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氧化還原電位ORP在污水處理中的用途

Author: vch11602707
Published on: 2021-10-25 16:58
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一.什么是ORP？
ORP的英文全稱是oxidation-reduction potential，翻譯過來是氧化還原電位。
它是液體中指示電極的氧化還原電位與比較電極的氧化還原電位的差，可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的氧化還原狀態(tài)給出一個(gè)綜合指標(biāo)。 

  • 如ORP值低，表明廢水處理系統(tǒng)中還原性物質(zhì)或有機(jī)污染物含量高，溶解氧濃度低，還原環(huán)境占優(yōu)。

  • 如ORP值高，表明廢水中有機(jī)污染物濃度低，溶解氧或氧化性物質(zhì)濃度高，氧化環(huán)境占優(yōu)。

傳統(tǒng)氧化還原水處理技術(shù)存在控制條件不夠精準(zhǔn)、浪費(fèi)藥劑、對(duì)環(huán)境不友好等不足，但借助ORP測量儀器，利用ORP的電信號(hào)作為檢測與控制手段，可大大改進(jìn)氧化還原水處理技術(shù)的精準(zhǔn)控制水平，從而提高處理效果。
其檢測測原理和pH類似，很多的pH在線檢測儀表具有兩通道的檢測方式，其中就有ORP檢測的通道。
總而言之，ORP是污水處理廠自動(dòng)控制技術(shù)和厭氧精確控制發(fā)展的重要方向，對(duì)于節(jié)省能源、控制厭氧微生物的代謝途徑以及改善處理效果具有重要的意義。
二.ORP的難點(diǎn)以及影響因素
由于在廢水處理中，發(fā)生的氧化還原反應(yīng)眾多，而且在各反應(yīng)器內(nèi)影響ORO的因素也不相同，很難判斷ORP的改變主要哪種因素中的那一種引起的。
比如，在活性污泥處理系統(tǒng)中存在很多有機(jī)物質(zhì)，有機(jī)物濃度較大的變化引起ORP較小的變化，但很難判斷ORP改變主要由那種有機(jī)物引起。
因此，在研究ORP改變對(duì)污水處理的指示作用前，應(yīng)先了解影響其改變的因素有哪些。
1、溶解氧（DO）。
眾所周知，DO表示溶解在水中的氧的含量，在好氧池中，出水口出DO應(yīng)控制在2mg/l，如果是純氧曝氣應(yīng)在4mg/l。缺氧反硝化池DO應(yīng)在0.5mg/l。在厭氧池中，分子氧基本上不存在，硝態(tài)氮最好小于0.2mg/l。
DO作為廢水處理的一種氧化劑，是引起系統(tǒng)ORP升高最直接的原因。在純水中，ORP與DO的對(duì)數(shù)成線形關(guān)系，ORP隨DO的升高而升高。
2、pH
廢水處理中，pH值是一個(gè)重要的控制因子。好氧微生物和發(fā)酵產(chǎn)酸菌最佳生長pH值為6.5～8.5，厭氧產(chǎn)甲烷菌的最適宜pH為6.8～7.2。為控制合適的pH值，一般通過加堿調(diào)節(jié)的方法控制。
微生物的污染物的代謝活動(dòng)對(duì)pH值影響很大，在產(chǎn)酸階段，產(chǎn)酸菌分解大分子有機(jī)物產(chǎn)生脂肪酸和二氧化碳有降低pH的作用，但在分解蛋白質(zhì)的過程中產(chǎn)生氨有提升pH值的作用；在產(chǎn)甲烷階段，產(chǎn)甲烷菌利用乙酸產(chǎn)甲烷可提高系統(tǒng)的pH值。
pH值是引起ORP升降的一個(gè)重要因素，pH值越高，ORP越低；pH值越低，ORP越高。
值得一提的是，在污水中雖然pH與ORP有一定的相關(guān)性，但由于ORP還受微生物活動(dòng)、溶解氧等因素的影響，pH與ORP的相關(guān)性沒有在純水中的強(qiáng)。
3、溫度
在廢水處理過程中，溫度是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。好氧微生物在15～30℃活動(dòng)旺盛，厭氧微生物最佳溫度在35℃附近和55℃附近。
在厭氧廢水處理過程中，溫度的改變對(duì)微生物的組成和增殖、產(chǎn)甲烷速率、污泥的沉淀性能等都有重要影響，因此，為保證厭氧池運(yùn)行的穩(wěn)定，廢水在進(jìn)入?yún)捬醭厍耙话阃ㄟ^冷卻塔降溫和水蒸氣加熱的方法調(diào)節(jié)廢水溫度至35℃或55℃。
研究實(shí)踐表明，溶液溫度越高，溶液的ORP越低；在廢水處理過程中，溫度的影響也是如此。另外水處理過程溫度越高，ORP越低，還與溫度升高導(dǎo)致水分子團(tuán)簇變小有關(guān)。
此外，溫度的改變也可同時(shí)導(dǎo)致酸堿度、氣體溶解度、生物活性的改變以及水體污染物相間平衡的改變，進(jìn)而影響ORP。 
3、微生物的組成
在廢水生物處理系統(tǒng)中，存在著獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)。
在兩相厭氧生物反應(yīng)器中，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的有效分離，便于系統(tǒng)的控制和管理。在絮狀泥占優(yōu)勢的UASB中，沿水流方向依次篩選出了產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌。在厭氧顆粒泥和厭氧生物膜中，從外部到內(nèi)部，占優(yōu)勢的菌種由產(chǎn)酸菌向產(chǎn)甲烷菌轉(zhuǎn)變。
在厭氧反應(yīng)系統(tǒng)中，必須把DO濃度和ORP控制的很低，特別是在產(chǎn)甲烷階段，氧化還原電位不能高于-330mV。
而進(jìn)水中難免會(huì)有DO的存在，但在這種獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)的作用下，通過好氧微生物、兼性微生物、厭氧微生物之間的協(xié)同作用以及共生作用，系統(tǒng)的ORP很快降到甲烷菌適宜生長的范圍。這種低氧化還原電位的現(xiàn)象不僅存在于厭氧反應(yīng)器中，甚至在曝氣池中的絮狀泥中也出現(xiàn)這種現(xiàn)象。
4、微生物的活性
厭氧活性污泥的活性可由最大比產(chǎn)甲烷速率和最大比COD去除速率表示。好氧活性污泥的活性也可由最大比COD去除速率表示。
微生物的活性越高，消耗氧氣的速率和產(chǎn)生還原性物質(zhì)的速率也越快，ORP降低也越迅速 。
ORP作為反映水體宏觀氧化還原性的綜合指標(biāo)，其影響因素種類較多，除上述幾個(gè)主要影響因素外，還有壓力、有機(jī)物、固體物質(zhì)、微生物種類等因素的影響。
這些因素不是孤立的，它們相互影響、相互制約。因此，水體的氧化還原性也是多種因素綜合作用的結(jié)果。
三、ORP在污水處理中的應(yīng)用
早些時(shí)候，氧化還原電位主要應(yīng)用在工業(yè)廢水的治理中，特別是處理一些金屬精加工中產(chǎn)生的廢水，后來在市政污水處理廠也逐步得到了廣泛的應(yīng)用。 
污水系統(tǒng)中存在著多種變價(jià)離子和溶解氧，即多個(gè)氧化還原電對(duì)。通過ORP在線監(jiān)測儀表，污水中的氧化還原電位可以在很短時(shí)間內(nèi)被檢測出來，不需要再通過化驗(yàn)室進(jìn)行的采樣測量，在時(shí)間上可以大大縮短化驗(yàn)流程，提高了工作效率。
在污水處理系統(tǒng)中重要的氧化還原反應(yīng)包括含碳、含氮、含磷等有機(jī)污染物的生物降解，有機(jī)物的水解和酸化，硝化和反硝化反應(yīng)，生物厭氧釋磷，好氧吸磷等。
1、污水處理的各個(gè)階段，微生物所需求的氧化還原電位不同
一般好氧微生物在+100mV以上均可生長，最適為+300～+400mV；兼性厭氧微生物在+100mV以上時(shí)進(jìn)行好氧呼吸，在+100mV以下時(shí)進(jìn)行無氧呼吸；專性厭氧細(xì)菌要求為-200～-250mV，其中專性厭氧的產(chǎn)甲烷菌要求為 -300～-400mV，最適為-330mV。
好氧活性污泥法系統(tǒng)中正常的氧化還原環(huán)境在+200～+600mV之間。污水生化處理中常見的反應(yīng)過程所適宜的ORP值范圍，如下表所示：

2、作為好氧生物處理、缺氧生物處理及厭氧生物處理中的控制策略

通過監(jiān)測和管理污水的ORP，管理人員可人為地控制生物反應(yīng)發(fā)生。通過改變工藝運(yùn)行的環(huán)境條件，如：

  • 加大曝氣量增加溶解氧濃度

  • 投加氧化性物質(zhì)等措施提高氧化還原電位

  • 減小曝氣量降低溶解氧濃度

  • 投加碳源和還原性物質(zhì)降低氧化還原電位，從而實(shí)現(xiàn)促進(jìn)或阻止該反應(yīng)的進(jìn)行。

因此，管理人員利用ORP作為好氧生物處理、缺氧生物處理及厭氧生物處理中的控制參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)更好的處理效果。
好氧生物處理：
ORP與COD去除和硝化具有良好的相關(guān)性，通過ORP控制好氧曝氣量，可避免曝氣時(shí)間的不足或過量，確保處理出水的水質(zhì)。
缺氧生物處理：
ORP與反硝化狀態(tài)的氮濃度在缺氧生物處理過程中存在一定的相關(guān)性，可以以此作為判斷反硝化過程是否結(jié)束的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)實(shí)踐表明，在反硝化脫氮過程中，當(dāng)ORP對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)＜-5時(shí)，反應(yīng)較徹底。出水中含有硝態(tài)氮，可以防止產(chǎn)生各種有毒有害物質(zhì)，例如硫化氫等。
厭氧生物處理：
厭氧反應(yīng)過程中，當(dāng)有還原物質(zhì)產(chǎn)生時(shí)，ORP值就會(huì)降低；反之，還原物質(zhì)減少，ORP值就會(huì)升高，并且在一定時(shí)間段里趨于穩(wěn)定。
總而言之，對(duì)于污水處理廠的好氧生物處理，ORP與COD、BOD的生物降解，ORP與硝化反應(yīng)具有良好的相關(guān)性。
對(duì)于缺氧生物處理，ORP與反硝化狀態(tài)的硝酸鹽氮濃度在缺氧生物處理過程中存在一定的相關(guān)性，可以以此作為判斷反硝化過程是否結(jié)束的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。
3、控制除磷工藝段的處理效果，提高除磷效果
對(duì)于生物除磷、除磷包括兩個(gè)步驟：

  • 一是在厭氧環(huán)境下磷的釋放階段，發(fā)酵菌在ORP在-100～-225mV的條件下產(chǎn)生脂肪酸，脂肪酸通過聚磷菌吸收，同時(shí)釋放磷進(jìn)入水體中。

  • 二是在好氧池內(nèi)聚磷菌開始降解上階段吸收的脂肪酸同時(shí)從ATP轉(zhuǎn)化成ADP獲得能量，這種能量的儲(chǔ)存需要從水中吸附過量的磷，吸附磷的反應(yīng)要求好氧池內(nèi)的ORP為+25～+250mV 之間，才能發(fā)生生物除磷的存儲(chǔ)。

因此，工作人員可通過ORP來控制除磷工藝段的處理效果，提高除磷效果。
當(dāng)工作人員不希望在一個(gè)硝化反應(yīng)過程發(fā)生反硝化反應(yīng)或亞硝酸鹽的聚集，必須保持超過+50mV的ORP值。同理，管理人員防止在下水管道系統(tǒng)中發(fā)生惡臭（H2S）的產(chǎn)生，管理人員必須保持管道中超過-50mV的ORP值，以防止硫化物的形成和反應(yīng)。
4、調(diào)節(jié)工藝的曝氣時(shí)間和曝氣強(qiáng)度，節(jié)能降耗
除此之外，工作人員還可以利用ORP與水中溶解氧的顯著相關(guān)性，通過ORP來調(diào)節(jié)工藝的曝氣時(shí)間和曝氣強(qiáng)度，在滿足生物反應(yīng)條件的同時(shí)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。
綜上所述，ORP的檢測手段簡單，設(shè)備價(jià)格較低，測量精度高，檢測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。
通過ORP 在線檢測，工作人員可以根據(jù)實(shí)時(shí)反饋的信息，快速掌握污水凈化反應(yīng)過程和水體污染狀態(tài)信息，從而實(shí)現(xiàn)污水處理環(huán)節(jié)的精細(xì)化管理和水環(huán)境質(zhì)量的高效管理。
但如上文提到，在廢水處理中，發(fā)生的氧化還原反應(yīng)眾多，且在各反應(yīng)器內(nèi)影響ORP的因素也不相同。
因此，在污水處理中，工作人員還需根據(jù)污水廠實(shí)際，進(jìn)一步研究水中溶解氧、pH、溫度、鹽度等因素與ORP的相關(guān)關(guān)系，建立適合不同水體的ORP控制參數(shù)。
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