文_趙永彬 吳翠鮮

1.鄂爾多斯市污染物在線監(jiān)控中心 2.鄂爾多斯市食品檢驗(yàn)檢測中心

氧化還原電位即ORP（Oxidation-reduction potential）是用來反映水質(zhì)體系中所有物質(zhì)表現(xiàn)出來的宏觀氧化-還原性，ORP 值越大表明水體的氧化性越強(qiáng)，值越小表明水體的還原性越強(qiáng)。

1 ORP的檢測原理

ORP 是水溶液中氧化還原能力的測量指標(biāo)，其單位是mV。在水質(zhì)檢測中，氧化還原電位的測定主要使用氧化還原電位測定儀，它的檢測測原理和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。ORP測定儀主要由ORP 測量電極、參比電極和電位計(jì)組成。ORP測量電極是一種可以在其敏感層表面進(jìn)行電子吸收或釋放的電極，該敏感層是一種惰性金屬，通常是用鉑和金來制作，由于它們很難和其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因此結(jié)果可信度更高。參比電極是用和pH 電極一樣的銀/氯化銀電極。ORP 的檢測實(shí)際是電位差的測量，檢測時(shí)將鉑電極和參比電極插入水溶液中，金屬表面便會(huì)產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，電極與溶液之間產(chǎn)生電位差，電極反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)相對(duì)于參比電極的電位差即為氧化還原電位。

2 ORP在污水凈化中的作用

氧化還原電位在工業(yè)廢水的治理中已使用多年，特別是處理一些金屬精加工中產(chǎn)生的廢水，但近年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，不需要原來通過化驗(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，好氧吸磷等等。這些反應(yīng)實(shí)際上就是碳（C）、磷(P)、硫(S)、氮(N)和氧化狀態(tài)（含氧）的成分如硝酸鹽(NO3

-)的變化、硫酸鹽(SO42-)和還原狀態(tài)（含氫）如氨(NH3)和硫化物(S2-)相互轉(zhuǎn)變的過程。環(huán)境中的pH 對(duì)氧化還原電位也有影響。pH 值低時(shí)，氧化還原電位低；pH 值高時(shí)，氧化還原電位高。另外，水中的溶解氧含量在一定條件下會(huì)直接影響氧化還原電位，當(dāng)溶解氧增大時(shí)，氧化還原電位也會(huì)隨之增大；溶解氧減小時(shí)，氧化還原電位隨之減小。

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，為+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。表1 列出了污水生化處理中常見的反應(yīng)過程所適宜的ORP 值范圍。

表1 不同生化反應(yīng)過程適宜的ORP值范圍

根據(jù)表1 中列出的生物反應(yīng)所需要的ORP 值，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。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)。

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)。因此管理人員可通過ORP 來控制除磷工藝段的處理效果，提高除磷效果。當(dāng)管理人員不希望在一個(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)。另外，管理人員還可以利用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。

3 ORP在地表水體凈化中的作用

濕地系統(tǒng)中含碳、氮、磷等有機(jī)污染物的凈化過程實(shí)質(zhì)上是電子得失、價(jià)態(tài)變換的過程，通常需要在不同的環(huán)境條件下經(jīng)過一系列的氧化還原反應(yīng)才能完成，在很大程度上受水體環(huán)境中氧化還原電位的影響。另外，在人工濕地系統(tǒng)中，表層水體極易獲得大氣中的氧氣，從而使得人工濕地表層形成了較好的氧化環(huán)境，而在濕地系統(tǒng)的中層和下層因好氧微生物的存在，水中氧氣被大量消耗因而就表現(xiàn)出缺氧和厭氧環(huán)境，濕地系統(tǒng)中的水體至上而下氧化還原電位逐漸變小。

氧化還原電位不僅可反映人工濕地系統(tǒng)的溶氧狀況，也可以反應(yīng)一個(gè)湖泊或河流的本身凈化或分解有機(jī)污染物質(zhì)的能力。一般的ORP 值越高，水體分解能力也越強(qiáng)，水體越健康。當(dāng)水體里ORP 值高，也就說明水里有足夠的溶解氧，河流和湖泊水體及底泥中的有機(jī)物在好氧微生物的作用下分解產(chǎn)生氨氮，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽、硝酸鹽，水體中的硫元素也以硫酸根離子等氧化態(tài)存在，這種情況下河湖水質(zhì)和底質(zhì)良好。

當(dāng)ORP 值低時(shí)，厭氧微生物起主導(dǎo)作用，消耗了大量的氧氣造成了下層水體氧氣的含量減少，水體或底泥中的各種物質(zhì)會(huì)轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽、亞鐵、硫化氫和甲烷等，隨著具有毒性的亞硝酸鹽和硫化氫的大量積聚；亞鐵和亞錳離子出現(xiàn)，底泥變黑；甲烷產(chǎn)生，池底不斷冒出氣泡，這種情況下河湖水體和底質(zhì)惡化。因此，通過ORP 的測量不僅可以反應(yīng)出水體溶解氧的變化，同時(shí)也可提供水體的污染狀態(tài)信息，從而為水環(huán)境質(zhì)量管理者提供決策參考。

4 結(jié)語

ORP 指標(biāo)雖然不能直接反映水質(zhì)的好壞，但可以判斷和掌握污水處理中的氧化還原反應(yīng)進(jìn)程，進(jìn)而通過改變工藝條件來調(diào)節(jié)和優(yōu)化污水處理效果。由于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，通過對(duì)水中ORP 在線檢測，信息實(shí)時(shí)反饋到現(xiàn)場管理人員，管理人員可以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。通過進(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)，使ORP 逐步成為水處理行業(yè)新的管理工具。