城市污水回用于循環冷卻水時氨氮去除
在城市污水中，特別是經過二級處理后污水中的氮，90％以上是以氨的形式存在，以氨氮形式脫氮，比去除硝酸鹽氮容易而經濟，在某些場合并不要求脫除總氮而只對脫除氨氮有要求。氨在工業循環水殺菌處理時會增加用氯量。氨對某些金屬，特別是銅具有腐蝕性，當再生水作為冷卻水回用時，要考慮冷卻設備腐蝕損害問題。因而在考慮將經處理的城市污水回用于工業循環冷卻水系統時，氨氮的去除尤為重要。
氨氮的去除有以下方法：
1 折點加氯法
廢水中含有氨和各種有機氮化物，大多數污水處理廠排水中含有相當量的氮。如果在二級處理中完成了硝化階段，則氮通常以氨或硝酸鹽的形式存在。投氯后次氯酸極易與廢水中的氨進行反應，在反應中依次形成三種氯胺：
NH3 + HOCl → NH2Cl(一氯胺) + H2O
NH2Cl + HOCl → NHCl2(二氯胺) + H2O
NH2Cl + HOCl→ NCl3(三氯胺) + H2O
上述反應與pH值、溫度和接觸時間有關，也與氨和氯的初始比值有關，大多數情況下，以一氯胺和二氯胺兩種形式為主。其中的氯稱為有效化合氯。
在含氨水中投入氯的研究中發現，當投氯量達到氯與氨的摩爾比值1∶1時，化合余氯即增加，當摩爾比達到 1.5∶1時，（質量比7.6∶1），余氯下降到最低點，此即“折點”"。在折點處，基本上全部氧化性的氯都被還原，全部氨都被氧化，進一步加氯就都產生自由余氯。
在廢水處理中，達到折點所需氯總是超過質量比7.6∶1，當污水的預處理程度提高時，到達折點所需氯量就減少。
折點加氯產生酸，當氧化1 mg/L NH3-N時，需14.3 mg/L的堿度（以CaCO3計）來中和，實際上，由于氯的水解，真正需要的堿度為15 mg/L。大多數情況下，pH值將略有降低。
為了達到折點反應所加入的氯劑，除形成次氯酸外，還增加廢水中的總溶解固體含量。在廢水復用情況下，溶解固體的含量可能成為影響回用的障礙。
折點加氯法因加氯量大，費用高，以及產酸增加總溶解固體等原因，目前尚未見以此為主要除氨方法的污水廠在運行。
2 氨吹脫
在廢水中，銨離子和氨氣相互轉化：
當pH為7時，只有銨離子存在，在pH為12時，只有氨氣存在，在適當條件下溶解氨能從廢水中釋出。
氨吹脫工藝是將水的pH值提到10.8～11.5的范圍，在吹脫塔中反復形成水滴，通過塔內大量空氣循環，氣水接觸，使氨氣逸出。
環境溫度低于0℃時，氨吹脫塔實際上無法工作。當水溫降低時，水中氨的溶解度增加，氨的吹脫率降低。由于水中碳酸鈣垢在吹脫塔的填料上沉積，可使塔板完全堵塞。另外，吹脫塔的投資很高。因此，國外原有的吹脫塔基本上都已停運。
3 選擇性離子交換法
使用選擇性離子交換劑--斜發沸石進行離子交換是近期開發的工藝，廢水中的銨離子將斜發沸石中的鈉或鈣替代出來，失效的沸石使用再生液再生，再生液通過氨吹脫塔脫氨。斜發沸石是沸石中的一種，在美國西部有幾處礦床自然存在。沸石的交換容量可由廢水的離子濃度來估計，同時要進行半生產性試驗，有的用4.8kg/m3。
此法存在的問題是：再生液需要再次脫氨；在沸石交換床內，氨解吸塔及輔助配管內存在碳酸鈣沉積；廢水中有機物易造成沸石堵塞而影響交換容量，須用各種化學及物理復蘇劑除去粘附在沸石上的有機物。目前這種方法應用也不多。
4 生物法脫氨
目前，生產中經常大量采用的方法是生物法脫氨。污水處理到硝化階段，生物反應在完成碳的氧化后再完成氮物質的氧化，使氨氮能氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽。但這樣需延長生物處理時間，并增加供氧量，這將使生物處理的基建投資和供氧動力增加，無疑會增加污水處理廠的負擔，加大廢水回用成本。
5 循環水系統脫氨
該法是我國“八五”科技攻關成果。中國市政工程東北設計研究院課題組將再生水作工業冷卻水回用的研究工作中，提出利用循環水系統，特別是冷卻塔，進行脫氨。循環水系統只要運行得法，掌握一定條件，在發揮冷卻作用的同時，可以作為脫氨兼用，既不需增加處理費用，又使水質達到回用要求，從而解決了氨氮指標影響回用的這一關鍵技術。
5.1 循環水系統脫氨的效果
循環水系統由冷卻塔、循環泵和換熱設備組成。在冷卻塔內，水與空氣接觸，進行蒸發冷卻，然后供換熱設備循環使用。冷卻塔由于蒸發、風吹、排污而需補充水，當將城市污水再生處理后作為補充水進入循環水系統中時，補充水中的氨氮在冷卻塔內得以脫除。這一規律在試驗和工業化實踐中所證實。
城市污水經二級和深度處理后，氨氮尚有10～30 mg/L左右，進入冷卻系統后，在濃縮倍數2的情況下，氨氮達到0.4 mg/L的低值。且不隨濃縮倍數增加和運行時間長短而積累。表3說明在工業用水實踐中，循環水系統中氨氮可小于1.0 mg/L，滿足包括電力工業在內的工業循環冷卻水氨氮指標小于1 mg/L的要求。
5.2 影響氨氮去除的因素
氨氮的去除機理是由于循環水系統是一個特殊的生態環境，合適的水溫，很長的停留時間，巨大的填料表面積，充足的空氣等等優良條件促使氨氮轉化。據測定，80％為硝化作用，10％為解吸作用，10％為微生物同化作用，三種作用綜合，而以硝化為主。因此，下列因素對氨氮的去除有影響。
5.2.1 冷卻塔濃縮倍數，停留時間
冷卻塔的濃縮倍數與節水效果直接相關，濃縮倍數越高，補給水量越少，循環水在系統內的停留時間越長。
循環水系統內的平均停留時間從公式（1）求得：
T=V/(Qb+Qm) (1)
式中 T—水在系統內的停留時間，h；
V—循環水系統容積，m3，一般為循環小時流量的1/3～1/5；
Qb—排污和泄露損失水量，m3/h；
Qm—風吹損失水量,m3/h。
例如1×104 m3/h的循環水系統，當濃縮倍數為2時，循環水在系統內的停留時間為12.5 h；當濃縮倍數為5時，停留時間為50h。可見其停留時間很長。
當濃縮倍數2以上，城市污水中氨氮含量為20～50 mg/L時，循環水中氨氮濃度可小于1mg/L。我國大多數工業冷卻系統，濃縮倍數在2左右，所以，大多數工廠的循環水冷卻系統都具有很高的去除氨氮的能力，這一去除氨氮的創新技術，具有普遍推廣價值。
5.2.2 堿度和pH
經計算，每氧化lgNH3-N要消耗堿度7.14g（以CaCO3計）。當堿度不足時，應當補加。
循環水系統pH要保持在7.0～8.0，使循環水的pH值適宜硝化菌的活動。
5.2.3 溫度
亞硝酸菌最佳生長溫度為35℃，硝酸菌的最佳生長溫度為35～42℃，在適宜的溫度下，硝化菌活性高增長快，對氨氮的去除能力增強。通常冷卻塔水的溫度長期保持在25～40℃范圍內，恰是在硝化菌最適宜的溫度范圍內，并且不存在低溫時硝化菌效能減退問題。這是任何市政污水處理構筑物無法比擬的。
5.2.4 供氧量
計算得出，將lgNH3-N氧化為NO2--N需耗氧3.43g，將lgNO2--N，需耗氧1.14g，硝化作用共耗氧4.57g。氨氮的硝化應保證空氣量為硝化所需空氣量的50倍。
在冷卻塔內，每立方米水的空氣量可達2000 m3，供氧充足，溶解氧可以達到飽和。這樣高的空氣量可以提高溶解氧向液膜的傳遞速率，有利于硝化活動的進行。
5.2.5 生物膜
污水經二級處理和深度處理后，水中還含有一定數量的細菌和有機物，在冷卻塔填料表面很容易形成一層生物膜。冷卻塔填料有點滴式、膜板式、網格狀、蜂窩狀等多種形式，表面積在100～350 m2／m3。巨大的表面積為生物膜生長提供了良好場地，雖然填料的比表面積大，但由于循環水是補充水的幾十倍，可看作高倍數回流，因此填料不會有脫水現象發生。避免了生物膜干化而影響活性。由于再生水的BOD小于10 mg/L，加上循環水有大量稀釋能力，因而合成代謝所形成的新細胞數量很小，膜的增殖脫落量不大，不會發生填料間隙的堵塞問題。按計算，每氧化1mg NH3-N產生0.15mg新細胞，當原水為20mg/L NH3-N時，也只產生3.0mg/L懸浮物，數量很少。工程實踐也證明，已使用再生水的循環水系統懸浮物很低，填料不堵塞，冷卻塔也并不因其具有硝化功能而增加排污。循環水系統脫氨已經成功運行數年。
6 結語
經深度處理的城市污水，含氨氮20～50 mg/L時，在循環冷卻水的pH值為7～8、濃縮倍數為2的條件下，循環水中的氨氮濃度可小于1 mg/L。因此使用經深度處理的城市污水作為工業循環冷卻水的補充水，不會造成循環水中氨氮的積累。
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