污水资源回收新标杆？荷兰污水厂将活性污泥变身可降解塑料
除了英国首都伦敦，大家是否知道加拿大也有一个伦敦？在6月25日-28日，IWA国际水协就在位于加拿大安大略省西南部的伦敦市Western University举办了第4届污水处理生态技术专题国际会议(The 4th IWA Specialized International Conference on Ecotechnologies for Wastewater Treatment, ecoSTP2018 )。来自荷兰代尔夫特理工大学的Mark van Loosdrecht教授在会后表示，很高兴看到大家开始将污水处理的焦点再次转向资源回收。有越来越多的创新技术不断涌现，将帮助污水处理厂变身成为资源回收厂。今天的微信中我们将向大家介绍荷兰的资源回收新技术--PHARIO。
目前，污水资源回收很多情况下是针对磷的回收。但在荷兰，磷回收已经成了常规操作，他们的地方水委会则正在进行其他不同形式的“资源回收工厂”探索，例如回收纤维素加工成为修路材料的Geestmerambacht污水厂，和回收海藻酸盐胞外聚合物EPS的Zutphen污水厂。而PHARIO技术就是在利用污水处理产生的活性污泥来生产PHA的原材料。PHARIO是荷兰语“PHA uit RIOolwater”的缩写，原意是“来自污水的PHA”。
回收PHA聚合物并不容易。自2011年以来，威立雅集团的AnoxKaldnes就一直在Eslöv（瑞典）、Brussels（比利时）和Leeuwarden（荷兰）三个不同地点进行中试规模的实验——用工业和市政有机废弃物作为原料，从污水中回收混合微生物培养的PHA，并从中积累了很多经验方法。
一个一个里程碑式的技术突破（包括威立雅注册了商标的Cella™）使得在2015-2016间荷兰的几个水务局和STOWA基金会一起成立了一个PHA生产和生物产业链的示范项目，取名PHARIO。其他合作伙伴还包括了AnoxKaldnes（威立雅水务技术公司），污泥焚烧技术供应商SNB和KNN。这个项目的重点是处理位于荷兰Zeeland省的Bath污水厂的多余生物质，并转化为PHA聚合物。
PHARIO项目的合作单位
Bath污水厂采用生物脱氮工艺，包括了缺氧前置反硝化和化学除磷，这些工艺条件已被证明有利于筛选培养那些积累PHA的生物质（如聚磷菌）。布鲁塞尔的中试系统和巴斯污水厂的活性污泥二级处理系统得到了PHA含量相仿，高达0.47 gPHA / gVSS。一般来说，超过0.40 gPHA/gVSS就可以被视作能否工业应用的及格线，这说明技术上可以将PHA生产技术整合到城市/工业污水厂的生产线里。
Bath污水厂
PHA是羟基脂肪酸酯(Poly-Hydroxy-Alkanoate)的英文缩写。它是由微生物通过各种碳源发酵而合成的不同结构的脂肪族共聚聚酯。其中最常见的有聚3-羟基丁酸酯(PHB)和聚羟基戊酸酯(PHV)及PHB和PHV它们的共聚物(PHBV)。
大家都比较熟知生物除磷工艺。其实PHA的生物生产原理就是聚磷菌（PAOs）在厌氧环境下吸收水中的VFA在胞内形成PHA。
微生物富集PHA
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。通过共聚（PHBV）可以改善PHB因其结晶度高、较脆的弱点，提高了其机械性能，另外耐热性、耐水性也好。由于价格高目前主要还是应用在医学和其他要求高的领域。 但资料又显示它的主要用途可为：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。
PEZY公司用来自Bath污水厂的含有74％PHARIO PHA的生物塑料配方制作而成的名片盒
在Bath污水厂，剩余污泥送进一个中试装置，作为持续生产PHA生物质的进料。中试过程中，PHA的产量持续高于0.40 gPHA/gVSS的水平。同时他们也引进外部进料，包括当地糖果厂富含VFA的液料或初级污泥。他们也有用纯乙酸和丙酸的混合物作为进料作为参照。得到的这些PHA会送至AnoxKaldnes公司位于瑞典隆德的中试精炼厂进行回收提炼。在10个月的时间内，这个中试系统建立了1kg PHA/周的产能。
PHARIO工艺原理
上述试验表明，收集的活性污泥可以持续生产高质量的PHA聚合物，后者具有市场价值和应用潜力。在这个项目里他们也获得了大量例如热学和机械等方面的材料属性数据，这些信息可以帮助PHA终端用户更好地评估材料的潜力。
这个项目显示，与当前市场价格相比，用活性污泥生产的PHA在成本上是有竞争力的。基于活性污泥生产的PHA可以回用超过5次，从LCA角度来说，成本只有现在污水回收沼气的五分之一，对环境的影响是目前PHA常规生产方法的30%，并且项目团队认为有进一步降低成本的潜力。
目前1kg/周的产量还是偏低的。他们计划在2018年前将产量提升至100吨/年的水平，然后在2021年前实现第一个年产量在2000-5000吨的商业应用。
PHARIO项目的5年计划
这个项目看上去一切良好，但实际上还是有着难言之隐，那就是投资人——他们正在寻找投资者和创业团队一起打造更具商业价值的产品。 可见新技术的商业化之路从来不好走。
在Bath污水厂中试装置生产，在瑞典隆德提取出来的PHA塑料
实际上威立雅早在2016就关闭了在比利时的中试厂，这在某些行内人看来是一种打退堂鼓的信号，幸好后边有荷兰的水委会来接盘。其实早在上世纪70年代的石油危机开始，就有人想从废弃物中回收PHA，如今从污水中回收PHA也在逐步是实现。PHARIO项目的理念别具一格，自然也获得了很多组织的青睐，他们最近就获得荷兰的Water Visie颁发的2018年度水创新大奖（Water Innovator Of The Year 2018）。
PHARIO项目领导Leon Korving接受Water Visie的颁奖
荷兰厌氧处理大师Gatze Lettinga曾说“稀释即污染”。这话其实也道出了从污水中回收PHA的一大障碍——从低浓度污水作固液分离，成本很难降下来。要解决这个问题，可能需要点黑科技，美国Clemson University的Mark Blenner博士就开发了一种技术，将宇航员的尿液生成PHA。他是用一种酵母菌分解尿液，将藻类与浮游植物的基因片段植入到酵母菌中，并加入人体呼出的二氧化碳来生产PHA，然后宇航员可以将PHA用3D打印技术做成所需的物品。这种“源分离”的理念是很值得污水界思考和借鉴的。
Mark van Loosdrecht教授在参加ecoSTP2018大会时提到，20年前欧洲就曾有人提出过尿液分离和资源回收是可行的，他也非常欣喜地看到污水处理全球应用领袖、美国Stantec公司的Arthur Umble也在支持污水资源回收的理念。
显然，不论是学术界还是工程界都开始了观念的转变，认同污水处理正在从过去的“去除COD”走向现在的“资源回收”。而这意味着更多的跨学科、跨领域协同合作，化工、微生物和计算机等不同领域的专家将在未来的污水处理里扮演更重要的角色。