DOI: https://doi.org/10.3389/fsci.2026.1688727
تاريخ النشر: 2026-02-24
المؤلف: Uwe Schröder وآخرون
الموضوع الرئيسي: خلايا الوقود الميكروبية وإزالة التلوث البيولوجي
نظرة عامة
تناقش الورقة البحثية إمكانيات تقنيات الكهرباء الميكروبية (METs) في تحويل إدارة مياه الصرف الصحي العالمية، التي تنتج حاليًا أكثر من 359 مليار م³ سنويًا، مع معالجة 52% فقط. تستخدم تقنيات METs، بما في ذلك خلايا الوقود الميكروبية (MFCs) وخلايا التحليل الكهربائي الميكروبية (MECs)، الكائنات الدقيقة المنتجة للكهرباء لتحويل النفايات العضوية إلى طاقة ومياه نظيفة وعناصر غذائية أساسية، مما يدعم الهدف السادس من أهداف التنمية المستدامة للأمم المتحدة. على الرغم من النجاحات التي حققتها التجارب على نطاق صغير والتي أظهرت إزالة كبيرة للطلب الكيميائي على الأكسجين (COD) وإنتاج الطاقة، فإن التحديات مثل التكاليف الرأسمالية العالية، والقيود المادية، والعقبات التنظيمية تعيق الاعتماد الواسع لتقنيات METs.
لتسهيل دمج تقنيات METs في البنى التحتية الحالية لمعالجة مياه الصرف الصحي، تحدد الورقة عدة متطلبات رئيسية: تحقيق أو تجاوز معايير الأداء الحالية في المعالجة، التعامل بكفاءة مع النفايات ذات القوة العالية والمقاومة، تقديم قيمة مضافة مقارنة بالطرق التقليدية، والتوافق مع الأطر التنظيمية التي تعزز مبادئ الاقتصاد الدائري. يؤكد المؤلفون على الحاجة إلى التعاون بين التخصصات، ودعم السياسات، والابتكار التكنولوجي لتعزيز الجدوى التجارية لتقنيات METs. من خلال معالجة هذه التحديات، يمكن أن تلعب تقنيات METs دورًا حاسمًا في التنمية المستدامة، وأمن الطاقة، وتحقيق أهداف الصرف الصحي العالمية، مما قد يحدث ثورة في معالجة مياه الصرف الصحي واستعادة الموارد.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الأهمية الحيوية للوصول إلى مياه شرب نظيفة وآمنة كحق إنساني أساسي، ضروري للصحة والتنمية الاقتصادية. يرتبط هذا الوصول ارتباطًا وثيقًا بالصرف الصحي ومعالجة مياه الصرف، مما يشكل عنصرًا رئيسيًا من الهدف السادس من أهداف التنمية المستدامة للأمم المتحدة (SDG 6). على الرغم من الجهود المستمرة، لا يزال حوالي 3.4 مليار شخص يفتقرون إلى الصرف الصحي المدارة بشكل آمن، مع اعتماد 4% من السكان العالميين على التغوط في العراء. تتعقد مسألة توفير الصرف الصحي الآمن بسبب التفاعل بين العوامل التكنولوجية والثقافية والاقتصادية والسياسية والاجتماعية، بالإضافة إلى نقص البيانات من الدول الأعضاء في الأمم المتحدة بشأن المؤشرات العالمية للهدف السادس من أهداف التنمية المستدامة.
تختلف تقديرات معالجة مياه الصرف الصحي العالمية بشكل كبير، حيث تشير التقارير إلى أنه تم معالجة 20% فقط من مياه الصرف الصحي المنزلية والصناعية المجمعة في عام 2017، بينما تشير التوقعات لعام 2024 إلى معدلات معالجة تتراوح بين 56-58% لمياه الصرف الصحي المنزلية فقط. تقدر أبحاث جونز وآخرون إنتاج مياه الصرف الصحي المنزلية والصناعية العالمية بـ 359 مليار متر مكعب سنويًا، مع معالجة 52% فقط وإعادة استخدام 11% فقط بشكل متعمد. تاريخيًا، تم اعتبار مياه الصرف الصحي نفايات بدلاً من مورد، مما أدى إلى نقص الحوافز الاقتصادية لاستعادة الموارد. يبرز هذا المنظور، جنبًا إلى جنب مع الطلبات العالية للطاقة في معالجة مياه الصرف الصحي—المقارنة بتلك الخاصة بصناعة الطيران—عدم الكفاءة في الممارسات الحالية، التي تركز أساسًا على التخلص من النفايات بدلاً من استغلال الموارد.
نقاش
تسلط قسم النقاش في الورقة البحثية الضوء على الإمكانيات الكبيرة لمياه الصرف الصحي كمصدر للطاقة، بشكل أساسي من خلال الطاقة الكيميائية المحتواة في المركبات العضوية وغير العضوية، والتي تقاس بواسطة الطلب الكيميائي على الأكسجين (COD). يُقدّر متوسط محتوى الطاقة في مياه الصرف الصحي البلدية بـ 16.1 كيلوجول لكل جرام من COD$^{-1}$، مما يترجم إلى حوالي 8 كيلوجول لكل لتر من مياه الصرف الصحي المنزلية النموذجية. هذه الطاقة، عند قياسها، تصل إلى أكثر من 800,000 جيجاوات ساعة على مستوى العالم، مما يمثل حوالي 20% من إنتاج الكهرباء السنوي في الولايات المتحدة. على الرغم من طبيعة مياه الصرف المخففة، تشير كمياتها الكبيرة إلى وجود مورد طاقة كبير غير مستغل، مما يزيد من تعقيد الأمر بسبب الطلبات العالية للطاقة في طرق معالجة مياه الصرف الحالية، التي تستهلك حوالي 0.5-2.0 كيلووات ساعة لكل متر مكعب من المياه المعالجة.
بالإضافة إلى ذلك، تناقش الورقة استعادة العناصر الغذائية مثل النيتروجين والفوسفور من مياه الصرف الصحي، والتي تعتبر حيوية لاستدامة الزراعة ويمكن أن تخفف من القضايا البيئية مثل الإثراء الغذائي. الإمكانيات العالمية لاستعادة العناصر الغذائية كبيرة، حيث تحتوي مياه الصرف الصحي على حوالي 14 مليون طن متري من النيتروجين و3.2 مليون طن متري من الفوسفور سنويًا. يؤكد المؤلفون على الحاجة إلى تقنيات معالجة متقدمة، مثل تقنيات الكهرباء الميكروبية (METs)، التي يمكن أن تعالج مياه الصرف الصحي في الوقت نفسه وتستعيد الطاقة والعناصر الغذائية. تستغل هذه التقنيات البكتيريا النشطة كهربائيًا لتسهيل نقل الإلكترونات واستعادة الطاقة، مما يمثل طريقًا واعدًا لتعزيز الاقتصاد الدائري في إدارة مياه الصرف الصحي مع تلبية الطلبات على الطاقة والعناصر الغذائية في الزراعة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fsci.2026.1688727
Publication Date: 2026-02-24
Author(s): Uwe Schröder et al.
Primary Topic: Microbial Fuel Cells and Bioremediation
Overview
The research paper discusses the potential of microbial electrochemical technologies (METs) in transforming global wastewater management, which currently sees over 359 billion m³ produced annually, with only 52% treated. METs, including microbial fuel cells (MFCs) and microbial electrolysis cells (MECs), utilize electrogenic microorganisms to convert organic waste into energy, clean water, and essential nutrients, thereby supporting the United Nations’ Sustainable Development Goal 6. Despite pilot-scale successes demonstrating significant chemical oxygen demand (COD) removal and energy production, challenges such as high capital costs, material limitations, and regulatory hurdles impede the widespread adoption of METs.
To facilitate the integration of METs into existing wastewater treatment infrastructures, the paper identifies several key requirements: achieving or exceeding current treatment performance standards, efficiently handling high-strength and recalcitrant waste, providing added value over conventional methods, and aligning with regulatory frameworks that promote circular economy principles. The authors emphasize the need for interdisciplinary collaboration, policy support, and technological innovation to enhance the commercial viability of METs. By addressing these challenges, METs could play a crucial role in sustainable development, energy security, and achieving global sanitation goals, potentially revolutionizing wastewater treatment and resource recovery.
Introduction
The introduction highlights the critical importance of access to clean and safe drinking water as a fundamental human right, essential for health and economic development. This access is closely linked to sanitation and wastewater treatment, forming a key component of the United Nations’ Sustainable Development Goal 6 (SDG 6). Despite ongoing efforts, approximately 3.4 billion people still lack safely managed sanitation, with 4% of the global population relying on open defecation. The complexity of providing safe sanitation is underscored by the interplay of technological, cultural, economic, political, and social factors, compounded by insufficient data from UN Member States regarding global indicators for SDG 6.
Estimates of global wastewater treatment vary significantly, with reports indicating that only 20% of combined domestic and industrial wastewater was treated in 2017, while projections for 2024 suggest treatment rates of 56-58% for domestic wastewater alone. Research by Jones et al. estimates global domestic and manufacturing wastewater production at 359 billion cubic meters per year, with only 52% treated and a mere 11% intentionally reused. Historically, wastewater has been viewed as waste rather than a resource, leading to a lack of economic incentives for resource recovery. This perspective, coupled with the high energy demands of wastewater treatment—comparable to that of the aviation industry—highlights the inefficiencies in current practices, which primarily focus on waste elimination rather than resource utilization.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant potential of wastewater as an energy resource, primarily through the chemical energy contained in organic and inorganic compounds, quantified by chemical oxygen demand (COD). The average energy content of municipal wastewater is estimated at 16.1 kJ g COD$^{-1}$, translating to approximately 8 kJ per liter of typical domestic wastewater. This energy, when scaled, amounts to over 800,000 GWh globally, representing about 20% of the annual electricity production of the United States. Despite the dilute nature of wastewater, its vast volumes indicate a considerable untapped energy resource, which is further complicated by the high energy demands of current wastewater treatment methods, consuming around 0.5-2.0 kWh m$^{-3}$ of treated water.
Additionally, the paper discusses the recovery of nutrients such as nitrogen and phosphorus from wastewater, which are critical for agricultural sustainability and can mitigate environmental issues like eutrophication. The global potential for nutrient recovery is substantial, with wastewater containing approximately 14 million metric tonnes of nitrogen and 3.2 million metric tonnes of phosphorus annually. The authors emphasize the need for advanced treatment technologies, such as microbial electrochemical technologies (METs), which can simultaneously treat wastewater and recover energy and nutrients. These technologies exploit electrochemically active bacteria to facilitate electron transfer and energy recovery, presenting a promising avenue for enhancing the circular economy in wastewater management while addressing energy and nutrient demands in agriculture.