Tot i que la Xina té la capacitat i el mercat de tractament d'aigües residuals més grans del món, amb una capacitat de tractament diària de prop de 200 milions de m3/d.
Tanmateix, en comparació amb els països industrialitzats que han implementat àmpliament la gestió de les aigües residuals fa un segle, la Xina gairebé no tenia experiència en la gestió d'aigües residuals fa 40 anys.
Per tant, el desenvolupament de tecnologies emergents és de gran importància per millorar la capacitat de tractament d'aigües residuals i l'eficiència de les plantes de tractament d'aigües residuals, i també ajuda a assolir els objectius de "doble carboni".
La desnitrificació biològica és un procés que es basa en microorganismes per convertir nitrats (NO3–) i nitrits (NO2–) en nitrogen gasós. També és un pas clau en el tractament d'aigües residuals i és crucial per millorar la qualitat de l'aigua.
A les depuradores, la desnitrificació heteròtrofa és el mètode més utilitzat. Tanmateix, de vegades el carboni orgànic de les aigües residuals no és suficient per suportar la desnitrificació completa i cal afegir carboni orgànic addicional per eliminar els nutrients de manera eficaç.
Això no només augmentarà els costos operatius de les plantes de tractament d'aigües residuals en un 3,5-8,5%, sinó que també augmentarà significativament les emissions de gasos d'efecte hivernacle, que són al voltant de 50-125 kg d'emissions de diòxid de carboni per població equivalent a l'any.
En canvi, com a mètode biològic ecològic, la desnitrificació autòtrofa ha rebut una atenció creixent en els últims anys. Aquest mètode normalment utilitza compostos reductors inorgànics com l'hidrogen, compostos reductors de sofre i minerals de ferro com a donants d'electrons.
Tanmateix, aquests donants d'electrons inorgànics també tenen desavantatges i limitacions evidents, com ara la baixa constant de mitja saturació de l'hidrogen i el risc de contaminació de metabòlits intermedis causat per compostos reductors de sofre.
Encara que els estudis han demostrat que l'efecte de la desnitrificació autòtrofa es pot millorar mitjançant processos bioelectroquímics, és a dir, mitjançant processos de desnitrificació bioelectroquímics.
Tanmateix, a causa de la complexa configuració del reactor i dels passos de síntesi d'alt consum d'energia dels materials bioelèctrodes, la promoció i aplicació a gran escala dels mètodes anteriors són limitades.
Per tant, com optimitzar el procés de desnitrificació de les depuradores i millorar l'eficiència operativa de les depuradores sempre ha estat una dificultat amb què s'enfronta el camp.
S'informa que l'equip de Zhou Shungui s'ha dedicat a la investigació sobre l'electroquímica microbiana i la transferència d'electrons extracel·lulars microbians durant molt de temps. L'equip d'investigació va trobar en molts anys d'investigació que els electrons tenen un paper clau en l'adquisició d'energia i el metabolisme dels microorganismes.
És a dir, els microorganismes necessiten obtenir energia i mantenir les activitats vitals mitjançant una sèrie de reaccions redox, és a dir, mitjançant reaccions de transferència d'electrons.
Per tant, tot i que l'energia mecànica és la forma d'energia més comuna a la natura, afectarà el metabolisme microbià, de manera que també és probable que necessiti electrons com a pont.
Per tal de demostrar l'efecte de l'energia mecànica en el metabolisme microbià, primer cal explorar si l'energia mecànica pot afectar la generació d'electrons. Per tant, Zhou Shungui i el seu equip van començar a prestar atenció a l'efecte piezoelèctric induït mecànicament.
La informació que consultaven els va animar encara més. Va resultar que ja l'any 1880, els científics francesos "germans Curie" Pierre Curie i Jacques Curie van descobrir per primera vegada l'"efecte piezoelèctric" en els cristalls de quars, és a dir, el quars generarà càrrega elèctrica quan està sotmès a una tensió mecànica.
El 1917, el científic francès Paul Langevin també va utilitzar l'efecte piezoelèctric dels cristalls de quars per inventar el primer sonar actiu del món (sonar Langevin) i va localitzar amb èxit vaixells basats en l'"ecolocalització".
Això significa que aquestes càrregues poden actuar com a forces reductores extracel·lulars dels microorganismes per impulsar el metabolisme microbià. Tanmateix, des del descobriment de l'efecte piezoelèctric, ningú no ha confirmat mai aquesta possibilitat.
"Això ens fa emocionar però també una mica nerviosos, després de tot, els resultats de la investigació existent mostren que l'energia mecànica pot provocar la ruptura física i la dissolució de les cèl·lules. Per tant, necessitem proves concloents per confirmar aquest nou mètode". va dir Zhou Shungui.
Després d'una gran revisió de la literatura, van trobar que l'estruvita és un material piezoelèctric excel·lent i és molt comú en el tractament d'aigües residuals.
Per tant, es pot combinar l'estruvita amb microorganismes com ara bacteris desnitrificants per millorar el rendiment de desnitrificació de les aigües residuals?
Al cap i a la fi, el consum d'energia representa el {{0}}% dels costos operatius de les depuradores tradicionals, que equival a 0,3-2,1 kWh per metre cúbic d'aigües residuals tractades.
Aquest consum d'energia normalment prové de l'aireació o agitació dels equips de motor, de manera que sovint no s'aprofiten del tot.
Amb una actitud de provar-ho, van dissenyar un experiment de desnitrificació biològica catalítica piezoelèctrica. Utilitzant els ions d'amoni, fosfat i magnesi àmpliament existents a les aigües residuals, es va sintetitzar in situ una capa d'"armadura" d'estruvita a la superfície dels microorganismes desnitrificants.
Els experiments posteriors van demostrar que en el procés d'agitació mecànica fosca i de baixa freqüència, aquesta capa d'"armadura" pot proporcionar contínuament electrons per als microorganismes, impulsant així el procés de desnitrificació.
Al mateix temps, en comparació amb el procés de desnitrificació biològica tradicional, aquest mètode és significativament diferent.
A diferència de processos com la fotocatàlisi, no requereix reactius químics sacrificials tradicionals, sinó que utilitza aigua com a "reactiu de forat piezoelèctric".
A més, el precipitat d'estruvita produït es pot utilitzar com a fertilitzant de fosfat i fertilitzant nitrogenat per aconseguir l'objectiu de reduir les emissions i augmentar l'eficiència.
De fet, al començament de la investigació, l'equip d'investigació va utilitzar l'oscil·lació com a font de força mecànica i va optimitzar repetidament les condicions i els paràmetres experimentals, però l'efecte encara era insatisfactori i els membres de l'equip van perdre una vegada la confiança.
De sobte, un dia, van veure que l'agitador magnètic de la taula del laboratori va dissoldre l'ampolla del medicament en un instant i va produir un vòrtex triangular transparent.
Aquest descobriment els va donar una idea: es pot utilitzar l'agitador magnètic per generar una força mecànica més forta?
Va resultar que la seva conjectura era correcta. La força mecànica oscil·lant era massa feble, motiu pel qual l'experiment anterior no va funcionar bé. Després d'utilitzar l'agitador magnètic, el progrés de la investigació va començar a ser suau.
El document rellevant es va publicar a Nature Water amb el títol "Desnitrificació d'aigües residuals impulsada per energia mecànica a través de la piezosensibilització cel·lular".
Jie Ye i Ren Guoping són els primers autors, i Zhou Shungui és l'autor corresponent.