随着社会发展和人类生活需求不断提高，严重的水污染和淡水资源的日益匮乏，已经成为世界性亟待解决的难题，也是制约中国社会和经济科学可持续发展的主要因素之一。资料显示：中国人均占有水资源2 700 m3，仅相当于世界平均值的1/4，是世界上最为缺水的国家之一。近年来，随着人口迅速增加和工农业快速发展，生活和生产用水量不断增加，淡水资源显得尤为缺乏。特别是在中国北方，气候干旱，雨水常年偏少，淡水资源更为紧缺。
火力发电厂是工业用水大户，开式循环冷却系统循环水占全厂用水总量的50%～80%，所占比例为全厂用水总量最高。按照国家近年规定工业用水要求，火力发电厂应使用可再生水源(如：经生化处理的城市中水)作为生产用水，特别是占生产用水比例最高的循环冷却水。同时，火力发电厂原有的生产用水水源还受到人们日常生活及工业排放所造成的污染。被污染的天然水和城市中水共同特点是CODCr、氨氮、P、细菌、微生物、悬浮物等含量及BOD5较高，这些成分和物质的存在及物质之间的反应和转化，特别是硝化反应将对火力发电厂循环冷却水系统的安全经济运行造成影响和危害。
对于越来越多采用城市中水和受污染的天然水作为开式循环水水源的新建和在役的开式循环冷却火力发电厂，影响循环冷却水水质的最大因素是氨氮在微生物参与下的硝化反应，其带来的主要问题是循环水系统设备的腐蚀，危及机组的正常运行，严重的甚至造成了循环水系统设备大量泄露，机组被迫停运检修。因此，探究硝化过程和反应如何影响火力发电厂循环水的水质及循环冷却水系统运行，进而找到杀菌处理、缓蚀、阻垢的相应办法，以保证火力发电厂机组稳定、安全、经济运行。
1氨氮的硝化反应过程
N存在于水中的形式为：氨氮(NH3-N及NH4+-N)、有机氮(N-有机)、亚硝酸氮(NO2--N)、硝酸氮(NO3--N)，四者之和称总氮(TN)。
一般来说，氨氮的硝化过程为：水中所含的有机氮经活性污泥法等好氧处理时，会被好氧微生物(氨化细菌)降解氧化，转化为氨氮。在硝化菌群的作用下水中的氨氮会转化成亚硝酸盐，而亚硝酸盐最终转化成为硝酸盐。
当环境适宜及存在硝化菌群的条件下，硝化过程分两个阶段进行：第一阶段为亚硝化单胞菌将氨氮氧化成为亚硝酸盐;第二阶段亚硝酸盐被硝化杆菌转化成硝酸盐，上述两个阶段的反应式为：
第一阶段的亚硝化反应：
NH4++2O2 +HCO3-→NO2-+2H2O+H2CO3+亚硝酸菌
第二阶段的硝化反应：
NH4++ NO2-+O2+H2CO3+HCO3- →NO3-+H2O+硝酸菌
上述当量反应关系表明：氧化1 g氨氮成为硝酸盐时，第一阶段的亚硝化反应要消耗3.43 gO2，第二阶段的硝化反应还要消耗1.14 gO2;总共要消耗4.57 gO2;在反应中还要消耗重碳酸盐碱度7.07 g(以CaCO3计)。亚硝酸菌增值0.019 g，硝酸菌增值0.146 g。
在硝化反应过程中，当循环冷却水中HCO3-的质量浓度小于硝化反应过程中生成的H+质量浓度时，循环冷却水pH值<7.0。将造成NO3-在循环冷却水中的质量浓度比原水源大幅提高。
2氨氮的硝化反应过程对循环水系统的腐蚀机理
采用城市中水(城市中水水质见表1)作为大型火力发电厂循环水补充水时，循环水系统具备以下条件：a) 原水氨氮、BOD5高;b) 温度适宜(30 ℃～35 ℃);c) 曝气运行的凉水塔十分适合硝化细菌的生长繁殖;d) 凉水塔的配水装置也会为硝化细菌的生长提供有利环境;e) pH范围为8～9;f) 水循环系统营养物质丰富;g) BOD5/CODcr在0.5左右(可生化性强);h) 水在系统中有较长停留时间。
表1 一般城市中水的水质 毫克每升
检测项目BOD5CODcrTN总P
检测结果20～3040～10020～506～10
当循环水系统具备以上条件时，氨氮受硝化菌群作用，在循环冷却水系统中的含量随浓缩倍率的升高反而将降低。但硝化细菌(属化能自养菌)和亚硝化菌的数量则因反应的进行而获得能量而增加;循环水中NO2- 、NO3-含量增加。
当作为补水进入电厂循环冷却系统的城市中水，正常情况下补水中的氨氮将使电厂循环冷却水的pH值升高，碱度升高，并在某值时达到平衡;但因为硝化反应，释放出H+，造成冷却水的pH值降低，硝化作用在循环冷却水中越剧烈，其值降低得越大，碱度也就降低得越多。国电榆次热电有限公司采用城市中水作为循环水补水，通过硝化反应，循环水氨氮降低约80%;NO3-含量增加6倍～10倍。
当电厂循环冷却水补水中总碱度较低，而氨氮含量高时，循环冷却水的pH值因硝化反应会异常降低。此工况下运行循环冷却水系统时，将不同程度腐蚀循环冷却水系统中凝汽器和其它换热设备的铜管、水泥构筑物等;凝汽器铜管的腐蚀速率与循环冷却水pH值有关，pH值<7时，随着pH值降低，腐蚀速率将急剧升高。
按照Larson指数的定义，当循环水的([CI-]+[SO42-])/[HCO3-]值大于0.5时，水的腐蚀性则较明显;而当循环水的[HCO3-]/([CI-]+[SO42-])值大于1时，凝汽器铜管几乎不发生点蚀;当发生硝化反应时，循环水中的HCO3-因硝化过程将被消耗，将增大凝汽器铜管发生腐蚀及点蚀的几率;循环冷却水系统中的NO3-和CO2会因硝化过程而增大，使Riddick指数增大，加大了电厂循环冷却水的腐蚀倾向。
当硝化反应一段时间后，循环冷却水的pH值持续小于7.0，会促进系统部件的酸性腐蚀。尤其是在循环冷却系统直接接触硝化细菌的局部地方，冷却水pH值更小，酸性更强，酸性腐蚀严重。
3氨氮对杀菌剂的影响
火力电厂循环冷却水常用的氧化性杀菌剂通常为次氯酸。而HClO易与氨氮发生反应，生出氯胺类化合物，据资料显示：反应可在1 min内完成，其反应式为：
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-
氯胺类化合物的杀菌效力和速度远不如氯，据相关资料显示：氯胺杀菌能力为氯的60%;而NH2CI的杀菌能力才为氯的22%;国际证明氯胺类化合物为致癌物。在循环冷却水系统的硝化反应过程中，冷却水中的硝化杆菌不能完全转化成NO2-，由于其是还原性物质，会大量消耗氧化性杀菌剂，降低杀菌效果。上述两种情况将使细菌和其它微生物在电厂循环冷却水系统中大量繁殖，因此加重了微生物腐蚀。当测定水中余氯量采用邻联甲苯胺法，NO2-会严重干扰测量值，造成余氯量测定值偏高的假象。
在循环冷却水系统中当氨氮含量高时，为了更有效地杀菌，应加大加氯量;缺点是会降低循环冷却水中的阻垢缓蚀剂的效能;还可能加速冷却塔填料等塑料物品的老化。
4减轻氨氮硝化反应过程对循环水系统影响的措施
4.1降低循环冷却系统补水的氨氮含量
当循环水补水为城市中水时，要采取有效措施去除氨氮和细菌。一般来说，城市中水的深度处理和预处理均采用加混凝剂和石灰混凝澄清、过滤的处理工艺，此法对去除水中的微生物、氨氮的效率低下，因此有必要先增加针对去除微生物和氨氮的工艺(如：改良的提高pH值曝气吹脱法;预先利用硝化过程的生物法)，然后再进行混凝澄清过滤处理。
4.2合理选用凝汽器管材
实践表明，用城市中水作补充水的循环水中均会发生较严重腐蚀，因此宜选用能良好耐微生物腐蚀的钛不锈钢管作为凝汽器管材。
4.3有效地进行杀菌灭藻
氨氮含量高和它在循环水系统中发生的硝化反应会不断消耗加入水中的氧化性杀菌剂，降低杀菌效果，引起菌藻大量繁殖，产生微生物腐蚀。为杀菌灭藻，除了要维持循环冷却水系统中杀菌剂的含量，还要定期采用非氧化杀菌剂杀菌;在冷却水中氨氮含量异常升高期间内，为有效控制菌藻爆发，应加大氧化性杀菌剂的剂量和进行非氧化杀菌剂杀菌，以避免冷却水质恶化;在此期间，为加强凝汽器铜管的防腐保护和控制水的浊度，还应添加铜缓蚀剂和降低浓缩倍率。
国电榆次热电有限公司的循环冷却水补水使用了经过深度处理的城市中水，应用合理的技术管理方法，在采用NaClO作为氧化性杀菌剂时(从技术角度出发，最好选用不与氨氮起反应的氧化性杀菌剂)，还定期进行非氧化杀菌剂杀菌，有很好的杀菌灭藻效果[5]。
4.4增设旁流过滤设备
开式循环冷却系统中，在适宜的水温、冷却塔充分地曝气、一定的停留时间下，虽然生化处理过程进行得很充分，但同时伴随着黑色粘泥的大量产生。粘泥可能堵塞凉水塔填料，附着凝汽器的铜管降低凝汽器的热交换，造成粘泥下的腐蚀。从这些厂设备检查及冷却塔清淤情况看，有必要增设旁流设备。
4.5冬季减少或停止石灰投加量。
如在冬季的预处理工艺中，只采用混凝处理，减少或停止石灰投加量，将会使循环水补水的碱度提高，在减轻和缓冲硝化反应过程对冷却水pH值影响的同时，也减少循环冷却水的浓缩倍率。在冬季，由于凉水塔水的蒸发损失减少，大幅减少了冷却水的补水量，为降低循环冷却系统的浓缩倍率创造了条件。
5结语
随着城市中水取代地下水、地表水等天然水源，逐步成为火电厂生产用水水源特别是循环冷却水水源，在循环冷却水系统中，由城市中水中的氨氮发生硝化反应引发了循环冷却水系统设备腐蚀严重、杀菌效果差和杀菌剂投加量增加等一系列问题。本文通过分析城市中水氨氮硝化反应的腐蚀机理和对杀菌剂的影响，提出必须采取合理有效的控制措施，控制循环水系统中的硝化反应，从而保证循环水系统的安全稳定经济运行。
原标题：采用城市中水作为火电厂循环水水源的影响
