水回用正日益成为可持续水资源综合管理中必不可少的部分。由于缺水问题日益严峻，供水规划已不再单纯依赖传统的淡水资源，而是开始多方面发展。人们开始在成本较低的常规水源与成本较高但却更加可靠且可持续的供水方案之间权衡利弊。在此情况下，考虑到人类生活环境和地球自然栖息地的可持续发展，水循环使用似乎是最具可行性的解决方案。
在过去三十年间，全球范围内成功的水回用项目和各种应用已有数千例。水回用是经过验证，针对缺水问题的有效解决方案，亦是减轻气候变化对淡水资源可用性影响的必要途径。
尽管水回用项目在过去几年里已经在全球范围内积累了很多成功经验，但水回用新项目的实际实施和运作仍会面临很多难题和管理障碍。水回用的优势及其在水资源综合管理中的作用还未被很好地了解。此外，水回用项目的经济效益和财务状况仍很难评估和证实。为了更好地解释水回用对可持续发展和城市用水循环管理的作用，国际水协会（IWA）水回用专家组发布了一份综合指南，指导水回用在全球应用（Lazarova等人，2013)。针对水回用的不同应用，专家组选取了不同国家的大型水回用项目和一些还不为人们所知的案例研究，详细阐明了水回用成功的关键，并总结了相关运作经验。这些项目和案例分析可以使我们更清楚的意识到未来世界在确保稳定供水和保护环境上面对的难题，并向我们说明了设计良好、综合完整且符合目标的水回用实践的益处。
水回用应用和“用途导向”的方法
在水回用中，一个重要的新概念是“用途导向”的方法，这涉及到符合最终用户质量要求的再生水的生产。因而，计划的水回用应用会影响相关的污水处理标准，污水回收技术以及其操作的可靠性。如今，已经通过技术证实，利用水回收和净化技术可以生产不同质量要求的纯水，包括与饮用水标准同等，甚至标准比其更高的净化水。
再生水的主要应用还包括:农业灌溉、园林绿化、工业回用和地下水补给。在传统的污水应用中，农业和园林灌溉在世界范围内被广泛应用，具备完善的健康保护指南和农业操作规范。其中，农业灌溉是再生水的最主要用途，其对于食品安全的益处和贡献是公认的。城市用水循环，特别是园林绿化，近来迅速发展，对于城市未来的可持续发展至关重要。其它相关的高性价比的应用还包括环境改善、城市再生水的建筑物内循环使用和工业使用。
饮用水的间接回用，特别是地下水（蓄水层）补给，将经过最终处理的再生水储存在环境缓冲区，这在很多国家被作为解决供水需求量增加的有效方法。此外，饮用水的直接回用，可作为一些国家在未来20年期里应对缺水问题时的解决方案。这一方案在纳米比亚已经应用了超过40年，近年来也开始在美国实施。
污水回用最初主要涉及非饮用水回用和饮用水的间接回用两个方面，但随着水回用的日益普遍，大量因素改变了人们的应用选择。未来，净化水会成为饮用水的供水来源之一。以饮用为目的直接回用，在很大程度上减少了再生水的抽水距离和压力，也就是减少了成本。饮用水直接回用的其它优势还包括市区可用再生水的完全回用，可以应用现有的配水基础设施。然而，实施饮用水直接回用需要人们对所应用的技术有信心且信赖，相信其能够始终生产安全可以放心饮用的水。
再生水在水资源综合管理和城市未来发展中的作用
世界上很多供水机构都会制定一个统筹式供水规划，以便维持供需平衡，降低供应中断的风险。统筹式供水规划的常见要素包括控制需水量增长的节水措施和降低供水中断风险的水源多样化。规划方案通常包括非传统水源的开发，例如水回用，雨水和暴雨的分散式给水，以及海水或苦咸水的淡化。对于供水管理人员来说，制定统筹式供水方案的原则是将不太可靠低成本的供水（例如河流地表水）与相对可靠的高成本的供水（例如再生水和淡化水）整合，制定出一个成本适中，但却足够安全可靠，且供应中断风险较低的供水方案。
统筹式供水这一理念的应用始于1995年，美国加利福尼亚WestBasin，当时这一方案的主要目的是降低对进口水的依赖，并满足日益增长的水需求。如今，水循环使用已经成为WestBasin供水方案的关键部分，2005年时占供水总量的7%，当局计划在2025年时将这一比例提高至41%。该方案的杰出之处在于其将再生水生产分为多个不同的类别，每类再生水都被“设计”用于不同的特定用途，针对所需用途进行特定处理:经三级处理及消毒后的水用于灌溉和其它城市用水；经反渗透及高级氧化处理后的水直接用于蓄水层补水以避咸海水；经一级和两级反渗透处理后的水用于低高压锅炉补给水。在此地区，干旱时期无法确保常规水源正常供水，而再生水，经过验证，能够成为用户的可靠水源，与新鲜淡水相比，花费更少。干旱时期使用再生水能避免地区工业因缺水而导致的损失，对经济、环境和社会等方面均有益处。
水资源综合管理的另一个成功案例是澳大利亚悉尼的城市供水规划。自2006年起，这座城市已经制定出一套更加可靠且多样化的供水方案，该方案减小了城市对于降雨的依赖性，降低了干旱断水的风险。该方案包括节水、深层储水、水回用和海水淡化。到2010年，水循环占悉尼供水总量的6.6%，到2015年时将会翻倍。悉尼城市供水方案的主要益处在于增加了干旱时期的供水安全度，改善了环境水流和河水水质，并且延缓了近期对建坝存水的需求。
值得注意的是，即使是在降雨量丰富的地区，水回用对于水资源的综合管理仍十分重要，新加坡就是一个很好的例子。由于集水面积有限且人口密度大，公众、商业和工业的需水量都相对较高，因此，新加坡成为了一个缺水国家。随着高新技术的创新和使用，新加坡将“用过的水”（UsedWater）（在其它国家通常称为污水）视为战略性资源，力求更加有效地实现供水的可持续性，争取可以满足30%的需水量。成功的关键因素是新生水（NEWater）方案，该方案获得政府的强烈支持，并且进行了有效的公众教育和传播。此外，新加坡公共事业局（PUB）制定了整体方案，实施水资源的整体管理，也是该案例成功的关键因素。
对于人口密集的城市地区和大都市，水回用对于城市用水循环管理至关重要。将未来城市转变为节水和休闲的城市，就像北京和天津一样，将再生水回用纳入城市总体规划。欧洲最大的城市用水回用计划由马德里自治区发起，目标是通过生产70Mm3/yr的再生水满足10%的需水量，再生水会通过1200km长的双配水管道配送。
城市水回用的发展历程
1970年代，美国开始大规模发展再生水，日本开始开发建筑物内循环用水，到2000年，澳大利亚、中国和其他国家的生态城市开始逐渐关注水回用。在新城区或建筑物内，双配送和管道系统相对来说较易安装，初建费用而相对较低。鉴于上述原因，半集中式城市用水管理，这一新理念，可以被视为水回用的先决条件。
鉴于直接接触再生水具有更高的风险性，因此，针对水回用的要求非常严格，对于交叉连接控制也有相关规则。澳大利亚、美国和英国报告的再生水和饮用水系统交叉连接的主要原因是由于私人住户的非法连接，建设不合格，记录和管道识别，以及再生水系统的压力过高。
双配水系统的实施已经逐渐成为生态城市减少饮用水需求量的关键要素之一。在澳大利亚，基于坐落在悉尼RouseHill的首个大型住宅工程项目的运作经验，位于昆士兰州PimpanaGomera的新项目将目标设为通过使用再生水满足45,000户45%的需水量；将饮用水的需求量降至其典型基线水平的16%左右。
城市用水循环综合管理的另一个已经证实的概念是建筑物内的水循环。在日本，大约2500座单体建筑具有现场污水回收/集雨系统。在这些建筑中，回收后的水会被用于各种用途，包括厕所冲水、花园灌溉、冷却水、洗车和消防。在此方面，日本具有超过40年的经验，已经可以证实现场污水回收/集雨系统具有很多益处，例如可以减少饮用水的供应量，降低污水管道系统的负荷，并且可以降低受灾时期公众/经济活动的风险。建筑物内水循环主要通过当地规范和税收优惠推广。已经积累了相关的技术经验，并且经过验证，膜生物反应器非常适用于现场污水回收。
经济刺激也是城市用水回用成功的最关键要素之一，特别是对建筑物内的水循环来说。美国首个高层绿色建筑，也就是位于曼哈顿下城炮台公园城的Solaire公寓楼，就是一个很好的例子，该区毗邻纽约的华尔街金融区。这座建筑也是北美地区第一个获得LEED（能源与环境设计认证）的高层居民建筑，其整体设计涉及土地、设施、景观和水资源管理。至少25%的污水被就地回用，减少了25%的供水和污水服务，该项目的水回用鼓励计划抵消了水回用的操作成本。鉴于是优惠住房，为了补偿绿色建筑设计特定的相关成本，Solaire建筑还获得了国家税收优惠。Solaire的污水回收系统位于建筑物的地下室，再生水被用于厕所冲水、冷却水和园林灌溉，除了显著降低用水量，也在很大程度上减少了能源成本。
业主、决策人和水回用管理人员之间的多赢关系对于城市用水循环的成功至关重要，日本首都东京的经验已经充分证实了这一点。在四国岛，半集中式的污水回收大幅度地减少了处理、运输和配送的成本。为超过30层的高层建筑提供再生水用于厕所冲水，这比自来水便宜了23%左右。剩余的净化水被用于河流生态补给。该项目是日本地区性水回用的首个重要项目。在这个项目中，由于早期设计时已有关于水回用的规划，因此建筑物双配送管道的建设成本相对较低。
上表中总结了在对城市水回用研究过程中所学到的主要经验和知识，这其中包括集中式系统和建筑物内循环系统的相关案例研究。上述案例研究的共同主旨是城市用水回用，通过大量减少饮用水需求，降低了需水量增长的压力以及因干旱和气候变化而造成的缺水压力。经济和环境方面均由此获益。
成功关键因素包括强有力的政府支持和监管、相关人员参与、有效公共教育、再生水质量控制，以及低于饮用水的价格。主要难点包括通过消毒确保高标准的水质，保护人类健康，再生水水质必须具有高度可靠性，在很多情况下（消防、厕所冲水、冷却）可中断，配有后备供水系统，力求满足高峰需求。双配送的建设高成本是主要限制因素之一（运输距离超过15-25km的情况下价格会十分高昂），另一个限制因素即是对错误交叉连接的监管和控制。
城市规划对于环境和休闲用再生水的兴趣日益浓厚。在此方面，美国已经实践多年，制定了特定的监管条款，相关益处也获得了公众的普遍认同。欧洲在这方面的应用则刚刚起步。尽管欧洲已经制定了相应的环保政策，例如欧盟水框架指令和欧盟水资源安全蓝图，但只有新近颁布的西班牙水回用法规包含了针对再生水的环境和休闲用水的相关定义和水质要求。尽管如此，近期在科斯达布拉瓦和巴塞罗纳（西班牙）、博拉博拉岛（法属玻利尼西亚）和米兰（意大利）的涌现出了一些成功的回水用项目，它们将对水回用在欧洲以及全球范围内的应用起到重要的推动作用。。
北京奥林匹克公园的成功案例、东京河流径流的恢复以及墨西哥城的湖泊恢复也充分证明了再生水回用的益处。不仅是在城市环境方面，再生水回用对历史遗迹的保存、水生环境和野生动物栖息地，以及人类健康和安全都能起到积极的作用。水回用项目成功的关键因素包括政府和监管机构的支持、相关人员参与、生产出高质量的再生水、详细的项目规划、公众教育、民众支持、以及对项目促成的经济和环境益处的认可。
间接和直接饮用水回用的发展历程
直接回用至饮用水的成功历史始于1960年代，加利福尼亚州MontebelloForebay首次引用了地下水（蓄水层）补水（1962）。而纳米比亚的温得和克则应用了饮用水的直接回用（1968）。温得和克拥有超过40多年关于污水直接处理成饮用水后使用的经验。这些案例已经证实了污水直接处理成饮用水是实践可行并且没有健康安全隐患的。尽管如此，公众对未知的微量污染物仍表示反对和担忧，这严重阻碍了水回用实践的发展。
上图详细列举了全球再生水直接或间接回用为饮用水的发展历程。两大类均基于膜过滤技术的发展。
洛杉矶县东部MontebelloForebay的无压含水层内蓄水层补水的重要性和相关经验对于饮用水间接回用的成功十分关键。一项历时五年的研究（1978-1983）和后续研究（1996-1999）均未显示出对地下水水质或饮水民众健康产生任何可测的副作用。
加利福尼亚州奥兰治县的地下水补给系统（GWRS）是世界上最大的可用于饮用水间接回用的废水净化系统。自1975年WaterFactory21成功实施起至2008年，该项目被提升和扩建为GWRS。再生水被用于预防盐水入侵（直接注入）和保持蓄水层的水平面（通过扩张盆地和河床），确保能够向奥兰治县供应饮用水。265,000m3/d的处理能力足以向600,000人供水，且处理能力日后将发展为378,000m3/d。即时是应用了先进的微滤、反渗透和高级氧化处理技术，其能源消耗也仅为0.53kWh/m3，运作成本0.35US$/m3，仍相对较低。
相较之下，对于相同的水回收处理，小规模水回用项目的运作成本则会达到两倍以上。尽管如此，甚至在规模相对较小的情况下，比利时Torreele的沙丘蓄水层补水项目可以证实其经济可行性和健康安全性（处理能力7000m3/d）。产出高质量的再生水能够使高生态利益和夏季旅游活动旺盛的地区实现可持续的地下水管理。
美国弗吉尼亚州UpperOccoquan服务机构（UOSA）是针对饮用水表明储层补给实行饮用水间接回用的先驱。该机构自1978年开始，积累了长期的运作经验，已经明确证实通过利用多屏障常规处理和抛光技术进行水循环，可以改善水质。其重要优势之一在于该项目不但可以改善饮用水的水质，还可以确保为超过130万人供水（204,000m3/d）。经评估，该方案完全发展后，Occoquan储层系统的供水量可增加一倍。
澳大利亚针对大坝补水和工业用水的第一大水回用计划于2007年在布里斯班附近实施，被称为西部走廊再生水计划。项目涉及三座先进的水处理工厂，结合应用微滤、反渗透和高级氧化技术，产水能力236,000m3/d，产出的高纯度再生水能够满足澳大利亚饮用水指导方针的严格要求甚至更加严格的再生水规范。在此情况下，除了海水淡化以外，水循环亦可作为供水方案的一部分，确保严重干旱期间的供水。
经过超过40多年的运作，位于纳米比亚温得和克的Goreangab污水再生饮用水厂（21,000m3/d）证实了直接回用于饮用水的可行性和安全性。该工厂于2002年进行了提升改造，还引入了一些其它的非处理操作屏障，处理技术变得更加有效可靠。现在再生水可以满足约当地30%的饮用水需求，混合比例最高可到达35%。公众接受污水再生成饮用水的主要原因是缺乏其它供水水源。事实证明，自从该厂启动以来，未发现任何与饮水相关的健康问题。
上述各项案例研究的共同点是证明了污水再生可以生产高纯度的饮用水替代品并能够满足饮用水需求，抵消对新鲜供水增长需求的压力，以及降低因干旱和气候变化而造成的缺水压力。成功关键因素包括利用先进的多屏障处理技术生产高纯度且符合饮用水要求的再生水、详尽的准备和生产测试、详细而独立的监控、强有力的政府和监管支持、实施有效公共教育、以及明确验证的经济和环境利益。
原标题：水回用的发展历程:成功的关键和发展趋势
