在水环境中，任何物质都有其独自的氧化还原特性。多种氧化还原性不同的物质在水中会产生相互影响，最终使水体表现出一定的宏观氧化还原性。氧化还原电位（ORP）可以用来反映水体的宏观氧化还原性，ORP越高，表示水体氧化性越强。
利用ORP可以控制液相环境中物种的存在形态，判断氧化还原反应进行的程度。比如，传统氧化还原水处理技术存在控制条件不够精准、浪费药剂、对环境不友好等不足，但借助ORP测量仪器，利用ORP的电信号作为检测与控制手段，可大大改进氧化还原水处理技术的精准控制水平，从而提高处理效果。笔者探讨了影响水体ORP的主要因素，总结了ORP在水处理领域及水处理设备防腐中的应用，以期为行业发展提供有益参考。
1 ORP的特点及影响因素
1.1 ORP的特点
氧化还原电位（ORP）为在消除液接电位（液体接界的电势差）条件下，氧化还原电对组成的电极电位与标准氢电极电位之间的差值〔1〕。通常规定，标准氢电极电位为0。氧化还原反应中产生的ORP可由能斯特方程进行计算：
式中：E——某一浓度下氧化还原电对电极电势，V；
E0——氧化还原电对的标准电极电势，V；
R——摩尔气体常数，8.314 J/（K·mol）；
T——热力学温度，K；
n——氧化还原反应中电子转移数；
F——法拉第常数，96 485 C/mol；
[Ox]或[Red]——氧化剂或还原剂的浓度，mol/L。
可以看出，ORP的大小是多种因素共同作用的结果。当溶液中存在多种氧化还原电对时，它们彼此之间相互作用，共同组成一个复杂的氧化还原环境〔2〕。
ORP的测量仪器为氧化还原电位分析仪（ORP分析仪），具有携带方便，测量迅速、精确等优点。
1.2 影响ORP的因素
ORP的大小，不仅仅取决于电极的性质，还与水体温度、水体中离子的浓度、气体的分压等因素有关。
（2）溶解氧（DO）。众所周知，DO表示溶解在水中的氧的含量，它在一定条件下会直接影响ORP。研究表明，当溶液为纯水时，ORP和DO的对数具有一定的线性关系，当DO增大时，ORP也会随之增大〔5〕。
图1
ORP作为反映水体宏观氧化还原性的综合指标，其影响因素种类较多，除上述几个主要影响因素外，还有反应时间等因素的影响。因此，水体的氧化还原性是多种因素综合作用的结果。
2 ORP在水环境污染防控中的应用
ORP作为反映液相环境条件的一个综合性指标，应用范围极为广泛。ORP在水环境污染防控中的应用可分为2个大方面：水处理领域和水处理设备防腐，具体如图2所示。
图2
2.1 ORP在水处理领域中的应用
2.1.1 给水处理
给水处理是市政给水工程中重要的组成部分〔7〕。给水处理的目的是去除水中的胶体物质、悬浮物、细菌病毒及其他有害成分，使得处理后的水质能够满足生活饮用及工业生产的需要。常用的处理工艺为自然沉淀、混凝沉淀和澄清、过滤和消毒。当原水浊度高、含砂量大时，应先采用预沉池或沉砂池将含砂量降到1 000 mg/L以下。
氯消毒是给水处理中使用率最高、最经济且效果良好的消毒方法。由氯气性质可知，氯气略溶于水，且能生成少量的HOCl。将氯气投加到含有胶体物质、悬浮物、细菌病毒及其他有害成分的废水中，生成的HOCl可扩散到带负电的细菌表面，通过细菌的细胞壁穿透到细菌内部。由式（3）可知，HOCl可从被氧化的物质（细菌）中获得2个电子，从而破坏细菌体内的酶使细菌死亡，达到杀菌效果〔8〕。
ORP可直接测定氧化还原反应的电子传递，判断反应体系中各氧化还原电子对的氧化能力〔8〕。根据电子传递计算所需的加氯量，可以最小的加氯量满足杀菌要求，提高给水处理的精确度，降低成本。
2.1.2 污水处理
ORP可作为好氧生物处理、缺氧生物处理及厌氧生物处理中的控制策略。
（1）好氧生物处理。ORP与COD去除和硝化具有良好的相关性〔10〕，通过ORP控制好氧曝气量，可避免曝气时间的不足或过量，确保处理出水的水质。
（2）缺氧生物处理。ORP与反硝化状态的氮浓度在缺氧生物处理过程中存在一定的相关性，可以以此作为判断反硝化过程是否结束的一个标准。J. H. Kim等〔11〕指出，在反硝化脱氮过程中，当ORP对时间的导数＜-5时，反应较彻底。出水中含有硝态氮，可以防止产生各种有毒有害物质，例如硫化氢等。
（3）厌氧生物处理。厌氧反应过程中，当有还原物质产生时，ORP值就会降低；反之，还原物质减少，ORP值就会升高，并且在一定时间段里趋于稳定。厌氧区的ORP应低于-350 mV〔12〕。
2.1.3 循环水处理
2.1.4 脱硫废水处理
图3
在脱硫系统中，控制ORP水平可以减少废水处理量或减少汞等重金属的排放。在脱硫系统中，ORP值会发生变化，从150 mV变为300 mV，或者高于500 mV，这与煤种特性和吸收剂化学特性等的影响有关。
图4
ORP设定点会影响硒和汞的化学价态。当ORP＞250 mV时，硒倾向于呈硒酸盐的形式，汞将在FGD浆液中保持氧化。当ORP＜250 mV时，硒倾向于呈亚硒酸盐的形式，汞会还原成颗粒形式并重新排放到烟道气中。当ORP在150~250 mV时，亚硒酸盐和汞的排放达到最低〔23〕。利用ORP设定点，可提高硒和汞的去除率，减少后续脱硫废水重金属的处理负荷。
2.1.5 人工湿地
2.1.6 沼泽湿地
对三江平原泥炭沼泽、腐殖质沼泽和沼泽化草甸这3类湿地的ORP进行研究，发现不同水分条件对湿地沉积物ORP的影响有较大差异；另外，研究还表明，在还原态下（ORP＜300 mV），有机碳矿化速率和矿化量随ORP的升高而升高，在氧化态（ORP > 300 mV）下则逐渐降低，较低的ORP是三江平原湿地有机碳得以积累的重要原因〔31〕。
2.2 ORP在水处理设备防腐中的应用
2.2.1 锅炉给水系统
在火电厂，当锅炉给水系统中的铁或铜与O2相遇时，极易发生腐蚀问题，严重时会造成凝结水无法回收，浪费资源，降低锅炉使用寿命。因此，需对锅炉给水系统采取腐蚀防护措施。
传统的锅炉给水系统防腐采用联氨深度除氧防腐技术，其缺点是给水管路会受到“流动加速腐蚀”（FAC）效应。荣幼澧〔32〕研究发现，当给水溶氧＜1 μg/L或联氨余量＞20 μg/L时，系统的FAC腐蚀率急剧上升。
2.2.2 给水管网
（1）ORP＞300 mV，铁释放量达标，基本没有溶解性铁释放〔38〕；
（2）200 mV＜ORP≤300 mV，铁释放风险较小，颗粒性铁释放为主〔38〕；
（3）100 mV＜ORP≤200 mV，铁释放风险较大，颗粒性铁释放为主〔38〕；
（4）ORP≤100 mV，铁释放超标，溶解性铁释放为主〔38〕。
由此可见，ORP越低，铁管腐蚀就会越严重。因此，将ORP预测模型作为水管网防腐的监测指标，可得出最优水质条件与管网运行工况，优化投加消毒剂量，控制铁释放。这些优势是余氯、pH及硫酸根等监测方法无法比拟的。
2.2.3 吸收器再循环罐
ORP作为工艺设备腐蚀的预测指标，可以控制石灰石-石膏湿法脱硫吸收器再循环罐（ART）和系统内其他合金部件的腐蚀速率〔39〕。
石灰石-石膏湿法脱硫废水排放中会出现ORP偏移现象，ORP读数可从150 mV变化到300 mV以上，此时系统在强氧化条件下运行。当材料接触到具有较高氧化电位的溶液时，则可能发生化学反应，其中溶液被还原，材料被氧化。当浆料的ORP达到500 mV以上时，Mn2+被氧化成MnO2沉淀出来。MnO2与金属接触，作为腐蚀电池的阴极，促使阳极腐蚀加剧，最终导致ART腐蚀速率加快〔39〕。可见，在高ORP条件下，腐蚀速率加快。可通过调控ORP数值来减缓设备腐蚀。为防止设备发生腐蚀，需对工艺泵、石膏生产的真空系统以及工艺管道和下游废水处理设备采取防腐措施，并选择耐腐蚀的材料。
3 氧化还原电位应用比较与分析
对ORP在水环境污染防控方面的应用情况进行了归纳总结，见表1。
表1 ORP应用技术特点
| 氧化还原电位应用 | 精确度 | 优势 | 不足 | 发展前景 |
| 给水处理 | 很高 | 节约成本 | 电对较多时，影响ORP判断 | 非常好 |
| 污水处理 | 很高 | 可使出水水质达标 | 尚不清晰 | 好 |
| 循环水处理 | 较好 | 可避免循环水系统设备腐蚀、堵塞曰经济 | 需定期维护ORP仪表 | 好 |
| 脱硫废水处理 | 较好 | 可使亚砸酸盐和汞排放达到最低 | 对其他重金属的去除效果不佳 | 一般 |
| 人工湿地 | 较好 | 保护植物根际 | 环境因素未知 | 较好 |
| 沼泽湿地 | 一般 | 加速沉淀物分解 | 受暴露环境影响 | 一般 |
| 锅炉给水 | 一般 | 可减缓铁电厂锅炉给水系统设备腐蚀速度，降低能耗 | 水的纯度会影响ORP的测定 | 较好 |
| 给水管网 | 较好 | ORP在复杂水质环境下也可以反映铁释放情况 | 尚不清晰 | 较好 |
| 吸收器再循环罐 | 一般 | 可减缓设备腐蚀 | 尚不清晰 | 一般 |
4 结语
笔者介绍了ORP的特点及影响因素，在此基础上，总结了ORP指标在水处理领域和水处理设备防腐方面的应用情况。就目前应用而言，ORP在给水处理方面的应用技术较为成熟，未来可大力推广；在脱硫废水处理中应用ORP，可有效去除硒和汞2种重金属，有助于未来实现零排放；在循环水处理中应用ORP，可以避免循环水系统设备的腐蚀、堵塞。通过对国内外形势的分析，认为在未来一段时间内，ORP在湿地方面的应用会引起广泛关注。但在水处理设备防腐方面，ORP的应用面临着各种技术挑战，需把控好周围的环境参数，减少多个变量的干扰。随着社会发展以及对健康和环境保护的重视，ORP在水环境污染防控中的应用价值会越来越突出。
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