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水体中溶解氧与水温、盐分、大气压关系解析

发表时间:2019/6/9 17:45:40  
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                             水体中溶解氧与水温、盐分、大气压关系解析

李桃  刘运年  熊明艳

株洲市环境监测中心站,湖南株洲 412000

空气中的分子态氧溶解在水中称为溶解氧。水中的溶解氧的含量与空气中氧的分压、水的温度等有密切关系。在自然环境中,空气中的含氧量变动不大,故水温是主要的因素。气温越高,溶解度越小,气温越低,溶解度越大;但实践证明,盐分对水体中的溶解氧也有较大的影响。

一、水中氧气的来源

溶解氧是水生生物生存不可缺少的条件。其来源一是水中溶解氧未饱和时,大气中的氧气向水体渗入;另一个来源是水中植物通过光合作用释放出的氧。

1、空气的溶解

水面与空气接触,空气中的氧气将溶于水中,溶解的速率与水中溶氧的不饱和程度成正比,还与水面扰动状况及单位体积的表面积有关,也就与风力和水深有关。氧气在水中的不饱和程度大,水面风力大和水较浅时,空气溶解起的作用就大。

2、光合作用

水体中含有的水生植物与阳光的光合作用可释放出氧气,是水体中氧气的另一主要来源。

3、一些水塘或水库在补水的同时,可增加缺氧水体氧气的含量。在工厂化流水养鱼中的补水是充氧过程。在非流水养鱼的池塘或水库中,补水量较小,补水对鱼池的直接增氧作用不大。

二、水中氧气的消耗

1、鱼、虾等养殖生物呼吸,鱼、虾呼吸耗氧率随鱼、虾种类、个体大小、发育阶段、水温等因素而变化。一般鱼的呼吸耗氧率在63.5~665mg/kg·h,且随个体的增大而增加。而耗氧率(以单位时间内消耗氧气的毫克数计)随个体的增大而减小。在适宜的温度范围内,水温升高,鱼、虾耗氧率增加,即水温和个体大小对生物的耗氧速率影响很大。  

2、水中微型生物耗氧 

水中微型生物耗氧水中微型生物耗氧主要包括:浮游动物、浮游植物、细菌呼吸耗氧以及有机物在细菌参与下的分解耗氧。这部分氧气的消耗也与耗氧生物种类、个体大小、水温和水中有机物的数量有关。浮游植物也呼吸耗氧,只是白天其光合作用产氧量远大于本身的呼吸耗氧量。据研究,处于迅速生长期的浮游植物,每天的呼吸耗氧量占其产氧量的10~20%。有机物耗氧主要决定于有机物的数量和有机物的种类(在常温下是否易于分解)。通常把这一部分氧气的消耗叫做“水呼吸”耗氧。

水体中微生物分解有机物时消耗水中溶解氧的量也就是我们通常所说的生化需氧量(BOD5)。 

3、底质耗氧

底质耗氧比较复杂,主要包括:底栖生物呼吸耗氧,有机物分解耗氧,呈还原态的无机物化学物氧化耗氧等。

逸出

当表层水中溶氧过饱和时,就会发生氧气的逸出。静止的条件下逸出速率是很慢的,风对水面的扰动可加速这一过程。

水体中的有机物、化学物质消耗氧气

水体中含有各种有机物、亚硝酸盐、硫化物、亚铁盐等还原性物质在氧化还原过程中会消耗氧气,如水中的氨和硫化氢在有充足的溶解氧的情况下,经过水生微生物的好氧分解作用,氨会转化为亚硝酸再转化为硝酸,硫化氢会转化为硫酸盐,亚铁盐则转化成三价铁盐。水中的还原性物质如各种有机物、亚硝酸盐、硫化物、亚铁盐等在氧化还原过程中所消耗的氧气量,即为化学需氧量(CODcr),与生化需氧量(BOD5)一样,化学需氧量(CODcr)值的大小可表示水中有机物、亚硝酸盐、硫化物、亚铁盐等还原性物质多少,用以指示水中有机物、亚硝酸盐、硫化物、亚铁盐等还原性物质的污染程度。

水体中之有机物,其碳素以不同的氧化状态存在,某些碳素可被生物利用氧化,我們以生化需氧量(biochemical oxygen demand, BOD)來加以量化,而一般有更多的碳素可用化学氧化剂加以氧化,形成CO2,我們则用化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)来加以量化。然而,还有部分碳素无法以生物或化学方法加以测量。

总有机碳(TOC)是比起COD或BOD更为方便且更全面、直接的碳素表現方法。它是指所有机物結合之碳素,把水体中的所有有机物质的含量以有机物中的主要元素一一碳的量来表示,是以碳含量表示水体中所有有机物质总量的综合指标。

6、盐分

各种酸、碱、盐等无机物进入水体(酸、碱中和生成盐,它们与水体中某些矿物相互作用产生某些盐类),使淡水资源的矿化度提高和透明度降低,并且挤占、填充水分子之间的空隙,致使水体中的溶解氧降低。

三、溶解氧在水生生态系中的作用

溶解氧是鱼、虾等各种水生生物生存不可缺少的条件。鱼、虾等各种水生生物生活在水里,就像人活在空气中一样,必须不断呼吸氧气方能维持其正常生命活动。鱼、虾等各种水生生物呼吸耗氧速率与各种内因(如种类、年龄、体重、体表面积、性别、食物及活动强度等)有关,也与外因(如溶解氧、pH、水温等)有关。对于水中鱼类而言,溶解氧需大于4mg/L才能保证其正常的生命活动。水中溶解氧含量偏低,如低于4mg/L,虽未达到窒息点,不会引起鱼类的急性反应,但会引起慢性危害,鱼、虾就会游向水面,呼吸表层水溶氧,严重时吞咽空气,这一现象称为“浮头”。鱼类浮头轻者生长速度和成活率下降,重则引起泛池或大量死亡。鱼、虾长期生活在溶氧不足的水中,体质将下降,对疾病抵抗力降低,发病率升高,更易“中毒”致死。

我们知道如果空气中充满了毒气人是活不了的,同理鱼也是这样。那么水中的毒素都有哪些,是怎么产生的呢?对鱼有致命危害的毒素有主要有氨和亚硝酸盐,它们都是剧毒,极低的含量就能造成鱼的死亡。氨浓度超过0.012毫克/升时鱼就有中毒的危险,亚硝酸盐含量在0.1毫克以下是安全的健康水质,0.1毫克是轻微污染,0.25毫克以上则为严重污染,1毫克或以上水中生物便开始走向死亡。毒素的产生是这样的:鱼的呼吸、尿液以及鱼的粪便和残饵等有机物,会使水中的异营菌大量繁殖,异营菌的代谢产物就是剧毒的氨。在一个成熟的硝化系统中,氨会马上被亚硝酸菌分解成亚硝酸盐,然后由硝酸菌分解成为硝酸盐。硝酸盐是藻类的营养来源,当硝酸盐浓度太高时,会导致藻类大量滋生,致使水体中的溶解氧更低。

四、水体中溶解氧与水温、盐分、大气压的关系探讨

1、氧在水中的溶解度与温度的关系

根据气体热胀冷缩的原理,气体在温度高时,分子间的间距大,温度低时,分子间间距小,故在温度低时空气中的氧气更容易溶于水(这也是与固体不同的原因),其溶解度就增大了,反之,温度升高,气体溶解度减少,比如烧水的时候可看见有很多小气泡,其中就是有部分溶于水中的气体受热逸出。

水温升高一方面导致水中溶解氧减少,另一方面水温升高会加速耗氧反应,最终导致水体缺氧或水质恶化。 

溶解度随温度及大气中氧之分压而改变,遵循亨利定律(Henry Law),如下式所示:

[O2]=Kh×Po2

式中[O2]为水溶液氧气之平衡,Po2为氧气之分压,Kh则为亨利常数,其值随温度而异,当温度高时,Kh值较低,温度低时,Kh值较高。因此,在夏季温度偏高时,水中溶解氧值偏低,在冬季温度偏低时,水中溶解氧值就偏高。

据有关数据统计,在一个大气压下,水温由10℃升到35℃,氧在纯净水中的溶解度由11.27mg/L降到6.93mg/L。水体中的饱和溶解量在20—10℃时为9. 17—11.33毫克/升,在101.325 KPa、20℃情况下,纯水中饱和溶解氧含量约9毫克/升。对于人类来说,健康的饮用水中溶解氧含量不得小于6mg/L。

2、氧在水中的溶解度与气压的关系

在日常生活中,我们知道,液体可以蒸发成气体,如水蒸汽,气体也可以凝结为液体。在一定的温度下,二者可以达成平衡,即液体的蒸发速度等于蒸气的凝结速度。达到这种平衡时,蒸气有一定的压力,这个压力就叫做此液体的饱和蒸气压(简称蒸气压)。蒸气压与温度有关,温度越高,分子具有的动能越大,蒸发速度越快,因而蒸气压越大。蒸气压与压力有关,根据亨利定律:在一定的温度下,气体在液体中的溶解度和该气体的平衡分压成正比。即

溶解度随温度及大气中氧之分压而改变,遵循亨利定律(Henry Law),如下式所示:

[O2]=Kh×Po2

式中[O2]为水溶液氧气之平衡,Po2为氧气之分压,由亨利定律我们可以看出:在温度不变的情况下,即Kh为定值时,压力越大,气体溶解度越大,比如我们喝的碳酸饮料中的二氧化碳就是通过加压的方式溶入水中的;反之压力越小,气体溶解度越小,比如打开汽水瓶的瞬间,瓶中压力减小,可看见大量气泡产生,即反映了压力越小,气体溶解度越小这个原理。

3、氧在水中的溶解度与盐分的关系

水中溶解盐类的总量称盐度或矿化度。矿化度是指水体中主要离子的总量。矿化度高,一是使鱼体生长速度较慢。水质较高的矿化度会破坏鱼类血液的酸碱平衡,血红蛋白结合氧的能力下降,鱼体为保持体内酸碱平衡和渗透压平衡要消耗更多的氧气和营养物质,用于生长的营养物质相对减少,影响了鱼体正常生长。二是致使鱼体抗病力下降。高矿化度水质对鱼鳃的表皮组织破坏性较大,鱼体内外的气体交换受到影响,饲料的消化吸收率降低,鱼体体质较弱,抗病力下降,易发病;三是当水体受无机和有机还原物质污染时,其氧化分解的耗氧速度超过从空气中补充氧的速度时,水体中溶解氧将减少;四是致使水体的透明度降低,使得阳光难以穿透水层,影响水体中植物的光合作用,造成水体中溶解氧呈过饱和状态;五是存在水分子空隙中的盐类等其他物质,挤占、填充水分子之间的空隙,使水分子之间的空隙减小,致使水体缺氧,或加不上氧,这就是为什么水体中的盐分越高,溶解氧越低的原因。

有些魚类只能生长在水温较低、溶氧较高的高冷山区,有些鱼类只能慢慢适应水温和溶氧之变化,若突然改变其生活环境,就会因缺乏溶氧而死亡。故当湘江出现流域性的大面积死鱼情况时,一定会有水温和盐分这两个主要因素的影响。其中水温突变是“元凶”,盐分增加是“帮凶”。

五、实验

1、目的和方法

为了解和掌握水体中的溶解氧与温度、气压和盐分的关系,我们于2013年1月至12月,对株洲湘江朱亭、白石和霞湾断面中的溶解氧、温度、盐分和环境空气中的气压进行了监测分析。其中,朱亭断面为湘江进入株洲市的入境断面,霞湾断面为出境断面,白石断面为市区监控断面。

2、监测仪器

水体溶解氧的检测方法通常有碘量法、电流测定法(Clark溶氧电极)、电导测定法、荧光淬灭法等。本文中溶解氧的测量方法为溶解氧测量新技术-溶解氧的荧光法测量技术,其工作原理是:哈希(HACH)公司的LDO溶解氧传感器被一层荧光物质所覆盖,当LED光源发出的蓝光照射到传感器表面的荧光物质时,荧光物质受到激发释放出红光。从发出蓝光到释放出红光的这段时间被记录下来。水中的氧气浓度越高,释放红光的时间就越短。在红光释放时间与溶解氧浓度之间建立相关性,仪器通过测定红光的释放时间计算出溶解氧浓度,进而在屏幕中直接显示出溶解氧浓度。 便携式LDO溶氧仪的优点:在测量溶解氧的技术方面,带有LDO探头的便携式测定仪与传统的基于电流或极谱法的溶氧仪相比,具有诸多优点:(1)无需极化:在测量溶解氧时,LDO溶解氧探头不需要极化时间。传统溶解氧探头在使用前通常有极化过程。(2)无需校准:LDO溶解氧探头在出厂前已经校准,因此用户在使用时无需校准,可直接测量溶解氧浓度。而传统的溶解氧仪在使用时,通常有校准步骤,校准通过后,方可进行溶解氧的测定。(3)维护量低:LDO探头为无膜式探头,无需更换膜组件、无需填充电解液,维护量大大降低,既节省了时间又降低了用户的维护成本。(4)抗干扰能力强:LDO探头为无膜式探头,因此不受典型废水中化学物质的干扰。(5)耐用的荧光帽:荧光帽在被刮蹭或部分污染的情况下,仍能保持其准确度,清洗方便。其技术指标为:便携式溶氧仪的技术参数测量量程:0~20mg/L(ppm),饱和度:0~200%,测量精度:0.01,电源电压:220V,分辨率:0.01mg/L。仪器的品种有HQ30d53单路输入多参数数字式测定仪HQ30d5330100 HQd便携式溶氧仪,标准型LDO溶解 氧探头(1m电缆线)HQ30d5330300 HQd便携式溶氧仪,标准型LDO溶解 氧探头(3m电缆线)HQ30d5331500 HQd便携式溶氧仪和耐冲击型LDO溶解氧探头(5m或10m电缆线)。实验证实这种检测方法克服了碘量法和电流测定法的不足,具有很好的光化学稳定性、重现性,无延迟,精度高,寿命长,可对水中溶解氧进行实时在线监测。其测量范围一般为0~20mg/L,精度一般≤1%,响应时间≤60s。用本方法监测溶解氧的结果与碘量法结果十分吻合,最大相对误差为±4%。基于其测量方法简单、快速、准确度好,精度和较强的抗干扰能力以及较好的重复性和稳定性,该仪器已广泛用于农业中水产养殖业水质监测以及各种农渔业用水污染程度水质监测和环境监测中的溶解氧的测量。

3、监测结果

2013年株洲湘江朱亭、白石和霞湾断面中的溶解氧、温度、盐分和气压的监测结果见表1、表2、表3。

六、结论

从2013年株洲湘江段各断面的监测结果来看:

根据监测数据,湘江水体中的溶解氧处于不饱和状态,5.9至9.1毫克/升之间;

温度越高,水体中的溶解氧一般较低;

因气压变化不大,气压对水体中溶解氧的变化不明显;

湘江朱亭、白石和霞湾三个断面水温的数值区间均为5.6-31.0,盐分合计的数值区间朱亭断面为24.33-48.86,白石断面为24.88-47.89,霞湾断面为25.47-60.33溶解氧的数值区间朱亭断面为6.0-9.1,白石断面为6.0-9.0,霞湾断面为5.9-8.9,霞湾断面盐分合计的数值区间高,溶解氧数据低,反映水体中溶解的盐分越大,水体中的溶解氧越低;

溶解氧除了被通常水中硫化物、亚硝酸根、亚铁离子等还原性物质所消耗外,也易被水中微生物的呼吸作用以及水中有机物质被好氧微生物的氧化分解所消耗。另外,水体中的氯化物、硫化物、铵盐等物质对水体中的溶解氧也有一定影响。

总之,水体中的溶解氧的变化受多因素决定(如天气、藻相、菌相、有机物、养殖密度等),反过来又影响着其它指标。溶解氧与氨氮、 亚硝酸盐、硫化物等之间就好像天平的关系,如果溶解氧能够保持在一个稳定的水平上,那其他的有害物质如氨氮、 亚硝酸盐、硫化物将会降低,反之氨氮、 亚硝酸盐、硫化物偏高,溶解氧就偏低。

水体中溶解氧偏低,有生物(微生物、浮游生物、底栖生物)、化学(无机物酸、碱中和、有机物分解)、水体物理(盐度、悬浮物、矿化度、透明度等)、物理化学(沉淀、氧化还原、化合分解)和生物化学(氮、磷化合转化)等原因,我们探讨水体中的溶解氧的变化,应从生物、化学、水体物理、物理化学和生物化学等、从污染物耗氧、水体自净、降解能力、水体氧平衡、有机物分解、氮、磷的化合转化和气象、水文条件等方面全面考量、综合分析。

作者:刘运年,湖南省株洲市环境监测中心站副站长、高级工程师,籍贯:湖南衡阳,现年52岁,1984年7月毕业于湖南省湘潭大学化学工程系环境工程专业。在国家级刊物上发表过多篇论文。


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