滤砖反冲洗技术发展概况和应用前景

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滤池气水分布系统

 

1.1.1概述

在常规的水处理过程中,过滤一般是指以石英砂等粒状滤料层截留水中悬浮杂质,从而使水获得澄清的工艺过程。滤池通常置于沉淀池或澄清池之后。过滤的功效,不仅在于进一步降低水的浊度,而且水中有机物、细菌乃至病毒等都将随水的浊度的降低而被部分去除。至于残留于滤后水中的细菌、病毒等在失去浑浊颗粒物的保护或依附时,在滤后消毒过程中也将容易被杀灭,这就为滤后消毒创造了良好条件。在饮用水的净化工艺中,有时沉淀池或澄清池可省略,但过滤是不可缺少的,它是保证饮用水卫生安全的重要措施。

滤池的形式种类有很多,其中使用历史最为悠久的是以石英砂作为滤料的普通快滤池。从不同的工艺角度出发,在此基础之上发展了多种其他形式的快滤池。其中V型滤池就是在20世纪70年代由法国德格雷蒙(Degremont)公司发展的一种重力式快滤池。因其两侧(或一侧也可)的进水槽设计成了V字型而得名。

水厂中滤池是过滤工艺中的重要构筑物,而滤池稳定高效运行的关键是滤层过滤能力的再生。若采用的反冲洗技术较好,使滤池的工作状态常处于最优条件,不仅可以节能、节水,还能使得水质提高,滤层的截污能力增大,工作周期延长,产水量提高。V型滤池过滤能力的再生,就是采用了先进的气、水反冲洗兼表面扫洗这一反冲洗技术。V型滤池在气冲洗过程中,由于使用鼓风机将空气压入滤层,因而使得滤池的过滤性能从以下几方面得到改善,如表1.1示:

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相信随着我们对水资源利用问题越来越重视,V型滤池的普及和运用也会越来越广泛

.1.2反冲洗技术的发展

在滤池的运行过程中,从进水中去除的杂质积聚在滤料表面和颗粒间的孔隙内,随着滤池的继续运转,贮集在滤床中的杂质会导致滤床的孔隙率降低,滤床所能截留的杂质量不断减少,当水头损失增加至水流按预定流量通过时所需的水头即最大允许水头损失时,或是由悬浮物质的穿透最后导致滤后水水质下降时,最终将使滤池停运,此时,需对滤池进行反冲洗,以去除截留的杂质,恢复滤池的运行能力。

所谓“反冲洗”,就是为恢复滤池的正常工作所采用的反向水流冲洗滤层的操作过程,是让经过过滤后的清洁水反向(由下而上)高速通过过滤层,截留在滤料表面的悬浮杂质依靠高速水流的作用冲洗下来,被水流带出滤层。反冲洗的效果好坏会直接影响过滤行为,如果滤池冲洗的效果不佳,就会产生一系列的有害作用。

对于老式的慢滤池,绝大多数从水中去除的杂质会积聚在滤床表面,当过滤水的水质下降时,上层滤料用清洁的砂子替换,以恢复滤池的运行能力。早期的砂滤料快滤池清洁的方法是通过对砂颗粒进行轻轻的清洗}s},以便使得滤床表面上留下一层未受破坏的有机膜,在对砂滤料慢滤池的过滤工艺沿袭下来的认识和理解的基础上,认为进行有效过滤是需要这一薄膜的。在美国最早出现的砂滤料滤池中装设有环形搅动耙子,用来在清洗过程中搅动砂子,来帮助杂质与砂分离开来。但此类滤池反冲洗的强度仅有1.7 -3.4L/s m2。自然,滤床在这种低速弱强度的冲洗下得不到彻底的清洁,效果并不理想。

而早在十九世纪末的英国,就有人开始对浸湿了的滤料进行空气吹洗,然后再用水进行反冲洗,这可以被认为是气一水反冲洗的雏形。到了1900年,美国新泽西州小福尔装置的重力快滤池采用了空气搅动代替旋转的搅动耙子,这被认为是气一水反冲洗技术的最早运用。之后几年哈佛大学所做的实验表明,空气冲洗是打碎滤池砂层表面形成的泥浆或者泥块所需要的。

1903年到1905年间,在美国辛辛那提过滤水厂的实验研究过程当中,开始采用了所谓的“高速冲洗法”,即反冲洗强度为10-16L/sm2,放弃了旋转耙和空气冲洗。这样,在较高的反冲洗强度冲洗下,整个滤层都处于悬浮状态,滤层处于流化状态,这时滤料颗粒上吸附的污物被上升水流中滤料间相互的接触碰撞冲洗下来然后被冲洗水带出池外,从而使滤料得到“清洁”。由于此法的构造简单,运行管理较方便,且冲洗效果明显,因而在美国以及日本等国家得到了长期广泛的应用。但若是采用此种冲洗方式,就必须使水流达到足以使滤料膨胀流化的要求,即滤层表观体积在膨胀后至少增加15%. 1929年Hublert和Herring根据高强度反冲洗研究成果表明,反冲洗膨胀率为50%较宜,此后高速反冲洗为世界各国广泛采用。

在反冲洗过程中,不管是水流的剪切力还是颗粒间的碰撞摩擦力都是由水的速度梯度G值产生的,高速水流反冲洗实际产生的G值一般并不高,通常砂粒产生的。值为300-400s-1,煤粒为150-300s-1,是一种弱冲洗的方式。另外加之滤层膨胀所造成的水流涡动作用,使得会有一部分在滤料表面形成的密实污泥层被带入到滤层的深部并逐步形成大个、坚硬的泥球,这样若是在通常的设计反冲洗强度下,滤池反冲洗的效果就不佳,且随着冲洗时间延长,泥球现象就更趋严重,反冲洗的耗水量增加,由此形成恶性循环。除此之外,高速水反冲洗也易造成滤池滤料的流失,因此在后来的应用当中通常加以表面冲洗辅助。在1908年首次于加利福利亚州的OKlahom自来水公司出现了第一套表面冲洗设备。最初采用辅助的冲洗方法是利用机械搅拌或者水力搅拌来促使表层滤料的摩擦碰撞作用加强,以达到更好的效果。

从1910年起,英国设计的大多数快滤池均是采用了先用空气清洗或者旋转耙冲洗或表面冲洗然后再进行水反冲洗,例外的是于1948年建造的邦福德((Bamford)滤池和1958年伯明翰建造的一个著名滤池均是采用了美国式的高速水流反冲洗,但后者又于后来添置了空气冲洗设备用以节省冲洗水。尽管如此,鉴于配气的设施不过关等原因,故一直使得气一水反冲洗技术的推广应用受到影响。直至在瑞典召开的第四次国际供水会议上提出采用长柄滤头作为布气装置,以及在六十年代后粗粒、均匀粒径的深床滤池的兴起,气动、电动阀门质量的提高等,滤池气一水反冲洗技术才开始慢慢得到人们的青睐,尤其是在英法等欧洲国家普遍流行起来。到了70年代,美国一些学者开始注意到其他国家正在使用的不同冲洗方法,并试图评价这些方法的优缺点。而其中气一水反冲洗相比较于单水反冲洗来讲,在滤池截污容量的充分利用、滤速的提高、过滤周期的延长以及滤层泥球的消除等方面具有着明显的优势,于是对于滤池气一水反冲洗相关问题的研究工作纷纷展开。艾某泰拉耶(Amirtharajah)、克里斯拜(Cleasby)等人在此方面取得了很重大的成果。随着研究的不断进行和对其认识的不断深入,英、法等欧洲国家以及前苏联和日本都大力开展了对气一水反冲洗滤池在工艺设计方面更新与完善的工作,使得在实践应用当中气一水反冲洗的技术日趋成熟。如法国德格雷蒙((Degremont)公司的优秀专利产品Aquazer一V型滤池,采用了单一均匀滤料,通过应用两极PLC可编程逻辑控制器实现过滤一冲洗的自动化,气一水反冲洗与表面扫洗相结合,完全的实现恒水位等速过滤。现在己经作为一种比较成熟的滤池气一水反冲洗技术在欧洲各国广为应用,而且许多发展中国家也引进了此项技术。目前在我国就己经有14个城市直接从法国引进了此种滤池,其中最大的淄博新城水厂设计的能力达到100万m3/d。

我国自从三十年代的抚顺东公园水厂首次采用了气一水反冲洗技术以来,迄今己有了七十多年的历史。但同样是因为存在配气设施的不过关等原因而一直未得到广泛的应用。直至八十年代的中期,中国市政工程西南设计研究院以珠海拱北水厂引进的KI型长柄滤头的资料作为基础,经过反复的实验,研制出的半圆形长柄滤头的问世;均匀粒径的滤料在普通快滤池、虹吸滤池、V型滤池中的应用;气动、电动阀门质量的提高等,才使得气一水反冲洗滤池有了长足的发展。根据不完全的统计,十几年来全国己经有50多个新建的水厂滤池采用气一水反冲洗技术,日供水能力已超过650万m3/d,国内外水处理工作者也再度对气一水反冲洗技术有了高度重视。在有关于滤池气一水反冲洗的理论以及实验研究的方面,哈尔滨建筑大学的李圭白教授、同济大学的朱月海教授以及天津大学的安鼎年教授等一大批的科研工作者做了大量富有成效的工作。中国土木工程学会给水委员会还于1992年10月和1993年4月分别在广州和杭州召开了两次气一水反冲洗技术的专题研讨会,总结和交流了气一水反冲洗技术在科研、设计、生产与施工管理等方面的应用经验,并有提出进一步提高与完善的设想。气一水反冲洗技术在推广应用实践等方面,有采用长柄滤头配水配气的普通快滤池、有采用电动阀门控制排水的双阀滤池、有采用压板阀控制的虹吸滤池、有将单水冲洗的旧池改造为气一水反冲洗的新池等多种形式,均有运行成功的实例。事实证明,近年来所引进的V型滤池运行效果良好。

1.2反冲洗技术的应用

在快滤池的反冲洗中,若是采用高速水流反冲洗,并使滤料达到一定的膨胀度时,由于组成滤层的滤料是具有一定级配的颗粒材料,则会因为水力作用使得滤料颗粒产生分级现象,即滤料颗粒粒径较小的跑到上层,而粒径较大的滤料进入下层。当反冲洗结束后,滤层保持了这种分级现象,形成了一定的反向级配。当再次正向过滤时,由于悬浮物首先通过的是上层滤料部分,其颗粒较细、孔隙较小,悬浮物在此被大量的截留,滤层的表层会很快堵塞,而此时下层滤料的截污能力还未得到充分发挥。这是它的缺点。

通常高强度的水冲洗依靠的主要是水流的剪切作用或者滤料颗粒间的摩擦碰撞作用,使得颗粒表面的杂质脱落,因而冲洗过程中滤层处于膨胀状态是必须的,而滤层膨胀会使得冲洗后形成由细到粗的滤层水力自然分级。与此同时,膨胀的滤层会在冲洗过程中产生对流,进而会在滤层中形成硬实的泥球。

而滤料的不膨胀冲洗则可以通过采用气水反冲洗技术来实现网。因为采用了自下而上的气冲洗,其气流不断地搅动滤层以及滤料颗粒间相互的剧烈碰撞摩擦使得滤料颗粒表面的杂质脱落下来。这一作用引起污泥剥落的程度大大超过了由于单纯水冲洗弓!起污泥剥落的程度。而此时水冲洗的作用主要是通过同程流向,将被剥落的污泥及时带出滤层表面进而送出滤池。由于此时水冲洗所起的作用发生了变化,故可以大幅度降低水冲洗的强度,不致于引起滤层的膨胀。当冲洗结束之后,滤料将会基本维持原位而没有水力分层出现,保持了滤层中滤料的均匀分布。另外,由于气水反冲洗时没有产生对流,污泥就不会下达到滤层的深部,因此冲洗质量得到了提高。

而滤料的不膨胀冲洗使得滤层成为接近理想滤层概念的滤层。理想滤层是,沿着过滤的水流方向,滤层中滤料的粒径是从大到小递减的。理想滤层经过反冲洗后,仍然保持原来的滤料大小排列顺序。这样的理想滤层只能用合成材料才可能实现,其要求是,从滤层顶到滤层底,滤料的粒度从最大递减到最小,而滤料的密度则相应地从最小递增到最大。正向过滤的双层滤料和三层滤料是在正向过滤的条件下,根据理想滤层的概念,用天然材料所构成的滤层。采用均质滤料的V型滤池的滤速一般为7-20m/h,其处理效果相当于双层或三层滤料滤池。

气水反冲洗的主要特点列表1.3如下:

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我国气水反冲洗技术应用的历史已近70年,但应用的水厂并不多。本世纪30年代,抚顺市东公园水厂最早采用了气水反冲洗技术,现有的设计规模为17万m3/d,其次是广州的二水厂,于40年代开始采用该技术,现有的设计规模为12万m3/da 50年代以后,广东罗定水厂、抚顺台涧水厂与湛江水厂等先后均采用了气水反冲洗技术。80年代之后,引进法国贷款和技术的南京上元门水厂、西安曲江水厂、重庆和肖山水厂、沈阳八水厂均建成采用了气水反冲洗技术的AQUAZUR-V型滤池。近年来,昆明五水厂、杭州消泰门水厂、珠海拱北水厂、深圳南头水厂、青岛白沙河水厂等均采用了气水反冲洗技术。而事实也证明,近年来利用外资贷款引进的V型滤池有良好的运行效果。国内现行普遍采用的仍是普通滤料滤池,并以单层石英砂质滤料为主,将气水反冲洗引进到普通滤料滤池将具有巨大的经济意义和广泛的社会意义,具有十分广阔的应用前景。

3节能减排现状

以前,节能问题一直未能引起人们的足够重视。现如今,随着经济高速的发展,能源问题越来越突出,并已渐渐成为制约我国经济发展的“瓶颈”。面对资源的紧缺,节能已变得尤为必要和迫切。国家的“十一五”规划明确提出:未来5年,单位GDP能耗降低20%。这是我国首次将节能约束性指标纳入国民经济与社会发展的五年规划。因此,对节能降耗进行研究具有十分重要的现实意义。

从科学的角度来看,节能降耗即是在满足相同需要或者达到相同目的的前提下,减少能源和物料的消耗量。节能降耗,在供水行业当中,也是一个普遍重视的课题。对供水企业来讲,节能降耗的重点是对可控成本的控制。其中,原水成本属于不可控成本的范围,是外生成本。而在投资己完成的运营阶段,在短期内固定成本也具有不变成本的特性,相对稳定的还有制水和售水成本当中的相当部分。故而节能降耗的很大一部分潜力存在于水厂的生产运行中。在市场经济条件下,水厂实行节能降耗,降低生产运行的成本,是市场经济的必然要求,具有重要的理论和实践意义。

国内外研究现状

国外对水厂的节能降耗一向较为重视。经过多年的发展,已形成了相对成熟的净水工艺技术,随着形势的发展变化,对于水厂的节能降耗又提出了新的要求。为了在设计阶段就做好节能工作,一般会在进行水厂设计的阶段,先做模型试验,比较几种工艺,然后选定最佳工艺。

国内对水厂节能降耗的研究主要是集中在:水泵的节能,通过采用叶轮切削与变频技术达到节能改造的目的,主要变频设备是采用国外进口较多,使用其它技术较少;在加药与加氯的方面,自动化是近年来研究的重点。在水厂的工艺优化方面,较多是针对具体的问题进行挖潜改造,较少对水厂的工艺进行比较研究。

水厂中过滤在给水处理过程中所占的能耗较大,因此诸多研究的目的都是在进一步提高出水水质的同时使能耗降低。通过对滤池进行节能降耗改造可使滤池充分发挥能力,有效工作/反洗周期延长;反洗前水位充分降低,反洗排放水量减少;科学的调控反洗强度与时间,降低鼓风机与反洗水泵的运行时间等,从而降低企业的生产成本。

目前国内的一些老水厂对滤池的单水反冲洗进行技术改造,改变为气水反冲洗,节能节水的效果明显。深圳蛇口水厂对其T型滤池的单水反冲洗改造为气水反冲洗,冲洗强度为16L/sm2,后又改为气水联合三段式反冲洗,其中水冲强度为5L/sm2,气冲强度为15L/sm2。滤后水水质的达标率为100%,而反冲洗水量仅为改造前的三分之一,反冲洗水量大大节约。另由于水反冲洗强度的降低,反冲洗泵功率仅是原有的40%左右,节约了电耗,且提高了滤池截污的能力,延长了滤池的工作周期,缩短了反冲洗时间,生产成本降低的幅度较大,经济效益明显。

一般而言,给水厂的自用水主要组成包括絮凝池排泥水、沉淀池排泥水与滤池反冲洗水,其中大部分是反冲洗水。目前虽然关于这个方面的研究不多,但是自用水的确是不少的水资源量,一般可占到生产水量的3%-10%。陶辉等提出了减少无效排泥与减少无效反冲洗的措施,并且在中试取得了较好的效果。对于反冲洗水的节能,应尽量减少反冲洗水耗量与反冲洗水头。一般设计采用的反冲洗强度为15L/sm2,若考虑气水反冲洗则反冲强度可减少至8L/sm2。例如,秦皇岛水厂的二期工程就是采用了气水反冲洗,先进的V型滤池工艺,且采用自动控制的形式,达到了节水、节能的目的。一般来讲,对于现有的设备和工艺,反冲洗的方式一般是固定的,工程人员应该在保证出水的水质和滤池功能的前提下,使用最少的冲洗频率和合理的冲洗强度。另一个反冲洗水量减少的途径就是对反冲洗水进行回收。

2反冲洗理论基础

2.1反冲洗机理

2.1.1水反冲洗机理

目前,国内外的学者对于水反冲洗过程中滤料上截留杂质的脱落机理的认识,并未完全一致,主要有三种不同的见解。

第一种是以Camp, Stein等为主,认为杂质的脱落原因主要是水流剪切力的作用,至于颗粒碰撞摩擦的作用可以忽略不计。这种观点提出的理由是:

①全部的冲洗能量被用以使颗粒保持悬浮;

②颗粒表面的水膜防止了颗粒间的表面摩擦;

③未有实验证实颗粒碰撞摩擦的发生。

第二种是以Fair,藤田等为主,认为污泥的去除主要是依靠滤料颗粒之间的相互碰撞摩擦力,水流的剪力作用仅起到了微小的作用。根据Fair等的研究成果,滤料间的碰撞次数决定了滤料间的碰撞摩擦力。

第三种是以翼岩等为主,认为滤料上积存有两种污泥,一种是被滤料直接吸附牢固的污泥称为“一次污泥”;另一种则是积聚在滤料空隙当中的污泥被称为“二次污泥”,靠水流剪力作用较易去除,而一次污泥则必须依靠碰撞或者其他的作用才能使其去除。

国内著名的教授李圭白等在水流剪切和颗粒碰撞两者理论的研究基础上提出了滤料表面污泥的脱落是由于水流剪切和颗粒碰撞两者综合作用的结果,亦即剪切与碰撞综合作用机理。在冲洗的条件不同时,起主要作用的是剪切还是碰撞均有可能。

2.1.2气反冲洗机理

单气冲洗过程中,不会出现像水冲洗时出现的滤料层流化现象,而是众多的小气泡从滤料底部开始,在不断地克服滤料间的摩擦阻力而上升,在气泡上升时将其上部的滤料挤到周围,从而形成通道。由于气泡的直径较小(约5mm),因此,在滤层内气泡产生的扰动也较小一当通道直径约为5mm时,气泡对通道周围1 -2mm范围的滤料具有扰动作用。在此范围之外的滤料,只是在通道周围的滤料填补气泡上升过后产生的空缺时才会发生缓慢的移动。在气泡上升的过程中,有时几个气泡会聚合到一起,但由于受到通道的限制,它形不成大的球形气泡,而是呈圆柱形气泡上升。但当气泡上升到滤料表层时,由于表层滤料间的摩擦阻力较小,因此圆柱形气泡就迅速形成为较大的球形气泡。气泡愈大,对周围滤料的扰动就会愈激烈,因而当气泡通过滤料表层时,滤料受到了较强烈的翻卷。因此,单气冲洗时,截面杂质较少的滤层内部受到的扰动较小,而截面杂质较多的表层滤料受到的扰动则较强烈,这是符合冲洗要求的。

至于在单气冲洗时,是以碰撞摩擦作用为主,还是以剪切作用为主,刘荣光等认为,在滤料层的内部,主要是剪切作用,而在滤料的表层,则是二者并重。

2.1.3气水反冲洗机理讨论

气水反冲洗是设定在水反冲洗之前或者冲洗的同时,将空气由滤料层的下部通入,使污物从粘附的滤料层中分离,然后再用低速水进行漂洗,废水排出。

单独采用空气对滤料进行擦洗时,滤层并不膨胀。滤料间的摩擦阻力较大,在滤层的内部小气泡合并成大气泡的机会较少。当气泡通过滤料表层时,表层滤料发生强烈的翻卷。随着气流速度的增大,由于气泡克服了滤料颗粒间的摩擦阻力,使得深层滤料的扰动作用得到增强,在气泡尾迹的促使下,滤料层产生了循环混合,在由于滤料之间的相互拥挤填充产生的摩擦力以及在气泡上升过程中与滤料颗粒间的摩擦力两者共同的作用下,滤料上截留的杂质被剥落去除。

采用气水联合反冲洗时,当空气流速大于最小空气流速值(由滤料特性决定)时,则冲洗水流速只要达到最小流态化冲洗流速的40%-50%,强烈的搅动和环流作用就会在滤床内产生,在冲洗一开始整个滤床就产生扰动,在气泡上升时形成的气流涡区内,滤料的翻卷滚动会引起滤料颗粒间的剧烈的碰撞摩擦。同时,因为滤料的环流作用,所有滤料都受到了水流剪切力的作用。在水流剪切力和滤料间的剧烈碰撞摩擦的作用下,滤料颗粒表面的截留杂质被充分的剥落、击碎。因此,杂质更加容易被水清洗掉。

气水反冲洗的最后一个阶段是水漂洗阶段,其作用是:首先,排出滤层中去除的杂质,用清水层替换废水层(这与滤层成熟期成因有关,是解决初滤水、提高水质的具体要求);其次,排出残留在滤床中的空气。

2.2作用机理公式介绍

2.2.1水力剪切作用机理

Camp, Amirtharajah, Cleasby[等认为,在水流反冲洗的过程中,主要是水流剪力作用使得滤料变的清洁,冲洗效果随着剪切力的增大而提高。至于滤 word image 50 - 滤砖反冲洗技术发展概况和应用前景

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2.3反冲洗方式

水处理工艺当中,当过滤的水头损失达到最大值时,若滤池继续运行的话,过滤速度将和预定值相比不断降低,这是不允许的,此时滤池应停止过滤,即使过滤的水头损失未达到预定最大值,但由于出现滤出水的浊度或者其它预定的水质参数不合格时滤池也必须停止过滤。高效率的反冲洗是快滤池长期成功运行的基础。反冲洗操作的目的是保证滤池相对清洁,避免泥球和泥饼的出现。

反冲洗方法的选择

反冲洗系统是过滤失败的主要根源,所以,选择反冲洗系统的类型,确保系统设计、建设与操作的合理性是净水厂成功的关键。目前使用的两种主要反冲系统介绍如下。

(1)全流态化上向冲洗在美国常规的反冲系统采用的是全流态化上向反冲,反冲水通过配水系统进入滤床底端。应该逐渐增大水量,最少有30s的持续时间,避免扰动砾石层或使集水系统承受瞬时压力增加。随着反冲洗流速增加和床体膨胀,滤料慢慢进入流态化。反冲洗流量持续保证流态化直至反冲排水清澈,大约l Ontu的浊度水平即可认为清洁。然后进水阀关闭,由于不对集水系统或砾石层造成危险,所以关闭不象开启那么严格。但是缓慢关闭会产生更大程度的重新分层。

按照Baylis的观点,单独水流化反冲是一种很差的冲洗方法,效果差的原因,如Amirtharaj ah提及,主要是流化床中颗粒之间的摩擦较少。基于这样的原因,一般结合辅助冲洗系统,如表面冲洗或气冲。

(2)表面冲洗加流化床冲洗表面冲洗被成功的广泛用于改善流态化反冲洗的效果。表面冲洗系统沿高出固定床表面2.5 -5cm的孔口喷射水流,在上向冲洗之前1 -2min开启表面冲洗,在上向冲洗的大部分时间持续进行表面冲洗,在一定时间内沉浸在流化床滤料层内。在上向冲洗结束前2-3min,终止表面冲洗。表面冲洗有很多优点和不足,如表2.1所示。

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