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1、1第四章 粒状介质过滤 过滤是使含悬浮物的废水流过具有一定孔隙率的过滤是使含悬浮物的废水流过具有一定孔隙率的过滤介质过滤介质,水,水中的悬浮物被截留在介质表面或内部而除去。中的悬浮物被截留在介质表面或内部而除去。 根据所采用的过滤介质不同,可将过滤分为下列四类:根据所采用的过滤介质不同,可将过滤分为下列四类:格筛过滤(格筛过滤(screenscreen)微孔过滤微孔过滤(microfiltration)(microfiltration)膜过滤膜过滤(membrane filtration)(membrane filtration)深层过滤深层过滤(depth filtration)(depth

2、 filtration)第1页/共59页2过滤过程的分类:(1)(1)格筛过滤格筛过滤。过滤介质为栅条或滤网,用以去除粗大的悬浮物,如杂草、破。过滤介质为栅条或滤网,用以去除粗大的悬浮物,如杂草、破布、纤维、纸浆等。其典型设备有格栅、筛网和微滤机。布、纤维、纸浆等。其典型设备有格栅、筛网和微滤机。(2)(2)微孔过滤。采用成型滤材,如滤布、滤片、烧结滤管、蜂房滤芯等,也可微孔过滤。采用成型滤材,如滤布、滤片、烧结滤管、蜂房滤芯等,也可在过滤介质上预先涂上一层助滤剂在过滤介质上预先涂上一层助滤剂 ( (如硅藻土如硅藻土) )形成孔隙细小的滤饼,用以形成孔隙细小的滤饼,用以去除粒径细微的颗粒。定型

3、的商品设备很多。去除粒径细微的颗粒。定型的商品设备很多。第2页/共59页3过滤过程的分类:(3)(3)膜过滤膜过滤。采用特别的半透膜作过滤介质,在一定的推动力。采用特别的半透膜作过滤介质,在一定的推动力( (如压力、电场力等如压力、电场力等) )下进行过滤,由于滤膜孔隙下进行过滤,由于滤膜孔隙极小且具有选择性,可以除去水中细菌、病毒、有机物和溶解性溶质。主要设备有反渗透、超过滤和电渗极小且具有选择性,可以除去水中细菌、病毒、有机物和溶解性溶质。主要设备有反渗透、超过滤和电渗析等。析等。第3页/共59页4过滤过程的分类:(4 4)深层过滤深层过滤。采用颗粒状滤料。采用颗粒状滤料(granular

4、 media)(granular media),如石英砂、无烟煤等。由于滤料颗粒之间存在孔隙,如石英砂、无烟煤等。由于滤料颗粒之间存在孔隙,废水穿过一定深度的滤层,水中的悬浮物即被截留。为区别于上述三类表面或浅层过滤废水穿过一定深度的滤层,水中的悬浮物即被截留。为区别于上述三类表面或浅层过滤(precoat (precoat filtration)filtration)过程,这类过滤称之为深层过滤,简称过滤。过程,这类过滤称之为深层过滤,简称过滤。第4页/共59页5过滤在水处理中的作用: 在给水处理中,常用过滤处理沉淀或澄清池出水,使滤后出水浑浊度满足用水要求;在给水处理中,常用过滤处理沉淀或

5、澄清池出水,使滤后出水浑浊度满足用水要求; 在废水处理中,过滤常作为吸附、离子交换、膜分离法等预处理手段;在废水处理中,过滤常作为吸附、离子交换、膜分离法等预处理手段; 作为生化处理后的深度处理,使滤后水达到回用的要求。作为生化处理后的深度处理,使滤后水达到回用的要求。返回目录第5页/共59页64 41 1深层过滤的基本过程深层过滤的基本过程过滤过程分为过滤过程分为过滤过滤(filtration)(filtration)和和反洗反洗(backwash)(backwash)两个过程。两个过程。 过滤过程过滤过程是废水由是废水由上到下通过一定厚上到下通过一定厚度的由一定粒度的度的由一定粒度的粒状介

6、质组成的床粒状介质组成的床层,由于粒状介质层,由于粒状介质之间存在大小不同之间存在大小不同的孔隙,废水中的的孔隙,废水中的悬浮物被这些孔隙悬浮物被这些孔隙截留而除去。截留而除去。 滤料滤料废水废水过滤水过滤水第6页/共59页7 到一定程度时过滤不到一定程度时过滤不能进行,需要进行反能进行,需要进行反洗。反洗是通过上升洗。反洗是通过上升水流的作用使滤料呈水流的作用使滤料呈悬浮状态,滤料间的悬浮状态,滤料间的孔隙变大,污染物随孔隙变大,污染物随水流带走,反洗完成水流带走,反洗完成后再进行过滤。所以后再进行过滤。所以深层过滤过程是间断进行的。 滤料滤料反洗废水反洗废水反洗水入口反洗水入口返回目录第7

7、页/共59页84 42 2过滤机理过滤机理 过滤的机理可分为阻力截留、重力沉降和接触絮凝三种(1 1)阻力截留(stainingstaining) 当废水流过滤料层时,粒径较大的悬浮物颗粒当废水流过滤料层时,粒径较大的悬浮物颗粒首先被截留在表层滤料的空隙中,从而使此层首先被截留在表层滤料的空隙中,从而使此层滤料间的空隙越来越小,截污能力随之变得越滤料间的空隙越来越小,截污能力随之变得越来越高。来越高。 结果逐渐形成一层主要由被截留的固体颗粒构结果逐渐形成一层主要由被截留的固体颗粒构成的滤膜,并由它起主要的过滤作用。这种作成的滤膜,并由它起主要的过滤作用。这种作用属于阻力截留或筛滤作用用属于阻力

8、截留或筛滤作用。第8页/共59页9(2 2)重力沉降(gravity settlement)(gravity settlement) 废水通过滤料层时,众多的滤料介质表面提供了巨大的沉降面积。废水通过滤料层时,众多的滤料介质表面提供了巨大的沉降面积。 据估计,据估计,1m1m3 3粒径为粒径为0.5mm0.5mm的滤料中就拥有的滤料中就拥有400m400m2 2不受水力冲刷而可供悬不受水力冲刷而可供悬浮物沉降的有效面积,形成无数的小浮物沉降的有效面积,形成无数的小“沉淀池沉淀池”,悬浮物极易在此沉降下来。,悬浮物极易在此沉降下来。 重力沉降强度主要取决于滤料直径和过滤速度。滤料越小,沉降面积越

9、大;重力沉降强度主要取决于滤料直径和过滤速度。滤料越小,沉降面积越大;滤速越小则水流越平稳,这些都有利于悬浮物的沉降。滤速越小则水流越平稳,这些都有利于悬浮物的沉降。第9页/共59页10(3 3)接触絮凝(contact (contact flocculation)flocculation) 由于滤料有较大的表面积,它与悬浮物之间有明显的物理吸附作用。由于滤料有较大的表面积,它与悬浮物之间有明显的物理吸附作用。 此外,砂粒在水中表面常带有负电荷,能吸附带有正电的铁、铝等胶体,从此外,砂粒在水中表面常带有负电荷,能吸附带有正电的铁、铝等胶体,从而在滤料表面形成带正电的薄膜,进而又吸附带负电荷的粘

10、土及多种有机胶而在滤料表面形成带正电的薄膜,进而又吸附带负电荷的粘土及多种有机胶体,在砂粒上发生接触絮凝。体,在砂粒上发生接触絮凝。 在大多数情况下,滤料表面对尚未凝聚的胶体还能起到接触碰撞的媒介作用,在大多数情况下,滤料表面对尚未凝聚的胶体还能起到接触碰撞的媒介作用,促进其凝聚过程。促进其凝聚过程。返回目录第10页/共59页114 43 3过滤的工艺过程过滤的工艺过程过滤工艺包括过滤工艺包括过滤过滤和和反洗反洗两个阶段:两个阶段: 过滤过滤(filtration)(filtration):过滤即截留污染物;过滤即截留污染物; 反洗反洗(backwashing)(backwashing):反洗

11、即把污染物从滤反洗即把污染物从滤料层中冲走,使之恢复过滤能力。料层中冲走,使之恢复过滤能力。 过滤周期过滤周期(filter run)(filter run):从过滤开始到结束从过滤开始到结束延续的时间称为过滤周期(或工作周期)。延续的时间称为过滤周期(或工作周期)。 过滤循环过滤循环(filter cycle)(filter cycle):从过滤开始到反从过滤开始到反洗结束称为一个过滤循环洗结束称为一个过滤循环。第11页/共59页12普通快速滤池构造普通快速滤池构造进水管,待过滤的水由此进入集水渠,进水及收集反洗水过滤介质,水通过介质得到过滤底部配水系统,收集过滤后的水或均匀分配反洗水垫层,

12、支撑滤料和均匀分配反洗水清水管,过滤后的水由此排出反洗水收集槽,反洗水由此排出滤池反洗水管,反洗水由此进入反洗水收集槽,收集所有滤池的反洗水第12页/共59页13第13页/共59页14第14页/共59页15第15页/共59页16快速滤池过滤过程示意图快速滤池过滤过程示意图反洗:F1、F2关,F3、F4开过滤:过滤:F1、F2开,开,F4、F3关关进进水水出出水水第16页/共59页17滤池反洗过程示意图反洗:F1、F2关,F3、F4开反洗水返回目录第17页/共59页184 44 4滤池类型滤池类型按不同的方式滤池可分为不同的类型:按过滤速度按过滤速度高速滤池高速滤池(high filtratio

13、n rate) (high filtration rate) ,速度为速度为101016 m16 m3 3/ /(mm2 2h h)低速滤池低速滤池(low filtration rate)(low filtration rate),速度小于速度小于4 m4 m3 3/ /(mm2 2h h)中速滤池中速滤池(medium filtration rate) (medium filtration rate) ,速度为速度为4 410 m10 m3 3/ /(mm2 2h h)第18页/共59页19按推动力分按推动力分重力式滤池(重力式滤池(gravity filter)gravity filte

14、r), 其过滤压力水头为其过滤压力水头为4 45 m5 m压力滤池压力滤池(pressure filter)(pressure filter),其过滤压力水头为其过滤压力水头为151520 m20 m按过滤时的按过滤时的水流水流方向方向分分上向流上向流(up-flow)下向流下向流(down-flow)双向流双向流(bi-flow) L按滤层结构分按滤层结构分单层滤料滤池(单层滤料滤池(single media filter)双层滤料滤池双层滤料滤池(dual media filter三层滤料滤池三层滤料滤池(triple media filter) L第19页/共59页20 下向流滤池能保证

15、较高的滤速和反洗效果; 水头损失增加较快,工作周期较短; 下层滤料难以发挥作用。 原因是反洗后滤料会分层,细颗粒在上,原因是反洗后滤料会分层,细颗粒在上,粗颗粒在下,上层很快堵塞,而下层不起粗颗粒在下,上层很快堵塞,而下层不起作用。作用。进水进水出水下向流滤池示意图第20页/共59页21 整个滤料的纳污能力得到充分利用,整个滤料的纳污能力得到充分利用,过滤周期也相应延长。过滤周期也相应延长。 滤速不能太高否则会造成滤料流失。滤速不能太高否则会造成滤料流失。 上向流的另一个优点是可以用未经过上向流的另一个优点是可以用未经过滤的水做为反洗水。滤的水做为反洗水。出水进水进水上向流滤池示意图第21页/

16、共59页22保持了下向流和保持了下向流和上向流滤池的优上向流滤池的优点,又克服了滤点,又克服了滤料流失的弊端。料流失的弊端。但双向流滤池的但双向流滤池的下层滤料反洗困下层滤料反洗困难。难。出水进水进水双向流滤池示意图第22页/共59页234 45 5滤层结构滤层结构 单层滤池通常以石英砂单层滤池通常以石英砂(sand)(sand)做为滤料。做为滤料。L L 双层滤池是在石英砂滤料的上面再放一层粒度比较粗的白煤双层滤池是在石英砂滤料的上面再放一层粒度比较粗的白煤(anthracite)(anthracite)。L L 三层滤池是在双层滤池的基础上再在石英砂滤料的下面放一层粒度更细、比三层滤池是在

17、双层滤池的基础上再在石英砂滤料的下面放一层粒度更细、比重更大的滤料,一般用磁铁矿重更大的滤料,一般用磁铁矿(magnetite)(magnetite)。L L第23页/共59页24单层滤池的滤料层结构单层滤池的滤料层结构单层滤料层的剖面第24页/共59页25双层滤料的结构双层滤料的结构粗粒白煤细粒石英双层滤料层的剖面第25页/共59页26三层滤料的结构三层滤料的结构粗粒白粗粒白煤煤更细的更细的磁铁矿磁铁矿细粒石细粒石英英返回目录三层滤料层的剖面第26页/共59页274 46 6 对滤料和垫层的要求对滤料和垫层的要求4 46 61 1对滤料的要求对滤料的要求(a a)有足够的机械强度;)有足够的

18、机械强度;(b b)有较好的化学稳定性)有较好的化学稳定性;(c c)有适宜的)有适宜的级配级配(grade)(grade)和足够的和足够的空隙率空隙率(voidage)(voidage)。所谓级配就是滤料。所谓级配就是滤料的粒径范围及在此范围内各种粒径的滤料数量比例的粒径范围及在此范围内各种粒径的滤料数量比例; ;(d d)滤料的外形最好接近于球形,表面粗糙而有棱角。)滤料的外形最好接近于球形,表面粗糙而有棱角。第27页/共59页28滤料的性能指标有以下三项:(a a)有效直径有效直径(effective size)(effective size)和和不均匀系数不均匀系数(uniformit

19、y coefficient)(uniformity coefficient):滤料的规格常用有效直径和:滤料的规格常用有效直径和不均匀系数表示。不均匀系数表示。 有效直径有效直径是指能使是指能使1010的滤料通过的筛孔直径,以的滤料通过的筛孔直径,以D D1010表示,单位是表示,单位是mmmm。同样。同样D D8080表示能使表示能使8080的滤料通过的滤料通过的筛孔直径。的筛孔直径。 D D8080与与D D1010的比值就称为滤料的的比值就称为滤料的不均匀系数不均匀系数,以,以K K8080表示表示第28页/共59页29例如,例如,DD10100.6mm0.6mm,DD80801.0mm

20、1.0mm,则:则:K K8080 DD8080 / D / D1010 =1.0/0.6 =1.0/0.61.671.67。 显然,不均匀系数越大,滤料越不均匀,小显然,不均匀系数越大,滤料越不均匀,小颗粒会填充于大颗粒的间隙内,从而使滤料颗粒会填充于大颗粒的间隙内,从而使滤料的空隙率和纳污能力降低,水头损失增大。的空隙率和纳污能力降低,水头损失增大。 因此不均匀系数以小为佳。但是不均匀系数因此不均匀系数以小为佳。但是不均匀系数越小,加工费用也越高。综合考虑,越小,加工费用也越高。综合考虑,一般一般K K8080控制在控制在1.651.651.801.80之间为宜之间为宜。67. 16 .

21、00 . 1DDK108080 第29页/共59页30滤料的性能指标有以下三项:(b b)滤料的纳污能力滤料的纳污能力:滤料层承纳污染物的容量常用纳污能力:滤料层承纳污染物的容量常用纳污能力(capacity of retaining pollutants)(capacity of retaining pollutants)来表来表示。示。 其含义是在保证出水水质的条件下,在过滤周期内单位体积滤料中能截留的污物量,以其含义是在保证出水水质的条件下,在过滤周期内单位体积滤料中能截留的污物量,以kg/mkg/m3 3或或g/cmg/cm3 3表表示。其大小与滤料的粒径、形状等因素有关;示。其大小与

22、滤料的粒径、形状等因素有关;第30页/共59页31滤料的性能指标有以下三项:(c c)滤料的)滤料的空隙率空隙率和和比表面积比表面积: 空隙率是指一定体积的滤层中,空隙所占体积与总体积的比值。常用的石英空隙率是指一定体积的滤层中,空隙所占体积与总体积的比值。常用的石英砂和白煤滤料的空隙率分别为砂和白煤滤料的空隙率分别为0.40.4和和0.50.5。 滤料的比表面积滤料的比表面积(specific surface)(specific surface)是指单位重量或单位体积的滤料所具有是指单位重量或单位体积的滤料所具有的表面积,用的表面积,用mm2 2/g/g或或mm2 2/cm/cm3 3表示。

23、表示。第31页/共59页32滤池类型滤池类型滤料规格滤料规格运行设计参数运行设计参数直径直径/mm滤层厚度滤层厚度/cm滤速滤速/m/h反洗强反洗强度度/L/s反洗时反洗时间间/min大滤料滤池大滤料滤池2 32001012 155 7粗滤料滤池粗滤料滤池1 2150 2007 10中滤料滤池中滤料滤池0.8 1.6100 1205 7细滤料滤池细滤料滤池0.4 1.21005大滤料滤池大滤料滤池(用于生物处(用于生物处理后)理后)1 2100 1505 712 155 7单层砂滤池的滤料规格及运行设计参数第32页/共59页334 46 62 2垫料层垫料层作用:作用:垫料层垫料层(suppo

24、rting grave layer)(supporting grave layer)主要起承托滤料的作用,故亦称主要起承托滤料的作用,故亦称承托层,一般配合大阻力配水系统使用。承托层,一般配合大阻力配水系统使用。 由于滤料粒径较小,而配水系统由于滤料粒径较小,而配水系统(underdrain)(underdrain)的孔眼较大,为了防止滤料的孔眼较大,为了防止滤料随过滤水流失,同时也帮助均匀配水,在滤料与配水系统之间增设一垫料随过滤水流失,同时也帮助均匀配水,在滤料与配水系统之间增设一垫料层。层。 如果配水系统的孔眼直径很小,布水也很均匀,垫料层可以减薄或省去。如果配水系统的孔眼直径很小,布水

25、也很均匀,垫料层可以减薄或省去。第33页/共59页344 46 62 2垫料层垫料层对垫层的要求:对垫层的要求: 要求垫料层不被反洗水冲动;要求垫料层不被反洗水冲动; 形成的孔隙均匀,使布水均匀形成的孔隙均匀,使布水均匀; 化学稳定性好;化学稳定性好; 机械强度高机械强度高。通常,垫料层采用天然卵石或碎石。通常,垫料层采用天然卵石或碎石。返回目录第34页/共59页354 47 7配水系统配水系统配水系统的作用:配水系统的作用: 均匀收集滤后水,所以,它又称为排水系统; 更重要的是均匀分配反冲洗水。 配水系统的合理设计是滤池正常工作,保持滤料层稳定的重要保证。 所谓大阻力配水系统是指尽可能增大配

26、水系统中布水孔眼的阻力,使反洗水在流向全池各部的水头损失尽可能相等,保证配水均匀。第35页/共59页36管式大阻力配水系统管式大阻力配水系统第36页/共59页37小阻力配水系统的滤头小阻力配水系统的滤头返回目录第37页/共59页384 48 8快滤池的运行管理快滤池的运行管理4 48 81 1滤速变化及控制滤速变化及控制按照在过滤周期内滤速的分布形态,按照在过滤周期内滤速的分布形态,滤池有两种基本运行方式,即:滤池有两种基本运行方式,即:恒速过滤恒速过滤(constant rate):(constant rate):在整个在整个过滤周期中过滤的速度不变。过滤周期中过滤的速度不变。降速过滤降速过

27、滤(declining rate)(declining rate):在过在过滤周期中过滤速度是随时间变化的,滤周期中过滤速度是随时间变化的,开始时大,过滤结束时小。开始时大,过滤结束时小。第38页/共59页39恒速过滤的不同形式: 恒速过滤又分为恒速过滤又分为恒水位恒速过滤恒水位恒速过滤和和变水位恒速过滤变水位恒速过滤两种:两种: 恒水位恒速过滤中,作用在滤池上的水头恒定,随滤层中的阻力增加,由恒水位恒速过滤中,作用在滤池上的水头恒定,随滤层中的阻力增加,由逐渐开大的出水阀门(手控或自控逐渐开大的出水阀门(手控或自控) )来补偿,使总阻力和出水量维持不变。来补偿,使总阻力和出水量维持不变。 在

28、每个滤池的进水端和出水阀后分别设进水堰室和出水堰室,实现变水位在每个滤池的进水端和出水阀后分别设进水堰室和出水堰室,实现变水位恒速过滤恒速过滤第39页/共59页40变水位恒速过滤示意图变水位恒速过滤示意图过滤开始时水位,出水堰高于滤料的高度过滤结束时水位,水位高于进水堰的水位,过滤不能进行,开始反洗第40页/共59页41优良滤池的指标: 优良的滤池应具备以下性能:优良的滤池应具备以下性能:(a a)滤料纳污能力大,过滤水头损失小,工作周期长;)滤料纳污能力大,过滤水头损失小,工作周期长;(b b)出水水质符合回用或外排的要求;)出水水质符合回用或外排的要求;(c c)反洗耗水量少,效果好,反洗

29、后滤料分层稳定而不发生很大程度的滤料混杂。)反洗耗水量少,效果好,反洗后滤料分层稳定而不发生很大程度的滤料混杂。第41页/共59页424 48 82 2滤池反冲洗滤池反冲洗 滤池反冲洗的目的是清除截留在滤料孔隙中的悬浮物,恢复其过滤能力。滤池反冲洗的目的是清除截留在滤料孔隙中的悬浮物,恢复其过滤能力。 一般滤池采用滤后水反冲洗,并辅以表面冲洗(一般滤池采用滤后水反冲洗,并辅以表面冲洗(surface wash)surface wash)或空气冲或空气冲洗洗(air scour)(air scour)。反冲洗的指标:反冲洗的指标: 反冲洗的指标有滤料的膨胀率、反冲洗强度、反冲洗时间、反冲洗水头、

30、反冲洗水的供应和排除、空气冲洗和表面冲洗等。第42页/共59页43(1 1)膨胀率(expanding rate)expanding rate):滤料层膨胀后与膨胀前的厚度差与过滤时滤料的厚度之比,用百分数表示。一般用符号e e表示。 反洗时的膨胀率要适当。膨胀率太低,水流剪切力小;膨胀率过高,颗碰撞次数会减少,还会冲动垫料层及流失滤料。(2 2)反冲洗强度(backwash flow rate)(backwash flow rate):单位时间内单位滤池面积所通过的反冲洗水量称为反冲洗强度,通常用q q表示,它的单位是L/(mL/(m2 2s)s)。 反冲洗强度的大小与滤料的粒度、水的温度、

31、孔隙率和要求的膨胀率有关。可用试验的方法确定。第43页/共59页44(3 3)反冲洗时间(backwash time)(backwash time):反冲洗时间依滤层污染程度而异,应根据运行情况来确定。(4 4)反冲洗水头(head)(head):反冲洗所需水头等于滤层、垫层、配水系统及管路的水头损失之和,并留有1.51.52.0m2.0m的富余水头。具体可根据有关流体力学的方法计算。(5 5)反冲洗水的供应和排除:一般是用滤后水作为反冲洗用水。反冲洗水可用水塔或水泵供给。反冲洗排出的污水(spent (spent backwash water)backwash water)应及时排除,通常返

32、回处理系统的首端。第44页/共59页45(6 6)空气冲洗空气冲洗(air scour)(air scour):空气冲洗是在空气冲洗是在滤料层和垫层之间加空气管,在反冲洗的同滤料层和垫层之间加空气管,在反冲洗的同时鼓入压力空气,增加对颗粒的搅动,增加时鼓入压力空气,增加对颗粒的搅动,增加颗粒之间互相碰撞和摩擦的机会,加强反冲颗粒之间互相碰撞和摩擦的机会,加强反冲洗效果。强度据具体情况确定。洗效果。强度据具体情况确定。(7 7)表面冲洗表面冲洗(surface wash)(surface wash):在过滤含有在过滤含有机物质较多的原水时,滤层表面往往生成由机物质较多的原水时,滤层表面往往生成由

33、滤料颗粒、悬浮物和粘性物形成的泥球。为滤料颗粒、悬浮物和粘性物形成的泥球。为了破坏泥球,提高冲洗质量,常用压力水进了破坏泥球,提高冲洗质量,常用压力水进行表面冲洗。行表面冲洗。第45页/共59页46返回目录第46页/共59页474 49 9滤池常见故障及对策滤池常见故障及对策(1 1)气阻气阻(air blocking)(air blocking):在过滤末期,局部滤层的水头损失可能大于该处实际的水压力,即出现负水头。在过滤末期,局部滤层的水头损失可能大于该处实际的水压力,即出现负水头。此时部分滤层水中溶解的气体将释放出来,积聚在孔隙中,阻碍水流通过,以致滤水量显著减少。反冲洗此时部分滤层水中溶解的气体将释放出来,积聚在孔隙中,阻碍水流通过,以致滤水量显著减少。反冲洗时气泡会冲出滤层表面。这种现象称为气阻,也称气闭。时气泡会冲出滤层表面。这种现象称为气

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