孫洪偉,陳翠忠,高宇學(xué),趙華南,于 雪,許 涓
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碳氮比對活性污泥胞外聚合物的長期影響
孫洪偉1*,陳翠忠1,高宇學(xué)2,趙華南3,于 雪1,許 涓4*
(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2.北京桑德環(huán)境工程有限公司設(shè)計(jì)院,北京 101102;3.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院咨詢監(jiān)理有限責(zé)任公司,陜西 西安 710000;4.環(huán)境保護(hù)部固體廢物與化學(xué)品管理技術(shù)中心,北京 1000294)
以人工模擬廢水為研究對象,采用4組SBR反應(yīng)器(R0,R5,R10和R15),重點(diǎn)考察了碳氮比(C/N)對胞外聚合物(EPS)含量及其組分(蛋白質(zhì)(PN)、多糖(PS)和核酸(DNA))的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明:C/N對EPS及其組分具有顯著影響.隨著C/N由0升高至15,EPS和緊密結(jié)合型胞外聚合物(TB-EPS)含量逐漸升高,而松散型胞外聚合物(LB-EPS)含量逐漸降低,EPS以TB-EPS為主(占77.4%~93.6%).EPS和TB-EPS中的PN、PS和DNA含量隨著C/N值升高而升高,LB-EPS中的PN、PS和DNA含量隨C/N升高而降低.此外,隨著C/N的增大,毛細(xì)吸水時間(CST)和污泥比阻(SRF)值顯著增大,污泥的脫水性能變差.
碳氮比;胞外聚合物;污泥脫水性能
胞外聚合物(EPS)是在一定環(huán)境條件下由微生物(主要是細(xì)菌)分泌于體外的一些高分子聚合物.主要成分與微生物的胞內(nèi)成分相似,是一些高分子物質(zhì),如蛋白質(zhì)(PN)、多糖(PS)和核酸(DNA)等聚合物[1].EPS普遍存在于活性污泥絮體內(nèi)部及表面,具有重要的生理功能,可將環(huán)境中的營養(yǎng)成分富集,通過胞外酶降解成小分子后吸收到細(xì)胞內(nèi),還可以抵御殺菌劑和有毒物質(zhì)對細(xì)胞的危害[2-3].根據(jù)EPS空間位置不同,分為緊密附著在細(xì)胞壁上的孢囊聚合物—緊密型EPS(TB-EPS)和以膠體或溶解狀態(tài)松散于液相主體中的黏性聚合物—松散型EPS(LB-EPS)[4].國內(nèi)外學(xué)者研究表明,碳氮比(C/N)對EPS產(chǎn)量均有重要影響.主要包括以下幾個方面:(1)C/N值對LB-EPS及其組分含量有重要影響.Ye等[5]認(rèn)為C/N值(20→4與20→100)對EPS和TB-EPS無影響,而對LB-EPS以及LB-EPS中的PN和PS影響較為顯著.Wang等[6]研究認(rèn)為C/N值(6→10→20)對LB-EPS的影響大于TB-EPS.(2)C/N
值對EPS和TB-EPS含量有重要影響. Miqueleto等[7]研究認(rèn)為隨著C/N(3.4→6.8→13.6)增加,EPS和TB-EPS含量逐漸遞增.吳志高[8]研究發(fā)現(xiàn),基質(zhì)中C/N值遞增(16→25→50→100→100/0)對EPS及其各組份含量影響較為顯著.(3)C/N值對LB-EPS和TB-EPS含量同時產(chǎn)生影響.夏志紅[9]考察了進(jìn)水C/N分別為0、2、4、6和10,發(fā)現(xiàn)C/N的變化導(dǎo)致TB-EPS總量減少,LB-EPS總量增加.
基于上述研究背景,本文采用熒光分光光度計(jì)技術(shù)研究4種碳氮比條件下(0、5、10和15)SBR系統(tǒng)活性污泥中EPS以及EPS對污泥脫水和沉降性能影響的變化規(guī)律.
試驗(yàn)裝置主要包括序批式SBR反應(yīng)器(內(nèi)、外徑分別為14cm和15cm,有效容積為5L)和自動控制系統(tǒng)(水溫自動控制系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng))兩部分組成.通過水溫自動控制系統(tǒng)維持SBR反應(yīng)器運(yùn)行溫度.借助于過程控制系統(tǒng)(以溶解氧(DO)、pH值和氧化還原電位(ORP)為控制參數(shù))準(zhǔn)確指示生化反應(yīng)進(jìn)程.
試驗(yàn)用水采用人工模擬廢水,廢水成分主要包括:NH4Cl(115mg/L),CH3COONa(385mg/L), KH2PO4(26mg/L)和微量元素濃縮液.微量元素主要包括:MgSO4·7H2O(5.07mg/L),MnSO4·4H2O (0.31mg/L),FeSO4·7H2O(2.49mg/L),CuSO4(0.25mg/L),Na2MoO4·2H2O(1.26mg/L),ZnSO4·7H2O(0.44mg/L),NaCl(0.25mg/L),CaSO4·2H2O(0.43mg/L),CoCl2·6H2O(0.41mg/L),EDTA(1.88mg/L)[10],每升廢水加入1mL微量元素.接種污泥取自甘肅省蘭州市七里河安寧區(qū)污水處理廠生物循環(huán)曝氣池工藝好氧段活性污泥,該污水主要處理七里河區(qū)和安寧區(qū)的生活污水(60%~70%)和啤酒廢水(30%~40%).
本試驗(yàn)開始前,為強(qiáng)化接種污泥的脫氮性能,對該接種污泥進(jìn)行20d培養(yǎng)馴化,獲得穩(wěn)定脫氮效果后進(jìn)行連續(xù)試驗(yàn).污泥馴化結(jié)束后,均分入4個C/N(其中C/N比為COD與TN的比值)分別為0、5、10和15的SBR反應(yīng)器(分別表示為:R0、R5、R10和R15).利用恒溫循環(huán)水浴池維持反應(yīng)器內(nèi)混合液溫度.反應(yīng)器每個運(yùn)行周期包括瞬時進(jìn)水、曝氣、沉淀排水和閑置4個階段.具體運(yùn)行參數(shù)見表1.
表1 4個SBR反應(yīng)器運(yùn)行條件
NH+ 4-N、NO- 3-N、NO- 2-N、COD、MLSS和MLVSS等常規(guī)分析項(xiàng)目均采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法[11].pH值、DO和溫度(T)采用WTW-Multi 3420測定儀監(jiān)測.
胞外聚合物(EPS):分光光度法.采用改良型熱提取法提取EPS.LB-EPS的提取:取10mL泥水混合液,在4℃、2100g離心力下離心10min,所得上清液經(jīng)0.45μm微孔濾膜過濾待測,待測液即為LB-EPS溶液.TB-EPS的提取:向離心管中補(bǔ)充Ringer溶液至10mL,恒溫水浴(80℃) 60min,冷卻后在4℃、12000g離心力下離心10min,所得上清液經(jīng)0.45μm微孔濾膜過濾待測,待測液即為TB-EPS溶液.其中蛋白質(zhì)(PN)采用考馬斯亮藍(lán)法,以牛血清白蛋白作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì);多糖(PS)采用苯酚-硫酸法,以葡萄糖作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì);核酸(DNA)采用紫外吸收法[12].
毛細(xì)吸水時間(CST)測定采用DP101013- 23961和CST專用濾紙(北京亞歐德鵬).污泥比阻(SRF):取100mL污泥,將濾膜平鋪于布氏漏斗中,開啟真空泵,控制抽濾壓力為0.040MPa,記錄濾液體積,計(jì)算公式:
式中:為抽濾壓力,40kPa;為過濾面積, 0.00636m2;為液體粘度,0.000899kg/(m·s);為斜率:以抽濾時間t(s)與其對應(yīng)的濾液體積v(m3)之比為縱坐標(biāo),以v為橫坐標(biāo)繪制曲線,所得斜率即為,s/m6;為MLSS,g/m3.
試驗(yàn)采用日本分光FP-6500熒光分光光度計(jì)對EPS進(jìn)行分析,三維熒光光譜(3D-EEM)以5nm為增量從激發(fā)波長220nm掃描到400nm,以1nm為增量從發(fā)射波長250nm掃描到500nm,掃描速度為2000nm/min,響應(yīng)時間為0.2s.采用origin 9.0對光譜圖進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.
掃描電子顯微鏡(SEM)及X射線能譜儀(EDS)分析:取出污泥樣品,清洗后,經(jīng)2%~5%戊二醛固定1.5h后,用磷酸緩沖液清洗3遍,隨后經(jīng)50%、70%、80%、90%和100%乙醇脫水,最后用乙酸異戊酯置換,干燥后,用雙面膠將樣品觀察面向上粘貼在導(dǎo)電膠帶上,在樣品表面鍍上一層15nm厚度的金屬膜,采用掃描電鏡(JSM-5600LV,日本)進(jìn)行觀察并進(jìn)行能譜分析,通過樣品中電子激發(fā)出的信號,掃描電鏡做出試驗(yàn)樣品的電子圖像.
系統(tǒng)運(yùn)行281d,主要考察了C/N對活性污泥中EPS產(chǎn)量(以SS計(jì),下同)的影響.R0、R5、R10和R15系統(tǒng)硝化過程EPS,TB-EPS和LB-EPS(其中EPS為LB-EPS和TB-EPS加和)含量均呈現(xiàn)出一定的波動性,C/N為0、5、10和15條件下, TB-EPS分別占EPS總量的(77.4±7.1)%、(91.1±5.6)%、(93.6±2.3)%、和(93.6±2.4)%;LB- EPS占EPS總量的(22.6±7.1)%、(8.9±5.6)%、(6.4±2.3)%和(6.4±2.4)%,且TB-EPS為LB-EPS的(3.9±1.9)、(13.5±6.6)、(16.4±5.8)和(16.3±5.7)倍,因此,TB-EPS是EPS重要的組成部分.圖1反映了4種C/N條件下,EPS,LB-EPS和TB-EPS含量的對比.當(dāng)C/N由0上升至15,EPS和TB- EPS含量均呈現(xiàn)上升趨勢,而LB-EPS含量逐漸下降,說明高C/N有利于EPS的產(chǎn)生.關(guān)于C/N對EPS含量的影響,研究者獲得的結(jié)論也不盡相同,主要包括以下幾方面:①C/N與EPS和TB- EPS呈正相關(guān).Miqueleto等[7]研究認(rèn)為隨著C/N增加,EPS和TB-EPS含量逐漸遞增;吳志高[8]研究發(fā)現(xiàn),基質(zhì)中C/N值遞增,EPS和TB-EPS及其各組份都有相應(yīng)的增加,PS增幅最大,并且對EPS及其各組份所占比例有一定的影響.②C/N與EPS和TB-EPS無相關(guān)性.夏志紅[9]認(rèn)為C/N與EPS和TB-EPS以及其組分無相關(guān)性,而LB-EPS含量隨著C/N增加而減小.③C/N對LB-EPS影響顯著.Wang等[6]研究發(fā)現(xiàn)C/N對LB-EPS的影響大于TB-EPS,其認(rèn)為隨著C/N的減小,LB-EPS中的PN和PN/PS增加,PS含量降低,TB-EPS中的PN,PS和PN/PS不受C/N的影響.Ye等[5]認(rèn)為C/N值對EPS和TB-EPS無影響,而對LB-EPS以及LB-EPS中的PN和PS影響較為顯著(隨著C/N的增大,LB-EPS中的PS含量增大,PN含量降低).
這里需要指出的是:本實(shí)驗(yàn)過程中,隨著C/N值升高,EPS和TB-EPS與C/N值呈正相關(guān),與Miqueleto等[7]和吳志高[8]研究結(jié)果是一致的.
圖2和表2為4種C/N條件下,EPS、TB-EPS和LB-EPS中的PN、PS和DNA含量.可清楚反映出4種C/N條件下,EPS[表2,圖2(a)]和TB-EPS[表2,圖2(b)]中的PN、PS和DNA含量變化趨勢相同,即隨著C/N的增加,EPS和TB-EPS中PN、PS和DNA的含量表現(xiàn)為遞增的趨勢,其中PS含量變化較為顯著.此外隨著C/N的增加,LB-EPS[表2,圖2(c)]中PN、PS和DNA的含量整體表現(xiàn)為下降的趨勢.基于上述試驗(yàn)結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)C/N對EPS和TB-EPS中的各組分影響較為顯著,得到C/N與EPS和TB-EPS中的PN、PS和DNA含量呈正相關(guān),其中C/N對PS的影響尤為明顯[7-8].關(guān)于C/N對EPS和TB-EPS中的PS影響較為顯著的原因:大量研究表明對于營養(yǎng)物質(zhì)由細(xì)胞轉(zhuǎn)化為EPS,主要取決于生長培養(yǎng)基的組成(底物的組成),一般來說,含碳量與限制性營養(yǎng)物質(zhì)之間的比例越高,則更有利于多糖的產(chǎn)生,Mengistu等[13-14]研究表明碳源過量時,由于ATP產(chǎn)量增加,促進(jìn)微生物合成PS.而有研究者認(rèn)為C/N對EPS和TB-EPS中的PN和PS無影響,而與LB-EPS中PN、PS和DNA含量呈負(fù)相關(guān),即隨著C/N的增大LB-EPS中PN、PS和DNA含量逐漸降低[5-6].
圖1 不同C/N條件下EPS、LB-EPS和TB-EPS含量的變化規(guī)律
圖2 EPS組分含量變化規(guī)律
從[圖2(d)]和表2可以看出,4種C/N條件下,PN、PS和DNA分別占EPS、TB-EPS和LB-EPS的9%~27%、65%~83%和8%~11%,因此可得到PS是EPS、TB-EPS和LB-EPS中的主要成分,其次為PN,DNA最少,與Ye等[5]和Yang等[16]的研究結(jié)果一致.而Liu[17-20]等[研究認(rèn)為PN是EPS的重要組分.
表2 EPS各組分含量及所占比例(mg/g)
圖3為在不同C/N條件反應(yīng)器好氧末端活性污泥EPS的三維熒光光譜圖.由圖3和表3可以看出,活性污泥中EPS主要有3個圖譜峰,其中峰A與可溶性微生物降解產(chǎn)物等類蛋白物質(zhì)有關(guān),峰B為類腐殖熒光,峰C為類富里酸熒光[21];相比于R0和R5系統(tǒng)中的峰A,R10系統(tǒng)中峰A的激發(fā)波長出現(xiàn)紅移(向長波方向移動),發(fā)射波長出現(xiàn)藍(lán)移(向短波方向移動),R15系統(tǒng)中峰A的發(fā)射波長出現(xiàn)藍(lán)移,并且隨著C/N的升高,峰A的熒光強(qiáng)度隨之降低;相比于R10和R15系統(tǒng)中峰B,R0系統(tǒng)中峰B的激發(fā)波長出現(xiàn)藍(lán)移,發(fā)射波長出現(xiàn)紅移,R5系統(tǒng)中峰B的激發(fā)射波長出現(xiàn)紅移,且隨著C/N的升高,峰B的熒光強(qiáng)度隨之增大;峰C在R10和R15系統(tǒng)中出現(xiàn),在R0和R5系統(tǒng)中消失.
圖3 不同C/N條件下活性污泥中EPS的3D-EEM圖譜
表3 EPS的Ex/Em(激發(fā)/發(fā)射波長)及熒光強(qiáng)度
基于上述可以推測,隨著C/N的升高,EPS中腐殖類的物質(zhì)隨之升高,促進(jìn)EPS產(chǎn)量增長,而可溶性微生物降解產(chǎn)物等類蛋白物質(zhì)阻礙EPS產(chǎn)量增長.
污泥的脫水性能可用CST的長短或SRF的大小來表征.一般認(rèn)為CST和SRF值越小,污泥的脫水性能越好.
隨著C/N值的增大,CST值[(4→19→29→68)s][圖 4(a)]和SRF值[(33→78→158→178)× 108m/kg][圖4(c)]顯著增大,即隨著C/N的增加,污泥脫水性能顯著惡化,說明C/N對污泥脫水性能有著顯著影響.而Sanin等[22]研究認(rèn)為C/N從9增加到21對污泥脫水性能影響并不明顯.本次研究中CST值和SRF值都能較好的表征污泥的脫水性能,Ye等[5]認(rèn)為相對于SRF值,CST值對污泥脫水性能的表征更敏感,在Lee等[23]研究認(rèn)為CST表征污泥的脫水性能運(yùn)用的更為廣泛.
圖4 R0、R5、R10和R15系統(tǒng)內(nèi)CST、SRF和SVI的變化
從[圖4(b, d)]進(jìn)一步可以看出,隨著EPS含量的增加,CST和SRF值增加,說明污泥的脫水性能與EPS密切相關(guān).關(guān)于EPS對污泥脫水性能的影響,研究者獲得的結(jié)論也不盡相同,主要包括以下6方面:①LB-EPS含量對污泥脫水性能的影響.有研究[16-24]認(rèn)為LB-EPS不利于泥水分離.②EPS含量對污泥脫水性能的影響.Eriksson等[25]認(rèn)為EPS使得污泥的脫水性能變差,這是由于EPS產(chǎn)生了空間阻力,EPS分子從細(xì)胞表面伸展出來,阻礙細(xì)胞之間的緊密接觸,形成密實(shí)的凝膠,阻止結(jié)合水從凝膠的微孔擠出.③PS對污泥脫水性能的影響.有研究認(rèn)為污泥脫水性能與EPS中的PS有關(guān)[26-27];Jahn等[28]研究認(rèn)為EPS中的PN是提供疏水性的主要成分,而PS是提供親水性的重要成分.④LB-EPS/TB-EPS對污泥脫水性能的影響.王紅武等[29]認(rèn)為LB-EPS/TB-EPS越大污泥的脫水性能越差.⑤LB-EPS及其組分對污泥脫水性能的影響.有研究[5,27]研究發(fā)現(xiàn)LB- EPS以及LB-EPS中的PN含量與污泥的脫水性能密切相關(guān).⑥粘液層中可溶性PN和PN/PS對污泥脫水性能的影響.何培培等[30]研究認(rèn)為污泥脫水性能主要受粘液層的可溶性PN和PN/PS影響,幾乎不受其它EPS層中化學(xué)組分的影響.
本研究中隨著C/N的增大污泥的脫水性能變差. 分析原因,隨著C/N的增大,污泥中的EPS含量(圖1)增大,產(chǎn)生了空間阻力,阻礙了泥水分離;以及EPS中的PS含量增多[圖2(a)]提供了大量的親水基,不利于泥水分離.此外Higgins等[31]認(rèn)為1~100μm的膠體顆粒對于污泥的脫水性能有著重要的影響,所以筆者推測隨著C/N的改變,污泥中的膠體粒徑發(fā)生了改變,而R15系統(tǒng)中所含低于100mm的膠體顆粒所占的比重可能較大.
[圖4(e)]可見,隨著C/N的增加,SVI值[(61→115→150→197)mL/g]隨之增大,即C/N對污泥的沉降性能影響較為顯著.[圖4(f)]所示,EPS含量與SVI有一定的正相關(guān)性[32].
為了深入探究高C/N系統(tǒng)污泥沉降性能惡化[圖4(e)]的可能原因,本試驗(yàn)通過采用SEM觀察活性污泥系統(tǒng)內(nèi)微生物種群特性.圖5所示為SBR系統(tǒng)運(yùn)行至第201d,取活性污泥樣品進(jìn)行SEM分析.結(jié)果表明,4種C/N的活性污泥系統(tǒng)中以橢球狀菌[約為(0.24′0.43)mm~(0.53′1.23)mm]和桿狀菌(約為0.31~2.2mm)為主,基于4種系統(tǒng)的氨氮去除率均為90%以上的試驗(yàn)結(jié)果,分析4種系統(tǒng)中菌膠團(tuán)主要以硝化菌構(gòu)成.并且在R10和R15系統(tǒng)內(nèi)[圖5(c, d)]存在非硝化菌形態(tài)特性的菌種,結(jié)合R10和R15系統(tǒng)沉降性能惡化[圖4(e)],筆者推測隨著C/N的提高,不同基質(zhì)條件下活性污泥系統(tǒng)內(nèi)的微生物種群特性有著顯著改變,滋生出大量絲狀細(xì)菌.因此我們可以得到,R10和R15系統(tǒng)沉降性能惡化的主要原因是絲狀細(xì)菌所引起的.
圖5 不同C/N活性污泥SEM圖片
圖6 R5系統(tǒng)活性污泥表面的SEM-EDS
表4 不同C/N活性污泥表面元素組成
圖6所示以采用掃描電子顯微鏡-X射線能譜儀(SEM-EDS)獲得的R5系統(tǒng)活性污泥表面元素SEM-EDS圖為例.歸納總結(jié)4種系統(tǒng)的EM-EDS檢測數(shù)據(jù)如表4所示,可清楚反映出,活性污泥表面組成元素主要為C、N、O和P.C構(gòu)成微生物細(xì)胞的碳架,因此其含量最多,其次為N(提供微生物合成蛋白質(zhì)的原料).此外隨著C/N增大,C、N和O的表觀濃度以及所占的百分比表現(xiàn)為遞減的趨勢.
3.1 C/N對EPS、TB-EPS和LB-EPS含量具有一定影響.隨著C/N值的升高,EPS和TB-EPS均呈現(xiàn)逐漸上升趨勢,LB-EPS呈現(xiàn)逐漸降低趨勢.此外,EPS以TB-EPS為主(占77.4%~93.6%).
3.2 C/N對EPS中PN、DNA和PS含量產(chǎn)生明顯影響.EPS和TB-EPS中PN、PS和DNA的含量隨C/N升高而升高.LB-EPS中PN、PS和DNA的含量隨著C/N值增大而降低.此外,PS占EPS、TB-EPS和LB-EPS的70%以上,是EPS、TB-EPS和LB-EPS的主要成分.
3.3 C/N對污泥的脫水性能及沉降性能影響顯著.CST和SRF都能較好的表征污泥的脫水性能.且隨著C/N的增大,CST、SRF和SVI值顯著增大,污泥的脫水及沉降性能變差.
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Effect of C/N ratio on extracellular polymeric substance (EPS) in the sequencing batch reactor (SBR).
SUN Hong-wei1*, CHEN Cui-zhong1, GAO Yu-xue2, ZHAO Hua-nan3, YU Xue1, XU Juan4*
(1.School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China;2.Design Institute of Beijing Sound Environmental Engineering Co. Ltd, Beijing 101102, China;3.Engineering consulting and supervision of China Railway First Survey & Design Institute Group Co. Ltd, Xi'an 710000, China;4.Solid Waste and Chemicals Management Center. MEP, Beijing 100029, China)., 2018,38(3):950~958
In this paper, the long-term effect of C/N ratio on extracellular polymeric substance (EPS) in the sequencing batch reactor (SBR) treating synthetic wastewater was investigated under four C/N ratio conditions (0, 5, 10, 15). The results showed that the C/N ratio had a significant impact on EPS and its composition. With the increase of C/N ratio (0→5→10→15), EPS and tightly bound EPS (TB-EPS) content increased, while, loosely bound EPS (LB-EPS) decreased slowly. TB-EPS was dominant in EPS (the percentage of TB-EPS/EPS was 77.4~93.6%). Moreover, protein (PN), Carbohydrate (PS) and DNA in EPS and TB-EPS increased with the C/N ratio increasing. PN, PS and DNA in LB-EPS decreased as the C/N ratio increased. Moreover, capillary suction times (CST) and specific resistance to filtration (SRF) increased when the C/N ratio increased, and caused deterioration in sludge dewaterability.
C/N ratio;extracellular polymeric substance;dewaterability
X52
A
1000-6923(2018)03-0950-09
孫洪偉(1976-),男,黑龍江齊齊哈爾人,教授,博士,主要研究方向?yàn)楦甙钡鬯锩摰斑^程控制.發(fā)表論文40余篇.
2017-08-01
國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51668031);甘肅省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1606RJZA009);蘭州交通大學(xué)百名青年優(yōu)秀人才培養(yǎng)計(jì)劃(152022)
* 責(zé)任作者, 教授, shw@emails.bjut.edu; xujuan@mepscc.cn