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(chǎng)、瑞典的Esl?v和荷蘭的Leeuwarden進(jìn)行中試實(shí)驗:用工業(yè)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(jiǎn)稱(chēng)PHA)。

然而，2016年威立雅關(guān)停了比利時(shí)污水廠(chǎng)的中試。幸好荷蘭的水委會(huì )敢做接盤(pán)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(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)污水蘊含的資源原遠不止于此。也許因為荷蘭人摳門(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：磷回收已經(jīng)是許多污水廠(chǎng)的常規操作，各地方水委會(huì )也在進(jìn)行各種“資源回收工廠(chǎng)”的探索，例如荷蘭西部的Geestmerambacht污水廠(chǎng)回收纖維素加工成為修路材料，東南部的Zutphen污水廠(chǎng)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的項目，目標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(gè)項目。

什么是PHA

PHA是聚羥基烷酸酯(Poly-Hydroxy-Alkanoate)的英文縮寫(xiě)。它是不同結構的脂肪族共聚聚酯，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)，在胞內形成PHA。中國大學(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因其結晶度高而較脆的弱點(diǎn)，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(wú)紡布、包裝材料、農用覆膜、玩具、包膜、膠、纖維等多種可降解產(chǎn)品。

PHARIO項目和多個(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(chǎng)作為測試地點(diǎn)，原因是該污水廠(chǎng)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聚磷菌(可積累PHA)。

測試數據顯示，比利時(shí)布魯塞爾的中試和荷蘭Bath污水廠(chǎng)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(lái)說(shuō)，0.40 gPHA/gVSS被視作能否工業(yè)應用的及格線(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(chǎng)的生產(chǎn)線(xiàn)里。

Bath污水廠(chǎng)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(chǎng)富含VFA的液料或初級污泥；同時(shí)也有用純乙酸和丙酸的混合物作為進(jìn)料。污水廠(chǎng)得到的PHA會(huì )送至AnoxKaldnes位于瑞典隆德的中試精煉廠(chǎng)進(jìn)行提純回收。在10個(gè)月的時(shí)間內，中試系統建立了1kg PHA/周的產(chǎn)能。

2015年10月，污水廠(chǎng)所屬的Branbantse Delta水委會(huì )將首批1千克的PHA轉交給當地的一個(gè)塑料包裝廠(chǎng)Oerlemans公司，用來(lái)制作運輸袋。

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的成本是有競爭力的。項目組曾做過(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)結果也顯示，成本只有現在污水回收沼氣的五分之一，環(huán)境影響是目前PHA常規生產(chǎn)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(chǎn)品還不足以上市”，原因是塑料生產(chǎn)廠(chǎng)家希望PHARIO有充足的供應量來(lái)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(jìn)行更大規模的測試，提高產(chǎn)能來(lái)說(shuō)服下游廠(chǎng)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的新項目。他們選擇位于鹿特丹附近的Dordrecht市的污泥焚燒廠(chǎng)進(jìn)行更大規模的中試。

這個(gè)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(gè)水委會(huì )的投資金額據稱(chēng)為250萬(wàn)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(lái)，提取技術(shù)是關(guān)鍵。PHA2USE的目標是產(chǎn)能是25kg/天，但沒(méi)有透露輸入的進(jìn)料量。

提取PHA的設備 | 圖源：h2owaternetwerk

回歸基礎研究

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

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

?PHA含量和產(chǎn)量最大的條件？

?不同的進(jìn)料底物對生物工藝的影響？

?反應器構造和設計對產(chǎn)量的影響？

Wetsus研究所是歐洲著(zhù)名的集成高等院校、環(huán)保企業(yè)和各國政府優(yōu)勢資源的科研機構，主要從事可持續水環(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研究，這些研究經(jīng)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(guān)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(wèn)題，污泥PHA的商業(yè)化還要面對其他問(wèn)題的挑戰，例如提取的生物塑料能否直接用于塑料行業(yè)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(chǎn)品？