全球每年产生数千亿立方米废水，但只有约一半得到处理。
水资源紧张、能源需求增长、对化肥的依赖以及基础设施老化，使当前线性的废水处理方式越来越难以自圆其说。
一种新颖的科学方法或有助于改变这一现状：利用微生物处理废水，同时回收能源、养分和其他资源。
全球每年产生约3590亿立方米废水——大约相当于日内瓦湖容量的四倍——但只有约一半得到处理。
即便在已建有处理设施的地方，大多数系统仍采用线性且能耗高的模式设计：收集废水、去除污染物、排放出水，并承担能源费用。
这种线性模式虽然显著改善了公共卫生和环境健康，却也让废水基础设施陷入一种成本高昂的运作逻辑，忽视了废物流中蕴含的价值。
水资源紧张、能源需求增长、对化肥的依赖以及基础设施老化，使线性处理方式越来越难以自圆其说。在这样的背景下，废水看起来不再只是需要处置的问题，更像是一个被错过的机遇。
被排入下水道的三种资源
废水中包含三类通常被分别管理的资源：能源、养分和水本身。
全球一整年产生的废水所含有机物中，包含超过80万吉瓦时的化学能——约为美国全年总发电量的五分之一——这些能量会在有机物分解时释放出来。
废水还含有大量氮和磷。这两种养分是现代农业所依赖的，而其生产往往依赖高能耗或有限的供应链。
此外还有水本身：经过处理后，再生水可用于灌溉、景观绿化、工业冷却、地下水补给；经过进一步净化，甚至可用于饮用。
一个新问题由此浮现：废水处理能从长期主要作为废弃物处置的水流中回收多少价值？从处置转向回收或将重塑废水系统的设计和融资方式。
微生物如何回收价值
在我们最近发表的《Frontiers in Science》文章中，我们探讨了一种从废水中回收能源和材料的新兴方法：微生物电化学技术（MET）。MET利用具有电化学活性的微生物，让它们在分解废水有机物时向电极传递电子，从而捕获并利用分解过程中释放的能量。
根据配置不同，MET可以发电；当可储存燃料比直接供电更有价值时，也可以生产氢气或甲烷；还可以回收对作物生产至关重要的养分。
MET处于循环型基础设施、水资源韧性、工业效率和资源安全的交汇处。其意义在于将废水处理转变为功能更多元的系统。
近期目标应是整合应用
运营方很少需要在完全传统的处理厂和完全实验性的处理厂之间做选择。更多时候，他们要解决的是具体的压力点：高浓度工业废水、不断上涨的能源成本、养分去除要求、离网卫生设施，或监测方面的缺口。
微生物燃料电池不太可能成为公用事业规模的主要发电设备。因此，近期MET更适合作为现有处理系统的针对性改进方案，而非独立替代设施。
在废水浓度仍相对较高的环节，MET最能发挥作用，例如处理流程前段，或与污泥处理和厌氧消化相关的侧流。在这些位置，MET可以回收水流中的部分能源或养分，减轻后续处理环节的负担，并提升废水管理整体的循环性。
有前景的应用案例
在传统处理成本高、难以扩展或不适合当地需求的场景中，MET正显现出最具潜力的早期机遇——尤其是高浓度工业废水、分散式卫生设施，以及监测或资源回收应用。以下是一些最有前景的例子：
农业和食品加工废物流：废水浓度较高，使资源回收更具吸引力，也让处理成本更难被忽视。
分散式卫生系统，例如曾为格拉斯顿伯里音乐节厕所照明供电、并在乌干达、肯尼亚和南非开展实地试验的系统。
水培系统：在同一套装置中结合废水处理、养分回收和植物生长。
自供电生物传感器：利用微生物电信号追踪水质或处理效果。
扩大废水资源回收规模面临的挑战
从实验室走向真实废水处理，仍是一项重大的技术挑战。
系统开始处理成分多变、受污染且难以预测的水流后，性能往往会下降。小规模运行良好的反应器，在连续运行时可能效率降低、成本上升，因为内部电阻会增大，电极和隔膜等部件也会随着时间推移而发生污堵。
因此，要取得进展，取决于能否开发出在实际运行条件下保持持久性能的材料和反应器设计。
制度层面的障碍或许更难克服。
废水系统受法规、采购规则、折旧周期和绩效指标约束；这些制度都是为线性模式建立的，侧重去除污染物，而非创造次级价值流。
在许多国家，回收产品仍处于法律界定不明的灰色地带。例如，即使化学性质可靠，尿液制成的肥料仍可能面临限制，使其难以大规模使用。
融资也会造成类似阻力。公用事业单位和资助方更可能支持熟悉的处理设备，因为其成本和效益已有充分认知；相比之下，在项目评估中，回收资源的价值往往更难量化。
要建立更具循环性的废水经济，仅有技术验证还不够。还需要为资源回收而设计的监管框架、衡量指标和商业模式，而不只是着眼于去除污染物。
从合规走向循环
长期以来，废水处理的定义是排放前必须从水流中去除什么。更具雄心的模式则会追问能够回收什么，以及这种回收如何增强卫生系统、降低能源需求和化肥依赖，并打造更具韧性的基础设施。
这一转变意义重大，尤其是在全球约有34亿人仍缺乏安全管理的卫生设施，而这些人主要生活在难以扩建传统处理设施的地区。
MET为废水基础设施提供了一种新的思路。进展可能是渐进的，但这些技术仍有望改变城市、公用事业单位和工业界对废水本身的看法：不再将其视为需要管理的负担，而是看作一种隐藏在显眼处、却被忽视的资产流。
