基于廢水處理工藝的氧化還原電位實驗研究

肖粲然（河北工業大學能源與環境工程學院，天津　300000）

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基于廢水處理工藝的氧化還原電位實驗研究

肖粲然
（河北工業大學能源與環境工程學院，天津300000）

摘要：在有機廢水處理過程中，發生著多種氧化還原反應，氧化還原電位對整個系統的氧化還原狀態起到指示作用。本文將廢水處理工藝和ICASB池高度作為研究對象，研究氧化還原電位的變化特性。

關鍵詞：氧化還原電位；廢水處理；IC反應池；工藝

混凝技術在水處理領域中是一項應用最廣泛、最基礎的技術。采用混凝技術去除水中的懸浮物，常作為水處理工藝中的第一步，也是后續處理工藝的基礎。有事實表明如果水處理設計過程中，確定科學合理的混凝工藝能夠有效提高出水水質，除此之外還能實現節約能源、縮減運行費用的作用。氧化還原電位（ORP）作為水處理中常用的水質綜合指標，可用來反映溶液體系的宏觀氧化還原特性，具有便于研制價格低廉、操作方法簡單、檢測結果迅速準確、并可實現動態在線監測等優點。然而目前氧化還原電位的影響因素仍然是限制ORP使用的重要原因。

1 氧化還原電位（ORP）測量原理

氧化還原電位即為液體接界電勢差情況下氧化還原電對組成的電極電位和NHE的差值。為了測量氧化還原電位，不同簡單地按照其基本概念進行，而是將氧化還原電位作為得失電子難易程度的度量。測量原理如下：以鉑電極當測量電極，以飽和甘汞電極當參比電極，用pH儀得到極點之間的電位差。因此將ORP的測量轉變成為電位差的測量。要想得到任意反應電對的準確測量值，則必須要求有標準參比電極，且參比反應是氫的氧化過程。考慮到現實因素，氫電極的應用受限。選擇鉑電極當成測量電極是考慮到其很難和其他物質發生反應，因此結果可信度更高。ORP的測量也可以理解為電位勢能測量，這是由于電路無法流經水溶液，也正因為此，通常不考慮電解作用產生的成分變化。溶液氧化還原電位隨氧化能力按照一定比例增減，呈現出顯著線性。

圖1　工藝流程圖

2 工藝流程中氧化還原電位的變化

本次實驗將某大豆蛋白工廠排出的廢水作為研究對象，其中污泥培養工作在實驗期間已完成。實驗所取廢水主要由酸沉廢水、萃取廢水與沖洗廢水組成。廢水中包含較多蛋白質與油脂，且有一定量無機酸與無機鹽。污水排放適合生化處理，由于大豆蛋白水的濃度很高，因此選用厭氧，好氧二級生物進行處理，無需三級處理。相應工藝流程如圖1所示。本次工藝采用的進水溫度為40℃～55℃，并用冷卻塔與蒸汽加熱器控制水溫。

2.1 實驗方法

將取樣點分別設置在各個處理設備處，包括調節池進出水口、總排放口、厭氧池出水渠、氣浮池出水口、SBR進出水口等。利用聚乙烯塑料勺得到淺水的瞬間水樣，放置在玻璃瓶中，確保水樣將玻璃瓶充滿，與此同時進行pH、ORP、DO等的測量。完成上述測量以后，把水樣運送回實驗室進行電導率的測試，然后將水樣pH調到2及以下。最后進行COD測量。pH值測量選擇復合電極，化學需氧量的測量運用重鉻酸鉀法，ORP的測量運用復合電極法。由于溫度、COD、pH值、DO等均是ORP的重要影響因素，本次實驗也將記錄上述各影響因素在工藝流程上的變化。

2.2 實驗結果分析

（1）OPR變化特征分析

本次實驗歷時2個月，取樣之后測量COD的時間為5個小時。通過反復多次測量，得到ORP的變化特征如圖2所示。影響ORP各影響因素的隨工藝的變化情況見表1。

圖2　工藝流程上ORP的變化特征曲線

表1

通過上述數據的對比分析，可知由調節池進口至出口，氧化還原電位的數值由-138mV變化到84mV，與此同時，廢水溫度因為冷卻塔的效果，從46.3℃降至34.6℃。此調節池屬于封閉式，pH值由3.66下降至3.6。原先附著于有機物上的離子在酸性條件下部分被釋放，使得K從3.22上升至3.43。由調節池出水口到氣浮出口氧化還原電位的值降低了，這主要是因為氣浮池處于停止狀態，DO被細菌消耗掉所致，降低到3.31mg/I，與此同時，由于代謝旺盛，溫度有小幅上升。工藝流程中，由氣浮出口至加藥提升間，ORP又上升220mV，而此時pH值上升0.32，由于加入了氯化鐵，因此K有所上升。由加藥提升間至厭氧池的過程中，ORP又呈現出大幅下降趨勢，在此工藝流程中，由于上一階段產生較多低分子脂肪酸、甲烷等，使整個環境表現出很強的還原性，溶解氧幾乎為0。三價鐵離子均被還原為二價鐵離子，pH值上升大約3，溫度上升4.5℃。由好氧進水至好氧出水的過程中，氧化還原電位又出現很大的增量，此時在曝氣作用下溶解氧有所提升，COD有較大降幅。從好氧出口至排水池出口的過程中，氧化還原電位有小幅度增量，可能由于COD的進一步降解所致。

圖3　ICASB厭氧反應池結構圖

（2）出水水質和氧化還原電位的關系

經過多次實驗取樣，均呈現以下規律：化學需氧量越低時，氧化還原電位越高，二者有顯著相關性。筆者進行相關系數的計算，得出二者相關系數為0.94，證明用氧化還原電位判斷水質優劣是可行的。與此同時，出水pH值和氧化還原電位的相關性很差，相關系數只有0.29。

3 厭氧池上ORP的特性研究

在現有的厭氧廢水處理過程中，ORP與產酸發酵階段密切相關。IC反應器水力停留間隔短，運行穩定性優秀，且具有占地面積小、節能等優點。然而IC反應器相比其他反應器（例如UASB）細微固體顆粒較多，使后續處理壓力增大。而且IC反應器出水SS濃度容易受到產氣率的影響，因此只有有效控制產氣率方可提高水質。在厭氧廢水的處理過程中，氧化還原電位時刻發生著變化，下文將針對ICASB厭氧反應器中ORP的變化特性進行研究。

3.1 實驗裝置

該實驗選用ICASB厭氧反應器，由上下兩個反應區共同構成。其中反應池的內壁運用環氧樹脂實現防腐作用，反應器尺寸為8.8×8.4×13.5（長、寬、高）。反應池的池體在豎直方向布置了六個取樣口，且垂直高度分別為0.5m、2m、4m、6m、8m與10m。出氣管道共包含8根提升管與四根下降管。該ICASB厭氧反應池的結構示意圖如圖3所示。

3.2 實驗過程

本次實驗將四號池與五號池作為研究對象，二者表現差異大，前者運行情況良好，后者相對較差。布置取樣點時在高度方向設置1號～6號總共六個取泥管。將樣品倒進膠桶內，并記錄此時的氧化還原電位、溫度與pH值。并現場取樣10L送到實驗室中。在實驗室完成電導率測試，測試前應將樣品首先搖勻，并用兩桶將泥樣取出。完成MLSS與MLVSS的測量過程。最后一步是針對COD的測試，因為實驗中底部取樣點污泥濃度相對大的多，且樣品溶液量不多，因此采用窗紗過濾的方式進行取樣，獲得上層清液。影響ORP各因素的測試均采用上一章介紹的方法。

3.3 實驗結果分析

（1）厭氧池高度上ORP變化特征分析

考慮到不同反應器內的物理、生化環境有很大區別，因此相應的氧化還原變化特性也會出現不同結果。為此，本次實驗選取了四號與五號兩個厭氧池內的氧化還原電位變化特征，并標注為ORP1與ORP2，實驗時需要控制兩個厭氧池的入水口水質與流量均保持一致。實驗結果如圖4所示。

從圖4可以看出，在控制四號池與五號池進水水質與水流量一致的情況下，兩個池子里氧化還原電位的變化趨勢截然不同。其中四號池中氧化還原電位隨著高度上升而不斷下降，下降大約20mv，但是五號池隨著高度升高，ORP卻呈現出先升高，后下降，最后又大幅上升的趨勢。產生二者截然不同變化趨勢的原因分析如下：

四號池中溫度大約提高3℃，pH值也有所提高，這均是使ORP持續下降的原因。因為產甲烷的菌群占據了主導地位，其代謝方式主要是還原反應，所以產物大多為甲烷、氫氣、脂肪酸等，對降低ORP有一定貢獻。五號池出現ORP下降的原因與四號池相同，其中出現上升趨勢主要由于產酸菌占優勢所致。出現產酸菌占優勢處的氣閉性較差，還原性氣體大量揮發。

如圖5所示為ORP與COD去除之間的關系，可見二者相關性良好，變化幅度大致相同。4號池與5號池相比COD去除效果更佳，考慮到是由于氧化還原電位下降，使甲烷占優勢。為了確保良好的厭氧池COD去除效果，應使ORP持續下降。

除此之外，進水中不同有機物的濃度將使ORP有較大變化，隨著進水有機物濃度的提升，ORP不斷下降。然而出水中有機物濃度和出水氧化還原電位相關性較差，因此ORP無法作為評價厭氧出水水質的依據。氧化還原電位與厭氧池高度上溫度、酸堿度、COD相關性良好。

結語

由于影響ORP的因素較多，本文從廢水處理工藝流程與ICASB厭氧池高度上進行ORP變化特征的研究，總結出工藝出水COD和ORP相關性良好，出水pH和ORP相關性較差；氧化還原電位在高度下降過程中比其沿池體高度有升有降處理效果更佳，且在厭氧池高度上氧化還原電位和溫度、酸堿度、COD均有良好相關性，因此實踐中可以通過ORP曲線進行污泥活性等的判定。

圖4　ICASB厭氧池高度上氧化還原電位的變化

圖5　ORP與COD去除的關系

參考文獻

[1]邵青.水處理及循環再利用技術[M].北京：化學工業出版社，2004.

[2]鄭銘.環保設備——原理·設計·應用[M].北京：化學工業出版社，2001.

[3]國家環境保護總局水和廢水監測分析方法編委會.水和廢水監測分析方法（第四版）[M].北京：中國環境科學出版社，2002.

[4]高大文，王淑瑩，彭永臻，梁紅.溫度變化對DO和ORP作為過程控制參數的影響[J].環境科學，2003（01）：63-69

中圖分類號：X5

文獻標識碼：A