중국은 일일 처리 용량이 거의 2억m3/d에 달해 세계 최대의 폐수 처리 용량과 시장을 보유하고 있습니다.
그러나 100년 전에 폐수 관리를 광범위하게 시행한 산업화된 국가에 비해 중국은 40년 전에는 폐수 관리 경험이 거의 없었습니다.
따라서 최신 기술의 개발은 하수 처리 능력과 하수 처리장의 효율성을 향상시키는 데 큰 의미가 있으며 "이중 탄소" 목표를 달성하는 데도 도움이 됩니다.
생물학적 탈질은 미생물을 이용해 질산염(NO3-)과 아질산염(NO2-)을 기체 질소로 전환시키는 과정입니다. 이는 또한 하수 처리의 핵심 단계이며 수질을 개선하는 데 중요합니다.
하수처리장에서는 종속영양탈질화가 가장 일반적으로 사용되는 방법이다. 그러나 때로는 하수 중의 유기탄소가 완전한 탈질을 뒷받침하기에 충분하지 않을 수 있으며, 영양분을 효과적으로 제거하려면 추가적인 유기탄소를 첨가해야 합니다.
이로 인해 하수처리장의 운영 비용이 3.5~8.5% 증가할 뿐만 아니라 온실가스 배출량도 크게 증가합니다. 이는 연간 인구 당 이산화탄소 배출량이 약 50~125kg입니다.
이에 비해 최근에는 친환경적인 생물학적 방법으로 독립영양탈질화가 주목을 받고 있다. 이 방법은 일반적으로 수소, 황 환원 화합물, 철 광물과 같은 무기 환원 화합물을 전자 공여체로 사용합니다.
그러나 이러한 무기 전자 공여체에는 수소의 낮은 반포화 상수, 황 환원 화합물로 인한 중간 대사 산물의 오염 위험 등 명백한 단점과 한계도 있습니다.
연구에 따르면 독립 영양 탈질 효과는 생체 전기 화학적 과정, 즉 생체 전기 화학적 탈질 과정을 통해 향상 될 수 있음이 밝혀졌습니다.
그러나 복잡한 반응기 구성과 생체전극 재료의 높은 에너지 소비 합성 단계로 인해 위 방법의 대규모 홍보 및 적용이 제한됩니다.
따라서 하수처리장의 탈질 공정을 어떻게 최적화하고 하수처리장의 운영 효율성을 향상시킬 것인가는 항상 현장이 직면한 어려움이었습니다.
Zhou Shungui 팀은 오랫동안 미생물 전기화학 및 미생물 세포외 전자 이동에 관한 연구에 종사해 온 것으로 보고되었습니다. 연구팀은 다년간의 연구를 통해 전자가 미생물의 에너지 획득과 대사에 핵심적인 역할을 한다는 사실을 발견했다.
즉, 미생물은 일련의 산화환원반응, 즉 전자전달반응을 통해 에너지를 얻고 생명활동을 유지해야 한다.
따라서 기계적 에너지는 자연계에서 가장 흔한 에너지 형태이기는 하지만 미생물 대사에 영향을 미치게 되므로 가교 역할을 하는 전자도 필요할 가능성이 높다.
기계적 에너지가 미생물 대사에 미치는 영향을 입증하기 위해서는 먼저 기계적 에너지가 전자 생성에 영향을 미칠 수 있는지를 탐구할 필요가 있다. 따라서 Zhou Shungui와 그의 팀은 기계적으로 유도되는 압전 효과에 주목하기 시작했습니다.
그들이 상담한 정보는 그들을 더욱 격려하게 만들었습니다. 1880년 초 프랑스 과학자 "퀴리 형제"인 피에르 퀴리와 자크 퀴리는 처음으로 석영 결정에서 "압전 효과"를 발견했습니다. 즉, 석영이 기계적 응력을 받을 때 전하를 생성한다는 것이 밝혀졌습니다.
1917년 프랑스 과학자 폴 랑주뱅(Paul Langevin)도 수정의 압전 효과를 이용해 세계 최초의 능동 소나(랑주뱅 소나)를 발명했고, '반향 위치 측정'을 기반으로 선박의 위치를 찾는 데 성공했습니다.
이는 이러한 전하가 미생물 대사를 촉진하는 미생물의 세포외 환원력으로 작용할 수 있음을 의미합니다. 그러나 압전 효과가 발견된 이후 누구도 이러한 가능성을 확인한 적이 없습니다.
"기존 연구 결과에 따르면 기계적 에너지가 세포의 물리적 파열 및 용해를 유발할 수 있다는 사실이 밝혀졌기 때문에 이는 우리를 흥분시키기도 하지만 약간 긴장되기도 합니다. 따라서 이 새로운 방법을 확인하기 위해서는 결정적인 증거가 필요합니다." Zhou Shungui가 말했습니다.
많은 문헌 검토를 통해 그들은 스트루바이트가 우수한 압전 재료이며 폐수 처리에 매우 일반적이라는 것을 발견했습니다.
그렇다면 스트루바이트를 탈질균 등의 미생물과 결합시켜 폐수의 탈질 성능을 높일 수 있을까요?
결국 에너지 소비는 기존 하수 처리장의 운영 비용 중 {{0}}%를 차지하며 이는 처리된 하수 처리량 입방미터당 0.3-2.1kWh에 해당합니다.
이러한 에너지 소비는 일반적으로 모터 장비의 통기 또는 교반에서 발생하므로 완전히 활용되지 않는 경우가 많습니다.
시도해 보는 자세로 그들은 압전 촉매 생물학적 탈질 실험을 설계했습니다. 폐수에 널리 존재하는 암모늄, 인산염 및 마그네슘 이온을 사용하여 탈질 미생물 표면에서 스트루바이트 "갑옷" 층이 현장에서 합성되었습니다.
후속 실험에서는 어두운 저주파 기계적 교반 과정에서 이 "갑옷" 층이 미생물에 전자를 지속적으로 제공하여 탈질 과정을 촉진할 수 있음이 입증되었습니다.
동시에 전통적인 생물학적 탈질 공정과 비교할 때 이 방법은 크게 다릅니다.
광촉매와 같은 공정과 달리 전통적인 희생 화학 시약이 필요하지 않지만 물을 "압전 정공 시약"으로 사용합니다.
또한 생성된 스트루바이트 침전물은 인산비료, 질소비료로 활용하여 배출을 줄이고 효율성을 높이는 목표를 달성할 수 있습니다.
실제로 연구팀은 연구 초기에 진동을 기계적 힘의 원천으로 활용해 실험 조건과 매개변수를 반복적으로 최적화했지만 효과는 여전히 만족스럽지 못해 팀원들은 한때 자신감을 잃었다.
어느 날 갑자기 그들은 실험실 테이블 위의 자석 교반기가 약병을 순식간에 녹이고 수정처럼 투명한 삼각형 소용돌이를 생성하는 것을 보았습니다.
이 발견은 그들에게 다음과 같은 아이디어를 제공했습니다. 자기 교반기를 사용하여 더 강한 기계적 힘을 생성할 수 있습니까?
그들의 추측이 맞았다는 것이 밝혀졌습니다. 진동하는 기계적 힘이 너무 약해서 이전 실험이 잘 작동하지 않았던 것입니다. 자석교반기를 사용한 이후 연구 진행이 순조로워지기 시작했습니다.
관련 논문은 '세포 압전 감작을 통한 기계적 에너지에 의한 폐수 탈질화'라는 제목으로 네이처워터에 게재됐다.
Jie Ye와 Ren Guoping이 공동 제1저자이고 Zhou Shungui가 교신저자입니다.