脑洞大！荷兰污水厂可生产防火人造皮革？

在5月份，《水星漫谈》曾介绍过欧盟研究项目“Water Mining”的最新进展。这个项目的重点之一是提取污水中的一种生物聚合物——类藻酸盐物质(Alginate-like exopolysaccharides，简称ALE)。最近几年，荷兰代尔夫特理工大学(TU Delft)的Mark van Loosdrecht的课题组有很大一部分的研究都是围绕ALE展开的。荷兰多个污水处理厂也已开始生产这种物质。

在本期专栏里，小编想浅谈一下这种物质有何特别之处，以及其最新的应用进展。

污水细菌神奇的粘稠物

在谈论ALE前，得先谈谈PHA。

小编在荷兰读书的时候，就听说可从污水中提取聚羟基烷酸酯(polyhydroxyalkanoates，简称PHA)。它可以作为可降解的生物塑料原料，而且污水厂所有的细菌都能合成PHA。大概在十年前，国外的污水研究就忙着探究污水提取PHA能否产业化，但至今都没有看到真正的工程案例。

为什么会这样呢？

小编在此前的专栏里就曾浅谈过个中缘由——《污泥变塑料 | 曾被放弃的技术，荷兰人把它救活了？》。荷兰的水委会在7年前就成立相关中试项目，得到的结论却是“这款产品还不足以上市”。虽然荷兰人没有放弃，并在2020年底组建了新项目(PHA2USE)，继续探究PHA的可行性，但作为旁观者，我们也能看到，目前污水提取PHA还有诸多问题尚未解决，例如下游产能、工艺稳定性等，而市场价格也没有竞争力，毕竟它不是唯一的可降解生物塑料。污水回收PHA的前景短期无法被看好。

话说活性污泥中有两种聚合物受到业界关注，一种就是上述的PHA这类胞内聚合物，而另一种则是胞外聚合物(EPS)。后者被称为微生物学的暗物质，因为学界对它们还没有统一的提取和分析方法。在小编看来，它简直就是天使和恶魔的合体，一方面，EPS是净化污水的生物膜的重要组成，但另一方面，MBR等工艺的膜污染问题也是由于EPS产生的。但随时间推进，大家发现EPS似乎有比PHA更光明的商业前景。

意外的发现

好氧颗粒污泥技术(AGS)是业界的时下热点，大部分工程师关注的也许是其沉降性能等优点，但在TU Delft的科学家们看来，我们对好氧颗粒污泥的认识还只是冰山一角。

为什么小编不直接说是Mark van Loosdrecht教授的团队呢？因为在这个故事里，除了Mark教授，还有很多其他人的贡献，例如与Mark同组的LIN Yuemei副教授，以及化学工程系的Stephen Picken教授。根据Kaumera的官方资料介绍，林教授发现好氧颗粒污泥中的聚合物主要为ALE，而Picken教授则在此基础上，不断探究各种复合材料的应用潜力。

如下图所示，可以看出左边的是絮状污泥，右边的是好氧颗粒污泥；前者的ALE提取率只有5-15%，后者的则高达25%(平均值)。

2016年荷兰人算过一笔账：每克好氧颗粒污泥可提取0.2-0.3克的ALE，每千克ALE的生产成本约0.5-1.5欧元，而当时的藻酸盐市价约为1.0-3.5欧/千克。采用了好氧颗粒污泥的乌特勒支污水厂，处理规模为48万PE，估计每年可提取2000吨的ALE。全球的藻酸盐生产主要来自褐藻(Phaeophyceae)，数据显示藻酸盐的全球年产量约为36000吨。这意味着仅一个荷兰中型污水厂的ALE产能足可顶替5%的藻酸盐全球产量。2016年全球好氧颗粒污泥污水厂数量约20个，这些污水厂合计的ALE年产能就已超过40000吨，这意味着理论上全球的藻酸盐原料生产可由好氧颗粒污泥污水厂替代。当然这么算有“画大饼”嫌疑，但在荷兰水委会看来，即使退一步说ALE的产能没这么高，采用好氧颗粒污泥工艺，起码能减少污泥产量，并且能提高甲烷产量，这个下限是污水厂乐意接受的，这也许才是ALE研究能在荷兰更进一步的原因。这就有了后来Zutphen的ALE回收工厂的落地。

无所 不能的变色龙

经过这么多年的研究，代尔夫特的科学家们发现，这些从好氧颗粒污泥里提取出来的藻酸盐，在和不同原材料结合之后，可展示截然不同的属性，它可做成亲水或者疏水性材料，它可以放大和延伸原有材料的特定属性。

由大自然完成高分子聚合反应，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产生适用于广泛应用的材料。此外，通过结合一些无机纳米填料，例如天然粘土、石墨烯和有近似的高纵横比的纳米颗粒，就可以进一步优化聚合物性能，继而得到各种神奇的材料。

例如，代尔夫特的科学家已经基于ALE-EPS得到像天然珍珠母(Nacre)那样的物质。小编学识浅陋，没写这篇文章之前，真不知道珍珠母英文叫Nacre，而且是查了维基百科才知道：珍珠母(又名Mother of Pearl) “由软体动物所产生的有机及无机混合物，做为该动物贝壳的内层物质；它也是构成珍珠表层亮丽的材料，材质非常坚固，但有弹性，且具有多种鲜艳色彩”。

如果你追问这种材料有什么用，别指望从小编这里得到免费答案，毕竟小编只会搬砖。但小编查到的资料显示，如果通过微生物就能获得这种兼具硬度和延展性的复合材料，会大大降低生产成本和难度，这会让那些搞材料的专家看到各种创新的可能性。

除了合成类珍珠母材料，科学家还从将ALE和粘土(clay)结合，生成一种防火材料，而且这种材料看似非常厉害。在VICE的纪录片里，Mark教授带主持人去到代尔夫特的实验室，让后者亲自烧一片加了ALE的片状物，结果怎么烧都烧不起来。

他们还发过相关的paper，说这种材料的防火性能甚至能够通过美国联邦航空条例(FAR)飞机内部阻燃材料阻燃要求。其实用普通的活性污泥提取的ALE也有一定的阻燃效果，但他们的试验显示还是远不及好氧颗粒污泥提取的ALE。

有趣的是，林教授发现ALE还可以和纳米纤维素(nanocellulose)结合制作耳环，这还成了林教授的新爱好，下边的耳环都是她的得意之作。小编认为，幸亏代尔夫特有林教授这样的女性担当，让ALE的应用和浪漫和艺术玩起了跨界，这有助于吸引新闻媒体的关注，反过来让更多人了解污水创新的魅力。

水皮肤

随着时间的推移，代尔夫特的团队对基于ALE的复合材料的认知也逐渐加深。在上边成果的基础上，他们开始研究ALE在皮革制品中的应用可能性。

要知道，很多皮革生产商都饱受环保团体的批评和质疑，因为好的皮革需要用动物皮制成，而且生产过程会对环境造成影响。代尔夫特有三个学生创建了一个名为水皮肤(WaterSkins)的团队，并提出用污水处理的副产物来生产人造皮革，以此作为一种非常环保的替代方案。

去年10月，这个团队获得了一个小成就——在欧洲生物基生产联盟(Biobased Industries Consortium)举办的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。

他们做出的水皮肤结合了上边几种复合材料的优点——既有高强度韧性，又有灵活的延展性，还防火阻燃。

WaterSkins人造皮革的性能展示 | 图源：WaterSkins

当然大家看到的产品只是一个雏形，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全球的清洁水供应做出一点贡献。

小结

荷兰团队之前给这种类藻酸盐材料取名NEO-Alginaat，意为一种新型的藻酸盐物质，但后来改名为Kaumera。“Kaumera”一词源自新西兰毛利语，意为“变色龙”。看完这篇文章，大家应该能否理解为啥取这名字了吧？是不是没想到污水处理如今可以和材料化学有这样的跨界合作？更令人兴奋的是，这很可能只是污水厂实现真正意义的资源工厂的开始。