探析水质自动监测中溶解氧偏低的原因

2023-10-30叶春丽

皮革制作与环保科技 2023年17期

叶春丽

（安徽省芜湖生态环境监测中心，安徽芜湖 241000）

引言

近年来，水体污染和生态环境问题已经引起了人们的广泛关注，其中溶解氧偏低是一个普遍存在的问题，对水生生物和生态系统造成了严重影响。为了及时监测水体中的溶解氧含量，自动监测技术得到广泛应用。然而，我们仍然需要深入了解溶解氧偏低的原因，从而制定有效的管理措施。本文将通过对溶解氧的重要性、自动监测技术的应用、溶解氧偏低的原因分析及其影响与应对措施的讨论，为水资源保护和生态环境改善提供有益的参考。

1 溶解氧的重要性与影响因素

1.1 溶解氧的定义与作用

溶解氧是水体中能够溶解的氧气分子（O2），其对水生生物的生存和呼吸过程至关重要。水生生物依赖溶解氧进行呼吸，并从中获得所需的能量以维持其生命活动。如果溶解氧不足会导致水生生物缺氧，影响其生长、繁殖和免疫力，甚至引起死亡。此外，溶解氧还参与水体中的生物化学反应，如细菌降解有机物和氧化还原反应。因此，了解溶解氧的含量及其变化对于水资源保护和生态环境管理至关重要。同时，水温等环境因素也会影响溶解氧的溶解度，进一步影响水体生态系统的稳定性。

1.2 水体中影响溶解氧含量的因素

1.2.1 温度

温度是影响水体中溶解氧溶解度的重要因素。一般来说，随着温度的升高，溶解氧的溶解度会减小，这是因为温度升高会增加水分子的活动性，从而降低氧气分子在水中的溶解能力。根据亨利定律，溶解氧的溶解度与温度之间存在一种负相关关系，具体公式为：溶解氧溶解度=溶解氧饱和溶解度×(1-温度系数×(实际温度-20))。其中，溶解氧饱和溶解度是指在特定温度下水体中溶解氧的最大可能含量，而温度系数表示随着温度的变化，溶解氧溶解度的变化速率。举例来说，当水体温度上升时，溶解氧的溶解度就会下降。例如，当水温从20 ℃上升到30 ℃时，假设温度系数为0.024（摄氏度）-1，那么溶解氧的溶解度将减小约4.8%。这意味着在相同体积的水中，溶解氧的含量会降低。

1.2.2 盐度

盐度是指水中溶解的无机盐的含量，对溶解氧的溶解度有着显著影响。一般来说，随着盐度的增加，溶解氧的溶解度会降低。这是因为在高盐度环境中，溶解在水中的盐离子数量增多，并与溶解氧分子争夺吸附在水分子表面的空间，因而减少了溶解氧分子在水中的溶解能力。此外，高盐度环境也会导致水分子的活动性降低，使溶解氧分子更难与水分子发生相互作用，从而降低了溶解氧的溶解度。相比之下，淡水中的溶解氧溶解度通常较高[1]，这是由于淡水中的盐离子浓度相对较低，溶解氧分子能够更自由地溶解在水中，并提供更充足的氧气供水生生物呼吸。为了更直观地说明盐度对溶解氧的影响，技术人员做了相关实验，所得实验数据见表1。

表1 盐度和溶解氧溶解度的数据表

1.2.3 水压

水压是指水体所承受的压力，对溶解氧的溶解度有着一定的影响。在深海环境中，水压的增加会对溶解氧的溶解度产生显著的影响。随着水深的增加，水压也会相应地增加。根据亨利定律，溶解氧的溶解度与压力成正比关系。亨利定律的数学表达式如下：C=k×P。

其中，C表示溶解氧的浓度（通常以mg/L为单位），k是亨利常数（与溶质和溶剂相关），P表示水体中的气体分压（以巴为单位）。在深海环境中，由于水压的增加，气体分压也会随之增加，从而导致溶解氧的溶解度增加。因此，可以使用上述公式来说明水压对溶解氧溶解度的影响。

2 自动监测技术在水质监测中的应用

自动监测技术是利用先进的传感器、仪器和数据采集系统，实现对环境参数或水质指标进行连续、实时监测的技术，通过自动采样、数据记录和远程传输等功能，能够提供准确、可靠的监测数据，为环境保护和资源管理提供重要支持。相比传统手动监测方法，自动监测技术具有实时性、准确性和数据可靠性的优势。

在水质监测中，自动监测技术的优势得到了充分体现。首先，自动监测技术能够实时获取数据，捕捉到水质变化的瞬间和短期波动，提供更及时的监测结果。其次，该技术采用高精度的传感器和仪器，这些自动监测设备能够提供更准确的数据，避免了人为误差和操作偏差。此外，自动监测技术可以通过数字化和自动化的方式记录和存储数据，从而减少了监测数据丢失和被人为篡改的风险，从而保证了监测数据的可靠性和完整性。

在溶解氧监测中，自动监测技术也发挥着重要作用。电化学传感器和光学传感器等设备被广泛应用于溶解氧监测，通过测量电流变化或光的吸收特性来确定溶解氧浓度。自动航行仪器和远程监测系统结合传感器技术，实现了大范围的溶解氧监测和空间分布数据的获取。这些自动监测设备为相关工作人员提供了更加全面和精确的溶解氧数据，有助于水体生态环境的保护和管理。

综上所述，自动监测技术通过实时性、准确性和数据可靠性的优势，为水质监测提供了更加高效、精确和全面的解决方案。在溶解氧的监测过程中，电化学传感器、光学传感器、自动航行仪器和远程监测系统等设备被广泛应用，为我们提供了更加全面的溶解氧数据，因而有助于对水体生态环境的保护和管理。

3 溶解氧偏低的原因分析

3.1 污染物输入

3.1.1 有机污染物

有机污染物对溶解氧的影响是环境工程中一个重要的问题，特别是有机废水的排放和富营养化现象，对水体中的溶解氧含量会产生显著影响。有机废水的排放是指工业、农业和城市等活动中产生的含有大量有机物质的废水被直接或间接地排放到水体中。这些有机物质在水体中被微生物分解，消耗了大量的氧气，导致水体中的溶解氧含量降低，这种现象被称为生化需氧量（BOD）过高，是水体富营养化和水生生物生存的一个重要限制因素，富营养化现象也会对溶解氧产生影响。富营养化是指水体中有过多的营养物质（如氮、磷等），导致藻类和其他植物过度生长的现象。这种过度生长会消耗大量的溶解氧，造成水体中的溶解氧含量降低。此外，过多的藻类也会形成浮游植物和堆积和腐败，从而进一步减少了水体中的溶解氧。有机污染物对溶解氧的消耗可以通过测量生化需氧量（BOD）和溶解氧浓度进行评估。BOD是指在一定时间内，微生物在特定温度下分解有机物质所需的氧气量，可以通过监测BOD和溶解氧浓度的变化，有效评估有机污染物对溶解氧的影响程度。

3.1.2 无机污染物

无机污染物对溶解氧的影响是水体环境中的另一个重要问题。一些无机污染物如重金属和硫化物，其含量和毒性可以对溶解氧产生影响。重金属是一类有毒的无机污染物，包括铅、汞、镉等。当重金属进入水体后，可以与水中的氧气发生化学反应，形成难溶于水的化合物，这些化合物会降低水体中的溶解氧含量，影响水体中的氧气供应。此外，重金属还会对水生生物的呼吸系统产生直接的毒性作用，干扰其正常的氧气摄取和利用，从而导致溶解氧不足。硫化物是另一类常见的无机污染物，如硫化氢（H2S）。硫化氢是一种强烈的刺激性气体，通常是由废水中有机物质分解产生的。高浓度的硫化氢可以直接对水生生物产生毒性作用，抑制其呼吸过程并降低溶解氧的利用效率。此外，硫化物还可以与水中的溶解氧发生反应并生成硫酸盐，进一步降低了水体中的溶解氧含量。

3.2 生物活动过程

3.2.1 藻类

藻类生长过程中对溶解氧的消耗以及死亡后分解对溶解氧的供应，对水体中的溶解氧含量会产生重要影响。表2中列举了一些常见藻类的生长速率和相应的溶解氧消耗速率的数据，用于辅助说明这种影响。根据研究数据可以看出，藻类在生长过程中会消耗大量溶解氧[2]。

表2 ﾠ常见藻类生长速率和响应溶解氧消耗速率表

表2中的数据表明，藻类的生长速率与其对溶解氧的消耗速率存在着一定的正相关关系。藻类的大量生长会导致水体中溶解氧的降低，对水生生物的生存和生态系统的稳定性产生负面影响。而藻类死亡后，会分解并释放出有机物质，这些有机物质在分解过程中会消耗氧气。表3为不同藻类死亡后的分解对溶解氧供应速率的实验数据。

表3 不同藻类死亡后分解对溶解氧的供应速率影响表

表3中的数据表明，死亡藻类的分解过程会释放出有机物质，对溶解氧的供应会产生一定的影响。然而，需要注意的是，分解速率和溶解氧供应速率与藻类的种类、环境条件等因素有关。

3.2.2 细菌

细菌降解有机物是一个重要的生物降解过程，其对溶解氧的消耗和溶解氧的供应都会产生影响。细菌降解有机物需要氧气作为电子受体来进行呼吸代谢，进而将有机物分解为无机物并释放能量。这个过程称为好氧呼吸，会消耗大量的溶解氧。细菌通过有机物与氧气发生的反应获得能量，并合成细胞物质。在这个过程中，氧气被还原为水，因而会消耗掉水体中的一部分溶解氧。然而，细菌降解有机物后也会释放出一些有机物的残留物和代谢产物，这些有机物进一步提供了微生物降解的底物。其他细菌或微生物可以利用这些有机物进行进一步降解，这个过程称为厌氧呼吸。厌氧呼吸不需要氧气作为电子受体，因此不消耗溶解氧。相反，该过程会将其他物质如硝酸盐、硫酸盐等作为电子受体，这个过程会释放出溶解氧，从而提供了水体中的溶解氧供应。

3.3 水体特征

3.3.1 水温

水温对溶解氧的溶解度有着重要影响，随着水温升高，溶解氧的溶解度会降低。这是由于水温升高会加剧水分子的热运动，是水体密度降低以及氧气分子在水中的扩散速率加快等因素的综合作用。首先，水温升高会增加水分子的热运动速度和能量，使水分子之间的相互作用减弱，从而降低溶解氧的溶解度。其次，水温升高会使水体密度降低，导致水体混合程度减弱，进而减缓了氧气分子在水中的溶解过程。此外，水温升高还会加快氧气分子在水中的扩散速率，但这种效应相对较小，通常被水分子热运动的影响所抵消。因此，水温升高会导致溶解氧含量降低，这对水生生物和水体生态系统的正常功能产生了重要影响。

3.3.2 盐度

盐度对溶解氧的溶解度也有着显著的影响。一般来说，随着盐度的增加，溶解氧的溶解度会减少，这是由于盐度变化引起的溶解氧浓度变化以及溶质效应等因素的综合作用。当水中的盐度增加时，溶质效应会导致溶解氧的溶解度降低。溶质效应是指溶液中溶质分子与溶剂分子之间的相互作用，在高盐度环境下，溶质分子会与溶剂分子之间形成更多离子间的相互作用，从而减少了水分子与氧气分子之间的空间和能量，使得氧气分子更难以溶解。因此，高盐度环境下的溶解氧溶解度较低。

4 溶解氧偏低产生的影响与应对措施

溶解氧偏低对水生生物和生态系统结构和功能都会产生重要影响。首先，低溶解氧会限制水生生物的呼吸过程，导致生物体内缺氧，进而影响其生长、繁殖和存活能力。其次，低溶解氧会引发生态链条的崩溃，影响食物网的平衡，破坏生态系统的稳定性和功能。此外，低溶解氧还可能导致水体中有毒物质的积累，进一步危害水生生物。溶解氧偏低可能导致多种水生生物受损情况。例如，鱼类群体可能因缺氧而死亡或迁移至更适宜生存的环境。底栖动物如底栖昆虫和甲壳类动物也会受到影响，而这些生物是水体生态系统中重要的食物来源和水质指示生物。当溶解氧偏低时，底栖动物的数量可能减少，从而影响了整个食物网的稳定性[3]。

为了应对溶解氧偏低产生的影响，需要政府相关部门制定和执行水资源保护和污染防治的政策法规，其中包括限制污染物排放、加强水体监测和管理等，这对于改善溶解氧偏低的情况至关重要。此外，推动环境保护教育和意识的提升也是重要一环，这样可以促进公众对水资源保护的重视和参与。另外，通过采用其他改善水体溶解氧状况的技术方法也可以解决溶解氧偏低的问题，其中包括增氧设备的应用。该技术是通过向水体中注入氧气来提高水体中的溶解氧含量。此外，水体通气也是一种有效的方法，可以通过增加水体与大气之间的氧气交换，提高溶解氧的供应。其他技术方法还包括改善水体流动性、减少有机负荷、控制富营养化等，以维持良好的水体生态环境和溶解氧状况。