王禹霄飛，王 宇，祝國強，孫云博，楊 毅，曲 威

(中國農(nóng)業(yè)大學 煙臺研究院，山東 煙臺 264670)

玉米屬于種植區(qū)域廣、產(chǎn)量大的農(nóng)作物，經(jīng)濟系數(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到28/1，效率高、成本少，經(jīng)濟效益達到煤球生產(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行厭氧發(fā)酵過程中，通過水解將玉米秸稈中復雜的有機物分解是厭氧發(fā)酵的限速步驟[4-5]。為提高秸稈水解效率，采用適當?shù)念A處理措施非常必要。常用的預處理方式主要有生物預處理、化學預處理、物理預處理和聯(lián)合預處理等[6-7]。從玉米秸稈的組成特點來看，纖維素不溶于水且對解聚合作用抗性較強，半纖維素對于熱水解非常敏感，木質(zhì)素則對生物和化學降解的抵抗能力較強[8-10]。因此，聯(lián)合處理方式對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預處理方法[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)，同時也能夠改善半纖維素的水解效果[16]。然而高溫濕熱預處理并不會促進厭氧發(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)濕熱預處理區(qū)別在于溫度較低(小于150 ℃)，并且在常壓下進行。由于能源消耗少、技術(shù)條件簡單、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、減少化學品使用并且減少抑制物產(chǎn)生(高溫熱水浴和濃酸條件下纖維素和半纖維素會被過度降解生成醛類抑制劑)[20]。然而，對于此方面的研究鮮見報道。

研究曾采用溫和濕熱環(huán)境條件聯(lián)合堿溶液進行預處理，結(jié)果表明，預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照組分別降低16%、42%和19%以上，預處理組浸提液的化學需氧量(COD)值和總揮發(fā)性脂肪酸(TVFA)的含量較對照組分別提高了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]。為探求更好的預處理方式，進一步加快預處理速度，改善預處理效果，增加厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣量，同時減少環(huán)境污染，作者開展了進一步的研究。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行預處理。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溶液等。使用堿性非堿溶液，能夠減少強堿性物質(zhì)對環(huán)境和設(shè)備傷害，同時溶液中更為豐富的離子能夠改善微生物發(fā)酵效果。此外，若對沼液進行還田處理，堿性非堿溶液中豐富的離子不僅能提供植物生長所必須的各種元素，還能起到抑制菌類生長等特殊作用，充分利用發(fā)酵產(chǎn)物，實現(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)境下的預處理效果，以及對厭氧發(fā)酵的影響。分別從經(jīng)濟效益(主要是產(chǎn)沼氣效果)和環(huán)境效益(主要是出料指標)2個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、高效的玉米秸稈預處理方法，為玉米秸稈規(guī)模化厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

玉米秸稈取自中國農(nóng)業(yè)大學煙臺研究院實驗基地，秸稈自然風干，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。接種沼液取自中國農(nóng)業(yè)大學煙臺研究院生物質(zhì)工程實驗室，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。各試驗材料具體理化指標見表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 試驗設(shè)計

1.2.1 溫和濕熱條件下堿性非堿溶液預處理 試驗采用4種堿性非堿預處理劑，分別為Na2CO3、Na2SO3、K2HPO4和CaO2，每種預處理劑均采用2%、4%、6% 3個梯度(質(zhì)量百分數(shù)，按預處理劑質(zhì)量占玉米秸稈和水溶液的總質(zhì)量計算)，以不加預處理劑作為對照(CK)。按比例將干黃玉米秸稈與預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個重復。預處理后測定玉米秸稈中木質(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)酵裝置為本實驗室自制發(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)。每天測定產(chǎn)沼氣量、沼氣中甲烷含量、發(fā)酵液pH值等指標。厭氧發(fā)酵結(jié)束后，出料靜置24 h，使固液分離，測定沼液中pH值、COD值、TVFA含量，以及沼渣中干物質(zhì)質(zhì)量。

1.3 測試指標

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

1.4 指標計算方法

(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=(預處理前玉米秸稈中纖維素含量-預處理后玉米秸稈中纖維素含量)×100%/預處理前玉米秸稈中纖維素含量；

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

(6)木質(zhì)素去除率=(預處理前玉米秸稈中木質(zhì)素含量-預處理后玉米秸稈中木質(zhì)素含量)×100%/預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處理對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、纖維素含量均比對照組極顯著下降。其中，CaO2溶液對木質(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 預處理后玉米秸稈中木質(zhì)纖維質(zhì)含量(a)與浸提液化學特性(b) Tab.2 Lignocellulose content (a) and the chemical properties of the aqueous extracts (b) of corn straw after pretreatment

對于玉米秸稈中木質(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，達到62.85%，說明高含量有利于Na2SO3溶液對木質(zhì)素的溶解。與對照相比，CaO2溶液預處理后玉米秸稈中木質(zhì)素含量極顯著降低，去除率最高可達到59.75%，但不同含量處理組間無顯著差異，表明含量因素對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，說明高含量鹽分會阻礙木質(zhì)素的溶解。Na2CO3溶液預處理后，木質(zhì)素含量較高，去除率僅為9.34%～19.27%。

對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較高。

對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，去除率可達到24.46%～47.09%。其中，2% CaO2處理組效果最好，纖維素去除率達到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處理對玉米秸稈木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)有較好的破壞作用，而預處理溶液的含量對木質(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含量分別比對照組提高172.05%和201.39%。這表明預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物，且進一步轉(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處理，有機物大量溶解。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處理對玉米秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響

2.2.1 不同預處理對玉米秸稈厭氧發(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，在發(fā)酵的第2～3天時達到最低，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值比對照組回升更快，說明產(chǎn)氣可以迅速達到平衡。

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。

2.2.2 不同預處理對玉米秸稈厭氧發(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照組有明顯提高。

隨預處理劑含量升高，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個峰值，時間在發(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照組無明顯差別，且產(chǎn)氣衰減比對照組更快。

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)沼氣量達到613.3 mL，2% CaO2處理組產(chǎn)氣衰減最慢。

2.2.3 不同預處理對玉米秸稈厭氧發(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)沼氣量與對照組無明顯差異外，所有處理組均比對照組極顯著提高。

2% CaO2處理組單位TS產(chǎn)沼氣量提高最多，達到291.8 mL/g，比對照組提高了133.07%；Na2SO3預處理后單位TS產(chǎn)沼氣量提高也較多，比對照組提高了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 不同預處理對玉米秸稈厭氧發(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相似。發(fā)酵初期，甲烷含量降低，第4天達到最低點，之后逐步回升，多數(shù)處理組在第10～12天達到最高點，最后再緩慢降低。甲烷含量降到最低點的時間與日產(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照組，均達到50.00%以上，而對照組峰值僅有46.23%；各處理組首日甲烷含量也明顯高于對照組。

2% CaO2處理組的甲烷含量峰值最高，比對照組高出39.02%；發(fā)酵首日4% K2HPO4處理組首甲烷含量最高，比對照組高出30.36%。隨預處理劑含量升高，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。

研究結(jié)果表明，溫和濕熱條件下堿性非堿溶液預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，且能夠促進產(chǎn)甲烷作用的啟動。其中，2% CaO2處理組甲烷含量峰值最高。

2.2.5 不同預處理對玉米秸稈厭氧發(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均與對照組差異顯著。

沼渣干基失質(zhì)量率能夠反應厭氧發(fā)酵對底物的利用程度，2% CaO2處理組沼渣干基失質(zhì)量率明顯高于其他處理組，比對照組提高了136.32%。隨預處理劑含量升高，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，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。

出料沼液的pH值均呈弱堿性，在預處理后，多數(shù)處理組有明顯提高趨勢。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含量能夠評估發(fā)酵的環(huán)境效益。二者變化趨勢大體相同，但COD值的反應更加敏感。預處理后，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，分別比對照組下降56.3%和62.5%。隨預處理劑含量升高，K2HPO4和CaO2處理組沼液的COD值和TVFA含量有明顯的提高趨勢。

研究結(jié)果表明，溫和濕熱條件下堿性非堿溶液預處理后，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處理組各指標變化最明顯。

2.3 理化指標相關(guān)性分析

通過分析厭氧發(fā)酵前后的一些理化指標相關(guān)性，建立整個工序各指標間的聯(lián)系，可以為進一步改善發(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個指標均呈顯著、極顯著負相關(guān)，且與木質(zhì)素含量和木質(zhì)纖維素總量相關(guān)性較強。COD值和TVFA含量兩者間呈極顯著正相關(guān)。

發(fā)酵指標中，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中，沼渣干基失質(zhì)量率、出料沼液的pH值、COD值和TVFA含量兩兩之間互為極顯著正相關(guān)或負相關(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，但與秸稈成分指標的相關(guān)性均不顯著。

因此，預處理階段、發(fā)酵階段和出料沼液的各指標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處理對于厭氧發(fā)酵的影響

玉米秸稈的纖維素結(jié)晶度、可達表面積、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酰化程度是影響生物降解能力的幾個重要指標[26]。單一的預處理方式功能模式有限，效果不佳。因此，在本研究中采用2種預處理方式相聯(lián)合進行預處理。

研究表明，溫和濕熱環(huán)境聯(lián)合堿性非堿溶液進行預處理促進了玉米秸稈木質(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，另一方面能夠進一步促進木質(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，也增強了化學處理劑對木質(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溶液對木質(zhì)纖維素的去除效果較好。這是因為CaO2與水反應，短時間內(nèi)生成了大量Ca(OH)2和H2O2[34-35]。這使得CaO2溶液具有更強的堿性和強氧化性，加強了溶液對木質(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物的含量，且木質(zhì)素的溶解是可溶性有機物的最主要來源。

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)預處理的玉米秸稈進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣中甲烷含量的峰值均達到50.00%以上，表明厭氧發(fā)酵達到了平衡狀態(tài)[36]。pH值是關(guān)系發(fā)酵的一個重要指標，當水解酸化占主導時，pH值下降；當產(chǎn)甲烷菌活性增強時，pH值則漸漸回升，最終達到平衡[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，表明預處理增強了甲烷菌的活性，促進了發(fā)酵階段的起始。2%CaO2處理組單位TS產(chǎn)沼氣量最高，這是因為Ca(OH)2對CO2的原位固定作用能夠增加沼氣含量[38]。ERDEN等[39]在對臭氧氧化生物污泥的研究中也證實了這一點。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的過程，產(chǎn)生了過多的OH-離子，對甲烷菌產(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)會對微生物細胞生長起抑制作用。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)中應當嚴格控制其含量。

從沼渣沼液分析結(jié)果來看，預處理后除6%CaO2處理組，其他處理組沼渣干基失質(zhì)量率較對照組明顯提高，表明溫和濕熱條件配合堿性非堿溶液進行預處理增加了厭氧發(fā)酵對底物的利用程度；除6%CaO2處理組，其他處理組預處理后出料沼液的COD值和TVFA含量顯著下降，說明預處理促進了發(fā)酵微生物對可溶性有機物的利用，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，分別達到291.8 mL/g和64.27%，分別比對照組的單位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)酵各指標的關(guān)系

從相關(guān)性分析來看，浸提液指標(COD值和TVFA含量)與總木質(zhì)纖維素含量具有較強的負相關(guān)性，證明了木質(zhì)纖維素的溶解不僅會降低發(fā)酵阻礙，而且能夠增加浸提液中可溶性有機物含量，為微生物的生長提供養(yǎng)分。發(fā)酵指標中產(chǎn)氣指標(單位TS產(chǎn)沼氣量，甲烷含量峰值)與出料沼液指標(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)酵廢棄物中的有機質(zhì)成分，從而降低對環(huán)境的危害，這將經(jīng)濟效益與環(huán)境效益2個指標緊密聯(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物，又能夠進一步轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸[43]。然而，秸稈成分指標與發(fā)酵指標均沒有顯著的相關(guān)性，這說明預處理溶液種類及其含量對于甲烷菌的活性有比較大的影響，從而阻礙或促進了厭氧發(fā)酵的進行，因此，實際生產(chǎn)中不能只考慮木質(zhì)纖維素的溶解效果，還要顧及預處理劑對于厭氧發(fā)酵的影響。研究證實了2% CaO2溶液既能夠促進木質(zhì)纖維素溶解，又能夠促進厭氧發(fā)酵的進行。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，對秸稈實現(xiàn)較為有效的預處理。

總體來看，溫和濕熱條件下堿性非堿溶液預處理對改善秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣效果是可行的。這對于減少預處理成本、加快預處理速度、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)境含水率等指標直接影響處理成本，后續(xù)研究要進一步著眼于濕熱條件的優(yōu)化和可替換條件的嘗試，可以從預處理時間、預處理含水量和預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制。另外，考慮到處理劑中各種離子隨發(fā)酵物進入沼液，后續(xù)還應對沼液和沼渣中相應成分的檢測和處理開展研究。