水中溶解氧DO监测应用

大多数水生生物都需要溶解氧（通常缩写为 DO）才能生存，但这种氧气的来源不是水分子 (H 2 O)。DO 是以 O 2形式存在的气态分子氧，源自大气或作为光合作用的副产品。一旦溶解在水中，它就可供生物体使用，并且可以在水生环境的许多化学过程中发挥重要作用。除了溶解在水中，这种氧气与我们呼吸的氧气没有什么不同。
 
溶解氧
什么是来源水中溶解氧？
地球大气层
分子氧可以通过多种方式从地球大气层进入水体。假设水的氧气浓度低于其上方的大气。在那种情况下，分子氧会自然地从空气中扩散到水中，直到完全被氧气饱和。当空气和水中的氧气浓度相同时，就达到了平衡条件。当水和空气混合时会发生水曝气，导致水中溶解氧含量增加。这种情况自然发生在瀑布和急流处，或者当大风条件导致水体表面出现湍流时。 溶氧饱和度
水生生物需要溶解氧才能生存，因此有些水体需要人工曝气。示例包括池塘中央的桨轮或喷泉、水族箱中气石的使用，以及将空气泵入废水处理厂的曝气池以维持分解污染物的微生物。曝气水对于污水处理设施来说可能是一项相当大的开支，但越来越多的城市正在使用溶解氧传感器来优化曝气，从而降低能源成本。查看我们关于如何使用在线传感器控制活性污泥的白皮书以了解更多信息。
 
硝酸盐水
光合作用
DO 的另一个主要来源是光合作用。水生植物和藻类利用光合作用产生新细胞并修复受损细胞。这个过程需要水、光能和二氧化碳。光合作用的副产品是气态分子氧，可以溶解在水中。并非所有植物生而平等，因为其中一些植物产生的氧气比其他植物多。
 
水中溶解氧
植物和藻类在白天进行光合作用时会产生氧气。他们还消耗它进行呼吸，这是植物将葡萄糖（即光合作用过程中产生的糖）和氧气转化为可用细胞能量的过程。1植物和藻类在白天产生的氧气远远多于它们消耗的氧气。到了晚上，植物和藻类不再产生氧气，但它们会继续消耗氧气。与此同时，鱼类等其他生物全天候以稳定的速度消耗氧气。因此，在一个健康的系统中，氧气浓度会全天上升，而在夜间呼吸活动消耗氧气时会下降。溶解氧浓度增加，哪些环境变量会影响溶解氧？水中的溶解氧浓度受温度、大气压力和盐度的影响。
 
温度
最重要的变量是温度，因此必须结合溶解氧对其进行测量。氧气在水中的溶解度与温度成反比——随着温度升高，溶解氧会降低。因此，假设其他变量保持不变，冬季水体的溶解氧浓度将高于夏季。这同样适用于夜间——当水体在一夜之间冷却时，可以溶解更多的氧气。然而，重要的是要记住光合作用和呼吸作用对白天和夜间溶解氧浓度的影响。
 
水中的氧气与温度有关
收集溶解氧数据时应始终测量温度。随着温度升高，氧在水中的溶解度降低。
盐度
与温度一样，氧气在水中的溶解度与盐度成反比——随着盐度的增加，溶解氧会降低。
 
水中的氧气与盐度有关
进行 DO 测量时应考虑盐度，因为盐水比淡水含有更少的氧气。例如，在相同的温度和大气压力下，海水可以容纳的氧气比淡水少 20%。因此，在河口、湿地、沿海地区、水产养殖或盐度可能变化的任何其他应用中收集溶解氧数据时，测量盐度至关重要——这是通过电导率传感器完成的。有关盐度对 DO 影响的更多信息，请参阅比较溶解氧测量单位部分。
 
大多数现代 DO 仪器，如YSI ProDSS，如果连接了电导率和 DO 传感器，将提供实时盐度补偿 DO 测量。否则，必须将盐度输入仪表才能进行补偿。
 
盐水中的溶解氧测量
测量盐水中的溶解氧时，YSI 强烈建议使用带有 DO 和电导率传感器的仪器。此设置将允许实时盐度补偿。
气压
与温度和盐度不同，大气压力和水中溶解氧水平之间存在直接关系——随着压力降低，溶解氧也会降低。
 
水中溶解氧气压
大气压力是影响溶解氧读数的另一个变量。在海拔较高的地方，将氧气从大气中推入水中的压力较小。
在较低的海拔，大气压力很高，因此有更大的压力将大气中的气态氧推入水中。但在海拔较高的地方，气压要低得多。
 
低海拔水中的氧气
气压变化溶氧测试
山峰在这样的高海拔地区，水（如果没有冻结！）的溶解氧相对较少，因为水体上方没有太多大气将氧气推入其中。
除海拔高度外，大气压力也会因天气变化而发生变化。快速的压力下降可能表明风暴即将来临。大多数现代 DO 仪器都有一个内置气压传感器，可以自动补偿 DO 读数以适应气压变化。
 
请参阅比较溶解氧测量单位部分，了解大气压力对 DO 读数的影响。
 
测量溶解氧时使用什么单位？
DO 以许多不同的单位表示，但最常用的单位是 mg/L 或饱和度百分比 (DO%)。单位 mg/L 很简单，因为它是溶解在一升水中的气态氧的毫克数。
 
解释饱和度百分比的最佳起点是大气层——地球大气层中大约 21% 是氧气。另一个考虑因素是海平面的气压，相当于 760 毫米汞柱。由氧气引起的总压力部分（称为分压）等于 160 毫米汞柱（21% * 760 毫米汞柱 = 160 毫米汞柱）。
 
水中溶解氧饱和度
地球大气中大约 21% 是氧气，使其成为仅次于氮气 (78%) 的第二大最丰富的气体。
如果 DO 传感器在海平面进行校准，它应该校准到 100% 的饱和百分比，假设水和空气处于平衡状态。但是，如果气压低于760 mmHg 怎么办？传感器将校准到什么？
 
假设由仪表确定的气压为 750 mmHg。要确定传感器将校准到什么，请将 750 mmHg 除以 760 mmHg；这等于 98.68%（750 毫米汞柱 / 760 毫米汞柱 = 98.68%）。在此压力下，只要水和空气处于平衡状态，饱和度就不会大于 98.68%。因此，传感器将校准到 98.68%。
 
有些人可能希望报告本地 DO，其中校准值为 100%，而不管校准时的大气压力如何。100% 校准值反映了该特定位置的校准环境处于 100% 氧气压力。一些 YSI 仪器能够报告本地做。
 
比较溶解氧测量单位
您可以将溶解氧百分比 (DO%) 视为由使用电化学传感器或光学传感器的任何仪器直接确定的单位。影响 DO% 的唯一变量是大气压力，如下表 1 所示。
 
表 1：不同气压下的 DO% 值。
溶氧值
相反，DO mg/L 是由仪器根据 DO%、温度和盐度计算得出的。下表 2 展示了不同温度和盐度的影响。
 
表 2：不同温度和盐度下的 DO mg/L 值。
溶解氧值温度盐度
什么是溶解氧过饱和度？
自然环境中的溶解氧百分比值可以达到100%以上，但这怎么可能呢？
 
光合作用可能是过饱和的重要驱动力，因为这个过程会产生纯氧。有时它甚至可以占 DO% 值高达 500%！
 
溶解氧测试饱和度
光合作用产生纯氧。如果水体中有足够的光合活性，DO% 值可以达到 100% 以上。
另一个原因是温度快速变化。虽然水与上方空气的平衡很少很快，但水体的温度会迅速变化。因此，假设一旦阳光普照，死水湖的温度会迅速升高 5 度。水中的溶解氧水平应随着温度升高而降低。然而，如果空气和水之间的平衡不像温度变化那么快，从技术上讲，湖泊将被 DO 过饱和，直到再次建立平衡状态。过饱和的另一个原因是湍流条件或任何其他可能导致空气和水混合的因素（例如，气石、白水急流）。
 
为什么要测量溶解氧？
DO 是最常测量的水质参数之一，但测量它的原因因环境而异环境。
 
为什么要测量地表水和水产养殖中的溶解氧？
溶解氧是水体支持水生生物能力的直接指标——水生生物需要溶解氧才能生存！
 
水中溶解氧含量
鱼需要足够水平的溶解氧才能生存。如果浓度降至 4 mg/L 以下，许多物种将无法生存。
所需的溶解氧水平因物种而异。一般来说，大多数鱼类都会在 5-12 mg/L 的范围内生长和繁衍。然而，如果水平降至 4 mg/L 以下，它们可能会停止进食并变得紧张，可能导致大量鱼类死亡。当溶解氧的浓度降低到不能再支持活的水生生物的水平时，就会发生缺氧。
 
查看我们关于池塘水产养殖中溶解氧管理和相关成本的博文，了解更多关于测量溶解氧在鱼类养殖和其他形式的水产养殖中的重要性。我们还创建了一个缺氧信息，帮助解释缺氧是如何在环境中发生的。
 
当存在有害藻华 (HAB)时，会出现溶解氧失衡。在 HAB 的早期和高峰生长阶段，由于白天的光合作用，水华附近的溶解氧会显着增加。产生的氧气多于藻类或其他生物在白天或晚上消耗的氧气——这会导致过饱和。
 
水中的氧气 有害藻类大量繁殖
有害藻华 (HAB) 通常由养分径流供给。一旦藻华死亡，细菌和其他生物就会消耗藻类，但这需要氧气。一旦花朵死亡，溶解氧水平就会下降到如此之低，以至于可能导致大鱼死亡。
随着水华消退和死亡，藻类成为细菌和其他耗氧物质的食物。这会导致溶解氧水平急剧下降，导致缺氧。查看我们的博文，HAB | 你需要知道的一切，了解更多！
 
发电厂和工业制造商周围的热污染也可能导致大量鱼类死亡。虽然这些工厂的流出物通常很干净，但通常比它进入的地表水温度高得多。随着温度升高，水中的溶解氧含量会降低。因此，突然涌入的温水会导致大量鱼类死亡。
 
溶解氧测量水温
当热水被释放到地表水体中时，溶解氧水平下降。如果 DO 浓度降低太多，可能会导致鱼类死亡。这是发电厂和工业设施的一个大问题。
热污染和有害藻华并不是危害水生生物的唯一事件。道路盐通常用于冬季结冰的道路。这些盐从道路上流出并进入地表水体，增加了盐度。随着盐度增加，DO 水平降低。因此，即使氧气更易溶于冷水，高盐度也会导致冬季因窒息而导致大量鱼类死亡。
 
溶解氧测量盐度
溶解在地表水体中的道路盐会对水生生物造成严重破坏，因为盐会导致溶解氧浓度降低。
为什么要测量地下水中的溶解氧？
许多人假设地下水位以下不存在溶解氧，但这是不正确的假设。在水从表面向下渗透之前，水与大气接触，氧气溶解。只要极少或没有可氧化物质，溶解氧就可以存在于含水层的深处。2个
 
在进行地下水调查时，溶解氧可能是一个有用的测量参数。DO 可以帮助确定吹扫过程中何时达到稳定条件，并可用于评估建井。
 
测量溶解氧还可以帮助确保在收集样品以分析金属和挥发性有机化合物时遵循正确的地下水采样程序。任何人工曝气都会影响这些化合物的实验室分析。3个
 
DO 在地下发生的化学反应中起着重要作用。它调节微量金属的价态并限制微生物对溶解的有机化合物（例如油）的代谢。4个
 
微生物可以降解泄漏到含水层中的石油。像其他生物一样，微生物需要呼吸（即呼吸）。呼吸需要一个电子受体，并且由于氧气是最优选的，因此在存在污染的地方，溶解氧会很快耗尽。因此，DO 只能在受污染的地下水羽流之外找到。5个
 
溶解氧地下水测量
溶解氧是微生物在地下有机污染物生物降解过程中使用的首选电子受体。一旦耗尽，厌氧微生物就会使用其他电子受体。5个
一旦溶解氧耗尽，就会使用其他电子受体。氧气之后，硝酸盐会被用完，所以硝酸盐只能在距离羽流较远的地方找到，就像DO一样。最后使用的电子受体是二氧化碳（CO 2）。使用CO 2的过程称为产甲烷作用；这将发生在离污染源最近的地方。其他环境可能会因微生物活动而变得缺氧，例如深水地平线漏油事件污染的开阔水域.
 
为什么要测量废水中的溶解氧？
在污水处理厂的处理过程中，微生物消耗废物并将其转化为无害的最终产品。DO 在此过程中起着关键作用，因为这些微生物依靠它来分解废水污染物，例如有机物或氨。在活性污泥法 (ASP)（最常见的工厂配置）中，空气被泵入曝气池，曝气池中充满了悬浮在水中的微生物。我们的博客文章废水或水资源回收？
 
废水中溶解氧
空气被泵入曝气池，以促进微生物对废水污染物的降解。废水是离开工厂的处理过的水，必须含有有限量的营养物质，以确保环境中不会发生富营养化。生物营养物去除 (BNR) 过程可用于确保符合营养物排放限制，但这些过程需要处理厂内的受控条件。BNR 的特点是在曝气区的上游和下游存在未曝气的厌氧区和缺氧区。混合液循环和污泥回流的安排是为了充分利用活性污泥系统中的有机物。
 
 
如何测量水中的溶解氧
如何测量溶解氧？有几种不同的方法可以测量水中的溶解氧，以下部分将提供概述。 
 
比色法
色度计，也称为滤光片光度计，是测量颜色强度的仪器。使用这些仪器时，化学试剂会与样品混合。如果目标参数存在，溶液就会有颜色，其强度与被测参数的浓度成正比。光通过装有样品溶液的试管，然后通过彩色滤光片到达光电探测器。选择过滤器以便选择特定波长的光。当溶液是无色时，所有的光都会通过。对于有色样品，光会被吸收，并且通过样品的光会按比例减少。有两种不同的比色法来测定 DO——靛蓝胭脂红和罗达津 D。靛蓝胭脂红与 DO 反应形成蓝色络合物。相反，Rhodazine D 与 DO 反应形成亮粉色复合物。
 
溶解氧测量
根据使用的比色法，溶解氧会导致形成蓝色或亮粉色复合物。
温克勒滴定法
通过温克勒滴定法测定溶解氧浓度时也使用试剂。在这种方法中，试剂形成一种酸性化合物，然后用中和化合物滴定。此外，与比色法一样，会产生颜色变化，通过观察这种颜色变化发生的点来确定 DO 浓度。6个
 
许多标准操作程序 (SOP) 仍然需要温克勒滴定法，尤其是在确定生物需氧量 (BOD) 的废水处理实验室。Winklers 需要重复三次，结果取平均值。
 
溶解氧测量
滴定需要将一系列试剂添加到溶液中以确定 DO 浓度。
电化学传感器
与通过执行温克勒滴定法或使用比色计测量溶解氧不同，电化学传感器（也称为膜覆盖溶解氧传感器）不需要试剂。这些传感器提供快速测量并具有广泛的范围，但是随着测量过程中氧气的消耗，水必须不断地穿过膜。
 
有两种类型的电化学传感器——极谱法和电流法。电流电极是后来开发的，但它测量溶解氧的方式与极谱法传感器相同。任何一种传感器类型都可以与 仪器一起使用。
 
电化学 DO 传感器由一个阳极和一个阴极组成，阳极和阴极被透氧膜限制在电解质溶液中。溶解在样品中的氧分子在阴极被还原（即消耗）之前扩散通过膜。该反应产生从阴极传播到阳极的电信号，最终到达仪器/仪表。
 
溶解氧传感器电化学
使用电化学传感器，溶解氧在阴极被还原之前扩散穿过膜。这会产生一个由仪表接收的信号。
通过膜扩散的氧气量与膜外的氧气分压和浓度成正比。随着氧气浓度的变化，通过膜扩散的氧气也会发生变化，这会导致探头电流发生变化按比例。
 
极谱法
极谱法传感器有一个银阳极和一个金阴极。这些材料需要探头在使用前预热或极化——这大约需要 10 分钟。极谱法传感器的使用寿命比电流式传感器长，因为它并非始终开启（即，并非始终被极化）。
 
极谱法传感器溶氧仪
极谱法传感器具有银阳极和金阴极。这些材料要求仪器打开约 10 分钟，然后才能收集测量值。
电镀
原电池传感器具有锌阳极和银阴极。这些材料使传感器即使在仪表关闭时也能连续极化，因此不需要预热期。始终开启有一个缺点——这些传感器的寿命比极谱法传感器短。
 
原电池传感器溶氧仪
原电池传感器具有锌阳极和银阴极。这些传感器的寿命较短，因为它们总是被极化，类似于汽车电池。
光学传感器
光学和电化学传感器有一些相似之处。首先，这些传感器测量样品中溶解的氧气压力。“原始”读数表示为 DO%，影响 DO% 的唯一变量是大气压力。气压越高，更多的氧气就会被推入水中。重要的是要注意，溶解氧 mg/L 是根据溶解氧、温度和盐度计算的。与电化学传感器一样，使用光学传感器时不需要试剂。两种传感器类型在进行测量时也直接放置在样品中。光学溶解氧传感器有几个关键结构。光学溶解氧传感器的传感器帽包含一个扩散层，溶解氧不断地穿过该扩散层。与电化学传感器不同，在测量过程中不会消耗氧气，因此水不需要连续流过传感器盖。