全球面臨資源短缺、水環(huán)境污染、全球變暖等環(huán)境問題，隨著人口的持續(xù)增長和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，水資源短缺將變得更加嚴(yán)重，城市生態(tài)將變得更加脆弱。人類面臨前所未有的挑戰(zhàn)要求我們在管理目標(biāo)、政策和技術(shù)方面進(jìn)行根本性的變革，目前各國紛紛推進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)政策，將可持續(xù)發(fā)展作為國家發(fā)展戰(zhàn)略，推進(jìn)資源循環(huán)利用、能源再生和環(huán)境影響小的可持續(xù)性發(fā)展的措施。

“污水是放錯的資產(chǎn)”，污水中能量潛力巨大，通過厭氧消化等技術(shù)開發(fā)進(jìn)行能量回收，可以供給污水處理廠運行能耗，甚至實現(xiàn)了完全能源自給。廢水中氮、磷等有機質(zhì)的循環(huán)利用也值得重視，尤其是不可再生的磷資源。廢水中磷排放進(jìn)水體會造成水體的富營養(yǎng)化，而回收利用可以緩解磷資源短缺的問題。為實現(xiàn)城鎮(zhèn)水系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展，急需創(chuàng)新污水治理理念，發(fā)展新型污水系統(tǒng)。

20世紀(jì)60年代，美國提出了具有超前思維的“21世紀(jì)水廠”概念， 20世紀(jì)80年代初美國就建成了“21世紀(jì)水廠”。研究發(fā)現(xiàn)，已有的12個污水處理廠達(dá)到了90%的能源自給自足，其中大部分位于美國。例如，東灣市政公用事業(yè)區(qū)（ebmud）污水處理廠（位于加利福尼亞州奧克蘭市）的平均流量約為264 979 m3/d），2012年成為北美第一個能源中性污水處理廠。美國sheboygan污水處理通過聯(lián)合消化項目和700 kw的熱電聯(lián)產(chǎn)能力可以實現(xiàn)100%的能源自給自足。美國水環(huán)境研究基金（werf）更是制定出至2030年美國所有污水處理廠均要實現(xiàn)碳中和運行的目標(biāo)。

荷蘭2008年制定出未來污水處理的news框架，即未來污水處理廠將是營養(yǎng)物（nutrient）、能源（energy）與再生水（water）的制造工廠。news框架強調(diào)資源與能源回收，并示范了各種不同回收目的可能采取的工藝步驟（概念工藝），要求荷蘭既有污水處理廠按框架內(nèi)容、因地制宜地選擇適合自己的升級改造工藝方案。在news框架下，污水中幾乎沒有傳統(tǒng)意義上的廢物。①能源工廠：有機物為能量的載體，轉(zhuǎn)化后可用于彌補運行能耗，實現(xiàn)碳中和運行目的；污水本身所含熱量亦可通過水源熱泵轉(zhuǎn)換出大量熱/冷能，不僅可貢獻(xiàn)于碳中和運行，還能向社會輸出熱/冷。②營養(yǎng)工廠污水中的營養(yǎng)物，特別是磷，在處理過程中可有效回收，以最大限度延緩磷資源的匱乏速度。③再生水工廠：有機物及營養(yǎng)物回收完成后，也即完成了傳統(tǒng)污水處理的主要目標(biāo)，剩下的資源則是再生水，作為副產(chǎn)品隨之產(chǎn)生。污水中的無機砂礫、纖維素一類的難降解物質(zhì)、污泥中的重金屬/生物塑料（pha）等亦可列入回收清單。2016年荷蘭污水處理廠厭氧消化產(chǎn)生的沼氣達(dá)到1.18億m3，幾乎是荷蘭沼氣總產(chǎn)量的五分之一。荷蘭統(tǒng)計局報告指出，2016年有14座污水處理廠配備了資源回收的設(shè)備，主要針對磷和纖維素的回收。2016年的磷回收量約有40萬kg，相當(dāng)于農(nóng)業(yè)化肥中磷用量的10%。例如，荷蘭garmerwolde污水處理廠利用沼氣發(fā)電為工廠附近2500棟新建房屋提供熱源。阿珀爾多倫市的veluwe水局和essent電力供應(yīng)開始實行聯(lián)合配給，實現(xiàn)了住房區(qū)域的二氧化碳足跡減少50%~65%。

新加坡新生水的使用可以追溯到20世紀(jì)70年代，2003年新加坡建設(shè)了第一家新生水廠勿洛新生水，采用膜處理技術(shù)。同年，新加坡公共事業(yè)局正式將高品質(zhì)回用水作為工業(yè)用水和間接飲用水源補給，并確定了“newater（新生水）”的專有名稱。新生水通過了15萬多項科學(xué)測試，完全符合世界衛(wèi)生組織的要求，可以作為間接飲用和非飲用水使用。作為間接飲用水使用，主要是將新生水和水庫水混合后進(jìn)行進(jìn)一步處理后作為飲用水；非飲用水主要是用于超潔凈用水要求的生產(chǎn)過程中，如用于半導(dǎo)體行業(yè)的晶圓制造，以及商業(yè)樓宇的空氣冷卻。新加坡每年有約5.95億m3的污廢水經(jīng)過處理滿足美國環(huán)境保護(hù)局和世界衛(wèi)生組織標(biāo)準(zhǔn)的新生水。新加坡目前建設(shè)有五家新生水廠，可以供應(yīng)40%的用水需求。預(yù)計到2060年，新生水公司將滿足新加坡未來55%的用水需求。新加坡樟宜第二新生水廠使用能量回收裝置實現(xiàn)了10%的能量節(jié)約。

目前我國急需創(chuàng)新污水治理理念，發(fā)展新型污水系統(tǒng)。未來中國污水廠的建設(shè)將是一個系統(tǒng)工程，將更加注重可持續(xù)發(fā)展，將污水處理融入到城市、流域整體考慮、統(tǒng)籌，實現(xiàn)資源循環(huán)利用，建立可持續(xù)的水資源解決方案，建設(shè)更具彈性的城市和城市群排水系統(tǒng)。