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污泥變塑料丨威立雅放棄的技術(shù),荷蘭人把它救活了?

分類:行業(yè)熱點(diǎn) > 國外動態(tài)    發(fā)布時(shí)間:2022年3月23日 10:01    作者:    文章來源:JIEI創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室 瓦村農(nóng)夫

  過去十年里,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,早在2011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Eslöv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,簡稱PHA)
 
  然而,2016年威立雅關(guān)停了比利時(shí)污水廠的中試。在某些行內(nèi)人看來,這是一種“打退堂鼓”的信號,幸好荷蘭的水委會敢做接盤俠,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?在本期專欄里,我們來個(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“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(chǎn)生的活性污泥作為生產(chǎn)PHA的原材料。其實(shí)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(shù)(威立雅曾注冊商標(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。它是不同結(jié)構(gòu)的脂肪族共聚聚酯,可以由微生物通過各種碳源發(fā)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(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。
 
  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處理系統(tǒng)得到的PHA含量相仿,高達(dá)0.47 gPHA / gVSS。一般來說,0.40 gPHA/gVSS被視作能否工業(yè)應(yīng)用的及格線,這說明純技術(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(xiàng)目組曾做過估算,基于活性污泥生產(chǎn)的PHA可以回用超過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)量來測試加工和使用效果。在這背景下,荷蘭人需要組建新的項(xiàng)目,進(jìn)行更大規(guī)模的測試,提高產(chǎn)能來說服下游廠家。
 
  PHA2USE
 
  在這樣的背景下, 2020年底荷蘭五個(gè)水委會聯(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)水委會的投資金額據(jù)稱為250萬歐元。
 
  這些PHBV存儲在細(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,提取技術(shù)是關(guān)鍵。PHA2USE的目標(biāo)是產(chǎn)能是25kg/天,但沒有透露輸入的進(jìn)料量。
 
  回歸基礎(chǔ)研究
 
  其實(shí)在2020年,PHA2USE就開始和另一個(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)都還沒搞懂,因此無法保證工藝的重現(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(yīng)器構(gòu)造和設(shè)計(jì)對產(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)和各國政府優(yōu)勢資源的科研機(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。
 
  原標(biāo)題:污泥變塑料 | 威立雅放棄的技術(shù),荷蘭人把它救活了?

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