溶解氧--溶解氧的含量及其影响因素

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第五章溶解氧 本章主要介绍溶解氧的基本概念，溶解氧的影响因素，溶解氧的分布变化规律，生物缺氧的原因和表现及增氧措施。要求了解增氧作用和耗氧作用，熟悉并掌握溶解氧的日变化，垂直分布，水平分布规律和生物缺氧及增氧措施。 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、水的温度都有密切关系。在自然情况下，空气中的含氧量变动不大，故水温是主要的因素，水温愈低，水中溶解氧的含量愈高。溶解于水中的分子态氧称为溶解氧，通常记作DO，用每升水里氧气的毫克数表示。水中溶解氧的多少是衡量水体自净能力的一个指标。概述 人类及其他陆上动物，是靠呼吸空气中的氧气生存。空气中氧气量多而稳定，一般都是210毫升O2／升空气。因此，在空气中生存的动物，从来没有感到缺氧的威胁。水中溶解的氧气却量少多变。例如淡水中溶解氧饱和含量仅8—10毫升／升水，还不到空气中氧气含量的1／20。海水中溶解氧更少。这表明：水中鱼、虾、贝、藻类的呼吸条件较差，不时面临缺氧窒死的威胁。有人估计：直接间接缺氧致死的鱼类，约占养殖鱼类死亡总数60％。由此可见，掌握水中溶解氧的动态规律，熟悉缺氧的原因及对策，对于正确组织养殖生产，改进技术、夺取高产，是很重要的。 一、溶解氧的饱和含量溶解氧是指以分子状态溶存于水中的氧气单质，不是化合态的氧元素，也不是氧气气泡。溶解氧通常简记为“DO”。氧气溶于水中是一可逆过程，O2溶入水中的速度与水中逸出O2的速度相等时，溶解即达成动态平衡。此时，水中溶解O2的浓度，即为该条件下溶解氧的饱和含量，在其他条件一定时，溶解氧饱和含量随温度、含盐量升高而下降。 溶解氧的含量与水温、氧分压、盐度、水深深度、水生生物的活动和耗氧有机物浓度有关。二、影响溶解氧饱和含量的因素 水温：在氧气分压，含盐量一定时，溶解氧的饱和含量随着水温的升高而降低。低温下溶解氧的饱和含量随温度的变化更加显著。含盐量：在水温，氧气分压一定时，水的含盐量越高，水中溶解氧的饱和含量越小。海水的含盐量比淡水的含盐量高的多，在相同条件下，溶解氧在海水中的饱和含量比在淡水中要低得多。天然淡水水体内含盐量的变化幅度很小，所以含盐量对溶解氧的饱和含量影响不大，可近似以纯水中的饱和含量计算。 氧气的分压：在水温含盐量一定时，水中溶解氧的饱和含量随液面上氧气分压的增大而增大。亨利定律水面上氧气分压的大小与水面上大气压强有关。随着海拔的增高，大气压强逐渐降低，所以对于地处高原区域的天然水，溶解氧的饱和含量较低。 水中溶解氧含量还受到两种作用的影响：一种是使DO下降的耗氧作用，包括好氧有机物降解的耗氧，生物呼吸耗氧；另一种是使DO增加的复氧作用，主要有空气中氧的溶解，水生植物的光合作用等。这两种作用的相互消长，使水中溶解氧含量呈现出时空变化。在自然条件下，水在流动时，复氧过程比较迅速，较易补充水中氧的消耗，使水体中溶解氧保持一定的水平，反之，在静水条件下，复氧过程缓慢，水中含氧得不到及时补充，处于嫌气状态。 溶解氧仪溶解氧分析仪传感部分是由金电极(阴极)和银电极(阳极)及氯化钾或氢氧化钾电解液组成，氧通过膜扩散进入电解液与金电极和银电极构成测量回路。当给溶解氧仪_溶解氧分析仪电极加上0.6～0.8V的极化电压时，氧通过膜扩散，阴极释放电子，阳极接受电子，产生电流，整个反应过程为：阳极Ag+Cl→AgCl+2e-，阴极O2+2H2O+4e→4OH-，根据法拉第定律：流过溶解氧分析仪电极的电流和氧分压成正比，在温度不变的情况下电流和氧浓度之间呈线性关系。 制约溶氧仪氧测量的因素：温度、压力和水中溶解的盐，流速。1.温度的影响    由于温度变化，膜的扩散系数和氧的溶解度都将发生变化，直接影响到溶氧电极电流输出，常采用热敏电阻来消除温度的影响。温度上升，扩散系数增加，溶解度反而减小。温度对溶解度系数a的影响可以根据Henry定律来估算，温度对膜扩散系数β可以通过阿仑尼乌斯定律来估算。当溶解度系数a计算出来后，可通过仪表指示和化验分析值对比计算出膜的扩散系数(这里略去计算过程)，膜的扩散系数在25℃时为1.5%/℃。 (1)氧的溶解度系数：由于溶解度系数不仅受温度的影响，而且受溶液的成分的影响。在相同氧分压下，不同组分的实际氧浓度也可能不同。根据亨利定律可知氧浓度与其分压成正比，对于稀溶液，温度变化溶解度系数a的变化约为2%/℃。(2)膜的扩散系数：根据阿仑尼乌斯定律，溶解度系数β与温度T的关系为：C=KPo2·exp(-β／T)，其中假定K、Po2为常数，则可以计算出β在25℃时为2.3%/℃。 2.大气压的影响    根据Henry定律，气体的溶解度与其分压成正比。氧分压与该地区的海拔高度有关，高原地区和平原地区的差可达20%，使用前必须根据当地大气压进行补偿。有些仪表内部配有气压表，在标定时可自动进行校正；有些仪表未配置气压表，在标定时要根据当地气象站提供的数据进行设置，如果数据有误，将导致较大的测量误差。 3.溶液中含盐量    盐水中的溶解氧明显低于自来水中的溶解氧，为了准确测量，必须考虑含盐量对溶解氧的影响。在温度不变的情况下，盐含量每增加100mg/L，溶解氧降低约1%。如果仪表在标定时使用的溶液的含盐量低，而实际测量的溶液的含盐量高，也会导致误差。在实际使用中必须对测量介质的含盐量进行分析，以便准确测量及正确补偿。 4.样品的流速    氧通过膜扩散比通过样品进行扩散要慢，必须保证电极膜与溶液完全接触。对于流通式检测方式，溶液中的氧会向流通池内扩散，使靠近膜的溶液中的氧损失，产生扩散干扰，影响测量。为了溶解氧仪测量准确，应增加流过膜的溶液的流量来补偿扩散失去的氧，样品的最小流速为0.3m/s。 总结：   由于温度变化对电极膜的扩散和氧溶解度有较大影响，标定时需较长时间(约10min)，以使温补电阻达到平衡；氧分压与该地区的海拔高度有关，仪表在使用前必须根据当地大气压进行补偿；测量溶液的含盐量高时，仪表标定时应使用含盐量相当的溶液；对于流通式测量方式，要求流过电极的最小流速为0.3m/s。 三、溶解氧的饱和度溶解氧饱和度%=溶解氧的实测含量÷实测条件下溶解氧的饱和含量×100%饱和度对于判断水体--空气之间进行氧气交换的方向，甚为方便。当饱和度小于100%、溶氧未达饱和时，水可以从空气溶解吸收O2；反之，当溶氧饱和度大于100%、过饱和时，就有氧气从水中溢出，进入空气。 要注意的是：过饱和的那部分溶解氧，并不立即成为气泡溢出。原因是：无论什么气体，要成气泡溢出气泡内的气压一定要大于外压。溶解氧要成为氧气气泡逸入空气，就要求氧气气泡内的压力超过一各大气压，相应的溶氧含量大约是饱和含量的5倍。正因为这一原因，在养殖水体或水域内，有时可以看到饱和度高达200～250%的溶解氧，而且可以维持几小时过饱和状态不变。 影响氧气溶解速率的因素1溶解氧的不饱和程度：在其他条件一定时，氧气在水中的溶解速率与其不饱和程度呈正比。氧气的不饱和程度越大，溶解速率越大。2气液界面积大小：气体的溶解发生在气液界面处，在其他条件一定时，增大单位面积液体的界面积，则在相同的时间内就有更多的氧气分子通过界面进入水中，使溶解速率增大 3气液界面更新情况：搅动气液界面可使溶有较多氧气的界面上的水迅速离开界面，而代之含少量氧气的水，这样可以使溶解速率增大。但是如果水中溶解的氧气是过饱和的，搅动后会是溶解的氧气向大气逸出。4温度：温度能改变气体分子的运动速度，也改变气体的溶解度，所以温度对氧气的溶解速率有很大的影响。在含量相同的情况下，温度降低，溶解速率一般增大。 溶解氧含量表示方法：氧分压(mmHg)；百分饱和度(%)；氧浓度(mg/L或10-6)本质上没什么不同。(1)分压表示法：氧分压表示法是最基本和最本质的表示法。根据Henry定律可得，P=(Po2+PH2O)×0.209，其中，P为总压；Po2为氧分压(mmHg)；PH2O为水蒸气分压；0.209为空气中氧的含量。 (2)百分饱和度表示法：由于曝气发酵十分复杂，氧分压不能计算得到，在此情况下用百分饱和度的表示法是最合适的。例如将标定时溶解氧定为100％，零氧时为0％，则反应过程中的溶解氧含量即为标定时的百分数。 (3)氧浓度表示法：根据Henry定律可知氧浓度与其分压成正比，即：C=Po2×a，其中C为氧浓度(mg/L)；Po2为氧分压(mmHg)；a为溶解度系数(mg/mmHg·L)。溶解度系数a不仅与温度有关，还与溶液的成分有关。对于温度恒定的水溶液，a为常数，则可测量氧的浓度。氧浓度表示法在发酵工业中不常用，但在污水处理、生活饮用水等过程中都用氧浓度来表示。 四，溶解氧的实际含量水体表面直接与空气接触，相互间可以自由地进行物质交换与能量交换，因此，水与空气之间，按理应该达成溶解平衡，水中溶解氧含量应是该条件下的饱和含量。然而，溶解氧的实际含量往往不等于饱和含量，具体数值决定于当时条件下水中增氧作用与耗氧作用，这是矛盾的运动特点。 1.水中增氧作用及其影响因素（1）空气中O2的溶解只要水中溶解氧未饱和，这一作用可全天进行。在温度一定时，水与空气接触越充分，水中溶解氧不饱和程度越大，则溶解增氧越快。空气自然溶解增氧通常只限于表水层，在养殖水体溶解氧的总收支平衡中只占很小的比例。深度较大，对流不耗的静水体尤为如此。因此搅动水体，增大水体与空气的接触，有利于氧气的溶解。在不饱和程度相同的条件下，水面开阔，水流急的水体比水面狭窄，水流平缓的水体溶解快的多。 （2）植物光合作用增氧在自然条件下，这常是养殖水体内溶解氧的最大供应者，在溶解总收入中占很大比例植物光合作用增氧有以下特点：第一，周日变化明显。仅白天十几小时增氧，晚上反耗氧；第二，水层差别大。仅在光线充足的表水层内增氧，底水层因官衔不足或全无官衔，只耗氧，不增氧；第三，效果不稳定。增氧的数量及速率随光照条件，水温，植物的种类、数量、生理状态以及CO2、营养盐的供给状况等因素不同而不同，时空变化很大。 植物光合作用增氧速率可依照以下式子计算。自然增氧率（gO2/h）=（增氧后总溶氧量-增氧前总溶氧量）÷（光合作用持续时间）                  （3--2）式中溶氧总量是由各水层水量乘以该水层溶氧浓度后相加求得的。调查指出：一般河流湖泊表水层内，夏季光合作用产氧能力为0.5～10gO2/m2水面.day，最高记录达59gO2/m2水面.day。是一亚热带鱼池的实测结果。 3）水补给混合增氧人工泵水、注水，自然流水不及以及水体内部水团的垂直对流均属于这类，在底水层溶氧增补上有重要意义，对整个水体来说，效果多不显著。例如，设某水池，原有水5000吨，D.O=5ppm，后注入1000吨D.O=1000ppm的水，并彻底混匀，则注入后的溶氧浓度只为（1000×10+5000×5）÷（1000+5000）=5.8ppm可见增加不多。仅在补给水量达、流速快、溶氧丰富时，本法增氧效果才显著。 总的说来，，贫营养水体及流动水体、以大气溶解增氧贡献最大，富营养型静水水体则以光合增氧为主。例如有人调查指出：在自然条件下，静水养鱼池溶解氧的总收入中，关合作用增氧约占89%，空气溶解增氧约占7%，其余4%为水补给增氧。当然，不同水体，条件千差万别，这一比例，不是一成不变的。 2.水中耗氧作用及其影响因素：（1）物理作用耗氧    水中溶氧过饱和时，会不断地向空气逸散，过饱和程度越大，曝气越充分，则逸散损失越多越快，这一过程仅在水--气截面处进行。氧气也会随水流失。（2）化学作用耗氧    水体内有些物质可以经由化学反应（或生物代谢作用）下耗氧气，其反应计量关系如表所示 硫    化    氢H2S+2O2→2H++SO42- 2氢6H2+2O2+CO2→(CH2O)+5H2O 0.33甲          烷CH4+2O2→CO2+2H2O 2碳  酸  亚  铁4FeCO3+O2+6H2O→4Fe(OH)3+4CO20.25铵          盐NH4++0.5O2→NH2OH+H+        0.5黄    铁    矿FeS2+3.5O2+H2O→2SO42-+Fe2++2H+        3.5硫2S+2O2→2SO21耗氧量按每氧化一摩尔物质需要消耗氧气的摩尔数计 （3）生物总耗氧A水生生物呼吸耗氧。水中鱼，贝类、浮游生物、细菌等，在生命活动过程中要不断地呼吸耗用水中溶氧。生物密度越大，呼吸耗O2越多。在一定范围内，温度越高，呼吸耗O2越快。其他生理生态因子／如个体大小，营养条件，水的pH，O2，CO2及毒物含量等，对生物呼吸耗氧速率，均有影响。 调查指出：鱼类等较大型动物呼吸耗O2速率多变化在44．4—46.5毫升O2／千克动物／小时之间设计循环养鱼装置时常用100毫升O2／千克动物／小时或200毫克O2／千克鱼／小时。浮游动物耗O2更快，一些静水养鲤池的调查结果为721—932毫升O2／千克动物／小时(20．5～26．5℃)。细菌耗O2速率取决于它们的增殖速率。增殖越快，耗O2快。 浮游植物及其他水生植物也会呼吸耗O2，不过，白天光呼吸的耗O2量远小于光合作用的产O2量，生产者，在晚上则表现为纯粹的耗O2者。有些资料指出：处在指数生长期的浮游植物，每日，呼吸耗氧仅为其产氧量的10～20%左右． 细菌耗氧一般认为：鱼塘中生物呼吸耗02，通常以浮游生物及细菌为主．例如高产塘大庆池的池水耗02速率在7毫克02／升水／日以上。 B有机物分解耗02这一过程大都与生物活动有关，纯化学氧化耗02意义不大。水中一些常见低分子量有机物被生物分解时耗氧量如表所示。 生物同化分解某些低分子有机物时的反应及耗氧量乙酸CH3COOH+02→(CH20)*+CO2+H20  1丙酸2CH3CH2COOH+5O2→2(CH20)+4C02+4H202．5乙醇2CH3CH20H+3O2→3(CH20)+CO2+3H201．5乳酸CH3CHOHCOOH+02→2(CH20)+C02+H201丙酮酸CH3COCOOH+1．502→(CH20)+2C02+H2O 1.5葡萄糖C6H1202+202→4(CH2O)+2C02+2H2O2亮氨酸C4H9CHNH2COOH+4．502→(C3H7NO2）+3C02+3H204.5丁酸2C4H802+502→5(CH2O)2+S2  2.5戊酸2C5H10002+602→7(CH20)+3C02+3H203*括号内的物质表示同化为生物物质．*括号内的物质表示同化为生物物质．**耗02量以每同化分解1摩尔物质所耗02的摩尔数表示． C底质耗02这主要也是呼吸过程。沉积物中有机物越多，则耗氧潜力越大水温升高、氧气浓度较大、生物活性强时，底质耗氧速度也快。据调查：一般淡水湖泊沉积物的耗02速率约在0.31～0．99(克02／米2／日)范围。鱼塘底泥中有机物及生物多些，耗02也多些，据一些养鳗池调查结果为1．1～1．32克02／米2／日。 在水一泥界面不搅动时，底质主要消耗界面附近水中的O2，受扩散作用限制，速度较慢。要是水的流速增大，泛起底泥，与含O2量高的水充分接触，则底质耗O2速率增大。在水一泥界面不搅动时，底质主要消耗界面附近水中的O2，受扩散作用限制，速度较慢。要是水的流速增大，泛起底泥，与含O2量高的水充分接触，则底质耗O2速率增大。 水流速对积累在人工河道中沉积物耗02的影响平均流速(毫米秒)15305060底质平均耗O2率(克O2／米2／日)6.08.08.011.4*沉积物上的水温t·；15℃水的溶氧为7．0毫克O2／升． 养殖水体内，上述各项耗O2作用占的比例相差很大，不同水体不同研究者得到的结果也不一样。一般说，逸散进入空气的只占总耗O2量1．5％左右，所养鱼类耗氧量也只占5—15％，其他80～90％以上均为生物呼吸，有机物分解所耗用。 3．养殖水体内溶解氧的实际含量是由上述增氧作用、耗氧作用这对矛盾决定的。其中各物理因素(如气体交换，水的混合等)，使水中溶氧趋于平衡浓度，而生物因素(主要为光合作用与呼吸作用)则使水中溶氧偏离平衡浓度，是导致溶氧时空分布变化不均的关键因素。 若设水中生物光合作用增氧总量为P，水中生物呼吸作用耗氧总量为R，则当R》P时，水中溶氧实际浓度将不断减小，若经过长时间积累，就会出现溶氧最小值，乃至完全无氧，相反，当P》R时，则溶氧实际含量逐渐增多，经长时间积累，就会出现溶氧极大值，有时可达饱和含量二倍以上。由于P、R值随时间、水层不断变化，因此，养殖水体内溶氧实际含量很少稳定在平衡含量，而是不断地在极小值和极大值之间大幅度地反复变化。水体生物活动越有力，则波动愈剧烈。