污泥變塑料 | 曾被放棄的技術 荷蘭人把它救活了？

過去十年里，世界各地的水務公司都在尋找污水資源化的技術。作為行業巨頭，法國威立雅公司不遑多讓，早在2011年，旗下的AnoxKaldnes已在歐洲三地——比利時的布魯塞爾北污水廠、瑞典的Esl?v和荷蘭的Leeuwarden進行中試實驗:用工業和市政有機廢棄物作為原料，從污水里回收混合微生物培養的可降解塑料——聚羥基烷酸酯(Polyhydroxyalkanoates，簡稱PHA)。

然而，2016年威立雅關停了比利時污水廠的中試。幸好荷蘭的水委會敢做接盤俠，項目得以延續至今。被威立雅放棄的項目，荷蘭人為什么還想拯救呢？在本期專欄里，我們來個究竟。

污泥變塑料

談起污水資源回收，大部分人只知道氮磷回收。其實污水蘊含的資源原遠不止于此。也許因為荷蘭人摳門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：磷回收已經是許多污水廠的常規操作，各地方水委會也在進行各種“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，荷蘭五個水委會成立了一個叫PHARIO的項目，目標是從污水污泥中提取的PHA。

PHARIO是荷蘭語“PHA uit RIOolwater”的縮寫，即來自污水的PHA，顧名思義，原理是用污水處理產生的活性污泥作為生產PHA的原材料。其實回收這類聚合物并不容易，例如威立雅公司早在十多年前就開始探索污水回收PHA的技術(威立雅曾注冊商標Cella?)，也未能善終，幸運的是荷蘭人有繼續做下去的信心，于是就有了PHARIO這個項目。

什么是PHA

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

大家可能都聽過生物除磷工藝。其實PHA的生物生產原理就是利用聚磷菌（PAOs）在厭氧環境下吸收水中的揮發性脂肪酸(VFAs)，在胞內形成PHA。中國大學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良性能，在生物醫學材料、組織工程材料、緩釋材料、電學材料以及包裝材料等方面將發揮其重要的作用。若合成共聚物PHBV，還可以改善PHB因其結晶度高而較脆的弱點，從而提高機械性能、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、無紡布、包裝材料、農用覆膜、玩具、包膜、膠、纖維等多種可降解產品。

PHARIO項目和多個企業合作，用污泥提取的PHA生產各色各樣的產品，例如下邊這個名片盒。

第一公斤的產品

PHARIO選擇了位于荷蘭Zeeland省的Bath污水廠作為測試地點，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除磷，這些工藝條件有利于篩選培養聚磷菌(可積累PHA)。

測試數據顯示，比利時布魯塞爾的中試和荷蘭Bath污水廠的活性污泥二級處理系統得到的PHA含量相仿，高達0.47 gPHA / gVSS。一般來說，0.40 gPHA/gVSS被視作能否工業應用的及格線，這說明純技術而言，PHARIO能將PHA生產技術整合到城市/工業污水廠的生產線里。

Bath污水廠將剩余污泥送到中試裝置，作為生產PHA的基本進料。在中試過程中，PHA的產量穩定高于0.40 gPHA/gVSS的水平。此外，他們也引進外部進料，例如臨近糖果廠富含VFA的液料或初級污泥；同時也有用純乙酸和丙酸的混合物作為進料。污水廠得到的PHA會送至AnoxKaldnes位于瑞典隆德的中試精煉廠進行提純回收。在10個月的時間內，中試系統建立了1kg PHA/周的產能。

2015年10月，污水廠所屬的Branbantse Delta水委會將首批1千克的PHA轉交給當地的一個塑料包裝廠Oerlemans公司，用來制作運輸袋。

這次中試初步展示了用活性污泥生產優質PHA的可行性，與市場價格相比，用活性污泥生產的PHA的成本是有競爭力的。項目組曾做過估算，基于活性污泥生產的PHA可以回用超過5次。生命周期分析(LCA)結果也顯示，成本只有現在污水回收沼氣的五分之一，環境影響是目前PHA常規生產方法的30%。但在項目結束后，項目團隊得到的最終結論卻是“這款產品還不足以上市”，原因是塑料生產廠家希望PHARIO有充足的供應量來測試加工和使用效果。在這背景下，荷蘭人需要組建新的項目，進行更大規模的測試，提高產能來說服下游廠家。

PHA2USE

在這樣的背景下， 2020年底荷蘭五個水委會聯合STOWA、污水處理公司Paques以及污泥焚燒公司HVC，創立了名為PHA2USE的新項目。他們選擇位于鹿特丹附近的Dordrecht市的污泥焚燒廠進行更大規模的中試。

這個新的生物塑料中試系統有三大部分組成，包括脂肪酸儲存罐、制造生物塑料的生物反應器和用于泥水分離的沉降器。五個水委會的投資金額據稱為250萬歐元。

這些PHBV存儲在細菌細胞內，因此要獲得PHBV，必須先把它從細胞中分離出來，提取技術是關鍵。PHA2USE的目標是產能是25kg/天，但沒有透露輸入的進料量。

提取PHA的設備 | 圖源：h2owaternetwerk

回歸基礎研究

其實在2020年，PHA2USE就開始和另一個歐盟項目Interreg NWE WOW！聯合，找到荷蘭Wetsus研究所和Avans應用科學大學來優化提取工藝。

為什么都做到中試規模了，還要回到實驗室研究呢？這是因為有些基礎原理，PHARIO和PHA2USE團隊都還沒搞懂，因此無法保證工藝的重現性和穩定性。為了實現大規模生產，他們要尋找一些更基礎的問題的答案，例如：

?PHA含量和產量最大的條件？

?不同的進料底物對生物工藝的影響？

?反應器構造和設計對產量的影響？

Wetsus研究所是歐洲著名的集成高等院校、環保企業和各國政府優勢資源的科研機構，主要從事可持續水環境技術研發，致力于解決全球水環境問題。它在污水處理的資源化利用方面有大量基礎研究，這些研究經驗對污泥提取PHA也相當有用，而且此前Wetsus和Paques也有密切的合作關系，因此PHA2USE項目找到Wetsus可謂是理所當然的事。

除了生物轉化問題，污泥PHA的商業化還要面對其他問題的挑戰，例如提取的生物塑料能否直接用于塑料行業現有的機器設備？直接用到食品包裝中能否得到法規支持？消費者能否接受源自污水的塑料產品？

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