污泥变塑料 | 曾被放弃的技术 荷兰人把它救活了?

过去十年里,世界各地的水务公司都在寻找污水资源化的技术。作为行业巨头,法国威立雅公司不遑多让,早在2011年,旗下的AnoxKaldnes已在欧洲三地——比利时的布鲁塞尔北污水厂、瑞典的Eslöv和荷兰的Leeuwarden进行中试实验:用工业和市政有机废弃物作为原料,从污水里回收混合微生物培养的可降解塑料——聚羟基烷酸酯(Polyhydroxyalkanoates,简称PHA)。

然而,2016年威立雅关停了比利时污水厂的中试。幸好荷兰的水委会敢做接盘侠,项目得以延续至今。被威立雅放弃的项目,荷兰人为什么还想拯救呢?在本期专栏里,我们来个究竟。

污泥变塑料

谈起污水资源回收,大部分人只知道氮磷回收。其实污水蕴含的资源原远不止于此。也许因为荷兰人抠门的民族性格深入骨髓,物尽其用的精神在污水界也得到充分体现:磷回收已经是许多污水厂的常规操作,各地方水委会也在进行各种“资源回收工厂”的探索,例如荷兰西部的Geestmerambacht污水厂回收纤维素加工成为修路材料,东南部的Zutphen污水厂则成功从污泥中提取海藻酸盐的胞外聚合物(EPS)。

2015-2016年间,荷兰五个水委会成立了一个叫PHARIO的项目,目标是从污水污泥中提取的PHA。

1.jpg

PHARIO是荷兰语“PHA uit RIOolwater”的缩写,即来自污水的PHA,顾名思义,原理是用污水处理产生的活性污泥作为生产PHA的原材料。其实回收这类聚合物并不容易,例如威立雅公司早在十多年前就开始探索污水回收PHA的技术(威立雅曾注册商标Cella™),也未能善终,幸运的是荷兰人有继续做下去的信心,于是就有了PHARIO这个项目。

1.jpg

什么是PHA

PHA是聚羟基烷酸酯(Poly-Hydroxy-Alkanoate)的英文缩写。它是不同结构的脂肪族共聚聚酯,可以由微生物通过各种碳源发酵而合成。其中最常见的有聚3-羟基丁酸酯(PHB)、聚羟基戊酸酯(PHV)以及两者的共聚物(PHBV)。

1.jpg

大家可能都听过生物除磷工艺。其实PHA的生物生产原理就是利用聚磷菌(PAOs)在厌氧环境下吸收水中的挥发性脂肪酸(VFAs),在胞内形成PHA。中国大学也有不少课题组在研究PHA的回收,感兴趣的读者可以百度一下。

1.jpg

PHA具有生物可降解性、生物相容性等许多优良性能,在生物医学材料、组织工程材料、缓释材料、电学材料以及包装材料等方面将发挥其重要的作用。若合成共聚物PHBV,还可以改善PHB因其结晶度高而较脆的弱点,从而提高机械性能、耐热性和耐水性。它的用途非常广泛,例如可以做成一次性餐具、无纺布、包装材料、农用覆膜、玩具、包膜、胶、纤维等多种可降解产品。

PHARIO项目和多个企业合作,用污泥提取的PHA生产各色各样的产品,例如下边这个名片盒。

1.jpg

第一公斤的产品

PHARIO选择了位于荷兰Zeeland省的Bath污水厂作为测试地点,原因是该污水厂采用生物脱氮工艺,包括了前置缺氧反硝化和化学除磷,这些工艺条件有利于筛选培养聚磷菌(可积累PHA)。

测试数据显示,比利时布鲁塞尔的中试和荷兰Bath污水厂的活性污泥二级处理系统得到的PHA含量相仿,高达0.47 gPHA / gVSS。一般来说,0.40 gPHA/gVSS被视作能否工业应用的及格线,这说明纯技术而言,PHARIO能将PHA生产技术整合到城市/工业污水厂的生产线里。

1.jpg

Bath污水厂将剩余污泥送到中试装置,作为生产PHA的基本进料。在中试过程中,PHA的产量稳定高于0.40 gPHA/gVSS的水平。此外,他们也引进外部进料,例如临近糖果厂富含VFA的液料或初级污泥;同时也有用纯乙酸和丙酸的混合物作为进料。污水厂得到的PHA会送至AnoxKaldnes位于瑞典隆德的中试精炼厂进行提纯回收。在10个月的时间内,中试系统建立了1kg PHA/周的产能。

2015年10月,污水厂所属的Branbantse Delta水委会将首批1千克的PHA转交给当地的一个塑料包装厂Oerlemans公司,用来制作运输袋。

1.jpg

这次中试初步展示了用活性污泥生产优质PHA的可行性,与市场价格相比,用活性污泥生产的PHA的成本是有竞争力的。项目组曾做过估算,基于活性污泥生产的PHA可以回用超过5次。生命周期分析(LCA)结果也显示,成本只有现在污水回收沼气的五分之一,环境影响是目前PHA常规生产方法的30%。但在项目结束后,项目团队得到的最终结论却是“这款产品还不足以上市”,原因是塑料生产厂家希望PHARIO有充足的供应量来测试加工和使用效果。在这背景下,荷兰人需要组建新的项目,进行更大规模的测试,提高产能来说服下游厂家。

PHA2USE

在这样的背景下, 2020年底荷兰五个水委会联合STOWA、污水处理公司Paques以及污泥焚烧公司HVC,创立了名为PHA2USE的新项目。他们选择位于鹿特丹附近的Dordrecht市的污泥焚烧厂进行更大规模的中试。

1.jpg

这个新的生物塑料中试系统有三大部分组成,包括脂肪酸储存罐、制造生物塑料的生物反应器和用于泥水分离的沉降器。五个水委会的投资金额据称为250万欧元。

这些PHBV存储在细菌细胞内,因此要获得PHBV,必须先把它从细胞中分离出来,提取技术是关键。PHA2USE的目标是产能是25kg/天,但没有透露输入的进料量。

1.jpg

提取PHA的设备 | 图源:h2owaternetwerk

回归基础研究

其实在2020年,PHA2USE就开始和另一个欧盟项目Interreg NWE WOW!联合,找到荷兰Wetsus研究所和Avans应用科学大学来优化提取工艺。

为什么都做到中试规模了,还要回到实验室研究呢?这是因为有些基础原理,PHARIO和PHA2USE团队都还没搞懂,因此无法保证工艺的重现性和稳定性。为了实现大规模生产,他们要寻找一些更基础的问题的答案,例如:

•PHA含量和产量最大的条件?

•不同的进料底物对生物工艺的影响?

•反应器构造和设计对产量的影响?

Wetsus研究所是欧洲著名的集成高等院校、环保企业和各国政府优势资源的科研机构,主要从事可持续水环境技术研发,致力于解决全球水环境问题。它在污水处理的资源化利用方面有大量基础研究,这些研究经验对污泥提取PHA也相当有用,而且此前Wetsus和Paques也有密切的合作关系,因此PHA2USE项目找到Wetsus可谓是理所当然的事。

1.jpg

除了生物转化问题,污泥PHA的商业化还要面对其他问题的挑战,例如提取的生物塑料能否直接用于塑料行业现有的机器设备?直接用到食品包装中能否得到法规支持?消费者能否接受源自污水的塑料产品?


分享 :