Aunque China tiene la mayor capacidad y mercado de tratamiento de aguas residuales del mundo, con una capacidad de tratamiento diaria de casi 200 millones de m3/d.
Sin embargo, en comparación con los países industrializados que implementaron ampliamente la gestión de aguas residuales hace un siglo, China casi no tenía experiencia en gestión de aguas residuales hace 40 años.
Por lo tanto, el desarrollo de tecnologías emergentes es de gran importancia para mejorar la capacidad de tratamiento de aguas residuales y la eficiencia de las plantas de tratamiento de aguas residuales, y también ayuda a lograr los objetivos del "carbono dual".
La desnitrificación biológica es un proceso que depende de microorganismos para convertir nitrato (NO3–) y nitrito (NO2–) en nitrógeno gaseoso. También es un paso clave en el tratamiento de aguas residuales y es crucial para mejorar la calidad del agua.
En las plantas de tratamiento de aguas residuales, la desnitrificación heterótrofa es el método más utilizado. Sin embargo, a veces el carbono orgánico de las aguas residuales no es suficiente para favorecer una desnitrificación completa y es necesario agregar carbono orgánico adicional para eliminar los nutrientes de forma eficaz.
Esto no sólo aumentará los costos operativos de las plantas de tratamiento de aguas residuales entre un 3,5% y un 8,5%, sino que también aumentará significativamente las emisiones de gases de efecto invernadero, que equivalen a entre 50 y 125 kg de emisiones de dióxido de carbono por equivalente de población al año.
Por el contrario, como método biológico ecológico, la desnitrificación autótrofa ha recibido cada vez más atención en los últimos años. Este método suele utilizar compuestos reductores inorgánicos como hidrógeno, compuestos reductores de azufre y minerales de hierro como donadores de electrones.
Sin embargo, estos donadores de electrones inorgánicos también tienen desventajas y limitaciones obvias, como la baja constante de media saturación del hidrógeno y el riesgo de contaminación de los metabolitos intermedios causada por compuestos reductores de azufre.
Aunque los estudios han demostrado que el efecto de la desnitrificación autótrofa se puede mejorar mediante procesos bioelectroquímicos, es decir, mediante procesos de desnitrificación bioelectroquímica.
Sin embargo, debido a la compleja configuración del reactor y los pasos de síntesis de alto consumo de energía de los materiales de bioelectrodos, la promoción y aplicación a gran escala de los métodos anteriores son limitadas.
Por lo tanto, cómo optimizar el proceso de desnitrificación de las plantas de tratamiento de aguas residuales y mejorar la eficiencia operativa de las plantas de tratamiento de aguas residuales siempre ha sido una dificultad que enfrenta el campo.
Se informa que el equipo de Zhou Shungui ha estado involucrado en investigaciones sobre electroquímica microbiana y transferencia de electrones extracelulares microbianos durante mucho tiempo. El equipo de investigación descubrió tras muchos años de investigación que los electrones desempeñan un papel clave en la adquisición de energía y el metabolismo de los microorganismos.
Es decir, los microorganismos necesitan obtener energía y mantener las actividades vitales mediante una serie de reacciones redox, es decir, mediante reacciones de transferencia de electrones.
Por tanto, aunque la energía mecánica es la forma de energía más común en la naturaleza, afectará al metabolismo microbiano, por lo que también es probable que necesite electrones como puente.
Para demostrar el efecto de la energía mecánica sobre el metabolismo microbiano, primero es necesario explorar si la energía mecánica puede afectar la generación de electrones. Por lo tanto, Zhou Shungui y su equipo comenzaron a prestar atención al efecto piezoeléctrico inducido mecánicamente.
La información que consultaron los animó aún más. Resultó que ya en 1880, los científicos franceses "hermanos Curie" Pierre Curie y Jacques Curie descubrieron por primera vez el "efecto piezoeléctrico" en los cristales de cuarzo, es decir, el cuarzo genera carga eléctrica cuando se somete a tensión mecánica.
En 1917, el científico francés Paul Langevin también utilizó el efecto piezoeléctrico de los cristales de cuarzo para inventar el primer sonar activo del mundo (sónar Langevin) y localizó con éxito barcos basándose en la "ecolocalización".
Esto significa que estas cargas pueden actuar como fuerzas reductoras extracelulares de los microorganismos para impulsar el metabolismo microbiano. Sin embargo, desde el descubrimiento del efecto piezoeléctrico, nadie ha confirmado nunca esta posibilidad.
"Esto nos emociona pero también nos pone un poco nerviosos, después de todo, los resultados de las investigaciones existentes muestran que la energía mecánica puede provocar la ruptura física y la disolución de las células. Por lo tanto, necesitamos pruebas concluyentes para confirmar este nuevo método". Dijo Zhou Shungui.
Después de mucha revisión de la literatura, descubrieron que la estruvita es un excelente material piezoeléctrico y es muy común en el tratamiento de aguas residuales.
Entonces, ¿se puede combinar la estruvita con microorganismos como las bacterias desnitrificantes para mejorar el rendimiento de desnitrificación de las aguas residuales?
Al fin y al cabo, el consumo de energía representa el {{0}}% de los costes operativos de las plantas de tratamiento de aguas residuales tradicionales, lo que equivale a 0,3-2.1 kWh por metro cúbico de aguas residuales tratadas.
Estos consumos de energía normalmente provienen de la aireación o agitación de los equipos de motor, por lo que muchas veces no se aprovechan en su totalidad.
Con una actitud de prueba, diseñaron un experimento de desnitrificación biológica catalítica piezoeléctrica. Utilizando los iones de amonio, fosfato y magnesio ampliamente existentes en las aguas residuales, se sintetizó in situ una capa de "armadura" de estruvita sobre la superficie de microorganismos desnitrificantes.
Experimentos posteriores demostraron que en el proceso de agitación mecánica oscura y de baja frecuencia, esta capa de "armadura" puede proporcionar continuamente electrones para los microorganismos, impulsando así el proceso de desnitrificación.
Al mismo tiempo, en comparación con el proceso de desnitrificación biológica tradicional, este método es significativamente diferente.
A diferencia de procesos como la fotocatálisis, no requiere reactivos químicos de sacrificio tradicionales, sino que utiliza agua como "reactivo de agujero piezoeléctrico".
Además, el precipitado de estruvita producido se puede utilizar como fertilizante fosfatado y fertilizante nitrogenado para lograr el objetivo de reducir las emisiones y aumentar la eficiencia.
De hecho, al comienzo de la investigación, el equipo de investigación utilizó la oscilación como fuente de fuerza mecánica y optimizó repetidamente las condiciones y parámetros experimentales, pero el efecto aún fue insatisfactorio y los miembros del equipo una vez perdieron la confianza.
De repente, un día, vieron que el agitador magnético en la mesa del laboratorio disolvió el frasco de medicamento en un instante y produjo un vórtice triangular cristalino.
Este descubrimiento les dio una idea: ¿se puede utilizar el agitador magnético para generar una fuerza mecánica más fuerte?
Resultó que su suposición era correcta. La fuerza mecánica oscilante era demasiado débil, razón por la cual el experimento anterior no funcionó bien. Después de utilizar el agitador magnético, el progreso de la investigación comenzó a ser fluido.
El artículo correspondiente se publicó en Nature Water con el título "Desnitrificación de aguas residuales impulsada por energía mecánica mediante sensibilización piezocelular celular".
Jie Ye y Ren Guoping son coautores y Zhou Shungui es el autor correspondiente.