氧化还原电位-ORP
发布日期:2023-07-14   点击次数:149

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。电位为正表示溶液显示出一定的氧化性,为负则表示溶液显示出一定的还原性。

 利用ORP可以控制液相环境中物种的存在形态,判断氧化还原反应进行的程度比如,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。


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。

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。
通常规定,标准氢电极电位为0。氧化还原反应中产生的ORP可由能斯特方程进行计算:





其中:

E——某一浓度下氧化还原电对电极电势,V;

E0——氧化还原电对的标准电极电势,V;

R——摩尔气体常数,8.314J/(K·mol);
T——热力学温度,K;
n——氧化还原反应中电子转移数;F——法拉第常数,96,485C/mol;
[Ox]或[Red]——氧化剂或还原剂的浓度,mol/L。
可以看出,ORP的大小是多种因素共同作用的结果。当溶液中存在多种氧化还原电对时,它们彼此之间相互作用,共同组成一个复杂的氧化还原环境。ORP的测量仪器为氧化还原电位分析仪(ORP分析仪),优点是携带方便、测量迅速且精确。

 

ORP在水处理中的应用效果

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)的成分如硝酸盐的变化、硫酸盐和还原状态(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。

 

不同生化反应过程适宜的ORP范围

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。下面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。


根据表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。

比如通过改变工艺运行的环境条件,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。


利用ORP提高除磷效果

对于生物除磷,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。

 

ORP应用比较与分析



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。

因此,我们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。