Walaupun China mempunyai kapasiti dan pasaran rawatan air sisa terbesar di dunia, dengan kapasiti rawatan harian hampir 200 juta m3/d.
Walau bagaimanapun, berbanding dengan negara perindustrian yang telah melaksanakan pengurusan air sisa secara meluas seabad yang lalu, China hampir tidak mempunyai pengalaman pengurusan air sisa 40 tahun lalu.
Oleh itu, pembangunan teknologi baru muncul adalah sangat penting untuk meningkatkan kapasiti rawatan kumbahan dan kecekapan loji rawatan kumbahan, dan juga membantu mencapai matlamat "karbon dwi".
Denitrifikasi biologi ialah proses yang bergantung kepada mikroorganisma untuk menukar nitrat (NO3–) dan nitrit (NO2–) kepada nitrogen gas. Ia juga merupakan langkah utama dalam rawatan kumbahan dan penting untuk meningkatkan kualiti air.
Dalam loji rawatan kumbahan, denitrifikasi heterotropik adalah kaedah yang paling biasa digunakan. Walau bagaimanapun, kadangkala karbon organik dalam kumbahan tidak mencukupi untuk menyokong denitrifikasi lengkap, dan karbon organik tambahan perlu ditambah untuk mengeluarkan nutrien dengan berkesan.
Ini bukan sahaja akan meningkatkan kos operasi loji rawatan kumbahan sebanyak 3.5–8.5%, tetapi juga meningkatkan pelepasan gas rumah hijau dengan ketara, iaitu kira-kira 50–125 kg pelepasan karbon dioksida bagi setiap penduduk setara setahun.
Sebaliknya, sebagai kaedah biologi mesra alam, denitrifikasi autotrof telah mendapat perhatian yang semakin meningkat dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Kaedah ini biasanya menggunakan sebatian penurun tak organik seperti hidrogen, sebatian penurun sulfur, dan mineral besi sebagai penderma elektron.
Walau bagaimanapun, penderma elektron tak organik ini juga mempunyai kelemahan dan batasan yang jelas, seperti pemalar separuh tepu rendah hidrogen, dan risiko pencemaran metabolit perantaraan yang disebabkan oleh sebatian pengurangan sulfur.
Walaupun kajian telah menunjukkan bahawa kesan denitrifikasi autotrof boleh diperbaiki melalui proses bioelektrokimia, iaitu melalui proses denitrifikasi bioelektrokimia.
Walau bagaimanapun, disebabkan oleh konfigurasi reaktor yang kompleks dan langkah sintesis penggunaan tenaga yang tinggi bagi bahan bioelektrod, promosi berskala besar dan penggunaan kaedah di atas adalah terhad.
Oleh itu, bagaimana untuk mengoptimumkan proses denitrifikasi loji rawatan kumbahan dan meningkatkan kecekapan operasi loji rawatan kumbahan sentiasa menjadi kesukaran yang dihadapi oleh lapangan.
Dilaporkan bahawa pasukan Zhou Shungui telah terlibat dalam penyelidikan mengenai elektrokimia mikrob dan pemindahan elektron ekstrasel mikrob untuk masa yang lama. Pasukan penyelidik mendapati dalam penyelidikan bertahun-tahun bahawa elektron memainkan peranan penting dalam pemerolehan tenaga dan metabolisme mikroorganisma.
Maksudnya, mikroorganisma perlu mendapatkan tenaga dan mengekalkan aktiviti kehidupan melalui satu siri tindak balas redoks, iaitu melalui tindak balas pemindahan elektron.
Oleh itu, walaupun tenaga mekanikal adalah bentuk tenaga yang paling biasa dalam alam semula jadi, ia akan menjejaskan metabolisme mikrob, jadi ia juga berkemungkinan memerlukan elektron sebagai jambatan.
Untuk membuktikan kesan tenaga mekanikal ke atas metabolisme mikrob, perlu terlebih dahulu meneroka sama ada tenaga mekanikal boleh menjejaskan penjanaan elektron. Oleh itu, Zhou Shungui dan pasukannya mula memberi perhatian kepada kesan piezoelektrik yang disebabkan secara mekanikal.
Maklumat yang mereka rujuk menjadikan mereka lebih digalakkan. Ternyata seawal tahun 1880, saintis Perancis "Curie brothers" Pierre Curie dan Jacques Curie mula-mula menemui "kesan piezoelektrik" dalam kristal kuarza, iaitu kuarza akan menghasilkan cas elektrik apabila dikenakan tekanan mekanikal.
Pada tahun 1917, saintis Perancis Paul Langevin juga menggunakan kesan piezoelektrik kristal kuarza untuk mencipta sonar aktif pertama di dunia (Langevin sonar), dan berjaya menempatkan kapal berdasarkan "echolocation".
Ini bermakna bahawa caj ini mungkin boleh bertindak sebagai daya pengurangan ekstraselular mikroorganisma untuk memacu metabolisme mikrob. Walau bagaimanapun, sejak penemuan kesan piezoelektrik, tiada siapa yang pernah mengesahkan kemungkinan ini.
"Ini membuatkan kami teruja tetapi juga sedikit gugup, selepas semua, hasil penyelidikan sedia ada menunjukkan bahawa tenaga mekanikal boleh menyebabkan pecah fizikal dan pembubaran sel. Oleh itu, kami memerlukan bukti muktamad untuk mengesahkan kaedah novel ini." Zhou Shungui berkata.
Selepas banyak kajian literatur, mereka mendapati bahawa struvite adalah bahan piezoelektrik yang sangat baik dan sangat biasa dalam rawatan air sisa.
Jadi, bolehkah struvite digabungkan dengan mikroorganisma seperti bakteria denitrifikasi untuk meningkatkan prestasi denitrifikasi air sisa?
Lagipun, penggunaan tenaga menyumbang {{0}}% daripada kos operasi loji rawatan kumbahan tradisional, yang bersamaan dengan 0.3-2.1 kWj setiap meter padu kumbahan dirawat.
Penggunaan tenaga ini biasanya datang daripada pengudaraan atau kacau peralatan motor, jadi ia selalunya tidak digunakan sepenuhnya.
Dengan sikap cuba-cuba, mereka mereka bentuk eksperimen denitrifikasi biologi pemangkin piezoelektrik. Menggunakan ion ammonium, fosfat dan magnesium yang sedia ada secara meluas dalam air buangan, satu lapisan "perisai" struvite telah disintesis secara in situ pada permukaan mikroorganisma yang menyahnitrifikasi.
Eksperimen seterusnya membuktikan bahawa dalam proses kacau mekanikal yang gelap dan frekuensi rendah, lapisan "perisai" ini boleh terus menyediakan elektron untuk mikroorganisma, dengan itu memacu proses denitrifikasi.
Pada masa yang sama, berbanding dengan proses denitrifikasi biologi tradisional, kaedah ini berbeza dengan ketara.
Tidak seperti proses seperti fotocatalysis, ia tidak memerlukan reagen kimia korban tradisional, tetapi menggunakan air sebagai "reagen lubang piezoelektrik".
Selain itu, mendakan struvit yang dihasilkan boleh digunakan sebagai baja fosfat dan baja nitrogen untuk mencapai matlamat mengurangkan pelepasan dan meningkatkan kecekapan.
Malah, pada permulaan penyelidikan, pasukan penyelidik menggunakan ayunan sebagai sumber daya mekanikal dan berulang kali mengoptimumkan keadaan dan parameter eksperimen, tetapi kesannya masih tidak memuaskan, dan ahli pasukan pernah kehilangan keyakinan.
Tiba-tiba pada suatu hari, mereka melihat pengacau magnet di atas meja makmal melarutkan botol ubat itu dalam sekelip mata dan menghasilkan pusaran segi tiga yang jernih.
Penemuan ini memberi mereka idea: Bolehkah pengacau magnet digunakan untuk menjana daya mekanikal yang lebih kuat?
Ternyata tekaan mereka betul. Daya mekanikal berayun terlalu lemah, itulah sebab mengapa eksperimen sebelumnya tidak berfungsi dengan baik. Selepas menggunakan pengacau magnet, kemajuan penyelidikan mula menjadi lancar.
Kertas kerja yang berkaitan telah diterbitkan dalam Nature Water dengan tajuk "Denitrifikasi air sisa yang didorong oleh tenaga mekanikal melalui pemekaan piezo selular".
Jie Ye dan Ren Guoping ialah pengarang pertama bersama, dan Zhou Shungui ialah pengarang yang sepadan.