我国现代煤化工项目废水处理的误区和建议

梁 睿，崔粲粲，冉丽君，崔积山

（1. 环境保护部 环境工程评估中心，北京 100012；2. 北京国电富通科技发展有限责任公司，北京 100070）

环保政策

我国现代煤化工项目废水处理的误区和建议

梁 睿1，崔粲粲2，冉丽君1，崔积山1

（1. 环境保护部 环境工程评估中心，北京 100012；2. 北京国电富通科技发展有限责任公司，北京 100070）

介绍了我国现代煤化工项目的废水来源及特性，归纳了废水的处理技术路线，从废水“零排放”、废水处理技术与管理、蒸发塘的污染转移、废水处理与固体废物处理及废气处理的关系、污染物源头控制等方面阐述了我国当前煤化工废水处理存在的误区和建议。

煤化工；废水处理；政策建议；蒸发塘；零排放

中国是目前现代煤化工工程实例最丰富的国家，现代煤化工行业总体处于起步和示范阶段。现代煤化工主要采用气化和直接液化两种技术对煤炭进行利用，是煤炭清洁利用的重要手段，但仍具有高污染、高能耗、高水耗的行业特征［1］，且现代煤化工项目还普遍存在布局不合理、水资源匮乏、纳污水体不足等不利因素，可能导致生态破坏和大气、地下水污染等环境问题。尽管目前我国部分煤炭富集省份对于现代煤化工的投资热情高涨，但其发展中暴露的环境保护问题尤其是废水处理、处置问题，仍然是行业发展需要优先考虑的重要因素。

本文通过分析现代煤化工项目废水来源及特性，归纳废水处理技术路线，阐述了我国当前煤化工废水处理存在的误区，并提出针对性的建议，以期引导行业朝着健康有序的方向可持续性地发展。

1 现代煤化工项目废水来源及特性

现代煤化工行业为高耗水行业，煤气化、液化和空分等主辅装置对新鲜水、循环水需求量大，远高于传统的石油化工行业。目前，以4×109m3/a规模煤制天然气项目为例，其年耗水量超过2.4×107m3，生产每千标立方米天然气对应的新鲜水耗约6～8 t；煤制油项目吨产品消耗水资源8～12 t［2］；而煤制烯烃项目生产1 t烯烃对应的新鲜水耗高达30 t。尽管现代煤化工项目大量采用空冷、闭式循环水和污水回用等节能、节水技术，但现代煤化工项目的废水产生量仍十分巨大，如某煤制气项目的废水产生量约850 t/h，某煤制烯烃项目的废水产生量约700 t/h。

现代煤化工废水主要分为工艺废水和含盐废水，含盐废水又可分为轻污染含盐废水和重污染含盐废水两类。工艺废水是指现代煤化工生产过程中产生的废水，按照产品不同，可分为煤制天然气废水、煤制油废水、煤制烯烃废水等类型；按照工艺环节不同，可分为气化废水、净化废水、甲醇合成废水、费托合成废水、甲醇制烯烃/甲醇制丙烯废水等。考虑到整个煤化工企业的水平衡和污水回用等要求，在实际废水处理中还必须考虑另一类废水，即轻污染含盐废水，包括锅炉排污水、脱盐水站排水、循环冷却水排污水等［3］。

煤化工工艺废水的主要污染物为COD、总酚、氨氮、氰化物、石油类、重金属等，污染物种类、浓度与煤质和气化工艺关系密切。气流床和流化床气化技术是现代煤化工主要采用的合成气生产技术。采用气流床和流化床气化工艺、优质原料煤时，废水水质相对简单，COD为600～1 000 mg/L，ρ（氨氮）为100～500 mg/L，酚和石油类含量较低，废水相对容易处理。目前煤制甲醇、烯烃、乙二醇及间接液化等煤气化工艺路线多采用气流床气化工艺，以德士古（通用）水煤浆气化工艺、壳牌粉煤气化工艺、西门子粉煤气化工艺、航天炉粉煤气化工艺为代表。固定床气化技术由于气化温度低，煤中部分物质未被高温转化而进入气化废水，产生的废水中主要含有酚、氨氮、焦油、芳烃等物质，成分复杂、色度大、毒性大，即使经过酚、氨回收，COD仍高达3 500～4 500 mg/L，处理较困难［4］。目前煤制天然气项目多采用固定床气化工艺中的碎煤加压气化技术气化褐煤和长焰煤。

其他工艺废水各有特点，例如费托合成废水有机物浓度高，COD高达30 000～40 000 mg/L，缺乏氮磷等营养元素，废水呈酸性，对微生物具有抑制作用［5］；甲醇制烯烃过程产生难以处理的废碱液；乙二醇合成废水具有较高的硝酸盐氮浓度；碎煤气化渣池溢出废水悬浮物浓度较高，含有一定的氨氮和酚类物质等。

与工艺废水相比，含盐废水产生量更大，各类含盐废水产生量约占全部废水的60%～70%。废水中盐分主要来自三大部分：原水或原煤、生产过程中所添加的药剂（包括萃取剂、催化剂等）、给水系统和水处理工艺中添加的废水处理药剂。

2 现代煤化工废水处理技术路线

由于现代煤化工行业仍处于示范阶段，受煤种、主体工艺和装备、操作管理水平、环保认识等因素影响波动，现代煤化工废水并无统一的处理模式。目前，专业从事废水处理的公司也基本没有独立完成废水处理全流程成功运营的案例。

根据废水最终去向的不同，现代煤化工废水工艺技术流程往往分为以下两条路线：1）排放路线。废水具有排污去向时，企业将废水经过“生化处理—深度处理”后充分回用，高浓盐水排放至地表水体。2）不外排路线。“十一五”期间，在不具备排污去向的地区，企业为推动项目通过审批，提出废水不外排的技术路线，即“生化处理—深度处理—蒸发塘自然蒸发”路线。“十二五”以来，受实践中存在的种种弊端影响，该路线逐渐不被认可，行业内出现了“结晶”路线，即不再向外界排放废水，而是采用结晶工艺从废水中提取出固态盐。但目前没有现代煤化工企业真正提取出氯化钠、硫酸钠固体，个别项目提出的固态盐仍为杂盐，氯化钠、硫酸钠分离提纯的技术仍在中试、甚至小试阶段，屡屡不成功。

总体来说，现代煤化工项目采用的废水处理流程较长，主要分为如下4个工艺过程，即预处理（主要为酚、氨回收）、生化处理、深度处理及回用、高盐废水处理。

2.1 酚、氨回收

酚、氨回收联合工艺主要用于碎煤加压气化和煤直接液化项目的含酚、氨废水的预处理。以碎煤加压气化为代表的固定床气化技术气化温度相对较低，合成气中含有一定浓度的酚和氨，造成气化废水含有高浓度的酚和氨，酚、氨回收联合工艺是该类废水的必选预处理措施。采用气流床气化工艺的煤制甲醇、烯烃等项目的工艺废水的酚含量极低，不需要设置酚回收设施。酚、氨回收装置既是污水预处理设施，同时也是酚、氨副产品的生产设施，酚、氨回收是否平稳运行受煤质、气化工艺等多种因素影响，其稳定运行也是保证现代煤化工生产和废水生化处理平稳运行的关键。在实际运行中，企业考虑酚、氨回收联合工艺的复杂性和产品控制等因素，将酚、氨回收装置作为工艺装置严格控制管理较为合理。

传统上，煤化工的酚、氨回收工艺流程都是先萃取再脱氨［6］，因而萃取时pH较高，不利于酚的萃取脱除。目前部分新建煤化工项目采用酚、氨回收改进工艺，即“先脱氨再萃取脱酚”，使废水中的总酚质量浓度一般低于600 mg/L、COD低至3 500 mg/L以下［7］。

2.2 生化处理

煤化工废水的生化处理一般采用较为主流的A/O工艺，常见的形式有推流池、SBR［8］、氧化沟、循环式活性污泥法（CAST）等。煤化工废水进入主生化系统前，为了避免生产装置工况异常导致后续系统受到冲击，预处理单元设置一座调节池来对进水水量和水质进行调节。A/O工艺是前置反硝化工艺，A池为缺氧池，作用是将硝态氮转化为N2逸出。某项目将O池按功能划分为三部分，分别是高负荷脱碳段、低负荷脱碳段、硝化段，前两段脱除COD和BOD，后一段是将凯氏氮转化为硝态氮，并通过硝化液回流至A池进行反硝化。SBR工艺能够通过时间和空间上造成交替缺氧和好氧过程而实现同池内的硝化-反硝化功能。

由于不同气化工艺所产生废水的特性不同，应根据水质合理选择处理工艺。某煤制烯烃项目，废水可生化性较好，BOD5/COD约为0.4，调节池出水COD约为600 mg/L，A/O停留时间近80 h，经A/ O/BAF处理后，出水COD约为60 mg/L。某煤制甲醇及下游化工产品项目，A池进水COD约为1 200 mg/L，采用二级A/O，停留时间70 h，沉淀池出水COD约为120 mg/L。但采用碎煤加压气化技术的煤制天然气项目，其废水的生化处理相对困难，甚至需要在预处理后设置厌氧单元，用于提高废水的可生化性。厌氧工艺通常有两种类型，一种是水解酸化工艺，另一种是厌氧污泥流化床工艺。

2.3 深度处理及回用

我国现代煤化工项目多布局于西部缺水地区，为充分提高水资源的利用率，必须进行废水深度处理，以满足回用要求。深度处理工艺包括絮凝、澄清、沉淀、中和、过滤、超滤、反渗透等。某项目对于生化处理单元出水采用了电解化学氧化的高级氧化技术。电解化学氧化法是利用阳极的高电位来降解溶液中的有毒化合物，由于反应过程中能产生氧化能力很强的·OH自由基，在处理难生物降解或一般化学氧化难以奏效的有机废水时，具有开环和断链作用，改性作用明显，能提高废水的可生化性［9］。

回用水的去向一般作为循环冷却水补水，故深度处理出水的水质指标应满足GB 50335—2002《污水再生利用工程设计规范》［10］中循环冷却系统补充水的水质要求，出水含盐量一般应小于100 mg/L，回用水回收利用率一般应达到70%及以上。

2.4 高盐废水处理

高盐废水一般来自反渗透装置的浓水。对于高浓盐水，一般处理流程为：预处理（过滤、超滤等）—反渗透—蒸发（多效蒸发、机械压缩蒸发等）［11］。反渗透处理后的清水回用于循环水系统，产生的浓液一般送去结晶器或蒸发塘处置。“十一五”示范项目中，部分项目将高盐废水蒸发后直接外排地表水体或送至蒸发塘自然晾晒，而“十二五”开展前期工作的示范项目多数考虑将浓盐液送入结晶装置，提取固体盐。

3 我国现代煤化工项目废水处理误区和建议

3.1 废水“零排放”的实质问题

在我国，大量的煤化工项目集中布局在缺少纳污水体的西部地区，受自然环境限制，废水没有排放去向。为推动煤化工项目上马，企业及地方政府提出所谓的废水“零排放”方案。单就技术本身而言，如不计成本、不考虑长期稳定运行，是可以实现废水“不外排”的。但是废水“不外排”并不等同于废水“零排放”。实际上，废水零排放是一个系统性问题，不仅仅是水的问题，还涉及废水处理过程产生的大气污染（主要是VOCs）和废渣的问题。真正意义上的废水“零排放”指的是厂内除后期雨水外所有废水全部综合利用，没有任何途径的变相排放（包括回收水）；废水处理能够实现长周期稳定可靠运行，废水处理过程中的副产物全部得到利用或安全处置，包括气相与固相物质在内的所有废物没有任何形式的污染转移。

目前已获国家发改委路条的约30个项目中大部分计划采用废水“零排放”技术路线。就单个煤化工企业而言，一方面处理后的废水由于难以实现及时回用而导致一系列问题，另一方面，以蒸发—结晶为核心的所谓“零排放”技术的综合成本极高，现有水处理企业计算成本时仅计算工艺本身的设备费（含反渗透装置损耗）、动力费、人工费等，未综合考虑结晶盐的最终处置成本、二次污染治理成本以及大量处理后无法回用的废水外排的环境风险成本等。据了解，目前没有一家已运行的煤化工企业能够实现真正意义的“零排放”，废水处理过程仍存在挥发性有机物逸散、生化污泥和结晶盐处置方式不安全等问题。

当前现代煤化工行业普遍存在的废水处理问题，其实已脱离单个废水处理技术本身。所谓废水“零排放”方案不应大规模推广，建议应将企业优化合理选址布局作为前提，以改善环境质量为核心，以环境为首要布局考虑因素。煤化工项目如何选址布局，是关乎生态环境保护的核心问题。分析“十一五”现代煤化工示范项目的分布情况可以发现，项目布局十分分散。煤炭资源作为煤化工项目的原料，其选址布局主要分为坑口、用户、第三地等3种。目前的项目选址均以煤炭资源作为首要因素，地方政府要求煤炭企业在本辖区内选择煤炭运输费用低的坑口方案，但由于我国煤水资源分布不均，煤炭富集地区生态环境相对脆弱，该方案存在水和环境要素不匹配的问题，规划布局的不合理性已在先期投运的示范项目逐步显现。建议打破辖区壁垒，优先选择水资源相对丰富、具备排污去向、水环境风险相对较小的第三地，布局现代煤化工项目。

3.2 废水处理技术与管理中的普遍问题

目前各行业普遍存在“重生产轻环保”的思想，“先污染后治理”问题突出，缺乏系统化的先进企业管理理念。个别项目的主体生产工艺在工业化试验后进行了大规模推广，但对废水处理难度估计不足，废水处理方案甚至仅在进行了小试后就与主体工艺同步上马大规模工业化。个别项目未落实环评批复要求或不正常运行废水处理设施，由于对环保问题重视程度不够和设计运行管理经验不足，在试生产过程中，将无法回用的废水或高浓度有机废水排入蒸发塘，甚至偷排至外环境，造成了不良环境影响，遭到舆论谴责。

单就废水处理技术本身，存在酚、氨回收效率低影响生化处理、难降解污染物浓度高、泡沫问题突出、氨氮及总氮去除效率低下、生物毒性显著、水质波动大、处理设施运行稳定性差、高浓盐水处理成本居高不下等问题。

现代煤化工属于高技术行业，为促进行业健康有序发展，对其用水和废水也应实现精细化管理。首先，应统筹考虑前段化工工艺和后段污水处理工艺的系统衔接问题，从煤种、工艺参数、操作条件等角度吃透主体工艺和水污染物源强，从化工装置源头上减少污染物排放量；其次，废水处理技术应在与主体工艺开展同等深度的研究和试验的基础上再工业化，真正承担环保示范任务，不宜盲目提出所谓“零排放”方案并被简单快速复制；第三，在国家对环境保护工作要求日益严格的新形势下，“环保违法成本低、守法成本高”的形势已逐渐得到扭转，企业应高度重视废水处理等环保问题，将水作为核心生产要素而非辅料管理，加强对生产及废水处理操作人员的培训和要求，做到真正精细化管理。

3.3 蒸发塘的污染转移问题

我国“十一五”煤化工示范项目几乎全部采用蒸发塘路线的废水“零排放”方案。通过实地考察调研，目前大部分已投运的项目都存在不同程度上的环境问题。至今仍没有一个项目可以实现长周期稳定的废水“零排放”，仅1个“零排放”项目完成竣工环保验收，舆论质疑不断。严格说，蒸发塘方案并非真正意义上的废水“零排放”。蒸发塘在实际应用过程中主要存在以下问题：

一是蒸发能力差。事实上，新疆伊犁、内蒙古蒙东和鄂尔多斯等地区自然干燥指数低，项目配套的蒸发塘均保持高水位，蒸发能力远低于设计水平，蒸发效果不显著，环境风险大。

二是使用功能错位。蒸发塘并非废水缓冲池，更非事故水池。为减缓上游工艺装置异常排水对生化处理系统的冲击和处理后废水的调蓄，现代煤化工项目一般在污水处理站设置符合设计的大容量事故污水缓冲池和废水收集缓冲池。而蒸发塘的功能定位仅仅是晾晒无法回用、无法外排的高浓盐水。但个别企业在生产过程中，将无法处置的高浓度有机废水排入蒸发塘，将蒸发塘作为事故水池利用，与设计初衷不符，造成VOCs和其他有毒有害物质大量外排，污染周边大气环境。这些高盐、高有机物废水，或由于高含盐量导致其无法回抽至生化处理装置处理、或由于高有机物浓度导致其无法回抽至蒸发结晶单元处理，造成蒸发塘久久无法正常使用。

三是防渗性能不佳。现代煤化工废水中的“盐”主要来源于原水和涉水环节（如pH调节）人为添加的盐。部分蒸发塘中已有深根水生植物，可见防渗层已被破坏。对部分企业的蒸发塘进行“盐平衡”核算发现，蒸发塘内实测的含盐量远低于理论含盐量，说明大量的盐分有渗入地下的可能性，将对地下水和土壤造成不利影响。

四是对退役期蒸发塘的环境影响缺乏基本考虑。在实际运行中，由于大部分所谓废水“零排放”的建设项目为新建项目，未到蒸发塘的封塘期，部分工业园区虽已考虑到蒸发塘的问题，但其盐泥处置和封塘后的措施均不明确。

建议今后仅允许在宁夏、新疆准东等自然干燥指数高的地区少量布置蒸发塘，严格其自然晾晒高浓盐水的使用功能，仿照自然晒盐场建设并开展环保示范，加强防渗处理，找寻妥善处理盐泥的途径和措施。在上述具备环保示范意义的蒸发塘取得成功前，不建议再盲目铺开建设蒸发塘。

3.4 废水处理与固体废物处理、废气处理的关系问题

煤化工废水“零排放”是一个系统性问题，不仅仅是水的问题，还涉及废水处理过程产生的固体废物问题和废气问题，应全方位看待，不应就废水处理谈论废水处理。

煤化工废水处理问题会转变为固体废物处理问题。采用“蒸发结晶路线”的技术风险在于，除了调节pH时人为添加可增加溶解性总固体的药剂外，为了满足超滤和反渗透的进水要求，系统中还需要投加大量的软化药剂进行除垢，清除废水中钙、镁、硅等杂质。据测算，每处理100 t废水，污泥产生量高达1.2 t。现阶段对现代煤化工废水污泥中重金属含量的研究不充分，污泥如处理不当易引发二次污染问题。较大规模的煤化工企业每年产生上万吨杂盐，其综合利用价值不大。个别新建企业尽管已设计建设了结晶杂盐的工艺，但却并没有杂盐的妥善处置方式。如作为危险废物处置，危险废物填埋场无足够有效空间处置大量杂盐，杂盐固化技术尚不成熟，企业也难以承受委托处置的高成本。对杂盐处置不当易引起二次污染，并复溶于雨水或进入地下水。而煤化工结晶盐分离提纯的技术甚至还没普遍达到中试成熟，未来如何实现杂盐的低成本分离提纯、纯化盐能否得到综合有效利用，将在一定程度上决定煤化工的发展方向。为避免高盐废水处理技术路线发生系统性、方向性的失败，建议目前仅由极少数具备条件的新建项目开展结晶盐纯化分离环保示范任务，在分盐取得成功、结晶盐具备经济环保的综合利用途径后，再行逐步推广煤化工高盐废水分盐路线。

煤化工废水中含有烃类、苯系物、挥发酚等多种VOCs污染物。在废水处理工艺中的均质调节、曝气等环节，废水中各种VOCs随着温度变化可能释放到大气中，此外还存在不同类型的废水在收集系统中发生化学反应释放出新的VOCs的可能。部分现有运行的现代煤化工示范项目存在由于废水处理过程逸散出VOCs和恶臭物质而导致扰民的案例。未来，国家将就该类污染物普遍征收排污费。因此，废水处理中的无组织排放管理应作为现代煤化工项目环境管理的重点，并在废水处理工艺过程中采用密闭措施，进行VOCs、恶臭物质和其他有毒有害物质的收集和处理。

3.5 污染物源头控制问题

煤气化过程是复杂的物理化学反应过程，产生的废水主要由煤质、原水水质和气化炉型决定。煤炭资源能否得到合理高效利用，是源头控制的第一环节。一些特种煤，如富油褐煤（如新疆哈密地区的褐煤含油率为10%左右）被用于生产兰炭，不仅增加了污染物的处理难度，而且无法充分利用煤中的有效资源。又如高含氯的煤炭被用于煤化工行业，由于煤中氯含量过高引起大气污染物、水污染物增加且处理难度极大。因此，煤化工废水处理首先应从源头进行控制，通过清洁生产工艺，减轻原料带来的有毒有害污染物的数量和浓度，实现源头控制。

根据煤质合理的选择气化工艺，结合环保要求统筹考虑工艺流程是源头控制的另一重要环节。目前西部煤化工面临的一个重要难题就是蒸发浓缩母液处置去向问题。单纯的结晶并不能实现真正意义上的“零排放”，需要从源头控制考虑解决此问题的可行性。据了解，美国大平原公司的多效蒸发浓缩液最早是采用焚烧炉焚烧，实际运行中机械故障较多；经过改进，多效蒸发浓缩液和生化污泥直接返回气化炉焚烧，残留有机物被烧掉，水中的盐进入气化灰渣。美国大平原公司的运行结果表明，含尘焦油、多效蒸发浓缩液、生化处理产生的污泥均可送气化炉处理，对气化炉也没有不利的影响。再如，最早上马的一批项目大多采用碎煤加压气化炉，废水污染问题较为严重，随着工艺改进，新上项目很多采取了组合炉型，如“碎煤加压气化+粉煤气化”以及“碎煤加压气化+水煤浆气化”，后者可以考虑用碎煤加压产生的高浓度废水制水煤浆，废水中的有机物在气化炉中燃烧，充分利用热量的同时，也降低了后续废水处理负担。

现代煤化工属于高技术行业，应统筹考虑前段化工工艺和后段污水处理工艺的系统衔接问题，从煤种、工艺参数、操作条件等角度吃透主体工艺和水污染物源强，从化工装置源头上减少污染物的排放量。

4 结语

适度有序发展现代煤化工，将其作为生产乙烯及下游化工产品的重要补充途径，具有非常重要的意义。煤化工行业目前面临新的经济和环保形势，一方面国际油价总体偏低，即使在煤炭价格低的形势下，煤化工产品的利润空间也随着油价下跌而逐步萎缩，有的产品价格已失去价格优势或已低于生产成本；另一方面，国家对环境保护日益重视，作为高污染行业的煤化工，能否在环境保护技术进步方面有所突破，将一定程度上决定行业发展的潜力。

现代煤化工行业要发展，回避不了废水处理处置问题，但不应仅仅纠结于废水“零排放”，“零排放”也不是唯一道路。针对高盐废水的最终去向，建议应加强制度创新和科技创新，由企业自主承担“环保示范任务”，探索包括利用人工盐湖、天然盐湖、深井灌注等在内的多种处置方案，研究制定差异化的环保法律法规政策与标准规范，推进煤化工行业的绿色发展。

煤化工废水处理应首先从源头入手进行管控，通过合理布局、合理用煤、改进工艺、运用新技术等方式从根本上降低污染物的排放，减轻污水处理系统的负担。其次，全行业应一起努力，共同研究行业发展中存在的废水处理处置问题的原因，探讨解决思路，找寻解决办法。未来，现代煤化工行业废水处理领域应重点在碎煤加压气化废水处理、费托合成废水处理、含盐废水处理、废水回用系统调度、结晶盐综合利用、废水处理的二次污染防治、多途径废水处置去向等方面开展大量关键技术和政策的研究，引导行业朝着健康有序的方向可持续性地发展。

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（编辑 叶晶菁）

Misunderstandings on wastewater treatment of modern coal chemical industry in China and suggestions for it

Liang Rui1，Cui Cancan2，Ran Lijun1，Cui Jishan1
（1. Appraisal Center for Environment and Engineering，Ministry of Environmental Protection，Beijing 100012，China；2. Beijing Guodianfutong Science and Development Co. Ltd.，Beijing 100070，China）

The sources and characters of wastewater from coal chemical industries in China are introduced. The processing routes of wastewater treatment are concluded. The misunderstandings on wastewater treatment of coal chemical industry in China are discussed，such as：“zero discharge” of wastewater，wastewater treatment technology and administration，pollution transfer of evaporation pond，relationship among wastewater treatment，solid waste treatment and waste gas treatment，source control of pollutant，and so on. The suggestions are also presented.

coal chemical industry；wastewater treatment；policy suggestion；evaporation pond；zero discharge

X32

A

1006-1878（2016）04-0466-06

10.3969/j.issn.1006-1878.2016.04.021

2016 - 01 - 14；

2016 - 03 - 28。

梁睿（1983—），男，江苏省徐州市人，硕士，工程师，电话 010 - 84913328，电邮 liangrui@acee.org.cn。联系人：崔积山，电话 010 - 84913328，电邮 cancanyeah@163.com。