厌/缺氧时间对好氧颗粒污泥同步硝化内源反硝化和除磷的影响

王 琪,李 冬*,李鹏垚,陈晓义,张 杰,2

厌/缺氧时间对好氧颗粒污泥同步硝化内源反硝化和除磷的影响

王 琪1,李 冬1*,李鹏垚1,陈晓义1,张 杰1,2

(1.北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室,北京 100124；2.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150090)

选用4组同规格SBR反应器,在A/O/A模式下以水解酸化液为进水,调整厌/缺氧时间分别为50min/170min、90min/130min、130min/90min、180min/40min,探讨颗粒污泥在不同厌/缺氧时间下脱氮除磷特性.结果表明,厌氧时间从50min延长至90min时,污泥内碳源储存量和释磷量增加,同步硝化反硝化(SND)效率提高至62.65%,TN、TP去除率分别从81.1%、 82.2%上升92.9%、98.5%.当厌氧时间从90min升至180min时,释磷量反而下降,厌氧内源性条件刺激胞外聚合物(EPS)增加造成聚羟基烷酸(PHA)合成下降,TP去除率降至88.1%;同时缺氧时间从130min降至40min,系统残留的NO-较多,造成TN去除率降低至84%.机理分析表明系统中TN在好氧段由反硝化聚磷菌(DPAOs)和反硝化聚糖菌(DGAOs)利用PHA以SND方式消耗,并在缺氧段由DGAOs内源反硝化进一步去除,TP由PAOs和DPAOs去除,由批次实验估算得DPAOs占比在R2中最高,达41%,4组反应器运行期间颗粒均未发生解体,以水解酸化液为基质培养的颗粒结构完整、稳定性强.结果表明,厌/缺氧时间的适当延长有利于加强内碳源的贮存与转化,强化厌氧释磷、SND和后置内源反硝化效果,实现同步硝化内源反硝化和除磷高效稳定运行.

SBR；好氧颗粒污泥；内碳源；后置反硝化；反硝化聚磷菌；厌/缺氧时间

好氧颗粒污泥(AGS)内部的层状空间结构可为微生物提供所需的好氧/缺氧/厌氧环境[1],同时厌氧/好氧/缺氧(A/O/A)模式运行的序批式反应器(SBR)在时间上为微生物提供不同环境[2-3],从而为同步脱氮除磷提供理想环境.He等[4]报道了在A/O/A模式下应用SBR进行同步硝化、内源反硝化和除磷的可行性.

在SBR中内碳源的储存与利用效果对系统高效稳定运行有重要影响.有研究表明[5]厌氧条件下一些微生物通过吸收挥发性脂肪酸(VFA)转化为细胞内聚羟基烷酸(PHA)作为内部电子供体和储能化合物,若外部碳源不足,可分解胞内聚合物进行内源性反硝化和吸磷,经研究证实利用细胞内碳源去除污染物过程可以降低能耗[6].PHA作为细胞的能量转化中心,在不同微生物代谢中具有重要作用.如反硝化聚磷菌(DPAOs)能在厌氧条件下将体内的聚磷(poly-P)水解为正磷酸盐释放到胞外,利用水解产生的ATP吸收VFA,合成PHA贮存于细胞内,在缺氧段以PHA为电子供体,NO-为电子受体反硝化吸磷,达到“一碳两用”,进一步节约碳源[7].而有研究发现由反硝化聚糖菌(DGAOs)利用PHA和糖原(Gly)驱动内源反硝化实现低C/N比废水中氮的深度去除[8-9].为了提高脱氮除磷效果,吕冬梅等[10]通过延长厌氧时间发现细胞内碳源的储存增加,系统处理效果提高;Lemaire等[11]发现在厌氧/缺氧(A/A)运行的系统中缺氧时间过短会使反硝化不彻底,相反,缺氧时间过长,微生物在缺氧后期缺乏电子供体造成活性下降,脱氮除磷效果不佳.而水解酸化液内VFA含量丰富[12],作为进水碳源时可供微生物合成PHA.并由以上可知,SBR中厌氧和缺氧时间会对脱氮除磷效果产生影响.

基于以上分析,本研究以水解酸化液为进水基质,设置了4组同规格SBR反应器,通过调整不同厌/缺氧时间,探讨系统中污染物去除性能、去除路径、污泥物理特性及胞外聚合物(EPS)分泌情况,以期为好氧颗粒污泥脱氮除磷性能的提升提供参考.

1 材料和方法

1.1 实验装置与运行方法

采用4套相同的有机玻璃制成的SBR反应器R1、R2、R3和R4,每套SBR高50cm,内径14cm,高径比3.5:1,工作体积为6L,换水比为60%,SBR采用A/O/A运行模式,每天运行4个周期,每周期运行360min,包括进水5min,厌氧/好氧/缺氧共340min,沉淀3min,排水5min,其余时间闲置,其中厌氧/好氧/缺氧具体时间如表1所示,好氧段时长设置为120min,曝气强度维持在1.0L/min,并在SBR周期末沉降阶段结束后手动排泥,控制污泥龄为30d,实验共运行45d.

表1 反应器运行参数

1.2 接种污泥及原水水质

反应器接种污泥是实验室前期培养稳定运行的成熟颗粒污泥,污泥浓度为3500mg/L,实验用水取自具有稳定水解酸化性能的水解产酸前处理反应器出水,水解酸化液具体水质指标如表2,用NaHCO3和NaOH调节pH值稳定.

表2 水解酸化液水质情况

注:COD主要VFA类物质组成,VFA组成与含量(以COD浓度计)如下:乙酸85～115(mg/L),丙酸25～35(mg/L),丁酸10 ～20(mg/L),异戊酸5～10(mg/L).

1.3 分析项目与检测方法

采用标准方法对NH4+-N、NO2--N、NO3--N、MLSS和SVI等指标进行测定[13],DO和pH值使用WTW多参数测定仪测定,颗粒粒径采用激光粒度仪(Mastersize 2000)测定.聚羟基烷酸(PHA)、糖原(Gly)分别采用有机溶剂萃取紫外分光光度法和蒽酮比色法测定[14].EPS中蛋白质(PN)测定采用Lowry法测定,多糖(PS)采用蒽酮硫酸法测定[15].

1.4 计算方法和批次实验

1.4.1 CODin效率 系统厌氧阶段细胞内碳源储存效率(CODin)定义为通过PAOs和GAOs储存为内碳源的COD占总消耗COD比例.计算方法如下:

式中:CODintra为内碳源储存量,ΔCODan、ΔNO2-an、ΔNO3-an为厌氧段COD、NO2-和NO3-浓度变化量, mg/L,1.71和2.86分别为异养菌反硝化单位质量浓度NO2-和NO3-所消耗的COD量(以N/COD计), mg/mg

1.4.2 同步硝化反硝化(SND)效率 计算公式如下:

式中:ΔNO2-、ΔNO3-、ΔNH4+分别为好氧段NO2-、NO3-和NH4+浓度变化量,mg/L

1.4.3 聚磷菌内碳源贡献比 计算公式如下:

式中:PAO指PAOs在内碳源储存过程中的贡献比例;PRA为厌氧段释磷量,mg/L;0.5为PAOs厌氧条件下每吸收单位质量的有机碳源所释放的磷量, mol/mol[16].

1.4.4 批次实验 基于最大缺氧和好氧磷酸盐吸收率估算DPAOs相对活性[17].具体步骤为:取每个SBR内稳定时期的污泥2L于烧杯中,将污泥用去离子水清洗3遍,去除上清液后恢复体积至2L,在反应器中加入乙酸钠,将COD浓度控制为300mg/L,厌氧搅拌反应180min,再用去离子水清洗混合液并定容至2L,将污泥均分成2份,分别加入相同量磷酸盐进行缺氧和好氧吸磷实验.其中一份使用微孔曝气,DO浓度保持在3mg/L以上,进行好氧吸磷;另一份加入硝酸钾,控制初始硝氮浓度为30mg/L,并通入氮气保证缺氧环境,进行缺氧吸磷.实验过程中定期取样测缺氧和好氧阶段的TP浓度.

2 结果和讨论

2.1 不同厌/缺氧时间下运行期间系统C、N、P去除效果

如图1所示,尽管进水COD浓度有所波动,但运行过程中R1、R2、R3和R4出水COD均可保持在50mg/L以下,达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)[13]的一级A标准,表明4种运行方式下系统均具有较高的有机物去除能力,厌/缺氧时间的改变对系统COD的去除影响不大.R1、R2、R3和R4对TN和TP去除有明显差异,运行初期由于颗粒污泥需适应新的运行环境,致使出水TN、TP有所波动,随着运行时间延长,4组SBR出水TN、TP浓度不断降低,并在35d左右基本维持稳定,稳定时期R1、R2、R3和R4出水TN分别为9.8, 3.8, 5.0, 8.1mg/L左右,TN去除率为81.1%、92.9%、90.4%、84.0%,出水TP分别为1.35, 0.12, 0.42, 0.89mg/L左右,TP去除率分别为82.2%、98.5%、94.5%、88.1%,其中R2和R3 具有更高的N、P去除效果,出水TN、TP达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)的一级A标准,表明适当延长厌/缺氧时间提高了系统脱氮除磷效果.

2.2 不同厌/缺氧时间下典型周期内系统C、N、P去除效果

选取每个反应器稳定时期(40d)的一个典型周期,考察不同厌/缺氧时间下系统中C、N、P去除效果.如图2所示,R1厌氧时间较短,厌氧末COD浓度为67.2mg/L,R2、R3、R4在厌氧阶段COD迅速降解,前60min内绝大部分COD得到去除,厌氧阶段结束时COD浓度与出水COD浓度几乎相同,其中R2的COD降至最低,释磷变化趋势与之一致,释磷量在前60min达90%以上,而后缓慢释磷,TP浓度在厌氧末达到最大值.当厌氧时间从50min(R1)增加到90min(R2)时,释磷量得到极大增加;厌氧时间从90min(R2)增加到180min(R4)时,释磷量和释磷速率均下降,这和Wang等[6]研究结果不同,可能是由于本研究采用水解酸化液主要为VFA物质,易被微生物利用,所需厌氧时间缩短.伴随COD降解厌氧段还发生了外源反硝化,R1和R4上一阶段残留的NO-更多,NO-均在前20min降解至最低,说明反硝化菌优先利用碳源进行反硝化,从而降低了DGAOs和DPAOs的内碳源储存作用.

在好氧段,TP浓度呈现快速下降,本研究中大部分磷酸盐在好氧段得以去除;同时NH4+被氧化为NO-(主要以NO3-为主);除R1外,其余3组SBR的COD浓度几乎不变,表明微生物利用细胞内储存的PHA进行内源反硝化和吸磷,而R1COD浓度继续下降用于脱氮和除磷.由图可知,4组反应器的NH4+浓度减少量均大于NO-浓度增加量,系统出现氮损失,说明同步硝化反硝化的发生.

在随后的缺氧阶段COD、NH4+几乎没有变化,TP有少量残留,而NO-剩余较多,并在缺氧段进一步下降,优化脱氮效果.但R1和R4出水残留的NO-仍较高,分析其原因是R4缺氧时间过短,好氧末残留的DO未消耗完,缺乏严格的缺氧环境,不利于反硝化的进行;同时有研究表明厌氧时间过长导致VFA耗尽后,微生物会在饥饿条件下内源性消耗糖原影响PHA合成[18],造成反硝化不彻底.R1是由于厌氧时间过短,内碳源储存不足,造成内源反硝化缺乏电子供体,使微生物活性下降,同时R1缺氧时间过长,缺氧末出现了二次释磷,导致除磷效果差.而R2和R3在适当延长厌/缺氧时间下,出水P浓度均在0.5mg/L以下,系统能保持良好的除磷性能.

pH值与细胞膜电位有关,是本研究的重要指示参数.如图2e所示,4个反应器周期内pH值都在7.5～8.5之间,pH值呈弱碱性,对硝化菌、反硝化菌和聚磷菌的生存有利.在厌氧初期,4组反应器均有pH值上升趋势,其中R1和R4上升明显,主要是反硝化菌利用外碳源去除上一周期残留较多的NO-产生碱度.随后聚磷菌储存内碳源进行释磷作用, pH值下降,随着释磷变缓,pH值下降也变缓,直至最低.R4厌氧阶段后期,由于PAOs活性逐渐降低,释磷量少造成pH值几乎未变.在好氧段,R2和R3的pH值变化较小,由于反硝化反应产生的碱度可用于硝化反应消耗,pH值变化小说明反应器内同步硝化反硝化效率高.在缺氧段,R1pH值在前期无明显变化,但在缺氧末时pH值下降明显,分析是由于R1缺氧时间过长,二次释磷造成pH值下降.R2和R3在缺氧段先上升后下降与DPAOs缺氧吸磷有关.

2.3 不同厌/缺氧时间下系统C、N、P去除途径

如表3所示,在厌氧段,根据公式1、2计算R1、R2、R3、R4分别有87.19%、97.26%、95.29%、90.79%的COD被PAOs和GAOs储存为内碳源(CODin),厌氧时间从50min延长至90min时,CODin增加,但继续延长厌氧时间时,CODin反而降低,分析其原因是厌氧时间过长,微生物饥饿发生内源代谢,消耗PHA供自身生长,造成PHA的浪费,这与实验所测结果一致;SBR的厌氧CODin越高,其释磷量(PRA)越高,在厌氧时间为90min(R2)三者均达最大值,进一步说明了内碳源的储存有利于磷的释放,并根据公式3计算PAOs对内碳源储存贡献比例,分别为27.9%、51.7%、49.5%和43.2%,其中R2占比最高,表明厌氧90min更多的内碳源被PAOs以PHA存储.

在好氧段,除R1外其余3组SBR的COD浓度几乎不变,没有VFA用于外源反硝化,因此在好氧段N、P的去除反应是由PHA驱动的内源反硝化和吸磷,吸磷量(PUA)为 39.02, 34.09和27.75mg/L,而R1的PUA为15.63mg/L.计算4个反应器PUA/ΔPHA (0.34, 0.30, 0.31, 0.33)低于PAOs代谢的模型值0.41[19],高于DPAOs代谢模型值0.15～0.20[16,20],表明好氧段磷的去除是由PAOs和DPAOs共同参与,其中R2值更接近于DPAOs模型值,推测其DPAOs占比较高.由于PAOs、DPAOs、DGAOs会在好氧/缺氧条件下利用PHA合成Gly,通过计算ΔGly/ΔPHA比值发现,4组反应器ΔGly/ΔPHA(0.64, 0.70, 0.71和0.68)均高于PAOs模型值(约0.42)和DPAOs模型值(约0.2),低于DGAOs模型值(0.95)[21],表明好氧段有DGAOs参与代谢,若TN均由DGAOs反硝化去除,根据DGAOs的ΔTN/ΔPHA模型(0.24～0.28),需消耗PHA为3.43～3.99mmolC/L,对应PUA低于实际值,说明DPAOs也参与了好氧阶段氮的去除.4组反应器的SND效率分别为50.34%、62.65%、57.85%和57.34%,其中R2的SND效率更高,主要是由于R2反应器PHA储量更高,有利于同步硝化内源反硝化进行,结果表明适当延长厌氧时间有利于SND发生.

在缺氧段,4组反应器的的PUA几乎为0,但TN(NO-)、PHA进一步降低,推测DGAOs内源反硝化脱氮是PHA降低的主要原因,而ΔGly/ΔPHA比值分别为0.72, 0.77, 0.80和0.76,接近DGAOs模型值,证实了后置缺氧段TN减少是由DGAOs消耗PHA内源反硝化造成.

根据厌氧/好氧/缺氧段TN损失占比,计算出4组反应器在好氧段分别除去51.6%、60.7%、54.9%和56.8%,其中R1和R4约有25.1%和22.7%的TN通过厌氧段去除,更多的COD用于外源反硝化,侧面反应其内碳源储存效果差,而R2和R3中约有 28.8%和30.9%的TN通过后置缺氧段去除,表明适当延长厌/缺时间有利于DGAOs后置内源反硝化.

通过化学计量模型确定SBR内TN是主要由DPAOs和DGAOs利用PHA内源反硝化去除,TP主要在好氧段由PAOs和DPAOs共同去除,其中R2厌氧内碳源储存和释磷量,及好氧段同步硝化内源反硝化效率均最高,并通过后置缺氧段DGAOs进一步去除TN,优化处理效果.因此,适当延长厌/缺时间可以提高污染物去除效率.

表3 不同厌/缺氧时间下典型周期(第40d)系统动力学参数比较

2.4 不同厌氧/缺氧时间下除磷动力学研究

为进一步探究系统中不同微生物对除磷所占贡献比,根据批次实验结果,计算最大缺氧和好氧磷酸盐吸收率,以估算DPAOs相对活性,结果如表4所示.4个反应器中均有缺氧吸磷作用,这主要与进水水质和好氧段DO浓度有关,低DO浓度有利于维持良好的缺氧区环境,实现硝化、内源反硝化吸磷的同时进行[6],且有研究表明DPAOs可以吸收的碳源只有VFA[22],本研究采用VFA为进水碳源,实现了DPAOs的富集.当厌氧时间为90min(R2)时,缺氧吸磷速率最高,表明R2中DPAOs活性较强,DPAOs占PAOs比例为41.0%,系统中磷酸盐的去除由PAOs占主导作用,而适当延长厌氧时间有利于DPAOs的富集,与上述推测一致.

表4 不同厌/缺氧时间下DPAOs占比

对运行期间4组SBR的好氧和缺氧总P吸收率和P释放率之间关系分别进行建模.由图3可知,4组反应器在不同厌/缺氧条件运行过程中P释放率均与总P吸收率呈线性关系,2接近于1,拟合度较好[23],表明污泥释放的磷越多,吸收的P越多,因此通过适当延长厌氧时间提高释磷率有助于高效除磷.

图3 4组SBR中P吸收率与P释放率之间的关系

2.5 运行期间不同厌/缺氧时间对污泥物化特性影响

2.5.1 EPS的变化 如图4所示,不同运行条件下污泥EPS的总量和组成发生变化.其中R2、R3PN、PS在运行过程中无显著变化,R1的EPS含量缓慢增加至57mg/g左右,但R4中的PS和EPS总量明显增加并高于其他几组, PN/PS值下降,这是由于厌氧时间过长,饥饿造成微生物内源性呼吸,Wang等[24]认为微生物频繁暴露在内源性条件下会产生更多的EPS以应对恶劣环境.而EPS会增加微生物与介质之间的传质阻力,微生物分泌较多的PS使颗粒表面孔隙堵塞,影响底物的扩散速率[25];对于R4,其高EPS及PS含量阻碍了VFA的扩散,导致厌氧PHA合成不足释磷量低,PHA含量的下降与上述分析一致;也有研究认为[26]EPS会吸附磷酸盐,可能是R4厌氧释磷量不高的另一原因.

图4 运行期间不同厌/缺氧时间下EPS含量变化

2.5.2 SVI值变化 如图5所示,反应器接种的好氧颗粒污泥沉降性能较好,SVI值为45.8mL/g,随着反应运行, R2和R3的SVI值维持在较低值,沉降性能好;而R1的SVI值在第15d呈现上升趋势,可能是由于R1厌氧时间过短,有机物泄露至好氧段,使快速生长的异养菌增殖,污泥结构松散,导致SVI值升高;而R4的SVI值在中后期(第25d)上升,反应器沉降性能变差可能与R4中污泥EPS的分泌有关.有研究表明[27]EPS对微生物聚集体的沉降性有不利影响,由于EPS带负电荷,高浓度的EPS会增加微生物的表面电荷,从而导致细胞间排斥力增加,沉降性降低.

图5 运行期间不同厌/缺氧时间下SVI值变化

2.5.3 污泥粒径及外观形态 如图6所示,由于接种污泥为成熟的好氧颗粒污泥,其平均粒径约为700μm,随着反应运行,4组SBR颗粒粒径呈缓慢增长趋势并在35d左右基本维持稳定,分析其原因是由于水解酸化液主要为VFA物质,DPAOs、DGAOs等微生物会吸收VFA转化为内聚物以较低速度生长[28-29],从而使颗粒粒径保持在650～850μm范围内.由图7可知, 4组SBR均未发生丝状菌过度生长、颗粒解体现象,颗粒大多呈球形和椭球形,形态完整.这主要是由于以VFA为底物培养的AGS形成了以慢速生长微生物构成的缺氧核心,稳定性强,可以通过分泌EPS抵御外界环境的影响.

图6 运行期间不同厌/缺氧时间下颗粒平均粒径变化

图7 稳定期(40d)不同SBR污泥显微镜图

Fig.7 Microscopy images of different SBR sludge in stable period (40d)

3 结论

3.1 从处理性能看,随着厌/缺氧时间从50min/ 170min调整至90min/130min时,内碳源储存量增加, TN、TP去除率提升至92.9%、98.5%,脱氮除磷性能得到明显改善;当厌/缺氧时间继续调整至180min/ 40min时, PHA贮存量反而下降、反硝化不彻底,TN、TP去除率降至84.0%和88.1%.适当延长厌/缺氧时间通过加强内碳源贮存与转化提高了脱氮除磷性能.

3.2 从去除路径看,通过好氧段SND和后置缺氧内源反硝化提高了脱氮效果,其中DPAOs和DGAOs均参与反硝化,TP是由PAOs和DPAOs协同去除,R2中DPAOs占比高,达41%.通过适当延长厌/缺氧时间实现了同步硝化反硝化、后内源反硝化和除磷高效协同.

3.3 拟合表明厌氧磷释放速率越高,总磷吸收率越高,提高厌氧磷释放效果可实现高效除磷.污泥特性分析表明,厌氧时间为180min时污泥EPS分泌增多导致PHA合成不足、颗粒沉降性能变差.4组SBR运行期间均未发生丝状膨胀、污泥解体等现象,表明以水解酸化液为基质培养的颗粒稳定性高.

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Effects of anaerobic/anoxic time on simultaneous nitrification-endogenous denitrification and phosphorous removal from aerobic granular sludge.

WANG Qi1, LI Dong1*, LI Peng-yao1, CHEN Xiao-yi1, ZHANG Jie1,2

(1.Key Laboratory of Beijing Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)., 2022,42(9)：4199～4206

In this study, four groups of SBR reactors with the same specification was selected to explore effects of total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) removal from aerobic granular sludge under different anaerobic/anoxic time as 50/170, 90/130, 130/90, 180/40min and the hydrolytic acidification liquid as the influent matrix in A/O/A mode. The results show that the carbon (C) source reserves and P release from granular sludge increased with an increment in the anaerobic time from 50 to 90min. The efficiency of simultaneous nitrification and denitrification (SND) increased to 62.65%, and the removal rates of TN and TP increased from 81.1% to 92.9% and 82.2% to 98.5%, respectively. When the anaerobic time increased from 90 to 180min, the P release decreased and the anaerobic endogenous conditions stimulated the increase in EPS and the decrease in PHA synthesis, which led to a decrease in the TP removal rate to 88.1%. At the same time, when the anoxic time was shortened from 130 to 40min, more NOx-remained in the system, resulting in a reduction in TN removal rate to 84%. Mechanism analysis suggests that TN was consumed by denitrifying polyphosphate accumulating organisms and denitrifying glycogen accumulating organisms in the aerobic section by means of PHA in the form of SND; then further removed by endogenous denitrification of DGAOs in the anoxic section; and finally, TP was removed by PAOs and DPAOs. Our batch experiments demonstrated the highest proportion of DPAOs in R2, up to 41%. During the operation of the four groups of reactors, the particles did not disintegrate, implying that the particles cultured with hydrolytic acidification solution had complete structure and strong stability. We conclude that appropriate extension of anerobic/anoxic is conducive to strengthening the storage and transformation of internal C source, enhancing the effects of anaerobic P release, SND, and post endogenous denitrification, and realizing the efficient and stable operation of simultaneous nitrification-endogenous denitrification and P removal.

SBR；aerobic granular sludge；internal carbon source；post-denitrification；denitrifying phosphorus removal bacteria；anaerobic/anoxic reaction time

X703.1

A

1000-6923(2022)09-4199-08

2022-02-08

北京高校卓越青年科学家计划项目(BJJWZYJH01201910 005019)

*责任作者, 教授, lidong2006@bjut.edu.cn

王 琪(1996-),女,安徽宣城人,北京工业大学硕士研究生,主要研究方向为水质科学与水环境恢复技术.