城市污水经常规的二级处理后尽管可除去大部分的有机物，但与天然水相比，出水中的COD特别是氨氮浓度仍较高(浓度为10～12mg/L，大大超过了冷却水水质要求的氨氮<1mg/L)，若再采用常规的深度处理(如折点加氯、空气吹脱、生物法等处理)，不仅提高了回用水的成本，还增加了环境污染。为此，以城市污水厂的二级处理出水为原水，进行了动态模拟试验，以研究二级处理出水直接回用于循环冷却水系统时氨氮和COD的变化，探索其直接回用作循环冷却水的可行性。
1 试验装置及试验水质
1.1 动态模拟装置
图1为循环冷却水系统动态模拟装置图，图中设计内容和材质主要参照了化工行业标准冷却水动态模拟试验方法(HG/T2160—91)的设计要求和试验条件，还参考了化工行业标准中的水处理剂缓蚀性能测定旋转挂片法(HG/T2159—91)。

①填料为2cm×2cm聚乙烯鲍尔环；②水泵最大流量为1～1.5m3/h；③各连接管线为PVC管；④分散器：有机塑料片；⑤布水器：采用洒水器头；⑥鼓风：采用普通的曝气器；⑦其余各容器均采用有机玻璃定做。装置要求：①冷却塔进出口温差在10～15℃；②旋转器的转速在75～150r/min，能连续工作200h以上；③水浴锅(恒温)要求在50℃。
1.2 试验水质
以武汉市沙湖水质净化厂城市二级处理出水为试验用水，其水质状况见表1。

13 试验说明
试验开始时取城市污水厂二级处理出水置入系统进行调试(控制浓缩倍率在2～3左右)，试运行30d后开始试验研究。试验时，首先排尽试运行时的水样，加入城市污水厂二级处理出水、调节流量和控制冷却水在进、出冷却塔的温度，进行启动试验和不同浓缩倍率试验，其试验条件：Q=0.06L/s；水浴锅温度为55℃；冷却水进塔温度为40℃；冷却水出塔温度为32℃；旋转器速度为80r/min；排污时间为6h。
2 氨氮的变化
2.1 氨氮的初期变化图2为冷却水中氨氮变化的试验结果。

由图2看出：在试验初期，氨氮浓度迅速下降(由12mg/L降至2mg/L)，并最终稳定在2mg/L。当系统运行30h后，冷却水中的氨氮浓度开始不再受补充水中的高氨氮浓度的影响。有研究表明：当氨氮的浓度>6mg/L时，铜管的腐蚀开始快速增加并超过标准，这说明了若采用普通的静态试验，城市污水厂二级处理出水中高浓度的氨氮(>10mg/L)，对试验的结果影响很大。但在敞开式循环冷却水系统中，由于冷却水系统的作用可以大大降低其浓度，且最后维持在2mg/L左右，故对铜管的腐蚀影响较小。对初期的氨氮降解规律进行回归拟合，并结合Maltlab计算，可得下式：
y=11.935e-0.0649x
R2=0.9995
(1)式
(1)表明在敞开式循环冷却水系统中，运行初期的氨氮以指数形式快速下降。
2.2 氨氮在不同浓缩倍数下的变化
在不同的浓缩倍率下进一步研究氨氮在冷却水系统的积累(见图3)。

由图3可知，尽管冷却水的浓缩倍率不断提高，但氨氮的浓度仍维持在2mg/L左右，其不随浓缩倍率的增加而增加。结合图2还可看出，氨氮浓度降低而亚硝酸盐氮的浓度在提高。维持浓缩倍率为2.5和2.8、系统运行2～3d后分别测得冷却水中硝酸盐氮的浓度为18.55mg/L和20.11mg/L，此时的亚硝酸盐氮的浓度为2.52mg/L和2.85mg/L。由下式可以计算出：硝化作用转化率η=(循环冷却水中硝酸盐氮浓度-补充水中硝酸盐氮浓度)/[补充水中氨氮浓度×浓缩倍率(k)]×100%；
亚硝酸转化率η=(循环冷却水中亚硝酸盐氮浓度-补充水中亚硝酸盐氮浓度)/[补充水中氨氮浓度×浓缩倍率(k)]×100%；
解吸作用转化率η=1-硝化作用转化率η-亚硝酸转化率η。因此当k=2.5时，硝化转化率η=58.6%，亚硝酸转化率η=8.3%，解吸作用转化率η=33.1%(上式中不计生物转化吸收)，此时可以计算出循环冷却水系统中的硝化作用为60%左右，解吸作用则为30%左右，而生成的亚硝酸为10%左右。
针对以上试验结果，究其原因主要为：冷却塔的温度长期保持在25～40℃，使得氨氮在冷却水系统中易于挥发；而这个水温也恰是亚硝酸菌和硝酸菌的最适宜温度范围(亚硝酸菌最佳生长温度为35℃，硝酸菌最佳生长温度为35～42℃)，且pH值为8.0左右时很适宜硝化菌的活动；供氧量充足，据计算，在冷却塔内冷却水与空气的接触足可以使冷却水中的溶解氧达到饱和状态，这些均有利于硝化作用，结果使得冷却水中氨氮的浓度迅速降低。结合生物的生长曲线还可进一步了解到微生物生长初期为对数增长期，即硝化菌以几何级数形式增加，其结果为试验初期冷却水中的氨氮以指数形式下降。在冷却水系统中，由于受各种因素的制约(如系统的杀菌等影响)，使得生物量增加到最大值时，将处于稳定状态，这也与微生物的生长曲线相符，其结果使得冷却水中的氨氮浓度维持于稳定状态，表现为冷却水中的氨氮浓度不随浓缩倍率的变化而变化。在动态试验中，尽管城市污水厂的二级出水中氨氮浓度较高(通常NH+4-N在10～20mg/L)，但由于冷却塔的吹脱作用、硝化作用和微生物转化吸收作用，使得氨氮在冷却水系统中维持在2mg/L左右，且不随时间和浓缩倍率的增加而积累。同时由硝化作用产生的NO-3也大大降低了氨氮对铜的腐蚀影响。
3 COD变化COD在循环冷却水系统中的变化
分别见图4和图5。

从图4可看出，随着系统运行时间的增加，冷却水中COD浓度并没有提高，而维持在稳定状态。从浓缩倍率与COD的关系中(图5)可进一步了解到，尽管浓缩倍率从1.5提高到3左右，但其COD值并没有明显增加，而与补充水中的相近。这说明了在循环冷却水系统中，由于冷却塔起到了一个“生物过滤塔"作用，除转变冷却水中的氨氮外，还可降解补充水中的有机物，使得冷却水中的COD值保持不变，这也降低了COD对系统造成的腐蚀、结垢等不良影响。
4 结语
① 由于冷却塔的作用，使得城市污水厂二级处理出水中的高氨氮浓度在敞开式循环冷却水系统迅速下降，最后稳定在2mg/L左右，且不随系统的运行时间和浓缩倍率而变化，且其中有约60%的氨氮转变为硝酸盐氮，另有约30%的则通过解吸作用除去。
② 冷却水中的COD浓度基本保持稳定，降低了对冷却水系统的影响。城市污水厂的二级处理出水回用作循环冷却水，有效地缓解了城市和工业用水紧张的问题。对于敞开式循环冷却水系统，因其水质要求不高及冷却水系统的特殊性，大大降低了由氨氮和COD带来的不利影响，故十分有利于城市污水厂二级处理出水回用作冷却水。