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氧化還原電位ORP究竟是個啥?它在污水處理中都有哪些作用?
來源:水處理新視野 | 作者:hemeijiakeji | 發布時間: 2021-10-25 | 21 次瀏覽 | 分享到:


01
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,可以對整個系統的氧化還原狀態給出一個綜合指標。 
  • 如ORP值低,表明廢水處理系統中還原性物質或有機污染物含量高,溶解氧濃度低,還原環境占優。

  • 如ORP值高,表明廢水中有機污染物濃度低,溶解氧或氧化性物質濃度高,氧化環境占優。

傳統氧化還原水處理技術存在控制條件不夠精準、浪費藥劑、對環境不友好等不足,但借助ORP測量儀器,利用ORP的電信號作為檢測與控制手段,可大大改進氧化還原水處理技術的精準控制水平,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是污水處理廠自動控制技術和厭氧精確控制發展的重要方向,對于節省能源、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。

02
ORP的難點以及影響因素

由于在廢水處理中,發生的氧化還原反應眾多,而且在各反應器內影響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中存在很多有機物質,有機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物引起。
因此,在研究ORP改變對污水處理的指示作用前,應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應控制在2mg/l,如果是純氧曝氣應在4mg/l。缺氧反硝化池DO應在0.5mg/l。在厭氧池中,分子氧基本上不存在,硝態氮最好小于0.2mg/l。
DO作為廢水處理的一種氧化劑,是引起系統ORP升高最直接的原因。在純水中,ORP與DO的對數成線形關系,ORP隨DO的升高而升高。
2、pH
廢水處理中,pH值是一個重要的控制因子。好氧微生物和發酵產酸菌最佳生長pH值為6.5~8.5,厭氧產甲烷菌的最適宜pH為6.8~7.2。為控制合適的pH值,一般通過加堿調節的方法控制。
微生物的污染物的代謝活動對pH值影響很大,在產酸階段,產酸菌分解大分子有機物產生脂肪酸和二氧化碳有降低pH的作用,但在分解蛋白質的過程中產生氨有提升pH值的作用;在產甲烷階段,產甲烷菌利用乙酸產甲烷可提高系統的pH值。
pH值是引起ORP升降的一個重要因素,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有一定的相關性,但由于ORP還受微生物活動、溶解氧等因素的影響,pH與ORP的相關性沒有在純水中的強。
3、溫度
在廢水處理過程中,溫度是一個非常重要的指標。好氧微生物在15~30℃活動旺盛,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,溫度的改變對微生物的組成和增殖、產甲烷速率、污泥的沉淀性能等都有重要影響,因此,為保證厭氧池運行的穩定,廢水在進入厭氧池前一般通過冷卻塔降溫和水蒸氣加熱的方法調節廢水溫度至35℃或55℃。
研究實踐表明,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,還與溫度升高導致水分子團簇變小有關。
此外,溫度的改變也可同時導致酸堿度、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,進而影響ORP。 
3、微生物的組成
在廢水生物處理系統中,存在著獨特的生態系統。
在兩相厭氧生物反應器中,實現了產酸菌和產甲烷菌的有效分離,便于系統的控制和管理。在絮狀泥占優勢的UASB中,沿水流方向依次篩選出了產酸菌和產甲烷菌。在厭氧顆粒泥和厭氧生物膜中,從外部到內部,占優勢的菌種由產酸菌向產甲烷菌轉變。
在厭氧反應系統中,必須把DO濃度和ORP控制的很低,特別是在產甲烷階段,氧化還原電位不能高于-330mV。
而進水中難免會有DO的存在,但在這種獨特的生態系統的作用下,通過好氧微生物、兼性微生物、厭氧微生物之間的協同作用以及共生作用,系統的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象不僅存在于厭氧反應器中,甚至在曝氣池中的絮狀泥中也出現這種現象。
4、微生物的活性
厭氧活性污泥的活性可由最大比產甲烷速率和最大比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生還原性物質的速率也越快,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,其影響因素種類較多,除上述幾個主要影響因素外,還有壓力、有機物、固體物質、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果。

03
ORP在污水處理中的應用

早些時候,氧化還原電位主要應用在工業廢水的治理中,特別是處理一些金屬精加工中產生的廢水,后來在市政污水處理廠也逐步得到了廣泛的應用。 
污水系統中存在著多種變價離子和溶解氧,即多個氧化還原電對。通過ORP在線監測儀表,污水中的氧化還原電位可以在很短時間內被檢測出來,不需要再通過化驗室進行的采樣測量,在時間上可以大大縮短化驗流程,提高了工作效率。
在污水處理系統中重要的氧化還原反應包括含碳、含氮、含磷等有機污染物的生物降解,有機物的水解和酸化,硝化和反硝化反應,生物厭氧釋磷,好氧吸磷等。
1、污水處理的各個階段,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以上時進行好氧呼吸,在+100mV以下時進行無氧呼吸;專性厭氧細菌要求為-200~-250mV,其中專性厭氧的產甲烷菌要求為 -300~-400mV,最適為-330mV。
好氧活性污泥法系統中正常的氧化還原環境在+200~+600mV之間。污水生化處理中常見的反應過程所適宜的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

通過監測和管理污水的ORP,管理人員可人為地控制生物反應發生。通過改變工藝運行的環境條件,如:

  • 加大曝氣量增加溶解氧濃度

  • 投加氧化性物質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降低氧化還原電位,從而實現促進或阻止該反應的進行。

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,可實現更好的處理效果。
好氧生物處理:
ORP與COD去除和硝化具有良好的相關性,通過ORP控制好氧曝氣量,可避免曝氣時間的不足或過量,確保處理出水的水質。
缺氧生物處理:
ORP與反硝化狀態的氮濃度在缺氧生物處理過程中存在一定的相關性,可以以此作為判斷反硝化過程是否結束的一個標準。相關實踐表明,在反硝化脫氮過程中,當ORP對時間的導數<-5時,反應較徹底。出水中含有硝態氮,可以防止產生各種有毒有害物質,例如硫化氫等。
厭氧生物處理:
厭氧反應過程中,當有還原物質產生時,ORP值就會降低;反之,還原物質減少,ORP值就會升高,并且在一定時間段里趨于穩定。
總而言之,對于污水處理廠的好氧生物處理,ORP與COD、BOD的生物降解,ORP與硝化反應具有良好的相關性。
對于缺氧生物處理,ORP與反硝化狀態的硝酸鹽氮濃度在缺氧生物處理過程中存在一定的相關性,可以以此作為判斷反硝化過程是否結束的一個標準。
3、控制除磷工藝段的處理效果,提高除磷效果
對于生物除磷、除磷包括兩個步驟:
  • 一是在厭氧環境下磷的釋放階段,發酵菌在ORP在-100~-225mV的條件下產生脂肪酸,脂肪酸通過聚磷菌吸收,同時釋放磷進入水體中。

  • 二是在好氧池內聚磷菌開始降解上階段吸收的脂肪酸同時從ATP轉化成ADP獲得能量,這種能量的儲存需要從水中吸附過量的磷,吸附磷的反應要求好氧池內的ORP為+25~+250mV 之間,才能發生生物除磷的存儲。

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。
當工作人員希望在一個硝化反應過程發生反硝化反應或亞硝酸鹽的聚集,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中發生惡臭(H2S)的產生,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。
4、調節工藝的曝氣時間和曝氣強度,節能降耗
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性,通過ORP來調節工藝的曝氣時間和曝氣強度,在滿足生物反應條件的同時,達到節能降耗的目的。

綜上所述,ORP的檢測手段簡單,設備價格較低,測量精度高,檢測數據實時顯示。
通過ORP 在線檢測,工作人員可以根據實時反饋的信息,快速掌握污水凈化反應過程和水體污染狀態信息,從而實現污水處理環節的精細化管理和水環境質量的高效管理。
但如上文提到,在廢水處理中,發生的氧化還原反應眾多,且在各反應器內影響ORP的因素也不相同。
因此,在污水處理中,工作人員還需根據污水廠實際,進一步研究水中溶解氧、pH、溫度、鹽度等因素與ORP的相關關系,建立適合不同水體的ORP控制參數。
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