《Applied Sciences》：Reviewing Applied Methods and Strategies for Sustainable Potable Water Reuse in Water-Scarce Regions
人口增长、气候变化、污染以及长期干旱加剧了全球范围内的水资源短缺，对全球可持续水资源管理构成重大挑战。在各种适应性策略中，饮用水回用已成为水资源压力地区一种可行且日益普及的解决方案。本综述 examines the evolution, regulatory frameworks, treatment technologies, and implementation strategies related to drinking water reuse worldwide. 通过历史回顾可知，水回用理念源远流长（可追溯至5000年前），而对现代立法和政府间方法的分析则表明，各国关于水回用的法规存在差异且大多数情况下相当严格（如《城市废水处理指令》（UWWTD）和《水框架指令》）。为实现饮用水回用（包括直接和间接系统），需采用高级废水处理技术，其中膜工艺（MPs）和高级氧化工艺（AOPs）最为常用，而处理流程组合（treatment trains）几乎总是被采用。近期关于饮用水回用的研究凸显了科学界和国家层面的共同关注。经济性综述表明，饮用水回用在经济上是可行的，且比其他解决方案（如海水淡化）更为经济。本综述识别了规模化推广饮用水回用作为首要供水选择所面临的关键挑战（技术性、经济性、制度性和社会性）和机遇，并讨论了其在增强长期可持续水资源管理中的潜在作用，尤其针对干旱或半干旱地区。
1. Introduction
全球淡水资源的开发利用受到人口增长、工农需求、污染及气候变化等因素的压力。据估计，约有22亿人缺乏安全管理的饮用水服务，而干旱频率增加和水资源短缺影响全球多个地区。预计到2050年，全球超过50%的人口将每年至少有一个月生活在受水资源短缺影响的地区。阿拉伯半岛、伊朗、印度、阿尔及利亚、埃及和利比亚等国预计将消耗至少80%的可利用水资源。水资源短缺是当人均可用健康清洁自然水量低于1000 m
3/年时的水压力状态。2023年统计的水资源压力最严重的五个国家为科威特、塞浦路斯、阿曼、卡塔尔和巴林。2024年环境绩效指数（EPI）显示，南亚（36分）和撒哈拉以南非洲（23分）在安全饮用水和卫生设施方面得分最低，而全球西方地区平均达96分。
在缺乏海水或替代自然水资源稀缺的地区（如干旱地区），废水回用（包括非饮用和饮用用途）可能是应对水资源短缺最可行的解决方案之一。联合国将废水定义为目前尚未充分开发的水资源；联合国教育、科学及文化组织（UNESCO）认为，改善废水处理和增加回用将促进全球向循环经济转型。然而，饮用用途可能引发卫生适宜性质疑和社会反应，研究表明公众对饮用水回用的接受度与其对废水处理技术的了解程度相关。
本综述采用更广泛的视角， examining the multiple factors that influence the successful implementation of potable water reuse systems，重点关注处理技术的最新进展、当代案例研究及不断演变的监管方法。
2. Historical Evolution
水回用理念历史悠久，史前文明（如米诺斯、美索不达米亚）已有相关系统记载，并在古典、希腊化及罗马时期得以延续。约5000年前的青铜时代，米诺斯文明和印度河谷的摩亨佐-达罗已有将废水用于农业灌溉和肥料的最早证据。公元前750–336年的古希腊时期，废水管理技术已存在并广泛使用，后由罗马人进一步发展。中世纪时，欧洲污水处理技术消失，导致霍乱等水传播疾病流行。20世纪初，美国加利福尼亚州首次实施非饮用回用项目；1918年确立了全球首个农业用水回用法规。1977年，意大利成为欧洲首个建立灌溉回用法规的国家，要求监测54项化学参数并对微生物实行零容忍限值。过去100年间，科学、法律和技术领域的发展推动了对废水处理与回用的重新评估。
3. Legislation
为确保公共卫生和环境安全，需制定水回用标准和法规。发展中国家的回用规则或指南往往缺失或模糊。全球水回用相关法规、指南、标准及准则的制定机构包括：世界卫生组织（WHO）、美国环境保护署（US EPA）、联合国粮食及农业组织（FAO）、联合国环境规划署（UNEP）、国际标准化组织（ISO）及欧盟（EU）。东部地中海地区因严重水资源短缺和气候变化影响，成为水回用水平最高的区域之一（如约旦和阿曼）。在缺乏国家级指南的情况下，这些国家常采用或改编国际标准。公共卫生保护是水回用标准的首要关注点，最常用的指示微生物为总大肠菌群（TCs）、粪大肠菌群（FCs）和大肠杆菌（Escherichia coli）。抗生素、痕量有机化合物（如药物、化妆品）等也需监测。
4. Water Reuse Categories
经适当处理的废水可用于饮用和非饮用用途。非饮用用途包括：（i）市政用途（如街道清洗）；（ii）娱乐用途（如人工湖、装饰喷泉）；（iii）环境用途（如绿地灌溉、农业灌溉）；（iv）工业用途（如冷却塔）。饮用水回用分为直接饮用水回用（DPR）和间接饮用水回用（IPR），后者通过在地表水或地下水中储存实现。直接饮用水回用指将处理后的废水直接引入饮用水分配系统。城市用水回用 preferable as it is close to its point of production。农业灌溉回用可减少淡水压力、促进水资源保护、提供土壤养分和有机碳以增强作物生长，但需适当处理以避免健康风险，并可能导致土壤盐度增加和钠吸附比（SAR）升高。
据Water Reuse Europe Review（2018），欧洲共有787个回用系统，分布于16个国家，其中西班牙361个、意大利99个、希腊44个，大多位于水资源短缺更严重的南欧国家。2024年全球总回用水量约183,000,000 m
3/d，其中饮用回用仅7,000,000 m
3/d（占3.8%）。预计2040年总回用水量将达840,000,000 m
3/d，工业和饮用用途占比将从28.9%增至51.2%。
5. Pollutants in Wastewater
城市废水年产生量达3800亿m
3，预计到2030年增长24%，到2050年增长51%。市政废水中99%为水，其余成分包括悬浮固体、可生物降解有机固体、营养物质（主要是氮和磷）、溶解无机成分（如钙、钠、硫酸根离子）、重金属、优先污染物、持久性有机污染物（如洗涤剂、农药）及病原体。工业活动产生的废水污染物范围广泛，需采用不同于市政废水的处理工艺，如臭氧氧化、高级氧化工艺、化学氧化、化学沉淀、混凝及膜过滤等。
6. Wastewater Treatment Technology
联合国世界水资源发展报告（WWDR）指出，高收入国家废水处理率达70%，中上收入国家为38%，中下收入国家约28%，低收入国家仅8%。废水处理分为一级、二级、三级和高级处理。一级处理通过物理和/或化学工艺去除至少50%的总悬浮固体（TSS）并降低至少20%的5日生化需氧量（BOD
5）；二级处理使BOD
5降低70–90%（出水限值25 mg/L），化学需氧量（COD）降低至少75%（出水限值125 mg/L）；三级处理指通过生物或化学方法去除营养物质；高级处理则针对其他方法无法进一步去除的污染物。
常规城市废水处理厂（UWTPs）无法有效去除大部分新污染物（CECs），包括抗生素、抗生素耐药细菌及抗生素耐药基因（ARBs和ARGs），因此需采用臭氧氧化、活性炭吸附、化学氧化和消毒、紫外线（UV）照射、高级氧化工艺（AOPs）及膜过滤等高级处理技术。人工智能（AI）可通过机器学习模型预测和优化处理过程，提高15–25%的处理精度并降低7–30%的能耗，但面临数据不足、模型可转移性有限、输出可解释性受限及人员培训不足等挑战。
7. Potable Water Reuse
7.1. Quality Standards of Drinking Water
根据欧盟《饮用水指令》（DIRECTIVE (EU) 2020/2184）和WHO标准，饮用水应无微生物和寄生虫，有害物质浓度不得超过限值。化学参数限值包括：乙草胺0.030 μg/L、铝200 μg/L、锑5.0 μg/L、砷10 μg/L、苯10 μg/L、苯并[a]芘0.010 μg/L、硼1.0 mg/L、溴酸盐10 μg/L、镉5.0 μg/L、氯酸盐0.50 mg/L、三氯甲烷100 μg/L、铬50 μg/L、铜2.0 mg/L、氰化物50 μg/L等。管网系统参数要求军团菌低于1000 CFU/L，铅限值为10 μg/L。
7.2. Potable Reuse Projects
全球饮用水回用成功案例主要分布于美国、南非、澳大利亚和北欧。加利福尼亚州间接饮用水回用已实践50余年；纳米比亚温得和克自1968年起将处理后的废水直接用于饮用，因干旱气候下无其他替代方案而被公众广泛接受。南非Beaufort West WRP设施（2000 m
3/d）采用预氯化、沉淀、中间氯化、快速砂滤、超滤（UF）、反渗透（RO）、高级氧化工艺（AOP；H
2O
2/UV）及最终氯化等组合工艺，回用水以1:4比例与常规饮用水混合供应。美国德克萨斯州Big Spring Raw Water Production Facility采用微滤、反渗透和高级氧化技术，日产9500 m
3高品质回用水直接接入饮水管网。澳大利亚珀斯于2016–2017年实施首个间接饮用水回用项目，初始处理能力14 billion L/年，2022年扩至28 billion L/年，产水成本$2700/m
3/d，显著低于海水淡化的$4300/m
3/d。
现代直接饮用水回用（DPR）系统多采用强化澄清（通常为UF或MF）、RO和UV消毒的组合，并以基于UV的高级氧化作为最终步骤。
7.3. Research
近期研究聚焦于饮用水回用系统的技术进展。新墨西哥州Las Cruces废水处理厂的藻前置-反渗透（ALGAL-FO-RO）中试研究表明，该双膜系统可实现近100%的污染物去除率和90%的水回收率，产水达到饮用水标准，同时产生的藻类可用于生物燃料生产。 Hampton Roads卫生区的多屏障处理系统（混凝-絮凝-沉淀、臭氧氧化、生物过滤、颗粒活性炭吸附及UV消毒）用于间接饮用水回用，其中肠道病毒的对数去除值（LRV）分别为：混凝/絮凝/沉淀1.5 LRV、臭氧氧化0.3 LRV、生物过滤2.0 LRV，证实了多屏障方法的重要性。
Liu等（2025）研究了无RO的替代系统：臭氧/生物活性过滤（O
3/BAF）后接超滤和UV/AOP。该系统成功去除了五种污染物中的八种，去除率达95%以上；使用次氯酸（HOCl）替代过氧化氢（H
2O
2）作为自由基引发剂，对所有八种化学品的降解效果相当或更优，且无需中和即可维持管网余氯。
Takman等（2024）在瑞典两座废水处理厂进行了颗粒活性炭（GAC）过滤的全规模研究，后接实验室规模UV消毒。结果显示，MBR+GAC废水经400和700 J/m
2 UV辐射消毒后达到饮用水标准；无UV消毒时，MBR+GAC废水不符合饮用水规范但满足灌溉水A类标准。膜生物反应器（MBR）与传统活性污泥法（CAS）相比，具有出水水质更优、系统紧凑、自动化程度高等优势，但存在膜污染、能耗较高（可达CAS的两倍）等缺点。
Arvaniti等（2022）对希腊雅典某废水处理厂二级出水中的38种有机新污染物（ECs）进行了研究，包括药物（PhCs）、内分泌干扰物（EDCs）、苯并三唑（BTRs）、苯并噻唑（BTHs）和全氟化合物（PFCs）等。结果表明，微滤（MF）无去除效果；纳滤（NF）和超滤（UF）去除有限；UV去除率较低；粉末活性炭（PAC）吸附对大多数ECs去除效果显著。
意大利法萨诺市政水回用设施（WRRF）评估了三种处理序列，旨在实现零排放且无废物产生。其中AOPs、GAC吸附和UV消毒的组合对二级和三级废水处理以实现间接饮用水回用有效；O
3/H
2O
2工艺对CECs的去除效率高于UV/H
2O
2。
南极洲Davis环境研究站的直接饮用水回用案例（2017）采用臭氧氧化、陶瓷微滤（MF）、生物活性炭、反渗透、UV消毒、方解石接触和氯化等七项技术，证明回用水适合饮用，且膜技术作为关键屏障可验证地去除病原体和微污染物。
Chao等（2023）研究了太阳能热界面蒸发技术用于非常规水资源（如生活废水）的直接饮用水回用。该方法利用低成本材料、简单制造工艺和自持续运行，实际户外太阳能照度（0.8–87.2 mW/cm
2，10 h）下产水量约7.65 kg/(day·m
2)，可支持2–3人每日使用。
Munné等（2023）在西班牙Llobregat河进行的间接水回用中试测试，采用常规二级处理（活性污泥法和营养物去除）后接微滤和UV消毒。结果表明，即使以1:1比例将回用水排入河流，也未显著影响河流水质，水质足以维持水生生物且适合作为饮用水水源。该研究分析了376种微污染物和三种微生物指示物，评估了对水生生态系统和人类健康的风险。
Manyepa等（2024）对南非德班KwaZulu-Natal海岸的混合废水处理工艺进行了研究，分析20种新污染物和五种重金属。该厂采用好氧膜生物反应器（MBR）、咸水反渗透（BWRO）和REMIX反渗透（RRO），后接UV/H
2O
2高级氧化。MBR对目标ECs和重金属的平均去除率分别为87%和90%；BWRO和RRO对所有ECs的平均去除率分别为98%和97%。最终回收水中重金属浓度低于WHO饮用水上限。
MacDonald等（2025）对120天连续运行的中试饮用水回用厂进行了全面研究，以厌氧处理替代常规好氧二级处理。膜曝气生物反应器-超滤-反渗透-高级氧化工艺（MABR-UF-RO-AOP）处理分段厌氧流化-膜生物反应器（SAF-MBR）出水，在RO进料压力0.59 bar/LMH和AOP平均UV通量约1110 mJ/cm
2条件下可达到饮用水回用水质目标，成本为$0.69/m
3，与常规好氧饮用水回用流程相当。
Masjoudi等（2025）评估了高级氧化工艺去除饮用回用系统中微污染物的性能，目标物为卡马西平（CBZ）和1,4-二噁烷（1,4-D）。真空紫外/紫外（VUV/UV）和VUV/UV/Cl
2（游离氯）系统的研究表明，添加游离氯使CBZ去除率提高12%，但降低了1,4-D的去除率，表明该工艺具有选择性。
B-WaterSmart项目（2025）对精酿啤酒生产的直接饮用水回用进行了中试，评估了四种系统（UF/O
3/RO、UF/RO、UF/O
3/BAC/RO、O
3/BAC/RO），监测了大肠杆菌、有机质、营养物、药物、激素、氧化副产物、全氟和多氟烷基物质（PFASs）、烷基酚及毒性指标等。所有四种处理系统均能有效生产符合欧盟和葡萄牙标准的饮用水。
8. Techno-Economical Studies
非饮用回用水成本为$0.30–0.55/m
3，饮用回用水为$0.50–0.75/m
3，显著低于海水淡化的$0.50–$1.90/m
3。Mendret等（2019）对纳滤（NF）和臭氧氧化进行了完整的技术经济评估，证明NF+臭氧可替代RO，每年可节省$35,000（处理量125 m
3/h）。2021年的技术经济分析显示，工业和饮用回用的净现值（NPV）为正（分别为+1.3和+0.57百万�），而农业回用两种情景（UF-UV或UF-RO）的NPV为负（分别为?1.16和?1.25百万�）；且运行成本（OPEX）远高于投资成本（CAPEX），饮用回用OPEX为0.67 �/m
3，CAPEX仅0.08 �/m
3。德国Model Industrial Park（WaReIp）的研究表明，回用规模越大，单位成本越低：UV处理成本从O1情景的�0.06/m
3降至O3情景的�0.04/m
3（降幅33%）。
9. Circular Economy
循环水经济是通过回用和回收实现水可持续生产和消费的商业模式，包含九大策略：重新思考（Rethink）、避免（Avoid）、减少（Reduce）、替代（Replace）、再利用（Reuse）、再循环（Recycle）、梯级利用（Cascade）、储存（Store）和回收（Recover）。循环水经济理念与联合国可持续发展目标（SDGs）紧密相连：SDG 6.3（清洁饮水和卫生设施）明确要求减少污染、改善废水处理；能源回收贡献于SDG 7（经济适用的清洁能源）和SDG 13（气候行动）；营养物回收和水回用对实现SDG 2（零饥饿）至关重要。
10. Advantages and Challenges
饮用水回用的主要优势包括：废水作为可靠且"取之不尽"的来源；可用于补充因干旱和过度开采而枯竭的含水层；在无法获取其他水源的地区是唯一解决方案；符合循环经济原则；成本效益显著低于海水淡化；可减少地表水和地下水开采、降低能耗、通过恢复溪流湿地湖泊增强环境保护。
面临的挑战包括：技术性挑战（需不断开发更高效的废水处理技术以应对新出现污染物，处理效率提高伴随成本上升）、经济性挑战（回用项目成本受处理厂位置、基础设施、进水水质、输送储存需求、能源需求、浓缩液处置、许可和融资成本等多因素影响）、制度性挑战（决策者和 ordering politicians and decision-makers often lack sufficient information）和社会性挑战（公众对饮用回用接受度低，仅8%受访者对饮用水回用持积极态度）。此外，还需增强公众对废水处理技术认知、建立透明的质量控制程序和有监管机构的监督，以提升公众信心。
本综述综合了饮用水回用的历史发展、监管视角、技术进步和社会经济参数，指出尽管饮用水回用在循环经济和可持续发展目标背景下具有多重效益，但在处理效率和公众接受度方面仍面临显著挑战，需通过多屏障处理、强有力监管框架、持续水质监测、公众参与和风险管理策略来推动其在缺水地区的广泛应用。
