氧化还原电位控制在环境工程中的应用

摘要：在环境工程领域，氧化还原电位(ORP)与污染物的浓度以及生化反应进行的程度有着良好的相关关系。其对判断反应器的运行状态，节省能源，提高反应器的运行效果具有重要的指导作用。本文介绍了ORP作为污水处理领域及土壤领域有机物降解、脱氮除磷、厌氧发酵等过程控制参数的控制策略，探讨了ORP作为控制参数在环境工程领域应用的可能和意义。

关键词：环境工程 氧化还原电位脱氮除磷厌氧发酵

中图分类号：D922文献标识码： A

1.引言

氧化还原电位(ORP)就是用来反映水溶液中所有物质表现出来的宏观氧化还原性，常表示为ORP或Eh。在污水系统中存在着多种氧化还原电对，并同时进行大量氧化还原反应，因此，ORP作为控制参数能够反映许多有氧和厌氧过程中发生的有价值的微生物代谢信息。

国外自七十年代至八十年代，就不断地进行着活性污泥法及其变法中应用ORP作为控制和管理指标的大量试验研究工作，并在实际工作中应用。但ORP控制在环境工程领域的应用缺乏系统理论的指导，本文致力于总结前人的研究，探讨了ORP作为控制参数在环境工程领域应用的可能和意义，给予ORP在环境工程的应用一定的理论指导，为进一步研究奠定理论基础。

2.氧化还原电位的控制方法

影响ORP的因素众多，控制ORP的方法更是多种多样，这些方法虽有相通之处，但在不同的应用领域，其控制方法及具体数值都有所区别。通过前人的研究，已经建立了一系列氧化还原电位的有效控制方法：

1）通过通气或改变曝气量，根据实测值和设定值的差距来线性控制调节通气量；

2）通过调节N2/O2比例，利用ORP监测仪及控制系统调控ORP；

3）通过投加氧化剂控制；

4）通过投加还原剂控制。

因此，还需将进一步实验确定具体的控制策略，方可将ORP控制方法推广到环境工程领域中去。

3.以ORP作为控制参数在环境工程领域的应用

无论在污水处理领域还是土壤领域，对ORP的控制策略大同小异；这些控制策略虽有相通之处，具体的控制方法却不一致，就算实验目的相同，不同策略所设置的固定值也可能不一致。

3.1在污水处理领域的应用

ORP在污水处理领域十分广泛，既能用于监控连续流处理系统，又能用于SBR反应器。

3.1.1在硝化反硝化过程的应用

在同步硝化反硝化氧化沟中，ORP在30mV以上即可取得较好的硝化效果[1]，亦有学者认为ORP=100mV时硝化开始，200mV时达到最佳[2]，这可能是水质、污泥环境因素不同导致的，也可能是ORP测定仪不同导致的，因此，在实际应用中，要根据工况选择合适的ORP值加以控制；亦有研究发现缺氧区末端NO3--N浓度与ORP值具有很好的相关性，单独控制内循环回流量维持反硝化区末端ORP值(-86±2)mV，或单独控制外碳源投加量维持反硝化区末端ORP值为(-90±2)mV，可实现A/O工艺脱氮的最优控制[3]。

3.1.2在除磷过程中的应用

除磷过程与ORP有着莫大的关系。在改良的Carrouse1氧化沟活性污泥中，为了满足厌氧释磷，系统的ORP适宜在-50mV以下；外加有机物时，新鲜污泥的ORP会明显降低，一般可以达到-80～150mV，且存在显著的磷释放[4]。在厌氧阶段，ORP随着磷的释放不断下降，至释磷结束趋于平缓，达到-212mV，而达到该值就能保证保证严格的厌氧释磷条件。

3.1.3在厌氧处理中的应用

在厌氧消化过程中，不同的厌氧消化系统和不同的厌氧微生物对ORP的要求不同[5]。因此，以ORP作为控制参数，根据不同阶段微生物种类对厌氧过程加以控制，能有效提高厌氧处理效果，或者将ORP控制在一定范围内，提高发酵产物的产率，抑制有害发酵产物的产生。

3.2在土壤领域的应用

3.2.1对水稻甲烷排量的影响

甲烷(CH4)是仅次于二氧化碳的最重要的温室气体之一，稻田是CH4的主要来源。一定条件下，土壤Eh的季节与一日中的变化都与CH4排放季节变化间存在显著相关性。当Eh低于-150～ -160mV值时，CH4排放量随Eh的下降而呈指数增加[6]；而在现场排水条件差或雨季时，Eh不用低到-150 mV，就能更好的限制过多甲烷的排放。因此，可以通过人为控制土壤的Eh的方法，减少CH4的排放，起到环境保护的目的。

3.2.2对硝化反硝化作用的影响

氧化还原状况是影响土壤中反硝化作用的主要环境因子之一，在不同的ORP下，土壤中反硝化作用是不同的。研究表明，较之还原条件（Eh：-144～42），氧化条件（Eh：290～330）下土壤中反硝化作用速率明显减缓[7]。土壤的Eh与硝化作用潜力是成反比的，但在下层低氧土壤中，Eh与实际硝化作的正负关系却与作物轮作顺序有关。故此，可以根据具体情况，对土壤Eh加以控制，有效减少稻田土壤中硝化-反硝化作用氮素损失，达到有效利用资源的目的。

3.2.3对重金属污染的影响

在土壤中，氧化条件时氧化剂铁氧化物的还原溶解会导致土壤镉活性降低，而还原条件下抗坏血酸也可有效的降低镉的活性[8]，能有效降低土壤重金属镉的污染。

4.总结应用过程中存在的问题

在环境工程领域，氧化还原电位(ORP)与污染物的浓度以及生化反应进行的程度有着良好的相关关系，能够通过气变化规律判断反应器的运行状态，节省能源，提高反应器的运行效果，对优化处理系统达到自动运行与在线监测具有重要的指导作用及意义。

调控ORP的策略虽有相通之处，但具体的控制方法不一致。由于指标本身很难获得精确值和各研究者的检测方法不同，导致与ORP绝对数值有关的研究结果往往不具有普遍的指导意义。因此，以ORP作为环境工程领域控制参数的绝对控制策略还需进一步实验研究。在实际应用中，要根据工况选择恰当的控制范围，以达到节能降耗，优化实验结果的目的。

参考文献

[1] 侯红勋, 陈伦强, 用ORP作为氧化沟同步硝化反硝化控制参数, 北京工业大学学报, 2006, pp. 1093-1096.

[2] C. J, M. G, W. H, G. P, ORP regulation and activated sludge: 15 years of experience, Water Sci Technol, 1998, pp. 197-208.

[3] 马勇, 彭永臻, 以氧化还愿电位作为缺氧-好氧法工艺反硝化反应模糊控制的参数, 现代化工, 2004, pp. 39-43.

[4] 唐玉朝, 伍昌年, 改良氧化沟活性污泥ORP的调控及对磷吸收/释放的影响, 工业水处理, 2012, pp. 19-22.

[5] 李刚, 杨立中, 厌氧消化过程控制因素及pH和Eh的影响分析, 西南交通大学学报, 2001, pp. 518-521.

[6] W. ZP, D. RD, M. PH, P. WH, Soil redox and pH effects on methane production in a flooded rice soil, Soil Science Society of America Journal, 1993, pp. 382-385.

[7] 倪吾钟, 沈仁芳, 不同氧化还原电位条件下稻田土壤中15N标记硝态氮的反硝化作用, 中国环境科学, 2000, pp. 519-523.

[8] 于童, 土壤氧化还原条件的改变对镉吸附解吸的影响. ;33:59., 科技信息, 2010, pp. 59.