溫和濕熱條件下堿性非堿溶液預(yù)處理對(duì)玉米秸稈厭氧發(fā)酵的影響

王禹霄飛，王 宇，祝國(guó)強(qiáng)，孫云博，楊 毅，曲 威

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙臺(tái)研究院，山東 煙臺(tái) 264670)

玉米屬于種植區(qū)域廣、產(chǎn)量大的農(nóng)作物，經(jīng)濟(jì)系數(shù)在0.35左右，在生產(chǎn)過程中伴隨著大量農(nóng)業(yè)廢棄物的產(chǎn)生。每年全國(guó)約有2.15億t秸稈未合理利用[1]。秸稈的處理方式有很多種，其中厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的能量輸出投入比達(dá)到28/1，效率高、成本少，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到煤球生產(chǎn)沼氣的2倍以上[2]。此外，厭氧發(fā)酵以微生物為基礎(chǔ)，既不需要底物殺菌，也不需要特殊的培養(yǎng)接種措施，技術(shù)和設(shè)備要求低[3]。

以玉米秸稈為原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵過程中，通過水解將玉米秸稈中復(fù)雜的有機(jī)物分解是厭氧發(fā)酵的限速步驟[4-5]。為提高秸稈水解效率，采用適當(dāng)?shù)念A(yù)處理措施非常必要。常用的預(yù)處理方式主要有生物預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理、物理預(yù)處理和聯(lián)合預(yù)處理等[6-7]。從玉米秸稈的組成特點(diǎn)來看，纖維素不溶于水且對(duì)解聚合作用抗性較強(qiáng)，半纖維素對(duì)于熱水解非常敏感，木質(zhì)素則對(duì)生物和化學(xué)降解的抵抗能力較強(qiáng)[8-10]。因此，聯(lián)合處理方式對(duì)秸稈中各組分的溶解效果更好。堿處理是一種成熟且便捷的化學(xué)預(yù)處理方法[11]。堿性物質(zhì)能夠使木質(zhì)素和碳水化合物之間的連接鍵皂化并且斷裂，促進(jìn)酶的水解，提高厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣量和甲烷含量[12-13]。然而，單純使用堿性溶液預(yù)處理存在物料空間位阻的阻礙問題，且環(huán)境和材料成本較高，所以聯(lián)合其他預(yù)處理技術(shù)就更為重要[14-15]。濕熱處理也是常見的處理方式，不僅能夠破壞木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也能夠改善半纖維素的水解效果[16]。然而高溫濕熱預(yù)處理并不會(huì)促進(jìn)厭氧發(fā)酵過程，反而是較低的溫度更加具有潛力[17]。

溫和濕熱與常規(guī)濕熱預(yù)處理區(qū)別在于溫度較低(小于150 ℃)，并且在常壓下進(jìn)行。由于能源消耗少、技術(shù)條件簡(jiǎn)單、能夠顯著增加木質(zhì)纖維素的溶解等，近些年開始受到關(guān)注[18]。據(jù)錢玉婷等[19]研究，溫和濕熱條件能夠促進(jìn)纖維素和半纖維素的降解溶出，并促使其更多轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸。因此，將溫和濕熱技術(shù)與堿溶液處理技術(shù)結(jié)合，能夠改善處理效果、加快處理速度、減少化學(xué)品使用并且減少抑制物產(chǎn)生(高溫?zé)崴『蜐馑釛l件下纖維素和半纖維素會(huì)被過度降解生成醛類抑制劑)[20]。然而，對(duì)于此方面的研究鮮見報(bào)道。

研究曾采用溫和濕熱環(huán)境條件聯(lián)合堿溶液進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果表明，預(yù)處理后玉米秸稈中木質(zhì)素、半纖維素和纖維素的含量較對(duì)照組分別降低16%、42%和19%以上，預(yù)處理組浸提液的化學(xué)需氧量(COD)值和總揮發(fā)性脂肪酸(TVFA)的含量較對(duì)照組分別提高了29%和97%以上，為微生物的厭氧發(fā)酵減少了阻礙并提供了充足的底物，但仍存在處理成本和環(huán)境污染等方面的問題[21]。為探求更好的預(yù)處理方式，進(jìn)一步加快預(yù)處理速度，改善預(yù)處理效果，增加厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣量，同時(shí)減少環(huán)境污染，作者開展了進(jìn)一步的研究。由于堿處理中起主要作用的是OH-離子，因此研究采用不同含量的堿性非堿溶液替代堿溶液進(jìn)行預(yù)處理。堿性非堿溶液包括除堿溶液以外的所有常溫下pH值>7的溶液，如堿性鹽溶液、堿性氧化物溶液和堿性有機(jī)溶液等。使用堿性非堿溶液，能夠減少?gòu)?qiáng)堿性物質(zhì)對(duì)環(huán)境和設(shè)備傷害，同時(shí)溶液中更為豐富的離子能夠改善微生物發(fā)酵效果。此外，若對(duì)沼液進(jìn)行還田處理，堿性非堿溶液中豐富的離子不僅能提供植物生長(zhǎng)所必須的各種元素，還能起到抑制菌類生長(zhǎng)等特殊作用，充分利用發(fā)酵產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)秸稈高效無害處理[22]。本研究所使用的堿性非堿處理劑包括Na2CO3、Na2SO3、K2HPO4和CaO2，研究處理劑在溫和濕熱環(huán)境下的預(yù)處理效果，以及對(duì)厭氧發(fā)酵的影響。分別從經(jīng)濟(jì)效益(主要是產(chǎn)沼氣效果)和環(huán)境效益(主要是出料指標(biāo))2個(gè)方面比較不同堿性非堿處理劑的優(yōu)劣，以期提供一種經(jīng)濟(jì)、高效的玉米秸稈預(yù)處理方法，為玉米秸稈規(guī)?；瘏捬醢l(fā)酵生產(chǎn)沼氣提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

玉米秸稈取自中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院實(shí)驗(yàn)基地，秸稈自然風(fēng)干，整體呈暗黃色。用剪刀將干黃玉米秸稈連同葉子剪成小段并放入粉碎機(jī)中，將玉米秸稈打碎成3～5 mm顆粒，裝于透明密封袋中，保存待用。接種沼液取自中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院生物質(zhì)工程實(shí)驗(yàn)室，通過豬糞水和玉米秸稈聯(lián)合馴化和充分發(fā)酵得到，黑褐色、粘稠狀。各試驗(yàn)材料具體理化指標(biāo)見表1。

表1 供試材料主要理化性質(zhì)Tab.1 Main physical-chemical properties of experimental materials

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 溫和濕熱條件下堿性非堿溶液預(yù)處理 試驗(yàn)采用4種堿性非堿預(yù)處理劑，分別為Na2CO3、Na2SO3、K2HPO4和CaO2，每種預(yù)處理劑均采用2%、4%、6% 3個(gè)梯度(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，按預(yù)處理劑質(zhì)量占玉米秸稈和水溶液的總質(zhì)量計(jì)算)，以不加預(yù)處理劑作為對(duì)照(CK)。按比例將干黃玉米秸稈與預(yù)處理劑混合裝于錐形瓶中，加入蒸餾水并攪拌均勻調(diào)整含水率為90%，置于80 ℃水浴鍋內(nèi)1 d。所有處理均為3個(gè)重復(fù)。預(yù)處理后測(cè)定玉米秸稈中木質(zhì)素、半纖維素和纖維素含量。再取少量預(yù)處理后的糊狀樣品，蒸餾水稀釋10倍，200 r/min振蕩30 min，定性濾紙過濾后，測(cè)定其COD值和TVFA含量。

1.2.2 厭氧發(fā)酵 厭氧發(fā)酵裝置為本實(shí)驗(yàn)室自制發(fā)酵系統(tǒng)，如圖1所示。厭氧發(fā)酵瓶置于恒溫水浴鍋中，厭氧發(fā)酵溫度為37±1 ℃。

玉米秸稈預(yù)處理后用稀HCl調(diào)節(jié)成中性(pH值為7)，取干物質(zhì)質(zhì)量為16 g的預(yù)處理后的玉米秸稈放于500 mL發(fā)酵瓶中，加入200 mL新鮮沼液，蒸餾水調(diào)整發(fā)酵體積為400 mL(TS含量=4%)。厭氧發(fā)酵所產(chǎn)沼氣儲(chǔ)存于集氣袋中，發(fā)酵持續(xù)14 d(大量研究表明，產(chǎn)沼氣量的60%～80%均集中于前14 d)。每天測(cè)定產(chǎn)沼氣量、沼氣中甲烷含量、發(fā)酵液pH值等指標(biāo)。厭氧發(fā)酵結(jié)束后，出料靜置24 h，使固液分離，測(cè)定沼液中pH值、COD值、TVFA含量，以及沼渣中干物質(zhì)質(zhì)量。

1.3 測(cè)試指標(biāo)

(1)總固體(TS)含量采用差質(zhì)量法測(cè)定[23]；(2)pH值采用雷磁PHSJ-6L型pH計(jì)測(cè)定；(3)纖維素和木質(zhì)素含量采用K2Cr2O7-H2SO4氧化法測(cè)定，半纖維素含量采用銅碘法測(cè)定；(4)C含量采用K2Cr2O7-H2SO4氧化法測(cè)定；(5)N含量采用凱氏定氮法測(cè)定；(6)厭氧發(fā)酵所產(chǎn)沼氣采用集氣袋收集，并用刻度注射器測(cè)量，之后再儲(chǔ)存于集氣袋內(nèi)；(7)甲烷含量采用Gasboard-3200 plus沼氣分析儀進(jìn)行測(cè)定；(8)COD值測(cè)定參照GB/T 11914—89[24]；(9)TVFA含量測(cè)定采用蒸餾滴定法，以乙酸含量作基數(shù)計(jì)算[25]。

1.4 指標(biāo)計(jì)算方法

(1)總木質(zhì)纖維素含量=纖維素含量+半纖維素含量+木質(zhì)素含量；

(2)TS產(chǎn)沼氣量=沼氣量/每克干物質(zhì)發(fā)酵原料；

(3)沼渣干基失質(zhì)量率=(發(fā)酵前玉米秸稈干物質(zhì)質(zhì)量-發(fā)酵結(jié)束后沼渣干物質(zhì)質(zhì)量)×100%/發(fā)酵前玉米秸稈干物質(zhì)質(zhì)量；

(4)纖維素去除率=(預(yù)處理前玉米秸稈中纖維素含量-預(yù)處理后玉米秸稈中纖維素含量)×100%/預(yù)處理前玉米秸稈中纖維素含量；

(5)半纖維素去除率=(預(yù)處理前玉米秸稈中半纖維素含量-預(yù)處理后玉米秸稈中半纖維素含量)×100%/預(yù)處理前玉米秸稈中半纖維素含量；

(6)木質(zhì)素去除率=(預(yù)處理前玉米秸稈中木質(zhì)素含量-預(yù)處理后玉米秸稈中木質(zhì)素含量)×100%/預(yù)處理前玉米秸稈中木質(zhì)素。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel和SPSS 18.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫和濕熱條件下堿性非堿溶液預(yù)處理對(duì)玉米秸稈特性的影響

2.1.1 溫和濕熱條件下堿性非堿溶液預(yù)處理后玉米秸稈成分分析 如表2所示，各處理組的木質(zhì)素、半纖維素、纖維素含量均比對(duì)照組極顯著下降。其中，CaO2溶液對(duì)木質(zhì)纖維素的去除效果最好，經(jīng)過含量為2%的CaO2溶液處理后，總木質(zhì)纖維素含量降低54.09%。

表2 預(yù)處理后玉米秸稈中木質(zhì)纖維質(zhì)含量(a)與浸提液化學(xué)特性(b) Tab.2 Lignocellulose content (a) and the chemical properties of the aqueous extracts (b) of corn straw after pretreatment

對(duì)于玉米秸稈中木質(zhì)素的去除，不同含量的Na2SO3處理組間差異極顯著，且隨含量升高，去除率顯著上升。6% Na2SO3處理組木質(zhì)素去除率最高，達(dá)到62.85%，說明高含量有利于Na2SO3溶液對(duì)木質(zhì)素的溶解。與對(duì)照相比，CaO2溶液預(yù)處理后玉米秸稈中木質(zhì)素含量極顯著降低，去除率最高可達(dá)到59.75%，但不同含量處理組間無顯著差異，表明含量因素對(duì)CaO2溶液的去木質(zhì)素作用影響較小。2% K2HPO4處理組去木質(zhì)素作用明顯，去除率達(dá)到40.80%，但4%和6%含量的處理組木質(zhì)素去除率卻顯著降低，說明高含量鹽分會(huì)阻礙木質(zhì)素的溶解。Na2CO3溶液預(yù)處理后，木質(zhì)素含量較高，去除率僅為9.34%～19.27%。

對(duì)于玉米秸稈中半纖維素的去除，CaO2溶液的去除效果最好，半纖維素去除率達(dá)到65.67%～69.61%，并且不同含量的處理組間差別較小。Na2SO3溶液和K2HPO4溶液預(yù)處理后半纖維素去除率較低，僅為4.83%～22.21%，其中6% Na2SO3和2% K2HPO4處理組半纖維素去除率相對(duì)較高。

對(duì)于玉米秸稈中纖維素的去除，各堿性溶液作用效果均比較明顯，去除率可達(dá)到24.46%～47.09%。其中，2% CaO2處理組效果最好，纖維素去除率達(dá)到47.09%；2%和4% K2HPO4以及6% CaO2處理組去除效果也較好，去除率分別為41.45%、43.39%和43.32%。

研究結(jié)果表明，溫和濕熱條件下堿性非堿溶液預(yù)處理對(duì)玉米秸稈木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)有較好的破壞作用，而預(yù)處理溶液的含量對(duì)木質(zhì)纖維素去除作用的影響因處理劑種類而異。各處理組中，2% CaO2處理組的玉米秸稈中總木質(zhì)纖維素含量去除效果最明顯。

2.1.2 溫和濕熱條件下堿性非堿溶液預(yù)處理后玉米秸稈浸提液成分分析 結(jié)果如表2所示，隨處理劑含量升高，Na2CO3和K2HPO4處理組秸稈浸提液的COD值降低，Na2SO3處理組COD值升高；K2HPO4處理組秸稈浸提液的TVFA含量降低，Na2CO3處理組TVFA含量升高。所有處理組中，CaO2溶液處理后秸稈浸提液的COD值和TVFA含量升高最顯著，2% CaO2處理組秸稈浸提液的COD值和TVFA含量分別比對(duì)照組提高172.05%和201.39%。這表明預(yù)處理后纖維素和半纖維素組分不僅轉(zhuǎn)化為單糖等可溶性有機(jī)物，且進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為TVFA，減少了單糖向糠醛等發(fā)酵抑制物的轉(zhuǎn)化。

研究結(jié)果表明，經(jīng)過溫和濕熱條件下堿性非堿溶液預(yù)處理，有機(jī)物大量溶解。各處理組中，2% CaO2處理組玉米秸稈浸提液的COD值和TVFA含量升高最顯著。

2.2 溫和濕熱條件下堿性非堿溶液預(yù)處理對(duì)玉米秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響

2.2.1 不同預(yù)處理對(duì)玉米秸稈厭氧發(fā)酵液pH值變化的影響 結(jié)果如圖2所示，在發(fā)酵初期，各處理組發(fā)酵液pH值呈快速下降趨勢(shì)，在發(fā)酵的第2～3天時(shí)達(dá)到最低，大多維持在5.00～6.00，隨后逐漸上升。發(fā)酵中后期，發(fā)酵液pH值最終穩(wěn)定在7.50～9.00。

隨處理劑含量升高，CaO2處理組酸化過程pH值降低。除4%和6% CaO2處理組，2% CaO2處理組在酸化完成后pH值比對(duì)照組回升更快，說明產(chǎn)氣可以迅速達(dá)到平衡。

研究結(jié)果表明，各處理組厭氧發(fā)酵液的pH值均保持在正常范圍內(nèi)，存在明顯的酸化過程，但很快恢復(fù)。

2.2.2 不同預(yù)處理對(duì)玉米秸稈厭氧發(fā)酵日產(chǎn)沼氣量的影響 結(jié)果如圖3所示，大多數(shù)處理組日產(chǎn)沼氣量均呈現(xiàn)雙峰或多峰。除了6% CaO2處理組外，所有處理組平均日產(chǎn)沼氣量和最大峰值均比對(duì)照組有明顯提高。

隨預(yù)處理劑含量升高，Na2CO3各處理組日產(chǎn)沼氣量最大峰值明顯提前，平均日產(chǎn)沼氣量也明顯高于對(duì)照組，但不同含量的處理組間最大峰值相差不大，介于362.0～408.0 mL/d。隨處理劑含量升高，Na2SO3各處理組日產(chǎn)沼氣量最大峰值提高，6% Na2SO3處理組峰值明顯高于其他處理組，達(dá)到613.3 mL/d。K2HPO4各處理組日產(chǎn)沼氣量均呈現(xiàn)三峰形式，最大日產(chǎn)沼氣量出現(xiàn)在第2個(gè)峰值，時(shí)間在發(fā)酵開始后4～5 d，日產(chǎn)沼氣量為386.7～442.0 mL/d。CaO2處理組日產(chǎn)沼氣量峰值隨處理劑含量升高而明顯降低，含量為2%的CaO2溶液處理組日產(chǎn)沼氣量最大峰值為481.3 mL/d。然而，6% CaO2處理組的產(chǎn)沼氣量最大峰值與對(duì)照組無明顯差別，且產(chǎn)氣衰減比對(duì)照組更快。

研究結(jié)果表明，溫和濕熱條件下使用堿性非堿溶液預(yù)處理能夠提高日產(chǎn)沼氣量峰值并減緩產(chǎn)氣衰減，6% Na2SO3處理組日產(chǎn)沼氣量峰值最高，發(fā)酵第4 天日產(chǎn)沼氣量達(dá)到613.3 mL，2% CaO2處理組產(chǎn)氣衰減最慢。

2.2.3 不同預(yù)處理對(duì)玉米秸稈厭氧發(fā)酵單位TS產(chǎn)沼氣量的影響 結(jié)果如圖4所示，除6% CaO2處理組的單位TS產(chǎn)沼氣量與對(duì)照組無明顯差異外，所有處理組均比對(duì)照組極顯著提高。

2% CaO2處理組單位TS產(chǎn)沼氣量提高最多，達(dá)到291.8 mL/g，比對(duì)照組提高了133.07%；Na2SO3預(yù)處理后單位TS產(chǎn)沼氣量提高也較多，比對(duì)照組提高了76.0%～96.0%。隨處理劑含量升高，K2HPO4和CaO2處理組的單位TS產(chǎn)沼氣量均極顯著降低，而Na2CO3和Na2SO3各處理組間差異不顯著。

研究結(jié)果表明，除6% CaO2處理組外，溫和濕熱條件下使用堿性非堿溶液預(yù)處理能夠提高玉米秸稈厭氧發(fā)酵單位TS產(chǎn)沼氣量，以2% CaO2處理組單位TS產(chǎn)沼氣量最大。

2.2.4 不同預(yù)處理對(duì)玉米秸稈厭氧發(fā)酵所產(chǎn)沼氣中甲烷含量的影響 結(jié)果如圖5所示，各處理組沼氣中甲烷含量變化趨勢(shì)相似。發(fā)酵初期，甲烷含量降低，第4天達(dá)到最低點(diǎn)，之后逐步回升，多數(shù)處理組在第10～12天達(dá)到最高點(diǎn)，最后再緩慢降低。甲烷含量降到最低點(diǎn)的時(shí)間與日產(chǎn)沼氣量的峰值基本吻合，這與非甲烷菌活躍度上升有關(guān)。各處理組的甲烷含量峰值明顯高于對(duì)照組，均達(dá)到50.00%以上，而對(duì)照組峰值僅有46.23%；各處理組首日甲烷含量也明顯高于對(duì)照組。

2% CaO2處理組的甲烷含量峰值最高，比對(duì)照組高出39.02%；發(fā)酵首日4% K2HPO4處理組首甲烷含量最高，比對(duì)照組高出30.36%。隨預(yù)處理劑含量升高，Na2CO3處理組的甲烷含量峰值升高，CaO2處理組的甲烷含量峰值降低。與對(duì)照組相比，2% Na2CO3和K2HPO4處理組以及6% Na2SO3和CaO2處理組均出現(xiàn)了峰值提前的趨勢(shì)。

研究結(jié)果表明，溫和濕熱條件下堿性非堿溶液預(yù)處理能夠明顯提高玉米秸稈厭氧發(fā)酵所產(chǎn)沼氣中甲烷含量，且能夠促進(jìn)產(chǎn)甲烷作用的啟動(dòng)。其中，2% CaO2處理組甲烷含量峰值最高。

2.2.5 不同預(yù)處理對(duì)玉米秸稈厭氧發(fā)酵后沼渣和沼液成分的影響 結(jié)果如圖6所示，除6% CaO2處理組的沼渣干基失質(zhì)量率、沼液中TVFA含量和4%、6% CaO2處理組的沼液pH值外，所有處理組的各指標(biāo)均與對(duì)照組差異顯著。

沼渣干基失質(zhì)量率能夠反應(yīng)厭氧發(fā)酵對(duì)底物的利用程度，2% CaO2處理組沼渣干基失質(zhì)量率明顯高于其他處理組，比對(duì)照組提高了136.32%。隨預(yù)處理劑含量升高，Na2CO3處理組的沼渣干基失質(zhì)量率先上升后下降，Na2SO3處理組的沼渣干基失質(zhì)量率呈上升趨勢(shì)，但K2HPO4和CaO2處理組的沼渣干基失質(zhì)量率有明顯的下降趨勢(shì)。

出料沼液的pH值均呈弱堿性，在預(yù)處理后，多數(shù)處理組有明顯提高趨勢(shì)。其中，6% CaO2處理組最低，pH值為7.89；而2% CaO2處理組最高，pH值為8.99。Na2SO3各處理組的pH值均較高，介于8.69～8.85。除CaO2處理組外，出料沼液的pH值隨處理劑含量的變化均較小。

沼液的COD值和TVFA含量能夠評(píng)估發(fā)酵的環(huán)境效益。二者變化趨勢(shì)大體相同，但COD值的反應(yīng)更加敏感。預(yù)處理后，多數(shù)處理組出料沼液的COD值和TVFA含量明顯低于對(duì)照組。其中，2% CaO2處理組出料沼液的COD值和TVFA含量最低，分別比對(duì)照組下降56.3%和62.5%。隨預(yù)處理劑含量升高，K2HPO4和CaO2處理組沼液的COD值和TVFA含量有明顯的提高趨勢(shì)。

研究結(jié)果表明，溫和濕熱條件下堿性非堿溶液預(yù)處理后，沼渣干基失質(zhì)量率和沼液的pH值明顯上升，而沼液的COD值和TVFA含量明顯下降。其中，2% CaO2處理組各指標(biāo)變化最明顯。

2.3 理化指標(biāo)相關(guān)性分析

通過分析厭氧發(fā)酵前后的一些理化指標(biāo)相關(guān)性，建立整個(gè)工序各指標(biāo)間的聯(lián)系，可以為進(jìn)一步改善發(fā)酵效果提供參考。如表3所示，玉米秸稈成分指標(biāo)中，總木質(zhì)纖維素含量與木質(zhì)素、半纖維素和纖維素含量均呈極顯著正相關(guān)。浸提液的COD值和TVFA含量與以上4個(gè)指標(biāo)均呈顯著、極顯著負(fù)相關(guān)，且與木質(zhì)素含量和木質(zhì)纖維素總量相關(guān)性較強(qiáng)。COD值和TVFA含量?jī)烧唛g呈極顯著正相關(guān)。

發(fā)酵指標(biāo)中，發(fā)酵首日甲烷含量與玉米秸稈中木質(zhì)素含量、纖維素含量和總木質(zhì)纖維素含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，甲烷含量峰值與單位TS產(chǎn)沼氣量呈極顯著正相關(guān)，符合產(chǎn)氣指標(biāo)與木質(zhì)纖維素含量相關(guān)性的一般規(guī)律。然而，單位TS產(chǎn)沼氣量與玉米秸稈中木質(zhì)纖維素含量、浸提液的COD值和TVFA含量均沒有顯著相關(guān)性。

出料沼渣和沼液指標(biāo)中，沼渣干基失質(zhì)量率、出料沼液的pH值、COD值和TVFA含量?jī)蓛芍g互為極顯著正相關(guān)或負(fù)相關(guān)，且均與單位TS產(chǎn)沼氣量和甲烷含量峰值有極顯著的相關(guān)性，但與秸稈成分指標(biāo)的相關(guān)性均不顯著。

因此，預(yù)處理階段、發(fā)酵階段和出料沼液的各指標(biāo)兩兩之間均具有一定聯(lián)系，但這種聯(lián)系并不是統(tǒng)一的線性相關(guān)，而是由于各因素之間相互影響呈現(xiàn)較為復(fù)雜的關(guān)系。

3 結(jié)論與討論

3.1 溫和濕熱條件下堿性非堿溶液預(yù)處理對(duì)于厭氧發(fā)酵的影響

玉米秸稈的纖維素結(jié)晶度、可達(dá)表面積、纖維素聚合度、木質(zhì)素含量和半纖維素含量以及半纖維素乙?；潭仁怯绊懮锝到饽芰Φ膸讉€(gè)重要指標(biāo)[26]。單一的預(yù)處理方式功能模式有限，效果不佳。因此，在本研究中采用2種預(yù)處理方式相聯(lián)合進(jìn)行預(yù)處理。

研究表明，溫和濕熱環(huán)境聯(lián)合堿性非堿溶液進(jìn)行預(yù)處理促進(jìn)了玉米秸稈木質(zhì)素、半纖維素和纖維素的溶解，增加了秸稈浸提液的COD值和TVFA含量。在加熱條件下，半纖維素會(huì)水解并生成酸，一方面能夠破壞木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)交聯(lián)，增大水解面積，另一方面能夠進(jìn)一步促進(jìn)木質(zhì)纖維素的水解[27-28]。溫和濕熱條件可以增加木質(zhì)纖維素溶解產(chǎn)物的總量，且由于溫度較低，能夠減少木質(zhì)素和半纖維素降解成的糠醛等產(chǎn)物，從而減少木質(zhì)纖維素的縮合沉淀[29]。堿性溶液對(duì)于增加表面積、增加木質(zhì)素的溶解和改變木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)有顯著作用，且能夠增加甲烷產(chǎn)量[30-32]。LI 等[33]在污泥的處理中也發(fā)現(xiàn)，堿性溶液可以使污泥結(jié)構(gòu)變松散，并且使其中的纖維發(fā)生斷裂。溫和濕熱條件與堿性非堿溶液聯(lián)合作用，既打破了溫和濕熱條件作為單純物理處理的局限性，也增強(qiáng)了化學(xué)處理劑對(duì)木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的破壞作用。

從玉米秸稈木質(zhì)纖維素的去除效果來看，CaO2溶液對(duì)木質(zhì)纖維素的去除效果較好。這是因?yàn)镃aO2與水反應(yīng)，短時(shí)間內(nèi)生成了大量Ca(OH)2和H2O2[34-35]。這使得CaO2溶液具有更強(qiáng)的堿性和強(qiáng)氧化性，加強(qiáng)了溶液對(duì)木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的破壞作用。

從浸提液成分分析結(jié)果來看，COD值和TVFA的含量與木質(zhì)素含量和總木質(zhì)纖維素含量有較強(qiáng)相關(guān)性，說明木質(zhì)纖維素的溶解有利于提高可溶性有機(jī)物的含量，且木質(zhì)素的溶解是可溶性有機(jī)物的最主要來源。

從厭氧發(fā)酵效果來看，由于發(fā)酵的阻礙減少，發(fā)酵的接觸面積和可利用的底物含量增加等因素，預(yù)處理后玉米秸稈厭氧發(fā)酵的日產(chǎn)沼氣量、單位TS產(chǎn)沼氣量和沼氣中甲烷含量均有所提高。經(jīng)預(yù)處理的玉米秸稈進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣中甲烷含量的峰值均達(dá)到50.00%以上，表明厭氧發(fā)酵達(dá)到了平衡狀態(tài)[36]。pH值是關(guān)系發(fā)酵的一個(gè)重要指標(biāo)，當(dāng)水解酸化占主導(dǎo)時(shí)，pH值下降；當(dāng)產(chǎn)甲烷菌活性增強(qiáng)時(shí)，pH值則漸漸回升，最終達(dá)到平衡[37]。經(jīng)過溫和濕熱處理，玉米秸稈厭氧發(fā)酵液在酸化階段后pH值能夠快速回升，表明預(yù)處理增強(qiáng)了甲烷菌的活性，促進(jìn)了發(fā)酵階段的起始。2%CaO2處理組單位TS產(chǎn)沼氣量最高，這是因?yàn)镃a(OH)2對(duì)CO2的原位固定作用能夠增加沼氣含量[38]。ERDEN等[39]在對(duì)臭氧氧化生物污泥的研究中也證實(shí)了這一點(diǎn)。然而，隨處理劑含量升高，CaO2處理組的秸稈發(fā)酵效果卻有所下降，這是由于高含量的CaO2產(chǎn)生了較強(qiáng)的氧化性，過度氧化使木質(zhì)素轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄苑枷慊衔?，產(chǎn)生抑制性[40]。由于CaO2的溶解性低，發(fā)酵過程中存在緩慢與水反應(yīng)的過程，產(chǎn)生了過多的OH-離子，對(duì)甲烷菌產(chǎn)生毒性從而抑制厭氧發(fā)酵過程[41]。此外，過高的Ca2+含量也會(huì)抑制發(fā)酵菌的活性。華玉濤等[42]研究發(fā)現(xiàn)，Ca2+含量過高(高于10-1mol/L)會(huì)對(duì)微生物細(xì)胞生長(zhǎng)起抑制作用。因此，雖然CaO2溶液能夠有效溶解木質(zhì)纖維素，但是具體生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制其含量。

從沼渣沼液分析結(jié)果來看，預(yù)處理后除6%CaO2處理組，其他處理組沼渣干基失質(zhì)量率較對(duì)照組明顯提高，表明溫和濕熱條件配合堿性非堿溶液進(jìn)行預(yù)處理增加了厭氧發(fā)酵對(duì)底物的利用程度；除6%CaO2處理組，其他處理組預(yù)處理后出料沼液的COD值和TVFA含量顯著下降，說明預(yù)處理促進(jìn)了發(fā)酵微生物對(duì)可溶性有機(jī)物的利用，降低了出料沼液的污染處理難度。

通過不同處理組比較，CaO2預(yù)處理效果最好，木質(zhì)素、半纖維素和纖維素含量最多分別下降59.75%、69.61%和47.09%。此外，CaO2處理組厭氧發(fā)酵日產(chǎn)沼氣量和甲烷含量均較高。其中，2% CaO2處理組的單位TS產(chǎn)沼氣量和甲烷含量峰值為各組最高，分別達(dá)到291.8 mL/g和64.27%，分別比對(duì)照組的單位TS產(chǎn)沼氣量和甲烷含量峰值提高了132.88%和39.02%。由于發(fā)酵較為徹底，2% CaO2處理組出料沼液的COD值和TVFA含量也為各組最低，分別比對(duì)照組降低56.25%和61.45%。

3.2 通過相關(guān)性分析比較厭氧發(fā)酵各指標(biāo)的關(guān)系

從相關(guān)性分析來看，浸提液指標(biāo)(COD值和TVFA含量)與總木質(zhì)纖維素含量具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，證明了木質(zhì)纖維素的溶解不僅會(huì)降低發(fā)酵阻礙，而且能夠增加浸提液中可溶性有機(jī)物含量，為微生物的生長(zhǎng)提供養(yǎng)分。發(fā)酵指標(biāo)中產(chǎn)氣指標(biāo)(單位TS產(chǎn)沼氣量，甲烷含量峰值)與出料沼液指標(biāo)(COD值和TVFA含量)具有極顯著的相關(guān)性，證明了較好的發(fā)酵效果能顯著降低厭氧發(fā)酵廢棄物中的有機(jī)質(zhì)成分，從而降低對(duì)環(huán)境的危害，這將經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益2個(gè)指標(biāo)緊密聯(lián)合起來。不論是浸提液還是出料沼液，COD值、TVFA含量、pH值兩兩之間均具有極顯著相關(guān)性，證明了木質(zhì)纖維素首先降解為可溶性有機(jī)物，又能夠進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸[43]。然而，秸稈成分指標(biāo)與發(fā)酵指標(biāo)均沒有顯著的相關(guān)性，這說明預(yù)處理溶液種類及其含量對(duì)于甲烷菌的活性有比較大的影響，從而阻礙或促進(jìn)了厭氧發(fā)酵的進(jìn)行，因此，實(shí)際生產(chǎn)中不能只考慮木質(zhì)纖維素的溶解效果，還要顧及預(yù)處理劑對(duì)于厭氧發(fā)酵的影響。研究證實(shí)了2% CaO2溶液既能夠促進(jìn)木質(zhì)纖維素溶解，又能夠促進(jìn)厭氧發(fā)酵的進(jìn)行。此外，4% Na2CO3、4%和6% Na2SO3、2% K2HPO4處理組也能夠兼顧木質(zhì)纖維素的溶解和發(fā)酵效果，對(duì)秸稈實(shí)現(xiàn)較為有效的預(yù)處理。

總體來看，溫和濕熱條件下堿性非堿溶液預(yù)處理對(duì)改善秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣效果是可行的。這對(duì)于減少預(yù)處理成本、加快預(yù)處理速度、改善秸稈厭氧發(fā)酵的產(chǎn)沼氣效果和減輕環(huán)境危害有很好的參考意義。

考慮到溫和濕熱環(huán)境含水率等指標(biāo)直接影響處理成本，后續(xù)研究要進(jìn)一步著眼于濕熱條件的優(yōu)化和可替換條件的嘗試，可以從預(yù)處理時(shí)間、預(yù)處理含水量和預(yù)處理劑的相互配合入手，將宏觀和微觀研究手段相結(jié)合，充分研究多條件互作機(jī)制。另外，考慮到處理劑中各種離子隨發(fā)酵物進(jìn)入沼液，后續(xù)還應(yīng)對(duì)沼液和沼渣中相應(yīng)成分的檢測(cè)和處理開展研究。