加載磁絮凝技術(shù)預(yù)處理垃圾滲濾液的研究

曹 羨 梅 凱 李先寧

(1東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,南京 210096)(2南京工業(yè)大學(xué)城建學(xué)院,南京 210009)

加載磁絮凝技術(shù)預(yù)處理垃圾滲濾液的研究

曹 羨1梅 凱2李先寧1

(1東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,南京 210096)(2南京工業(yè)大學(xué)城建學(xué)院,南京 210009)

利用加載磁絮凝技術(shù)對(duì)垃圾滲濾液進(jìn)行預(yù)處理試驗(yàn),考察混凝劑PAC和助凝劑PAM投加量、pH值、磁粉Fe3O4投加量、磁場(chǎng)強(qiáng)度、藥劑投加順序等因素對(duì)試驗(yàn)的影響.結(jié)果表明,在pH為8.0,PAC投加量為600 mg/L,PAM投加量為0.25 mg/L,磁粉投加量為750 mg/L,磁場(chǎng)強(qiáng)度為150 mT條件下,先投加PAC再加入磁粉,30 s后投加PAM時(shí),混凝效果最佳,COD的去除率為55.86%,氨氮的去除率為36.13%,濁度的去除率為88.91%.磁絮凝與常規(guī)工藝的對(duì)比試驗(yàn)表明,投加磁粉對(duì)于COD的去除有良好的效果,基本可以取代PAM的作用,但去除氨氮的效果低于PAM.

加載磁絮凝;垃圾滲濾液;絮凝劑;磁粉

Abstract: The technology of magnetic flocculation was used to pretreat the landfill leachate,the testing factors including the dosages of PAC (polyaluminium chloride), PAM (polyacrylamide) and magnetic powder Fe3O4, the influences on pH, magnetic field strength and dosing sequence. The removal rates of COD (chemical oxygen demand), ammonia nitrogen and turbidity were obtained by 55.86%, 36.13% and 88.91%, respectively, under the optimal conditions when pH was 8.0, PAC was 600 mg/L, PAM was 0.25 mg/L, magnetic powder dosage was 750 mg/L, and magnetic field strength was 150 mT. The comparative results between magnetic flocculation test and chemical flocculation tests show that the magnetic powder for replacing PAM is beneficial to test COD removal, but it is ineffective in ammonia removal.

Keywords: magnetic flocculation; landfill leachate; flocculants; magnetic powder

近年來(lái),隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快,城市垃圾量也以平均每年8%～10%的速度增長(zhǎng)[1].由于經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等因素的制約,目前我國(guó)處理生活垃圾大多采用衛(wèi)生填埋的方式[2-3],由此造成了垃圾滲濾液污染、土壤硬化等問(wèn)題.垃圾滲濾液是在垃圾的填埋過(guò)程中,在降雨的淋溶作用下,垃圾自身的水分在經(jīng)過(guò)垃圾層和覆土層之后所形成的高濃度有機(jī)污水[4].與市政污水相比,垃圾滲濾液具有有機(jī)物濃度高、水質(zhì)復(fù)雜、變化范圍大、氨氮含量高、營(yíng)養(yǎng)元素比例失調(diào)、含磷量低、含有重金屬離子且種類多、微生物種類繁多等特點(diǎn)[5-8].垃圾滲濾液通常情況下會(huì)對(duì)地下水造成污染,主要使地下水水質(zhì)渾濁、COD和氨氮量變高、大腸菌群嚴(yán)重超標(biāo)等,從而導(dǎo)致地下水失去使用價(jià)值.

由于垃圾滲濾液水質(zhì)復(fù)雜多變,采用單一的生物處理方法很難達(dá)到要求,通常采用土地法、物化法、生物法等多種方法綜合處理.目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)處理工藝都采用預(yù)處理-厭氧好氧生物處理-后處理的組合工藝[9],趙宗升等[10]采用厭氧-缺氧-好氧-混凝沉淀組合工藝處理垃圾填埋場(chǎng)滲濾液,得到了較好的COD和氨氮處理效果.

加載磁絮凝技術(shù)是近幾年新興的水處理技術(shù),是利用磁場(chǎng)來(lái)強(qiáng)化絮凝效果的物理處理污染物的方法,在增強(qiáng)絮凝效果的同時(shí)改善絮體結(jié)構(gòu),減小處理成本.在傳統(tǒng)的絮凝工藝中加入磁粉會(huì)形成高密度的復(fù)合磁性絮凝體[11],絮體的比重會(huì)顯著增大,從而達(dá)到增強(qiáng)去除效果以及加快沉降的目的.加載磁絮凝技術(shù)對(duì)含有油類、重金屬、病毒以及高COD值的工業(yè)廢水去除效果明顯好于傳統(tǒng)工藝[12],能明顯減少絮凝劑的用量,主要是因?yàn)榇欧酆托跄齽┬纬傻膹?fù)合磁性絮凝體可以極大地增強(qiáng)絮凝效果,同時(shí)磁粉與污染物凝聚成大絮團(tuán)也有利于脫穩(wěn)膠體的沉降[13].沉淀后的絮體可離心分離回收并在系統(tǒng)中循環(huán)使用[14].加載磁絮凝分離技術(shù)由于加快了絮凝體的沉降速度從而大大減少了沉淀池的水力停留時(shí)間,增大其表面負(fù)荷,最終可以實(shí)現(xiàn)縮小沉淀池體積達(dá)到減少投資的目的.加載磁絮凝技術(shù)在各類污、廢水處理中得到快速發(fā)展,同時(shí)對(duì)于處理垃圾滲濾液等高濃度廢水也具有一定效果.已有研究表明,投加磁載體和凝聚劑、絮凝劑進(jìn)行磁絮凝反應(yīng)用于滲濾液預(yù)處理是可行的,預(yù)處理效果明顯優(yōu)于常規(guī)絮凝工藝[15-16].

本文利用加載磁絮凝技術(shù)對(duì)垃圾滲濾液進(jìn)行了預(yù)處理試驗(yàn),考察了混凝劑PAC和助凝劑PAM投加量、pH值、磁粉Fe3O4投加量、磁場(chǎng)強(qiáng)度、藥劑投加順序等因素對(duì)試驗(yàn)的影響,在磁絮凝與常規(guī)工藝的對(duì)比試驗(yàn)中表明,投加磁粉對(duì)于COD的去除有良好的效果,基本可以取代PAM的作用.

1 試驗(yàn)水樣及方法

試驗(yàn)采用六聯(lián)混凝攪拌機(jī)進(jìn)行燒杯試驗(yàn).每個(gè)燒杯中水樣均為200 mL,設(shè)定攪拌條件為:先以250 r/min快速攪拌30 s,再以120 r/min中速攪拌5 min,然后以50 r/min慢速攪拌10 min,最后靜止沉淀30 min[17].取上清液進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)(COD、氨氮、pH和濁度等)分析,如表1所示.

試驗(yàn)廢水取自南京某垃圾填埋場(chǎng)的垃圾滲濾液,采用相應(yīng)項(xiàng)目分析方法測(cè)定廢水的主要水質(zhì)指標(biāo),如表2所示.分別配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的混凝劑PAC溶液,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%的助凝劑PAM溶液.磁載體采用磁粉Fe3O4,粒徑主要集中在0.045～0.15 mm.

表1 分析項(xiàng)目與方法

表2 廢水水質(zhì)指標(biāo)

試驗(yàn)分3個(gè)部分:① 對(duì)混凝劑PAC和助凝劑PAM投加量、pH值、磁粉Fe3O4投加量、磁場(chǎng)強(qiáng)度、藥劑投加順序逐個(gè)做單因素試驗(yàn),確定大致最優(yōu)的投加量;② 通過(guò)正交試驗(yàn)確定最佳工藝參數(shù);③ 通過(guò)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),了解加載磁絮凝技術(shù)與常規(guī)工藝處理效果的差異.

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

本試驗(yàn)中,水樣初始水質(zhì)指標(biāo)為COD=54.5 g/L,ρ(NH3-N)=1 235 mg/L,pH=6.22.

2.1.1 PAC投加量

在6個(gè)燒杯中分別放入200 mL水樣,每個(gè)燒杯中PAC的投加量分別為150,450,750,1 050,1 350和1 650 mg/L,然后進(jìn)行攪拌水樣,沉淀后取上清液,檢測(cè)COD、氨氮和濁度,如圖1所示.在PAC投加量由150 mg/L增加到750 mg/L的過(guò)程中,COD、氨氮和濁度的去除率隨之不斷升高,當(dāng)PAC投加量為750 mg/L時(shí),COD的去除率達(dá)到最大值為16.21%;但當(dāng)投加量繼續(xù)增加時(shí),COD、氨氮和濁度的去除率反而逐漸降低.這是因?yàn)閯傞_始投加PAC時(shí),垃圾滲濾液中PAC含量較低,會(huì)反應(yīng)生成Al(H2O)63+,Al(OH)3,[Al6(OH)14]4+,[Al7(OH)17]4+,[Al8(OH)20]4+和[Al13(OH)34]5+等高價(jià)聚合離子[18],這些高價(jià)聚合離子通過(guò)電性中和作用和壓縮電層作用[19],促使垃圾滲濾液膠體凝聚,因此COD、氨氮和濁度去除率都增加;但隨著PAC投加量的增加,COD、氨氮和濁度去除率下降,則是因?yàn)榇藭r(shí)PAC已經(jīng)過(guò)量,使得原水中脫穩(wěn)的膠體重新回到穩(wěn)定狀態(tài)的緣故.

圖1 PAC投加量對(duì)COD、氨氮和濁度的影響

2.1.2 PAM投加量

在6個(gè)燒杯中分別加入200 mL水樣,每個(gè)燒杯中PAC的投加量均為750 mg/L,而PAM的投加量分別為0.25,0.50，0.75,1.00,1.25和1.50 mg/L,然后攪拌水樣,沉淀后取上清液,檢測(cè)COD、氨氮和濁度,如圖2所示.加入PAM后水中的礬花明顯變大,同時(shí)礬花呈黑色,COD、氨氮和濁度的去除率比不加入PAM的COD、氨氮和濁度的去除率都顯著上升,這歸因于PAM具有優(yōu)異的架橋能力,使得混凝效果增強(qiáng)[20].但隨著PAM投加量的增加,COD、氨氮和濁度的去除率均呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì),這是因?yàn)楫?dāng)PAM的投加量過(guò)大時(shí),膠體就被若干高分子鏈包圍,再?zèng)]有空白部位去吸附其他高分子鏈,結(jié)果形成無(wú)吸附部位的穩(wěn)定顆粒[21],同時(shí)又由于PAM本身是高分子有機(jī)物,一旦其無(wú)法在水中消耗,會(huì)增加水中COD濃度,而氨氮和濁度的去除率并未隨PAM投加量的增加而增加.

圖2 PAM投加量對(duì)COD、氨氮和濁度的影響

2.1.3 不同pH值

在5個(gè)燒杯中分別加入200 mL水樣,用10% NaOH溶液和10% HCl溶液將水樣pH分別調(diào)至5,6,7,8和9[22].在不同pH條件下投入等量的PAC和PAM,PAC的投加量為750 mg/L,PAM的投加量為0.25 mg/L,進(jìn)行燒杯攪拌試驗(yàn),沉淀后取上清液,檢測(cè)COD、氨氮和濁度,如圖3所示.隨著pH的升高,對(duì)COD、氨氮和濁度的去除率整體上呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì),但當(dāng)pH由8上升至9時(shí),COD去除率卻從42.16%降至36.76%,氨氮去除率從27.84%降至26.67%.這是因?yàn)?溶液中Al3+是以水合鋁絡(luò)離子的狀態(tài)存在,水合絡(luò)離子的配位水解反應(yīng)在低pH條件下難以進(jìn)行[23],導(dǎo)致混凝效果較差.當(dāng)pH>7時(shí),OH-濃度上升,配位水解反應(yīng)隨水中OH-的增加變得更容易發(fā)生,因此去除率上升,同時(shí)在網(wǎng)捕作用下,混凝效果越來(lái)越好.但當(dāng)pH>8時(shí),OH-濃度繼續(xù)增加,聚合氯化鋁與過(guò)多的OH-易于形成Al(OH)3沉淀,使得部分PAC失效,導(dǎo)致混凝效果變差,從而COD和氨氮去除率下降.

圖3 pH對(duì)COD、氨氮和濁度的影響

2.1.4 磁粉投加量

在5個(gè)量筒中分別加入250 mL水樣,用10% NaOH溶液和10% HCl分別將水樣調(diào)節(jié)至pH=8,每個(gè)燒杯中投加等量的PAC和PAM,分別為750和0.25 mg/L,并分別加入50,100,150,200,250和300 mg磁粉Fe3O4,將量筒放入強(qiáng)度為100 mT的同一磁場(chǎng)中,進(jìn)行燒杯攪拌試驗(yàn),沉淀后取上清液,檢測(cè)COD、氨氮和濁度,如圖4所示.隨著Fe3O4投加量的增加,COD、氨氮和濁度的去除率呈現(xiàn)出先逐漸增加后下降的趨勢(shì).當(dāng)Fe3O4投加量由50 mg增加至150 mg時(shí),COD去除率從38.74%增加到50.45%,但當(dāng)繼續(xù)投加Fe3O4至200 mg時(shí),COD去除率卻從最高的50.45%下降到48.65%,同時(shí),氨氮的去除率也從最大值34.18%降為28.63%.這是因?yàn)樵陂_始階段Fe3O4加入量較少,少量的Fe3O4可以與周圍大量的懸浮物碰撞、吸附和凝聚成大絮團(tuán),同時(shí)Fe3O4能與水中絮凝體快速結(jié)合形成緊密的復(fù)合磁絮凝體,Fe3O4的加入改變了膠體或懸浮顆粒表面化學(xué)性質(zhì),使膠體或懸浮顆粒之間的吸引能大于排斥能[16],從而使得COD去除率不斷提高.但當(dāng)Fe3O4投加量超過(guò)150 mg后,大量Fe3O4之間更容易相互碰撞,從而影響了其與懸浮物碰撞吸附凝聚的機(jī)會(huì),同時(shí)在磁場(chǎng)作用下,磁粉含量過(guò)高會(huì)加速磁粉自身的沉降,阻礙了其與水中絮凝體的結(jié)合,使得COD和氨氮去除率均呈現(xiàn)出小幅度下降的趨勢(shì).

圖4 磁粉投加量對(duì)COD、氨氮和濁度的影響

2.1.5 磁場(chǎng)強(qiáng)度

在5個(gè)量筒中分別加入200 mL水樣,用10% NaOH溶液和10% HCl將水樣pH調(diào)節(jié)至8,每個(gè)燒杯中投加等量的750 mg/L PAC、0.25 mg/L PAM和400 mg磁粉,然后將量筒分別放入磁場(chǎng)為50,100,200,300和500 mT的磁場(chǎng)中等待污泥沉降,并記錄結(jié)果,如圖5所示.隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng),COD、氨氮和濁度的去除率逐漸上升,但漲幅不斷減小.這是因?yàn)樵陂_始階段磁場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)弱,形成的復(fù)合磁絮凝體不能在較弱的磁場(chǎng)作用下沉降.隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加,越來(lái)越多的絮凝體能夠在磁場(chǎng)作用下開始沉降,絮凝效果越來(lái)越好.但當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)150 mT時(shí),對(duì)去除率的影響并不大,而且此時(shí)由于需要消耗大量的電能來(lái)維持較大磁場(chǎng),導(dǎo)致成本上升,故通過(guò)繼續(xù)增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)提高絮凝效果意義不大.

圖5 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)COD、氨氮和濁度的影響

2.1.6 投加順序

在4個(gè)燒杯中分別加入200 mL水樣,進(jìn)行燒杯攪拌試驗(yàn).第1個(gè)燒杯中同時(shí)投加PAC和磁粉,30 s后投加PAM;第2個(gè)燒杯中投加PAC,再加入磁粉,30 s后投加PAM;第3個(gè)燒杯中投加磁粉,再加入PAC,30 s后投加PAM;第4個(gè)燒杯中同時(shí)投加PAC和PAM,30 s后投加磁粉,分別為試驗(yàn)組1,2,3和4.待攪拌結(jié)束并沉淀后,取上清液測(cè)定COD、氨氮和濁度.

圖6為不同投加順序?qū)OD、氨氮和濁度的去除率的影響.由圖可知,試驗(yàn)組1～4的濁度去除率幾乎一致,沒(méi)有差別.試驗(yàn)組1,2和3的COD和氨氮去除率也一致,幾乎沒(méi)有差別.只有試驗(yàn)組4的COD和氨氮去除率明顯低于其他3個(gè)試驗(yàn)組.這可能是因?yàn)橹挥性谕都恿薖AC和磁粉同時(shí)快速攪拌和保證充分接觸的條件下,才能形成有效的復(fù)合磁性絮凝體,后投加磁粉影響了復(fù)合磁性絮凝體的生成,降低了COD和氨氮的去除率.

圖6 投加順序?qū)OD、氨氮和濁度的影響

2.2 正交與對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)中所選的因素為pH、PAC和磁粉投加量,每個(gè)因素設(shè)置3個(gè)水平.正交設(shè)計(jì)所選因素及其水平見表3.

表3 正交試驗(yàn)因素水平表

以COD的去除率為目的指標(biāo),設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn).以L9(33) 正交表進(jìn)行試驗(yàn),在相同條件下進(jìn)行3組平行試驗(yàn),COD去除率取平均值.試驗(yàn)結(jié)果和分析見表4.

由試驗(yàn)結(jié)果可得,影響混凝效果的因素由主到次依次為:pH、PAC投加量和磁粉投加量.同時(shí)確定了最佳工藝最終參數(shù):PAC投加量為600 mg/L,PAM投加量為0.25 mg/L,磁粉Fe3O4投加量為750 mg/L,磁場(chǎng)強(qiáng)度為150 mT.在保證最佳參數(shù)的同時(shí)按照先PAC再磁粉最后PAM的順序進(jìn)行投加時(shí),混凝效果最佳,其COD、氨氮和濁度的去除率分別為55.86%,36.13%和88.91%.

表4 COD正交試驗(yàn)結(jié)果和分析

注:均值1、均值2和均值3分別為每個(gè)因素下對(duì)應(yīng)水平為1，2，3的試驗(yàn)結(jié)果之和;極差為每個(gè)因素下最大值與最小值之差.

在4個(gè)燒杯中分別加入200 mL水樣,第1份水樣只按照最佳投加量750 mg/L標(biāo)準(zhǔn)投加PAC;第2份水樣按照600和0.25 mg/L標(biāo)準(zhǔn)投加PAC與PAM;第3份水樣按照600和750 mg/L標(biāo)準(zhǔn)投加PAC和磁粉;第4份水樣按照600,0.25和750 mg/L標(biāo)準(zhǔn)投加PAC、PAM和磁粉.

圖7(a)是4組試驗(yàn)COD的去除率情況.對(duì)比PAC試驗(yàn)組和PAC+PAM試驗(yàn)組發(fā)現(xiàn),PAC+PAM試驗(yàn)組的COD去除率明顯升高,這是因?yàn)镻AM具有優(yōu)異的架橋能力,增強(qiáng)了絮凝效果.對(duì)比PAC+PAM試驗(yàn)組和PAC+磁粉試驗(yàn)組發(fā)現(xiàn),投加PAC+磁粉試驗(yàn)組形成的復(fù)合磁性絮凝體有去除COD效果,去除率達(dá)到38.34%,雖然最終去除率比投加PAC+PAM組的最終去除率41.34%低,但相差不大.對(duì)比PAC+PAM試驗(yàn)組和PAC+PAM+磁粉試驗(yàn)組發(fā)現(xiàn),投加的磁粉+PAC+PAM聯(lián)合作用使COD去除率高達(dá)56.31%,同時(shí)也提高了反應(yīng)速度.

圖7(b)是4組試驗(yàn)氨氮去除率的情況.對(duì)比PAC+PAM試驗(yàn)組和PAC+磁粉試驗(yàn)組發(fā)現(xiàn),PAC+磁粉試驗(yàn)組的去除率為16.54%,比PAC+PAM組的去除率25.49%低了近10%,說(shuō)明只投加磁粉形成的復(fù)合磁性絮凝體對(duì)于去除氨氮的能力不強(qiáng).對(duì)比PAC+PAM試驗(yàn)組和PAC+PAM+磁粉試驗(yàn)組發(fā)現(xiàn),由于磁粉加入形成的復(fù)合磁性絮凝體能夠使膠體的凝聚作用得到強(qiáng)化,從而導(dǎo)致最終氨氮去除率上升至36.47%.

圖7(c)是4組試驗(yàn)濁度去除率的情況.對(duì)比PAC試驗(yàn)組、PAC+PAM試驗(yàn)組、PAC+磁粉試驗(yàn)組和PAC+PAM+磁粉試驗(yàn)組發(fā)現(xiàn),雖然4個(gè)試驗(yàn)組在整個(gè)過(guò)程中濁度去除率都在不斷上升,但前2個(gè)試驗(yàn)組基本保持勻速上升,后2個(gè)試驗(yàn)組上升速率逐漸減小至零,曲線斜率最大發(fā)生在5～10 min,這是因?yàn)榇藭r(shí)在磁粉和磁場(chǎng)的共同參與下,沉降時(shí)間大大縮短,基本在15 min時(shí)已經(jīng)完成全部沉降,這對(duì)于實(shí)際工程中縮小沉淀池的尺寸從而降低造價(jià)具有重要意義.

(a) COD

(b) 氨氮

(c) )濁度

3 結(jié)論

1) 利用加載磁絮凝工藝技術(shù)處理垃圾滲濾液具有可行性,且處理效果明顯優(yōu)于常規(guī)絮凝工藝.

2) 當(dāng)pH為8.0,PAC投加量為600 mg/L,PAM投加量為0.25 mg/L,磁粉投加量為750 mg/L,磁場(chǎng)強(qiáng)度為150 mT,先投加PAC再加入磁粉30 s后投加PAM時(shí),混凝效果最佳,COD、氨氮和濁度的去除率依次為55.86%,36.13%和88.91%.同時(shí)正交試驗(yàn)表明,垃圾滲濾液的pH對(duì)COD去除率的影響最大,其次是PAC投加量和磁粉投加量.

3) 對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),加載磁絮凝技術(shù)中磁粉的投加可以提高COD的去除率.單獨(dú)投加磁粉COD可以基本取代PAM的作用,同時(shí)可以減少反應(yīng)時(shí)間.但是磁粉的投加對(duì)于氨氮的去除,其效果遜于PAM的作用.

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Studyonlandfillleachatepretreatmentbymagneticflocculation

Cao Xian1Mei Kai2Li Xianning1

(1School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)
(2College of Urban Construction, Nanjing Tech University, Nanjing 210009, China)

X505

A

1001-0505(2017)05-0956-07

2017-03-03.

曹羨(1986—)，男，博士生； 李先寧(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，lxn@seu.edu.cn.

“十二五”國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2012ZX07101-005)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2242016K41042)、江蘇自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20171351)、東南大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文培育基金資助項(xiàng)目.

曹羨,梅凱,李先寧.加載磁絮凝技術(shù)預(yù)處理垃圾滲濾液的研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,47(5):956-962.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.05.019.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.05.019