【دليل عملي】كيفية التحكم في ORP في الأنظمة الكيميائية الحيوية؟

بالنسبة للأصدقاء الذين يعملون في معالجة المياه أو التفاعلات الكيميائية الحيوية، عندما يتعلق الأمر بـ ORP (جهد الأكسدة والاختزال)، فقد يشعرون بالإرهاق - هذا الشيء غير مرئي وغير ملموس، مع قيم تتقلب ذهابًا وإيابًا. في بعض الأحيان، على الرغم من أن المؤشرات تبدو صحيحة، عندما ينهار ORP، ستواجه المنظومة بأكملها مشاكل. في الواقع، ليست هناك حاجة للتعامل مع ORP على أنه "تصوف". جوهره هو "ميزان الحرارة" لـ "بيئة الأكسدة والاختزال" في النظام الكيميائي الحيوي. التحكم في ORP يعني خلق "ظروف معيشية" مريحة للكائنات الدقيقة والسماح لها بالعمل بشكل جيد. اليوم، دعنا نتحدث بلغة بسيطة عن كيفية التحكم في ORP، من "لماذا نتحكم فيه" إلى "كيفية تشغيله على وجه التحديد". دعنا نشرح خطوة بخطوة.

أولاً، نحتاج إلى فهم: ما هو ORP بالضبط؟ لسنا بحاجة إلى تذكر المصطلحات الفنية "طاقة جهد نقل الإلكترون". ببساطة، تشير قيمة ORP المرتفعة إلى وجود "المزيد من المؤكسدات" في النظام والبيئة منحازة نحو "الأكسدة"؛ تعني القيمة المنخفضة "المزيد من عوامل الاختزال" وبيئة تميل إلى أن تكون "مختزلة". والكائنات الدقيقة في النظام الكيميائي الحيوي هي "أساتذة اختيار البيئة" - تفضل البكتيريا الهوائية البيئات المنحازة نحو الأكسدة (عادةً ما يكون ORP موجبًا بعشرات إلى مئات الميلي فولت)، يجب على البكتيريا اللاهوائية أن تعمل في بيئات اختزال قوية (عادةً ما يكون ORP سالبًا بمئات الميلي فولت)، وحتى البكتيريا الاختيارية يجب أن تعدل "وضع عملها" وفقًا للتغيرات في الأكسجين والكربون والنيتروجين والأشياء الأخرى في البيئة. لذا فإن ORP ليس مؤشرًا اختياريًا، بل هو إشارة رئيسية لنا للحكم على ما إذا كانت الكائنات الدقيقة مرتاحة للعيش أم لا، وما إذا كانت تعمل أم لا. على سبيل المثال، إذا انخفض ORP في الخزان الهوائي فجأة، فمن المحتمل جدًا أنه يرجع إلى عدم كفاية التهوية، مما يتسبب في "اختناق" البكتيريا الهوائية بسبب نقص الأكسجين؛ عندما يصل ORP للخزان اللاهوائي إلى قيمة موجبة، فقد انتهى الأمر. يتسرب الأكسجين، و"تضرب" البكتيريا اللاهوائية مباشرة، ويتوقف إنتاج الميثان.

ما هو المنطق الأساسي للتحكم في ORP؟ شيء واحد فقط: "اضبط حسب الحاجة" - حدد أولاً ما يفترض أن يفعله نظامك الكيميائي الحيوي (هل هو لتحليل COD؟ أم أنه إزالة النتروجين والفوسفور؟ أم إنتاج الغاز الحيوي؟ ） ثم حدد أي كائن دقيق مطلوب "للسيطرة على العمل"، وأخيرًا قم بتثبيت ORP في النطاق المقابل بناءً على احتياجات الكائن الدقيق. لا يتعلق الأمر بالقول 'كلما زادت القيمة، كان ذلك أفضل'، ولا 'كلما انخفضت القيمة، كان ذلك أفضل'. على سبيل المثال، أثناء إزالة النتروجين، هناك حاجة إلى البكتيريا الهوائية للنيترة (تحويل النيتروجين الأمونيومي إلى نيتروجين النترات)، ويجب التحكم في ORP عند +200 ~ +400mV؛ أثناء إزالة النتروجين (تحويل نيتروجين النترات إلى نيتروجين)، يجب استبدال البكتيريا الاختيارية، ويجب تقليل البيئة إلى -50 ~ +50mV. إذا لم ينخفض ORP في هذا الوقت، فلن تعمل البكتيريا المزيلة للنيتروجين على الإطلاق، وسوف يتراكم نيتروجين النترات في الماء. لذا فإن الخطوة الأولى هي توضيح "النطاق المستهدف"، وهو "الملاح" الذي يتحكم في ORP. بدون هذا، ستكون العمليات اللاحقة مجرد مزحة.

التالي هو الأكثر عملية: كيف تضبط ORP على وجه التحديد؟ دعنا نتحدث عن سيناريوهات مختلفة، على أي حال، تختلف طريقة اللعب في الأنظمة الهوائية واللاهوائية واللاهوائية. دعنا نأخذها واحدة تلو الأخرى.

أولاً، دعنا نتحدث عن الأنظمة الهوائية، مثل الخزانات الهوائية والمرشحات الهوائية البيولوجية. الأساس هو "التحكم في الأكسجين" لأن الأكسجين هو المؤكسد الرئيسي هنا، و ORP والأكسجين المذاب (DO) مرتبطان ببعضهما البعض تقريبًا. يرتكب العديد من الأصدقاء خطأ: فهم يعتقدون أنه كلما زادت التهوية، زاد الأكسجين المذاب (DO)، وكلما كان ORP أكثر استقرارًا - في الواقع، إذا كان DO مرتفعًا جدًا، فسوف يرتفع ORP أيضًا، مما لا يؤدي فقط إلى إهدار الكهرباء ولكنه قد يثبط أيضًا بعض البكتيريا الهوائية (مثل تلك التي تحلل المواد العضوية التي يصعب تحليلها)؛ إذا كان DO منخفضًا جدًا، فسوف ينخفض ORP مرة أخرى، ولا يمكن للبكتيريا الهوائية أن تتنفس، ولا يمكن لـ COD أن ينخفض، ولا يمكن أن يتم نيترة النيتروجين الأمونيومي. كيف يجب أن نعدله؟

أولاً، نحتاج إلى مراقبة العلاقة بين DO و ORP عن كثب. يختلف وضع كل نظام. على سبيل المثال، في بعض الخزانات الهوائية، عندما يكون DO بين 2-3 مجم/لتر، يستقر ORP عند +250 ~ +300mV. لذا دعنا نتحكم في DO ضمن هذا النطاق، وسوف يستقر ORP بشكل طبيعي. كيف نتحكم في DO؟ الطريقة الأكثر مباشرة هي تعديل فتح صمام التهوية أو تردد مروحة التهوية - تستخدم العديد من محطات المياه الآن "التحكم في ربط DO-ORP"، على سبيل المثال، ضبط هدف ORP على +300mV. عندما يكون ORP أقل من 280mV، يقوم النظام تلقائيًا بتشغيل التهوية؛ إذا كان أعلى من 320mV، قلل التهوية، ولا حاجة للأشخاص للمراقبة والتعديل، فهو مريح ودقيق.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤثر نسبة الكربون إلى النيتروجين في النظام الهوائي أيضًا على ORP. على سبيل المثال، إذا زاد COD للمياه الواردة فجأة و"أكلت" الكائنات الدقيقة أكثر، فسوف يزداد استهلاك الأكسجين. في هذا الوقت، حتى لو لم يتم تنشيط التهوية، سينخفض DO وينخفض ORP أيضًا. في هذه الحالة، لا يكفي الاعتماد فقط على تعديل التهوية، ولكن أيضًا النظر إلى حمل التدفق الداخلي. إذا استمر COD في الارتفاع، فقد يكون من الضروري تعديل التدفق الداخلي (مثل تخفيف جزء من المياه المعالجة بالتدفق العكسي)، أو استكمال بعض العناصر الغذائية (مثل إضافة اليوريا أو فوسفات ثنائي هيدروجين البوتاسيوم إذا لم يكن النيتروجين والفوسفور كافيين)، بحيث يمكن للكائنات الدقيقة "الأكل بالتساوي" ويكون استهلاك الأكسجين مستقرًا، ولن يتقلب ORP.

بالحديث عن الأنظمة اللاهوائية، مثل مفاعلات UASB و IC، فإن الهدف هو تثبيت ORP عند -200 ~ -400mV (مرحلة إنتاج الميثان). المفتاح هنا هو "منع الأكسجين" و "التحكم في مصادر الكربون"، لأن الأنظمة اللاهوائية كلها "حساسة للأكسجين". يدخل القليل من الأكسجين، وسوف يرتفع ORP، و"يسمم" الكائنات الدقيقة مباشرة.

أولاً، من الضروري القيام بعمل جيد في "الإغلاق"، وهو أساس الأساس. تعاني خزانات العديد من الأصدقاء اللاهوائية من ORP غير مستقر، وبعد الفحص، وجد أنه يوجد تسرب للهواء في أنبوب المدخل أو أن اللوحة العلوية للمفاعل غير مغلقة بإحكام، مما يتسبب في تسرب الهواء إلى الخزان. لذلك، بعد كل صيانة، من الضروري التحقق من حالة الإغلاق، ومن الأفضل إضافة "ختم مائي" إلى أنبوب المدخل لمنع دخول الهواء مع مياه الصرف الصحي. أيضًا، إذا كانت الأجهزة مثل مضخات التدفق العكسي والمحرضات في الأنظمة اللاهوائية تتطلب تبريدًا بالهواء، فمن المهم توخي الحذر لعدم السماح للهواء بالتسرب إلى الماء، وإلا فسيكون الأمر حقًا مثل "سد يمتد لآلاف الأميال دمرته أعشاش النمل".

ثم هناك التحكم في مصدر الكربون ودرجة الحموضة. عندما تحلل الكائنات الدقيقة اللاهوائية المادة العضوية، فإنها تنتج الميثان وثاني أكسيد الكربون، وهما عاملان مختزلان يمكنهما الحفاظ على بيئة مختزلة. إذا كان COD للمياه الواردة منخفضًا جدًا، فلن تتمكن الكائنات الدقيقة من تناولها، ولن يكون عامل الاختزال كافيًا، مما يتسبب في ارتفاع ORP؛ إذا كان COD مرتفعًا جدًا، فسوف "تأكل" الكائنات الدقيقة وتنتج الكثير من الأحماض الدهنية المتطايرة (VFA)، مما يؤدي إلى انخفاض درجة الحموضة. عندما تكون درجة الحموضة أقل من 6.5، ستتوقف البكتيريا المنتجة للميثان عن العمل وسيصبح ORP فوضويًا أيضًا. لذا من الضروري قياس COD للمياه الواردة و VFA ودرجة الحموضة في المسبح بانتظام. إذا لم يكن COD كافيًا، أضف بعض مصادر الكربون (مثل الجلوكوز أو الميثانول أو مياه الصرف الصحي العضوية عالية التركيز). إذا كان VFA مرتفعًا جدًا، أضف القلويات (مثل هيدروكسيد الصوديوم أو كربونات الصوديوم) لضبط درجة الحموضة. بشكل عام، يتم التحكم في درجة الحموضة عند 7.0-7.5، ومن غير المرجح أن تواجه ORP مشاكل.

هناك تفصيل صغير آخر: عندما يبدأ النظام اللاهوائي، يكون ORP صعبًا بشكل خاص في التحكم فيه لأن عدد السكان الميكروبية صغير في البداية ولم يتم إنشاء بيئة الاختزال. لا تقلق، أضف ببطء مياه الصرف الصحي منخفضة التركيز للسماح للكائنات الدقيقة بالتكاثر قليلاً. في الوقت نفسه، يمكنك أيضًا إضافة بعض "الحمأة الملقحة" (مثل الحمأة من الخزانات اللاهوائية الأخرى) لتسريع إنشاء بيئة الاختزال. عندما يستقر ORP أقل من -200mV، قم بزيادة حمل المدخل تدريجيًا، وإلا فمن السهل "بدء الفشل".

أخيرًا، دعنا نتحدث عن الأنظمة اللاهوائية، مثل خزانات إزالة النتروجين، حيث يكون ORP المستهدف بشكل عام بين -50 ~ +50mV. الأساس هنا هو "التحكم في مصدر الكربون ومنع الأكسجين"، لأن البكتيريا المزيلة للنيتروجين تحتاج إلى مصادر الكربون كـ "غذاء" ويجب ألا يكون هناك تدخل للأكسجين (وإلا فإنها ستعطي الأولوية للأكسجين على نيتروجين النترات).

لا يستطيع العديد من الأصدقاء خفض ORP لخزانات إزالة النتروجين الخاصة بهم، لذا فإن أول شيء يجب التحقق منه هو ما إذا كان هناك تسرب للأكسجين - على سبيل المثال، إذا كان الخزان الهوائي أمام خزان إزالة النتروجين يحتوي على الكثير من التهوية، فإن DO يحمل مياه الصرف الصحي إلى خزان إزالة النتروجين، أو إذا كان المحرض في خزان إزالة النتروجين هو "التحريك بالتهوية" (وهو الأصعب ويؤكسد الخزان مباشرة)، حتى إذا تمت إضافة مصدر كربون، فلا يمكن خفض ORP. لذا يجب أن يستخدم تحريك خزان إزالة النتروجين "التحريك الميكانيكي" (مثل التحريك بالشفرة)، ولا يمكن استخدام التحريك بالتهوية؛ إذا كان DO للمياه الخارجة من الخزان الهوائي مرتفعًا جدًا، فيجب إضافة "خزان إزالة الغازات" أمام خزان إزالة النتروجين لإزالة بعض الأكسجين الموجود في الماء.

ثم هناك "يجب أن تكون كمية مصدر الكربون كافية". عندما تقوم البكتيريا المزيلة للنيتروجين بتحليل نيتروجين النترات، فإنها تحتاج إلى مصدر كربون (مثل COD) كمتبرع بالإلكترون. إذا كان مصدر الكربون غير كافٍ، حتى بدون أكسجين، فلن يكون لديهم القوة للعمل ولن يكون ORP مستقرًا. كيف نحدد ما إذا كان مصدر الكربون كافيًا؟ يمكن حساب نسبة الكربون إلى النيتروجين (C/N). بشكل عام، تتطلب إزالة النتروجين نسبة C/N تبلغ 5 ~ 8:1. على سبيل المثال، إذا كان نيتروجين النترات في المياه الداخلة 50 مجم/لتر، فيجب أن يكون COD على الأقل 250 ~ 400 مجم/لتر. إذا لم يكن كافيًا، فيجب استكمال مصادر الكربون مثل الميثانول أو أسيتات الصوديوم أو COD من مياه الصرف الصحي المنزلية. عند الاستكمال، لا تضف الكثير في وقت واحد، وإلا فسيبقى COD في النظام اللاحق. من الأفضل "إضافة كمية صغيرة عدة مرات" ومراقبة التغيرات في ORP ونيتروجين النترات. إذا ظل ORP مستقرًا عند حوالي 0mV واستمر نيتروجين النترات في الانخفاض، فهذا يشير إلى أنه تمت إضافة مصدر الكربون بدقة.
 

بالإضافة إلى هذه العمليات المحددة، هناك أيضًا العديد من "النصائح العامة" التي يمكن استخدامها في الأنظمة الهوائية أو اللاهوائية أو اللاهوائية، والتي يمكن أن تساعدك على تجنب العديد من الطرق الالتفافية.

الأول هو 'لا تركز فقط على ORP كمؤشر واحد'، يجب ربطه بمؤشرات أخرى. على سبيل المثال، إذا انخفض ORP للخزان الهوائي، فأنت بحاجة إلى التحقق مما إذا كان DO قد انخفض، وزاد COD، ولم ينخفض النيتروجين الأمونيومي؛ عندما يزداد ORP للخزان اللاهوائي، من الضروري التحقق مما إذا كانت درجة الحموضة منخفضة، وما إذا كان VFA مرتفعًا، وما إذا كان هناك تسرب للأكسجين - ORP هو "جندي إشارة"، وليس "سببًا"، فإن النظر فقط إلى ORP لا يمكنه العثور على المشكلة، ويجب تحليله مع مؤشرات مثل DO ودرجة الحموضة و COD والنيتروجين الأمونيومي و VFA للعثور بدقة على "مكان التعديل".

الثاني هو "تحديد نطاق تقلبات معقول" وعدم السعي وراء "الاستقرار المطلق". يمتلك النظام الكيميائي الحيوي نفسه تقلبات (مثل التغيرات في جودة المياه الداخلة ودرجة الحرارة)، ومن الطبيعي أن يتقلب ORP قليلاً. على سبيل المثال، يتم ضبط ORP للخزان الهوائي على +300mV، مما يسمح له بالتذبذب بين 280-320mV. طالما أنه لا يتجاوز هذا النطاق، يمكن للكائنات الدقيقة التكيف ولا تحتاج إلى تعديله كثيرًا كلما كان هناك تقلب، وإلا فسيجعل النظام أكثر عدم استقرار. على سبيل المثال، عندما يفتح صمام التهوية ويغلق بشكل متقطع، يتقلب الأكسجين المذاب (DO) بين المرتفع والمنخفض، مما يترك الكائنات الدقيقة في حالة ضياع.

الثالث هو "معايرة الجهاز بانتظام"، لا تدع قطب ORP "يخدعك". قد يتقدم قطب ORP في العمر أو يتغطى بالملوثات الموجودة في الماء (مثل البقع الزيتية والأغشية الحيوية) بمرور الوقت، وقد تكون القيم المقاسة غير دقيقة - على سبيل المثال، إذا كان ORP الفعلي +200mV ويعرض القطب +100mV، فقد تعتقد أن التهوية غير كافية وتشغيل التهوية، لكن ORP يرتفع بالفعل إلى +300mV، مما قد يتسبب في الواقع في حدوث مشاكل. لذلك يوصى بشكل عام بمعايرة قطب ORP مرة واحدة في الأسبوع، باستخدام محلول عازل قياسي (مثل محلول عازل بدرجة حموضة 7.0، مع ORP يبلغ حوالي +200mV، اعتمادًا على تعليمات المحلول العازل)، ومسح أي أوساخ على القطب لضمان دقة القيم المقاسة، بحيث يكون التحكم ذا مغزى.

أخيرًا، لتلخيص: التحكم في ORP ليس "تكنولوجيا عالية الدقة"، الأساس هو "توضيح النطاق المستهدف أولاً، ثم تحديد العوامل المؤثرة، وأخيرًا التعديل حسب الحاجة". يركز النظام الهوائي على DO ونسبة الكربون إلى النيتروجين، ويركز النظام اللاهوائي على الإغلاق ودرجة الحموضة و VFA، ويركز النظام اللاهوائي على مصدر الكربون والأكسجين المقاوم للتسرب. جنبًا إلى جنب مع المؤشرات الأخرى، يمكن أن تؤدي المعايرة المنتظمة للأجهزة إلى تثبيت ORP بشكل أساسي. التعامل مع الأنظمة الكيميائية الحيوية يشبه في الواقع تكوين صداقات مع الكائنات الدقيقة. يمكنك فهم طبيعتهم (ما هي بيئة ORP التي يحبونها)، وخلق ظروف مريحة لهم، وسيعملون بشكل طبيعي بشكل جيد. بمجرد استقرار النظام، نشعر أيضًا براحة البال.