脑洞大!荷兰污水厂可生产防火人造皮革?
发布时间：2022-08-15整理：成都科林环保有限公司
5月，《水星漫谈》介绍了欧盟研究项目Water Mining进展。该项目的重点之一是提取污水中的生物聚合物-藻酸盐(Alginate-like exopolysaccharides，简称ALE)。近年来，荷兰代尔夫特理工大学(TU Delft)的Mark van Loosdrecht研究小组的大部分研究都围绕着它ALE展开的。荷兰的许多污水处理厂也开始生产这种物质。
在本专栏中，小编想谈谈这种物质的特性和的应用进展。
污水细菌神奇的粘稠物质
在谈论ALE先说说PHA。
当小编在荷兰学习时，他听说聚羟基烷酸酯可以从污水中提取(polyhydroxyalkanoates，简称PHA)。它可以作为可降解的生物塑料原料，污水处理厂的所有细菌都可以合成PHA。大约十年前，国外的污水研究正忙于探索污水提取物PHA到目前为止，还没有看到真正的工程案例。
为什么会这样？
小编在此前的专栏里就曾浅谈过个中缘由——《污泥变塑料 | 荷兰人救了被放弃的技术？》。荷兰水委7年前成立了相关中试项目，得出该产品不足以上市的结论。尽管荷兰人没有放弃，并在2020年底成立了新项目(PHA2USE)，继续探究PHA但作为旁观者，我们也可以看到目前的污水提取PHA下游产能、工艺稳定性等问题尚未解决，市场价格也没有竞争力。毕竟，它不是的可降解生物塑料。污水回收PHA短期内，前景不容乐观。
活性污泥中有两种聚合物引起了业界的关注，一种是上述PHA另一种是胞外聚合物(EPS)。由于学术界没有统一的提取和分析方法，后者被称为微生物学的暗物质。在小编看来，它简直就是天使和恶魔的合体，一方面，EPS另一方面，它是生物膜净化污水的重要组成部分，MBR膜污染等工艺的问题也是由于EPS产生的。但随着时间的推移，我们发现EPS似乎有比PHA商业前景更加光明。
意外的发现
有氧颗粒污泥技术(AGS)这是当前行业的热点。大多数工程师可能关注其沉降性能等优点，但在TU Delft在科学家看来，我们对好氧颗粒污泥的理解只是冰山一角。
为什么小编不直接说呢？Mark van Loosdrecht教授的团队呢？因为在这个故事里，除了Mark还有很多其他人的贡献，比如教授Mark同组的LIN Yuemei化学工程系副教授、副教授Stephen Picken教授。根据Kaumera根据官方数据，林教授发现好氧颗粒污泥中的聚合物主要是ALE，而Picken在此基础上，教授不断探索各种复合材料的应用潜力。
如下图所示，左边是絮状污泥，右边是好氧颗粒污泥；前者ALE提取率只有5-15%，后者高达25%(平均值)。
荷兰人在2016年计算了一个账户：每克好氧颗粒污泥可提取0.2-0.3克的ALE，每千克ALE生产成本约为0.5-1.5欧元，当时藻酸盐的市场价格约为1.0-3.5欧/千克。乌特勒支污水厂采用好氧颗粒污泥，处理规模48万PE，估计每年可提取2000吨ALE。藻酸盐生产主要来自褐藻(Phaeophyceae)，数据显示，藻酸盐年产量约为3.6万吨。这意味着荷兰只有一家中型污水厂ALE产能足以取代藻酸盐产量的5%。2016年，约有20家好氧颗粒污泥污水厂，这些污水厂共计ALE年产能已超过4万吨，这意味着理论上，世界藻酸盐原料的生产可以被好氧颗粒污泥污水厂所取代。当然，有画大饼的嫌疑，但在荷兰水委会看来，即使退一步ALE产能没那么高。采用好氧颗粒污泥工艺，至少可以减少污泥产量，提高甲烷产量。污水厂愿意接受这个下限，这可能是ALE在荷兰进一步研究原因。这就是后来Zutphen的ALE回收厂的落地。
无所 不能变色龙
经过这么多年的研究，代尔夫特的科学家发现，这些从好氧颗粒污泥中提取的藻酸盐与不同的原料结合，可以显示出完全不同的属性，可以制成亲水或疏水材料，可以扩大和扩展原材料的特定属性。
聚合物聚合物反应自然完成，避免了化学生产高纯度单体的必要性。聚合物的后续纯化和改性很容易以非常低的成本生产出适合广泛使用的材料。此外，通过结合天然粘土、石墨烯等无机纳米填料，可以进一步优化聚合物的性能，获得各种神奇的材料。
例如，代尔夫特夫特的科学家ALE-EPS得到天然珍珠母(Nacre)那样的物质。小编这篇文章之前，我真的不知道珍珠母的英语叫做Nacre，而且查了维基百科才知道:珍珠母(又名:珍珠母(又名:Mother of Pearl) 软体动物产生的有机和无机混合物作为动物壳的内层物质；它也是珍珠表面明亮的材料，非常坚固，但有弹性，颜色鲜艳。
如果你问这种材料有什么用，不要指望从小边那里得到免费的答案，毕竟，小边只会搬砖。但小边发现的数据显示，如果这种硬度和延展性的复合材料可以通过微生物获得，将大大降低生产成本和难度，这将使那些从事材料的专家看到各种创新的可能性。
除了合成珍珠母材料外，科学家们还将ALE和粘土(clay)结合生成一种防火材料，看起来很厉害。VICE在纪录片中，Mark教授带主持人去代尔夫特的实验室，让后者自己烧一块ALE片状物，结果怎么烧都烧不起来。
他们还发布了相关信息paper，这种材料的防火性能甚至可以通过美国联邦航空条例来实现(FAR)飞机内阻燃材料阻燃要求。事实上，从普通活性污泥中提取的ALE也有一定的阻燃效果，但其试验表明远低于从好氧颗粒污泥中提取的ALE。
有趣的是，林教授发现ALE还可与纳米纤维素混合(nanocellulose)结合耳环的制作，这也成为了林教授的新爱好，下面的耳环是她骄傲的作品。小边认为，由于代尔夫特有的林教授，让ALE应用与浪漫与艺术发挥了跨境作用，有助于吸引新闻媒体的注意力，反过来让更多的人了解污水创新的魅力。
水皮肤
随着时间的推移，基于代尔夫特的团队ALE复合材料的认知也逐渐加深。他们开始研究上述结果ALE应用于皮革制品的可能性。
你知道，许多皮革制造商受到环保团体的批评和质疑，因为好的皮革需要动物皮革，生产过程会影响环境。代尔夫独有的三名学生创造了一个名为水皮(WaterSkins)该团队提出使用污水处理副产品生产人造皮革，作为一种非常环保的替代品。
去年10月，该团队在欧洲生物基生产联盟取得了小成就(Biobased Industries Consortium)在生物基创新学生挑战赛中，他们入围了欧洲赛区(BISC-E)的决赛。
水皮结合了上述复合材料的优点——具有高强度韧性、灵活延展性和耐火性。
WaterSkins展示人造皮革的性能 | 图源：WaterSkins
当然，你看到的产品只是雏形，WaterSkins的团队表示还有很多可改良的地方。尽管如此，他们表示这些产品能提高污水处理的盈利潜能，又能减少皮革行业的污染负担，他们希望他们的小小努力能为的清洁水供应做出一点贡献。
小结
荷兰队之前给这种藻酸盐材料取名NEO-Alginaat，它是一种新型藻酸盐物质，但后来改名为Kaumera。“Kaumera这个词来自新西兰毛利语，意思是变色龙。看完这篇文章，你应该明白为什么要取这个名字吗？没想到污水处理现在能和材料化学有这样的跨境合作吗？更令人兴奋的是，这很可能只是污水厂实现真正意义上的资源厂的开始。
来源：JIEI创新实验室
