【คู่มือปฏิบัติ】วิธีควบคุม ORP ในระบบชีวเคมี?

สำหรับเพื่อนที่ทำงานด้านการบำบัดน้ำหรือปฏิกิริยาทางชีวเคมี เมื่อพูดถึง ORP (ศักยภาพในการลดการเกิดออกซิเดชัน) พวกเขาอาจรู้สึกว่ามีมากเกินไป สิ่งนี้มองไม่เห็นและจับต้องไม่ได้ โดยมีค่านิยมกระโดดไปมา บางครั้ง แม้ว่าตัวบ่งชี้ดูเหมือนจะถูกต้อง แต่เมื่อ ORP พัง ระบบทั้งหมดจะมีปัญหา จริงๆ แล้ว ไม่จำเป็นต้องถือว่า ORP เป็นเพียง "เวทย์มนต์" สาระสำคัญของมันคือ "เทอร์โมมิเตอร์" ของ "สภาพแวดล้อมรีดอกซ์" ในระบบชีวเคมี การควบคุม ORP คือการสร้าง "สภาพความเป็นอยู่" ที่สะดวกสบายให้กับจุลินทรีย์และปล่อยให้พวกมันทำงานได้ดี วันนี้ เราจะมาพูดเป็นภาษาธรรมดาเกี่ยวกับวิธีการควบคุม ORP ตั้งแต่ "เหตุใดจึงควบคุม" ไปจนถึง "วิธีใช้งานโดยเฉพาะ" มาอธิบายทีละขั้นตอนกัน

ก่อนอื่น เราต้องทำความเข้าใจก่อนว่า ORP คืออะไรกันแน่? เราไม่จำเป็นต้องจำคำศัพท์ทางเทคนิค "พลังงานศักย์ในการถ่ายโอนอิเล็กตรอน" พูดง่ายๆ ก็คือ ค่า ORP ที่สูงบ่งชี้ว่ามี "สารออกซิไดซ์มากขึ้น" ในระบบ และสภาพแวดล้อมมีอคติต่อ "ออกซิเดชัน" ค่าต่ำหมายถึง "ตัวรีดิวซ์มากขึ้น" และสภาพแวดล้อมที่มีแนวโน้มที่จะ "รีดิวซ์" และจุลินทรีย์ในระบบชีวเคมีนั้นเป็น "ผู้เชี่ยวชาญในการเลือกสภาพแวดล้อม" - แบคทีเรียแอโรบิกชอบสภาพแวดล้อมที่มีความเอนเอียงต่อการเกิดออกซิเดชัน (โดยทั่วไป ORP จะให้ผลบวกประมาณสิบถึงหลายร้อย mV) แบคทีเรียที่ไม่ใช้ออกซิเจนต้องทำงานในสภาพแวดล้อมที่รีดิวซ์อย่างรุนแรง (ORP มักจะติดลบหลายร้อย mV) และแม้แต่แบคทีเรียเชิงปัญญาก็ต้องปรับ "โหมดการทำงาน" ของพวกมันตามการเปลี่ยนแปลงของออกซิเจน คาร์บอน ไนโตรเจน และสิ่งอื่น ๆ ในสิ่งแวดล้อม ดังนั้น ORP จึงไม่ใช่ตัวบ่งชี้ทางเลือก แต่เป็นสัญญาณสำคัญสำหรับเราในการตัดสินว่าจุลินทรีย์มีชีวิตที่สะดวกสบายหรือไม่ และพวกมันทำงานได้ดีหรือไม่ ตัวอย่างเช่น หาก ORP ในถังแอโรบิกลดลงกะทันหัน อาจเกิดจากการเติมอากาศไม่เพียงพอ ทำให้แบคทีเรียแอโรบิก "หายใจไม่ออกเนื่องจากขาดออกซิเจน"; เมื่อค่า ORP ของถังแอนแอโรบิกถึงค่าบวก ค่า ORP จะหยุดลง ออกซิเจนรั่วไหลเข้าไป และแบคทีเรียแบบไม่ใช้ออกซิเจนจะ "โจมตี" โดยตรง และการผลิตมีเทนก็หยุดลง

ตรรกะหลักในการควบคุม ORP คืออะไร? เพียงสิ่งเดียว: "ปรับตามต้องการ" - ขั้นแรกให้ชี้แจงว่าระบบชีวเคมีของคุณควรทำอะไรบ้าง (คือเพื่อลด COD หรือไม่ หรือเป็นการดีไนตริฟิเคชั่นและการกำจัดฟอสฟอรัส หรือผลิตก๊าซชีวภาพ )จากนั้นจึงพิจารณาว่าจุลินทรีย์ชนิดใดที่จำเป็นในการ "ครองงาน" และสุดท้ายทำให้ ORP มีความเสถียรในช่วงที่สอดคล้องกันตามความต้องการของจุลินทรีย์ มันไม่ได้เกี่ยวกับการพูดว่า 'ยิ่งค่ายิ่งดี' หรือ 'ค่ายิ่งต่ำลง (แอมโมเนียไนโตรเจนเป็นไนเตรตไนโตรเจน) และต้องควบคุม ORP ที่ +200~+400mV; ระหว่างการดีไนตริฟิเคชัน (ไนเตรตไนโตรเจนเป็นไนโตรเจน) จำเป็นต้องเปลี่ยนแบคทีเรียที่มีความสามารถ และสภาพแวดล้อมจะต้องลดลงเหลือ -50~+50mV หาก ORP ไม่ลดลงในเวลานี้ แบคทีเรียที่แยกตัวจะไม่ทำงานเลย และ ไนเตรตไนโตรเจนจะสะสมอยู่ในน้ำ ดังนั้นขั้นตอนแรกคือการชี้แจง "ช่วงเป้าหมาย" ซึ่งเป็น "เครื่องนำทาง" ที่ควบคุม ORP

ถัดไปคือแนวทางที่ใช้งานได้จริงที่สุด: จะปรับ ORP โดยเฉพาะได้อย่างไร เรามาพูดถึงสถานการณ์ที่แตกต่างกันกันดีกว่า รูปแบบการเล่นของระบบแอโรบิก แอนแอโรบิก และแอนแอโรบิกนั้นแตกต่างกัน เอามาทีละอันเลย

ก่อนอื่น เรามาพูดถึงระบบแอโรบิก เช่น ถังแอโรบิกและตัวกรองเติมอากาศชีวภาพ แกนกลางคือ "การควบคุมออกซิเจน" เนื่องจากออกซิเจนเป็นสารออกซิแดนท์หลักที่นี่ และ ORP และออกซิเจนละลายน้ำ (DO) เกือบจะ "เชื่อมโยงกัน" เพื่อนหลายคนทำผิดพลาด: พวกเขาคิดว่ายิ่งเติมอากาศมากเท่าใด ออกซิเจนละลายน้ำ (DO) ก็จะยิ่งสูงขึ้น และ ORP ก็จะยิ่งมีเสถียรภาพมากขึ้นเท่านั้น ที่จริงแล้ว หาก DO สูงเกินไป ORP ก็จะทะยานสูงเกินไป ซึ่งไม่เพียงแต่จะทำให้สิ้นเปลืองไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังอาจยับยั้งแบคทีเรียแอโรบิกบางชนิดด้วย (เช่น พวกที่ย่อยสลายสารอินทรีย์ที่ย่อยสลายยาก) หาก DO ต่ำเกินไป ORP จะลดลงอีกครั้ง แบคทีเรียแอโรบิกไม่สามารถหายใจได้ COD ไม่สามารถลดลง และแอมโมเนียไนโตรเจนไม่สามารถทำให้เป็นไนตริไฟด์ได้ เราควรปรับมันอย่างไร?

ประการแรก เราต้องติดตามความสัมพันธ์ระหว่าง DO และ ORP อย่างใกล้ชิด สถานการณ์ของแต่ละระบบจะแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น ในถังแอโรบิกบางถัง เมื่อ DO อยู่ระหว่าง 2-3 มก./ลิตร ORP จะคงที่ที่+250~+300mV มาควบคุม DO ภายในช่วงนี้กันดีกว่า แล้ว ORP จะคงที่ตามธรรมชาติ จะควบคุม DO ได้อย่างไร? วิธีที่ตรงที่สุดคือการปรับการเปิดวาล์วเติมอากาศหรือความถี่ของพัดลมเติมอากาศ - ปัจจุบันนี้โรงงานน้ำหลายแห่งใช้ "การควบคุมการเชื่อมโยง DO-ORP" เช่น การตั้งค่าเป้าหมาย ORP เป็น + 300mV เมื่อ ORP ต่ำกว่า 280mV ระบบจะเปิดการเติมอากาศโดยอัตโนมัติ หากสูงกว่า 320mV ลดการเติมอากาศ ไม่ต้องให้คนมาเฝ้าปรับ สะดวกและแม่นยำ

นอกจากนี้อัตราส่วนคาร์บอนไนโตรเจนในระบบแอโรบิกยังส่งผลต่อค่า ORP อีกด้วย ตัวอย่างเช่น หากค่า COD ของน้ำที่เข้ามาเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหัน และจุลินทรีย์ "กินมากขึ้น" ปริมาณการใช้ออกซิเจนก็จะเพิ่มขึ้น ในเวลานี้ แม้ว่าไม่ได้เปิดใช้งานการเติมอากาศ DO จะยังคงลดลงและ ORP ก็จะลดลงเช่นกัน ในสถานการณ์เช่นนี้ การพึ่งพาการปรับการเติมอากาศเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอ แต่ยังต้องพิจารณาปริมาณการไหลเข้าด้วย หาก COD ยังคงสูงอยู่ อาจจำเป็นต้องปรับการไหลเข้า (เช่น การเจือจางส่วนหนึ่งของน้ำที่ผ่านการบำบัดด้วยกรดไหลย้อน) หรือเสริมสารอาหารบางอย่าง (เช่น การเติมยูเรียหรือโพแทสเซียม ไดไฮโดรเจน ฟอสเฟต หากไนโตรเจนและฟอสฟอรัสไม่เพียงพอ) เพื่อให้จุลินทรีย์สามารถ "กินได้อย่างเท่าเทียมกัน" และการใช้ออกซิเจนจะคงที่ และ ORP จะไม่ผันผวน

เมื่อพูดถึงระบบไร้ออกซิเจน เช่น เครื่องปฏิกรณ์ UASB และ IC เป้าหมายคือการรักษาเสถียรภาพของ ORP ที่ -200~-400mV (ขั้นตอนการผลิตมีเทน) สิ่งสำคัญคือการ "ป้องกันออกซิเจน" และ "ควบคุมแหล่งคาร์บอน" เนื่องจากระบบไร้ออกซิเจนล้วน "ไวต่อออกซิเจน" ออกซิเจนเพียงเล็กน้อยเข้าไป และ ORP จะพุ่งสูงขึ้น ส่งผลให้จุลินทรีย์ "เป็นพิษ" โดยตรง

ประการแรก จำเป็นต้องทำการ "ปิดผนึก" ซึ่งเป็นรากฐานของรากฐานให้ดี ถังแอนแอโรบิคของเพื่อนหลายๆ คนมี ORP ไม่เสถียร และหลังจากตรวจสอบแล้วพบว่ามีอากาศรั่วในท่อทางเข้าหรือแผ่นปิดด้านบนของเครื่องปฏิกรณ์ปิดไม่แน่นทำให้อากาศซึมเข้าไปในถัง ดังนั้นหลังการบำรุงรักษาแต่ละครั้งจึงจำเป็นต้องตรวจสอบสภาพการซีล และควรเพิ่ม "ซีลน้ำ" ลงในท่อทางเข้าเพื่อป้องกันไม่ให้อากาศเข้าไปในสิ่งปฏิกูล นอกจากนี้ หากอุปกรณ์ เช่น ปั๊มไหลย้อน และเครื่องกวนในระบบไร้อากาศต้องการการระบายความร้อนด้วยอากาศ สิ่งสำคัญคือต้องระวังอย่าให้อากาศรั่วลงไปในน้ำ ไม่เช่นนั้นมันจะเหมือนกับ 'เขื่อนพันไมล์ที่ถูกทำลายโดยรังมด' อย่างแท้จริง

จากนั้นจะมีการควบคุมแหล่งคาร์บอนและ pH เมื่อจุลินทรีย์ไร้อากาศสลายอินทรียวัตถุ พวกมันจะผลิตมีเทนและคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งเป็นตัวรีดิวซ์ที่สามารถรักษาสภาพแวดล้อมที่รีดิวซ์ได้ หากค่าซีโอดีของน้ำที่เข้ามาต่ำเกินไป จุลินทรีย์จะไม่สามารถกินได้และสารรีดิวซ์จะไม่เพียงพอ ทำให้ ORP ลอยสูงขึ้น หากค่าซีโอดีสูงเกินไป จุลินทรีย์จะ "กิน" และผลิตกรดไขมันระเหย (VFA) มากเกินไป ส่งผลให้ค่า pH ลดลง เมื่อค่า pH ต่ำกว่า 6.5 แบคทีเรียที่ผลิตมีเทนจะหยุดทำงานและ ORP ก็จะวุ่นวายเช่นกัน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องวัดค่า COD ของน้ำที่เข้ามาและ VFA และ pH ในสระอย่างสม่ำเสมอ หากค่า COD ไม่เพียงพอ ให้เติมแหล่งคาร์บอน (เช่น กลูโคส เมทานอล หรือน้ำเสียอินทรีย์ที่มีความเข้มข้นสูง) หาก VFA สูงเกินไป ให้เติมอัลคาไล (เช่น โซเดียมไฮดรอกไซด์ โซเดียมคาร์บอเนต) เพื่อปรับ pH โดยทั่วไป ค่า pH จะถูกควบคุมที่ 7.0-7.5 และค่า ORP มีโอกาสเกิดปัญหาน้อย

มีรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ อีกประการหนึ่ง: เมื่อระบบแอนแอโรบิกเริ่มต้นขึ้น ORP จะควบคุมได้ยากเป็นพิเศษ เนื่องจากจำนวนจุลินทรีย์มีขนาดเล็กในช่วงเริ่มต้น และยังไม่ได้กำหนดสภาพแวดล้อมการรีดักชัน ไม่ต้องกังวล ค่อยๆ เติมน้ำเสียที่มีความเข้มข้นต่ำลงไปเพื่อให้จุลินทรีย์ขยายตัวทีละน้อย ในเวลาเดียวกัน คุณยังสามารถเพิ่ม "ตะกอนที่เพาะเชื้อ" บางส่วนได้ (เช่น ตะกอนจากถังไร้ออกซิเจนอื่นๆ) เพื่อเร่งการสร้างสภาพแวดล้อมที่ลดลง เมื่อ ORP คงที่ต่ำกว่า -200mV ให้ค่อยๆ เพิ่มโหลดทางเข้า ไม่เช่นนั้นจะ "สตาร์ทล้มเหลว" ได้ง่าย

สุดท้ายนี้ เรามาพูดถึงระบบแอนแอโรบิก เช่น ถังดีไนตริฟิเคชัน โดยที่ ORP เป้าหมายโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง -50~+50mV หัวใจหลักที่นี่คือ "การควบคุมแหล่งคาร์บอนและการป้องกันออกซิเจน" เนื่องจากแบคทีเรียที่แยกไนตริไฟเออร์ต้องการแหล่งคาร์บอนเป็น "อาหาร" และจะต้องไม่มีการรบกวนของออกซิเจน (ไม่เช่นนั้นพวกมันจะจัดลำดับความสำคัญของออกซิเจนมากกว่าไนเตรตไนโตรเจน)

เพื่อนหลายคนไม่สามารถลด ORP ของถังดีไนตริฟิเคชันได้ ดังนั้น สิ่งแรกที่ต้องตรวจสอบคือมีออกซิเจนรั่วไหลหรือไม่ ตัวอย่างเช่น หากถังแอโรบิกด้านหน้าถังดีไนตริฟิเคชันมีการเติมอากาศมากเกินไป DO จะลำเลียงสิ่งปฏิกูลไปยังถังดีไนตริฟิเคชั่น หรือหากเครื่องกวนในถังดีไนตริฟิเคชันเป็น "การกวนเติมอากาศ" (ซึ่งยากที่สุดและให้ออกซิเจนโดยตรงในถัง) แม้ว่าจะเติมแหล่งคาร์บอนเข้าไปก็ตาม ORP ก็ไม่สามารถลดลงได้ ดังนั้นการกวนถังดีไนตริฟิเคชันจะต้องใช้ "การกวนเชิงกล" (เช่น การกวนด้วยใบมีด) และไม่สามารถใช้การกวนด้วยอากาศได้ หากค่า DO ของน้ำทิ้งจากถังแอโรบิกสูงเกินไป ควรเพิ่ม "ถังไล่แก๊ส" ที่ด้านหน้าถังกำจัดไนตริฟิเคชั่นเพื่อกำจัดออกซิเจนบางส่วนในน้ำ

จึงมี'ปริมาณแหล่งคาร์บอนที่เพียงพอ' เมื่อแบคทีเรียที่แยกไนตริไฟติ้งจะสลายไนโตรเจนไนเตรต พวกมันจำเป็นต้องมีแหล่งคาร์บอน (เช่น COD) ในฐานะผู้บริจาคอิเล็กตรอน หากแหล่งคาร์บอนไม่เพียงพอแม้จะไม่มีออกซิเจน แหล่งคาร์บอนก็จะไม่มีแรงในการทำงานและค่า ORP จะไม่เสถียร จะทราบได้อย่างไรว่าแหล่งคาร์บอนเพียงพอหรือไม่? สามารถคำนวณอัตราส่วนคาร์บอนต่อไนโตรเจน (C/N) ได้ โดยทั่วไป การแยกไนตริฟิเคชันต้องมีอัตราส่วน C/N อยู่ที่ 5~8:1 ตัวอย่างเช่น หากไนเตรตไนโตรเจนในส่วนที่ได้รับผลกระทบคือ 50 มก./ลิตร ค่า COD จะต้องมีอย่างน้อย 250~400 มก./ลิตร หากยังไม่เพียงพอ จะต้องเสริมแหล่งคาร์บอน เช่น เมธานอล โซเดียมอะซิเตต หรือ COD จากน้ำเสียในครัวเรือน เมื่อเสริมอย่าเติมมากเกินไปในคราวเดียว ไม่เช่นนั้น COD จะยังคงอยู่ในระบบภายหลัง วิธีที่ดีที่สุดคือ "เติมปริมาณเล็กน้อยหลายๆ ครั้ง" และติดตามการเปลี่ยนแปลงของ ORP และไนเตรตไนโตรเจน หาก ORP ยังคงความเสถียรที่ประมาณ 0mV และไนเตรตไนโตรเจนยังคงลดลงอย่างต่อเนื่อง แสดงว่าแหล่งคาร์บอนถูกเติมเข้าไปอย่างแม่นยำ
 

นอกเหนือจากการทำงานเฉพาะเหล่านี้แล้ว ยังมี "เคล็ดลับทั่วไป" หลายประการที่สามารถใช้ได้ในระบบแอโรบิก แอนแอโรบิก หรือแอนแอโรบิก ซึ่งสามารถช่วยให้คุณหลีกเลี่ยงการออกนอกเส้นทางต่างๆ ได้

ประการแรกคือ 'อย่าให้ความสำคัญกับ ORP เป็นตัวบ่งชี้เดียว' แต่ควรเชื่อมโยงกับตัวบ่งชี้อื่น ๆ ตัวอย่างเช่น หาก ORP ของถังแอโรบิกลดลง คุณต้องตรวจสอบว่า DO ลดลง, COD เพิ่มขึ้น และแอมโมเนียไนโตรเจนไม่ลดลงหรือไม่ เมื่อ ORP ของถังไร้ออกซิเจนเพิ่มขึ้น จำเป็นต้องตรวจสอบว่า pH ต่ำหรือไม่ VFA สูงหรือไม่ และมีการรั่วไหลของออกซิเจนหรือไม่ - ORP เป็น "ทหารส่งสัญญาณ" ไม่ใช่ "สาเหตุ" เพียงดูที่ ORP ก็ไม่พบปัญหา และจำเป็นต้องวิเคราะห์ร่วมกับตัวบ่งชี้ เช่น DO, pH, COD, แอมโมเนียไนโตรเจน และ VFA เพื่อค้นหา "ตำแหน่งที่จะปรับ" ได้อย่างแม่นยำ

ประการที่สองคือ "กำหนดช่วงความผันผวนที่เหมาะสม" และไม่แสวงหา "เสถียรภาพสัมบูรณ์" ระบบชีวเคมีเองก็มีความผันผวน (เช่น การเปลี่ยนแปลงคุณภาพน้ำขาเข้าและอุณหภูมิ) และเป็นเรื่องปกติที่ ORP จะผันผวนเล็กน้อย ตัวอย่างเช่น ค่า ORP ของถังแอโรบิกตั้งไว้ที่+300mV ทำให้สามารถแกว่งได้ระหว่าง 280-320mV ตราบใดที่ไม่เกินช่วงนี้จุลินทรีย์ก็สามารถปรับตัวและไม่จำเป็นต้องปรับมากเกินไปเมื่อมีความผันผวนไม่เช่นนั้นจะทำให้ระบบไม่เสถียรมากขึ้น ตัวอย่างเช่น เมื่อวาล์วเติมอากาศเปิดและปิดเป็นระยะๆ ออกซิเจนละลายน้ำ (DO) จะผันผวนระหว่างสูงและต่ำ ส่งผลให้จุลินทรีย์สูญเสีย

อันที่สามคือ "ปรับเทียบเครื่องมือเป็นประจำ" อย่าปล่อยให้อิเล็กโทรด ORP "หลอกลวงคุณ" อิเล็กโทรด ORP อาจมีอายุหรือถูกสารมลพิษในน้ำปกคลุม (เช่น คราบน้ำมันและแผ่นชีวะ) เมื่อเวลาผ่านไป และค่าที่วัดได้อาจไม่ถูกต้อง ตัวอย่างเช่น หาก ORP จริงคือ +200mV และอิเล็กโทรดแสดง +100mV คุณอาจคิดว่าการเติมอากาศไม่เพียงพอและเพิ่มการเติมอากาศ แต่จริงๆ แล้ว ORP เพิ่มขึ้นเป็น +300mV ซึ่งอาจทำให้เกิดปัญหาได้ โดยทั่วไป แนะนำให้ปรับเทียบอิเล็กโทรด ORP สัปดาห์ละครั้ง โดยใช้สารละลายบัฟเฟอร์มาตรฐาน (เช่น สารละลายบัฟเฟอร์ pH 7.0 โดยมี ORP ประมาณ+200mV ขึ้นอยู่กับคำแนะนำของสารละลายบัฟเฟอร์) โดยเช็ดสิ่งสกปรกบนอิเล็กโทรดเพื่อให้แน่ใจว่าค่าที่วัดได้นั้นแม่นยำ เพื่อให้การควบคุมมีความหมาย

โดยสรุป: การควบคุม ORP ไม่ใช่ "เทคโนโลยีที่มีความแม่นยำสูง" หัวใจหลักคือการ "ชี้แจงช่วงเป้าหมายก่อน จากนั้นจึงระบุปัจจัยที่มีอิทธิพล และปรับเปลี่ยนตามความจำเป็นในที่สุด" ระบบแอโรบิกเน้นที่อัตราส่วน DO และคาร์บอนไนโตรเจน ระบบแอนแอโรบิกเน้นที่การปิดผนึกและ pH, VFA และระบบอะโนซิกเน้นที่แหล่งคาร์บอนและออกซิเจนป้องกันการรั่วซึม เมื่อรวมกับตัวบ่งชี้อื่นๆ การสอบเทียบเครื่องมือเป็นประจำจะสามารถทำให้ ORP คงที่ได้ การจัดการกับระบบชีวเคมีก็เหมือนกับการผูกมิตรกับจุลินทรีย์ คุณสามารถเข้าใจอารมณ์ของพวกเขาได้ (สภาพแวดล้อม ORP ที่พวกเขาชอบ) สร้างเงื่อนไขที่สะดวกสบายสำหรับพวกเขา และพวกเขาจะทำงานได้ดีตามธรรมชาติ เมื่อระบบมีเสถียรภาพเราก็สบายใจได้เช่นกัน