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？