采用城市中水作為火電廠循環水水源的影響
隨著社會發展和人類生活需求不斷提高，嚴重的水污染和淡水資源的日益匱乏，已經成為世界性亟待解決的難題，也是制約中國社會和經濟科學可持續發展的主要因素之一。資料顯示：中國人均占有水資源2 700 m3，僅相當于世界平均值的1/4，是世界上最為缺水的國家之一。近年來，隨著人口迅速增加和工農業快速發展，生活和生產用水量不斷增加，淡水資源顯得尤為缺乏。特別是在中國北方，氣候干旱，雨水常年偏少，淡水資源更為緊缺。
火力發電廠是工業用水大戶，開式循環冷卻系統循環水占全廠用水總量的50%～80%，所占比例為全廠用水總量最高。按照國家近年規定工業用水要求，火力發電廠應使用可再生水源(如：經生化處理的城市中水)作為生產用水，特別是占生產用水比例最高的循環冷卻水。同時，火力發電廠原有的生產用水水源還受到人們日常生活及工業排放所造成的污染。被污染的天然水和城市中水共同特點是CODCr、氨氮、P、細菌、微生物、懸浮物等含量及BOD5較高，這些成分和物質的存在及物質之間的反應和轉化，特別是硝化反應將對火力發電廠循環冷卻水系統的安全經濟運行造成影響和危害。
對于越來越多采用城市中水和受污染的天然水作為開式循環水水源的新建和在役的開式循環冷卻火力發電廠，影響循環冷卻水水質的最大因素是氨氮在微生物參與下的硝化反應，其帶來的主要問題是循環水系統設備的腐蝕，危及機組的正常運行，嚴重的甚至造成了循環水系統設備大量泄露，機組被迫停運檢修。因此，探究硝化過程和反應如何影響火力發電廠循環水的水質及循環冷卻水系統運行，進而找到殺菌處理、緩蝕、阻垢的相應辦法，以保證火力發電廠機組穩定、安全、經濟運行。
1氨氮的硝化反應過程
N存在于水中的形式為：氨氮(NH3-N及NH4 -N)、有機氮(N-有機)、亞硝酸氮(NO2--N)、硝酸氮(NO3--N)，四者之和稱總氮(TN)。
一般來說，氨氮的硝化過程為：水中所含的有機氮經活性污泥法等好氧處理時，會被好氧微生物(氨化細菌)降解氧化，轉化為氨氮。在硝化菌群的作用下水中的氨氮會轉化成亞硝酸鹽，而亞硝酸鹽最終轉化成為硝酸鹽。
當環境適宜及存在硝化菌群的條件下，硝化過程分兩個階段進行：第一階段為亞硝化單胞菌將氨氮氧化成為亞硝酸鹽;第二階段亞硝酸鹽被硝化桿菌轉化成硝酸鹽，上述兩個階段的反應式為：
第一階段的亞硝化反應：
NH4 2O2 HCO3-→NO2- 2H2O H2CO3 亞硝酸菌
第二階段的硝化反應：
NH4 NO2- O2 H2CO3 HCO3- →NO3- H2O 硝酸菌
上述當量反應關系表明：氧化1 g氨氮成為硝酸鹽時，第一階段的亞硝化反應要消耗3.43 gO2，第二階段的硝化反應還要消耗1.14 gO2;總共要消耗4.57 gO2;在反應中還要消耗重碳酸鹽堿度7.07 g(以CaCO3計)。亞硝酸菌增值0.019 g，硝酸菌增值0.146 g。
在硝化反應過程中，當循環冷卻水中HCO3-的質量濃度小于硝化反應過程中生成的H 質量濃度時，循環冷卻水pH值<7.0。將造成NO3-在循環冷卻水中的質量濃度比原水源大幅提高。
2氨氮的硝化反應過程對循環水系統的腐蝕機理
采用城市中水(城市中水水質見表1)作為大型火力發電廠循環水補充水時，循環水系統具備以下條件：a) 原水氨氮、BOD5高;b) 溫度適宜(30 ℃～35 ℃);c) 曝氣運行的涼水塔十分適合硝化細菌的生長繁殖;d) 涼水塔的配水裝置也會為硝化細菌的生長提供有利環境;e) pH范圍為8～9;f) 水循環系統營養物質豐富;g) BOD5/CODcr在0.5左右(可生化性強);h) 水在系統中有較長停留時間。
表1 一般城市中水的水質 毫克每升
檢測項目BOD5CODcrTN總P
檢測結果20～3040～10020～506～10
當循環水系統具備以上條件時，氨氮受硝化菌群作用，在循環冷卻水系統中的含量隨濃縮倍率的升高反而將降低。但硝化細菌(屬化能自養菌)和亞硝化菌的數量則因反應的進行而獲得能量而增加;循環水中NO2- 、NO3-含量增加。
當作為補水進入電廠循環冷卻系統的城市中水，正常情況下補水中的氨氮將使電廠循環冷卻水的pH值升高，堿度升高，并在某值時達到平衡;但因為硝化反應，釋放出H ，造成冷卻水的pH值降低，硝化作用在循環冷卻水中越劇烈，其值降低得越大，堿度也就降低得越多。國電榆次熱電有限公司采用城市中水作為循環水補水，通過硝化反應，循環水氨氮降低約80%;NO3-含量增加6倍～10倍。
當電廠循環冷卻水補水中總堿度較低，而氨氮含量高時，循環冷卻水的pH值因硝化反應會異常降低。此工況下運行循環冷卻水系統時，將不同程度腐蝕循環冷卻水系統中凝汽器和其它換熱設備的銅管、水泥構筑物等;凝汽器銅管的腐蝕速率與循環冷卻水pH值有關，pH值<7時，隨著pH值降低，腐蝕速率將急劇升高。
按照Larson指數的定義，當循環水的([CI-] [SO42-])/[HCO3-]值大于0.5時，水的腐蝕性則較明顯;而當循環水的[HCO3-]/([CI-] [SO42-])值大于1時，凝汽器銅管幾乎不發生點蝕;當發生硝化反應時，循環水中的HCO3-因硝化過程將被消耗，將增大凝汽器銅管發生腐蝕及點蝕的幾率;循環冷卻水系統中的NO3-和CO2會因硝化過程而增大，使Riddick指數增大，加大了電廠循環冷卻水的腐蝕傾向。
當硝化反應一段時間后，循環冷卻水的pH值持續小于7.0，會促進系統部件的酸性腐蝕。尤其是在循環冷卻系統直接接觸硝化細菌的局部地方，冷卻水pH值更小，酸性更強，酸性腐蝕嚴重。
3氨氮對殺菌劑的影響
火力電廠循環冷卻水常用的氧化性殺菌劑通常為次氯酸。而HClO易與氨氮發生反應，生出氯胺類化合物，據資料顯示：反應可在1 min內完成，其反應式為：
NaClO H2O→HClO Na OH-
NH4 HClO→NH2Cl H2O H (一氯胺)
NH2Cl HClO→NHCl2 H2O (二氯胺)
NH2Cl 2HClO→NCl 2H2 (三氯胺)
NH4 4HClO→HNO3 H2O- 5H 4Cl
2NH2Cl HClO→N3 H2O 3H 3Cl-
氯胺類化合物的殺菌效力和速度遠不如氯，據相關資料顯示：氯胺殺菌能力為氯的60%;而NH2CI的殺菌能力才為氯的22%;國際證明氯胺類化合物為致癌物。在循環冷卻水系統的硝化反應過程中，冷卻水中的硝化桿菌不能完全轉化成NO2-，由于其是還原性物質，會大量消耗氧化性殺菌劑，降低殺菌效果。上述兩種情況將使細菌和其它微生物在電廠循環冷卻水系統中大量繁殖，因此加重了微生物腐蝕。當測定水中余氯量采用鄰聯甲苯胺法，NO2-會嚴重干擾測量值，造成余氯量測定值偏高的假象。
在循環冷卻水系統中當氨氮含量高時，為了更有效地殺菌，應加大加氯量;缺點是會降低循環冷卻水中的阻垢緩蝕劑（ATMP HEDP PBTCA）的效能;還可能加速冷卻塔填料等塑料物品的老化。
4減輕氨氮硝化反應過程對循環水系統影響的措施
4.1降低循環冷卻系統補水的氨氮含量
當循環水補水為城市中水時，要采取有效措施去除氨氮和細菌。一般來說，城市中水的深度處理和預處理均采用加混凝劑和石灰混凝澄清、過濾的處理工藝，此法對去除水中的微生物、氨氮的效率低下，因此有必要先增加針對去除微生物和氨氮的工藝(如：改良的提高pH值曝氣吹脫法;預先利用硝化過程的生物法)，然后再進行混凝澄清過濾處理。
4.2合理選用凝汽器管材
實踐表明，用城市中水作補充水的循環水中均會發生較嚴重腐蝕，因此宜選用能良好耐微生物腐蝕的鈦不銹鋼管作為凝汽器管材。
4.3有效地進行殺菌滅藻
氨氮含量高和它在循環水系統中發生的硝化反應會不斷消耗加入水中的氧化性殺菌劑，降低殺菌效果，引起菌藻大量繁殖，產生微生物腐蝕。為殺菌滅藻，除了要維持循環冷卻水系統中殺菌劑的含量，還要定期采用非氧化殺菌劑殺菌;在冷卻水中氨氮含量異常升高期間內，為有效控制菌藻爆發，應加大氧化性殺菌劑的劑量和進行非氧化殺菌劑殺菌，以避免冷卻水質惡化;在此期間，為加強凝汽器銅管的防腐保護和控制水的濁度，還應添加銅緩蝕劑和降低濃縮倍率。
某公司的循環冷卻水補水使用了經過深度處理的城市中水，應用合理的技術管理方法，在采用NaClO作為氧化性殺菌劑時(從技術角度出發，最好選用不與氨氮起反應的氧化性殺菌劑)，還定期進行非氧化殺菌劑殺菌，有很好的殺菌滅藻劑效果。
4.4增設旁流過濾設備
開式循環冷卻系統中，在適宜的水溫、冷卻塔充分地曝氣、一定的停留時間下，雖然生化處理過程進行得很充分，但同時伴隨著黑色粘泥的大量產生。粘泥可能堵塞涼水塔填料，附著凝汽器的銅管降低凝汽器的熱交換，造成粘泥下的腐蝕。從這些廠設備檢查及冷卻塔清淤情況看，有必要增設旁流設備。
4.5冬季減少或停止石灰投加量。
如在冬季的預處理工藝中，只采用混凝處理，減少或停止石灰投加量，將會使循環水補水的堿度提高，在減輕和緩沖硝化反應過程對冷卻水pH值影響的同時，也減少循環冷卻水的濃縮倍率。在冬季，由于涼水塔水的蒸發損失減少，大幅減少了冷卻水的補水量，為降低循環冷卻系統的濃縮倍率創造了條件。
5結語
隨著城市中水取代地下水、地表水等天然水源，逐步成為火電廠生產用水水源特別是循環冷卻水水源，在循環冷卻水系統中，由城市中水中的氨氮發生硝化反應引發了循環冷卻水系統設備腐蝕嚴重、殺菌效果差和殺菌劑投加量增加等一系列問題。本文通過分析城市中水氨氮硝化反應的腐蝕機理和對殺菌劑的影響，提出必須采取合理有效的控制措施，控制循環水系統中的硝化反應，從而保證循環水系統的安全穩定經濟運行。www.esertemizlik.com
