全 文 ：第 28 卷 第 6 期 农 业 工 程 学 报 Vol.28 No.6
2012 年 3 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Mar. 2012 217

镁离子对沼气反应器中莴笋皮和马铃薯皮发酵产气特性的影响
王永忠，彭 震，廖 强，朱 恂，陈 蓉
（重庆大学工程热物理研究所，重庆大学低品位能源利用及系统教育部重点实验室，重庆 400030）

摘 要：为了提高沼气反应器对发酵原料利用率，缩短发酵周期，提高产气率，该文试验研究了镁离子添加量分别对以
莴笋皮和马铃薯皮为发酵原料的抗结壳沼气反应器产气性能的影响。结果表明：以莴笋皮为发酵原料，每升沼液中镁盐
最佳添加量为 0.30 g，池容产气率为 0.398 m³/(m³·d)，发酵后期甲烷浓度稳定在 70%左右，总产气量提高了 71.4%；以马
铃薯皮为发酵原料，每升沼液中镁盐最佳添加量为 0.10 g，池容产气率达到 0.804 m³/(m³·d)，发酵后期甲烷浓度稳定在 68%
左右，总产气量提高了 41.6%。因此适量的镁离子添加量能缩短沼气反应器的发酵启动时间，促进甲烷合成，显著提高
反应器的产气性能。
关键词：发酵，沼气，镁，离子，厌氧菌，沼气反应器
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.06.035
中图分类号：TK6；S216.4 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2012)-06-0217-05
王永忠，彭 震，廖 强，等. 镁离子对沼气反应器中莴笋皮和马铃薯皮发酵产气特性的影响[J]. 农业工程学报，2012，
28(6)：217－221.
Wang Yongzhong, Peng Zhen, Liao Qiang, et al. Effect of magnesium ions on biogas production characteristics of lettuce and
potato peelings in anaerobic digester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the
CSAE), 2012, 28(6): 217－221. (in Chinese with English abstract)

0 引 言
中国可用于厌氧发酵产沼气的资源种类繁多，资源总
量丰富。户用沼气技术在中国农村发展迅速[1-2]，但仍存在
以下因素限制：原料利用率低、产气率低、甲烷含量低、
热值低[3-4]、发酵原料产生的浮渣易在沼液表面结壳及沼气
池发酵启动时间长等。目前一种新型带抗结壳装置沼气反
应器已研制成功，该装置有效地消除了沼气反应器内沼渣
结壳的现象并在一定程度上提高了沼气产率[5]。但由于发
酵原料营养成分单一，微生物代谢所必需金属元素含量较
低，仍然延长了抗结壳沼气反应器的发酵启动时间，降低
了发酵原料的水解率和产气率[6]；另一方面，不同的发酵
原料，其纤维素、木质素等含量各异，水解发酵程度和产
气效果均存在差异[7-9]，而纤维素的水解是限制固体废弃物
厌氧处理的关键步骤[10-11]。研究表明适当补充外源添加物
能克服原料成分单一对产气性能的限制，加速厌氧微生物
新陈代谢，有效提高沼气发酵的原料利用率和沼气产气率
[12-14]。如 Kaan 等[15]研究发现铁离子和铝离子能促进污废
水厌氧发酵产气量；Yadvika 等[16]研究发现镁离子能改善
细胞通透性，产生特殊水解酶；张无敌等[17]研究发现水解
酶能增强沼气发酵过程中水解阶段的代谢速率，从而提高
沼气产量；马磊等[18]研究发现添加镁离子明显提高了餐厨

收稿日期：2011-06-07 修订日期：2012-02-23
基金项目：重庆市科技攻关项目（CSTC，2009AC6056）；“211 工程”三期
建设（No.S-09101）；“研究生科技创新基金”个人项目（No.CDJXS11140006）；
国家杰出青年基金项目（50825602）
作者简介：王永忠（1967－），男，四川资阳人，副教授，主要研究方向为
环境与能源生物技术中的热物理问题。重庆 重庆大学工程热物理研究所，
400030。Email：wangyzh@cqu.edu.cn
垃圾水解率，产气高峰提前；王永泽等研究了沼液 pH 值
对沼气发酵的影响[19]。此外，人们研究了尿素和纤维素对
粪便和秸秆发酵的影响，发现适宜添加量能提高产气
率[20-21]。目前，关于对沼气发酵过程中产气量、甲烷浓度、
沼液 pH 值等影响的系统研究分析报道较少。
本课题将以前期研制的新型抗结壳装置沼气反应器
为载体，系统研究不同添加量的镁盐对以纤维素含量为
主的莴笋皮和以淀粉为主的马铃薯皮为发酵原料的抗结
壳沼气反应器发酵产气及沼液特性的影响，发现适量的
镁离子添加量能缩短沼气反应器的发酵启动时间，促进
甲烷合成，显著提高反应器的产气性能。
1 材料与方法
1.1 试验装置
1.1.1 沼气发生系统
沼气发生系统由沼气反应器、温控系统、气体收集
器等组成，如图 1 所示。其中圆柱体形反应器主体（直
径 220 mm，高度 300 mm）为有机玻璃材质，其总容积
为 11.4 L，反应器有效容积为 9.0 L。反应器四周及上下
底面均包裹保温材料以减少与外界的热交换，侧面开设 3
个取样孔，取样孔距反应器底面高度分别为 50、100 和
200 mm。抗结壳装置布置于反应器内沼液液面下；在反
应器下部布置一节点加热器，与调压器及数采系统组成
反应器的温控系统。产生的气体以排水法收集。
1.2 菌种和发酵原料
产甲烷菌群取自野外采集的污水沟活性污泥。发酵
原料为莴笋皮残渣和马铃薯皮残渣，其总固体物（TS）
质量分数分别为（15±3）%、（20±3）%，处理为 5 cm
农业工程学报 2012 年

218
左右的长度，室温厌氧堆沤预处理 7 d。

图 1 试验装置系统图
Fig.1 System chart of experimental device

1.3 操作方法
将 2.0 kg 经堆沤预处理后的发酵原料与 2.0 L 活性污
泥均匀混合装入反应器，向反应器中加入适量水，配制
成固体物质量浓度为 4%的发酵液，分别向反应器内加入
一定量的 MgSO4并调节初始 pH 值为 6.8 左右。固定抗结
壳装置，密封反应器，并通入氩气以创造厌氧环境。整
个反应器系统处于静置的自然发酵过程。发酵过程中调
节节点加热棒的加热功率，使反应器内沼液温度控制在
（27±3）ºC 范围内。发酵期间定时取样检测产气量、甲烷
浓度和沼液 pH 值。反应器内沼液 pH 值以反应器上、中、
下层沼液取样之平均值表示。
1.4 检测方法和仪器
系统产气量采用排饱和食盐水法测量；药品质量称
量采用精密分析电子天平（Sartorius BP114，德国）；沼
液 pH 值以 pH 酸度计（Ecoscan-pH6，新加坡）测量；甲
烷浓度以气相色谱仪（SC-3000，川仪九厂）测量，技术
参数：载气为氩气，流量为 25 mL/min，热导检测器，桥
流 80 mA，柱箱温度 55℃，汽化温度和检测室温度均为
100℃；沼液温度由 Agilent 数据采集器采集。
2 结果与分析
2.1 莴笋皮为原料的抗结壳沼气反应器的添加试验
莴笋皮富含纤维素、木质素等难降解物质，而添加
MgSO4 能加快厌氧微生物对此类物质的分解，有利于发
酵过程的进行，因为 Mg2+具有提高菌种活性，促进酶的
活化，改善细胞通透性的作用[22]。试验时，抗结壳沼气
反应器每升沼液中 MgSO4 的添加量分别为 0.05、0.10、
0.30、0.50 g，监测 30 天发酵过程中抗结壳沼气反应器沼
液 pH 值、产气量和甲烷浓度等变化。
2.1.1 沼液 pH 值的变化
不同 MgSO4 添加量下，反应器内沼液 pH 值随时间
的变化如图 2 所示。由图 2 发现，在发酵初期，未添加
MgSO4反应器沼液 pH 值在第 4 天降至最低值 5.2，之后
缓慢回升，末期稳定在 6.8 左右，表明系统自我调节酸碱
平衡的能力相对较弱。添加少量 MgSO4（0.05 g/L）反应
器沼液 pH 值发酵初期下降较慢，第 4～8 天缓慢回升，
之后回升较快；MgSO4 添加量增至 0.10 g/L 时，反应器
沼液 pH 值发酵初期下降进一步减慢，最低 pH 值稳定于
5.6 左右，高于同期其他低浓度镁盐添加试验组。MgSO4
添加量进一步增至 0.30 g/L 及以上时，沼液 pH 值回升进
一步加快，其值处于较高水平，系统响应较快。发酵末
期，各 MgSO4添加组 pH 值均回升至 7.1 左右，高于未添
加组，添加量对沼液 pH 值影响较小。

图2 硫酸镁添加量对以莴笋皮为原料的沼液pH值变化的影响
Fig.2 Effect of supplement amount of magnesium sulfate on pH
value of biogas slurry

2.1.2 日产气量的变化
MgSO4 添加量对反应器日产气量影响如图 3 所示。
由图 3 发现，未添加 MgSO4反应器产气在发酵第 17 天最
大，为 3.72 L，之后伴随物料消耗，产气下降。添加少量
MgSO4（0.05 g/L）时，发酵初期产气高于未添加组，在
发酵的第 5～13 天，产气低于未添加组，这与其沼液 pH
值回升缓慢有关。MgSO4 添加量增加为 0.10 g/L 时，发
酵前期，日产气量显著增加，产气高峰提前至第 12 天，
峰值提高到 6.4 L。MgSO4添加量继续增加至 0.30 g/L 时
反应器在第 11 天出现产气峰值，为 7.0 L，较未添加组的
日产气峰值提高了 88.2%，此时沼液 pH 值接近 7.0，表
明该添加量满足菌种需求，增强了系统调节酸碱平衡的
能力，促进了产甲烷菌群的代谢。而 MgSO4添加量增至

注：2.0 kg 经堆沤预处理后的莴笋皮与 2.0 L 活性污泥为反应物。
图 3 硫酸镁添加量对以莴笋皮为原料的沼液日产气量影响
Fig.3 Effect of supplement amount of magnesium sulphate on
daily biogas production
第 6 期 王永忠等：镁离子对沼气反应器中莴笋皮和马铃薯皮发酵产气特性的影响

219
0.5 g/L 时，尽管沼液能较快地调节酸碱平衡，但发酵的
中、前期日产气量反而下降，表明较高浓度的镁离子添
加量抑制了产甲烷细菌的活性。发酵末期，各镁盐添加
量下的反应器总产气量均高于未添加组的，试验结束，
每升沼液中 MgSO4添加量为 0.05、0.10、0.30、0.50 g 时，
总产气量分别为 66.4、93.7、107.3、83.64 L，相当于池
容产气率为 0.246、0.347、0.398、0.31 m³/(m³·d)，与未添
加组的 62.62 L 相比，分别提高 6%、49.6%、71.4%、33.6%。
2.1.3 产气中甲烷浓度的变化
不同 MgSO4添加量下，反应器产气中甲烷浓度随时间
的变化如图 4 所示。从图 4 中可以看出，随着产甲烷菌群
的生长繁殖，其活性增强，产气中甲烷体积分数呈逐渐上
升趋势。从发酵第 4 天起，添加 MgSO4后的沼气反应器产
气中甲烷体积分数较接近，但明显高于未添加组的，表明
添加 MgSO4有利于提高产甲烷菌活性，甲烷体积分数相比
提高。其中 MgSO4添加量为 0.30 g/L 时，得到相对较高的
甲烷浓度，其最高体积分数达到 71%以上。

图 4 硫酸镁添加量对以莴笋皮为原料时产气中甲烷浓度影响
Fig.4 Effect of supplement amount of magnesium sulphate on
methane concentration

以上结果表明：在以纤维素含量为主的莴笋皮为
发酵原料，向抗结壳沼气反应器中添加适量的
MgSO4，能有效调节沼液 pH 值，改善沼液酸碱度，
加快发酵启动，加速难降解纤维素的分解利用，日产
气量增加且最大日产气量显著提高，产生的气体中甲
烷含量明显提高。但当添加量过大时，引起沼液 Mg2+
浓度过大，从而对厌氧细菌的活性产生抑制作用，日
产气量的提高受限，对发酵的促进作用减弱。本试验
中以莴笋皮为发酵原料时，MgSO4 最佳添加量为
0.30 g/L。
2.2 马铃薯皮为原料的抗结壳沼气反应器的添加试验
马铃薯皮富含淀粉等碳元素，而镁离子的添加能提
高菌种活性，改善细胞通透性，加快有机质的分解，促
进发酵产甲烷过程的进行。试验中向马铃薯皮为发酵原
料的抗结壳沼气反应器每升沼液中分别加入 0.05、0.10、
0.30、0.50 g 的 MgSO4，监测 30 d 发酵过程中反应器沼
液 pH 值、产气量和甲烷浓度等变化。
2.2.1 沼液 pH 值的变化
不同 MgSO4 添加量下，反应器内沼液 pH 值随时
间的变化如图 5 所示。由图可知，未添加 MgSO4 反应
器沼液 pH 值在发酵第 6 天降至最低值 5.2，之后在氨
化作用下 pH 值缓慢上升，至第 22 天沼液 pH 值趋于
平稳；当添加 MgSO4 量较少量时（0.05～0.30 g/L），
在发酵初期 pH 值下降较慢且处于较高水平；但当
MgSO4 添加量增至 0.5 g/L 时，发酵初期沼液 pH 值下
降加快且处于较低水平，之后沼液 pH 值缓慢上升。
在发酵末期，各组的沼液 pH 值处于相对平稳状态，
为 7.0 左右。试验结果表明添加 MgSO4 过少或过多都
明显影响产甲烷菌的前期酸化与发酵过程，导致沼液
pH 值的明显降低，而适量的 MgSO4 添加量有利于抑
制沼液 pH 值的过度酸化，为发酵提供适宜的酸碱环
境，促进产甲烷菌群的前期生长。

图 5 硫酸镁添加对以马铃薯皮为原料的沼液 pH 值影响
Fig.5 Effect of supplement amount of magnesium sulphate on pH
value of biogas slurry

2.2.2 日产气量的变化
不同 MgSO4 添加量下，反应器日产气量随时间的
变化如图 6 所示。未添加 MgSO4 反应器产气在第 9 天
达到最高，为 10.6 L，添加少量 MgSO4（0.05 g/L）时
反应器前期产气随发酵时间而逐渐增加，至第 8 天得到
最大日产气量为 12.2 L；MgSO4 添加量为 0.10 g/L 时，
发酵前期反应器日产气显著增加，至发酵第 8 天获得最
大日产气量为 17.1 L；MgSO4 添加量增至 0.30 g/L 时，
反应器厌氧微生物活性受到抑制，产气能力降低，发酵
前期产气也显著下降，表明高浓度的 MgSO4 添加量不
利于提高产气率。值得注意的是 MgSO4 添加量为
0.50 g/L 反应器发酵前期产气较低，仅在发酵末期表现
出较高的产气量，表明随着反应进行镁离子被消耗，在
发酵后期较低浓度的镁离子对沼气生产表现出一定的
促进作用。试验结束，每升沼液中 MgSO4 添加量为
0.05、0.10、0.30、0.50 g 时，反应器总产气量分别为
187.5、217.2、199.4、182.2 L，相当于池容产气率为
0.694、0.804、0.738、0.675 m³/(m³·d)，与未添加组的
153.4 L 相比，分别提高了 22.2%、41.6%、30.0%、18.7%。
这与 Lise Appels 等[23]研究结果相符。
农业工程学报 2012 年

220

注：2.0 kg 经堆沤预处理后的马铃薯皮与 2.0 L 活性污泥为反应物
图 6 硫酸镁添加量对以马铃薯皮为原料的日产气量影响
Fig.6 Effect of supplement amount of magnesium sulphate on
daily biogas production

2.2.3 产气中甲烷浓度的变化
不同 MgSO4添加量下，反应器产气中甲烷浓度随时
间的变化如图 7 所示。从图 7 中发现，总体上抗结壳沼
气反应器的产气中甲烷体积分数随发酵进行而逐渐增
加，在发酵至第 12 天后甲烷体积分数增势减缓并逐渐趋
于平稳。同时在发酵前 6 天，抗结壳沼气反应器产气中
甲烷体积分数受 MgSO4添加量的影响相对较小；发酵中
后期，添加了 MgSO4的沼气反应器产气中甲烷体积分数
明显高于未添加组的，表明 MgSO4添加提高了产甲烷菌
种活性，促进了甲烷合成。其中以 MgSO4 添加量为
0.10 g/L 反应器的产气中甲烷体积分数相比最高，在发酵
末期基本稳定在 68%左右，而过高或过低的添加量都导
致反应器产气中甲烷浓度的降低。

图 7 硫酸镁添加量对以马铃薯皮为原料时产气中甲烷浓度影响
Fig.7 Effect of supplement amount of magnesium sulphate on
methane concentration

以上结果表明：在以碳水化合物含量为主的马铃薯
皮为发酵原料，向抗结壳沼气反应器中添加适量的
MgSO4，能有效调节沼液 pH 值，改善沼液酸碱度，缩短
发酵启动时间，加速碳源的分解利用，增强产气能力，
增加日产气量且显著提高最大日产气量，产生的气体中
甲烷含量明显增加。但当添加量过大时，引起沼液 Mg2+
浓度过大，从而对厌氧细菌的活性产生抑制作用。本试
验中以马铃薯皮为发酵原料时，MgSO4 的最佳添加质量
浓度为 0.10 g/L。
3 结 论
试验研究了 MgSO4的不同添加量对莴笋皮和马铃薯
皮 2 种不同类型发酵原料在抗结壳沼气反应器中产气特
性的影响。结果表明，适量添加 MgSO4能提高 2 种不同
发酵原料下反应器的产气速率，减少发酵启动时间，显
著提高产气量和产气中甲烷浓度。综合沼液酸碱度、产
气量和产气甲烷浓度的分析得出：以莴笋皮为发酵原料
时，每升沼液中硫酸镁的最佳添加量为 0.30 g，沼气反应
器的池容产气率为 0.398 m³/(m³·d)，发酵后期甲烷体积分
数稳定在 70%左右，总产气量较未添加硫酸镁的提高了
71.4%；以马铃薯皮为发酵原料时，每升沼液中硫酸镁的
最佳添加量为 0.10 g，池容产气率达到 0.804 m³/(m³·d)，
发酵后期甲烷体积分数稳在 68%左右，总产气量较未加
硫酸镁的提高了 41.6%。
[参 考 文 献]
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Effect of magnesium ions on biogas production characteristics of lettuce
and potato peelings in anaerobic digester

Wang Yongzhong, Peng Zhen, Liao Qiang, Zhu Xun, Chen Rong
(Key Laboratory of Low-grade Energy Utilization Technologies and Systems, Ministry of Education, Institute of Engineering Thermophysics,
Chongqing University, Chongqing, 400030, China)

Abstract: In order to improve utilization rate of raw materials, shorten period of fermentation and increase gas production rate,
the effects of magnesium sulfate on biogas production performances were investigated in an anaerobic digester with anti-scum
device using asparagus lettuce peelings and potato peelings. Results showed that the optimal addition amount of magnesium
ions with the asparagus lettuce peelings and potato peelings were 0.30 g and 0.10 g per liter gas slurry, respectively. The
cumulative total amounts of biogas were enhanced by 71.4% and 41.6%, compared to the comparison. Correspondingly, with
the asparagus lettuce peelings and potato peelings the highest volumetric production rate of biogas reached 0.398 m³/(m³·d)
and 0.804 m³/(m³·d), and the methane content of biogas maintained at about 70% and 68% in the end of the biogas
fermentation, respectively. The results indicated that adequate magnesium ions supplemented could significantly shorten the
startup time of fermentation and enhance the daily biogas productivity and methane content of biogas.
Key words: fermentation, methane, magnesium, ions, anaerobe, biogas digester