污水处理迈向"负碳"时代：中科院生物电化学级联工艺登《自然·通讯》，出水达地表Ⅲ类、污泥减量八成

【天乙科技讯】近日，中国科学院研究团队提出的"电子流调控混合生物电化学级联工艺"研究成果在国际权威期刊《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表，并于 8 月 7 日经北京市科委等渠道公开报道。该工艺将污水净化、能量回收与植物栽培集成于一体，同步实现碳、氮、磷全组分资源化利用，水力停留时间（HRT）压缩至 6 小时，污泥产率下降 80% 以上，出水稳定达到地表水Ⅲ类标准，并在系统层面实现"负碳排放"。这为高能耗、高碳排的传统污水处理路线提供了一条颠覆性的技术想象。

一、背景：污水处理行业的"碳负担"亟待破解

污水处理长期被视为环保基础设施，却也是不容忽视的能耗与碳排大户。行业测算显示，我国城镇污水处理的直接电耗约占全社会用电的 1%，而生物处理过程中释放的甲烷、氧化亚氮等非二氧化碳温室气体，其增温潜势分别是二氧化碳的数十倍与近三百倍。与此同时，传统活性污泥法每处理一万吨污水，会产生数吨含水率极高的剩余污泥，后续脱水、运输、焚烧或填埋环节又叠加一轮能耗与碳排。

在"双碳"战略与污水资源化双重目标下，行业形成了三条主流降碳路径：一是节能降耗，以 AI 精准曝气为代表，通过动态优化溶解氧与风机频率，实现普遍 20%–40% 的曝气节能、全厂电耗下降 15%–25%；二是短流程与低药耗，以梯度孔超微滤膜配合高负荷 MBR 的短流程工艺为代表，清洗药剂减少约 50%、膜池占地压缩 60% 以上、产水能耗下降约 30%；三是资源回收，通过磷回收、沼气发电、余热利用等方式对冲部分排放。

但这三条路径本质上都是"减法"——在既有工艺框架内削减能耗与排放，理论下限仍是"接近零碳"。要真正跨过零点、实现"负碳"，必须从工艺原理层面重构。

二、核心突破：一个系统同时完成"净化—产能—栽培"

此次发表的成果，其创新点正在于原理层面的重构。研究团队以"电子流调控"为核心思路，构建了混合生物电化学级联组件，把污水中蕴含的化学能视为可调度的电子资源，通过定向引导电子流走向，让同一系统并行完成三件事：

第一，深度净化。 生物电化学过程强化了有机物降解与脱氮除磷效率，使出水稳定达到地表水Ⅲ类标准。这一水质等级已远优于常规一级 A 排放标准，可直接用于生态补水、景观水体乃至部分工业回用场景，无需再叠加常规深度处理单元。

第二，能量回收。 系统将污水中的蕴藏能量以电能形式部分回收，替代了传统曝气所需的外部电力输入。这是"负碳"得以成立的关键——处理过程从净耗能转为部分产能。

第三，碳氮磷全组分利用与栽培耦合。 系统将污水中的氮、磷营养元素导入植物栽培环节，由生物质固碳完成最终的碳汇闭环。碳被固定进生物质，氮磷转化为植物养分，实现"污染物—资源"的完整转换，而非简单的末端去除。

在工程性能上，两项指标尤为亮眼：HRT 缩短至 6 小时，意味着相同处理规模下构筑物体积可大幅压缩，土地与土建投资显著下降；污泥产率降低 80% 以上，意味着困扰行业多年的污泥处置成本与二次污染风险被大幅削减。对运营方而言，这两项恰是全生命周期成本中弹性最大的两块。

三、行业意义：为"负碳水厂"提供技术锚点

需要客观指出，该成果目前仍处于原理验证与中试阶段，从实验室走向大规模工程应用，仍需在系统稳定性、电极材料寿命与成本、极端进水冲击下的鲁棒性、栽培环节的运维复杂度等方面完成充分验证。但其行业意义已相当明确：

其一，重新定义了污水处理的价值边界。 当污水厂不再只是"耗能治污的成本中心"，而可能成为兼具水、能、肥、碳汇产出的"资源工厂"，行业的商业模式与估值逻辑都将被重写。

其二，为低碳标杆厂建设提供了技术方向。 近年来，半地埋式再生水厂、绿色低碳标杆厂等示范项目不断涌现，部分项目已实现 50% 以上尾水回用。负碳工艺的出现，为下一代示范项目提供了更高的技术天花板。

其三，与制度侧形成呼应。 与之同期，再生水市场化机制正在加速成型——深圳已发布《污水再生利用供水管理指南》团体标准，首创再生水协商定价与"分用途、优质优价"阶梯定价体系。当高品质再生水能够卖出与其成本匹配的价格，负碳工艺所产出的地表Ⅲ类水就具备了明确的经济价值支撑。技术与制度的双轮驱动，正在共同抬升污水资源化的产业天花板。

四、行业视角与天乙科技的技术储备

天乙科技有限公司长期专注工业污水处理与中水回用领域，我们对这一成果的关注点集中在三个可迁移的方向：

• 污泥减量的经济价值。 在工业园区污水处理项目中，污泥处置往往占运营成本的相当比重。80% 以上的污泥减量若能在工程尺度复现，将显著改善项目全周期经济性，这是我们持续跟踪的重点。

• 短 HRT 对占地的意义。 工业园区用地紧张普遍存在，6 小时 HRT 所带来的构筑物压缩，与短流程膜工艺的占地优化方向一致，对园区改扩建项目具有现实吸引力。

• 高品质出水与回用衔接。 地表Ⅲ类出水与我们在双膜、除氟、分盐等深度处理环节的技术积累存在天然衔接空间，可为客户设计更具弹性的水质分级回用方案。

天乙科技将持续跟踪生物电化学、AI 智能调控、短流程膜工艺等前沿方向的工程化进展，在保证现有项目稳定合规运行的基础上，前瞻性储备低碳与负碳技术路线。我们相信，污水处理行业的下一个十年，竞争焦点将从"达标排放"转向"资源产出与碳绩效"。对高耗水、高排放的工业企业而言，提前布局资源化与低碳路径，既是合规要求，也是实实在在的成本机会。

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*来源：Nature Communications（2026-07-29 在线发表）；北京市科学技术委员会等公开报道（2026-08-07）；行业能耗与工艺数据综合公开资料整理。*

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