《氧化還原介紹》word版

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1、氧化還原不簡單：環(huán)境工程的先進製程阮國棟行政院環(huán)境保護署環(huán)境檢驗所摘要本文引述生化需氧量(BOD)、化學需氧量(COD)等常見污染檢測項目中氧(O)的觀念，以及自然環(huán)境中涉及厭氧(anaerobic)、好氧(aerobic)、間氧(分子中存在的氧，例如SO4二及NO3一等)的氧化還原關係。針對氧的議題，在環(huán)境工程上正在開發(fā)的科技領域，包括亞硝酸鹽自營菌脫硝(Anammox?，CANON等)技術，各種SO4二、NO3一依賴型厭氧分解環(huán)狀有機物技術，化學迴圈生質(zhì)能技術等，在本文中做簡單討論。關鍵字：氧化還原、厭氧、好氧、硝化、脫硝、化學迴圈(chemicallooping)、Anammo

2、x19生化需氧量(BiochemicalOxygenDemand，BOD)的基本觀念水中的溶氧量是河川生態(tài)系統(tǒng)中最重要的項目，它的測值大小會影響連串生態(tài)鏈鎖反應(例如鮭魚的迴游游、魚蝦的逃亡、硫化氫惡臭的產(chǎn)生等)。水中的溶氧可能來自大氣氧氣的溶入、人為的曝氣（例如養(yǎng)鱒場以氧氣瓶的氧氣輸入）及水中植物的光合作用；而消耗則主要由細菌（好氧菌）分解有機污染物，稱為生化需氧量（BiochemicalOxygenDemand,BOD）。美國環(huán)保署曾製作卡通片，教育國小學生BOD與河川污染的觀念?！?》如圖1（A）所示，1公升水中有一塊餅乾及一顆糖果，現(xiàn)在我們只知道微生物吃掉這塊餅乾（消化成CO

3、2及H2O）必須搭配消耗掉一顆糖果，且已知此糖果為10mg，亦即在1公升水中的濃度為10mg/l（想像糖果的形狀與溶氧O2的形狀相似。以糖果代表溶氧，以餅乾泛指不知真正成分的所有有機污染物），則此1公升水的BOD濃度即為10mg/l。同理，如圖1（B）所示，只知另一河川水樣1公升中，不知餅乾多少塊，但實測得知消耗掉319顆糖果（水中消耗的溶氧測定，為環(huán)境科學或工程界中常用的方法，可以用化學滴定或溶氧電極直接讀數(shù)，亦即一般所謂的BOD測定），試問此水樣的BOD值是多少？並問前後水樣那一個污染嚴重？算出答案了嗎？BOD為10mg/l×3＝30mg/l，而BOD值越大，代表污染越多，污染越

4、嚴重，後者30mg/l自然比前者10mg/l較嚴重。值得思考的是：BOD值指的是糖果，是消耗掉的溶氧，並不是餅乾（污染物），但與污染物有一定的關係。所以BOD值越大，污染程度越大的命題才會成立。19科學上「餅乾」是泛稱，我們並無意用盡氣相層析儀/質(zhì)譜儀（GC/MS）等高等分析儀器去分析「餅乾」的組成成分。河川物染物太多，人類又毫無節(jié)制的不斷排入河川，「糖果」則是容易量測的單一成分，可惜只是河川自淨作用下依一定的速率補充到河川水體，若補充不足，就註定河川溶氧的降低（魚蝦逃避），或到完全缺氧厭氧的狀態(tài)（魚蝦死亡）。奇妙的二階段生物分解假如早餐中有二片土司及兩個荷包蛋，你偏向怎麼吃法？在河

5、川中，含碳污染物先耗氧分解（CBOD），含氮污染物在耗氧分解（NBOD）。河川中微生物分解含碳污染物所耗用的氧量，稱為第一階段生化需氧量，其終產(chǎn)物為二氧化碳及水，通常做BOD測定時，在20℃培養(yǎng)5天即可，稱為CBOD5。河川中微生物分解含氮污染物耗用氧量，稱為第二階段生化需氧量，其終產(chǎn)物為硝酸鹽（NO3-），通常做BOD測定時，在20℃培養(yǎng)21天或更長時間，稱為NBOD21。在河川生態(tài)中，有一不成文現(xiàn)象，即碳污染物分解幾乎完成後（亦即CBOD5值低於30mg/l19時），才開始引起大量的氮分解菌進行氮的污染物的系列分解作用（將含氮有機物水解，由氨氮氧化為亞硝酸鹽，再由亞硝酸鹽氧化為硝

6、酸鹽，以化學式子表示即為：NH4++20NO2-+ONO3-）。因此，無論您在早餐中是先吃荷包蛋再吃土司，或以土司夾蛋一起吃，但在河川生態(tài)中，微生物卻固守一種吃法：先吃土司，等待土司屑都清理得差不多時，再換另一組人馬享用荷包蛋，圖2所示，即為歸納上述河川耗氧的階段性現(xiàn)象或含碳、含氮污染物的分解階段性現(xiàn)象，顯示自然界有一些必須遵守的「規(guī)矩」。19發(fā)現(xiàn)有效率的脫氮技術生物需氧量（BOD）在氮化合物的分解上只顯現(xiàn)一半的現(xiàn)象（在有氧的環(huán)境中），還有一半的現(xiàn)象（在無氧的環(huán)境中）必須做更仔細的觀察。19傳統(tǒng)環(huán)境工程處理含氮廢水通常須經(jīng)好氧消化程序，將氨氮透過生物酵素氧化為亞硝酸根離子及硝酸根離子

7、，以及厭氧脫硝程序，將硝酸根離子還原為亞硝酸根，最後再還原為氮氣，溢散到大氣中，達到完全處理。此一人為系統(tǒng)，完全模仿河川中好氧狀態(tài)及厭氧狀態(tài)分解系列氮化合物的機制，如圖3所示。分解酵素氨氣蛋白質(zhì)大分子胺基酸分子氮氧（NH4+）NH4++20NO2-+ONO3--ONO2--2ON2①②③④⑤milml氧化作用稱為硝化還原作用稱為脫硝圖3：模仿河川生態(tài)中的機制所建立的傳統(tǒng)環(huán)境工程廢水除氮系統(tǒng)的流程圖3的流程，雖然是?大部分生態(tài)系中的現(xiàn)象，但也有例外（海洋生態(tài)