沼气池使用及管理.docx
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沼气池使用及管理
6沼气池的使用及管理
沼气池是四位一体生态型大棚模式中的核心部分,起着连结养植与种植、生产与生活用能的纽带作用。
沼气池位于日光温室的一端,它是靠填充的粪便,借助温室等其他条件进行厌氧发酵而产生以甲烷为主要成分的混合气体,为生活(照明、炊事)和生产提供能源;同时沼气发酵的残余物(沼液、沼渣)可为蔬菜、农作物等生长发育提供优质有机肥,从而达到改善环境,利用能源,促进生产,提高生活水平的目的。
四位一体生态型大棚模式沼气池生产运行管理是指从发酵原料的筹集、配比到启动、产气、应用、日常管理等周而复始的运转过程,要使沼气池产气多,持续均衡产气、供肥,必须从开始投料起就认真抓好管理工作。
6.1沼气发酵原料的配备
农村中可以用来作沼气发酵原料的有很多,最常用的是人、畜(猪、牛、马、羊、鸡、鸭)粪便,各种作物秸秆(稻草、麦草、玉米秸)、青杂草、烂菜叶、水葫芦、废渣废水(酒糟、制豆腐的废渣水、屠宰场废水)等都是很好的沼气发酵原料。
但四位一体生态型大棚中的沼气池不能用各种作物秸秆作发酵原料,因为秸秆在沼气池中的滞留期长达90天以上,影响对蔬菜的施肥,而且出料困难,故不能采用作物秸杆做发酵原料。
6.1.1沼气发酵原料的类型及特性
根据沼气发酵原料的化学性质和来源,可以分为以下几类:
(1)富氮原料富氮原料在农村主要指人、畜和家禽粪便,这类原料颗粒较细,含有较多的低分子化合物,氮素的含量也较高,其原料的碳、氮比一般都小于25∶1。
因此不必进行预处理,分解和产气速度较快。
这种原料是目前农村沼气发酵的主要原料。
这类原料的特点是发酵周期较短,产气速度快。
(2)其他类型的发酵原料
有机废物:
包括各种废渣、废水,如酒糟、制豆腐的废渣水、屠宰场下水、废皮渣、生活污水和有机垃圾等。
这类原料一般富含有机质。
青草及水生植物:
主要包括各种青草、水葫芦、水草。
由于它们的组织鲜嫩,易被微生物分解利用,因此也是沼气发酵的好原料。
6.1.2沼气池常用的原料产气特性
原料的产气特性是沼气发酵的一个重要技术参数。
所谓沼气发酵是指有机物质(如人畜粪便、垃圾、杂草、秸秆、污泥等)在厌氧条件下,通过种类繁多、数量巨大且功能不同的各类微生物的分解代谢,最终产生沼气的过程。
沼气发酵原料种类很多,由于各自的化学成分不同,每种原料都有自己的产气特性,包括原料的产气率和产气速度。
(1)原料产气率原料产气率是指原料中单位总固体(TS)或挥发性固体(VS)在发酵过程中的产气量。
在实际生产中,原料产气率用米3沼气/千克·总固体(m3/kg·TS)来表示。
表6.1常用发酵原料在不同温度条件下的产气率
原料名称
中温(35℃)
常温(8℃~25℃)
猪粪
牛粪
人粪
青草
0.45
0.30
0.43
0.44
0.25~0.30
0.20~0.25
0.25~0.30
0.20~0.25
注:
发酵周期为60天,发酵料液浓度为6%。
(2)产气速率由于各种原料的化学成分的组成不同,其产气速率也不同。
原料中含易被微生物分解利用形成甲烷的有机化合物成分愈多,则产气速度就愈快,反之,产气速度就愈慢。
一般富氮原料的产气速度比富碳原料快。
产气快的叫速效性原料,产气慢的叫迟效性原料。
所谓产气速率是指在适合的发酵条件下,原料产生沼气的速度,一般以某段时间内的沼气产量占总产量的百分数来表示。
产气速率的大小与原料自身的成分、性质等内因有关,同时也受发酵条件、发酵工艺、沼气池类型等外因的影响。
掌握原料的产气速率,对合理配料和日常管理有指导意义。
根据各种原料有其不同的原料产气率和产气速度这些特性,相互搭配使用,以保证发酵过程中既有较高的产气量,又有利于均衡产气。
常用发酵原料的产气速率见表6.2所示。
表6.2常用发酵原料的产气速率(占总气量的%)
发酵时间/天
原料名称
102030405060708090
人粪
猪粪
牛粪
青草
麦草
40.781.594.198.298.7100
46.078.193.997.599.1100
34.474.686.292.797.3100
--98.2-100
18.830.853.778.388.793.296.798.9100
试验条件:
发酵温度为35℃,发酵周期粪类60天,发酵料液浓度总固体含量为6%。
6.1.3沼气发酵的工艺条件
沼气发酵是一个生物化学过程,若不具备应有的保证条件,将得不到沼气或得到很少。
(1)严格的厌氧条件沼气发酵微生物包括产酸菌和产甲烷菌两大类。
产酸阶段的产酸菌(即不产甲烷菌)大多数是厌氧菌,还有一部分为好氧菌、兼性厌氧菌,而产气阶段的产甲烷菌是专性厌氧菌,不仅不需要氧,氧对产甲烷菌反而有毒害作用,因此,必须创造厌氧条件。
沼气池中的这两大类型菌构成了一个复杂的生态系。
沼气发酵启动或新鲜原料入池时,带进一部分氧,但由于在密闭的沼气池内,好氧菌和兼性厌氧菌的活动迅速消耗了溶解氧,从而创造了良好的厌氧条件。
(2)接种物有机废物厌氧分解产生甲烷的过程,是由多种沼气微生物来完成的。
因此,在沼气发酵中,加入足够的所需微生物作为接种物(亦称菌种)是极为重要的。
沼气微生物在自然界中分布很广,特别是在沼泽、粪池、污水池和各种有机污泥中都极为丰富。
粪便和其他发酵原料经过一段时间的厌氧沤制后,可起到富集菌种的作用。
沼气池大换料时,采用沼气发酵液作为接种物,也可达到同样效果。
对农村沼气发酵来说采用下水道污泥作为接种物时,接种量一般为发酵料液的10%~15%,当采用沼气池发酵液作为接种物时,接种量应占总发酵料液的30%以上,若以底层沉渣作接种物时,接种量应占总发酵料液的10%以上。
接种物数量对产气量有较大影响,如表6.3所示。
(3)发酵温度沼气发酵与温度有密切关系。
就某种意义上来说,温度是产气的关键,在一定温度范围内,温度越高,产气量越高。
我国农村中的沼气池都在自然温度下进行发酵,发酵温度随气温和季节而变化,故称之为常温发酵。
表6.3接种物数量对产气量的影响
原料
接种量/(%)
沼气量/毫升
甲烷量/(%)
人粪50克
人粪50克
人粪50克
人粪50克
10
20
50
150
1435
4805
10093
16030
48.3
56.4
66.3
68.7
注:
1.发酵温度为28℃,产气量为28天累计数;
2.接种物为沼气池发酵残渣,其产气量已被扣除。
由于中国农村沼气池大多为地下式的,气温和地温与池温有密切关系。
从表6.4可看出,直接影响池温的不是气温而是地温,地温又随气温而变化,离地面越近地温变化越大,越接近气温;离地表面越深则地温变化越小,与气温差异越大。
夏天离地面越近地温就越高,相反,冬天离地面越近地温越低。
但深度在100厘米以下时地温变化缓慢,几乎不受气温变化的影响,而在190厘米处的地温与发酵温度基本一致。
表6.4气温、地温与池温的关系
月
日
温度
一月
七月
39162330
310172431
当日气温
2.56.3-1.311.43.0
33.232.32828.927.4
距地面30厘米处地温
6.586.57656.5
3132.530.52928
距地面100厘米处地温
1111108.59.5
2526272626
距地面190厘米地温
1413131111
212121.521.522
平均发酵液温度
13.511.511.511.511.5
2121.5222222.5
沼气发酵温度的突然上升或下降,对产气率都有明显的影响。
一般认为,温度突然上升或下降5℃,产气量显著降低,若变化过大则产气停止。
(4)发酵液的pH值沼气发酵的最适pH值为6.8~7.5。
一个正常发酵的沼气池一般不需调节pH值,靠其自动调节就可达到平衡。
在沼气发酵过程中,pH值有其变化的规律。
在发酵初期,由于产酸菌的活动,沼气池内会生成大量有机酸,导致PH值下降。
但随着发酵继续进行,氨化作用产生的氨可以中和一部分有机酸,同时随着产甲烷菌的活动,大量的挥发酸被利用,这样就可使pH回升到正常值。
但如果原料配制不当,或缺乏正常操作管理,也会使挥发酸大量积累,pH值下降。
当pH值低于6或高于8时,发酵过程就会受抑制,甚至停止。
一旦出现上述现象,在农村一般采取以下措施来调节:
①经常少量出料,同时投入同量的新料,以稀释发酵料液中的挥发酸,提高pH值。
②添加草木灰肥、稀释的氨水。
若加石灰调节时,用量一定要严格控制,否则会影响沼气微生物的活动。
pH值通常用pH计、pH试纸和酸碱指示剂来测定。
pH试纸和酸碱指示剂在一定的pH范围内,发生一定的颜色变化,由颜色的变化可粗略地判断发酵液的pH值。
(5)发酵液碱度碱度是指发酵液吸收质子的能力,也就是指发酵液中和过酸或过碱物质的缓冲能力。
碱度通常用发酵液所相当的CaCO3(毫克/升)来表示。
据研究,正常沼气发酵液碱度大致在3000~8000毫克/升。
测定发酵液碱度,可以预示发酵体系的稳定性和揭示潜在的失败可能性。
(6)压力沼气发酵与池内气体压力有密切的关系,沼气池内压力过高或处于变压状态对产气量有一定的影响,如表6.5所示。
表6.5沼气压力和产气量的关系
组
沼气压力/帕
产气量/米3
百分比
1
2
3
0~6
2
0
179.59
191.66
121.09
100
106
118
注:
实验期365天;实验池温10.5~23.8℃;池容5米3;原料:
猪粪+稻草。
第一组为水压式沼气池,第二组为浮罩式沼气池。
(7)搅拌沼气池在不搅拌的情况下,发酵液明显分三层:
上层为结壳层,中层为清液层,下层为沉渣层。
发酸液分层不利于产气。
搅拌可使原料和接种物均匀地分布于池内,增加微生物与原料的接触面,加快发酵速度,提高产气量,也有利于促进发酵产生的CO2和甲烷的释放。
目前采用的搅拌方法主要有三种:
●机械搅拌:
机械搅拌器安在沼气池上部。
这种装置适于单一原料粪和粉碎后的作物秸秆原料。
●液搅拌:
用人工或泵从沼气池中抽取一定量的料液,再将其倾入沼气池中,以产生较强的液体回流,达到搅拌的目的。
●气搅拌:
将沼气压缩后从池底冲入池内,产生较强的气体回流,达到搅拌的目的。
(8)添加剂和抑制剂有不少物质可以促进发酵作用,因此可作为添加剂来促进发酵。
而另外有些物质则可抑制发酵的进行,需要在发酵时加以控制。
但还有一些物质对发酵的影响,往往与它们的浓度有关。
如在低浓度时它们可起到刺激作用,而在高浓度时则产生抑制作用。
为保证沼气发酵的正常进行,提高产气量,寻找各种添加剂和控制发酵抑制剂是很重要的。
添加剂包括一些酶类、无机盐类及有机物质。
例如进料时加入一定数量的纤维素酶可起到加速物质分解、提高产气量的作用。
沼气池内挥发酸浓度过高时,对沼气发酵菌有抑制和杀伤作用;各种农药,特别是剧毒农药,都有极强的杀菌作用,即使微量也可使正常的沼气发酵完全遭到破坏。
其他一些盐类,特别是很多金属离子,当超过一定浓度时,有强烈的抑制作用。
6.1.4沼气发酵的配比
农村沼气发酵一般采用混合原料入池发酵,因此根据沼气发酵原料的来源、数量、种类等采用科学、适用的配料是很重要的。
(1)原料的碳氮化所谓原料的碳氮比是指原料中碳素总量和氮素总量的比例。
几种原料碳氮比值见表6.6所示。
表6.6农村常用沼气发酵原料的碳氮比
原料
碳素占原料重量/(%)
氮素占原料重量/(%)
碳氮比
鲜牛粪
7.3
0.29
25.0:
1
鲜羊粪
16.0
0.55
29.0:
1
鲜马粪
10.0
0.42
24.0:
1
鲜猪粪
7.8
0.60
13.0:
1
鲜人粪
2.5
0.85
2.9:
1
鸡粪
25.5
1.63
15.6:
1
注:
表中数据为近似值。
沼气发酵原料是产生沼气的物质基础,实践证明:
投入的混合原料碳氮比值控制在(20~30)∶1,甚至可以略高一些。
这样不仅有利于持久稳定的产气,同时起到对酸碱度的调节作用,还可以防止“跑氮”,有利于沼渣水肥的保存。
(2)原料水分、总固体、挥发性固体及浓度测定水分及总固体,对计算发酵浓度有直接关系。
原料除了水分外的物质总量叫总固体,又称干物质重,作TS表示,常用重量法测定,即将发酵原料放在105℃的恒温箱中烘干至恒重为止,再称其重量,就是总固体量。
挥发性固体是指在总固体中能在550℃高温下挥发的那部分固体,用VS表示,不能挥发的残余物称为灰分。
所有挥发性固体都是有机物质。
农村中常用发酵原料的测试结果见表6.7。
表6.7几种原料的水分、总固体及挥发性固体
原料
含水量/(%)
总固体/(%)
挥发性固体/(%)
人粪
80
20
88.4
猪粪
82
18
83.9
牛粪
83
17
74.0
马粪
78
22
83.8
羊粪
25
75
鸡粪
70
30
82.2
风干粪
35
65
注:
挥发性固体含量是相对于总固体而言。
在沼气发酵中一般用总固体浓度表示发酵料液浓度,是指原料的总固体重量与发酵料液重量的百分比。
在农村根据原料的来源和数量,沼气发酵通常以6%~11%的发酵料液浓度为宜。
6.2沼气池的运行及管理
6.2.1沼气发酵工艺类型
“模式”内的沼气池,普遍采用半连续投料沼气发酵法。
这种发酵法兼顾了生产沼气、积造有机肥和农业生产集中用肥的需要,具有良好的综合性效益。
其工艺流程如图6.8。
图6.8底层出料水压式沼气池半连续常规发酵工艺流程图
注:
如采用池外堆沤,应适当堆沤后拌料,接种后再投料加水封盖
半连续常规发酵工艺操作程序:
(1)备料备料是沼气发酵工艺的首要步骤。
要注意原料的收集,提倡修建囤粪备料池,将收集到的原料贮存在囤粪池内。
按目前农村的生活水平,每人每天需沼气0.3~0.4立方米,一个四口之家每天约需1.5立方米的沼气。
如果只用猪粪原料产气来供应,则需常年存栏牲猪5头(50千克)以上。
发酵原料的配制应因地制宜,因户制宜,除秸秆外有什么原料就用什么原料,在此基础上尽量合理配料。
配料比见表6.9所示。
(2)新池检验或旧池检修新建沼气池,必须按设计要求,严格检查建池质量,经检查证明质量合格,方能投料生产。
对使用一年以上,又未用密封涂料的沼气池,在大换料后,应对池体进行一次仔细检查,若发现有裂损的地方和渗漏现象,要及时修复。
(3)配料、原料入池前应按下列要求配料
①浓度以原料的总固体含量计算。
发酵原料的浓度,南方各省夏天以6%为宜,冬天以10%为宜;北方地区,沼气最佳发酵时间一般在5~10月,浓度为6%~11%。
不同季节投料量不同,初始浓度低些有利于启动,早产气、早用气、早用肥。
按6%的浓度,每立方米池容需投入鲜人畜粪300~350千克,水(包括接种物)650~700千克;按8%的浓度,每立方米池容需投入鲜人畜粪约430~470千克,加水530~570千克,其中接种物占20%~30%。
②碳氮比值。
沼气发酵比较适宜的碳氮比值是(20~30)∶1。
为了使用方便,根据上述要求计算了农村常用发酵原料不同的配比,参考表6.9。
表6.9每立方米料液的参考配料比
单位:
0.5千克(1市斤)
配料组合
重量比
6%浓度
8%浓度
10%浓度
加料重量比
加水量
加料重量比
加水量
加料重量比
加水量
鲜猪粪
666
1334
890
1110
1110
890
鲜牛粪
706
1294
941
1059
1176.4
823.6
鲜骡、马粪
600
1400
800
1200
1000
1000
鲜牛粪:
骡粪:
马粪
随机混合
700
1300
920
1080
1100
900
鲜猪粪:
人粪:
牛粪
1:
0.5:
3.2
150:
74.8:
480
1295.2
200:
100:
640
1060
250:
126:
800
824
(4)拌料接种首先选取和收集优良的接种物,按工艺要求的接种量进行接种。
为了使接种物与入池原料混合均匀,需要进行拌料。
●接种物:
在各种有机物厌氧消化的地方采集接种物。
下水道污泥和屠宰场、肉食品加工厂、豆腐坊、酒厂、糖厂等地的阴沟污泥,湖泊、塘堰沉积污泥,正常发酵的沼气池底脚污泥或发酵料液,以及陈年老粪坑底部粪便等,均含有大量沼气微生物,都可以采集为接种物。
有条件的地方,最好能对所选取的接种物进行富集、驯化和扩大培养。
这样既可以使不同区系的沼气微生物个体得到增殖,又可以使大量接种微生物群体适应入池后的新环境。
●拌料:
将准备好的粪类原料、接种物和水按比例拌和均匀。
(5)入池堆沤将拌和的发酵原料从沼气池顶部加入。
全部用人、畜粪尿作发酵原料的装料方法是:
初次投料,人畜粪、接种物及水等的总量,在保证原料浓度的情况下,应占池子容积的70%,以后随着“模式”的生产,逐步添加,最大投料量为池子容积的75%。
如因原料暂时不足,一次性投料不能达到要求的投料量时,其最小投料量应超过出进料管下口上沿15厘米左右以封闭发酵间。
拌、投料最好选在晴天进行,以利发酵。
应注意1~3月份地温最低不宜投料启动发酵。
(6)加水封池池内堆沤过程中,由于好氧和兼生微生物的作用,发酵料液的温度不断上升。
当池内发酵原料温度上升到40~60℃时(夏1~2天,秋冬3~5天)加水(注意总加水量应扣除拌料时加入的水量)。
加水完毕,可用pH广泛试纸检查发酵料液的酸碱度,一般pH值在6以上时可封池;如果pH值低于6,可加上适量草木灰、氨水或澄清石灰水调整到7左右,再封池。
封池后,应及时将输气导管开关和灯、炉具安装好,并关闭输气管上的开关。
(7)放气试火按上述工艺流程操作,沼气池封盖以后开始几天所产的气主要是二氧化碳,甲烷含量较少,再加上池内原来有很多空气,所以开始放出来的气体难以燃烧,要排放数次废气才能试火。
一般封盖后2~5天即可点火试气。
但应特别注意,试火一定在灶具上进行,不能在沼气池导气管上直接试火,以防回火引起沼气池内爆炸。
在炉具上开始试火时要先关闭炉具的风门,到风门敞开,火焰能稳定不灭时,表明发酵起动阶段已经完成。
6.2.2沼气池的日常管理
沼气能够正常燃烧,表明沼气发酵的各种条件比较适宜了,这时候沼气池就具备了一定的产气能力,发酵已进入运转阶段。
在这一阶段管理工作的好坏是关系到沼气池均衡产气、提高产气率的重要因素。
日常管理的主要任务、内容和方法是:
(1)及时添加新鲜原料一般新池投料或沼气池大换料后30天左右,当产气量显著下降时,应及时添加新鲜原料,要求控制的浓度为6%~8%,夏、秋季温度高,发酵浓度可低些;冬季温度低,发酵浓度应提高到8%~11%。
要求“模式”都养上猪或禽,让人畜粪尿自流入池,为沼气池不断提供新鲜的发酵原料。
为了保证原料在沼气池内能得到充分的分解发酵,以干物质计算,每天平均进料量,以每立方米沼气池每天不超过0.8千克为宜,即8立方米沼气池需干物质6.4千克,相当于32千克鲜猪粪(约6头50千克以上猪的产粪量)。
7~9月份可适当减少。
如果存栏猪少,产粪量不足,应想法补充其他原料。
在进料之前,应先出料,而且尽量使进、出料体积相当;在添加料液中,切忌加大用水量,以免降低发酵料液浓度,影响产气效果。
平时出料,池内料液面应保持在进出料口下口以上15厘米,否则沼气就会从进出料口跑掉。
(2)适时搅拌搅拌有利于打破浮渣层结壳和搅动沉渣,使沼气池中的微生物与发酵原料更好地接触,可提高产气10%以上。
搅拌的方法可用长把物器从进料管伸入沼气池内来回拉动;也可从出料间舀出一部分粪液,倒入进料口,以冲动发酵料液;搅拌每3~5天进行一次,每次搅拌3~5分钟。
(3)注意调整发酵液的酸碱度配料不当,突然更换添加原料,可能导致发酵液过酸,造成产气量下降或气体中甲烷含量减少。
在农村检查pH值一般可用广泛试纸浸泡在发酵液中(1分钟左右)与标准试纸颜色对照后,如发现pH值小于7(即试纸呈土黄色、橙色),说明发酵液是酸性,应加入适量草木灰、氨水或澄清石灰水调节pH值至正常范围(6~8);若广泛试纸显示桔红色,则表明发酵料液是强酸性,应将大部分或全部料液取出,重新接种,投料启动。
(4)提高发酵料液温度在冬季,应适当添加经适当堆沤的骡马粪、羊粪、酒糟等其他酿热性原料,以提高发酵温度。
(5)要经常检查输气用气装置和沼气池是否漏气采用了正确的管理方法,而产气量明显下降或用气效果不好,那就要特别注意检查沼气池是否漏气,导气管与盖板连结处以及输气导管和开关是否漏气,发现问题要及时修补或更换。
(6)应当注意的是目前农村大多数建池户都是以生产用肥代替出料,不用肥则不出料,这种状况应当改变。
实践证明:
沼气池及时出料并经常进行搅拌是保持长其均衡产气的最基本也是最有效的手段。
沼气池运转时间越长产气情况越好。
每年或二年结合“模式”换茬生产进行一次大换料,即从沼气池中取出与总量2/3~3/4的旧料。
为了下一次沼气发酵顺利进行,大出料应做到以下几点:
大出料前20天左右停止进料;备足新的发酵原料;出料主要是清除难以消化的残渣和沉积的泥沙等;保留20%~30%含有大量沼气微生物的污性泥和料液作为菌种;大出料不宜在低温季节进行,特别是冬季不宜大出料,因为低温下出料,沼气池很难再启动;大出料以后应迅速检修沼气池,因为沼气池使用一段时间后,气箱容易发生溶蚀性渗漏;大出料后,还应对沼气池进行密封养护,以提高气箱密闭性能。
常用的方法是:
大出料后应立即装料装水。
农村沼气池都是建在地下,沼气池在装满料时,地下水池壁的浮力与沼气池的重力及覆土压力等相平衡,大出料后这些力失去平衡,较易被地下水引起的浮力损坏沼气池底和池壁。
因此在雨季出料或地下水位高的沼气池出料后应立即装料装水。
(7)添加促进剂,提高产气量促进剂在沼气发酵中有三方面作用:
改善沼气微生物的营养状况,满足其营养需要;为发酵微生物提供促进生长繁殖的微量元素;改善和稳定产甲烷菌的生活环境,加速新陈代谢。
促进剂用量小,效果大。
但使用中应注意:
有些促进剂具有两重性,当添加量小或适量时,对沼气发酵有促进作用;如果用量过大,超过了一定的限度时,则对发酵会产生负作用,变为抑制剂。
所以正确使用促进剂是很重要的。
下面介绍几种促进剂的用量及作用:
①纤维素酶:
进料时添加,可加速有机质分解,提高产气量。
②尿素:
添加到牛粪消化器内,可提高产气速度和产气量。
③碳酸钙:
可提高牛粪消化器的产气量和甲烷的含量。
④黑曲霉:
添加到污泥消化器内,可提高甲烷的含量。
⑤加稀土元素:
一般用量每立方米料液加5克,投入沼气池内,可提高产气量17%。
⑥钾、钙、钠、镁:
它们都能对沼气发酵起刺激作用。
添加浓度是:
Na100~200毫克/升
K200~400毫克/升
Ca100~200毫克/升
Mg75~150毫克/升
⑦甲醇和醋酸钠:
添加0.25%~0.5%的甲醇和0.25%~0.5%的醋酸钠可较大地提高沼气产量。
⑧硫酸锌:
添加量为0.005%
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