【راهنمای کاربردی】چگونه ORP را در سیستم‌های بیوشیمیایی کنترل کنیم؟

برای دوستانی که در تصفیه آب یا واکنش‌های بیوشیمیایی کار می‌کنند، وقتی صحبت از ORP (پتانسیل اکسیداسیون-کاهش) می‌شود، ممکن است احساس سردرگمی کنند - این چیز نامرئی و ناملموس است، با مقادیری که مدام بالا و پایین می‌پرند. گاهی اوقات، حتی اگر شاخص‌ها درست به نظر برسند، وقتی ORP فرو می‌ریزد، کل سیستم دچار مشکل می‌شود. در واقع، نیازی نیست با ORP مانند یک «تصوف» رفتار کرد. ماهیت آن «دماسنج» «محیط ردوکس» در سیستم بیوشیمیایی است. کنترل ORP به معنای ایجاد «شرایط زندگی» راحت برای میکروارگانیسم‌ها و اجازه دادن به آنها برای خوب کار کردن است. امروز، بیایید به زبان ساده در مورد چگونگی کنترل ORP صحبت کنیم، از «چرا آن را کنترل کنیم» تا «چگونه آن را به طور خاص اجرا کنیم». بیایید گام به گام توضیح دهیم.

اولاً، باید درک کنیم: ORP دقیقاً چیست؟ نیازی نیست اصطلاحات فنی «انرژی پتانسیل انتقال الکترون» را به خاطر بسپاریم. به زبان ساده، مقدار ORP بالا نشان می‌دهد که «اکسیدان‌های بیشتری» در سیستم وجود دارد و محیط به سمت «اکسیداسیون» تمایل دارد. مقدار کم به معنای «عوامل کاهنده بیشتر» و محیطی است که تمایل به «کاهش» دارد. و میکروارگانیسم‌ها در سیستم بیوشیمیایی «استاد انتخاب محیط» هستند - باکتری‌های هوازی محیط‌هایی را ترجیح می‌دهند که به سمت اکسیداسیون تمایل دارند (ORP به طور کلی مثبت است و ده‌ها تا صدها میلی‌ولت است)، باکتری‌های بی‌هوازی باید در محیط‌های کاهنده قوی کار کنند (ORP معمولاً صدها میلی‌ولت منفی است)، و حتی باکتری‌های اختیاری باید «حالت کار» خود را با توجه به تغییرات اکسیژن، کربن، نیتروژن و سایر موارد در محیط تنظیم کنند. بنابراین ORP یک شاخص اختیاری نیست، بلکه یک سیگنال کلیدی برای ما است تا قضاوت کنیم که آیا میکروارگانیسم‌ها در حال زندگی راحت هستند یا خیر و آیا در حال کار هستند یا خیر. به عنوان مثال، اگر ORP در مخزن هوازی ناگهان کاهش یابد، به احتمال زیاد به دلیل تهویه ناکافی است که باعث می‌شود باکتری‌های هوازی «به دلیل کمبود اکسیژن خفه شوند». وقتی ORP مخزن بی‌هوازی به مقدار مثبت می‌رسد، تمام می‌شود. اکسیژن نشت می‌کند و باکتری‌های بی‌هوازی مستقیماً «حمله» می‌کنند و تولید متان متوقف می‌شود.

منطق اصلی برای کنترل ORP چیست؟ فقط یک چیز: «در صورت نیاز تنظیم کنید» - ابتدا مشخص کنید که سیستم بیوشیمیایی شما قرار است چه کاری انجام دهد (آیا قرار است COD را تجزیه کند؟ یا حذف نیترات و فسفر است؟ یا تولید بیوگاز؟ ）سپس تعیین کنید که کدام میکروارگانیسم برای «تسلط بر کار» مورد نیاز است و در نهایت ORP را در محدوده مربوطه بر اساس نیازهای میکروارگانیسم تثبیت کنید. این در مورد گفتن «هر چه مقدار بالاتر باشد، بهتر است» یا «هر چه مقدار کمتر باشد، بهتر است» نیست. به عنوان مثال، در طول نیترات‌زدایی، باکتری‌های هوازی برای نیتریفیکاسیون (نیتروژن آمونیاکی به نیتروژن نیتراتی) مورد نیاز هستند و ORP باید در +200~+400mV کنترل شود. در طول نیترات‌زدایی (نیتروژن نیتراتی به نیتروژن)، باکتری‌های اختیاری باید جایگزین شوند و محیط باید به -50~+50mV کاهش یابد. اگر ORP در این زمان کاهش نیابد، باکتری‌های نیترات‌زدا اصلاً کار نخواهند کرد و نیتروژن نیتراتی در آب جمع می‌شود. بنابراین اولین قدم این است که «محدوده هدف» را مشخص کنید، که «ناوبری» است که ORP را کنترل می‌کند. بدون این، عملیات بعدی فقط سرگرمی خواهد بود.

بعدی عملی‌ترین حالت است: چگونه ORP را به طور خاص تنظیم کنیم؟ بیایید در مورد سناریوهای مختلف صحبت کنیم، به هر حال، گیم‌پلی سیستم‌های هوازی، بی‌هوازی و بی‌هوازی متفاوت است. بیایید یکی یکی به آن بپردازیم.

ابتدا، بیایید در مورد سیستم‌های هوازی، مانند مخازن هوازی و فیلترهای هوادهی بیولوژیکی صحبت کنیم. هسته اصلی «کنترل اکسیژن» است زیرا اکسیژن در اینجا اکسیدان اصلی است و ORP و اکسیژن محلول (DO) تقریباً «به هم گره خورده‌اند». بسیاری از دوستان اشتباه می‌کنند: آنها فکر می‌کنند که هر چه هوادهی بیشتر باشد، اکسیژن محلول (DO) بیشتر می‌شود و ORP پایدارتر خواهد بود - در واقع، اگر DO خیلی زیاد باشد، ORP نیز به شدت افزایش می‌یابد، که نه تنها باعث هدر رفتن برق می‌شود، بلکه ممکن است باکتری‌های هوازی خاصی را نیز مهار کند (مانند آنهایی که مواد آلی دشوار تجزیه را تجزیه می‌کنند). اگر DO خیلی کم باشد، ORP دوباره کاهش می‌یابد، باکتری‌های هوازی نمی‌توانند نفس بکشند، COD نمی‌تواند کاهش یابد و نیتروژن آمونیاکی نمی‌تواند نیتریفیکاسیون شود. چگونه باید آن را تنظیم کنیم؟

اولاً، باید رابطه بین DO و ORP را از نزدیک زیر نظر داشته باشیم. وضعیت هر سیستم متفاوت است. به عنوان مثال، در برخی از مخازن هوازی، زمانی که DO بین 2-3 میلی‌گرم در لیتر است، ORP فقط در +250~+300mV تثبیت می‌شود. بنابراین بیایید DO را در این محدوده کنترل کنیم و ORP به طور طبیعی تثبیت می‌شود. چگونه DO را کنترل کنیم؟ مستقیم‌ترین راه این است که باز شدن شیر هوادهی یا فرکانس فن هوادهی را تنظیم کنید - اکنون بسیاری از تصفیه‌خانه‌ها از «کنترل پیوند DO-ORP» استفاده می‌کنند، به عنوان مثال، تنظیم هدف ORP روی +300mV. وقتی ORP زیر 280mV است، سیستم به طور خودکار هوادهی را روشن می‌کند. اگر بالاتر از 320mV باشد، هوادهی را کاهش دهید، نیازی نیست که افراد نظارت و تنظیم کنند، این کار راحت و دقیق است.

علاوه بر این، نسبت کربن به نیتروژن در سیستم هوازی نیز می‌تواند بر ORP تأثیر بگذارد. به عنوان مثال، اگر COD آب ورودی ناگهان افزایش یابد و میکروارگانیسم‌ها «بیشتر بخورند»، مصرف اکسیژن افزایش می‌یابد. در این زمان، حتی اگر هوادهی فعال نشود، DO همچنان کاهش می‌یابد و ORP نیز کاهش می‌یابد. در این شرایط، تکیه صرفاً بر تنظیم هوادهی کافی نیست، بلکه باید به بار ورودی نیز نگاه کرد. اگر COD همچنان بالا باشد، ممکن است لازم باشد ورودی را تنظیم کنید (مانند رقیق کردن بخشی از آب تصفیه شده با رفلاکس) یا مقداری مواد مغذی (مانند افزودن اوره یا دی‌هیدروژن فسفات پتاسیم در صورت کمبود نیتروژن و فسفر) اضافه کنید، به طوری که میکروارگانیسم‌ها بتوانند «به طور مساوی بخورند» و مصرف اکسیژن پایدار باشد و ORP نوسان نخواهد داشت.

با صحبت از سیستم‌های بی‌هوازی، مانند راکتورهای UASB و IC، هدف تثبیت ORP در -200~-400mV (مرحله تولید متان) است. نکته کلیدی در اینجا «جلوگیری از اکسیژن» و «کنترل منابع کربن» است، زیرا سیستم‌های بی‌هوازی همگی «به اکسیژن حساس» هستند. کمی اکسیژن وارد می‌شود و ORP به سرعت افزایش می‌یابد و مستقیماً میکروارگانیسم‌ها را «مسموم» می‌کند.

اولاً، انجام یک کار خوب از «آب‌بندی» ضروری است، که اساس و بنیاد است. مخازن بی‌هوازی بسیاری از دوستان ORP ناپایدار دارند و پس از بررسی، مشخص شد که نشتی هوا در لوله ورودی وجود دارد یا صفحه پوشش بالایی راکتور محکم بسته نشده است و باعث نفوذ هوا به داخل مخزن می‌شود. بنابراین، پس از هر بار نگهداری، لازم است وضعیت آب‌بندی را بررسی کنید و بهتر است یک «آب‌بند» به لوله ورودی اضافه کنید تا از ورود هوا به همراه فاضلاب جلوگیری شود. همچنین، اگر دستگاه‌هایی مانند پمپ‌های رفلاکس و همزن‌ها در سیستم‌های بی‌هوازی نیاز به خنک‌سازی هوا دارند، مهم است که مراقب باشید هوا به داخل آب نشت نکند، در غیر این صورت واقعاً مانند یک «سد هزار مایلی است که توسط لانه‌های مورچه تخریب شده است» خواهد بود.

سپس کنترل منبع کربن و pH وجود دارد. هنگامی که میکروارگانیسم‌های بی‌هوازی مواد آلی را تجزیه می‌کنند، متان و دی‌اکسید کربن تولید می‌کنند که عوامل کاهنده‌ای هستند که می‌توانند یک محیط کاهنده را حفظ کنند. اگر COD آب ورودی خیلی کم باشد، میکروارگانیسم‌ها نمی‌توانند آن را بخورند و عامل کاهنده کافی نخواهد بود و باعث می‌شود ORP به سمت بالا شناور شود. اگر COD خیلی زیاد باشد، میکروارگانیسم‌ها «تمام می‌شوند» و اسیدهای چرب فرار (VFA) زیادی تولید می‌کنند که منجر به کاهش pH می‌شود. وقتی pH زیر 6.5 باشد، باکتری‌های تولیدکننده متان از کار می‌افتند و ORP نیز آشفته می‌شود. بنابراین لازم است به طور منظم COD آب ورودی و VFA و pH در استخر اندازه‌گیری شود. اگر COD کافی نیست، مقداری منبع کربن (مانند گلوکز، متانول یا فاضلاب آلی با غلظت بالا) اضافه کنید. اگر VFA خیلی زیاد است، قلیا (مانند هیدروکسید سدیم، کربنات سدیم) اضافه کنید تا pH را تنظیم کنید. به طور کلی، pH در 7.0-7.5 کنترل می‌شود و ORP کمتر احتمال دارد که مشکل داشته باشد.

یک جزئیات کوچک دیگر وجود دارد: هنگامی که سیستم بی‌هوازی راه‌اندازی می‌شود، ORP کنترل آن بسیار دشوار است زیرا جمعیت میکروبی در ابتدا کم است و محیط کاهش هنوز ایجاد نشده است. نگران نباشید، به آرامی فاضلاب با غلظت کم را اضافه کنید تا میکروارگانیسم‌ها کم‌کم تکثیر شوند. در عین حال، می‌توانید مقداری «لجن تلقیح شده» (مانند لجن از مخازن بی‌هوازی دیگر) نیز اضافه کنید تا ایجاد محیط کاهش را تسریع کنید. هنگامی که ORP زیر -200mV تثبیت شد، به تدریج بار ورودی را افزایش دهید، در غیر این صورت راه‌اندازی با شکست مواجه می‌شود.

در نهایت، بیایید در مورد سیستم‌های بی‌هوازی، مانند مخازن نیترات‌زدایی صحبت کنیم، که در آن ORP هدف به طور کلی بین -50~+50mV است. هسته اصلی در اینجا «کنترل منبع کربن و پیشگیری از اکسیژن» است، زیرا باکتری‌های نیترات‌زدا به منابع کربن به عنوان «غذا» نیاز دارند و نباید هیچ تداخلی از اکسیژن وجود داشته باشد (در غیر این صورت آنها اکسیژن را بر نیتروژن نیتراتی ترجیح می‌دهند).

بسیاری از دوستان نمی‌توانند ORP مخازن نیترات‌زدایی خود را کاهش دهند، بنابراین اولین کاری که باید بررسی کنند این است که آیا نشتی اکسیژن وجود دارد یا خیر - به عنوان مثال، اگر مخزن هوازی جلوی مخزن نیترات‌زدایی هوادهی زیادی داشته باشد، DO فاضلاب را به مخزن نیترات‌زدایی منتقل می‌کند، یا اگر همزن در مخزن نیترات‌زدایی «هم زدن هوادهی» باشد (که دشوارترین و مستقیماً مخزن را اکسیژن‌دهی می‌کند)، حتی اگر منبع کربن اضافه شود، ORP نمی‌تواند کاهش یابد. بنابراین هم زدن مخزن نیترات‌زدایی باید از «هم زدن مکانیکی» (مانند هم زدن تیغه‌ای) استفاده کند و نمی‌تواند از هم زدن هوادهی استفاده کند. اگر DO پساب از مخزن هوازی خیلی زیاد باشد، باید یک «مخزن گاززدایی» در جلوی مخزن نیترات‌زدایی اضافه شود تا مقداری از اکسیژن موجود در آب حذف شود.

سپس «مقدار منبع کربن باید کافی باشد» وجود دارد. هنگامی که باکتری‌های نیترات‌زدا نیتروژن نیتراتی را تجزیه می‌کنند، به یک منبع کربن (مانند COD) به عنوان یک دهنده الکترون نیاز دارند. اگر منبع کربن ناکافی باشد، حتی بدون اکسیژن، آنها قدرت کار کردن را نخواهند داشت و ORP پایدار نخواهد بود. چگونه می‌توان تعیین کرد که آیا منبع کربن کافی است؟ نسبت کربن به نیتروژن (C/N) را می‌توان محاسبه کرد. به طور کلی، نیترات‌زدایی به نسبت C/N 5~8:1 نیاز دارد. به عنوان مثال، اگر نیتروژن نیتراتی در ورودی 50 میلی‌گرم در لیتر باشد، COD باید حداقل 250~400 میلی‌گرم در لیتر باشد. اگر کافی نیست، باید منابع کربن مانند متانول، استات سدیم یا COD از فاضلاب خانگی را تکمیل کرد. هنگام تکمیل، یکباره مقدار زیادی اضافه نکنید، در غیر این صورت COD در سیستم بعدی باقی می‌ماند. بهتر است «مقدار کمی را چندین بار اضافه کنید» و تغییرات ORP و نیتروژن نیتراتی را زیر نظر داشته باشید. اگر ORP در حدود 0mV ثابت بماند و نیتروژن نیتراتی همچنان کاهش یابد، نشان می‌دهد که منبع کربن دقیقاً اضافه شده است.
 

علاوه بر این عملیات خاص، چندین «نکته کلی» نیز وجود دارد که می‌توان در سیستم‌های هوازی، بی‌هوازی یا بی‌هوازی از آنها استفاده کرد که می‌تواند به شما در اجتناب از بسیاری از انحرافات کمک کند.

اولین مورد این است که «فقط روی ORP به عنوان یک شاخص تمرکز نکنید»، باید با سایر شاخص‌ها مرتبط باشد. به عنوان مثال، اگر ORP مخزن هوازی کاهش یابد، باید بررسی کنید که آیا DO کاهش یافته است، COD افزایش یافته است و نیتروژن آمونیاکی کاهش نیافته است. وقتی ORP مخزن بی‌هوازی افزایش می‌یابد، لازم است بررسی کنید که آیا pH کم است، آیا VFA زیاد است و آیا نشتی اکسیژن وجود دارد یا خیر - ORP یک «سرباز سیگنال» است، نه یک «علت»، فقط نگاه کردن به ORP نمی‌تواند مشکل را پیدا کند و باید همراه با شاخص‌هایی مانند DO، pH، COD، نیتروژن آمونیاکی و VFA تجزیه و تحلیل شود تا دقیقاً «جایی که باید تنظیم شود» را پیدا کنید.

دومین مورد «تنظیم یک محدوده نوسان منطقی» و عدم پیگیری «پایداری مطلق» است. خود سیستم بیوشیمیایی دارای نوساناتی است (مانند تغییرات کیفیت آب ورودی و دما) و طبیعی است که ORP کمی نوسان داشته باشد. به عنوان مثال، ORP مخزن هوازی روی +300mV تنظیم شده است و به آن اجازه می‌دهد بین 280-320mV نوسان کند. تا زمانی که از این محدوده تجاوز نکند، میکروارگانیسم‌ها می‌توانند سازگار شوند و نیازی نیست هر زمان که نوسانی وجود دارد، آن را زیاد تنظیم کنید، در غیر این صورت سیستم را بی‌ثبات‌تر می‌کند. به عنوان مثال، وقتی شیر هوادهی به طور متناوب باز و بسته می‌شود، اکسیژن محلول (DO) بین بالا و پایین نوسان می‌کند و میکروارگانیسم‌ها را در حالت سردرگمی قرار می‌دهد.

سومین مورد «کالیبره کردن منظم ابزار» است، اجازه ندهید الکترود ORP شما را «فریب دهد». الکترود ORP ممکن است با گذشت زمان پیر شود یا توسط آلاینده‌ها در آب (مانند لکه‌های روغن و بیوفیلم‌ها) پوشانده شود و مقادیر اندازه‌گیری شده ممکن است نادرست باشد - به عنوان مثال، اگر ORP واقعی +200mV باشد و الکترود +100mV را نشان دهد، ممکن است فکر کنید که هوادهی کافی نیست و هوادهی را افزایش دهید، اما ORP در واقع به +300mV افزایش می‌یابد، که در واقع ممکن است باعث ایجاد مشکل شود. بنابراین به طور کلی توصیه می‌شود که الکترود ORP را یک بار در هفته کالیبره کنید، با استفاده از یک محلول بافر استاندارد (مانند محلول بافر pH 7.0، با ORP حدود +200mV، بسته به دستورالعمل‌های محلول بافر)، پاک کردن هرگونه کثیفی روی الکترود برای اطمینان از اینکه مقادیر اندازه‌گیری شده دقیق هستند، به طوری که کنترل معنی‌دار باشد.

در نهایت، برای جمع‌بندی: کنترل ORP یک «فناوری با دقت بالا» نیست، هسته اصلی این است که «ابتدا محدوده هدف را مشخص کنید، سپس عوامل تأثیرگذار را شناسایی کنید و در نهایت در صورت نیاز تنظیم کنید». سیستم هوازی بر DO و نسبت کربن به نیتروژن تمرکز دارد، سیستم بی‌هوازی بر آب‌بندی و pH، VFA تمرکز دارد و سیستم بی‌هوازی بر منبع کربن و اکسیژن ضد نشتی تمرکز دارد. ترکیب با سایر شاخص‌ها، کالیبراسیون منظم ابزارها اساساً می‌تواند ORP را تثبیت کند. برخورد با سیستم‌های بیوشیمیایی در واقع مانند دوست شدن با میکروارگانیسم‌ها است. شما می‌توانید خلق و خوی آنها را درک کنید (چه محیط ORP را دوست دارند)، شرایط راحتی را برای آنها ایجاد کنید و آنها به طور طبیعی خوب کار خواهند کرد. هنگامی که سیستم پایدار شد، ما نیز آرامش خاطر داریم.