河岸滲濾系統(tǒng)凈化再生水效果試驗研究

潘維艷 普薇如 黃權(quán)中 黃冠華

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)中國-以色列國際農(nóng)業(yè)研究培訓(xùn)中心， 北京 100083；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)中國農(nóng)業(yè)水問題研究中心， 北京 100083)

河岸滲濾系統(tǒng)凈化再生水效果試驗研究

潘維艷1,2普薇如1,2黃權(quán)中1,2黃冠華1,2

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)中國-以色列國際農(nóng)業(yè)研究培訓(xùn)中心， 北京 100083；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)中國農(nóng)業(yè)水問題研究中心， 北京 100083)

以北京市清河再生水廠出水為研究對象，構(gòu)建100 cm土柱模擬河岸滲濾系統(tǒng)，研究長周期供水條件下，持續(xù)淹水與交替淹水落干2種補水方式下滲濾系統(tǒng)對再生水中有機物和總氮(TN)的凈化效果及系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過3年的試驗研究發(fā)現(xiàn)，持續(xù)淹水與交替淹水落干補水方式下，滲濾系統(tǒng)對再生水中有機物的平均去除率分別為40.5%和50.8%，交替淹水落干補水方式對有機物去除效果略優(yōu)于持續(xù)淹水的情況。有機物的去除主要發(fā)生在溶解氧濃度較高、微生物數(shù)量最多的上部0～40 cm土層范圍內(nèi)。2種補水條件下滲濾系統(tǒng)對有機物的去除率在年際間變化不大，系統(tǒng)凈化性能穩(wěn)定。2種補水方式下滲濾系統(tǒng)對TN的平均去除率分別為31.2%和80.7%，交替淹水落干補水方式對TN的去除效果明顯優(yōu)于持續(xù)淹水的情況。2種補水條件下滲濾系統(tǒng)對TN的去除率逐年增大，系統(tǒng)凈化性能隨時間呈增強趨勢。試驗期間，水溫在15～31℃范圍內(nèi)變化時，2種滲濾系統(tǒng)對TN的去除率隨溫度的增大呈指數(shù)或?qū)?shù)趨勢增加，當(dāng)溫度在30℃以上時，交替淹水落干補水方式下系統(tǒng)對TN的去除率最高可達(dá)90%以上。再生水經(jīng)過河岸滲濾系統(tǒng)后，總氮和有機物能夠得到有效的去除，再生水回補河湖對地下水污染的風(fēng)險大幅降低。

再生水； 河岸滲濾系統(tǒng)； 凈化； 有機物； 總氮； 水力條件； 溫度

引言

河岸滲濾是指在河水補給地下水時，河水中的污染物經(jīng)河床沉積物的滲濾后進(jìn)入兩岸抽水井或地下水的過程[1]。該過程中，沉積層的過濾、生物降解、吸附、沉淀以及地下水混合稀釋等作用可以使污染物濃度發(fā)生變化[2]。作為天然過濾器，河岸滲濾被認(rèn)為是一種經(jīng)濟(jì)、高效的水質(zhì)凈化技術(shù)[3-4]。研究表明河水經(jīng)過河岸滲濾系統(tǒng)后，水質(zhì)能夠得到一定程度的改善[5-7]。

在我國，再生水回補河湖已成為解決景觀水體水資源匱乏及水環(huán)境污染的重要途徑之一[15]。我國再生水廠出水水質(zhì)大部分達(dá)到地表IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，基本滿足公園水系水質(zhì)要求。但再生水中仍有部分污染物如氮、有機物、磷等殘留[16-18]，再生水經(jīng)過河岸滲濾進(jìn)入地下水后，殘留的污染物仍有可能對河湖附近地下水造成污染。而目前我國關(guān)于再生水在河岸滲濾系統(tǒng)中凈化效果的研究尚不多見。隨著再生水河湖回用規(guī)模的不斷擴大，開展河岸滲濾系統(tǒng)對再生水的凈化效果及長期補水條件下系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究具有十分重要的意義。綜合來看，河岸滲濾系統(tǒng)的凈化效果受諸多因素影響，包括水力條件、土質(zhì)、土壤有機質(zhì)含量以及系統(tǒng)中的氧化還原環(huán)境等。考慮到野外試驗條件受不可控因素的影響，本文采用土柱模擬河岸滲濾系統(tǒng)，以清河再生水廠出水為試驗用水，探討長周期試驗條件下，河岸滲濾系統(tǒng)在2種不同補水方式下對再生水中有機物和TN的凈化效果，同時考慮溫度對河岸滲濾系統(tǒng)再生水凈化效率的影響。

1 材料和方法

1.1 河岸滲濾系統(tǒng)

室內(nèi)土柱模擬的河岸滲濾系統(tǒng)簡稱土柱滲濾系統(tǒng)，由供水裝置和滲濾系統(tǒng)2部分組成，如圖1所示。試驗設(shè)置的2組土柱滲濾系統(tǒng)具有相同的供水裝置和滲濾系統(tǒng)。供水裝置包括蓄水箱、蠕動泵和馬氏瓶，通過馬氏瓶直接向滲濾系統(tǒng)供水。滲濾系統(tǒng)使用有機玻璃柱，柱高115 cm、直徑20 cm。土柱填裝前，在底部預(yù)先裝2～3 cm厚石英砂作為過濾層，以便于排水。土柱填土深100 cm，填裝過程中，層間打毛、夯實，使密度均勻，避免形成明顯的層間界面。土柱表面放置石英砂，防止進(jìn)水沖刷。沿土柱剖面設(shè)置6處分層取樣孔，分別為自土表面以下20、40、50、60、70、90 cm處(圖1)，多孔陶土頭埋設(shè)在土柱中心；并在底部100 cm處安裝出水口以采集底層出水。通過自制的DLS土壤采集器(由多孔陶土頭、采樣瓶和抽水泵組成)采集分層水。用PVC遮光布將蓄水箱、土柱滲濾系統(tǒng)、馬氏瓶及采樣瓶進(jìn)行避光處理，以避免光解作用并抑制藻類生長。

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Schematic of experiment setup1.蓄水箱 2.蠕動泵 3.馬氏瓶 4.有機玻璃柱 5.分層采樣器 6.取樣瓶

1.2 滲濾介質(zhì)

選用粉砂壤土作為滲濾介質(zhì)。土壤的物理化學(xué)性質(zhì)如表1所示。土壤粒徑組成采用馬爾文激光粒度分析儀(Mastersizer 2000型，英國)測定，土壤容重采用環(huán)刀法測定，有機質(zhì)采用完全濕燒法測定[19]。

1.3 再生水水質(zhì)指標(biāo)

試驗用再生水定期取自北京市清河再生水廠，室溫條件下置于塑料桶中加蓋避光儲存。試驗用再生水水質(zhì)在試驗期間呈現(xiàn)動態(tài)變化，這是由于不同時期取自再生水廠的再生水本底值有所差異；同時室溫條件下，水溫隨環(huán)境仍有變化，影響再生水中微生物和藻類的生長繁殖。再生水的水質(zhì)指標(biāo)情況和分析方法見表2。

表1 土壤的物理化學(xué)性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of test soil

表2 再生水水質(zhì)指標(biāo)濃度和分析方法Tab.2 Concentrations of reclaimed water quality parameters and analysis methods

1.4 試驗過程

土柱滲濾系統(tǒng)構(gòu)建完成后，為降低待測溶質(zhì)的本底濃度，穩(wěn)定孔隙結(jié)構(gòu)和滲透速率，首先將土柱自下而上飽和至土柱上部形成水頭，以排出土柱內(nèi)氣體；當(dāng)頂部水頭穩(wěn)定后，改為自上而下進(jìn)水，用去離子水對土柱進(jìn)行清洗，清洗大約21 d至土柱底層出水濃度已降低至等于或低于檢測下限并穩(wěn)定后，瞬時換為再生水。在不同補水方式下開始生化培養(yǎng)，進(jìn)行自然掛膜，正式開始滲濾試驗。試驗設(shè)置2組處理，分別記為C1、C2，采用不同的再生水補水方式。C1采用定水頭持續(xù)淹水方式補水，水頭保持8 cm；C2采用2 d淹水/5 d落干的交替淹水落干方式補水，以7 d為1個周期，前2 d保持8 cm定水頭淹水，后5 d落干，落干期間土柱頂端停水并保持土壤表面通風(fēng)。在試驗初期每14 d采集1次水樣，系統(tǒng)穩(wěn)定后每30 d采集1次水樣。本文選擇COD作為檢測指標(biāo)來表征有機物濃度。水樣的測試指標(biāo)包括COD、TN和溶解氧濃度，其中溶解氧濃度采用DO儀(DO 200型，美國)進(jìn)行檢測，COD和TN的檢測方法見表2。試驗進(jìn)行近3年(2012—2014年)，在試驗?zāi)┢冢杉林煌疃忍幍耐翗舆M(jìn)行微生物分析，獲得土樣中的細(xì)菌和真菌數(shù)量，微生物計數(shù)采用稀釋培養(yǎng)計數(shù)法[20]。

2 結(jié)果與討論

2.1 土柱中的微生物

在降解有機物的各種生物化學(xué)反應(yīng)過程中，細(xì)菌和真菌發(fā)揮著主要作用[21-22]。由于微生物種類復(fù)雜，難以全部檢測，本研究選擇細(xì)菌和真菌來表征土柱滲濾系統(tǒng)中的微生物群落特征。試驗?zāi)┢谕林鶟B濾系統(tǒng)不同深度處每克土中的細(xì)菌和真菌的數(shù)量見表3。由表3可以看出，隨著土柱深度增大，兩土柱滲濾系統(tǒng)中細(xì)菌數(shù)量均呈現(xiàn)整體下降趨勢，這與LIAN等[22]在飽和土柱中觀測到的細(xì)菌數(shù)量隨土層深度自上而下減少的規(guī)律相似。而真菌主要分布在表面0～10 cm的土層中，30 cm以下土層只檢測到少量真菌，ATLAS等[23]也得到相同的試驗結(jié)論。相對于其他土層，土柱滲濾系統(tǒng)表層土壤中氧氣含量和有機質(zhì)含量較高(表1)。隨著再生水持續(xù)輸入，滲濾系統(tǒng)中的有機物會不斷增加，為微生物提供了充足的可用有機質(zhì)、營養(yǎng)物和大量可吸附部位，刺激了土柱系統(tǒng)表層微生物的生長和繁殖[24]，同時微生物菌落細(xì)胞能夠被吸附、截留在表層土中[25]，因此兩土柱滲濾系統(tǒng)0～10 cm土層中觀測到最多的微生物數(shù)量。隨著土柱深度增加，相應(yīng)的可用有機質(zhì)減少，微生物數(shù)量下降。

表3 土柱中的細(xì)菌和真菌數(shù)量Tab.3 Numbers of bacteria and fungi in two columns 個/g

2.2 溶解氧在土柱滲濾系統(tǒng)中的分布

圖2是試驗后期測定的土柱滲濾系統(tǒng)中溶解氧濃度的垂向分布情況。兩土柱滲濾系統(tǒng)進(jìn)水中的溶解氧濃度相同，但土柱內(nèi)的溶解氧濃度分布有所差異。持續(xù)淹水的土柱達(dá)到飽和狀態(tài)，較高的含水率降低了氧氣在水中的擴散速率，溶解氧濃度較低。在交替淹水落干土柱中，淹水停止后，氧氣會重新進(jìn)入土柱系統(tǒng)。吳永峰等[26]的研究發(fā)現(xiàn)大部分氧氣在落干期的前3 d即可進(jìn)入土柱，因此，在C2中會形成不斷變化的氧化-還原環(huán)境。

從圖2可以看出，兩土柱滲濾系統(tǒng)中的溶解氧濃度整體上呈現(xiàn)隨深度增大而下降的趨勢。C1中，溶解氧濃度在0～20 cm土層下降迅速，進(jìn)水中溶解氧濃度為7.7 mg/L，20 cm處水樣中溶解氧濃度下降到4.8 mg/L，隨著土柱深度的繼續(xù)增大溶解氧濃度變化緩慢。與C1不同，C2中20 cm處水樣中溶解氧濃度為6.3 mg/L。隨著土柱深度的繼續(xù)增大，溶解氧濃度下降相對平緩。溶解氧濃度的下降主要集中在0～20 cm土層，40 cm以下土層的溶解氧濃度沒有明顯下降。C1的水力負(fù)荷和有機物的質(zhì)量負(fù)荷明顯高于C2，C1可以為微生物提供更多的有機物，因此，C1比C2需要消耗更多的氧氣。溶解氧主要用于系統(tǒng)頂部好氧微生物對有機物的生物降解，伴隨著再生水的輸入，溶解氧會繼續(xù)進(jìn)入系統(tǒng)，試驗發(fā)現(xiàn)在滲濾系統(tǒng)內(nèi)的溶解氧并沒有被完全消耗。由于土柱表層有大量的有機物和充足的溶解氧，微生物活躍，導(dǎo)致有機物和溶解氧在土壤表層得到迅速降解和消耗，而土柱下部微生物數(shù)量減少，微生物活動減弱，對有機物和溶解氧的消耗作用也減弱。

圖2 滲濾系統(tǒng)不同深度處的溶解氧濃度Fig.2 DO concentration in two columns

2.3 土柱滲濾系統(tǒng)中COD濃度的變化

圖3a是土柱滲濾系統(tǒng)中3年平均COD濃度的分布。通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，在持續(xù)淹水土柱中，不同深度處的微生物數(shù)量與COD濃度呈現(xiàn)較好的對數(shù)關(guān)系(R2=0.90)；在交替淹水落干的土柱中，微生物數(shù)量與COD濃度則呈現(xiàn)較好的指數(shù)關(guān)系(R2=0.96)。C1中，進(jìn)水中COD濃度為19.3 mg/L，底層出水中COD濃度下降到11.4 mg/L；C2中，底層出水中的COD濃度下降到9.5 mg/L。不同深度處COD去除率是特定取樣點處水樣COD濃度相對于再生水中COD濃度的變化率。COD的平均去除率沿土柱滲濾系統(tǒng)剖面的變化規(guī)律如圖3b所示。C1中，0～40 cm土層對COD的去除率為46.7%，整個土柱對COD的總?cè)コ蕿?0.7%。C2中，0～40 cm土層對COD的去除率為62.2%，整個土柱對COD的總?cè)コ蕿?0.2%?？梢钥闯?，COD大部分的去除發(fā)生在土柱滲濾系統(tǒng)0～40 cm范圍內(nèi)，即微生物數(shù)量最多的部位。本文試驗得到的底層出水中COD的去除率小于AK等[27]土柱試驗的結(jié)果(58.3%)，去除率的差異可能是由試驗用水水質(zhì)不同造成的，后者試驗用水中COD的濃度高達(dá)100 mg/L。而本研究的試驗結(jié)果要高于鄭艷俠等[28]通過細(xì)砂介質(zhì)土柱試驗獲得的COD去除率(16%)，表明利用粉砂壤土作為滲濾介質(zhì)的滲濾系統(tǒng)更利于有機物的降解。

圖3 兩系統(tǒng)中的COD濃度和相應(yīng)的去除率Fig.3 COD concentration and corresponding removal rate in two columns

圖4 再生水和底層出水中COD濃度隨時間的變化Fig.4 Temporal variation of COD concentration in reclaimed water and effluents

兩土柱滲濾系統(tǒng)底層出水中COD濃度的年內(nèi)變化見圖4。兩土柱滲濾系統(tǒng)底層出水的COD濃度隨時間的波動與再生水中COD濃度的波動規(guī)律接近，可見進(jìn)水水質(zhì)是影響滲濾系統(tǒng)底層出水COD濃度的一個因素。兩土柱滲濾系統(tǒng)底層出水中的COD濃度始終小于進(jìn)水中COD濃度，且C2底層出水濃度略低于C1。隨著系統(tǒng)運行時間增長，土壤顆粒截留再生水中的有機物使得微生物迅速生長繁殖，形成優(yōu)勢菌群，對輸入的COD保持相對穩(wěn)定的去除效果。C1對COD的去除率在20%～62%之間；C2對COD的去除率在27%～68%之間。結(jié)果表明，交替淹水落干的條件有利于土柱滲濾系統(tǒng)中氧氣的恢復(fù)和利用，可以提高COD的去除率，對COD的凈化效果略優(yōu)于持續(xù)淹水土柱系統(tǒng)。同時，交替淹水落干土柱的水力負(fù)荷要小于飽和淹水土柱，較小的水力負(fù)荷增大了有機物與滲濾系統(tǒng)的接觸時間與反應(yīng)時間，該結(jié)果與ABEL[8]的結(jié)論相似，水力負(fù)荷較小時，有利于有機物的去除。表4是3年試驗期間滲濾系統(tǒng)對COD的年平均去除率。兩土柱滲濾系統(tǒng)對COD的去除率沒有明顯年際變化，對COD的3年平均去除率分別為40.5%和50.8%，淹水落干土柱對COD的去除效果持續(xù)優(yōu)于淹水土柱，去除性能具有較好的穩(wěn)定性。

表4 兩土柱滲濾系統(tǒng)對COD和TN的年平均去除率Tab.4 Annual average removal rates of COD and TN in two columns %

試驗期間水溫在15～31℃之間波動，但是底層出水中的COD濃度沒有明顯的季節(jié)性波動，水溫與土柱滲濾系統(tǒng)底層出水中COD去除率之間無明顯相關(guān)性，表明兩土柱滲濾系統(tǒng)對COD的去除受溫度影響不明顯。而ABEL[8]的研究發(fā)現(xiàn)，在15～25℃范圍內(nèi)，每升高5℃，系統(tǒng)對有機物的去除率增加10%。但ABEL[8]的結(jié)論是在有氧、恒溫且其他因素不變的條件下得到的，本試驗中溫度、再生水的pH值、溶解氧等因素都在一定范圍內(nèi)波動，因此沒能很好地反映出溫度變化對COD去除率的影響。

2.4 土柱滲濾系統(tǒng)中TN濃度的變化

圖5 兩土柱中再生水和底層出水中TN濃度隨時間的變化Fig.5 Temporal variation of TN concentration in reclaimed water and effluents in two columns

由于試驗采用的2種水力條件下，水力負(fù)荷小，分層出水水量不足，試驗期間沒有進(jìn)行不同深度處TN濃度的檢測。再生水和兩土柱滲濾系統(tǒng)底層出水中的TN濃度年內(nèi)變化如圖5所示。兩系統(tǒng)底層出水中TN濃度均小于再生水，且C2出水TN濃度明顯低于C1。兩土柱滲濾系統(tǒng)對TN的年內(nèi)平均去除率分別為47%和83%。檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)再生水與土柱底部出水中硝態(tài)氮均占TN的85%～90%，是TN的主要組成部分，氨態(tài)氮只占0.1%～1.8%，因此反硝化是兩土柱滲濾系統(tǒng)中TN去除的主要機制[9]。由表4可知，在3年試驗期間，C2對TN的去除率均高于C1。結(jié)果表明在進(jìn)水水質(zhì)相同的情況下，C2對TN的去除率要持續(xù)顯著高于C1，表明交替淹水落干的水力條件促進(jìn)了滲濾系統(tǒng)中TN的去除。長期試驗發(fā)現(xiàn)，土柱滲濾系統(tǒng)在2種水力條件下對TN的去除率呈現(xiàn)逐年增大的趨勢，系統(tǒng)TN凈化性能逐年增強，有利于對再生水中TN的持續(xù)凈化。

通過年內(nèi)水溫和TN去除率之間的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，水溫與TN去除率之間呈現(xiàn)正向相關(guān)關(guān)系。因為水溫升高，系統(tǒng)內(nèi)微生物活性增大[29]，微生物活動越來越活躍，從而增強了滲濾系統(tǒng)對TN的去除效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水溫較高(30℃)時，交替淹水落干運行的滲濾系統(tǒng)對TN的去除率可高達(dá)90%以上?？梢姕囟仁怯绊憹B濾系統(tǒng)對TN去除的一個重要因子。

3 結(jié)束語

用室內(nèi)土柱模擬河岸滲濾系統(tǒng)來研究持續(xù)淹水和交替淹水落干(2 d淹水/5 d落干)2種補水方式下，滲濾系統(tǒng)對再生水中COD和TN的去除效果及凈化性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，交替淹水落干補水方式下，土柱滲濾系統(tǒng)對COD的平均去除率為50.8%，略高于持續(xù)淹水補水方式下的平均COD去除率40.5%。大量微生物集中在兩土柱滲濾系統(tǒng)的上部，微生物降解有機物消耗氧氣，土柱系統(tǒng)0～40 cm土層是COD去除的主要作用部位，40 cm以下土層土柱滲濾系統(tǒng)對COD的去除效果不明顯。系統(tǒng)運行3年后，兩土柱滲濾系統(tǒng)對COD的凈化性能沒有減弱，表明生物降解是土柱滲濾系統(tǒng)去除COD的主要作用機制，此外，滲濾系統(tǒng)對COD的去除效果受水溫變化影響不明顯。交替淹水落干的補水方式下，土柱滲濾系統(tǒng)對TN的平均去除率為80.7%，顯著高于持續(xù)淹水補水方式下的平均去除率31.2%。兩土柱滲濾系統(tǒng)中，反硝化是TN去除的主要機制，水溫在15～31℃之間變化時，2種補水方式下，土柱滲濾系統(tǒng)對TN的去除率均隨溫度的升高呈指數(shù)或?qū)?shù)趨勢增加。長期運行條件下，滲濾系統(tǒng)對TN的凈化性能逐年增加。結(jié)果表明，在粉砂壤質(zhì)的河岸滲濾系統(tǒng)中，交替淹水落干補水方式對COD和TN的去除效果優(yōu)于持續(xù)淹水，2種補水方式對COD和TN的凈化性能穩(wěn)定。

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Experiment on Purification of Reclaimed Water by Simulated Riverbank Filtration System

PAN Weiyan1,2PU Weiru1,2HUANG Quanzhong1,2HUANG Guanhua1,2
(1.Chinese-IsraeliInternationalCenterforResearchandTraininginAgriculture,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China2.CenterforAgriculturalWaterResearchinChina,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)

Aiming to study the long-term efficiency and performance of chemical oxygen demand (COD) and total nitrogen (TN) removal in riverbank filtration system under different hydraulic conditions, a long term simulated riverbank filtration system was built by using soil columns supplied with reclaimed water from Qinghe reclaimed wastewater treatment plant. The results showed that the system was effective in removing COD, the average removal rates of COD under continuous wetting condition and wetting/drying condition were 40.5% and 50.8%, respectively, over three-year period. COD removal primarily occurred at the upper part of the soil column (0～40 cm), where there was high dissolved oxygen content and a large amount of microorganism. The removal performance of COD was improved in the wetting/drying column with relatively higher dissolved oxygen (DO) concentration under the unsaturated condition. And performance for the annual average COD removal kept stable under both conditions. The much higher removal rate of TN was obtained under the wetting/drying condition (80.7%) than that under the saturated condition (31.2%). Performance for TN removal under both conditions was increased gradually year by year. Temperature was one of the impact factors for TN removal in riverbank filtration system. The results showed that the removal rate of TN was increased exponentially under continuous wetting condition and increased logarithmically under wetting/drying condition with the temperature ranging from 15℃ to 31℃, respectively. The TN removal efficiency could reach higher than 90% as the temperature was higher than 30℃. The results can provide important information and basis for reclaimed water reuse for rivers and lakes.

reclaimed water; river bank filtration system; purification; organic matter; total nitrogen; hydraulic condition; temperature

2016-09-09

2016-10-14

國家自然科學(xué)基金項目(51379209、51079149)

潘維艷(1987—)，女，博士生，主要從事水環(huán)境保護(hù)與治理研究，E-mail: weiyanpan@126.com

黃權(quán)中(1974—)，男，副教授，博士，主要從事水土環(huán)境響應(yīng)和水分溶質(zhì)遷移模擬研究，E-mail: huangqzh@cau.edu.cn

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.029

S273

A

1000-1298(2017)05-0237-07