氧化还原电位ORP在污水处理中的用途

Author: vch11602707
Published on: 2021-10-25 16:58
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一.什么是ORP？
ORP的英文全称是oxidation-reduction potential，翻译过来是氧化还原电位。
它是液体中指示电极的氧化还原电位与比较电极的氧化还原电位的差，可以对整个系统的氧化还原状态给出一个综合指标。 

  • 如ORP值低，表明废水处理系统中还原性物质或有机污染物含量高，溶解氧浓度低，还原环境占优。

  • 如ORP值高，表明废水中有机污染物浓度低，溶解氧或氧化性物质浓度高，氧化环境占优。

传统氧化还原水处理技术存在控制条件不够精准、浪费药剂、对环境不友好等不足，但借助ORP测量仪器，利用ORP的电信号作为检测与控制手段，可大大改进氧化还原水处理技术的精准控制水平，从而提高处理效果。
其检测测原理和pH类似，很多的pH在线检测仪表具有两通道的检测方式，其中就有ORP检测的通道。
总而言之，ORP是污水处理厂自动控制技术和厌氧精确控制发展的重要方向，对于节省能源、控制厌氧微生物的代谢途径以及改善处理效果具有重要的意义。
二.ORP的难点以及影响因素
由于在废水处理中，发生的氧化还原反应众多，而且在各反应器内影响ORO的因素也不相同，很难判断ORP的改变主要哪种因素中的那一种引起的。
比如，在活性污泥处理系统中存在很多有机物质，有机物浓度较大的变化引起ORP较小的变化，但很难判断ORP改变主要由那种有机物引起。
因此，在研究ORP改变对污水处理的指示作用前，应先了解影响其改变的因素有哪些。
1、溶解氧（DO）。
众所周知，DO表示溶解在水中的氧的含量，在好氧池中，出水口出DO应控制在2mg/l，如果是纯氧曝气应在4mg/l。缺氧反硝化池DO应在0.5mg/l。在厌氧池中，分子氧基本上不存在，硝态氮最好小于0.2mg/l。
DO作为废水处理的一种氧化剂，是引起系统ORP升高最直接的原因。在纯水中，ORP与DO的对数成线形关系，ORP随DO的升高而升高。
2、pH
废水处理中，pH值是一个重要的控制因子。好氧微生物和发酵产酸菌最佳生长pH值为6.5～8.5，厌氧产甲烷菌的最适宜pH为6.8～7.2。为控制合适的pH值，一般通过加碱调节的方法控制。
微生物的污染物的代谢活动对pH值影响很大，在产酸阶段，产酸菌分解大分子有机物产生脂肪酸和二氧化碳有降低pH的作用，但在分解蛋白质的过程中产生氨有提升pH值的作用；在产甲烷阶段，产甲烷菌利用乙酸产甲烷可提高系统的pH值。
pH值是引起ORP升降的一个重要因素，pH值越高，ORP越低；pH值越低，ORP越高。
值得一提的是，在污水中虽然pH与ORP有一定的相关性，但由于ORP还受微生物活动、溶解氧等因素的影响，pH与ORP的相关性没有在纯水中的强。
3、温度
在废水处理过程中，温度是一个非常重要的指标。好氧微生物在15～30℃活动旺盛，厌氧微生物最佳温度在35℃附近和55℃附近。
在厌氧废水处理过程中，温度的改变对微生物的组成和增殖、产甲烷速率、污泥的沉淀性能等都有重要影响，因此，为保证厌氧池运行的稳定，废水在进入厌氧池前一般通过冷却塔降温和水蒸气加热的方法调节废水温度至35℃或55℃。
研究实践表明，溶液温度越高，溶液的ORP越低；在废水处理过程中，温度的影响也是如此。另外水处理过程温度越高，ORP越低，还与温度升高导致水分子团簇变小有关。
此外，温度的改变也可同时导致酸碱度、气体溶解度、生物活性的改变以及水体污染物相间平衡的改变，进而影响ORP。 
3、微生物的组成
在废水生物处理系统中，存在着独特的生态系统。
在两相厌氧生物反应器中，实现了产酸菌和产甲烷菌的有效分离，便于系统的控制和管理。在絮状泥占优势的UASB中，沿水流方向依次筛选出了产酸菌和产甲烷菌。在厌氧颗粒泥和厌氧生物膜中，从外部到内部，占优势的菌种由产酸菌向产甲烷菌转变。
在厌氧反应系统中，必须把DO浓度和ORP控制的很低，特别是在产甲烷阶段，氧化还原电位不能高于-330mV。
而进水中难免会有DO的存在，但在这种独特的生态系统的作用下，通过好氧微生物、兼性微生物、厌氧微生物之间的协同作用以及共生作用，系统的ORP很快降到甲烷菌适宜生长的范围。这种低氧化还原电位的现象不仅存在于厌氧反应器中，甚至在曝气池中的絮状泥中也出现这种现象。
4、微生物的活性
厌氧活性污泥的活性可由最大比产甲烷速率和最大比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，消耗氧气的速率和产生还原性物质的速率也越快，ORP降低也越迅速 。
ORP作为反映水体宏观氧化还原性的综合指标，其影响因素种类较多，除上述几个主要影响因素外，还有压力、有机物、固体物质、微生物种类等因素的影响。
这些因素不是孤立的，它们相互影响、相互制约。因此，水体的氧化还原性也是多种因素综合作用的结果。
三、ORP在污水处理中的应用
早些时候，氧化还原电位主要应用在工业废水的治理中，特别是处理一些金属精加工中产生的废水，后来在市政污水处理厂也逐步得到了广泛的应用。 
污水系统中存在着多种变价离子和溶解氧，即多个氧化还原电对。通过ORP在线监测仪表，污水中的氧化还原电位可以在很短时间内被检测出来，不需要再通过化验室进行的采样测量，在时间上可以大大缩短化验流程，提高了工作效率。
在污水处理系统中重要的氧化还原反应包括含碳、含氮、含磷等有机污染物的生物降解，有机物的水解和酸化，硝化和反硝化反应，生物厌氧释磷，好氧吸磷等。
1、污水处理的各个阶段，微生物所需求的氧化还原电位不同
一般好氧微生物在+100mV以上均可生长，最适为+300～+400mV；兼性厌氧微生物在+100mV以上时进行好氧呼吸，在+100mV以下时进行无氧呼吸；专性厌氧细菌要求为-200～-250mV，其中专性厌氧的产甲烷菌要求为 -300～-400mV，最适为-330mV。
好氧活性污泥法系统中正常的氧化还原环境在+200～+600mV之间。污水生化处理中常见的反应过程所适宜的ORP值范围，如下表所示：

2、作为好氧生物处理、缺氧生物处理及厌氧生物处理中的控制策略

通过监测和管理污水的ORP，管理人员可人为地控制生物反应发生。通过改变工艺运行的环境条件，如：

  • 加大曝气量增加溶解氧浓度

  • 投加氧化性物质等措施提高氧化还原电位

  • 减小曝气量降低溶解氧浓度

  • 投加碳源和还原性物质降低氧化还原电位，从而实现促进或阻止该反应的进行。

因此，管理人员利用ORP作为好氧生物处理、缺氧生物处理及厌氧生物处理中的控制参数，可实现更好的处理效果。
好氧生物处理：
ORP与COD去除和硝化具有良好的相关性，通过ORP控制好氧曝气量，可避免曝气时间的不足或过量，确保处理出水的水质。
缺氧生物处理：
ORP与反硝化状态的氮浓度在缺氧生物处理过程中存在一定的相关性，可以以此作为判断反硝化过程是否结束的一个标准。相关实践表明，在反硝化脱氮过程中，当ORP对时间的导数＜-5时，反应较彻底。出水中含有硝态氮，可以防止产生各种有毒有害物质，例如硫化氢等。
厌氧生物处理：
厌氧反应过程中，当有还原物质产生时，ORP值就会降低；反之，还原物质减少，ORP值就会升高，并且在一定时间段里趋于稳定。
总而言之，对于污水处理厂的好氧生物处理，ORP与COD、BOD的生物降解，ORP与硝化反应具有良好的相关性。
对于缺氧生物处理，ORP与反硝化状态的硝酸盐氮浓度在缺氧生物处理过程中存在一定的相关性，可以以此作为判断反硝化过程是否结束的一个标准。
3、控制除磷工艺段的处理效果，提高除磷效果
对于生物除磷、除磷包括两个步骤：

  • 一是在厌氧环境下磷的释放阶段，发酵菌在ORP在-100～-225mV的条件下产生脂肪酸，脂肪酸通过聚磷菌吸收，同时释放磷进入水体中。

  • 二是在好氧池内聚磷菌开始降解上阶段吸收的脂肪酸同时从ATP转化成ADP获得能量，这种能量的储存需要从水中吸附过量的磷，吸附磷的反应要求好氧池内的ORP为+25～+250mV 之间，才能发生生物除磷的存储。

因此，工作人员可通过ORP来控制除磷工艺段的处理效果，提高除磷效果。
当工作人员不希望在一个硝化反应过程发生反硝化反应或亚硝酸盐的聚集，必须保持超过+50mV的ORP值。同理，管理人员防止在下水管道系统中发生恶臭（H2S）的产生，管理人员必须保持管道中超过-50mV的ORP值，以防止硫化物的形成和反应。
4、调节工艺的曝气时间和曝气强度，节能降耗
除此之外，工作人员还可以利用ORP与水中溶解氧的显著相关性，通过ORP来调节工艺的曝气时间和曝气强度，在满足生物反应条件的同时，达到节能降耗的目的。
综上所述，ORP的检测手段简单，设备价格较低，测量精度高，检测数据实时显示。
通过ORP 在线检测，工作人员可以根据实时反馈的信息，快速掌握污水净化反应过程和水体污染状态信息，从而实现污水处理环节的精细化管理和水环境质量的高效管理。
但如上文提到，在废水处理中，发生的氧化还原反应众多，且在各反应器内影响ORP的因素也不相同。
因此，在污水处理中，工作人员还需根据污水厂实际，进一步研究水中溶解氧、pH、温度、盐度等因素与ORP的相关关系，建立适合不同水体的ORP控制参数。
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