全球面臨資源短缺、水環境污染、全球變暖等環境問題，隨著人口的持續增長和城市化進程的推進，水資源短缺將變得更加嚴重，城市生態將變得更加脆弱。人類面臨前所未有的挑戰要求我們在管理目標、政策和技術方面進行根本性的變革，目前各國紛紛推進循環經濟政策，將可持續發展作為國家發展戰略，推進資源循環利用、能源再生和環境影響小的可持續性發展的措施。
“污水是放錯的資產”，污水中能量潛力巨大，通過厭氧消化等技術開發進行能量回收，可以供給污水處理廠運行能耗，甚至實現了完全能源自給。廢水中氮、磷等有機質的循環利用也值得重視，尤其是不可再生的磷資源。廢水中磷排放進水體會造成水體的富營養化，而回收利用可以緩解磷資源短缺的問題。為實現城鎮水系統的持續發展，急需創新污水治理理念，發展新型污水系統。
20世紀60年代，美國提出了具有超前思維的“21世紀水廠”概念， 20世紀80年代初美國就建成了“21世紀水廠”。研究發現，已有的12個污水處理廠達到了90%的能源自給自足，其中大部分位于美國。例如，東灣市政公用事業區（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污水處理通過聯合消化項目和700 kw的熱電聯產能力可以實現100%的能源自給自足。美國水環境研究基金（werf）更是制定出至2030年美國所有污水處理廠均要實現碳中和運行的目標。
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物（nutrient）、能源（energy）與再生水（water）的制造工廠。news框架強調資源與能源回收，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意義上的廢物。①能源工廠：有機物為能量的載體，轉化后可用于彌補運行能耗，實現碳中和運行目的；污水本身所含熱量亦可通過水源熱泵轉換出大量熱/冷能，不僅可貢獻于碳中和運行，還能向社會輸出熱/冷。②營養工廠污水中的營養物，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：有機物及營養物回收完成后，也即完成了傳統污水處理的主要目標，剩下的資源則是再生水，作為副產品隨之產生。污水中的無機砂礫、纖維素一類的難降解物質、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生的沼氣達到1.18億m3，幾乎是荷蘭沼氣總產量的五分之一。荷蘭統計局報告指出，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，相當于農業化肥中磷用量的10%。例如，荷蘭garmerwolde污水處理廠利用沼氣發電為工廠附近2500棟新建房屋提供熱源。阿珀爾多倫市的veluwe水局和essent電力供應開始實行聯合配給，實現了住房區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70年代，2003年新加坡建設了第一家新生水廠勿洛新生水，采用膜處理技術。同年，新加坡公共事業局正式將高品質回用水作為工業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15萬多項科學測試，完全符合世界衛生組織的要求，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行進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過程中，如用于半導體行業的晶圓制造，以及商業樓宇的空氣冷卻。新加坡每年有約5.95億m3的污廢水經過處理滿足美國環境保護局和世界衛生組織標準的新生水。新加坡目前建設有五家新生水廠，可以供應40%的用水需求。預計到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了10%的能量節約。
目前我國急需創新污水治理理念，發展新型污水系統。未來中國污水廠的建設將是一個系統工程，將更加注重可持續發展，將污水處理融入到城市、流域整體考慮、統籌，實現資源循環利用，建立可持續的水資源解決方案，建設更具彈性的城市和城市群排水系統。
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