)對應(yīng)的DO濃度,使其DO/ALR范圍保持在1.2~ 2mgO2/(gN·d)運(yùn)行15d,如圖6所示,平均進(jìn)水氨氮為36.95mg/L,平均出水氨氮濃度為2.24mg/L,氨氧化率保持在89.7%以上,平均為93.99%,亞硝化率保持在88.3%以上,平均為93.5%.反應(yīng)器運(yùn)行效果良好,由此可知在進(jìn)水氨氮濃度大幅度降低進(jìn)而導(dǎo)致ALR變化的情況下,保持DO/ALR 在1.2~2mgO2/(gN·d)內(nèi)仍可以保持反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行.
圖6 恒定DO/ALR下亞硝化變化規(guī)律Fig.6 the variation of the nitrite under constant DO/ALR
上述S1~S7階段反應(yīng)器均在HRT穩(wěn)定在6h情況下運(yùn)行,故S8階段(116~130d)調(diào)整反應(yīng)器HRT為7h,兩級分別為3.5h,進(jìn)水水質(zhì)與S4~S6階段保持一致,此時(shí)ALR范圍變?yōu)?0.49±0.06)gN/ (L?d),DO控制如表1所示,同樣根據(jù)每天不同的ALR適時(shí)調(diào)節(jié)曝氣量使DO/ALR在1.2~2mgO2/ (gN·d),也運(yùn)行15d.如圖5,平均進(jìn)、出水氨氮濃度分別為71.89,1.73mg/L,氨氧化率保持在93.6%以上,平均為97.55%,亞硝化率保持在89.6%以上,平均為92.54%,因此在改變反應(yīng)器水力停留時(shí)間而導(dǎo)致ALR變化的情況下,保持DO/ALR在相應(yīng)的范圍同樣可以保持反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行.另外在整個(gè)低氨氮運(yùn)行過程中,CDD去除情況和啟動(dòng)階段相似,在第一級反應(yīng)器中COD平均去除率80%左右,易降解的COD基本去除完全.
2.4 整個(gè)運(yùn)行過程中COD的變化情況
反應(yīng)器運(yùn)行130d內(nèi),S1~S8階段的進(jìn)水COD、一級出水COD及出水COD情況如圖7所示,除啟動(dòng)階段的前12d外,剩余118d的COD去除情況良好,出水COD基本在50mg/L左右波動(dòng),易降解COD被去除完全;另外由圖可知在一級出水階段就已經(jīng)去除絕大部分COD,異養(yǎng)菌在高DO情況下迅速氧化易降解COD,而后由AOB氧化氨氮,這與Peng的研究結(jié)果相符[19].由此可知,在兩級CSTR亞硝化反應(yīng)器中,COD可以有效去除,出水COD穩(wěn)定在50mg/L左右.
圖7 進(jìn)、出水COD變化情況Fig.7 Variation of COD concentration in influent and effluent
3.1 在兩級CSTR反應(yīng)器中,逐漸調(diào)整兩級反應(yīng)器DO濃度至(1.5±0.12),(0.35±0.1)mg/L時(shí),通過兩級DO濃度梯度及高氨氮進(jìn)水時(shí)第一級反應(yīng)器中的游離氨抑制,45d即可實(shí)現(xiàn)亞硝化的啟動(dòng).
3.2 低氨氮生活污水運(yùn)行階段,一級反應(yīng)器中DO/ALR值可做為控制參數(shù),當(dāng)其控制在1.2~ 2.0mgO2/(gN·d),二級DO保持在0.2mg/L以下時(shí)可獲得良好的亞硝化效果.
3.3 降低進(jìn)水氨氮濃度及增大HRT兩種情況下導(dǎo)致ALR變化時(shí),實(shí)時(shí)調(diào)整曝氣強(qiáng)度來保持相應(yīng)的DO/ALR在1.2~2.0mgO2/(gN·d),依然可以維持亞硝化的穩(wěn)定.
3.4 在實(shí)際生活污水運(yùn)行中兩級,CSTR反應(yīng)器可以穩(wěn)定去除進(jìn)水中易降解COD,出水COD可以降低至50mg/L左右.
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Start-up and stable operation of partial nitrification in a configuration of two CSTR.
LI Dong1*, WANG Lang1, CHEN Guan-yu1, LIANG Yu-hai1, ZHANG Jie1,2(1.Key Laboratory of Beijing Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University ofTechnology, Beijing 100124, China;2.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China). China Environmental Science, 2016,36(2):437~442
Abstract:The start-up and main factor of stable operation of partial nitrification in a configuration of two CSTR using domestic wastewater were studied. By adding (NH4)2SO4to the domestic wastewater to improve the ammonia nitrogen concentration, and gradually controlling the two reactor DO to 1.5±0.12, 0.35±0.1mg/L, more than 90.3% nitrite accumulation rate and 91.2% removal ammonia rate could be achieved after 45d. Under low ammonia domestic wastewater, through the comparison of the three groups of DO/ALR in the first reator, it showed that the effect of DO/ALR in 1.2~2.0mg O2/g N·d was the best. To decrease the concentration of ammonia nitrogen and increase the ratio of HRT to ALR, the maintenance of the DO/ALR ratio can also ensure the stability of the partial nitrification.
Key words:domestic wastewater;partial nitrification;DO/ALR;CSTR
作者簡介:李 冬(1976-),女,遼寧丹東人,教授,博士,主要從事污水處理與回用新技術(shù)研究.發(fā)表論文100余篇.
基金項(xiàng)目:國家重大科技專項(xiàng)-水專項(xiàng)(2012ZX07202-005)
收稿日期:2015-07-01
中圖分類號:X703.5
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
文章編號:1000-6923(2016)02-0437-06