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文档简介
1、项目3:厨余垃圾利用处置任务3-3:厨余垃圾厌氧消化工艺选择及运行管理固体废物的厌氧发酵 厌氧发酵:通过厌氧微生物的生物转化作用,将固体废物中大部分可生物降解的有机物质分解,转化为能源产品沼气的过程,或称厌氧消化,沼气发酵。微生物生理学定义:在没有外加氧化剂的条件下,被分解的有机物作为还原剂被氧化,而另一部分有机物作为氧化剂被还原的生物学过程。沼气的成分:主要为CH4,5570和CO2,2540。此外还有总量小于5%的CO、O2、H2、H2S、N2、NH2、PH3、碳氢化合物(CmHn)等。(一)基本概念(二)厌氧发酵的有机物分解代谢过程 1、碳水化合物的分解代谢一般的碳水化合物包括纤维素、半
2、纤维素、木质素、糖类、淀粉和果胶质等。纤维素的分解纤维素酶可以把纤维素水解成葡萄糖,反应式为: (C6H10O5)n(纤维素) + n H2O = nC6H12O6(葡萄糖)葡萄糖经细菌的作用继续降解成丁酸、乙酸,最后生成甲烷和二氧化碳等气体。总的产气过程可用下述的综合表达式表达: C6H12O6 = 3CH4+3CO2糖类的分解先由多糖分解为单糖,然后是葡萄糖的酵解过程,与上述相同。2、类脂化合物的分解代谢 类脂化合物(脂肪、磷脂、游离脂肪酸、蜡酯、油脂),含量很低。主要水解产物是脂肪酸和甘油。甘油转变为磷酸甘油脂,进而生成丙酮酸。在沼气菌的作用下,丙酮酸被分解成乙酸,然后形成甲烷和二氧化碳
3、。 3、蛋白质类的分解代谢 这类化合物主要是含氮的蛋白质化合物,在厌氧发酵原料中占有一定的比例。在农家污水和猪圈废物中,蛋白质的含量最高可达20%。它们的分解过程是在细菌的作用下水解成多肽和氨基酸。其中的一部分氨基酸继续水解成硫醇、胺、苯酚、硫化氢和氮;另一部分分解成有机酸、醇等其他化合物,最后生成甲烷和二氧化碳;还有一些氨基酸作为产沼细菌的养分形成菌体。(三)厌氧发酵的过程首先,不溶性大分子有机物(如蛋白质、纤维素、淀粉、脂肪等)经水解酶的作用,在溶液中分解为水溶性的小分子有机物(如氨基酸、脂肪酸、葡萄糖、甘油等)。随之,这些水解产物被发酵细菌摄入细胞内,经过一系列生化反应,将代谢产物排出体
4、外,由于发酵细菌种群不一,代谢途径各异,故代谢产物也各不相同。众多的代谢产物中,仅无机的CO2和H2及有机的“三甲一乙”(甲酸、甲醇、甲胺和乙酸)可直接被产甲烷细菌吸收利用,转化为甲烷和二氧化碳。其它众多的代谢产物(主要是丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等有机酸,以及乙醇、丙酮等有机物质)不能为产甲烷细菌直接利用。它们必须经过产氢产乙酸细菌进一步转化为氢和乙酸后,才能被甲烷细菌吸收利用,并转化为甲烷和二氧化碳。 1、两阶段理论 将厌氧发酵分为产酸(酸性发酵)和产气(碱性发酵)两个阶段,相应起作用的微生物分为产酸细菌和产甲烷细菌。2、三阶段理论 1979年由布赖恩提出,将厌氧发酵依次分为水解、产酸、产甲烷
5、三个阶段。起作用的细菌分别称为发酵细菌、醋酸分解菌、甲烷细菌。厌氧生物处理原理 有机物厌氧消化过程生化阶段 物态变化液化(水解)酸化(1)酸化(2)气 化生化过程大分子不溶态有机物转化为小分子溶解态有机物小分子溶解态有机物转化为(H2+CO2)及A、B两类产物B类产物转化为(H2+CO2)及乙酸等CH4、CO2等菌 群发酵细菌产氢产乙酸细菌甲烷细菌发酵工艺甲烷发酵酸 发 酵多糖蛋白质脂肪等单糖或二糖多肽和氨基酸甘油和脂肪酸挥发性脂肪酸类,H2 ,CO2 等CH4CO2等水解菌产氢产乙酸菌产甲烷菌水解阶段产氢产酸阶段产甲烷阶段厌氧发酵的三阶段理论:兼性厌氧菌绝对厌氧菌(1)温度因素:随着温度升高
6、有机物分解速度加快,产气量增大。温度变化范围为(1.52.0)。低温发酵:低于20 ,产气量低,受气候影响大,不加料情况下35d。中温发酵:37,产气量约11.3m3/(m3d);发酵时间20d,卫生化低。高温发酵:53 ,产气量约3.04.0m3/(m3.d);发酵时间10d,卫生化高。对寄生虫卵的杀灭率较可达99%,大肠菌指数可达10100,能满足卫生要求(蛔虫卵的杀灭率在95%以上,大肠菌指数10100)。当有3的变化时,就会抑制发酵速率,有5的急剧变化时,就会突然停止产气,使有机酸大量积累而破坏厌氧发酵。(四)、影响发酵的环境条件(2)发酵细菌的营养及C/N C/N在(1020):1为
7、宜,太高,细胞氮量不足,系统的缓冲能力低,pH 值易降低;太低,氮量过多, pH 值可能上升,铵盐容易积累,会抑制发酵进程。(3)混合均匀程度 厌氧发酵是由细菌体的内酶和外酶与底物进行的接触反应。因此必须使两者充分混合。对于液态发酵用充液搅拌法;对于固态或半固态用充气搅拌法和机械搅拌法等。(4)有毒物质重金属离子对甲烷发酵的抑制使酶发生变性或者沉淀。与酶结合产生变性;与氢氧化物使酶沉淀。阴离子的毒害:主要是S2-,来源:无机硫酸盐还原;蛋白质分解释放出S2-。氨的毒害:NH4+150mg/L,发酵受抑制。物质浓度毒域浓度界限/(mol/L)碱金属和碱土金属Ca2+,Mg2+,Na+,K+101
8、10+6重金属Cu2+,Ni2+,Zn2+,Hg2+,Fe2+105103H+和OH106104胺类105100有机物质106100(5)酸碱度、pH值和发酵液的缓冲作用 水解、发酵菌及产氢产乙酸菌对pH值的适应范围大致为56.5 ,而甲烷菌对pH值的适应范围为6.67.5之间。发酵液中的碳酸及氨的存在,使其具有一定的缓冲性。碱度指沼气发酵液结合H+的能力,是衡量发酵体系缓冲能力的尺度,由碳酸盐(CO32-)、重碳酸盐(HCO3-)、部分氢氧化物(HO-)组成,应在2000mg/L以上。(6)不同发酵基质上生长的发酵菌群种群不同(五)厌氧发酵系统设备1、传统的发酵系统(1)结构发酵罐是核心,附
9、属设备有气压表、导气管、出料机、预处理装置、搅拌器、加热管等。(2)工作原理物料从上部或顶部投入池内,经与池中原有的厌氧活性污泥混合接触后,通过厌氧微生物的吸附、吸收和生物降解作用,使生污泥或废水中的有机物转化为以甲烷和二氧化碳为主的气态产物生物气(即沼气)。11.1 概述11.2 储能技术的开发与应用11.3 储能技术的发展前景复习思考题第十一章 储能技术储能技术:通过机械的、电磁的、电化学等方法,由介质或设备把一种能量存储起来,在需要时再转换为其他形式的能量释放出来的技术。广义概念:储能技术包括基础燃料的存储(煤、石油、天然气等)、二次燃料的存储(煤气、氢、太阳能燃料等)、电力储能和储热等
10、;狭义概念:狭义的储能技术则包括储电、储热、储冷和储氢等技术。11.1 概述11.1.1 储能技术的概念11.1 概述机械储能以水、空气等为储能介质,通过储能介质将电能转换为动能或势能,常见的有抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等。电磁储能直接以电磁能的方式进行能量的存储的技术,主要包括超导磁储能和超级电容器储能。电化学储能通过储能介质将电能以电化学能的形式进行存储,充放电过程伴随储能介质的电化学反应或变价,常见的有电池储能(铅酸电池、铅炭电池、镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池、钠离子电池、氯离子电池、氟离子电池、钠硫电池、锂硫电池、液流电池和金属-空气电池等)和储氢等。冷热储能利用储热或蓄冷介质
11、将能量以热能形式储存的技术,根据热量存储原理,储热技术可分为显热储热、潜热储热和热化学储热三类。蓄冷技术也可分为显热蓄冷和潜热蓄冷。11.1.2 储能技术的分类及特点一般地,可根据能量存储与转换方式的不同,储能技术主要分为机械储能、电磁储能和电化学储能等三大类,此外,还有储热和蓄冷技术等。11.1 概述储能技术的主要性能指标储能设备容量储、释能周期内的能量转换效率响应速度体积能量密度和体积功率密度循环寿命与周期寿命安全性能与对环境的影响11.1.2 储能技术的分类及特点技术类型容量(MWh)能量转换效率()响应速度体积能量密度(kWh /m3)体积功率密度(kW/m3)循环寿命(次)周期寿命(
12、a)安全性环境影响物理储能抽水蓄能500100007085smin0.220.10.2150004060高无污染压缩空气储能1030004153smin2600.210100003050高空气污染飞轮储能0.0018859510msmin2080500080005000030中无污染电磁储能超导磁储能0.01109515 ms6260010000030中磁场污染超级电容0.011.585901 20ms1020400001200001000010000030中有残留电化学储能钠硫电池0.001108320ms s15030012016025004500/100%DOD10低有残留钒液流电池0.
13、0336020ms s15250.5213000/100%DOD20高轻微铅炭电池0.00120707520ms s50809070025003000/100%DOD10中铅污染锂离子电池0.15909520ms s3005501300100005001000/100%DOD10中有残留注:DOD (Depth of Discharge)表示放电深度11.1 概述主要储能技术性能对比11.1 概述11.1.2 储能技术的分类及特点PHS- 抽水蓄能;CAES- 压缩空气;FES: 飞轮;Lead-Acid: 铅酸电池;NiCd: 镍镉电池;NaS: 钠硫电池;ZEBRA: 镍氯电池;Li-io
14、n: 锂电池;VRB: 液流电池; SMES: 超导磁储能; SCES: 超级电容; TES:储热系统抽水蓄能电站和铅酸电池技术已经成熟,其使用已超过100年,压缩空气储能、镍镉电池、钠硫电池、锂离子电池、液流电池、超导磁能、飞轮、电容、储热/冷等技术已经完成研发并开始商业化,但是还没有大规模普遍应用,它们的竞争力和可靠性仍然需要电力企业和市场来进一步检验。11.1 概述11.1.3 储能技术与产业概况全球累计运行的储能项目装机规模及比例截至2019年3月底,全球共有1580个储能项目投入运行,总装机规模达到192.25GW。其中,抽水蓄能机组在运项目351个,总装机容量为183.01GW,其
15、他物理储能项目装机容量达到2.65GW,电化学储能、熔融盐储热与储氢项目的装机容量分别达到3.30GW,3.28GW和20MW。抽水蓄能是全球装机规模最大的储能技术,也是目前发展最为成熟的储能技术。11.1.3 储能技术与产业概况11.1 概述截至2018年底,我国已投运储能项目的累计装机规模达到31.2GW,同比增长8%,占全球投运储能规模的17.2%。与全球储能市场类似,我国抽水蓄能的累计装机规模最大,约为30.0GW,所占比重达到96.2%。电化学储能与熔融盐储热的累计装机规模分别为1.01GW和0.22GW,同比分别增长159%和1000%。在各类电化学储能技术中,锂离子电池的累计装机
16、占比最大,比重为68%。我国累计运行储能项目占比11.2 储能技术的开发与应用11.2.1机械储能技术技术类型功率等级响应速度优点缺点抽水蓄能1005000 MWsmin容量大,造价成本低,启动快、运行灵活建设选址对地理条件要求高,投资周期长压缩空气储能100300 MWsmin容量大,造价成本低,能源转换效率高,安全可靠建设选址对地理条件要求高,且有一定的空气污染飞轮储能5kW2MW10msmin寿命长,功率密度大,环境友好,响应速度快能量密度低,自放电率高机械储能的代表技术有抽水蓄能,压缩空气储能和飞轮储能,其技术特点对比如下表所示:主要机械储能技术特点对比11.2 储能技术的开发与应用1
17、1.2.1机械储能技术抽水蓄能抽水蓄能(Pumped Hydroelectric Storage,PHS)是全球装机规模最大的储能技术,也是目前发展最为成熟的储能技术,抽水蓄能电站是兼有调峰和填谷的双重功能的水电站,在夜间电网用电负荷低谷时,利用电网的电能将下水库的水抽到上水库储存起来,将电能转化为水的势能;在日间电网用电高峰时,则利用上水库的水发电,将水的势能转化为电能。因此,抽水蓄能电站一般有上、下两个水库,厂房内装有抽水和发电功能的机组,如图所示。抽水蓄能机组工作原理示意图11.2 储能技术的开发与应用11.2.1机械储能技术压缩空气储能压缩空气储能(Compressed Air Ene
18、rgy Storage,CAES)技术是通过将空气高度压缩来实现能量的存能,它是一种成本低、容量大的电力储能技术。压缩空气储能是由充气(压缩)过程和排气(膨胀)过程组成。压缩空气储能系统是在用电低谷时,将空气压缩并存储于储气室(槽、罐等压力容器)或地下结构(如洞穴、废弃矿井、过期油气井等),将电能转化为空气的内能存储起来;在用电高峰时段,高压空气从储气室或地下结构中释放,进入燃气轮机燃烧室燃烧,膨胀做功,并驱动发电机旋转发电,如图所示。压缩空气储能示意图11.2 储能技术的开发与应用11.2.1机械储能技术飞轮储能飞轮储能(Flywheel Energy Storage,FES)是通过互逆式双
19、向电机将电能转换成高速旋转的飞轮的动能的储能技术。在储能过程,飞轮储能将外界输入的电能,通过电动机带动飞轮高速旋转,以动能的形式储存能量,完成电能-机械能的转换过程;当外界需要电能时,高速旋转的飞轮作为原动机拖动发电机发电,经功率变换器输出电流和电压,完成机械能-电能转换的能量释放过程。飞轮储能系统(磁悬浮轴承)示意图11.2 储能技术的开发与应用11.2.2电磁储能技术电磁储能技术主要包括超导磁储能和超级电容器储能两类,其技术特点对比如表所示:储能类型容量响应时间技术优点缺点超导磁储能10kW1MW15ms容量大,寿命长,能量密度大,响应速度快,建造不受地域限制,维护方便造价高超级电容储能1
20、150kW120ms循环效率较高,充放电速度快,功率密度高,循环充放电次数多,工作温度范围宽自放电率高,成本高两种电磁储能方式技术特点对比11.2 储能技术的开发与应用11.2.2电磁储能技术超导磁储能超导磁储能(Superconducting Magnetic Energy Storage,SMES)技术是利用超导材料制成的环形超导电感线圈,线圈通过整流逆变器将电网过剩的能量以磁能的形式存储起来,在需要时再将此能量送回电网或作他用。超导线圈维持在超导状态,线圈中所储存的能量几乎可以无损耗地永久储存下去,直到导出为止。超导磁储能装置一般由超导线圈、冷却系统、闭式制冷机、变流装置和测控系统组成(
21、如图所示)。超导磁储能系统示意图11.2 储能技术的开发与应用11.2.2电磁储能技术超级电容器储能超级电容器储能(Super Capacitor Energy Storages,SCES)根据电化学双电层理论,利用电级和电解质之间形成的界面双电层来存储能量。充电时,在理想极化状态的电极表面,电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子,使其附于电极表面,形成双电荷层,构成双电层电容。由于电荷层间距极小且采用特殊电极结构,电极表面积成千上万倍的增加,形成极大的电容量。超级电容器储能基本结构示意图如图所示,超级电容器的结构主要包括两个电极、电解质、集流体、隔膜四个主要部件。其中,两个电级是由多孔材料在金
22、属薄膜上沉积形成的,被浸泡在电解液中的隔膜分开。隔膜通常是一张纸,来防止电极之间的导电接触。11.2 储能技术的开发与应用11.2.3电化学能技术电化学储能技术是将其电能以化学能的形式进行存储和转换,蓄电池具有灵活方便的特点,代表了电化学储能的主要研究方向。蓄电池都是通过浸泡于电解液中的两个电极(阴极和阳极)发生电化学反应而产生电能,其中,阴极吸收电子,发生还原反应;阳极释放电子,发生氧化反应。阴极是正电性电极,正离子通过化学单元、电子通过外电路向它迁移;阳极是负电性电极,它产生向外做功的电子。蓄电池工作原理图电池类型正极负极电解液电压(V)体积能量密度(kWh /m3)循环寿命(次)工作温度
23、()铅酸电池PbO2PbH2SO42.0751204001200-4060铅炭电池PbO2CH2SO42.0508025003000-4060镍镉电池Ni(OH)2CdNaOH1.2801502000-4060镍氢电池Ni(OH)2MKOH1.22202301500-2040锂离子电池LiCoO2C6有机溶剂3.73005505001000-2065钠硫电池SNa-Al2O32.015030025004500300350钒液流电池V4+,V5+V2+,V3+H2SO41.3由电解液浓度确定13000-205011.2 储能技术的开发与应用11.2.3电化学能技术主要蓄电池技术特点比较主要蓄电池
24、技术优缺点电池类型优点缺点铅酸电池成本低、技术成熟、储能容量大能量密度低,充放电次数少,析氢,有毒铅炭电池充放电速度快,功率密度高,寿命长能量密度低,铅污染镍镉电池耐用性好,可靠性高,寿命长,维护量少自放电率高,存在记忆效应,污染环境镍氢电池能量密度高,低温特性好、无毒环保造价比铅酸电池、镍铬电池要高锂离子电池能量密度高、自放电率低、无记忆效应,环保造价高,需要过充保护,热失控、容量衰减钠硫电池寿命长,能量密度高,转换效率高,无污染工作温度高,需要热量管理,安全性差钒液流电池能量密度高、效率高、寿命长、无自放电率价格昂贵,能量转换率低、电解液交叉污染 11.2 储能技术的开发与应用11.2.3
25、电化学能技术铅酸电池(Lead-acid Battery)是指电极由多孔的铅及其氧化物制成,电解液是硫酸溶液的一种蓄电池,如图所示。在荷电状态下,正极主要成分为二氧化铅,负极主要成分为铅;放电状态下,正极的二氧化铅与硫酸反应生成硫酸铅和水,负极的铅与硫酸反应生成硫酸铅。铅酸电池电化学反应方程式为:负极反应:PbSO4 + H+ + 2ePb + HSO4正极反应:PbSO4 + 2H2OPbO2 + HSO4+ 3H+ + 2e总反应:2PbSO4 + 2H2OPb +PbO2 + 2H2SO4(充电时反应由左向右进行,放电时反之)铅酸蓄电池示意图11.2 储能技术的开发与应用11.2.3电化
26、学能技术铅炭电池(Pb-C Battery)是通过在铅酸电池的负极添加炭黑等类型的碳材料,形成的新型电池。铅炭电池又可分为铅炭非对称电化学电容器和铅炭超级电池。铅炭非对称电化学电容器是将铅酸电池的铅负极由高比表面积的炭材料取代,正极仍由传统的氧化铅材料构成的新型电化学装置。铅炭电池电化学反应方程式为:负极反应:n C6(x-2)- (H+)x-2+ 2H+ 2e nC6x-(H+)x正极反应:PbSO4 + 2H2OPbO2 + HSO4+ 3H+ + 2e总反应:PbSO4 + 2H2O+ nC6(x-2)-(H+)x-2nC6x-(H+)x + PbO2 + H2SO4(充电时反应由左向右
27、进行,放电时反之)11.2 储能技术的开发与应用11.2.3电化学能技术镍镉电池镍镉电池(NickelCadmium Battery)是由镉、镍电极、碱性电解液和隔膜组成的可充电电池。其中,正极是氢氧化镍,负级是镉。镍镉蓄电池电极上发生的电化学反应方程式为:负极反应:Cd(OH)2+2e Cd+2OH正极反应:Ni(OH)2 + OH NiO(OH) + H2O+e总反应式:Cd(OH)2+2Ni(OH)2 Cd+2NiO(OH)+2H2O(充电时反应由左向右进行,放电时反之)(3)常用类型(5种)立式圆形水压式沼气池发酵间为圆形,两侧带有进出料口,容积为6m3、8m3、10m3、12m3;池
28、顶有活动盖板。池盖和池底是具有一定曲率半径的壳体,主要结构包括加料管、发酵间、出料管、水压间、导气管等几个部分。 优点:结构较简单,造价低,施工方便。缺点:气压不稳定,对产气不利;池温低,影响产气,原料利用率低(仅10%20%);大换料和密封都不方便;产气率低平均0.1 0.15m3/m3.d,对防渗措施的要求较高给燃烧器的设计带来一定困难。立式圆形浮罩式沼气池 将发酵间与贮气间分开,产生的沼气由浮沉式的气罩贮存起来。气罩可直接安装在沼气发酵池顶,也可安装在沼气发酵池侧。浮沉式气罩由水封池和气罩两部分组成。当沼气压力大于气罩重量时,气罩便沿水池内壁的导向轨道上升,直至平衡为止。当用气时,罩内气
29、压下降,气罩也随之下沉。特点:将发酵间与贮气间分开,具有压力低、发酵好、产气多等优点。顶浮罩式沼气贮气池造价比较低,但气压不够稳定。侧浮罩式沼气贮气池气压稳定,比较适合发酵工艺的要求,但对材料要求比较高,造价昂贵。立式圆形半埋式沼气发酵池组城市粪便沼气发酵多用发酵池组。一般采用浮罩式贮气,单池深度4m,直径5m,为钢筋混凝土构筑物,埋入土内1.3m,发酵池上安装薄钢浮罩,内壁用玻璃纤维和环氧树脂作防腐处理,外涂防锈漆。发酵池内密封性好,总储粪容积为340m3。长方形(或方形)发酵池由发酵室、气体贮藏室、储水库、进料口和出料口、搅拌器、导气喇叭口等部分组成。储水库的主要作用是调节气体贮藏室的压力
30、。若室内气压很高时,就可将发酵室内经发酵的废液通过进料间的通水穴,压入贮水库内。反之,若气体贮藏室内压力不足时,贮水库中的水由于自重便流入发酵室,就这样通过水量调节气体贮藏的空间,使气压相对稳定,保证供气。联合沼气池2、沼气发酵池的管理(1)装料:预先在池底铺一层熟污泥。(2)搅拌:每日三、四次,不使物料下沉。(3)温度:5060,并保温。(4)供料:每日加入适当数量的原料。(5)水分:应保持相对稳定。(6)pH值:应取样分析并调节。(7)沼气:初产沼气不纯,应放掉,直到所产沼气燃烧不熄为止。3、现代大型工业化沼气发酵设备(1)常见几种类型的发酵罐欧美型(Anglo-American shap
31、e);d/H1,顶部具有浮罩,顶部和底部都有小的坡度,由四周向中心凹陷,形成一个小锥体。古典型(Classical shape); 中间是一个d/H=1的圆桶,上下两头均为圆锥体。底部锥体的倾斜度为1.01.7,顶部为0.61.0。有助于发酵污泥处于均匀、完全循环的状态。蛋型(Egg shape digester)特点:发酵罐两端的锥体与中部罐体结合时是光滑的,逐步过渡的。 底部锥体比较陡峭,反应污泥与罐壁的接触面积比较小。有利于发酵污泥完全彻底的循环,不会形成循环死角。欧洲平底型(European plain shape)介于欧美型和古典型之间。施工费用比古典型低,直径与高度的比值比欧美型合理,在污泥循环设备方面,选择余地小。(2)循环系统搅拌设备( stiring device)机械搅拌:泵搅拌:用泵将消化污泥从池底抽出,加压后送至浮渣层表面或消化池不同部位进行循环搅拌。一般只适用于小型消化池。螺旋桨搅拌:在一个竖向导流管中安装螺旋桨。水射器搅拌:水射器也称喷射泵。一般设置在池中心,用水泵将消化池底部的污泥抽出后压入水射器的喷嘴,当污泥射入水射器的喉管时,形成很大的负压,将消化池内液面的消化液吸入,通过扩散管从池子下部排 出形成一个循环搅拌 。沼气搅拌:气提式搅拌:将沼气压入设在消化池的导流管中部或底部,使沼气与消化液混合,含气泡的污泥即沿导流管上升,起
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