从少量有机废物中同时回收两种生物燃料：一种利用狗粪水解物生产生物氢和甲烷的两阶段策略

《Biochemical Engineering Journal》：Dual biofuel recovery from low-volume organic waste: A two-stage strategy for biohydrogen and methane production using dog feces hydrolysates

本研究评估了酸水解与耦合酸水解-厌氧消化系统处理犬粪便的能源回收潜力。结果显示单阶段厌氧消化未处理湿犬粪便经济可行且产气平衡最佳，但低产气量可能与接种物驯化不足相关。未来需结合生命周期分析及人工智能模拟平台进一步优化工艺。

　　狗粪便作为一种有机废弃物，在城市环境中虽然单个个体产生的量不大，但其累积量却对公共卫生和环境管理构成了重大挑战。随着全球犬类数量的增加，预计到2050年，城市化率将达到70%。这表明，狗粪便的处理问题将变得更加突出。研究表明，狗粪便中可能含有多种病原体，如腺病毒、星状病毒、诺如病毒、轮状病毒、萨波病毒、弯曲杆菌、产肠毒素大肠杆菌、志贺氏菌、隐孢子虫和贾第虫等。这些病原体在高温和高湿度条件下更易存活并传播，因此需要有效的处理策略来减少其对环境和人类健康的威胁。

目前，狗粪便的收集主要依赖于手动方式，使用可降解的袋子和市政垃圾桶进行处理。然而，这种收集方式的执行情况并不一致，尤其是在城市地区，由于犬类数量庞大，粪便的处理压力也随之增加。据统计，欧洲有约1.06亿只狗，仅这一地区的狗粪便日产量就可达2100万至3600万吨，年产量则高达77亿至131亿吨。这些数字不仅反映了处理工作的艰巨性，也凸显了传统处理方式在成本和效率方面的不足。

为了提高处理效率和资源利用率，研究人员开始探索狗粪便的生物转化和能源回收技术。其中，厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）被认为是一种具有潜力的解决方案。AD技术不仅可以有效降解有机废弃物，还能产生可再生能源——沼气（主要由甲烷和二氧化碳组成）以及富含养分的消化残渣，后者可作为肥料使用。多个研究表明，AD技术在消除病原体方面表现出色，能够显著降低粪便中的病原体数量，从而减少其对环境的污染。

尽管AD技术在处理狗粪便方面具有优势，但其经济可行性仍然受到多种因素的影响。例如，政策支持、多元化的收入来源（如沼气或电力销售、消化残渣的利用、碳信用交易和入口费）是决定AD项目是否具有投资吸引力的关键。此外，优化工艺参数，如原料混合、预处理方法和温度控制，对于提高甲烷产量和降低运营成本同样重要。这些优化措施不仅能够提升AD系统的效率，还能增强其在实际应用中的竞争力。

为了进一步提高能源回收效率和经济可行性，一些研究开始关注集成系统，例如将暗发酵或酸性发酵（Acidogenic Fermentation, AF）与AD结合使用。AF技术在厌氧条件下（pH 5.5–6.5，30–37°C）运作，能够将碳水化合物转化为氢气（H?）、挥发性脂肪酸（VFAs）和二氧化碳（CO?）。在AF过程中，氢气的产量因原料和预处理方法的不同而有所变化，通常在50–120 mL H?/g COD（化学需氧量）之间。通过将AF与AD结合，研究人员发现可以提高整体能源回收效率，尤其是在处理狗粪便这样的复杂有机废弃物时。

在实际应用中，稀酸预处理已被证明是提高底物水解效率和氢气生成效率的有效手段。例如，使用1%盐酸（HCl）在90°C下处理1小时，可以显著提升水解效率，并将氢气产量提高高达40%。这一预处理方法在处理木质纤维素类生物质（如玉米秸秆、白杨木屑和竹子）时表现出良好的效果。此外，随着机器学习和人工智能技术的发展，研究人员开始探索这些技术在优化催化剂管理和提高发酵效率方面的潜力。例如，在污水处理系统中，机器学习驱动的催化剂管理能够显著提升氢气的产量和生产效率。

值得注意的是，尽管AF-AD系统在提高能源回收效率方面表现出色，但目前尚未有研究系统评估其在狗粪便处理中的应用。本研究填补了这一空白，通过实验探讨了狗粪便水解物在连续AF和AD过程中的氢气和甲烷生产潜力。同时，还评估了稀酸预处理对生物燃料产量和工艺经济性的影响。研究结果表明，单阶段AD系统在能量回收和经济可行性方面具有最显著的优势。然而，低沼气产量可能与菌种适应性不足有关，这表明工艺稳定性和微生物适应性仍需进一步研究。

从更广泛的角度来看，狗粪便的处理不仅关乎环境卫生，还与能源生产和资源回收密切相关。随着全球对可持续发展的重视，将狗粪便转化为可再生能源成为了一个值得探索的方向。此外，通过引入先进的工具和技术，如人工智能和基于元宇宙的模拟平台，可以更精确地建模处理过程，从而提高决策的科学性和效率。这些工具能够提供更加动态和准确的处理方案，帮助研究人员和政策制定者更好地理解狗粪便处理的复杂性，并制定相应的管理策略。

总之，狗粪便作为一种潜在的能源资源，其处理和利用对于实现城市可持续发展具有重要意义。通过优化处理技术，提高能源回收效率，并结合先进的模拟和预测工具，可以更有效地解决这一问题。同时，政府和相关机构的支持也是推动这一技术应用的关键因素。未来的研究应更加注重技术的经济性和环境影响，以确保狗粪便处理方案的可行性和可持续性。