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(s，简称PHA)。

然而，2016年威立雅关停了比利时污水厂的中试。在某些行内人看来，这是一种“打退堂鼓”的信号，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？

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，例如荷兰西部的污水厂回收纤维素加工成为修路材料，东南部的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的项目，目标是从污水污泥中提取的PHA。

是荷兰语“PHA uit ”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，于是就有了这个项目。

位于Bath污水厂的中试设备 | 图源：STOWA

什么是PHA

PHA是聚羟基烷酸酯(Poly--)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)。

PHB和PHB的化学式 | 图源：STOWA

在人们的固有印象中，生物降解塑料只是一个概念化的物品，综合性能远不及传统的石油基塑料。然而随着生物技术的发展，这种观念正在逐渐被刷新。

PHA是一种天然酯类物质。在自然界中，许多微生物都有一种特性，即在生长条件不平衡时，比如缺乏氮、磷、氧等营养元素，体内为了应付食物紧张就会储存一些原料，这些聚合物就是天然酯类，它可以被许多细菌激活，导致快速降解。

PHA生物基可降解塑料则完全以可再生资源——淀粉为原料，利用上述特种微生物，通过一系列酶工程、发酵工程，合成可完全分解至二氧化碳和水的高分子材料，并可与石油化工树脂性能相媲美。

PHA生物基可降解塑料具有化学合成塑料的一些性质，其性能如下:

断裂伸长率：5%(23℃)

悬臂梁无缺口冲击强度：37 J/m

拉伸强度：20 MPa(23℃)

热变形温度：110℃（ 0.45MPa 未退火）

热变形温度 能57℃（1.80MPa 未退火）

熔融温度 167.5 ℃

PHA可以用于高温注塑、拉丝、压膜等，还兼具很好的生物分解性，因此被科学家们视为“白色污染”的有效替代品。

清华大学生命科学学院教授陈国强认为，与大家熟知的聚乳酸等生物基材料相比，PHA的显著优点在于，能通过结构调节使最终产品应用于不同领域，而支撑这种优点的就是其单体的多样性。

据介绍，早在2000年，人们就已发现了超过150种的PHA单体。单体结构变化以及共聚物中不同单体比例的不同，也给PHA结构变化带来了无限可能。

通过调整单体配比，PHA产品性能可以横跨纤维、塑料、橡胶、热熔胶等不同范畴，加上PHA兼具良好的生物相容性，其应用领域已不局限在单一的塑料制品，还可以在农药缓释剂、高性能生化滤膜、医药缓释长效药物载体以及骨钉、手术缝合线、人体整形填充材料等方面大显身手。

业内专家表示，PHA已经成为生物材料领域最为活跃的研究热点，我国在PHA研究方面介入较早，目前处于世界先进水平。

PHA生物塑料的多种应用 | 图源：

宁波天安生物材料有限公司是目前全世界生产PHA规模较大的企业，目前已达到2000 t／a的生产能力。该公司在成为全球重要PHA原料生产基地的同时，也正积极探索着具体产品应用的路径。该公司就实现了第二代生物塑料PHBV（聚羟基丁酸—戊酸酯）的工业化生产，至今为全球范围内能实现量产的企业。

PHBV是一种PHA的共聚物，分子量达30万以上，可使用普通的塑料加工机械进行加工。由于采用化学溶剂提取细菌体内物质成本高昂，且有化学物残留的问题，采用了“水相提取法”，仅用常温水就可以提取。

据了解，水相提取法的具体过程就是通过加入一些环保“助剂”使细胞裂解破碎，蛋白质水解使得菌体中的PHA微粒直接释放在水中，再经过沉淀、过滤后就可以得到产品。

由于这种材料在堆肥、土壤、海水等环境中都能完全分解，另外还具有很好的生物相容性以及对水、气的高阻隔，这使得PHBV成为上好的人体组织工程材料，能够用作医用缝线、骨钉等，此外还可用作农用地膜、购物袋、餐具以及食品包装材料等。

目前，水相提取法已经取得了中国、美国、日本、澳大利亚等国的专利授权，生产技术领先于国际水平。

如今，PHBV制品的生产工艺进一步开发，涉足较多的便是注塑产品，如高尔夫球托、一次性餐具等，其它还有薄膜、板材、吸塑包装等。

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。

荷兰的PEZY公司用来自Bath污水厂的含有74％ PHA的生物塑料配方制作而成的名片盒 | 图源：STOWA

第一公斤的产品

选择了位于荷兰省的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，能将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 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公司，用来制作运输袋。

的工艺原理 | 图源：STOWA

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。

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

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。的目标是产能是25kg/天，但没有透露输入的进料量。

回归基础研究

其实在2020年，就开始和另一个欧盟项目 NWE WOW！联合，找到荷兰研究所和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，和团队都还没搞懂，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？

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，而且此前和也有密切的合作关系，因此项目找到可谓是理所当然的事。

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？

若你想了解这个污泥生物塑料的更多细节和最新进展，欢迎报名参加即将举行的“2022中欧环境科技创新论坛”，除了荷兰的技术，据说大会组织方还会带来瑞典和丹麦的环境科技。由于疫情原因，原定3月24日的开会日期推迟了，时间待定。感兴趣的你如果才刚得知这消息，赶紧联系主办方报名吧，因为也许免费名额已经不多了。