中水中氨氮含量對電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的影響研究

袁鳳玲，顏 琨

(1.同方環(huán)境股份有限公司，北京 100081;2.河北西柏坡發(fā)電有限責(zé)任公司，石家莊 050400)

1 概述

河北某熱電廠循環(huán)水補(bǔ)水設(shè)計(jì)采用經(jīng)深度處理后的中水，經(jīng)該污水廠處理后中水中氨氮的質(zhì)量濃度在0 ～135 mg/L 之間，其中大部分時(shí)間位于30 ～80 mg/L 之間，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了二級排放標(biāo)準(zhǔn)要求，而電廠石灰處理對中水中的氨氮沒有去除效果，因此循環(huán)水補(bǔ)水中氨氮的質(zhì)量濃度長期在30 ～80 mg/L之間。

氨氮也稱氨態(tài)氮，包括游離氨態(tài)氮NH3-N 和銨鹽態(tài)氮-N，其在亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌作用下，在循環(huán)水中發(fā)生硝化反應(yīng)［1-2］和反硝化反應(yīng)。循環(huán)水中溶氧含量較高，因此循環(huán)水系統(tǒng)中以硝化反應(yīng)為主，而水塔下部淤泥雖然為厭氧的反硝化菌提供了生存場所［3-4］，但較硝化反應(yīng)、反硝化反應(yīng)在循環(huán)水系統(tǒng)中并非主要反應(yīng)。硝化反應(yīng)會產(chǎn)生H+，消耗重碳酸鹽堿度即HCO3－，隨著H+的不斷生成，循環(huán)水pH 值逐漸下降，當(dāng)硝化反應(yīng)產(chǎn)生的H+摩爾含量大于循環(huán)水中的HCO3－時(shí)，循環(huán)水pH值＜7.0，同時(shí)硝化反應(yīng)也使循環(huán)水中的NO3－含量大幅升高。

2 氨氮在循環(huán)水系統(tǒng)中的變化規(guī)律

鑒于氨氮在循環(huán)水系統(tǒng)中的反應(yīng)，對電廠循環(huán)水系統(tǒng)中氨氮的情況進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)了氨氮在循環(huán)水系統(tǒng)中的變化規(guī)律。

2.1 電廠循環(huán)水中氨氮及硝酸根含量分析

2009年5月20日電廠循環(huán)水補(bǔ)水和循環(huán)水氨氮及硝酸根情況見表1，2010年3月2日電廠循環(huán)水補(bǔ)水和循環(huán)水氨氮及硝酸根情況見表2。

表1 2009年5月20日循環(huán)水水質(zhì)情況 mg/L

表2 2010年3月2日循環(huán)水水質(zhì)情況 mg/L

從表1和表2中可以看出:

a.氨氮在循環(huán)水中發(fā)生硝化反應(yīng)造成了循環(huán)水中的氨氮含量與濃縮倍率不成比例，同時(shí)循環(huán)水中的氨氮并未完全反應(yīng)，仍保有一定的含量，甚至在冬季循環(huán)水溫低時(shí)發(fā)生了一定的濃縮，但倍率遠(yuǎn)小于循環(huán)水濃縮倍率。

b.氨氮在循環(huán)水中發(fā)生硝化反應(yīng)造成了循環(huán)水pH 值明顯偏低。

c.由于硝化反應(yīng)造成循環(huán)水中硝酸根大量富集，而亞硝酸根基本都轉(zhuǎn)化為硝酸根，其濃度沒有大幅增加。

2.2 氨氮在循環(huán)水中的變化規(guī)律

選取了幾個(gè)有代表性的月份對該熱電廠的循環(huán)水pH 值和堿度情況進(jìn)行了分析，這幾個(gè)月份分別是5月、8月、10月和11月。其中全年循環(huán)水補(bǔ)水的pH 值大多都在8.3 ～9.0，循環(huán)水濃縮倍率在2.5～3.0 之間運(yùn)行。循環(huán)水pH 值情況見圖1和圖2，循環(huán)水堿度情況見圖3和圖4。

圖1 循環(huán)水中pH 值最大值數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖2 循環(huán)水中pH 值最小值數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖3 循環(huán)水中堿度最大值數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖4 循環(huán)水中堿度最小值數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從圖1－4中可以看出:

a.4 個(gè)月份相比，5月和10月的循環(huán)水pH 值和堿度明顯低于8月和11月，說明在循環(huán)水水溫較高和較低時(shí)，硝化細(xì)菌生長較其他月份緩慢，氨氮發(fā)生硝化反應(yīng)的速率低，pH 值和堿度下降緩慢;

b.5月循環(huán)水pH 值基本在8.0 以下運(yùn)行，在5月下旬時(shí)，pH 值低至7.5 以下，最小值在7.0 左右;

c.10月循環(huán)水pH 值基本在8.0 以下運(yùn)行，在10月上旬和下旬，pH 值都低至7.5 以下，最小值在7.0 左右;

d.8月和11月的循環(huán)水pH 值大都維持在8.0～8.5 之間，最小值基本在7.5 以上。

縱觀全年數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在3月下旬至7月底和9月至10月期間，循環(huán)水的pH 值和堿度都偏低，因氨氮硝化反應(yīng)造成循環(huán)水堿度大量消耗，pH值大幅下降情況明顯。

綜上所述，氨氮在循環(huán)水中的存在形式隨季節(jié)變化而發(fā)生變化。在春秋季時(shí)，氨氮硝化反應(yīng)明顯，氨氮大部分轉(zhuǎn)化為硝酸根存在于循環(huán)水中;在夏季和冬季時(shí)，氨氮硝化反應(yīng)較春秋季趨緩，氨氮與硝酸根并存于循環(huán)水中，且氨氮也發(fā)生了濃縮，但濃縮倍率遠(yuǎn)低于氯根的濃縮倍率。氨氮在循環(huán)水中發(fā)生硝化反應(yīng)，消耗了大量堿度，造成循環(huán)水pH 值偏低，如不進(jìn)行調(diào)整，pH 值將長期處于6.5 ～7.5 之間。

3 氨氮對循環(huán)水系統(tǒng)的影響

由于氨氮在循環(huán)水系統(tǒng)中發(fā)生了濃縮，也發(fā)生了硝化反應(yīng)，造成循環(huán)水pH 值偏低，硝酸根富集，考慮到電廠循環(huán)水系統(tǒng)使用的材質(zhì)均為317L 不銹鋼，因此對氨氮對317L 的影響進(jìn)行了電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)研究。

電化學(xué)測試采用Princeton Applied ResearchTM公司的電化學(xué)測試系統(tǒng)EG＆GPARC M273 恒電位儀，試驗(yàn)控制及參數(shù)確定采用M352 軟件系統(tǒng)。電化學(xué)測試采用三電極體系，輔助電極為鉑電極，參比電極為雙液接飽和甘汞電極(SCE)，317L 不銹鋼為工作電極。試驗(yàn)用水水質(zhì)情況見表1、2，試驗(yàn)水溫為常溫。

3.1 高pH 值下不同氨氮含量對317L 不銹鋼的影響

向試驗(yàn)用水中加入NH4HCO3和NaOH，通過電化學(xué)試驗(yàn)考察高pH 值下不同氨氮含量對材質(zhì)的影響，獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

從表3中可以看出，在試驗(yàn)用水中，當(dāng)pH 值在9.0 左右時(shí)，隨氨氮含量增加，317L 不銹鋼的維鈍電流和擊破電位差別均不大，說明pH 值在9.0 左右時(shí)，高含量氨氮對317L 腐蝕性能的影響受到明顯抑制，其對317L 腐蝕性能影響不大。

表3 高pH 值下不同氨氮含量對317L 不銹鋼的影響數(shù)據(jù)

3.2 不同pH 值對317L 不銹鋼的影響

將試驗(yàn)用水濃縮1.5 倍后，加入H2SO4或NaOH 調(diào)整pH 值，在氨氮為0 mg/L 的情況下，進(jìn)行不同pH 值對材質(zhì)的影響電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，相應(yīng)數(shù)據(jù)情況見表4。

表4 不同pH 值對317L 不銹鋼的影響數(shù)據(jù)

從表4中可以看出，在1.5 倍濃縮水中，pH 值7.80 與5.50、6.50、8.50 相比，317L 不銹鋼的維鈍電流相差不大，而擊破電位出現(xiàn)較大下降，說明pH值7.80 與其他pH 值相比降低了317L 的耐蝕性。

3.3 不同硝酸根含量對317L 不銹鋼的影響

向試驗(yàn)用水中加入硝酸銨，在pH 值均為8.2以上的情況下，進(jìn)行不同硝酸根對材質(zhì)的影響電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，相應(yīng)數(shù)據(jù)情況見表5。

表5 不同硝酸根含量對317L 不銹鋼的影響數(shù)據(jù)

從表5可以看出，在試驗(yàn)用水中，當(dāng)pH 值在8.2 ～8.8 之間時(shí)，硝酸根的質(zhì)量濃度88 mg/L 和155 mg/L 與硝酸根的質(zhì)量濃度0 mg/L 相比，維鈍電流變化不大，擊破電位有明顯提升，說明pH 值在8.2 ～8.8 時(shí)，硝酸根增強(qiáng)了317L 不銹鋼的耐蝕性。

由以上數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論:

a.循環(huán)水pH 值達(dá)到9.0 時(shí)可以有效抑制氨氮對317L 不銹鋼的耐蝕性的影響;

b.循環(huán)水pH 值7.8 與5.5、6.5、8.5 相比降低了317L 的耐蝕性;

c.當(dāng)pH 值在8.2 ～8.8 之間時(shí)，硝酸根增強(qiáng)了317L 不銹鋼的耐蝕性。

因此，要降低氨氮對循環(huán)水系統(tǒng)材質(zhì)腐蝕的影響，應(yīng)盡量控制循環(huán)水pH 值在8.0 以上，發(fā)揮硝酸根的積極作用，當(dāng)水中氨氮含量較高時(shí)，可以提高循環(huán)水pH 值至9.0 以抑制氨氮對317L 不銹鋼的影響。

4 結(jié)論與建議

a.氨氮在循環(huán)水中的存在形式隨季節(jié)變化而發(fā)生變化。在春秋季時(shí)，氨氮硝化反應(yīng)明顯，氨氮大部分轉(zhuǎn)化為硝酸根存在于循環(huán)水中;在夏季和冬季時(shí)，氨氮硝化反應(yīng)較春秋季趨緩，氨氮與硝酸根并存于循環(huán)水中。

b.氨氮在循環(huán)水中發(fā)生硝化反應(yīng)，消耗了大量堿度，造成循環(huán)水pH 值偏低，如不進(jìn)行調(diào)整，將長期處于6.5 ～7.5 之間。

c.循環(huán)水pH 值達(dá)到9.0 時(shí)可以有效抑制氨氮對317L 不銹鋼的耐蝕性的影響，循環(huán)水pH 值7.8與5.5、6.5、8.5 相比降低了317L 的耐蝕性，當(dāng)pH值在8.2 ～8.8 之間時(shí)，硝酸根增強(qiáng)了317L 不銹鋼的耐蝕性。

d.要降低氨氮對循環(huán)水系統(tǒng)材質(zhì)腐蝕的影響，應(yīng)盡量控制循環(huán)水pH 值在8.0 以上，發(fā)揮硝酸根的積極作用，當(dāng)水中氨氮含量較高時(shí)，可以提高循環(huán)水pH 值至9.0 以抑制氨氮對317L 不銹鋼的影響。

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