污泥變塑料 | 曾被放棄的技術(shù) 荷蘭人把它救活了？

過(guò)去十年里，世界各地的水務(wù)公司都在尋找污水資源化的技術(shù)。作為行業(yè)巨頭，法國(guó)威立雅公司不遑多讓?zhuān)缭?011年，旗下的AnoxKaldnes已在歐洲三地——比利時(shí)的布魯塞爾北污水廠、瑞典的Esl?v和荷蘭的Leeuwarden進(jìn)行中試實(shí)驗(yàn):用工業(yè)和市政有機(jī)廢棄物作為原料，從污水里回收混合微生物培養(yǎng)的可降解塑料——聚羥基烷酸酯(Polyhydroxyalkanoates，簡(jiǎn)稱(chēng)PHA)。

然而，2016年威立雅關(guān)停了比利時(shí)污水廠的中試。幸好荷蘭的水委會(huì)敢做接盤(pán)俠，項(xiàng)目得以延續(xù)至今。被威立雅放棄的項(xiàng)目，荷蘭人為什么還想拯救呢？在本期專(zhuān)欄里，我們來(lái)個(gè)究竟。

污泥變塑料

談起污水資源回收，大部分人只知道氮磷回收。其實(shí)污水蘊(yùn)含的資源原遠(yuǎn)不止于此。也許因?yàn)楹商m人摳門(mén)的民族性格深入骨髓，物盡其用的精神在污水界也得到充分體現(xiàn)：磷回收已經(jīng)是許多污水廠的常規(guī)操作，各地方水委會(huì)也在進(jìn)行各種“資源回收工廠”的探索，例如荷蘭西部的Geestmerambacht污水廠回收纖維素加工成為修路材料，東南部的Zutphen污水廠則成功從污泥中提取海藻酸鹽的胞外聚合物(EPS)。

2015-2016年間，荷蘭五個(gè)水委會(huì)成立了一個(gè)叫PHARIO的項(xiàng)目，目標(biāo)是從污水污泥中提取的PHA。

PHARIO是荷蘭語(yǔ)“PHA uit RIOolwater”的縮寫(xiě)，即來(lái)自污水的PHA，顧名思義，原理是用污水處理產(chǎn)生的活性污泥作為生產(chǎn)PHA的原材料。其實(shí)回收這類(lèi)聚合物并不容易，例如威立雅公司早在十多年前就開(kāi)始探索污水回收PHA的技術(shù)(威立雅曾注冊(cè)商標(biāo)Cella?)，也未能善終，幸運(yùn)的是荷蘭人有繼續(xù)做下去的信心，于是就有了PHARIO這個(gè)項(xiàng)目。

什么是PHA

PHA是聚羥基烷酸酯(Poly-Hydroxy-Alkanoate)的英文縮寫(xiě)。它是不同結(jié)構(gòu)的脂肪族共聚聚酯，可以由微生物通過(guò)各種碳源發(fā)酵而合成。其中最常見(jiàn)的有聚3-羥基丁酸酯(PHB)、聚羥基戊酸酯(PHV)以及兩者的共聚物(PHBV)。

大家可能都聽(tīng)過(guò)生物除磷工藝。其實(shí)PHA的生物生產(chǎn)原理就是利用聚磷菌（PAOs）在厭氧環(huán)境下吸收水中的揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)，在胞內(nèi)形成PHA。中國(guó)大學(xué)也有不少課題組在研究PHA的回收，感興趣的讀者可以百度一下。

PHA具有生物可降解性、生物相容性等許多優(yōu)良性能，在生物醫(yī)學(xué)材料、組織工程材料、緩釋材料、電學(xué)材料以及包裝材料等方面將發(fā)揮其重要的作用。若合成共聚物PHBV，還可以改善PHB因其結(jié)晶度高而較脆的弱點(diǎn)，從而提高機(jī)械性能、耐熱性和耐水性。它的用途非常廣泛，例如可以做成一次性餐具、無(wú)紡布、包裝材料、農(nóng)用覆膜、玩具、包膜、膠、纖維等多種可降解產(chǎn)品。

PHARIO項(xiàng)目和多個(gè)企業(yè)合作，用污泥提取的PHA生產(chǎn)各色各樣的產(chǎn)品，例如下邊這個(gè)名片盒。

第一公斤的產(chǎn)品

PHARIO選擇了位于荷蘭Zeeland省的Bath污水廠作為測(cè)試地點(diǎn)，原因是該污水廠采用生物脫氮工藝，包括了前置缺氧反硝化和化學(xué)除磷，這些工藝條件有利于篩選培養(yǎng)聚磷菌(可積累PHA)。

測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，比利時(shí)布魯塞爾的中試和荷蘭Bath污水廠的活性污泥二級(jí)處理系統(tǒng)得到的PHA含量相仿，高達(dá)0.47 gPHA / gVSS。一般來(lái)說(shuō)，0.40 gPHA/gVSS被視作能否工業(yè)應(yīng)用的及格線(xiàn)，這說(shuō)明純技術(shù)而言，PHARIO能將PHA生產(chǎn)技術(shù)整合到城市/工業(yè)污水廠的生產(chǎn)線(xiàn)里。

Bath污水廠將剩余污泥送到中試裝置，作為生產(chǎn)PHA的基本進(jìn)料。在中試過(guò)程中，PHA的產(chǎn)量穩(wěn)定高于0.40 gPHA/gVSS的水平。此外，他們也引進(jìn)外部進(jìn)料，例如臨近糖果廠富含VFA的液料或初級(jí)污泥；同時(shí)也有用純乙酸和丙酸的混合物作為進(jìn)料。污水廠得到的PHA會(huì)送至AnoxKaldnes位于瑞典隆德的中試精煉廠進(jìn)行提純回收。在10個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，中試系統(tǒng)建立了1kg PHA/周的產(chǎn)能。

2015年10月，污水廠所屬的Branbantse Delta水委會(huì)將首批1千克的PHA轉(zhuǎn)交給當(dāng)?shù)氐囊粋€(gè)塑料包裝廠Oerlemans公司，用來(lái)制作運(yùn)輸袋。

這次中試初步展示了用活性污泥生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)PHA的可行性，與市場(chǎng)價(jià)格相比，用活性污泥生產(chǎn)的PHA的成本是有競(jìng)爭(zhēng)力的。項(xiàng)目組曾做過(guò)估算，基于活性污泥生產(chǎn)的PHA可以回用超過(guò)5次。生命周期分析(LCA)結(jié)果也顯示，成本只有現(xiàn)在污水回收沼氣的五分之一，環(huán)境影響是目前PHA常規(guī)生產(chǎn)方法的30%。但在項(xiàng)目結(jié)束后，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)得到的最終結(jié)論卻是“這款產(chǎn)品還不足以上市”，原因是塑料生產(chǎn)廠家希望PHARIO有充足的供應(yīng)量來(lái)測(cè)試加工和使用效果。在這背景下，荷蘭人需要組建新的項(xiàng)目，進(jìn)行更大規(guī)模的測(cè)試，提高產(chǎn)能來(lái)說(shuō)服下游廠家。

PHA2USE

在這樣的背景下， 2020年底荷蘭五個(gè)水委會(huì)聯(lián)合STOWA、污水處理公司Paques以及污泥焚燒公司HVC，創(chuàng)立了名為PHA2USE的新項(xiàng)目。他們選擇位于鹿特丹附近的Dordrecht市的污泥焚燒廠進(jìn)行更大規(guī)模的中試。

這個(gè)新的生物塑料中試系統(tǒng)有三大部分組成，包括脂肪酸儲(chǔ)存罐、制造生物塑料的生物反應(yīng)器和用于泥水分離的沉降器。五個(gè)水委會(huì)的投資金額據(jù)稱(chēng)為250萬(wàn)歐元。

這些PHBV存儲(chǔ)在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，因此要獲得PHBV，必須先把它從細(xì)胞中分離出來(lái)，提取技術(shù)是關(guān)鍵。PHA2USE的目標(biāo)是產(chǎn)能是25kg/天，但沒(méi)有透露輸入的進(jìn)料量。

提取PHA的設(shè)備 | 圖源：h2owaternetwerk

回歸基礎(chǔ)研究

其實(shí)在2020年，PHA2USE就開(kāi)始和另一個(gè)歐盟項(xiàng)目Interreg NWE WOW！聯(lián)合，找到荷蘭Wetsus研究所和Avans應(yīng)用科學(xué)大學(xué)來(lái)優(yōu)化提取工藝。

為什么都做到中試規(guī)模了，還要回到實(shí)驗(yàn)室研究呢？這是因?yàn)橛行┗A(chǔ)原理，PHARIO和PHA2USE團(tuán)隊(duì)都還沒(méi)搞懂，因此無(wú)法保證工藝的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，他們要尋找一些更基礎(chǔ)的問(wèn)題的答案，例如：

?PHA含量和產(chǎn)量最大的條件？

?不同的進(jìn)料底物對(duì)生物工藝的影響？

?反應(yīng)器構(gòu)造和設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)量的影響？

Wetsus研究所是歐洲著名的集成高等院校、環(huán)保企業(yè)和各國(guó)政府優(yōu)勢(shì)資源的科研機(jī)構(gòu)，主要從事可持續(xù)水環(huán)境技術(shù)研發(fā)，致力于解決全球水環(huán)境問(wèn)題。它在污水處理的資源化利用方面有大量基礎(chǔ)研究，這些研究經(jīng)驗(yàn)對(duì)污泥提取PHA也相當(dāng)有用，而且此前Wetsus和Paques也有密切的合作關(guān)系，因此PHA2USE項(xiàng)目找到Wetsus可謂是理所當(dāng)然的事。

除了生物轉(zhuǎn)化問(wèn)題，污泥PHA的商業(yè)化還要面對(duì)其他問(wèn)題的挑戰(zhàn)，例如提取的生物塑料能否直接用于塑料行業(yè)現(xiàn)有的機(jī)器設(shè)備？直接用到食品包裝中能否得到法規(guī)支持？消費(fèi)者能否接受源自污水的塑料產(chǎn)品？