近日，北京大学杨武霖团队在Nature Communications刊发题为Hybrid bioelectrochemical process enables hierarchical C, N, and P utilization towards negative carbon emission wastewater treatment的研究成果。团队研发混合生物电化学组装（HBA）一体化工艺，构建 “净化 – 产电 – 种植” 耦合体系，通过梯度分区实现碳氮磷分级转化，整套工艺实现每立方米污水净固碳 0.413 kg CO₂，攻克传统污水处理高能耗、高碳排放痛点。

科学问题

传统活性污泥、MBR 等污水处理工艺能耗占全球总用电 3%~5%，同时大量释放 N₂O、CH₄，属于典型高碳排行业。现有单一生物电化学装置仅能侧重除碳或脱氮，无法同步高效处理宽浓度市政污水，且出水磷难以资源化，电子利用效率偏低。核心瓶颈在于缺少可协同降解碳、同步硝化反硝化、分级回收养分的分区构型，无法兼顾出水达标、原位产电与磷循环利用，难以实现污水处理碳中和甚至负碳目标，急需一套多过程耦合的全新工艺范式。

核心发现

双模串联实现有机质分级降解，出水达三类地表水标准

装置耦合非生物阴极 AcBES 与生物阴极 BES 双模块，透水生物膜隔板构建厌氧 – 缺氧 – 有氧串联分区。高浓度 COD 在前端厌氧区优先分解，剩余低浓度有机物后端深度矿化，进水 COD 400–1200 mg/L 区间去除率稳定超 93，水力停留时间仅 6h，出水 COD、总氮全部满足地表水 Ⅲ 类限值，污泥产率仅为传统工艺 1/8。

分区协同完成全流程脱氮，温室气体大幅削减

有氧区强化氨氧化，缺氧区依托生物阴极电子供给完成反硝化，NosZ 还原基因高表达，N₂O 释放量远低于 IPCC 推荐基准值。进水碳氮比 4~17 区间脱氮效率保持稳定，16% 有机碳电子供给硝化反硝化，无亚硝酸盐累积，大幅降低污水工艺温室气体排放。

分级产电，峰值功率密度达 0.43 W/m²

前后模块独立电路分级发电，高有机负荷前段稳定输出，低残留水体后段峰值发电，整套系统产电可覆盖曝气、泵送全部运行能耗，实现能源自给，单位水体净产电能 4.1×10⁻² kWh。对比同期文献同类型装置，发电性能提升一倍以上。

富磷尾水水培回用，整套工艺达成负碳排放

HBA 出水保留可溶性磷，通入水稻水培系统 96 小时磷去除率 96，水稻株高提升 43；养殖回用后水体完全达标。综合电力、药剂、污泥处置碳排放，叠加磷资源回收碳抵消，系统实现 – 0.413 kg CO₂/m³ 负碳效益，MBR 工艺碳排高达 0.53 kg CO₂/m³，差距显著。

研究意义

该研究提出分级碳氮磷转化混合生物电化学新工艺，打通污水净水、原位发电、养分循环全链条，为村镇低碳污水处理、实现污水系统负碳减排提供低成本、可规模化全新技术方案。