王雅寧,吳昌永,周岳溪*,劉恒明,朱 晨,3,陳 騰(.大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院,遼寧 大連603；.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院水污染控制技術(shù)研究中心,北京 000；3.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,甘肅蘭州 730070；.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 7006)

PAC和 PAFC對(duì)內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器處理石化二級(jí)出水的影響

王雅寧1,2,吳昌永2,周岳溪2*,劉恒明1,朱 晨2,3,陳 騰4(1.大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院,遼寧 大連116023；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院水污染控制技術(shù)研究中心,北京 100012；3.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,甘肅蘭州 730070；4.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710064)

.采用PAC(聚合氯化鋁)和PAFC(聚合氯化鋁鐵)作為絮凝劑,探討不同絮凝劑及其投量對(duì)于內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器處理效果和濾料板結(jié)潛在趨勢(shì)的影響.結(jié)果表明,PAC和PAFC投量由5mg/L升至30mg/L時(shí),COD和SS的去除率隨著投加量的增大均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì).10mg/L為試驗(yàn)水質(zhì)下的最佳投量,在該投量下,PAC對(duì)SS和COD去除率為分別為49.7%和12.9%;PAFC對(duì)SS和COD去除率分別為50.6%和13.8%.內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器主要去除的是相對(duì)分子量在3k以上的溶解性有機(jī)物,但對(duì)相對(duì)分子量1k以下的溶解性有機(jī)物去除效果不好,總DOC去除率低于5%,需進(jìn)一步深度處理以滿足最新的排放標(biāo)準(zhǔn).PAFC混合液比PAC混合液黏度低,有利于緩解濾料板結(jié).總體來(lái)看,更適合于石化二級(jí)出水的混凝劑為PAFC,最佳投量為10-15mg/L,可保障對(duì)SS高效去除同時(shí)并使內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器運(yùn)行更加穩(wěn)定.關(guān)鍵詞：內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾；PAC；PAFC；溶解性有機(jī)物；黏度

內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器是集混凝、澄清、過(guò)濾等功能為一體的連續(xù)自動(dòng)清洗過(guò)濾裝置[1].該工藝是在過(guò)濾器前投加絮凝劑,在管道內(nèi)充分混合絮凝,形成粒徑相似的微絮體,在反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)完成反應(yīng)沉淀、截留和反洗的過(guò)程,省去傳統(tǒng)工藝所需要的反應(yīng)池、沉淀池以及反洗系統(tǒng),且易操作管理[2-3].與傳統(tǒng)工藝比較,該工藝可節(jié)省投資30%,減少構(gòu)筑物體積 80%,節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用 20%～50%,是一種高效經(jīng)濟(jì)的污水處理工藝[4-6].內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾工藝通常應(yīng)用于污水深度處理前的預(yù)處理,主要用于去除SS和部分COD,同時(shí)對(duì)TP有較好的去除效果[7-8].

石化行業(yè)是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)之一,也是耗水量較大的行業(yè)之一.2015年4月16日環(huán)境保護(hù)部頒布了《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 31571-2015)[10],該標(biāo)準(zhǔn)將石化工業(yè)園區(qū)污水處理廠直排水的COD限值由原來(lái)執(zhí)行的《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的100mg/L提高至60mg/L[9],在一些需要特別保護(hù)的地區(qū),COD的排放限值為50mg/L[10].目前以生化法為主的石化綜合污水廠排水均無(wú)法滿足新標(biāo)準(zhǔn)的要求,亟需相應(yīng)的深度處理提標(biāo)改造技術(shù),提高出水水質(zhì).

內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾可用于石化廢水深度處理的預(yù)處理,但該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些問(wèn)題.在內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器實(shí)際運(yùn)行中,清洗效果不好時(shí),會(huì)出現(xiàn)濾料板結(jié)及洗砂提砂管堵塞的現(xiàn)象[6].板結(jié)后,通常解決的辦法為調(diào)節(jié)氣水比,增加提砂管中的氣沖強(qiáng)度或?qū)V料掏出重新裝入濾池.但這些方法都不能從根本上解決濾料易板結(jié)以及洗砂提砂管易堵塞的現(xiàn)象.絮凝劑投加到反應(yīng)器后,其形成的絮體的特征關(guān)系到濾料截留的效率,與內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器的運(yùn)行效果有著密切的關(guān)系,是影響該裝置處理效果的關(guān)鍵因素之一[11]. PAC(聚合氯化鋁)是微絮凝砂濾工藝中最常用的絮凝劑之一,其應(yīng)用范圍廣泛,易快速形成大的礬花,沉淀性好[12].PAFC(聚合氯化鋁鐵)集合了鋁鹽和鐵鹽絮凝劑的優(yōu)點(diǎn),可以使藥效更好地發(fā)揮

[13].內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾技術(shù)在國(guó)外已有 30多年歷史,但在國(guó)內(nèi)引進(jìn)和應(yīng)用時(shí)間較短[14].目前內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾技術(shù)的研究主要集中在濾料尺寸、濾床高度、濾速調(diào)節(jié)以及氣水比等運(yùn)行參數(shù)對(duì)不同廢水的處理效果方面,不同藥劑污染物去除效果、去除特性以及對(duì)濾料板結(jié)的潛在影響方面缺少相應(yīng)的研究[15].

本研究采用PAC和PAFC兩種常見(jiàn)混凝劑,研究了它們對(duì)內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器處理石化二級(jí)出水的影響及其差異性,同時(shí)分析了其對(duì)濾料板結(jié)的潛在影響,使得內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器能夠更穩(wěn)定的運(yùn)行,為該工藝在石化二級(jí)出水深度處理預(yù)處理方面提供技術(shù)支撐并且可以為后續(xù)深度處理的工藝選擇提供相應(yīng)的參考依據(jù).

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置及其運(yùn)行

試驗(yàn)裝置為中試規(guī)模的內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器,處理能力為1.5m3/h.設(shè)備總高2280mm、罐體直徑為600mm,砂層高0.75～0.8m,根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果[16],固定氣水比為3:1.圖1是裝置運(yùn)行示意圖,石化二級(jí)出水由離心泵打入過(guò)濾器,流量通過(guò)流量計(jì)控制,絮凝劑由蠕動(dòng)泵投加.石化二級(jí)出水與絮凝劑在管道混合器中混合,根據(jù)文獻(xiàn)研究結(jié)果,控制混合反應(yīng)停留時(shí)間為 10s[17],進(jìn)入砂濾器進(jìn)行過(guò)濾.空壓機(jī)將空氣鼓入提砂管底部,帶動(dòng)管內(nèi)的水和砂粒上升用于反洗.

圖1 內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the experiment

運(yùn)行過(guò)程中投加PAC和PAFC(購(gòu)于沈陽(yáng)市華東制藥廠),其中PAC中Al2O3含量約30%,堿化度70%～90%;PAFC中Al2O3含量約29%,Fe2O3含量3%～5%,堿化度70%～95%.兩種藥劑投量分別為 5,10,15,20,25,30mg/L(以總質(zhì)量計(jì)),每種藥劑投量運(yùn)行 10d,交替進(jìn)行,即第 1～10d投加5mg/L的 PAC,階段試驗(yàn)結(jié)束清洗過(guò)濾器,第11～20d投加5mg/L的PAFC,其他投量依次進(jìn)行.每種運(yùn)行狀態(tài)每天取進(jìn)出水用于水質(zhì)分析.根據(jù)需要從管道混合器出口處取樣用于混合絮體粒徑和混合液黏度分析.

1.2 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水為北方某石化污水處理廠二級(jí)出水,試驗(yàn)期間進(jìn)水水質(zhì)為:COD 79.7～ 98.5mg/L、TP 0.17～0.98mg/L、SS 24.8～42.2mg/ L、pH 6.8～7.6.

1.3 測(cè)試指標(biāo)及方法

對(duì)內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器進(jìn)出水進(jìn)行測(cè)定,主要測(cè)定指標(biāo)有SS、COD、DOC、有機(jī)物分子量分布.其中SS和COD參照國(guó)標(biāo)方法測(cè)定[18].DOC測(cè)定前水樣需經(jīng) 0.45μm濾膜過(guò)濾后測(cè)定,采用日本島津 TOC-VCPH總有機(jī)碳分析儀進(jìn)行.廢水中有機(jī)物的分子量分布采用超濾分級(jí)方法進(jìn)行,將所取的水樣經(jīng)過(guò) 0.45μm的濾膜過(guò)濾,根據(jù)設(shè)定梯度,使用截留分子量分別為 100k、30k、10k、5k、3k、1k的超濾膜,采用 Millipore 公司的Models 8400的超濾杯過(guò)濾,其內(nèi)置磁力攪拌器,所需的加壓氣體采用高純氮?dú)鈁19].分級(jí)完成后,測(cè)定各分級(jí)溶液的DOC.

從管道混合器出水口取混合液測(cè)定其絮體粒徑和混合液粘度.絮體粒徑采用馬爾文粒度分析儀(Malvern Mastersizer 2000)測(cè)定,采用體積平均粒徑計(jì)算,以 d(0.5)數(shù)值衡量平均粒徑.混合液粘度采用黏度儀(NDJ-9S旋轉(zhuǎn)黏度計(jì),上海平軒科學(xué)儀器有限公司)測(cè)定.

2 結(jié)果與討論

2.1 SS去除

由圖2可以看出, PAC和PAFC投加量為10mg/L時(shí),SS去除率最高,分別為49.7%和50.6%,投加PAFC時(shí)去除率稍高.PAC和PAFC的投加量由5mg/L升至30mg/L時(shí),SS的去除率隨著兩種絮凝劑投加量的增加均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì).這主要由于絮凝劑投量過(guò)少時(shí),其電中和、吸附架橋、網(wǎng)捕卷掃絮凝等作用較弱,形成的絮體細(xì)小,不宜沉降截留而容易穿透砂濾層,SS去除效果差;而絮凝劑投量過(guò)大時(shí),又會(huì)造成膠體再穩(wěn),絮體顆粒重新分布,處理效果也會(huì)變差[20].

圖2 不同藥劑投量下SS去除率特性(A-PAC;B-PAFC)Fig.2 SS removal characteristics dosing with different coagulants (A-PAC; B-PAFC)

由圖3可以看出,與SS去除率相似,混合液的平均粒徑均隨投量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì).從粒徑測(cè)定結(jié)果來(lái)看,PAC形成的絮體更大,投量為15mg/L時(shí)平均粒徑可達(dá)200μm左右.有研究表明,PAC中的Al3+被Fe3+部分取代生成更高分子量的 PAFC,鍵合了更多的羥基,這些羥基與周圍膠體粒子和其他分子形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),網(wǎng)捕卷帶成絮狀物而下沉,形成的絮體更加密實(shí)[21],因而投加PAFC時(shí)形成的絮體粒徑較小.但由于其網(wǎng)捕卷帶作用較強(qiáng),形成的絮體不易破碎,因而對(duì)SS的去除效率也稍高.

從裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)可以看出,在PAC或PAFC投量為5或10mg/L時(shí),內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器對(duì)石化二級(jí)出水中SS有較好的去除效果,出水SS低于20mg/L,顯著優(yōu)于GB 31571-2015[10]要求,更重要的是,內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器可為后續(xù)的深度處理工藝提供較為穩(wěn)定的進(jìn)水.

圖3 不同藥劑投量下微絮凝反應(yīng)后平均粒徑Fig.3 The average particle size of the flocs feeding with PAC and PAFC

2.2 有機(jī)物去除

2.2.1 COD和DOC 從圖4中可以看出,在試驗(yàn)期間,PAC和PAFC的投加量由5mg/L升至30mg/L時(shí),COD的去除隨兩種絮凝劑投加量的增加均呈現(xiàn)先增加后小幅度降低的趨勢(shì),這與SS去除變化特性是一致的,內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾去除的是膠體 COD[22],與絮凝和再穩(wěn)現(xiàn)象變化規(guī)律一致.這與劉志剛[8]等的研究相同,內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾是通過(guò)投加絮凝劑吸附污水中的有機(jī)物形成絮體從而被濾料截留,所以該工藝主要去除的是膠體COD而對(duì)溶解性COD去除效果不好[4].這與DOC的測(cè)定結(jié)果是一致的,在PAC和PAFC的投加量為10mg/L時(shí),DOC的去除率分別為2.1%和4.7%.這主要是由于DOC測(cè)定前需先經(jīng)0.45μm濾膜過(guò)濾,測(cè)定的是溶解性有機(jī)物(DOM).而內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器是通過(guò)物理截流作用去除水中懸浮物和有機(jī)膠體,對(duì)溶解性有機(jī)物去除效果較差,所以無(wú)論投加PAC還是PAFC,對(duì)DOC的去除率都不高.

當(dāng)PAC的投加量為10mg/L時(shí),平均COD的去除率達(dá)到最大值,為 12.9%,單位藥劑COD去除量1.08mg/mg;當(dāng)PAFC的投加量為10mg/L時(shí),平均COD的去除率最大為13.8%,單位藥劑COD去除量為1.47mg/mg. PAFC比PAC對(duì)COD去除率稍高.但從試驗(yàn)結(jié)果看,盡管該工藝對(duì)石化二級(jí)出水中SS的去除效果較好,但對(duì)COD去除率都不高,這與吳志玲[23]等的研究相同,投加混凝劑對(duì)進(jìn)水中 COD去除率較低,最終出水都無(wú)法滿足GB 31571-2015[10],出水需進(jìn)一步深度處理.

圖4 不同藥劑投量下COD的去除特性Fig.4 COD removal characteristics dosing with different coagulants (A-PAC; B-PAFC)

投加PAC和PAFC可對(duì)SS進(jìn)行有效去除而對(duì) DOC的去除率都不高.石化二級(jí)出水中對(duì)出水殘留 COD貢獻(xiàn)最大的兩種物質(zhì)為原水DOC中的親水性物質(zhì) HIS和疏水酸性物質(zhì)HOA[24].使用內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器做為深度處理的預(yù)處理工藝時(shí),后續(xù)深度處理工藝的選擇可考慮對(duì)進(jìn)水SS高要求而對(duì)DOM可有效去除的工藝,以起到相應(yīng)的耦合作用降低出水COD.

2.2.2 溶解性有機(jī)物去除特性 在宏觀指標(biāo)COD去除的基礎(chǔ)上研究廢水中有機(jī)物分子量分布特性對(duì)于了解不同分子量有機(jī)物在微絮凝砂濾過(guò)程中的去除差異特性具有重要的意義[25].如圖5所示,取原水、PAC和PAFC投量為10mg/L出水,測(cè)定其有機(jī)物分子量分布特性.從圖中可以看出投加PAC和PAFC過(guò)濾后,分子量小于3k的有機(jī)物百分比顯著增加,分子量大于3k的有機(jī)物含量有著不同程度的降低.表明投加 PAC和PAFC形成絮體并過(guò)濾后,石化二級(jí)出水溶解性有機(jī)物中大分子有機(jī)物得到不同程度的去除,因而出水中溶解性小分子有機(jī)物比例顯著增加.

圖5 內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器對(duì)不同分子量有機(jī)物去除情況Fig.5 The removal characteristics of different molecular weight organics by ILCSF

投加絮凝劑后,廢水中的膠體物質(zhì)脫穩(wěn),形成絮體,絮體被輸送到濾料表面經(jīng)過(guò)截留和沉淀方式去除.由于膠體物質(zhì)屬于大分子物質(zhì),混凝對(duì)生物大分子類(分子量＞20K)物質(zhì)可以起到有效的去除[26],因此一部分大分子有機(jī)物通過(guò)此方式去除.這部分大分子類物質(zhì)多為疏水性有機(jī)物[27].此外,新形成的絮體為多層鋁鐵鹽堿化形成的氫氧化物微絮粒,這些絮粒有著極大的表面積和多余的化學(xué)鍵位及羥基(-OH),具有較強(qiáng)的吸附活性,可通過(guò)物理化學(xué)吸附來(lái)去除水中的有機(jī)物[28],部分有機(jī)物也可以通過(guò)吸附的形式被過(guò)濾去除.總體來(lái)看,無(wú)論投加PAC還是PAFC,微絮凝砂濾工藝對(duì)石化二級(jí)出水中分子量大于3k的溶解性有機(jī)物有相對(duì)較好的去除效果.

2.3 不同藥劑對(duì)濾料板結(jié)的影響趨勢(shì)分析

濾料板結(jié)是阻礙內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器正常運(yùn)行的重要不利因素.由于濾料在重力作用下堆積,壓縮截留的絮體,在絮體黏性作用下,濾料呈現(xiàn)團(tuán)簇性結(jié)塊,影響到過(guò)濾效果和反沖洗過(guò)程,從而嚴(yán)重影響到內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器的正常運(yùn)行[29-30].為考察并量化兩種藥劑對(duì)濾料板結(jié)的潛在影響,對(duì)投加藥劑后形成絮體后混合液粘度進(jìn)行了測(cè)定,結(jié)果如圖6.

圖6 投藥量為10mg/L時(shí)混合液粘度Fig.6 The viscosity of mixtures with the PAC and PAFC dosage of 10mg/L

從中可以看出,在混凝劑投量均為 10mg/L的時(shí)候,PAC形成的混合液的粘度比PAFC形成的混合液的黏度大,PAC混合液的黏度平均值為1.58mPa·s,而 PAFC混合液的黏度平均值為1.36mPa·s,高約 14%.內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾是通過(guò)接觸絮凝來(lái)去除水中有機(jī)物和雜質(zhì)的,由于濾料絮粒包圍,極易產(chǎn)生濾料結(jié)塊現(xiàn)象.如果投加絮凝劑后,混合液粘度較低,絮粒沒(méi)有強(qiáng)的黏合力,過(guò)濾后砂子不易板結(jié).從實(shí)際反應(yīng)器維護(hù)角度來(lái)看,隨著混凝劑投量的增加,內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器在處理石化二級(jí)出水時(shí)容易出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象,且混凝劑投量越大,板結(jié)出現(xiàn)的頻率越高.

從引起濾料板結(jié)潛勢(shì)的角度來(lái)看,為保證內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器的穩(wěn)定運(yùn)行,PAFC比PAC更適合作為內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器的絮凝劑.實(shí)際反應(yīng)器的運(yùn)行也證明了這一點(diǎn).

3 結(jié)論

3.1 內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器對(duì)石化二級(jí)出水中 SS的去除效果較好,投加PAC和PAFC時(shí),隨著投加量從5mg/L增加至30mg/L,SS去除率均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),投量為10mg/L時(shí),PAC對(duì)SS去除率為49.7%,PAFC對(duì)SS去除率為50.6%.

3.2 內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器對(duì)石化二級(jí)出水中COD的去除效果較差,無(wú)論是投加 PAC還是PAFC,出水均無(wú)法滿足 GB 31571-2015,出水需進(jìn)一步深度處理.該工藝對(duì)石化二級(jí)出水中分子量超過(guò)3k的大分子有機(jī)物的去除效果相對(duì)較好.

3.3 投加PAFC形成的混合液粘度值較PAC偏低,對(duì)延緩內(nèi)循環(huán)連續(xù)砂濾器濾料板結(jié)具有一定優(yōu)勢(shì),建議選取PAFC作為絮凝劑,在處理石化二級(jí)出水時(shí)最優(yōu)投加量為10-15mg/L.

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Effect of PAC and PAFC on the performance and operation of inner loop continuous sand filter treating petrochemical secondary effluent.

WANG Ya-ning1,2, WU Chang-yong2, ZHOU Yue-xi2*, LIU Heng-ming1, ZHU Chen2,3, CHEN Teng4(1. School of Marine Science and Technology and Environment, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China；2.Research Center of Water Pollution Control Technology, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；3.School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China；4.School of Environmental Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, China). China Environmental Science, 2016,36(12)：3625～3630

The inner loop continuous sand filter (ILCSF) is often used as the pretreatment process for the removal of SS and COD during the advanced treatment of biological secondary effluent. ILCSF can guarantee the operation stability of the following connected advanced treatment unit. In this study, poly aluminum chloride (PAC) and poly aluminum ferric chloride (PAFC) were used as the coagulant and the performance and operation of ILCSF were investigated. The results showed that when the dosages of PAC and PAFC ranged from 5to 30mg/L, the removal of SS and COD increased at the beginning and then decreased when the dosage was over 10mg/L. The optimized coagulant dosage was 10mg/L for PAC and PAFC. The removal rates of SS and COD were 49.7% and 12.9% for PAC and 50.6% and 13.8% for PAFC on the optimized dosage. The ILCSF could preferentially remove the macromolecular organic matters with the relative molecular weight higher than 3k. However, the ILCSF has the poor ability to remove the dissolved organic matters (DOM). The dissolved organic carbon (DOC) removal rate was lower than 5% even on the optimized conditions. The dose of PAFC was more suitable for the stable operation of ILCSF than dose of PAC. The viscosity of the mixture dosing PAFC was lower than that of dosing PAC. In this study, the optimized dosage of PAFC was determined with the value of 10to 15mg/L. It could guarantee the high removal rate of SS and the stable operation of the ILCSF.

the inner loop continuous sand filter (ILCSF)；poly aluminum chloride (PAC)；poly aluminum ferric chloride (PAFC)；dissolved organic matters (DOM)；viscosity

X703

A

1000-6923(2016)12-3625-06

王雅寧(1994-),女,安徽宿州人,大連海洋大學(xué)碩士研究生,主要從事工業(yè)廢水處理研究

2016-04-08

“十二五”國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07201-005);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51208484)

* 責(zé)任作者, 研究員, zhouyuexi@263.net