科学网—直播回顾|废水还能有用吗？能源革命会不会就藏在厕所里？|深潜系列-Frontiers开放获取的博文
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2026-7-27 11:37
| 个人分类: Frontiers in Science | 系统分类: 论文交流
Frontiers in Science Deep Dive （深潜系列） 是一系列由 Frontiers 主办的线上线下研讨会，汇聚诺贝尔奖
得主及众多知名科学家，共同推动以科学为主导的解决方案，以应对人类面临的重大挑战——涵盖气候变化逆转、
生物多样性保护以及健康与福祉提升等领域。每场活动都吸引着来自世界各地的顶尖研究人员、政策制定者与创新
者参与。诚邀您与知名研究学者及思想领袖共聚，探索与研讨应对当今时代重大挑战的突破性解决方案。
本期我们将为您带来 5 月 7 日“废水不“废”：新兴的微生物电化学技术如何重塑可持续的水、物质与能源循环”
研讨会的内容回顾。
全球每年产生的废水约为 3590 亿立方米，足以将太湖填满 80 次！
而目前，全球近一半的废水在未经处理的情况下直接排入环境，与此同时，全球废水每年所蕴含的化学能可超过
80 万 GWh，相当于 100 座大型发电站的年发电量。而这部分潜力目前在很大程度上尚未得到开发。
废水中却蕴含着可观的化学能、氮磷营养物质和可再生水资源。在传统污水处理仍面临高能耗、高成本等挑战的
背景下，如何将废水从“治理负担”转化为“资源载体”，已成为水环境、能源与可持续发展领域共同关注的重
要议题。
最新发表于 Frontiers 旗舰刊 Frontiers in Science 的综述研究指出，新兴的微生物电化学技术（METs）有望
为这一问题提供新的解决路径。通过利用具有电化学活性的微生物，该技术可将有机废物流更高效地转化为电力、
燃料、肥料和可利用水资源，并在资源回收、分散式环境卫生和可持续基础设施建设方面展现出广阔前景。从实
验室研究到英国格拉斯顿伯里音乐节及非洲多地现场试验，METs 正逐步走向真实应用场景。 完整原文可点此查 看。
会议议程
1. 变废为宝——微生物电化学技术
2. 挑战与机遇的规模
3. 微生物电化学技术的类型
4. 试点案例
5. 专题讨论与问答环节
Part 1 开场与会议背景
主讲人：Ania Lichtarowicz (主持人，《地球某处：全球科技播客》（somewhere on Earth）节目的主持人
和编辑)
全球每年产生的废水足以填满日内瓦湖四次，其中一半未经处理直接排放，剩余部分也需高昂且低效的处理后
才能回用。
传统污水处理多把废水视为需要消耗能源去“清除”的污染物，但 METs 提供了另一种思路，即把废水看作一
种低价值但规模巨大的资源。该技术若能成熟，有望同时实现：
- 废水净化；
- 能源回收；
- 氮、磷等营养物回收；
- 可再利用水生产；
- 分散式卫生设施和欠发达地区基础设施支持。
不过，主持人也强调，本场讨论不仅关注科学潜力，还会讨论工程放大、监管、成本和多方协作等现实问题。
Part 2 METs 的生物学基础
主讲人：Prof. Uwe Schröder (Frontiers in Energy Research 期刊的现任主编，德国格赖夫斯瓦尔德大学教授)
Uwe Schröder 的第一部分报告从一个很直观的问题切入：人为什么吃饭、为什么呼吸？他用人体代谢解释微
生物电化学技术的基本原理。人和大多数好氧生物通过氧气作为终端电子受体，将食物中的化学能转化为生命
活动所需的能量。类似地，许多微生物也需要把代谢过程中产生的电子转移出去，才能维持生命活动。
关键区别在于，在无氧环境中，一些微生物不能使用氧气作为电子受体，于是演化出将电子传递到细胞外矿物、
腐殖质等外部受体的能力。这一过程被称为 胞外电子传递（extracellular electron transfer, EET）。METs 的
核心就是把自然环境中的矿物受体替换成电极，让微生物把电子“排放”到电极上。这样一来，微生物获得了
生存所需的代谢通路，人类则可以把这些电子收集为电流。
Uwe 特别强调，电活性微生物可以被视为“活的生物电催化剂”。与人工催化剂相比，它们具有一些独特优势：
- 能够自我生长和修复；
- 能够形成稳定生物膜；
- 能够处理复杂有机底物；
- 适合低浓度、低价值资源的转化；
- 可在废水这类复杂体系中发挥作用。
废水中的能量密度远低于汽油，例如一升汽油约含 8 千瓦时化学能，而一升普通废水可能只有约 2 瓦时。正因
为这种资源“低价值、低浓度”，传统技术很难经济地利用它，而 METs 的意义正在于有可能处理这类被忽视的
大规模资源。METs 的价值不能只用“发多少电”衡量，而应放在更广泛的资源回收和系统节能框架中理解。
Part 3 废水的规模与资源潜力
主讲人：Prof. Elizabeth Heidrich (英国纽卡斯尔大学教授，微生物电化学领域的领军研究者)
Heidrich 博士从全球尺度量化了废水问题。每人每天产生约 120–150 升废水，全球每年总量达 3.59×10¹¹
立方米，其中约 60% 被收集，仅一半得到处理，而真正回用的比例只有 11%（主要是水的回用）。废水不仅
包括厕所排水，还包括洗涤水、雨水径流、工业与农业废水等。她形象地指出：对我们人类而言的废物，对细
菌而言却是“美味的汉堡”——废水中的有机物相当于细菌的卡路里。每立方米典型生活废水约含 2.2 千瓦时
能量（足以驱动电暖器一小时），全球若能全部回收，约相当于 100 座发电厂的输出。更重要的是，当前好氧
处理工艺需要大量曝气供氧，其能耗约为废水中所含能量的四分之一——若改用 METs，可节省这部分能耗，
相当于 22 座发电厂。 完整原文可点此查 看。
此外，废水还含有宝贵的氮和磷：全球废水中的氮可满足当前氨需求量的 11%，磷可满足 7%。她总结道：人类
与自然水循环的互动至今是线性的（取水→处理→使用→污染→排放），而 METs 有望推动向循环模式的转变
——同时回收水、能量和营养物质。
Part 4 MET 的两种核心技术路径
主讲人：Prof. Falk Harnisch (德国亥姆霍兹环境研究中心，微生物生物电催化与生物电技术领域的专家)
Harnisch 详细讲解了两种主要 MET 构型：
微生物燃料电池（MFC）：废水进入无氧阳极室，产电微生物氧化有机物生成 CO₂，并将电子传递至阳极。
电子经外电路流向阴极，阴极室通入氧气发生氧还原反应（ORR）生成水。这一过程中可采集部分电能。
同时，为了保持电荷平衡，阳离子（如铵根）需从阳极室迁移至阴极室。
微生物电解池（MEC）：阳极侧与 MFC 几乎相同，但阴极发生的是质子还原为氢气（或 CO₂ 还原为甲烷），
且需要额外输入少量电能驱动反应。与常规水电解相比，MEC 每生成一摩尔氢气的能耗低约 4 倍。
他还特别介绍了 METs 在氮回收的创新途径：当处理高铵废水时，阳极产生的质子使阳极室 pH 降低，而阴
极消耗质子使 pH 升高（可超过 10）。在高 pH 条件下，铵离子（NH₄⁺）转化为氨气（NH₃），氨气容易
从液相中脱除（如膜汽提），从而实现氮的资源化回收。这一过程直接与现有废水处理工艺衔接。
因此，METs 可被理解为一类多功能平台，而不是单一发电装置。它们可以用于：
有机污染物降解；
电流或能源回收；
氢气、甲烷等产物生成；
氮、磷等营养物浓缩与回收；
与现有污水处理技术耦合。
Part 5 规模化、示范项目与商业探索
参与人：Dr. Deepak Pant (比利时弗拉芒技术研究院,研究聚焦于推进可持续的生物电化学系统)
Pant 博士回顾了 METs 从实验室走向现场示范的历程。早在 2007–2008 年，澳大利亚就建成了 1000 升
的管式 MFC 示范系统（12 个模块），技术成熟度达到 TRL 7。此后中国哈尔滨工业大学开发了 10 立方米
堆叠式反应器（处理矿山尾矿水），美国宾州州立大学等机构则试制了平方米级气体扩散电极，并在真实人
尿中连续运行超过六个月。
他强调，METs 的研究从 2000 年左右开始快速发展，几年后就出现了真实场景中的试点装置，这显示了该
领域的工程雄心。但放大并不简单。实验室中的小型电池表现并不能线性复制到大型系统中。反应器、膜、
电极、电导率、材料成本、运行稳定性和维护方式都会成为瓶颈。
他还列举了多个商业尝试：
Cambrian Innovation（美国）销售集装箱式 MET 系统，用于酿酒、食品工业废水处理，BOD 去除率 >85%；
EMFCY（以色列/中国）开发了“电生物反应器”；
Plant-e（荷兰）利用植物根系产电，为 LED 灯和远程传感器供电；
以及 Pant 所在机构 VITO 在印度和越南部署的 MET-厌氧消化耦合系统，处理大型食堂废水;
最具社会影响力的示范之一是南非德班的“尿发电”装置：利用人尿液为偏远村庄的厕所照明提供电力。
Pant 强调，METs 的价值不仅在于产电，还可作为传感器、与厌氧消化耦合、用于污泥调理等。他总结道：
METs 应作为现有处理链的补充（预处理或后处理），而非完全替代。
Part 6 务实观点与技术经济挑战
参与人：Prof. Bruce Rittmann (美国亚利桑那州立大学环境工程学科校董讲席教授，也是环境生物技术领
域的开创者之一)
Rittmann 教授发表了非常务实的观点。他指出 METs 系统复杂——需要电极、膜、电路、控制系统等，
造价不菲。要使市场接受，必须做到成本效益优化。 完整原文可点此查 看。
他提出三条路径：
① 利用电子生产比电力价值更高的产品（如氢气、过氧化氢、有机物）；
② 处理高浓度有机废水（如畜牧、食品加工废水），获得更高的单位投资回报；
③ 与现有基础设施协同（如与厌氧消化池耦合，提高产甲烷效率）。
他明确表示，不看好 METs 直接处理低浓度生活污水的前景，建议研究重点转向处理高浓度侧流或强化
现有工艺。换句话说，METs 的近端机会在于“补强”和“增值”，而不是立刻颠覆传统污水处理体系。
Part 7 问答与讨论要点
在问答环节，专家们回应了多个关键问题：
- 胞外电子传递对微生物寿命的影响：Harnisch 指出，现有活死染色法对产电菌可能产生假阳性/假阴性，
因为膜电位变化会影响染色结果。整体上，MET 系统污泥产量较低，因为大部分化学能转化为电能而非
生物量。
- 微生物群落调控：Rittmann 强调阳极电位是有效的调控“旋钮”——电位负值足够才能给细菌提供生
长能量，但过负会导致大量生物量积累（变成活性污泥）。控制电位可优化产电菌在生物膜中的优势地位，
而发酵菌则倾向于膜外侧，受脱附作用影响。
- 回收产物的安全性（如鸟粪石、铵盐用于农业）：Harnisch 指出，气相转移（氨）的交叉污染风险低于
沉淀物（鸟粪石），但药物代谢物等微量污染物仍可能附着。目前尚无从 MET 到农田的完整安全认证路径，
但已有植物生长试验显示可行性。
- 在难民营的应用：Heidrich 认为 MET 技术过于复杂，不适合高风险、简易性要求极高的紧急环境，应优
先使用简单可靠的技术。
- 规模化瓶颈：Schröder 指出根本矛盾在于电化学要求电极间距小（降低欧姆损耗），而大流量处理需要大
尺寸反应器。解决方案不是简单地“放大”，而是“倍增”（堆叠小单元）。早期示范中长电极的高欧姆电阻
是失败教训，需要廉价且高导电性的新材料。
- 商业化的技术经济指标：Heidrich 提出单位土地面积的处理速率是关键指标——城市化地区土地昂贵，而
若土地充足，简易塘或氧化塘更为经济。Uwe 补充，外部经济因素（如磷价飙升、能源价上涨）可能突然使
MET 技术变得有竞争力，因此必须保持技术储备。
- 在印度的投资回报问题：Pant 建议寻找细分利基市场，如离网、高浓度有机废物的独立处理场景，MET 可
作为处理链中的一环。真正的商业化标志是公司开始通过产品或服务盈利。
- 低成本无线传感器：Harnisch 展望了更广阔的视野——产电微生物存在于肠道、皮肤等环境，未来可能用
于可穿戴健康监测甚至生物基计算（逻辑门、电路板），这可能开辟完全不同的市场。 完整原文可点此查 看。
关于 Frontiers in Science
Frontiers in Science 是 Frontiers 全力打造的一本旗舰期刊，于 2023 年 2 月 28 日正式发布。期刊以
邀请制的方式发表经同行评审的、具有杰出影响力学者的最新变革性研究，已汇聚全球 90 多个国家的科研力
量。期刊致力于推动跨学科、具有政策影响力的前沿科学研究以实现“健康星球上的愉悦生活”目标 ，目前
已发表的文章累计阅读超 380 万次。
了解期刊详情请访问期刊官网：
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