على الرغم من أن الصين تمتلك أكبر قدرة وسوق لمعالجة مياه الصرف الصحي في العالم، حيث تبلغ قدرة المعالجة اليومية ما يقرب من 200 مليون متر مكعب في اليوم.
ومع ذلك، مقارنة بالدول الصناعية التي طبقت إدارة مياه الصرف الصحي على نطاق واسع قبل قرن من الزمان، لم يكن لدى الصين أي خبرة تقريبًا في إدارة مياه الصرف الصحي قبل 40 عامًا.
ولذلك، فإن تطوير التقنيات الناشئة له أهمية كبيرة في تحسين قدرة معالجة مياه الصرف الصحي وكفاءة محطات معالجة مياه الصرف الصحي، ويساعد أيضًا في تحقيق أهداف "الكربون المزدوج".
نزع النتروجين البيولوجي هو عملية تعتمد على الكائنات الحية الدقيقة لتحويل النترات (NO3–) والنتريت (NO2–) إلى نيتروجين غازي. إنها أيضًا خطوة أساسية في معالجة مياه الصرف الصحي وهي ضرورية لتحسين جودة المياه.
في محطات معالجة مياه الصرف الصحي، تعد عملية نزع النتروجين غير المتجانسة هي الطريقة الأكثر استخدامًا. ومع ذلك، في بعض الأحيان لا يكون الكربون العضوي الموجود في مياه الصرف الصحي كافيًا لدعم عملية إزالة النتروجين الكاملة، ويجب إضافة الكربون العضوي الإضافي لإزالة العناصر الغذائية بشكل فعال.
ولن يؤدي ذلك إلى زيادة تكاليف تشغيل محطات معالجة مياه الصرف الصحي بنسبة 3.5 إلى 8.5% فحسب، بل سيؤدي أيضًا إلى زيادة كبيرة في انبعاثات غازات الدفيئة، والتي تبلغ حوالي 50 إلى 125 كجم من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون لكل مكافئ سكاني سنويًا.
في المقابل، باعتبارها طريقة بيولوجية صديقة للبيئة، حظيت عملية نزع النتروجين ذاتية التغذية باهتمام متزايد في السنوات الأخيرة. تستخدم هذه الطريقة عادةً مركبات اختزال غير عضوية مثل الهيدروجين، ومركبات اختزال الكبريت، ومعادن الحديد كمتبرعين للإلكترونات.
ومع ذلك، فإن هؤلاء المتبرعين بالإلكترونات غير العضوية لديهم أيضًا عيوب وقيود واضحة، مثل انخفاض ثابت نصف التشبع للهيدروجين، وخطر تلوث المستقلبات الوسيطة الناجمة عن مركبات تقليل الكبريت.
على الرغم من أن الدراسات أظهرت أنه يمكن تحسين تأثير نزع النتروجين الذاتي التغذية من خلال العمليات الكهروكيميائية الحيوية، أي من خلال عمليات نزع النتروجين الكهروكيميائية الحيوية.
ومع ذلك، نظرًا لتكوين المفاعل المعقد وخطوات التوليف عالية استهلاك الطاقة لمواد الإلكترود الحيوي، فإن الترويج وتطبيق الأساليب المذكورة أعلاه على نطاق واسع محدود.
ولذلك، فإن كيفية تحسين عملية إزالة النتروجين من محطات معالجة مياه الصرف الصحي وتحسين كفاءة تشغيل محطات معالجة مياه الصرف الصحي كانت دائمًا صعوبة يواجهها هذا المجال.
يُذكر أن فريق Zhou Shungui شارك في الأبحاث حول الكيمياء الكهربائية الميكروبية ونقل الإلكترون الميكروبي خارج الخلية لفترة طويلة. وجد فريق البحث خلال سنوات عديدة من البحث أن الإلكترونات تلعب دورًا رئيسيًا في اكتساب الطاقة والتمثيل الغذائي للكائنات الحية الدقيقة.
وهذا يعني أن الكائنات الحية الدقيقة تحتاج إلى الحصول على الطاقة والحفاظ على أنشطة الحياة من خلال سلسلة من تفاعلات الأكسدة والاختزال، أي من خلال تفاعلات نقل الإلكترون.
لذلك، على الرغم من أن الطاقة الميكانيكية هي الشكل الأكثر شيوعًا للطاقة في الطبيعة، إلا أنها ستؤثر على التمثيل الغذائي الميكروبي، لذلك من المحتمل أيضًا أن تحتاج إلى الإلكترونات كجسر.
من أجل إثبات تأثير الطاقة الميكانيكية على التمثيل الغذائي الميكروبي، فمن الضروري أولا استكشاف ما إذا كانت الطاقة الميكانيكية يمكن أن تؤثر على توليد الإلكترونات. لذلك، بدأ Zhou Shungui وفريقه في الاهتمام بالتأثير الكهرضغطي المستحث ميكانيكيًا.
المعلومات التي استشاروها جعلتهم أكثر تشجيعًا. اتضح أنه في وقت مبكر من عام 1880، اكتشف العلماء الفرنسيون "الأخوة كوري" بيير كوري وجاك كوري لأول مرة "التأثير الكهرضغطي" في بلورات الكوارتز، أي أن الكوارتز سيولد شحنة كهربائية عند تعرضه لضغط ميكانيكي.
في عام 1917، استخدم العالم الفرنسي بول لانجفين أيضًا التأثير الكهرضغطي لبلورات الكوارتز لاختراع أول سونار نشط في العالم (سونار لانجفين)، ونجح في تحديد مواقع السفن استنادًا إلى "تحديد الموقع بالصدى".
وهذا يعني أن هذه الشحنات قد تكون قادرة على العمل كقوى اختزال خارج الخلية للكائنات الحية الدقيقة لدفع عملية التمثيل الغذائي الميكروبي. ومع ذلك، منذ اكتشاف التأثير الكهرضغطي، لم يؤكد أحد هذا الاحتمال على الإطلاق.
"هذا يجعلنا متحمسين ولكن أيضًا متوترين بعض الشيء، فبعد كل شيء، تظهر نتائج الأبحاث الحالية أن الطاقة الميكانيكية قد تسبب تمزقًا فيزيائيًا وانحلال الخلايا. لذلك، نحن بحاجة إلى أدلة قاطعة لتأكيد هذه الطريقة الجديدة." قال تشو شونغي.
وبعد الكثير من مراجعة الأدبيات، وجدوا أن الستروفيت مادة كهرضغطية ممتازة وهي شائعة جدًا في معالجة مياه الصرف الصحي.
لذا، هل يمكن دمج الستروفيت مع الكائنات الحية الدقيقة مثل بكتيريا إزالة النتروجين لتعزيز أداء إزالة النتروجين من مياه الصرف الصحي؟
بعد كل شيء، يمثل استهلاك الطاقة {{0}}% من تكاليف تشغيل محطات معالجة مياه الصرف الصحي التقليدية، وهو ما يعادل 0.3-2.1 كيلووات ساعة لكل متر مكعب من مياه الصرف الصحي المعالجة.
عادةً ما يأتي استهلاك الطاقة هذا من تهوية أو تحريك المعدات الحركية، لذلك غالبًا لا يتم الاستفادة منها بالكامل.
ومن خلال أسلوب التجربة، صمموا تجربة إزالة النتروجين البيولوجية التحفيزية الكهرضغطية. باستخدام أيونات الأمونيوم والفوسفات والمغنيسيوم الموجودة على نطاق واسع في مياه الصرف الصحي، تم تصنيع طبقة من "الدروع" الستروفيتية في الموقع على سطح الكائنات الحية الدقيقة النازعة للنتروجين.
أثبتت التجارب اللاحقة أنه في عملية التحريك الميكانيكي المظلمة ومنخفضة التردد، يمكن لهذه الطبقة من "الدرع" توفير الإلكترونات بشكل مستمر للكائنات الحية الدقيقة، وبالتالي دفع عملية نزع النتروجين.
وفي الوقت نفسه، بالمقارنة مع عملية نزع النتروجين البيولوجية التقليدية، تختلف هذه الطريقة بشكل كبير.
على عكس عمليات مثل التحفيز الضوئي، فإنه لا يتطلب كواشف كيميائية مضحية تقليدية، ولكنه يستخدم الماء باعتباره "كاشف ثقب كهرضغطية".
بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام راسب الستروفيت المنتج كسماد فوسفاتي وأسمدة نيتروجينية لتحقيق هدف تقليل الانبعاثات وزيادة الكفاءة.
في الواقع، في بداية البحث، استخدم فريق البحث التذبذب كمصدر للقوة الميكانيكية وقاموا بشكل متكرر بتحسين الظروف والمعلمات التجريبية، لكن التأثير كان لا يزال غير مرضٍ، وفقد أعضاء الفريق الثقة ذات مرة.
وفجأة، في أحد الأيام، رأوا أن المحرك المغناطيسي الموجود على طاولة المختبر يذيب زجاجة الدواء في لحظة وينتج دوامة مثلثة واضحة تمامًا.
أعطاهم هذا الاكتشاف فكرة: هل يمكن استخدام المحرك المغناطيسي لتوليد قوة ميكانيكية أقوى؟
وتبين أن تخمينهم كان صحيحا. كانت القوة الميكانيكية المتذبذبة ضعيفة للغاية، وهذا هو السبب وراء عدم نجاح التجربة السابقة بشكل جيد. بعد استخدام المحرك المغناطيسي، بدأ التقدم في البحث يصبح سلسًا.
تم نشر الورقة ذات الصلة في مجلة Nature Water بعنوان "إزالة النتروجين من مياه الصرف الصحي مدفوعة بالطاقة الميكانيكية من خلال التحسس الانضغاطي الخلوي".
Jie Ye وRen Guoping هما المؤلفان الأولان المشاركان، وZhou Shungui هو المؤلف المقابل.