BioWin數(shù)學(xué)模型在污水處理廠輔助工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陳建，周諧，李萍，黃偉，龔玲

(重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，重慶 401147)

BioWin數(shù)學(xué)模型在污水處理廠輔助工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陳建，周諧，李萍，黃偉，龔玲

(重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，重慶 401147)

目前，城市污水處理廠設(shè)計(jì)方式還是依據(jù)設(shè)計(jì)手冊選取參數(shù)，難以準(zhǔn)確預(yù)測不同進(jìn)水負(fù)荷和污染物組分條件對出水產(chǎn)生的影響。利用污水處理模型軟件對污水處理廠設(shè)計(jì)文件進(jìn)行模擬可以快速地驗(yàn)算不同條件對處理效果的影響。利用BioWin模型對重慶市某鎮(zhèn)級污水處理廠設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬，結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)及運(yùn)行條件下，該廠各出水水質(zhì)均能達(dá)到一級B標(biāo)準(zhǔn)，滿足設(shè)計(jì)要求；通過進(jìn)水特征變化模擬，按照設(shè)計(jì)文件的變化系數(shù)增大進(jìn)水水量后或降低進(jìn)水COD濃度時(shí)，均會導(dǎo)致出水超標(biāo)；通過運(yùn)行特征變化模擬，降低內(nèi)回流比，在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上可減少1臺曝氣機(jī)，既能節(jié)能降耗又能保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)；對原有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，在原方案基礎(chǔ)上優(yōu)化方案為減少1臺曝氣機(jī)曝氣量，調(diào)整內(nèi)回流比為50%，調(diào)整污泥回流比為75%。優(yōu)化方案模擬結(jié)果表明，不論是在平均運(yùn)行溫度還是在不利運(yùn)行溫度下，該優(yōu)化方案均能使出水各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。

BioWin；污水處理；輔助設(shè)計(jì)；模擬

我國城市污水處理事業(yè)發(fā)展迅速，污水處理能力和效率逐漸提高。目前，城市污水處理廠設(shè)計(jì)主要根據(jù)設(shè)計(jì)手冊選取處理負(fù)荷，通過處理負(fù)荷計(jì)算構(gòu)筑物尺寸和工藝參數(shù)，并乘以安全系數(shù)作為最終參數(shù)[1-2]。這種設(shè)計(jì)方法雖然簡單易用，但不同進(jìn)水負(fù)荷及污染物組成條件下生化反應(yīng)情況，以及降雨等沖擊負(fù)荷，使用傳統(tǒng)方法難以做出較準(zhǔn)確的評價(jià)[3]。

污水處理數(shù)學(xué)模型輔助工藝設(shè)計(jì)是在初步設(shè)計(jì)完成后，通過數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行工藝模擬，驗(yàn)算在不同進(jìn)水特性、運(yùn)行條件和動力學(xué)參數(shù)對處理效果的影響[4]。近年來，活性污泥工藝的數(shù)學(xué)模型及其軟件得到快速發(fā)展，并逐漸用于污水處理工藝設(shè)計(jì)，為解決上述問題提供了新的方法和途徑[5]。數(shù)學(xué)模型輔助污水處理廠工藝設(shè)計(jì)在國外已有較多應(yīng)用[6-14]，國內(nèi)在較發(fā)達(dá)地區(qū)也有數(shù)學(xué)模型輔助污水處理廠設(shè)計(jì)和改造的先例[15-17]，但在重慶地區(qū)尚未開展此類研究。

BioWin軟件采用ASDM綜合模型，能模擬污水處理過程中的50種組分以及80個(gè)物理、化學(xué)和生物反應(yīng)過程，具有良好的工程應(yīng)用實(shí)踐[18]。本研究采用BioWin軟件作為模型模擬平臺對重慶市某鎮(zhèn)級污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)行工藝模擬，對污水處理設(shè)計(jì)文件參數(shù)進(jìn)行評價(jià)。分析三峽庫區(qū)特有污水負(fù)荷條件下污水處理?xiàng)l件，并基于該模型發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)存在的問題，提出優(yōu)化方案。

1 設(shè)計(jì)方案分析與建模

1.1設(shè)計(jì)方案介紹

重慶某鎮(zhèn)級生活污水處理廠主要收集該鎮(zhèn)生活污水和部分園區(qū)工業(yè)廢水，近期設(shè)計(jì)日處理5000 m3/d，總變化系數(shù)K=1.74。該污水處理廠設(shè)計(jì)使用A2/O氧化溝工藝，采用Carrousel氧化溝，圖 1為該污水廠處理工藝流程。

圖1 污水處理工藝流程Fig.1 Sewage treatment process

工藝設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)如表1所示，排放標(biāo)準(zhǔn)為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[19](GB 18918—2002)的一級B標(biāo)準(zhǔn)。

表1 設(shè)計(jì)方案的進(jìn)出水水質(zhì)

1.2模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，模型設(shè)置了兩組并聯(lián)的處理單元，并根據(jù)溶解氧水平，各組處理單元設(shè)置了1個(gè)厭氧區(qū)、1個(gè)缺氧區(qū)、1個(gè)好氧區(qū)(分為8段)和1個(gè)二沉池。概化模型如圖 2所示。

依據(jù)該污水處理廠《初步設(shè)計(jì)說明》，對生化處理單元的構(gòu)筑物設(shè)計(jì)尺寸，可以確定模型中各單位的結(jié)構(gòu)尺寸，該污水處理廠兩組并聯(lián)生化池設(shè)計(jì)完全一致，構(gòu)筑物尺寸如表2所示。

圖2 污水處理廠A2O工藝模型Fig.2 A2O process model of wastewater treatment plant

1.3設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)

根據(jù)該污水處理廠初設(shè)說明，對系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行匯總分析，按如下內(nèi)容選取了參數(shù)值，確定工藝模擬的基準(zhǔn)狀態(tài)。

1.3.1溶解氧設(shè)置

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，每組處理單元設(shè)置機(jī)械曝氣機(jī)4臺，充氧量13.7 kg/h，功率7.5 kW，曝氣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)氧傳遞速率使用BioWin模型默認(rèn)值1.5 kg/(kW·h)。在實(shí)際運(yùn)行中，由于每臺曝氣機(jī)近端耗氧速率高，遠(yuǎn)端耗氧速率低，因此在每臺曝機(jī)近端溶解氧按曝氣機(jī)功率設(shè)置，遠(yuǎn)端采用溶解氧嘗試反饋控制。

表2 BioWin模型中的構(gòu)筑物尺寸

1.3.2內(nèi)外回流

按設(shè)計(jì)方案對系統(tǒng)的內(nèi)外回流進(jìn)行了理論計(jì)算。

內(nèi)回流泵。設(shè)計(jì)內(nèi)回流污泥泵參數(shù)Q=200 m3/h，內(nèi)回流比為200%。

外回流：外回流污泥設(shè)計(jì)流量為：Q=0.058 m3/s，潛污泵功率為Q=104 m3/h，揚(yáng)程H=6.5 m，功率因數(shù)COSΦ=0.8。污泥回流比為100%。

1.3.3排泥量設(shè)置

剩余污泥量設(shè)計(jì)值為932 kg/d，含水率99.2%，折合每天排放剩余污泥116.5 m3，根據(jù)剩余污泥量計(jì)算SRT為21 d。此外，初設(shè)文件中設(shè)計(jì)SRT為19 d，設(shè)計(jì)混合液濃度4000 mg/L，有效池容5000 m3計(jì)算，則剩余污泥量為1052.6 kg/d。因此，設(shè)計(jì)文件中根據(jù)泥齡計(jì)算的剩余污泥量和根據(jù)剩余污泥量計(jì)算的泥齡略有差別，差值約11.4%，本研究利用設(shè)計(jì)剩余污泥量模擬泥齡。

1.3.4設(shè)計(jì)水溫

初設(shè)說明選取最不利水溫10℃作為設(shè)計(jì)值。但由于污水處理廠日常運(yùn)行溫度范圍在10～30℃，選擇20℃作為模擬條件，再計(jì)算在10～30℃時(shí)對處理效果的影響。

1.4模型參數(shù)

1.4.1進(jìn)水水質(zhì)組分

根據(jù)初設(shè)數(shù)據(jù)和模型要求設(shè)置進(jìn)水參數(shù)。對于模型要求但初設(shè)方案中缺少的數(shù)據(jù)，利用模型默認(rèn)值、相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)或參考相關(guān)文獻(xiàn)獲得。具體參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 模型進(jìn)水組分設(shè)置

注：①根據(jù)長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，該鎮(zhèn)生活污水中NH3-N和TKN比例，TKN由NH3-N設(shè)計(jì)濃度計(jì)算得出。

1.4.2模型動力學(xué)參數(shù)

在運(yùn)用模型進(jìn)行污水處理工藝設(shè)計(jì)時(shí)，由于污泥活性難以估計(jì)，因此模型模擬的動力學(xué)參數(shù)和化學(xué)計(jì)量參數(shù)選擇模型默認(rèn)值，具體如表4所示。

表4 模型主要動力學(xué)參數(shù)

2 設(shè)計(jì)方案的模擬

2.1設(shè)計(jì)工藝模擬結(jié)果

2.1.1基準(zhǔn)狀態(tài)模擬

根據(jù)以上設(shè)計(jì)參數(shù)為基準(zhǔn)，模擬污水處理廠出水水質(zhì)情況。目的一方面在于檢驗(yàn)在以上設(shè)計(jì)條件下，污水處理廠運(yùn)行和出水是否滿足設(shè)計(jì)要求，另一方面將該狀態(tài)作為其他工藝參數(shù)或水質(zhì)參數(shù)調(diào)整的比較基準(zhǔn)，分析在調(diào)整參數(shù)后污水處理廠的出水水質(zhì)變化情況。

按照以上設(shè)計(jì)條件利用BioWin對該污水處理廠進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如表5所示。

表5 污水處理廠運(yùn)行情況模擬值

表6 污水處理廠出水模擬結(jié)果

從上述結(jié)果可以看出，按此設(shè)計(jì)參數(shù)，模擬的污水處理廠在實(shí)際運(yùn)行過程中生化反應(yīng)單位MLSS濃度為2623 mg/L，MLVSS濃度為1638 mg/L，基本處于活性污泥處理要求水平,但略低于設(shè)計(jì)文件中的4000 mg/L。厭氧池、缺氧池和好氧池的DO濃度分別為0、0.01 mg/L和2623 mg/L。

根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)模擬的出水水質(zhì)如表6所示。由表6可以看出，所有出水的污染物指標(biāo)模擬值均低于設(shè)計(jì)出水水質(zhì)，即均能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002 )一級B標(biāo)準(zhǔn)。處理效率也均高于設(shè)計(jì)處理效率。該污水處理廠按目前設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)行處理能力大于目前進(jìn)水水質(zhì)所需處理能力，因此設(shè)計(jì)方案具有節(jié)能降耗、提升出水水質(zhì)的優(yōu)化改造空間。

2.1.2進(jìn)水特征模擬

(1)進(jìn)水水量增加

污水處理廠處理量變化系數(shù)為1.74，因此可能出現(xiàn)8700 m3/d的進(jìn)水流量。計(jì)算在設(shè)計(jì)條件下，僅修改進(jìn)水水量為持續(xù)高流量進(jìn)水條件，保持其他工藝運(yùn)行條件不變，模擬結(jié)果如表7所示。

從模擬結(jié)果可以看出，按照設(shè)計(jì)文件變化系數(shù)增大進(jìn)水流量后，出水NH3-N濃度大幅增大為9.8 mg/L，超過一級B標(biāo)準(zhǔn)，NH3-N處理效率迅速降低。與此同時(shí)，出水TP濃度有較大減少，為0.47 mg/L，為基準(zhǔn)模擬濃度的58%。

在現(xiàn)有曝氣機(jī)功率提供的曝氣量一定的情況下，生化池DO濃度下降為原來的47%。氧化溝中較低的溶解氧影響硝化作用，從而影響NH3-N的去除[20]。但同時(shí)，較低DO濃度有利于TP的去除。

(2)進(jìn)水COD濃度降低

根據(jù)設(shè)計(jì)方案提供的歷史檢測數(shù)據(jù)，以及相關(guān)文獻(xiàn)[21]調(diào)查結(jié)果，重慶地區(qū)生活污水處理廠典型進(jìn)水COD濃度約為260 mg/L。在基準(zhǔn)模擬狀態(tài)下，將進(jìn)水COD濃度降低為260 mg/L，其他條件不變，模擬出水水質(zhì)情況結(jié)果如表8所示。

表7 最高進(jìn)水流量下的模擬結(jié)果

表8 低進(jìn)水COD濃度下模擬結(jié)果

根據(jù)結(jié)果可以看出，進(jìn)水COD濃度降低時(shí)，TP的去除受到明顯影響，出水TP已遠(yuǎn)超過排放標(biāo)準(zhǔn)。這是由于碳源過低，厭氧段釋磷不足，從而造成TP去除受到影響。但進(jìn)水COD的降低對出水NH3-N影響不大，這是由于進(jìn)水碳源等有機(jī)物在生化反應(yīng)時(shí)會優(yōu)先完成反硝化過程，因此氮的去除受影響程度比磷要小。與此同時(shí)，進(jìn)口COD濃度的降低，需氧量也有所降低，好氧池中可相應(yīng)減少曝氣機(jī)開啟數(shù)量。

2.1.3工藝運(yùn)行條件模擬

(1)內(nèi)回流模擬

對于內(nèi)回流比的模擬范圍可以根據(jù)回流泵的最大回流量來確定內(nèi)回流比的最大值，而最小值則可設(shè)定為不進(jìn)行內(nèi)回流，一般來說內(nèi)回流比的模擬范圍在0～300%[22]。根據(jù)設(shè)計(jì)文件中內(nèi)回流泵功率，設(shè)計(jì)內(nèi)回流比為最大約200%。調(diào)整不同內(nèi)回流比進(jìn)行模擬，分析對出水水質(zhì)的影響。模擬結(jié)果如表9所示。

表9 不同內(nèi)回流比模擬結(jié)果

模擬結(jié)果顯示，降低內(nèi)回流比對出水NH3-N幾乎沒有影響，可以使得出水TP有所降低。可能是由于內(nèi)回流量占生化池總流量比例有限，因此內(nèi)回流比變化導(dǎo)致的出水濃度變化較小。

(2)污泥回流比模擬

該污水處理廠外回流污泥設(shè)計(jì)流量為：Q=0.058 m3/s，潛污泵功率為Q=104 m3/h，共2臺。該廠最大污泥回流比為100%。對不同污泥回流條件進(jìn)行模擬，以尋找最優(yōu)回流比。模擬結(jié)果如表10所示。

在排泥量不變條件下，隨著回流污泥比降低，氧化溝中MLSS濃度降低。同時(shí)出水的COD和TP濃度降低，而NH3-N和TN濃度增加。減少污泥回流，可減少帶入?yún)捬醭刂械南跛猁}和溶解氧，有利于TP去除。此外，還有學(xué)者研究指出，降低污泥回流比，可增加厭氧池實(shí)際水力停留時(shí)間，增加聚磷菌在厭氧池可有效利用的碳源，使聚磷菌在厭氧池充分釋P，從而提高除P效率[23]。

(3)曝氣量模擬

根據(jù)基準(zhǔn)模擬結(jié)果，好氧區(qū)溶解氧濃度約為1.86 mg/L，此時(shí)出水水質(zhì)均能達(dá)標(biāo)，其中NH3-N濃度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值。因此，可在此基礎(chǔ)上適當(dāng)減少曝氣量，即曝氣機(jī)開啟臺數(shù)，可降低部分能耗。不同溶解氧模擬結(jié)果如表11所示。

表10 不同污泥回流比模擬結(jié)果

表11 不同溶解氧模擬結(jié)果

根據(jù)模擬結(jié)果，適當(dāng)減少1臺曝氣機(jī)時(shí)，出水NH3-N濃度有一定增加，但依然低于標(biāo)準(zhǔn)限值。與此同時(shí)，TP濃度降低。當(dāng)每組氧化溝減少2臺曝氣機(jī)時(shí)，好氧池中的溶解氧濃度已經(jīng)不能滿足NH3-N處理的需求，NH3-N濃度超標(biāo)。因此，在設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，減少1臺曝氣機(jī)曝氣量，在保證NH3-N處理能力的同時(shí)，不僅能降低運(yùn)行能耗，還能有利于TP和TN的去除。

(4)運(yùn)行溫度模擬

不同運(yùn)行溫度模擬結(jié)果如表12所示。

表12 不同運(yùn)行溫度模擬結(jié)果

根據(jù)模擬結(jié)果，當(dāng)水溫逐漸上升時(shí)，氧化溝中的污泥濃度并沒有明顯變化，氧化溝中DO隨溫度增加而降低。出水NH3-N隨水溫增大有明顯下降。有關(guān)研究[24]表明，溫度對NH3-N去除率的影響主要表現(xiàn)在對硝化反應(yīng)過程的影響，當(dāng)溫度低于20℃時(shí)，硝化菌的活動受到抑制，硝化反應(yīng)減弱。但在本系統(tǒng)中仍然能達(dá)標(biāo)排放。

3 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

根據(jù)以上分析，在目前設(shè)計(jì)條件下，該污水處理廠各項(xiàng)出水指標(biāo)均低于排放標(biāo)準(zhǔn)限值，其中NH3-N處理效率最高，而TP相對其他指標(biāo)處理效率較低，出水TP濃度已接近《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級B標(biāo)準(zhǔn)。因此，可以通過BioWin模擬，調(diào)整部分設(shè)計(jì)運(yùn)行條件，使得污水處理廠在達(dá)標(biāo)排放的同時(shí)可節(jié)約泵和曝氣機(jī)的能耗。優(yōu)化方案為減少1臺曝氣機(jī)曝氣量，調(diào)整內(nèi)回流比為50%，調(diào)整污泥回流比為75%。

通過模擬結(jié)果可以看出，在平均溫度20℃時(shí)，設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)情況下，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案出水水質(zhì)NH3-N濃度相比原方案有一定的增加，但出水TP濃度相比原方案下降39.5%，且優(yōu)化后所有模擬出水指標(biāo)均能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)，高于原方案設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

考慮在不利溫度條件下，優(yōu)化方案能否使出水達(dá)標(biāo)，設(shè)置水溫為10℃進(jìn)行模擬，結(jié)果如表13。在低溫條件下，出水NH3-N濃度升高，其他指標(biāo)與20℃時(shí)相差不大。此時(shí)所有指標(biāo)也均能達(dá)到A標(biāo)準(zhǔn)。因此在設(shè)計(jì)進(jìn)水條件下，此優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案是可行的。

表13 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化模擬結(jié)果

4 結(jié)論

(1)利用BioWin模型對重慶市某鎮(zhèn)級污水處理廠設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)及運(yùn)行條件下，該廠各出水水質(zhì)均能達(dá)到一級B標(biāo)準(zhǔn)，滿足設(shè)計(jì)要求，這說明該廠的設(shè)計(jì)方案是可行的。

(2)通過進(jìn)水特征變化模擬，結(jié)果表明，該污水處理廠按照設(shè)計(jì)文件的變化系數(shù)增大進(jìn)水量后，由于曝氣機(jī)功率限值，會導(dǎo)致好氧池溶解氧濃度迅速降低，出水NH3-N超標(biāo)；進(jìn)水COD濃度低于設(shè)計(jì)值時(shí)，導(dǎo)致碳源不足，出水TP超標(biāo)。

(3)通過運(yùn)行特征變化模擬，結(jié)果表明，模擬結(jié)果顯示，降低內(nèi)回流比能適當(dāng)降低出水TP濃度，但對其他出水指標(biāo)沒有明顯影響；降低污泥回流比能有效降低出水TP濃度；在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上可減少1臺曝氣機(jī)，出水水質(zhì)仍然能達(dá)標(biāo)；重慶某鎮(zhèn)級污水處理廠在不同運(yùn)行溫度下出水水質(zhì)均能達(dá)標(biāo)，但低溫會影響NH3-N處理效率。

(4)為提水出水水質(zhì)和節(jié)能降耗，對原有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。在原方案基礎(chǔ)上優(yōu)化方案為減少1臺曝氣機(jī)曝氣量，調(diào)整內(nèi)回流比為50%，調(diào)整污泥回流比為75%。優(yōu)化方案模擬結(jié)果表明，不論是在平均運(yùn)行溫度還是在不利運(yùn)行溫度下，該優(yōu)化方案均能使出水水質(zhì)達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。

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ApplicationofBioWinMathematicalModelinAuxiliaryProcessDesignofWastewaterTreatmentPlant

CHEN Jian, ZHOU Xie, LI Ping, HUANG Wei, GONG Ling

(Ecological and Environmental Monitoring Center of Chongqing, Chongqing 401147, China)

The design method of municipal wastewater treatment plant is based on the design manual at present, but it is difficult to predict the impact of different influent load and pollutant composition condition on the effluent. Using sewage treatment model software to simulate sewage treatment plant design documents can quickly check the impact of different conditions on the treatment effect. This study provided process simulation and design optimization for a sewage treatment plant in Chongqing based on the BioWin software. The result showed that in the design of influent water quality and operating conditions, the water quality of the plant could reach Class I-B standard to meet the design requirements. Through the simulation of water inlet characteristics change, according to the variation coefficient of design documents, increasing the influent water or reducing the influent COD concentration would lead to effluent exceeding the standard. By simulating the operation characteristics and reducing the internal reflux ratio, one set of aerator could be reduced on the basis of the original design, which not only saved energy but also ensured the effluent quality. Based on the original plan, the optimized plan reduced the aeration rate of one set of aerator and adjusted the ratio of internal reflux to 50%. The sludge reflux ratio was adjusted to 75%. The simulation results showed that the optimized plan could reach Class I-A standard whether at average operation temperature or unfavorable operating temperature.

BioWin; wastewater treatment; aided design; simulation

2017-10-11

科技部港澳臺科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2014DFH90030)；重慶市社會民生科技創(chuàng)新專項(xiàng)(cstc2015shmszx20013)

陳建(1977—)，男，高級工程師，碩士，主要研究方向?yàn)樗幚砜刂萍夹g(shù)，E-mail：289031899@qq.com

周諧(1962—)，女，重慶人，教授高級工程師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測，E-mail：9577586@qq.com

10.14068/j.ceia.2017.06.019

X703

A

2095-6444(2017)06-0079-08