हालाँकि चीन के पास दुनिया की सबसे बड़ी अपशिष्ट जल उपचार क्षमता और बाज़ार है, जिसकी दैनिक उपचार क्षमता लगभग 200 मिलियन m3/d है।
हालाँकि, उन औद्योगिक देशों की तुलना में, जिन्होंने एक सदी पहले अपशिष्ट जल प्रबंधन को व्यापक रूप से लागू किया था, चीन के पास 40 साल पहले अपशिष्ट जल प्रबंधन का लगभग कोई अनुभव नहीं था।
इसलिए, सीवेज उपचार क्षमता और सीवेज उपचार संयंत्रों की दक्षता में सुधार के लिए उभरती प्रौद्योगिकियों का विकास बहुत महत्वपूर्ण है, और "दोहरे कार्बन" लक्ष्यों को प्राप्त करने में भी मदद करता है।
जैविक विनाइट्रीकरण एक ऐसी प्रक्रिया है जो नाइट्रेट (NO3–) और नाइट्राइट (NO2–) को गैसीय नाइट्रोजन में परिवर्तित करने के लिए सूक्ष्मजीवों पर निर्भर करती है। यह सीवेज उपचार में भी एक महत्वपूर्ण कदम है और पानी की गुणवत्ता में सुधार के लिए महत्वपूर्ण है।
सीवेज उपचार संयंत्रों में, हेटरोट्रॉफिक डिनाइट्रिफिकेशन सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली विधि है। हालाँकि, कभी-कभी सीवेज में कार्बनिक कार्बन पूर्ण विनाइट्रीकरण का समर्थन करने के लिए पर्याप्त नहीं होता है, और पोषक तत्वों को प्रभावी ढंग से हटाने के लिए अतिरिक्त कार्बनिक कार्बन को जोड़ने की आवश्यकता होती है।
इससे न केवल सीवेज उपचार संयंत्रों की परिचालन लागत में 3.5-8.5% की वृद्धि होगी, बल्कि ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन में भी उल्लेखनीय वृद्धि होगी, जो प्रति जनसंख्या प्रति वर्ष लगभग 50-125 किलोग्राम कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन के बराबर है।
इसके विपरीत, एक पर्यावरण-अनुकूल जैविक विधि के रूप में, हाल के वर्षों में ऑटोट्रॉफ़िक डिनाइट्रीकरण पर अधिक ध्यान दिया गया है। यह विधि आमतौर पर इलेक्ट्रॉन दाताओं के रूप में हाइड्रोजन, सल्फर-कम करने वाले यौगिकों और लौह खनिजों जैसे अकार्बनिक कम करने वाले यौगिकों का उपयोग करती है।
हालाँकि, इन अकार्बनिक इलेक्ट्रॉन दाताओं के भी स्पष्ट नुकसान और सीमाएँ हैं, जैसे हाइड्रोजन की कम अर्ध-संतृप्ति स्थिरांक, और सल्फर-कम करने वाले यौगिकों के कारण मध्यवर्ती चयापचयों के प्रदूषण का जोखिम।
हालाँकि अध्ययनों से पता चला है कि ऑटोट्रॉफ़िक डिनाइट्रीकरण के प्रभाव को बायोइलेक्ट्रोकेमिकल प्रक्रियाओं के माध्यम से, यानी बायोइलेक्ट्रोकेमिकल डिनाइट्रीकरण प्रक्रियाओं के माध्यम से सुधार किया जा सकता है।
हालाँकि, जटिल रिएक्टर विन्यास और बायोइलेक्ट्रोड सामग्रियों के उच्च ऊर्जा खपत संश्लेषण चरणों के कारण, उपरोक्त विधियों का बड़े पैमाने पर प्रचार और अनुप्रयोग सीमित है।
इसलिए, सीवेज उपचार संयंत्रों की डिनाइट्रीकरण प्रक्रिया को कैसे अनुकूलित किया जाए और सीवेज उपचार संयंत्रों की परिचालन दक्षता में सुधार कैसे किया जाए, यह हमेशा क्षेत्र के सामने एक कठिनाई रही है।
बताया गया है कि झोउ शुंगुई की टीम लंबे समय से माइक्रोबियल इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री और माइक्रोबियल एक्स्ट्रासेलुलर इलेक्ट्रॉन ट्रांसफर पर शोध में लगी हुई है। शोध दल ने कई वर्षों के शोध में पाया कि इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मजीवों के ऊर्जा अधिग्रहण और चयापचय में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।
कहने का तात्पर्य यह है कि, सूक्ष्मजीवों को रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला, यानी इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण प्रतिक्रियाओं के माध्यम से ऊर्जा प्राप्त करने और जीवन गतिविधियों को बनाए रखने की आवश्यकता होती है।
इसलिए, हालांकि यांत्रिक ऊर्जा प्रकृति में ऊर्जा का सबसे सामान्य रूप है, यह माइक्रोबियल चयापचय को प्रभावित करेगी, इसलिए इसे एक पुल के रूप में इलेक्ट्रॉनों की भी आवश्यकता होने की संभावना है।
माइक्रोबियल चयापचय पर यांत्रिक ऊर्जा के प्रभाव को साबित करने के लिए, पहले यह पता लगाना आवश्यक है कि क्या यांत्रिक ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों की पीढ़ी को प्रभावित कर सकती है। इसलिए, झोउ शुंगुई और उनकी टीम ने यंत्रवत् प्रेरित पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव पर ध्यान देना शुरू किया।
जिस जानकारी से उन्होंने परामर्श लिया उससे वे और भी अधिक प्रोत्साहित हुए। यह पता चला कि 1880 की शुरुआत में, फ्रांसीसी वैज्ञानिक "क्यूरी ब्रदर्स" पियरे क्यूरी और जैक्स क्यूरी ने पहली बार क्वार्ट्ज क्रिस्टल में "पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव" की खोज की थी, यानी, यांत्रिक तनाव के अधीन होने पर क्वार्ट्ज विद्युत चार्ज उत्पन्न करेगा।
1917 में, फ्रांसीसी वैज्ञानिक पॉल लैंग्विन ने दुनिया के पहले सक्रिय सोनार (लैंग्विन सोनार) का आविष्कार करने के लिए क्वार्ट्ज क्रिस्टल के पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव का भी उपयोग किया, और "इकोलोकेशन" के आधार पर जहाजों का सफलतापूर्वक पता लगाया।
इसका मतलब यह है कि ये चार्ज माइक्रोबियल चयापचय को चलाने के लिए सूक्ष्मजीवों की बाह्य कोशिकीय कम करने वाली शक्तियों के रूप में कार्य करने में सक्षम हो सकते हैं। हालाँकि, पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव की खोज के बाद से, किसी ने भी इस संभावना की पुष्टि नहीं की है।
"यह हमें उत्साहित करता है लेकिन थोड़ा परेशान भी करता है, आखिरकार, मौजूदा शोध परिणाम बताते हैं कि यांत्रिक ऊर्जा कोशिकाओं के भौतिक रूप से टूटने और विघटन का कारण बन सकती है। इसलिए, हमें इस नवीन विधि की पुष्टि के लिए निर्णायक सबूत की आवश्यकता है।" झोउ शुंगुई ने कहा।
बहुत सारी साहित्य समीक्षा के बाद, उन्होंने पाया कि स्ट्रुवाइट एक उत्कृष्ट पीज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री है और अपशिष्ट जल उपचार में बहुत आम है।
तो, क्या अपशिष्ट जल के डीनाइट्रीकरण प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए स्ट्रूवाइट को डीनाइट्रीफाइंग बैक्टीरिया जैसे सूक्ष्मजीवों के साथ जोड़ा जा सकता है?
आख़िरकार, पारंपरिक सीवेज उपचार संयंत्रों की परिचालन लागत में ऊर्जा की खपत {0}}% होती है, जो उपचारित सीवेज के प्रति घन मीटर 0.{2}}.1 kWh के बराबर है।
ये ऊर्जा खपत आमतौर पर मोटर उपकरणों के वातन या सरगर्मी से होती है, इसलिए अक्सर इनका पूरी तरह से उपयोग नहीं किया जाता है।
कोशिश करने के रवैये के साथ, उन्होंने एक पीजोइलेक्ट्रिक उत्प्रेरक जैविक विनाइट्रीकरण प्रयोग डिजाइन किया। अपशिष्ट जल में व्यापक रूप से विद्यमान अमोनियम, फॉस्फेट और मैग्नीशियम आयनों का उपयोग करके, डिनाइट्रिफाइंग सूक्ष्मजीवों की सतह पर स्ट्रूवाइट "कवच" की एक परत को संश्लेषित किया गया था।
बाद के प्रयोगों ने साबित कर दिया कि अंधेरे और कम आवृत्ति वाली यांत्रिक सरगर्मी प्रक्रिया में, "कवच" की यह परत सूक्ष्मजीवों के लिए लगातार इलेक्ट्रॉन प्रदान कर सकती है, जिससे डिनाइट्रीकरण प्रक्रिया को गति मिलती है।
साथ ही, पारंपरिक जैविक विनाइट्रीकरण प्रक्रिया की तुलना में यह विधि काफी भिन्न है।
फोटोकैटलिसिस जैसी प्रक्रियाओं के विपरीत, इसमें पारंपरिक बलि रासायनिक अभिकर्मकों की आवश्यकता नहीं होती है, लेकिन पानी का उपयोग "पीजोइलेक्ट्रिक होल अभिकर्मक" के रूप में किया जाता है।
इसके अलावा, उत्पादित स्ट्रुवाइट अवक्षेप का उपयोग उत्सर्जन को कम करने और दक्षता बढ़ाने के लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए फॉस्फेट उर्वरक और नाइट्रोजन उर्वरक के रूप में किया जा सकता है।
वास्तव में, अनुसंधान की शुरुआत में, अनुसंधान टीम ने यांत्रिक बल के स्रोत के रूप में दोलन का उपयोग किया और प्रयोगात्मक स्थितियों और मापदंडों को बार-बार अनुकूलित किया, लेकिन प्रभाव अभी भी असंतोषजनक था, और टीम के सदस्यों ने एक बार आत्मविश्वास खो दिया था।
एक दिन अचानक, उन्होंने देखा कि प्रयोगशाला की मेज पर चुंबकीय स्टिरर ने दवा की बोतल को एक पल में घोल दिया और एक क्रिस्टल स्पष्ट त्रिकोणीय भंवर उत्पन्न किया।
इस खोज ने उन्हें एक विचार दिया: क्या चुंबकीय स्टिरर का उपयोग मजबूत यांत्रिक बल उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है?
पता चला कि उनका अनुमान सही था. दोलन करने वाला यांत्रिक बल बहुत कमजोर था, यही कारण था कि पिछला प्रयोग अच्छा काम नहीं कर सका। चुंबकीय स्टिरर का उपयोग करने के बाद अनुसंधान की प्रगति सुचारू होने लगी।
प्रासंगिक पेपर नेचर वॉटर में "सेलुलर पीजो-सेंसिटाइजेशन के माध्यम से यांत्रिक ऊर्जा द्वारा संचालित अपशिष्ट जल विनाइट्रीकरण" शीर्षक के साथ प्रकाशित किया गया था।
जी ये और रेन गुओपिंग सह-प्रथम लेखक हैं, और झोउ शुंगुई संबंधित लेखक हैं।
