Растворенный кислород (DO) является критическим параметром в водных экосистемах и качестве воды. Он представляет собой количество кислорода, растворенного в воде, и имеет жизненно важное значение для выживания аэробных организмов, включая рыб, беспозвоночных и микроорганизмы. В этой статье мы углубимся в науку о растворенном кислороде, в то, как он измеряется, в его значимости в различных средах и в его практическом применении.

Что такое растворенный кислород?

Растворенный кислород относится к молекулам кислорода, которые присутствуют в воде в свободной молекулярной форме (O₂) и доступны для использования водными организмами. Кислород растворяется в воде из нескольких источников: непосредственно из атмосферы, через процесс аэрации и как побочный продукт фотосинтеза в водных растениях и водорослях.

Концентрация растворенного кислорода в воде измеряется в миллиграммы на литр (мг / л) или в процент насыщения. Последний показатель представляет собой процентное содержание растворенного в воде кислорода по отношению к максимальному количеству, которое вода может содержать при данной температуре и давлении.

Растворимость кислорода в воде зависит от нескольких факторов, включая температуру, соленость и атмосферное давление. Холодная вода содержит больше растворенного кислорода, чем теплая, а пресная вода обычно содержит больше кислорода, чем соленая. С повышением температуры растворимость кислорода уменьшается, и, следовательно, меньше кислорода может быть растворено в воде.

Значение растворенного кислорода

Растворенный кислород является ключевым показателем качества воды, поскольку он напрямую влияет на здоровье водных экосистем и организмов, живущих в них. Кислород, растворенный в воде, используется водными организмами для дыхания, что необходимо для их выживания. Достаточные уровни кислорода поддерживают разнообразие и продуктивность водной жизни, в то время как низкие концентрации кислорода могут иметь разрушительные последствия для экосистемы.

1. Водная жизнь

• Рыба: Рыбы, как и все аэробные организмы, полагаются на растворенный кислород, чтобы выжить. Их жабры извлекают кислород из воды, который затем транспортируется по всему телу. Выживание рыб в значительной степени зависит от концентрации кислорода в воде. Если уровень кислорода падает слишком низко, рыба может задохнуться, что приводит к гибели.
• беспозвоночные: Водные беспозвоночные, такие как креветки, крабы и моллюски, также нуждаются в растворенном кислороде для дыхания. Беспозвоночные чувствительны к падению концентрации кислорода и могут служить ранними индикаторами ухудшения качества воды.
• Микроорганизмы: Микроорганизмы, такие как бактерии и грибы, также нуждаются в растворенном кислороде для дыхания. В водной среде эти микроорганизмы разлагают органические вещества, расщепляя их на более простые соединения. Здоровое микробное сообщество необходимо для круговорота питательных веществ и общего функционирования экосистемы.

2. Здоровье экосистемы

• Круговорот питательных веществ: Растворенный кислород участвует в нескольких биогеохимических циклах, включая циклы азота и фосфора. Кислород поддерживает процесс нитрификации, где аммиак преобразуется в нитриты и нитраты, которые затем доступны растениям. Низкий уровень кислорода может нарушить этот цикл, что приведет к дисбалансу питательных веществ и эвтрофикации (избыточное количество питательных веществ в водоемах, часто приводящее к вредоносному цветению водорослей).

• Окислительно-восстановительные реакции: Кислород играет ключевую роль в окислительно-восстановительных реакциях, которые происходят в водоемах. Эти реакции влияют на химический состав воды и влияют на доступность металлов, минералов и других важных питательных веществ. Низкий уровень кислорода может привести к аноксическим условиям (полному отсутствию кислорода), что может вызвать выброс вредных веществ, таких как сероводород, из осадка.

3. Индикатор качества воды

Растворенный кислород часто используется как индикатор общего состояния здоровья водоема. Высокие уровни РК обычно указывают на то, что вода чистая и способна поддерживать разнообразную водную жизнь, в то время как низкие уровни РК часто сигнализируют о загрязнении, эвтрофикации или других формах экологического стресса.

Факторы, влияющие на уровень растворенного кислорода

На концентрацию растворенного кислорода в воде влияют несколько факторов. Эти факторы могут как увеличивать, так и уменьшать уровень кислорода в зависимости от конкретных условий.

1. Температуры

Температура напрямую влияет на растворимость кислорода. Холодная вода может содержать больше кислорода, чем теплая. Например, при 0°C вода может содержать около 14 мг/л кислорода, а при 30°C — всего около 7 мг/л. Вот почему уровень кислорода обычно выше в полярных регионах и глубоких озерах и ниже в тропических и мелководных водах.

Температура также влияет на скорость метаболизма водных организмов. Более теплая вода увеличивает скорость метаболизма рыб и беспозвоночных, что приводит к более высокому потреблению кислорода. Следовательно, это может снизить уровень растворенного кислорода, особенно в теплые месяцы.

2. Соленость

Соленость воды влияет на ее способность растворять кислород. В соленой воде концентрация растворенного кислорода ниже, чем в пресной. Это происходит потому, что соленая вода содержит более высокую концентрацию растворенных солей, что уменьшает количество воды, доступной для растворения молекул кислорода.

3. давление

Атмосферное давление и глубина воды также влияют на количество кислорода, которое может быть растворено в воде. На больших высотах давление воздуха ниже, что означает, что меньше кислорода доступно для растворения в воде. Аналогично, в глубокой воде давление выше, что увеличивает растворимость кислорода, хотя в глубокой воде все еще может наблюдаться низкий уровень кислорода, если она отрезана от циркуляции поверхностных вод.

4. Движение воды

Движение воды, такое как волны, течения и турбулентность, может повысить уровень кислорода, способствуя аэрации. Когда вода взволнована, воздух может смешиваться с водой более эффективно, позволяя кислороду растворяться. И наоборот, стоячие водоемы, такие как пруды или медленно текущие реки, как правило, имеют более низкую концентрацию кислорода.

5. Фотосинтез и дыхание

• фотосинтез: Водные растения, водоросли и фитопланктон вырабатывают кислород как побочный продукт фотосинтеза. Днем, когда доступен солнечный свет, фотосинтез может повысить уровень кислорода в воде, особенно на мелководье или в местах с обильной растительностью.

• Дыхание: С другой стороны, дыхание водных организмов потребляет кислород. Ночью фотосинтезирующие организмы не производят кислород, и дыхание становится основным процессом, потребляющим растворенный кислород. Это может привести к снижению уровня кислорода в воде в ночное время.

6. Загрязнение и эвтрофикация

Загрязнение, особенно органическими отходами, удобрениями и промышленными стоками, может значительно снизить уровень растворенного кислорода. Когда органические вещества попадают в воду, микроорганизмы разлагают их, и этот процесс потребляет кислород. В загрязненных водоемах эта повышенная микробная активность может истощать кислород быстрее, чем он пополняется, что приводит к гипоксическим (низкий уровень кислорода) или аноксическим (отсутствие кислорода) условиям.

Эвтрофикация, процесс, при котором избыточные питательные вещества (часто азот и фосфор из сельскохозяйственных стоков) способствуют чрезмерному росту водорослей, также может привести к истощению кислорода. Когда водоросли умирают, их разложение бактериями потребляет большое количество кислорода, что приводит к гипоксическим условиям.

Измерение растворенного кислорода

Измерение растворенного кислорода имеет решающее значение для контроля качества воды. Для измерения уровня РК обычно используются несколько методов, в том числе:

1. Метод титрования Винклера

Метод титрования Винклера — классический химический метод, используемый для измерения растворенного кислорода. В этом методе образцы воды фиксируются реагентами, которые реагируют с кислородом, а затем полученная химическая реакция титруется известной концентрацией восстановителя. Количество используемого восстановителя коррелирует с концентрацией растворенного кислорода в образце.

2. Электрохимические датчики

Электрохимические датчики обычно используются для измерений DO в реальном времени. Эти датчики обычно состоят из системы электродов, которая измеряет ток, генерируемый восстановлением кислорода на катоде. Ток пропорционален концентрации кислорода и отображается в виде цифрового показания.

3. Оптические датчики РК

Оптические датчики растворенного кислорода основаны на технологии флуоресценции. Эти датчики измеряют кислородозависимое гашение флуоресценции, испускаемой веществом в присутствии растворенного кислорода. Этот метод обеспечивает высокую чувствительность, точность и минимальные помехи, что делает его пригодным для непрерывного мониторинга в суровых условиях.

4. Полярографические датчики РК

Полярографические датчики, подмножество электрохимических датчиков, полагаются на восстановление кислорода на катоде в растворе электролита. Напряжение подается для перемещения молекул кислорода к катоду, где они восстанавливаются, а генерируемый ток пропорционален количеству присутствующего кислорода.

Датчики растворенного кислорода Winsen

Модель продукта	МВ-О101	МВ-О201	ZW-O101	ZW-O103	ZW-O102
Принцип продукта	Датчик гальванического элемента	Полярографический датчик	Модуль гальванического элемента		Полярографический модуль
изображение продукта
Выход сигнала	/	/	RS485 (уровень 5 В)	Выход TTL (уровень 3 В)	RS485 (уровень 5 В)
Диапазон измерений	0-20mg / л
Разрешение	0.01 мг / л
Рабочая температура	0-40 ° C	5-45 ° C	0-40 ° C
Смачиваемые материал	PP
Способ установки	Погружная установка
Обслуживание	/	Рекомендую заменять электролит каждые 3 месяца.	/	Рекомендую заменять электролит каждые 3 месяца.
Время реакции			≤20S

Применение измерения растворенного кислорода

Измерение уровня растворенного кислорода имеет важное значение в различных областях для мониторинга и управления качеством воды, обеспечения здоровья водных экосистем и поддержки промышленных процессов.

1. Мониторинг окружающей среды

Мониторинг уровней РК в естественных водоемах, таких как реки, озера и океаны, помогает оценить общее состояние экосистем. Низкие уровни РК указывают на плохое качество воды, часто из-за загрязнения или эвтрофикации, и могут привести к гибели рыбы и потере биоразнообразия.

2. Аквакультура

В аквакультуре растворенный кислород является критическим параметром для здоровья выращиваемых рыб и моллюсков. Поддержание оптимального уровня РК необходимо для обеспечения роста и выживания организмов. Системы оксигенации, такие как аэраторы и оксигенаторы, используются для поддержания достаточного уровня кислорода в рыбоводных бассейнах и прудах.

3. Очистки сточных вод

На очистных сооружениях сточных вод кислород необходим для аэробной очистки сточных вод. Микроорганизмам в процессе очистки требуется растворенный кислород для расщепления органических веществ. Мониторинг и контроль уровней РК имеет решающее значение для поддержания эффективности процесса очистки и обеспечения соответствия сточных вод экологическим стандартам.

4. Регулирование качества воды

Регулирующие органы используют измерения растворенного кислорода для установления стандартов качества воды и руководящих принципов для общественного здравоохранения и защиты экосистем. Поддержание адекватных уровней РК в питьевой воде, рекреационных водах и сельскохозяйственном орошении имеет решающее значение для здоровья человека и окружающей среды.

5. Промышленные процессы

В промышленных процессах, таких как производство целлюлозы и бумаги, химическое производство и переработка пищевых продуктов, уровни растворенного кислорода могут нуждаться в тщательном контроле для оптимизации реакций и поддержания качества продукции. Например, в процессах ферментации концентрация РК может влиять на производство алкоголя, фармацевтических препаратов или других химикатов.

Заключение

Растворенный кислород является жизненно важным показателем здоровья водных экосистем и важным компонентом для выживания аэробных организмов. Его измерение и управление имеют решающее значение для обеспечения качества воды, поддержки таких отраслей, как аквакультура и очистка сточных вод, а также защиты окружающей среды. Понимание факторов, влияющих на уровни РК, а также использование точных методов измерения имеют основополагающее значение для поддержания тонкого баланса кислорода в воде и защиты здоровья как водных организмов, так и людей.