腦洞大！荷蘭污水廠可生產防火人造皮革？
在5月份，《水星漫談》曾介紹過歐盟研究項目“Water Mining”的最新進展。這個項目的重點之一是提取污水中的一種生物聚合物——類藻酸鹽物質(Alginate-like exopolysaccharides，簡稱ALE)。最近幾年，荷蘭代爾夫特理工大學(TU Delft)的Mark van Loosdrecht的課題組有很大一部分的研究都是圍繞ALE展開的。荷蘭多個污水處理廠也已開始生產這種物質。
在本期專欄里，小編想淺談一下這種物質有何特別之處，以及其最新的應用進展。
污水細菌神奇的粘稠物
在談論ALE前，得先談談PHA。
小編在荷蘭讀書的時候，就聽說可從污水中提取聚羥基烷酸酯(polyhydroxyalkanoates，簡稱PHA)。它可以作為可降解的生物塑料原料，而且污水廠所有的細菌都能合成PHA。大概在十年前，國外的污水研究就忙著探究污水提取PHA能否產業化，但至今都沒有看到真正的工程案例。
為什么會這樣呢？
小編在此前的專欄里就曾淺談過個中緣由——《污泥變塑料 | 曾被放棄的技術，荷蘭人把它救活了？》。荷蘭的水委會在7年前就成立相關中試項目，得到的結論卻是“這款產品還不足以上市”。雖然荷蘭人沒有放棄，并在2020年底組建了新項目(PHA2USE)，繼續探究PHA的可行性，但作為旁觀者，我們也能看到，目前污水提取PHA還有諸多問題尚未解決，例如下游產能、工藝穩定性等，而市場價格也沒有競爭力，畢竟它不是唯一的可降解生物塑料。污水回收PHA的前景短期無法被看好。
話說活性污泥中有兩種聚合物受到業界關注，一種就是上述的PHA這類胞內聚合物，而另一種則是胞外聚合物(EPS)。后者被稱為微生物學的暗物質，因為學界對它們還沒有統一的提取和分析方法。在小編看來，它簡直就是天使和惡魔的合體，一方面，EPS是凈化污水的生物膜的重要組成，但另一方面，MBR等工藝的膜污染問題也是由于EPS產生的。但隨時間推進，大家發現EPS似乎有比PHA更光明的商業前景。
意外的發現
好氧顆粒污泥技術(AGS)是業界的時下熱點，大部分工程師關注的也許是其沉降性能等優點，但在TU Delft的科學家們看來，我們對好氧顆粒污泥的認識還只是冰山一角。
為什么小編不直接說是Mark van Loosdrecht教授的團隊呢？因為在這個故事里，除了Mark教授，還有很多其他人的貢獻，例如與Mark同組的LIN Yuemei副教授，以及化學工程系的Stephen Picken教授。根據Kaumera的官方資料介紹，林教授發現好氧顆粒污泥中的聚合物主要為ALE，而Picken教授則在此基礎上，不斷探究各種復合材料的應用潛力。
如下圖所示，可以看出左邊的是絮狀污泥，右邊的是好氧顆粒污泥；前者的ALE提取率只有5-15%，后者的則高達25%(平均值)。
2016年荷蘭人算過一筆賬：每克好氧顆粒污泥可提取0.2-0.3克的ALE，每千克ALE的生產成本約0.5-1.5歐元，而當時的藻酸鹽市價約為1.0-3.5歐/千克。采用了好氧顆粒污泥的烏特勒支污水廠，處理規模為48萬PE，估計每年可提取2000噸的ALE。全球的藻酸鹽生產主要來自褐藻(Phaeophyceae)，數據顯示藻酸鹽的全球年產量約為36000噸。這意味著僅一個荷蘭中型污水廠的ALE產能足可頂替5%的藻酸鹽全球產量。2016年全球好氧顆粒污泥污水廠數量約20個，這些污水廠合計的ALE年產能就已超過40000噸，這意味著理論上全球的藻酸鹽原料生產可由好氧顆粒污泥污水廠替代。當然這么算有“畫大餅”嫌疑，但在荷蘭水委會看來，即使退一步說ALE的產能沒這么高，采用好氧顆粒污泥工藝，起碼能減少污泥產量，并且能提高甲烷產量，這個下限是污水廠樂意接受的，這也許才是ALE研究能在荷蘭更進一步的原因。這就有了后來Zutphen的ALE回收工廠的落地。
無所 不能的變色龍
經過這么多年的研究，代爾夫特的科學家們發現，這些從好氧顆粒污泥里提取出來的藻酸鹽，在和不同原材料結合之后，可展示截然不同的屬性，它可做成親水或者疏水性材料，它可以放大和延伸原有材料的特定屬性。
由大自然完成高分子聚合反應，避免了化學生產高純度單體的必要性。聚合物的后續純化和改性很容易以非常低的成本產生適用于廣泛應用的材料。此外，通過結合一些無機納米填料，例如天然粘土、石墨烯和有近似的高縱橫比的納米顆粒，就可以進一步優化聚合物性能，繼而得到各種神奇的材料。
例如，代爾夫特的科學家已經基于ALE-EPS得到像天然珍珠母(Nacre)那樣的物質。小編學識淺陋，沒寫這篇文章之前，真不知道珍珠母英文叫Nacre，而且是查了維基百科才知道：珍珠母(又名Mother of Pearl) “由軟體動物所產生的有機及無機混合物，做為該動物貝殼的內層物質；它也是構成珍珠表層亮麗的材料，材質非常堅固，但有彈性，且具有多種鮮艷色彩”。
如果你追問這種材料有什么用，別指望從小編這里得到免費答案，畢竟小編只會搬磚。但小編查到的資料顯示，如果通過微生物就能獲得這種兼具硬度和延展性的復合材料，會大大降低生產成本和難度，這會讓那些搞材料的專家看到各種創新的可能性。
除了合成類珍珠母材料，科學家還從將ALE和粘土(clay)結合，生成一種防火材料，而且這種材料看似非常厲害。在VICE的紀錄片里，Mark教授帶主持人去到代爾夫特的實驗室，讓后者親自燒一片加了ALE的片狀物，結果怎么燒都燒不起來。
他們還發過相關的paper，說這種材料的防火性能甚至能夠通過美國聯邦航空條例(FAR)飛機內部阻燃材料阻燃要求。其實用普通的活性污泥提取的ALE也有一定的阻燃效果，但他們的試驗顯示還是遠不及好氧顆粒污泥提取的ALE。
有趣的是，林教授發現ALE還可以和納米纖維素(nanocellulose)結合制作耳環，這還成了林教授的新愛好，下邊的耳環都是她的得意之作。小編認為，幸虧代爾夫特有林教授這樣的女性擔當，讓ALE的應用和浪漫和藝術玩起了跨界，這有助于吸引新聞媒體的關注，反過來讓更多人了解污水創新的魅力。
水皮膚
隨著時間的推移，代爾夫特的團隊對基于ALE的復合材料的認知也逐漸加深。在上邊成果的基礎上，他們開始研究ALE在皮革制品中的應用可能性。
要知道，很多皮革生產商都飽受環保團體的批評和質疑，因為好的皮革需要用動物皮制成，而且生產過程會對環境造成影響。代爾夫特有三個學生創建了一個名為水皮膚(WaterSkins)的團隊，并提出用污水處理的副產物來生產人造皮革，以此作為一種非常環保的替代方案。
去年10月，這個團隊獲得了一個小成就——在歐洲生物基生產聯盟(Biobased Industries Consortium)舉辦的生物基創新學生挑戰賽中，他們入圍了歐洲賽區(BISC-E)的決賽。
他們做出的水皮膚結合了上邊幾種復合材料的優點——既有高強度韌性，又有靈活的延展性，還防火阻燃。
WaterSkins人造皮革的性能展示 | 圖源：WaterSkins
當然大家看到的產品只是一個雛形，WaterSkins的團隊表示還有很多可改良的地方。盡管如此，他們表示這些產品能提高污水處理的盈利潛能，又能減少皮革行業的污染負擔，他們希望他們的小小努力能為全球的清潔水供應做出一點貢獻。
小結
荷蘭團隊之前給這種類藻酸鹽材料取名NEO-Alginaat，意為一種新型的藻酸鹽物質，但后來改名為Kaumera。“Kaumera”一詞源自新西蘭毛利語，意為“變色龍”。看完這篇文章，大家應該能否理解為啥取這名字了吧？是不是沒想到污水處理如今可以和材料化學有這樣的跨界合作？更令人興奮的是，這很可能只是污水廠實現真正意義的資源工廠的開始。
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