למרות שלסין יש את יכולת הטיפול והשוק הגדולים בעולם לטיפול בשפכים, עם יכולת טיפול יומית של כמעט 200 מיליון מ"ק/ד'.
עם זאת, בהשוואה למדינות מתועשות שיישמו באופן נרחב ניהול שפכים לפני מאה שנה, לסין לא היה כמעט ניסיון בניהול שפכים לפני 40 שנה.
לפיכך, לפיתוח הטכנולוגיות המתפתחות יש משמעות רבה לשיפור יכולת הטיפול בשפכים ויעילותם של מכוני טיהור שפכים, וכן מסייעת בהשגת יעדי "הפחמן הכפול".
דניטריפיקציה ביולוגית היא תהליך המסתמך על מיקרואורגניזמים להמרת חנקה (NO3–) וניטריט (NO2–) לחנקן גזי. זהו גם שלב מרכזי בטיפול בשפכים והוא חיוני לשיפור איכות המים.
במפעלי טיהור שפכים, דניטריפיקציה הטרוטרופית היא השיטה הנפוצה ביותר. עם זאת, לפעמים הפחמן האורגני בשפכים אינו מספיק כדי לתמוך בדניטריפיקציה מלאה, ויש להוסיף פחמן אורגני נוסף כדי להסיר ביעילות חומרים מזינים.
הדבר לא רק יגדיל את עלויות התפעול של מכוני טיהור שפכים ב-3.5–8.5%, אלא גם יגדיל משמעותית את פליטת גזי החממה, שהם כ-50–125 ק"ג פליטת פחמן דו חמצני לכל שווה ערך לאוכלוסייה בשנה.
לעומת זאת, כשיטה ביולוגית ידידותית לסביבה, דניטריפיקציה אוטוטרופית זוכה לתשומת לב גוברת בשנים האחרונות. שיטה זו משתמשת בדרך כלל בתרכובות מפחיתות אנאורגניות כגון מימן, תרכובות מפחיתות גופרית ומינרלים של ברזל כתורמי אלקטרונים.
עם זאת, לתורמי האלקטרונים האנאורגניים הללו יש גם חסרונות ומגבלות ברורים, כגון קבוע חצי הרוויה הנמוך של מימן, והסיכון לזיהום של מטבוליטים ביניים הנגרמים על ידי תרכובות מפחיתות גופרית.
למרות שמחקרים הראו שניתן לשפר את ההשפעה של דניטריפיקציה אוטוטרופית באמצעות תהליכים ביו-אלקטרוכימיים, כלומר באמצעות תהליכי דניטריפיקציה ביו-אלקטרוכימית.
עם זאת, בשל תצורת הכור המורכבת ושלבי הסינתזה הגבוהה של צריכת אנרגיה של חומרי ביואלקטרודה, הקידום והיישום בקנה מידה גדול של השיטות הנ"ל מוגבלים.
לכן, איך לייעל את תהליך הדניטריפיקציה של מכוני טיהור שפכים ולשפר את יעילות התפעול של מכוני טיהור שפכים תמיד היה קושי שעמד בפני השטח.
דווח כי הצוות של Zhou Shungui עוסק במחקר על אלקטרוכימיה מיקרוביאלית והעברת אלקטרונים חוץ-תאיים מיקרוביאלית במשך זמן רב. צוות המחקר מצא במחקרים רבים שלאלקטרונים תפקיד מפתח ברכישת האנרגיה ובחילוף החומרים של מיקרואורגניזמים.
כלומר, מיקרואורגניזמים צריכים להשיג אנרגיה ולשמור על פעילויות חיים באמצעות סדרה של תגובות חיזור, כלומר באמצעות תגובות העברת אלקטרונים.
לכן, למרות שאנרגיה מכנית היא צורת האנרגיה הנפוצה ביותר בטבע, היא תשפיע על חילוף החומרים המיקרוביאלי, ולכן סביר להניח שהיא גם זקוקה לאלקטרונים כגשר.
על מנת להוכיח את ההשפעה של אנרגיה מכנית על חילוף החומרים של חיידקים, יש צורך קודם כל לחקור האם אנרגיה מכנית יכולה להשפיע על יצירת אלקטרונים. לכן, Zhou Shungui וצוותו החלו לשים לב לאפקט הפיאזואלקטרי המושרה מכנית.
המידע שהם התייעצו גרם להם לעידוד עוד יותר. התברר שכבר בשנת 1880 גילו לראשונה המדענים הצרפתים "האחים קירי" פייר קירי וז'אק קירי את "האפקט הפייזואלקטרי" בגבישי קוורץ, כלומר, קוורץ יפיק מטען חשמלי כשהוא נתון ללחץ מכני.
בשנת 1917, המדען הצרפתי פול לנגווין השתמש גם באפקט הפייזואלקטרי של גבישי קוורץ כדי להמציא את הסונאר הפעיל הראשון בעולם (סונאר לנגווין), ואיתר בהצלחה ספינות על סמך "הד".
משמעות הדבר היא שמטענים אלה עשויים להיות מסוגלים לפעול ככוחות מפחיתים חוץ-תאיים של מיקרואורגניזמים כדי להניע את חילוף החומרים המיקרוביאליים. עם זאת, מאז גילוי האפקט הפיאזואלקטרי, איש מעולם לא אישר אפשרות זו.
"זה גורם לנו להתרגש אבל גם קצת עצבני, אחרי הכל, תוצאות מחקר קיימות מראות שאנרגיה מכנית עלולה לגרום לקרע פיזי והתמוססות של תאים. לכן, אנחנו צריכים ראיות חותכות כדי לאשר את השיטה החדשנית הזו". אמר ג'ואו שונגוי.
לאחר סקירת ספרות רבה, הם גילו שסטרווויט הוא חומר פיזואלקטרי מצוין והוא נפוץ מאוד בטיפול בשפכים.
אז, האם ניתן לשלב את הסטרווויט עם מיקרואורגניזמים כגון חיידקים מדניטרים כדי לשפר את ביצועי הדניטריפיקציה של שפכים?
אחרי הכל, צריכת האנרגיה מהווה {{0}}% מעלות התפעול של מכוני טיהור שפכים מסורתיים, השווה ל-0.3-2.1 קוט"ש למטר מעוקב של שפכים שטופלו.
צריכת אנרגיה זו מגיעה בדרך כלל מאוורור או ערבוב של ציוד מנוע, כך שלעתים קרובות הם אינם מנוצלים במלואם.
עם גישה של ניסיון, הם תכננו ניסוי דניטריפיקציה ביולוגי קטליטי פיזואלקטרי. באמצעות יוני האמוניום, הפוספט והמגנזיום הקיימים במי שפכים, סונתזה במקום שכבה של "שריון" של סטרוביט על פני השטח של מיקרואורגניזמים מדניטרים.
ניסויים שלאחר מכן הוכיחו שבתהליך ערבוב מכני בחושך ובתדר נמוך, שכבת "שריון" זו יכולה לספק ברציפות אלקטרונים למיקרואורגניזמים, ובכך להניע את תהליך הדניטריפיקציה.
יחד עם זאת, בהשוואה לתהליך הדניטריפיקציה הביולוגי המסורתי, שיטה זו שונה באופן משמעותי.
שלא כמו תהליכים כמו פוטו-קטליזה, הוא אינו דורש ריאגנטים כימיים קורבן מסורתיים, אלא משתמש במים כ"ריאגנט חור פיזואלקטרי".
בנוסף, ניתן להשתמש במשקע הסטרוביט המיוצר כדשן פוספט ודשן חנקן כדי להשיג את המטרה של הפחתת פליטות והגברת היעילות.
למעשה, בתחילת המחקר, צוות המחקר השתמש בתנודה כמקור לכוח מכני וביצע שוב ושוב את התנאים והפרמטרים הניסויים, אך ההשפעה עדיין לא הייתה מספקת, וחברי הצוות איבדו פעם אמון.
לפתע יום אחד, הם ראו שהבוחש המגנטי על שולחן המעבדה ממיס את בקבוק התרופה ברגע ומייצר מערבולת משולשת צלולה.
תגלית זו נתנה להם רעיון: האם ניתן להשתמש במערבל המגנטי כדי ליצור כוח מכני חזק יותר?
התברר שהניחוש שלהם היה נכון. הכוח המכני המתנודד היה חלש מדי, וזו הייתה הסיבה לכך שהניסוי הקודם לא עבד טוב. לאחר השימוש במערבל המגנטי, התקדמות המחקר החלה להיות חלקה.
המאמר הרלוונטי פורסם ב-Nature Water עם הכותרת "דניטריפיקציה של שפכים המונעת על ידי אנרגיה מכנית באמצעות רגישות פיזו סלולרית".
ג'י יה ורן גופינג הם מחברים ראשונים, וז'ו שונגוי הוא המחבר המקביל.