氧化还原电位在污水和地表水净化中的作用

文_赵永彬 吴翠鲜

1.鄂尔多斯市污染物在线监控中心 2.鄂尔多斯市食品检验检测中心

氧化还原电位即ORP（Oxidation-reduction potential）是用来反映水质体系中所有物质表现出来的宏观氧化-还原性，ORP 值越大表明水体的氧化性越强，值越小表明水体的还原性越强。

1 ORP的检测原理

ORP 是水溶液中氧化还原能力的测量指标，其单位是mV。在水质检测中，氧化还原电位的测定主要使用氧化还原电位测定仪，它的检测测原理和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。ORP测定仪主要由ORP 测量电极、参比电极和电位计组成。ORP测量电极是一种可以在其敏感层表面进行电子吸收或释放的电极，该敏感层是一种惰性金属，通常是用铂和金来制作，由于它们很难和其他物质发生反应，因此结果可信度更高。参比电极是用和pH 电极一样的银/氯化银电极。ORP 的检测实际是电位差的测量，检测时将铂电极和参比电极插入水溶液中，金属表面便会产生电子转移反应，电极与溶液之间产生电位差，电极反应达到平衡时相对于参比电极的电位差即为氧化还原电位。

2 ORP在污水净化中的作用

氧化还原电位在工业废水的治理中已使用多年，特别是处理一些金属精加工中产生的废水，但近年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，不需要原来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，好氧吸磷等等。这些反应实际上就是碳（C）、磷(P)、硫(S)、氮(N)和氧化状态（含氧）的成分如硝酸盐(NO3

-)的变化、硫酸盐(SO42-)和还原状态（含氢）如氨(NH3)和硫化物(S2-)相互转变的过程。环境中的pH 对氧化还原电位也有影响。pH 值低时，氧化还原电位低；pH 值高时，氧化还原电位高。另外，水中的溶解氧含量在一定条件下会直接影响氧化还原电位，当溶解氧增大时，氧化还原电位也会随之增大；溶解氧减小时，氧化还原电位随之减小。

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，为+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。表1 列出了污水生化处理中常见的反应过程所适宜的ORP 值范围。

表1 不同生化反应过程适宜的ORP值范围

根据表1 中列出的生物反应所需要的ORP 值，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。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。

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。因此管理人员可通过ORP 来控制除磷工艺段的处理效果，提高除磷效果。当管理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。另外，管理人员还可以利用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。

3 ORP在地表水体净化中的作用

湿地系统中含碳、氮、磷等有机污染物的净化过程实质上是电子得失、价态变换的过程，通常需要在不同的环境条件下经过一系列的氧化还原反应才能完成，在很大程度上受水体环境中氧化还原电位的影响。另外，在人工湿地系统中，表层水体极易获得大气中的氧气，从而使得人工湿地表层形成了较好的氧化环境，而在湿地系统的中层和下层因好氧微生物的存在，水中氧气被大量消耗因而就表现出缺氧和厌氧环境，湿地系统中的水体至上而下氧化还原电位逐渐变小。

氧化还原电位不仅可反映人工湿地系统的溶氧状况，也可以反应一个湖泊或河流的本身净化或分解有机污染物质的能力。一般的ORP 值越高，水体分解能力也越强，水体越健康。当水体里ORP 值高，也就说明水里有足够的溶解氧，河流和湖泊水体及底泥中的有机物在好氧微生物的作用下分解产生氨氮，并进一步转化为亚硝酸盐、硝酸盐，水体中的硫元素也以硫酸根离子等氧化态存在，这种情况下河湖水质和底质良好。

当ORP 值低时，厌氧微生物起主导作用，消耗了大量的氧气造成了下层水体氧气的含量减少，水体或底泥中的各种物质会转化为亚硝酸盐、亚铁、硫化氢和甲烷等，随着具有毒性的亚硝酸盐和硫化氢的大量积聚；亚铁和亚锰离子出现，底泥变黑；甲烷产生，池底不断冒出气泡，这种情况下河湖水体和底质恶化。因此，通过ORP 的测量不仅可以反应出水体溶解氧的变化，同时也可提供水体的污染状态信息，从而为水环境质量管理者提供决策参考。

4 结语

ORP 指标虽然不能直接反映水质的好坏，但可以判断和掌握污水处理中的氧化还原反应进程，进而通过改变工艺条件来调节和优化污水处理效果。由于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，通过对水中ORP 在线检测，信息实时反馈到现场管理人员，管理人员可以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。通过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，使ORP 逐步成为水处理行业新的管理工具。