Nors Kinija turi didžiausius pasaulyje nuotekų valymo pajėgumus ir rinką, kurios kasdienis valymo pajėgumas siekia beveik 200 mln. m3/d.
Tačiau, palyginti su pramoninėmis šalimis, kurios prieš šimtmetį plačiai diegė nuotekų tvarkymą, Kinija prieš 40 metų beveik neturėjo nuotekų tvarkymo patirties.
Todėl naujų technologijų plėtra turi didelę reikšmę gerinant nuotekų valymo pajėgumus ir nuotekų valymo įrenginių efektyvumą, taip pat padeda siekti „dvigubos anglies“ tikslų.
Biologinė denitrifikacija yra procesas, kurio metu mikroorganizmai nitratus (NO3–) ir nitritus (NO2–) paverčia dujiniu azotu. Tai taip pat yra pagrindinis nuotekų valymo žingsnis ir labai svarbus gerinant vandens kokybę.
Nuotekų valymo įrenginiuose dažniausiai naudojamas heterotrofinis denitrifikacijos būdas. Tačiau kartais nuotekose esančios organinės anglies nepakanka visiškam denitrifikavimui palaikyti, o norint efektyviai pašalinti maistines medžiagas, reikia pridėti papildomos organinės anglies.
Tai ne tik padidins nuotekų valymo įrenginių eksploatavimo kaštus 3,5–8,5 proc., bet ir ženkliai padidins šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisiją, o tai yra apie 50–125 kg anglies dvideginio išmetimo vienam gyventojų ekvivalentui per metus.
Priešingai, kaip ekologiškas biologinis metodas, autotrofinė denitrifikacija pastaraisiais metais sulaukė vis didesnio dėmesio. Šis metodas paprastai naudoja neorganinius redukuojančius junginius, tokius kaip vandenilis, sieros kiekį redukuojantys junginiai ir geležies mineralai kaip elektronų donorai.
Tačiau šie neorganiniai elektronų donorai taip pat turi akivaizdžių trūkumų ir apribojimų, pavyzdžiui, mažą vandenilio pusinio soties konstantą ir tarpinių metabolitų užteršimo riziką, kurią sukelia sieros kiekį mažinantys junginiai.
Nors tyrimai parodė, kad autotrofinės denitrifikacijos poveikį galima pagerinti bioelektrocheminiais procesais, ty bioelektrocheminiais denitrifikacijos procesais.
Tačiau dėl sudėtingos reaktoriaus konfigūracijos ir didelio energijos suvartojimo bioelektrodų medžiagų sintezės etapų, plataus masto minėtų metodų propagavimas ir taikymas yra ribotas.
Todėl, kaip optimizuoti nuotekų valymo įrenginių denitrifikacijos procesą ir pagerinti nuotekų valymo įrenginių veiklos efektyvumą, visada buvo sunku laukti.
Pranešama, kad Zhou Shungui komanda ilgą laiką užsiima mikrobų elektrochemijos ir mikrobų tarpląstelinio elektronų perdavimo tyrimais. Daugelį metų trukusių tyrimų metu mokslininkų grupė nustatė, kad elektronai vaidina pagrindinį vaidmenį mikroorganizmų energijos gavimo ir metabolizmo procese.
Tai reiškia, kad mikroorganizmai turi gauti energijos ir palaikyti gyvybinę veiklą per daugybę redokso reakcijų, ty per elektronų perdavimo reakcijas.
Todėl, nors mechaninė energija yra labiausiai paplitusi energijos forma gamtoje, ji paveiks mikrobų metabolizmą, todėl greičiausiai jai taip pat reikės elektronų kaip tilto.
Norint įrodyti mechaninės energijos poveikį mikrobų metabolizmui, pirmiausia reikia ištirti, ar mechaninė energija gali turėti įtakos elektronų susidarymui. Todėl Zhou Shungui ir jo komanda pradėjo kreipti dėmesį į mechaniškai sukeltą pjezoelektrinį efektą.
Informacija, su kuria jie susipažino, juos dar labiau paskatino. Paaiškėjo, kad dar 1880 metais prancūzų mokslininkai „Broliai Curie“ Pierre'as Curie ir Jacques'as Curie pirmą kartą atrado „pjezoelektrinį efektą“ kvarco kristaluose, tai yra, kvarcas generuos elektros krūvį, kai bus veikiamas mechaninio įtempimo.
1917 m. prancūzų mokslininkas Paulas Langevinas taip pat panaudojo pjezoelektrinį kvarco kristalų efektą, kad išrastų pirmąjį pasaulyje aktyvųjį sonarą (Langevin sonarą) ir sėkmingai „echolokacijos“ pagrindu nustatė laivų vietą.
Tai reiškia, kad šie krūviai gali veikti kaip tarpląstelinės mikroorganizmų mažinimo jėgos, skatinančios mikrobų metabolizmą. Tačiau nuo pjezoelektrinio efekto atradimo niekas niekada nepatvirtino šios galimybės.
"Tai mus jaudina, bet ir šiek tiek nervina, juk esami tyrimų rezultatai rodo, kad mechaninė energija gali sukelti fizinį ląstelių plyšimą ir tirpimą. Todėl mums reikia įtikinamų įrodymų, patvirtinančių šį naują metodą." Zhou Shungui sakė.
Po daugybės literatūros apžvalgų jie nustatė, kad struvitas yra puiki pjezoelektrinė medžiaga ir labai paplitusi nuotekų valymui.
Taigi, ar struvitas gali būti derinamas su mikroorganizmais, tokiais kaip denitrifikuojančios bakterijos, siekiant pagerinti nuotekų denitrifikaciją?
Juk energijos sąnaudos sudaro {{0}}% tradicinių nuotekų valymo įrenginių eksploatavimo kaštų, o tai prilygsta 0.3-2.1 kWh už kubinį metrą išvalytų nuotekų.
Šios energijos sąnaudos dažniausiai gaunamos vėdinant arba maišant variklio įrangą, todėl jos dažnai nėra visiškai išnaudojamos.
Laikydami pamėginamąjį požiūrį, jie sukūrė pjezoelektrinio katalizinio biologinio denitrifikacijos eksperimentą. Naudojant nuotekose plačiai esančius amonio, fosfato ir magnio jonus, denitrifikuojančių mikroorganizmų paviršiuje in situ buvo susintetintas struvitinio „šarvo“ sluoksnis.
Vėlesni eksperimentai įrodė, kad tamsaus ir žemo dažnio mechaninio maišymo procese šis „šarvo“ sluoksnis gali nuolat teikti elektronus mikroorganizmams, taip paskatindamas denitrifikacijos procesą.
Tuo pačiu metu, palyginti su tradiciniu biologiniu denitrifikacijos procesu, šis metodas labai skiriasi.
Skirtingai nuo procesų, tokių kaip fotokatalizė, jai nereikia tradicinių cheminių reagentų, o naudojamas vanduo kaip „pjezoelektrinis skylių reagentas“.
Be to, susidariusios struvito nuosėdos gali būti naudojamos kaip fosfatinės ir azoto trąšos, siekiant sumažinti išmetamų teršalų kiekį ir padidinti efektyvumą.
Tiesą sakant, tyrimo pradžioje tyrėjų komanda naudojo virpesius kaip mechaninės jėgos šaltinį ir ne kartą optimizavo eksperimento sąlygas bei parametrus, tačiau poveikis vis tiek buvo nepatenkinamas, o komandos nariai kartą prarado pasitikėjimą.
Staiga vieną dieną jie pamatė, kad ant laboratorinio stalo esanti magnetinė maišyklė akimirksniu ištirpdė vaistų buteliuką ir sukuria krištolo skaidrumo trikampį sūkurį.
Šis atradimas suteikė jiems idėją: ar magnetinė maišyklė gali būti naudojama stipresnei mechaninei jėgai generuoti?
Paaiškėjo, kad jų spėjimas buvo teisingas. Virpesių mechaninė jėga buvo per silpna, todėl ankstesnis eksperimentas neveikė gerai. Panaudojus magnetinę maišyklę, tyrimų eiga tapo sklandesnė.
Atitinkamas dokumentas buvo paskelbtas Nature Water pavadinimu „Nuotekų denitrifikacija, kurią sukelia mechaninė energija per ląstelių pjezosensibilizaciją“.
Jie Ye ir Ren Guoping yra pirmieji autoriai, o Zhou Shungui yra atitinkamas autorius.