水处理过程的降碳及增效与社会可持续发展之间存在紧密关联。传统水处理工艺建立在“以能耗能”模式之上，长期侧重于碳、氮、磷等污染物的去除，而忽视了污/废水中多组分资源的利用及其蕴含能量的回收潜力，因而普遍呈现高能耗、高污泥产率和低效率等特征。尤其值得关注的是，水处理行业消耗了全球约3%—5%的电力，并贡献了约2%—5%的温室气体排放，属于高碳排放行业。因此亟需通过技术革新转变水污染治理思路，这一需求在资源能源匮乏的偏远地区尤为迫切。

生物电化学技术通过降低能耗、减少碳排、能量与资源回收等为低碳水处理提供了可持续的解决方案。基于此，本研究团队提出并构建了一种电子流调控的混合生物电化学组件，基于该组件构建集“净化-产能-栽培”为一体的级联水处理工艺，同步实现水中碳、氮、磷全组分利用/去除、水中蕴能回收、可地表回用水生产等目标，最终实现水处理负碳排放。

图1 混合生物电化学组件

研究证实，在整合生物与非生物阴极的生物电化学组件中，通过将复杂有机质代谢与电极反应氧化还原梯度结合，实现了碳组分分级代谢与深度净化、复合功率输出；通过定制化透水生物膜隔膜在水力沿程创建厌氧-缺氧-好氧生态位，并基于水力内循环实现了氮组分高效脱除；随后将富磷尾水用于作物培养，在实现磷组分再循环利用的同时，有效提升了作物生长速率；最终获得可地表回用水，水质达到地表水Ⅲ类标准。与传统技术相比，该工艺的HRT大幅缩短（6h），污泥产率降低80%以上，关键水处理效能（COD、SCOD、TN、NH4+-N、TP、SS等）与典型的高能耗MBR工艺持平或更优，且具有良好的负荷抗冲击特点。能量平衡计算说明了该工艺的低能耗特点，技术经济分析阐明了其良好的应用潜力，碳排放评估揭示了其负碳排放的技术优势。总之，面向绿色与可持续的水处理目标，该研究建立了一项低碳导向的生物电化学工艺原型，为“双碳”背景下资源能源匮乏地区的水处理与物质再循环提供了关键理论与技术支持。

图2 级联生物电化学水处理工艺

上述研究成果以“Hybrid bioelectrochemical process enables hierarchical C, N, and P utilization towards negative carbon emission wastewater treatment ”为题，于2026年7月29日在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。环境科学与工程学院博雅博士后李超为第一作者，博士后马亚梅为共同第一作者。北京大学环境科学与工程学院、水沙科学教育部重点实验室、河流全物质通量重点实验室的杨武霖研究员为论文的唯一通讯作者。论文的其他作者还包括环境科学与工程学院博士生纪成成、张婧、袁夏雨、易可欣。该研究得到了教育部基础学科和交叉学科突破计划（JYB2025XDXM910）、国家自然科学基金（22576002和42307295）及中国博士后科学基金（2022M720004）的支持。