基于废水处理工艺的氧化还原电位实验研究

2016-04-11肖粲然河北工业大学能源与环境工程学院天津300000

中国新技术新产品 2016年2期

关键词：废水处理工艺

肖粲然（河北工业大学能源与环境工程学院，天津　300000）

基于废水处理工艺的氧化还原电位实验研究

肖粲然
（河北工业大学能源与环境工程学院，天津300000）

摘要：在有机废水处理过程中，发生着多种氧化还原反应，氧化还原电位对整个系统的氧化还原状态起到指示作用。本文将废水处理工艺和ICASB池高度作为研究对象，研究氧化还原电位的变化特性。

关键词：氧化还原电位；废水处理；IC反应池；工艺

混凝技术在水处理领域中是一项应用最广泛、最基础的技术。采用混凝技术去除水中的悬浮物，常作为水处理工艺中的第一步，也是后续处理工艺的基础。有事实表明如果水处理设计过程中，确定科学合理的混凝工艺能够有效提高出水水质，除此之外还能实现节约能源、缩减运行费用的作用。氧化还原电位（ORP）作为水处理中常用的水质综合指标，可用来反映溶液体系的宏观氧化还原特性，具有便于研制价格低廉、操作方法简单、检测结果迅速准确、并可实现动态在线监测等优点。然而目前氧化还原电位的影响因素仍然是限制ORP使用的重要原因。

1 氧化还原电位（ORP）测量原理

氧化还原电位即为液体接界电势差情况下氧化还原电对组成的电极电位和NHE的差值。为了测量氧化还原电位，不同简单地按照其基本概念进行，而是将氧化还原电位作为得失电子难易程度的度量。测量原理如下：以铂电极当测量电极，以饱和甘汞电极当参比电极，用pH仪得到极点之间的电位差。因此将ORP的测量转变成为电位差的测量。要想得到任意反应电对的准确测量值，则必须要求有标准参比电极，且参比反应是氢的氧化过程。考虑到现实因素，氢电极的应用受限。选择铂电极当成测量电极是考虑到其很难和其他物质发生反应，因此结果可信度更高。ORP的测量也可以理解为电位势能测量，这是由于电路无法流经水溶液，也正因为此，通常不考虑电解作用产生的成分变化。溶液氧化还原电位随氧化能力按照一定比例增减，呈现出显著线性。

图1　工艺流程图

2 工艺流程中氧化还原电位的变化

本次实验将某大豆蛋白工厂排出的废水作为研究对象，其中污泥培养工作在实验期间已完成。实验所取废水主要由酸沉废水、萃取废水与冲洗废水组成。废水中包含较多蛋白质与油脂，且有一定量无机酸与无机盐。污水排放适合生化处理，由于大豆蛋白水的浓度很高，因此选用厌氧，好氧二级生物进行处理，无需三级处理。相应工艺流程如图1所示。本次工艺采用的进水温度为40℃～55℃，并用冷却塔与蒸汽加热器控制水温。

2.1 实验方法

将取样点分别设置在各个处理设备处，包括调节池进出水口、总排放口、厌氧池出水渠、气浮池出水口、SBR进出水口等。利用聚乙烯塑料勺得到浅水的瞬间水样，放置在玻璃瓶中，确保水样将玻璃瓶充满，与此同时进行pH、ORP、DO等的测量。完成上述测量以后，把水样运送回实验室进行电导率的测试，然后将水样pH调到2及以下。最后进行COD测量。pH值测量选择复合电极，化学需氧量的测量运用重铬酸钾法，ORP的测量运用复合电极法。由于温度、COD、pH值、DO等均是ORP的重要影响因素，本次实验也将记录上述各影响因素在工艺流程上的变化。

2.2 实验结果分析

（1）OPR变化特征分析

本次实验历时2个月，取样之后测量COD的时间为5个小时。通过反复多次测量，得到ORP的变化特征如图2所示。影响ORP各影响因素的随工艺的变化情况见表1。

图2　工艺流程上ORP的变化特征曲线

表1

通过上述数据的对比分析，可知由调节池进口至出口，氧化还原电位的数值由-138mV变化到84mV，与此同时，废水温度因为冷却塔的效果，从46.3℃降至34.6℃。此调节池属于封闭式，pH值由3.66下降至3.6。原先附着于有机物上的离子在酸性条件下部分被释放，使得K从3.22上升至3.43。由调节池出水口到气浮出口氧化还原电位的值降低了，这主要是因为气浮池处于停止状态，DO被细菌消耗掉所致，降低到3.31mg/I，与此同时，由于代谢旺盛，温度有小幅上升。工艺流程中，由气浮出口至加药提升间，ORP又上升220mV，而此时pH值上升0.32，由于加入了氯化铁，因此K有所上升。由加药提升间至厌氧池的过程中，ORP又呈现出大幅下降趋势，在此工艺流程中，由于上一阶段产生较多低分子脂肪酸、甲烷等，使整个环境表现出很强的还原性，溶解氧几乎为0。三价铁离子均被还原为二价铁离子，pH值上升大约3，温度上升4.5℃。由好氧进水至好氧出水的过程中，氧化还原电位又出现很大的增量，此时在曝气作用下溶解氧有所提升，COD有较大降幅。从好氧出口至排水池出口的过程中，氧化还原电位有小幅度增量，可能由于COD的进一步降解所致。

图3　ICASB厌氧反应池结构图

（2）出水水质和氧化还原电位的关系

经过多次实验取样，均呈现以下规律：化学需氧量越低时，氧化还原电位越高，二者有显著相关性。笔者进行相关系数的计算，得出二者相关系数为0.94，证明用氧化还原电位判断水质优劣是可行的。与此同时，出水pH值和氧化还原电位的相关性很差，相关系数只有0.29。

3 厌氧池上ORP的特性研究

在现有的厌氧废水处理过程中，ORP与产酸发酵阶段密切相关。IC反应器水力停留间隔短，运行稳定性优秀，且具有占地面积小、节能等优点。然而IC反应器相比其他反应器（例如UASB）细微固体颗粒较多，使后续处理压力增大。而且IC反应器出水SS浓度容易受到产气率的影响，因此只有有效控制产气率方可提高水质。在厌氧废水的处理过程中，氧化还原电位时刻发生着变化，下文将针对ICASB厌氧反应器中ORP的变化特性进行研究。

3.1 实验装置

该实验选用ICASB厌氧反应器，由上下两个反应区共同构成。其中反应池的内壁运用环氧树脂实现防腐作用，反应器尺寸为8.8×8.4×13.5（长、宽、高）。反应池的池体在竖直方向布置了六个取样口，且垂直高度分别为0.5m、2m、4m、6m、8m与10m。出气管道共包含8根提升管与四根下降管。该ICASB厌氧反应池的结构示意图如图3所示。

3.2 实验过程

本次实验将四号池与五号池作为研究对象，二者表现差异大，前者运行情况良好，后者相对较差。布置取样点时在高度方向设置1号～6号总共六个取泥管。将样品倒进胶桶内，并记录此时的氧化还原电位、温度与pH值。并现场取样10L送到实验室中。在实验室完成电导率测试，测试前应将样品首先摇匀，并用两桶将泥样取出。完成MLSS与MLVSS的测量过程。最后一步是针对COD的测试，因为实验中底部取样点污泥浓度相对大的多，且样品溶液量不多，因此采用窗纱过滤的方式进行取样，获得上层清液。影响ORP各因素的测试均采用上一章介绍的方法。

3.3 实验结果分析

（1）厌氧池高度上ORP变化特征分析

考虑到不同反应器内的物理、生化环境有很大区别，因此相应的氧化还原变化特性也会出现不同结果。为此，本次实验选取了四号与五号两个厌氧池内的氧化还原电位变化特征，并标注为ORP1与ORP2，实验时需要控制两个厌氧池的入水口水质与流量均保持一致。实验结果如图4所示。

从图4可以看出，在控制四号池与五号池进水水质与水流量一致的情况下，两个池子里氧化还原电位的变化趋势截然不同。其中四号池中氧化还原电位随着高度上升而不断下降，下降大约20mv，但是五号池随着高度升高，ORP却呈现出先升高，后下降，最后又大幅上升的趋势。产生二者截然不同变化趋势的原因分析如下：

四号池中温度大约提高3℃，pH值也有所提高，这均是使ORP持续下降的原因。因为产甲烷的菌群占据了主导地位，其代谢方式主要是还原反应，所以产物大多为甲烷、氢气、脂肪酸等，对降低ORP有一定贡献。五号池出现ORP下降的原因与四号池相同，其中出现上升趋势主要由于产酸菌占优势所致。出现产酸菌占优势处的气闭性较差，还原性气体大量挥发。

如图5所示为ORP与COD去除之间的关系，可见二者相关性良好，变化幅度大致相同。4号池与5号池相比COD去除效果更佳，考虑到是由于氧化还原电位下降，使甲烷占优势。为了确保良好的厌氧池COD去除效果，应使ORP持续下降。

除此之外，进水中不同有机物的浓度将使ORP有较大变化，随着进水有机物浓度的提升，ORP不断下降。然而出水中有机物浓度和出水氧化还原电位相关性较差，因此ORP无法作为评价厌氧出水水质的依据。氧化还原电位与厌氧池高度上温度、酸碱度、COD相关性良好。

结语

由于影响ORP的因素较多，本文从废水处理工艺流程与ICASB厌氧池高度上进行ORP变化特征的研究，总结出工艺出水COD和ORP相关性良好，出水pH和ORP相关性较差；氧化还原电位在高度下降过程中比其沿池体高度有升有降处理效果更佳，且在厌氧池高度上氧化还原电位和温度、酸碱度、COD均有良好相关性，因此实践中可以通过ORP曲线进行污泥活性等的判定。