可持续水与循环经济
从定义上来讲，循环经济是一种发展经济的系统方法，旨在服务于商业、社会和环境。其中，水和废水管理是一项特别的商业活动，且能满足消费者对水量和水质的要求。因此，将循环经济原则应用于水资源管理，尤其是“可持续水”的管理。人类已充分认识到水之于生活的重要价值，但对于“废水即资源”的认识尚未普及。以生活污水为例，在生活用水过程中各种污染物进入水体造成污染的水体。当水被污染后，水失去自身价值变为“废水”。然而，在水使用过程中并未改变水的分子结构，且在废水之中仍以水分子的形态存在。从液相中将大部分污染物分离出来，水即可再次使用。有机物和营养盐是污染物的主要组成，其属性与我们用作产能原料和肥料的属性相差无几。只要技术和经济可行，从废水中也可回收能源和资源，这也是人们呼吁从废水中回收资源的原因。废水资源能源回收也属于循环经济的范畴，也成为未来发展的方向。
水再生
水再生（又称废水回用、水回用或水循环）是将生活废水（污水）或工业废水转化为满足各种用途水的过程。水回用的类型主要包括：城市回用、农业回用（灌溉）、环境回用、工业回用、饮用水回用和废水回用（非计划饮用水回用）。回用可能包括花园和农田灌溉，或地表水补充和地下水补给。
回用水可直接用于满足居民（如冲厕）、商业和工业的用水需求，甚至也可以处理达到饮用水标准。将生活污水处理后用于灌溉是一种成熟的水回用方式，尤其在干旱国家。将污水回用作为“可持续水管理”的一部分，可使回用水持续作为人类活动的替代水源，以此可以降低水资源的稀缺性，同时缓解地下水和其他自然水体的供水压力。污废水回用的处理技术多种多样，不同技术的相互结合可以满足严格的水处理标准，同时确保处理后的水是卫生安全的。其中，回用水处理技术可以分为以下类型：
常规水处理系统的升级是一种促进水回收的普适策略。典型的常规水处理工艺是以生物氧化(如活性污泥法)为核心处理单元的“二级处理”。随着许多国家和地区对水质排放要求日益严苛，其主要目标是达到受纳水体水质排放的要求，因此对传统水处理厂的升级需求也日益紧迫。处理工艺的升级改造主要包括以下两种基本技术途径。一是通过结合好氧、缺氧和厌氧工艺强化营养盐的去除来提升生物处理单元；二是在二级处理单元后添加化学氧化、吸附、甚至膜过滤等高级处理单元。在某些国家，为实现水回用，污水处理厂出水水质通常需要达到水回用的标准，而升级水处理厂的排水通常可以满足不同目的的水回用。因此，为缓解水资源短缺问题，关键在于如何合理地利用回用水。
回收水处理是另一种以传统污水处理厂出水作为水源的再生水回用类型。在污水处理厂中可通过构筑水处理设施，将部分出水处理后使其满足中水供水要求，也可通过构筑单独处理设施进行中水回用。其中，有关中水回用的工艺设计流程与饮用水生产工艺原理类似，二者的不同主要在于水源和用水目的不同。当然也有回用水用作饮用水的情况，但在这种情况下需要特别关注水的纯净问题，其中污染物主要来源于人畜粪便或废水生物处理过程，大都是微量污染物且具有不可忽视的健康风险。
工业废水处理和回用与生活污水处理回用有所不同。通常工业废水中污染物的种类取决于工业生产过程。食品生产废水中所含污染物与生活废水所含污染物非常类似，但食品废水中污染物浓度相对较高；印染废水主要含有无机和有机染料，是主要的去除对象；化工废水中污染物的种类、浓度和毒性更复杂；对于大型工业冷却水，单次循环使用后造成的污染并不严重。因此，建议采用适当的技术在工厂中进行工业废水处理和回用。
物质/资源/能源回收
除实现水的循环使用之外，通过废水处理设施还可以能源、生物质和其他资源（如营养物质）的形式实现资源回收，具有经济效益，有助于供水和卫生系统以及水务公司的可持续运行。
采用循环经济原则进行废水处理，其最大的优势是能够实现资源回收和回用，如此可将卫生设施从耗费事项变为可自我维持甚至可增加经济价值的事项。事实上，财政回报如果可以部分或全部覆盖运维成本，可为持续改善废水管理提供双重保障。大型污水处理厂中，通常以沼气或电能的形式从污泥中回收能量。据报道，以沼气形式回收能量可达1.3-2.9 MJ/m3，以电能形式可达0.14-0.97 MJ/m3。生活污水也含有很多可回收资源，其中有机氮约为15 g/m3，氨约为25 g/m3，磷约为8 g/m3。通常在尿源分离的小规模工厂中可实现营养盐的高效回收，其中分离效率高达80%。将废水处理与资源回收相整合可以显著降低运行成本和环境影响。然而，在实施过程中仍需考虑诸多挑战，包括监控和管理、流量缩减、系统故障风险、社会接受度和法规遵从性。
厌氧消化是世界上许多国家和地区进行能量回收的最常用方法。厌氧消化（AD）工艺是一种环境友好且经济高效的技术，可用于降解污染物、污泥稳定化，并从废水中回收沼气。通过厌氧消化利用废水中有机物产生沼气，继而进行发电或产生热能是就地能量回收最具前景的应用之一。通过厌氧消化可将污泥转化生产生物气，主要由甲烷（50%-70%）、二氧化碳（30%-50%）和其他微量气体（如氮气和氢气）组成。处理厂生产的甲烷可为燃气发动机提供燃料，也可产生电能和热能。厌氧消化基质来源广泛，主要包括城市有机废弃物、剩余活性污泥、畜禽粪便、工业有机废弃物、农作物秸秆和藻类等。厌氧消化通过水解、酸化、乙酸化和产甲烷等一系列生化反应，可将剩余污泥中有机质转化为生物气。据估算，相比于未设置厌氧消化的污水处理厂，设置有污泥消化的污水处理厂能够减少约40%的净能耗。为进一步提升污水处理厂厌氧消化的效能，建议采用热水解预处理技术；同时兼顾环境和经济效益，建议将污泥与其它可降解生物质进行共消化。
通过整合多途径营养盐回收技术（NRTs）可从废水中实现营养盐的回收利用。脱氨法、吸附法和鸟粪石沉淀法是3种最主要的物化回收方法。理论上脱氨技术可弥补鸟粪石沉淀在氮回收的缺陷，实现氨氮和正磷酸盐的等摩尔回收。鸟粪石沉淀法和脱氨法的最佳pH范围分别为8.5-10和＞9.25，在二者最佳pH范围的重叠区域可实现二者的集成。目前在尿液分离、养猪废水和消化液均已实现两种技术集成应用，在“单个集成反应器”和“多个离散反应器”均已实现。鸟粪石沉淀的应用需要较好的鸟粪石收集系统，较差的固液分离会导致鸟粪石晶体的大量流失。其中，鸟粪石晶体粒径大于100 μm是鸟粪石收集的最佳条件。将一些小颗粒吸附剂作为晶种材料，与鸟粪石沉淀相结合可扩大晶体尺寸。同时，吸附材料还可回收鸟粪石沉淀不能回收的营养物质。脱附和吸附也是一种营养盐回收的集成技术。其中，脱附主要用于吸附剂再生。沸石是最常见的吸附剂，同时其它吸附剂（如活性炭、金属有机框架和其它纳米结构材料）也可作为替代品用于脱附柱后的酸洗涤器用于氮的回收。
污泥堆肥是一种利用自然微生物菌群将污泥中可生物降解有机物转化为类腐殖质的生物过程，即所谓的“堆肥”，一种很好的植物肥料来源。堆肥过程中可破坏病原体，将氮素从不稳定的氨氮转化为稳定的有机氮，同时减少废物体积。堆肥过程主要由环境参数（温度、含水率、pH和曝气量）和基质特性（C/N比、粒径和营养成分）控制。鉴于污泥的高含水和低碳组成，污泥须与干基质进行混合堆肥。其中，与污泥混合堆肥的干基质主要包括城市有机固体废物、锯屑、木屑和诸多其它农业废物。对于含有木质素的废弃物（如农作物秸秆或外壳），由于体积庞大且商业价值低，通常较难管理和处置。在堆肥过程中，这些材料可用作调节填充剂平衡污泥含水率，同时增加污泥的孔隙率以实现气体流动。此外，这些材料还可用于平衡C/N比，同时提供额外碳源以提高微生物的活性。在堆肥中通过添加填充剂可以提供最佳的自由空气空间和空隙分散度，从而实现气相和固相之间充分的水气交换，同时避免堆肥基质过度压实。
节能减排
每年用于城市公共服务的能源占总预算的10%。其中，市政能源消耗主要在水和废水处理厂。由于泵、电机和其它设备每天不间断运行，供水和废水处理设施是最大的能源消耗单元。其中，能源消耗主要是以电能的形式。
据估算，耗电量约占饮用水处理和配送成本的80%，废水处理设施运营成本的25-40%。供水和废水设施的运行也会排放温室气体（GHG），通常包括两部分：温室气体的直接排放（以CO2、CH4和N2O的形式）和间接排放（如抽水电耗和污水处理电耗及其建筑物）。应采取节能减排措施降低供水和废水处理的经济和环境成本。
水处理及配水过程的节能是水处理厂的重要主题，因为该部分的电力消耗占运营成本的2/3以上。节能的目标不仅仅是降低运营成本以获得经济效益，更重要的是减少供水的能耗和环境负担。在水处理和配水过程中大部分能耗是泵的运行，主要包括饮用水设施和配水中使用的泵。理论上，驱动泵所消耗的能量取决于泵进出口之间总压力的变化，而该变化与提水达到的水头、水的流量和泵效率有关。因此，有3条基本的节能途径。一是降低提水水头，这需要整个水系统的合理规划和设计；二是减少流量，这涉及各类水源的节水；三是提高泵的效率，这取决于水泵系统的设计和升级。许多国家在水系统中正在实施节能计划。为形成符合实际要求的系统框架，往往需要在“计划、执行、检查和行动”各个阶段采取复杂措施。
废水处理设施运行过程的节能与水处理和配水过程的节能略有不同。尽管污水处理厂的运行需要消耗大量电能，但污泥的预热和消化污泥的干燥也需要热能。另一方面，废水中有机物也是一种能源来源。首先有机物浓缩在污泥中，固液分离后再在厌氧消化池中进行厌氧消化产生沼气能源。沼气的就地利用为同时满足废水处理的大部分电能和热能需求提供了很好的机会。其中，沼气可以通过高温燃料电池或发电机有效地转化为电能和热量。诸多研究强调水中潜在可用能量高于废水处理所需能耗。然而，通过好氧生物处理与厌氧消化的组合工艺仅能将回收水中部分能量。因此，为实现污水厂的“能源自给”，即完成废水处理厂的耗能向能源自给的过渡，水处理技术的开发和应用仍有很大的空间。
水处理厂减排的目标是减少温室气体排放，如水处理过程中产生的CO2、CH4和一氧化二氮（N2O）。由于供水设施中温室气体的直接排放并非主要问题，因此人们重点关注废水处理系统中温室气体的排放，主要包括下水道和废水处理设施。研究表明：城市下水道产生的CO2和CH4浓度已达到不容忽视的浓度，其中下水道污水中甲醇、甲胺和乙酸是主要诱导物质。在废水处理厂过程中，废水中的有机碳部分转化为生物质，部分氧化为CO2。CH4排放的主要来源与进行厌氧消化的污泥管线、一级污泥浓缩池、离心机、热电厂尾气、消化污泥缓冲罐和脱水污泥储罐等密切相关，这些装置CH4排放量约占CH4排放总量的72%。其中，剩余CH4排放量主要来自生物反应器，且主要以溶解性CH4的形式存在于废水中。N2O的产生主要发生在活性污泥装置中（90%），其余10%来自砂砾和污泥储罐。在低pH和有毒物或低DO条件下，反硝化系统会产生N2O气体。鉴于温室气体去除技术大都费用高昂，甚至不适于废水处理厂温室气体的处理，因此通过控制生物系统的运行条件来最大限度地减少温室气体排放是水处理厂温室气体减排的主要策略。