溶解氧-溶解氧的含量及其影響因素課件

第五章溶解氧本章主要介紹溶解氧的基本概念，溶解氧的影響因素，溶解氧的分布變化規(guī)律，生物缺氧的原因和表現(xiàn)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變化，垂直分布，水平分布規(guī)律和生物缺氧及增氧措施?？諝庵械姆肿討B(tài)氧溶解在水中稱為溶解氧。水中的溶解氧的含量與空氣中氧的分壓、水的溫度都有密切關(guān)系。在自然情況下，空氣中的含氧量變動不大，故水溫是主要的因素，水溫愈低，水中溶解氧的含量愈高。溶解于水中的分子態(tài)氧稱為溶解氧，通常記作DO，用每升水里氧氣的毫克數(shù)表示。水中溶解氧的多少是衡量水體自凈能力的一個(gè)指標(biāo)。概述

一、溶解氧的飽和含量

溶解氧是指以分子狀態(tài)溶存于水中的氧氣單質(zhì)，不是化合態(tài)的氧元素，也不是氧氣氣泡。溶解氧通常簡記為“DO”。

氧氣溶于水中是一可逆過程，

O2溶入水中的速度與水中逸出O2的速度相等時(shí)，溶解即達(dá)成動態(tài)平衡。此時(shí)，水中溶解O2的濃度，即為該條件下溶解氧的飽和含量，在其他條件一定時(shí)，溶解氧飽和含量隨溫度、含鹽量升高而下降。溶解氧的含量與水溫、氧分壓、鹽度、水深深度、水生生物的活動和耗氧有機(jī)物濃度有關(guān)。

二、影響溶解氧飽和含量的因素水溫：在氧氣分壓，含鹽量一定時(shí)，溶解氧的飽和含量隨著水溫的升高而降低。低溫下溶解氧的飽和含量隨溫度的變化更加顯著。含鹽量：在水溫，氧氣分壓一定時(shí)，水的含鹽量越高，水中溶解氧的飽和含量越小。海水的含鹽量比淡水的含鹽量高的多，在相同條件下，溶解氧在海水中的飽和含量比在淡水中要低得多。天然淡水水體內(nèi)含鹽量的變化幅度很小，所以含鹽量對溶解氧的飽和含量影響不大，可近似以純水中的飽和含量計(jì)算。氧氣的分壓：在水溫含鹽量一定時(shí)，水中溶解氧的飽和含量隨液面上氧氣分壓的增大而增大。亨利定律水面上氧氣分壓的大小與水面上大氣壓強(qiáng)有關(guān)。隨著海拔的增高，大氣壓強(qiáng)逐漸降低，所以對于地處高原區(qū)域的天然水，溶解氧的飽和含量較低。溶解氧儀溶解氧分析儀傳感部分是由金電極(陰極)和銀電極(陽極)及氯化鉀或氫氧化鉀電解液組成，氧通過膜擴(kuò)散進(jìn)入電解液與金電極和銀電極構(gòu)成測量回路。當(dāng)給溶解氧儀_溶解氧分析儀電極加上0.6～0.8V的極化電壓時(shí)，氧通過膜擴(kuò)散，陰極釋放電子，陽極接受電子，產(chǎn)生電流，整個(gè)反應(yīng)過程為：陽極Ag+Cl→AgCl+2e-，陰極O2+2H2O+4e→4OH-，根據(jù)法拉第定律：流過溶解氧分析儀電極的電流和氧分壓成正比，在溫度不變的情況下電流和氧濃度之間呈線性關(guān)系。制約溶氧儀氧測量的因素：

溫度、壓力和水中溶解的鹽，流速。1.

溫度的影響

由于溫度變化，膜的擴(kuò)散系數(shù)和氧的溶解度都將發(fā)生變化，直接影響到溶氧電極電流輸出，常采用熱敏電阻來消除溫度的影響。溫度上升，擴(kuò)散系數(shù)增加，溶解度反而減小。溫度對溶解度系數(shù)a的影響可以根據(jù)Henry定律來估算，溫度對膜擴(kuò)散系數(shù)β可以通過阿侖尼烏斯定律來估算。

當(dāng)溶解度系數(shù)a計(jì)算出來后，可通過儀表指示和化驗(yàn)分析值對比計(jì)算出膜的擴(kuò)散系數(shù)(這里略去計(jì)算過程)，膜的擴(kuò)散系數(shù)在25℃時(shí)為1.5%/℃。2.

大氣壓的影響

根據(jù)Henry定律，氣體的溶解度與其分壓成正比。氧分壓與該地區(qū)的海拔高度有關(guān)，高原地區(qū)和平原地區(qū)的差可達(dá)20%，使用前必須根據(jù)當(dāng)?shù)卮髿鈮哼M(jìn)行補(bǔ)償。有些儀表內(nèi)部配有氣壓表，在標(biāo)定時(shí)可自動進(jìn)行校正；有些儀表未配置氣壓表，在標(biāo)定時(shí)要根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳咎峁┑臄?shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，如果數(shù)據(jù)有誤，將導(dǎo)致較大的測量誤差。

3.

溶液中含鹽量

鹽水中的溶解氧明顯低于自來水中的溶解氧，為了準(zhǔn)確測量，必須考慮含鹽量對溶解氧的影響。在溫度不變的情況下，鹽含量每增加100mg/L，溶解氧降低約1%。如果儀表在標(biāo)定時(shí)使用的溶液的含鹽量低，而實(shí)際測量的溶液的含鹽量高，也會導(dǎo)致誤差。在實(shí)際使用中必須對測量介質(zhì)的含鹽量進(jìn)行分析，以便準(zhǔn)確測量及正確補(bǔ)償。

4.

樣品的流速

氧通過膜擴(kuò)散比通過樣品進(jìn)行擴(kuò)散要慢，必須保證電極膜與溶液完全接觸。對于流通式檢測方式，溶液中的氧會向流通池內(nèi)擴(kuò)散，使靠近膜的溶液中的氧損失，產(chǎn)生擴(kuò)散干擾，影響測量。為了溶解氧儀測量準(zhǔn)確，應(yīng)增加流過膜的溶液的流量來補(bǔ)償擴(kuò)散失去的氧，樣品的最小流速為0.3m/s。總結(jié)：

由于溫度變化對電極膜的擴(kuò)散和氧溶解度有較大影響，標(biāo)定時(shí)需較長時(shí)間(約10min)，以使溫補(bǔ)電阻達(dá)到平衡；氧分壓與該地區(qū)的海拔高度有關(guān)，儀表在使用前必須根據(jù)當(dāng)?shù)卮髿鈮哼M(jìn)行補(bǔ)償；測量溶液的含鹽量高時(shí)，儀表標(biāo)定時(shí)應(yīng)使用含鹽量相當(dāng)?shù)娜芤?；對于流通式測量方式，要求流過電極的最小流速為0.3m/s。三、溶解氧的飽和度

溶解氧飽和度%=溶解氧的實(shí)測含量÷實(shí)測條件下溶解氧的飽和含量×100%

飽和度對于判斷水體--空氣之間進(jìn)行氧氣交換的方向，甚為方便。當(dāng)飽和度小于100%、溶氧未達(dá)飽和時(shí)，水可以從空氣溶解吸收O2；反之，當(dāng)溶氧飽和度大于100%、過飽和時(shí)，就有氧氣從水中溢出，進(jìn)入空氣。影響氧氣溶解速率的因素1溶解氧的不飽和程度：在其他條件一定時(shí)，氧氣在水中的溶解速率與其不飽和程度呈正比。氧氣的不飽和程度越大，溶解速率越大。2氣液界面積大?。簹怏w的溶解發(fā)生在氣液界面處，在其他條件一定時(shí)，增大單位面積液體的界面積，則在相同的時(shí)間內(nèi)就有更多的氧氣分子通過界面進(jìn)入水中，使溶解速率增大3氣液界面更新情況：攪動氣液界面可使溶有較多氧氣的界面上的水迅速離開界面，而代之含少量氧氣的水，這樣可以使溶解速率增大。但是如果水中溶解的氧氣是過飽和的，攪動后會是溶解的氧氣向大氣逸出。4溫度：溫度能改變氣體分子的運(yùn)動速度，也改變氣體的溶解度，所以溫度對氧氣的溶解速率有很大的影響。在含量相同的情況下，溫度降低，溶解速率一般增大。(2)百分飽和度表示法：由于曝氣發(fā)酵十分復(fù)雜，氧分壓不能計(jì)算得到，在此情況下用百分飽和度的表示法是最合適的。例如將標(biāo)定時(shí)溶解氧定為100％，零氧時(shí)為0％，則反應(yīng)過程中的溶解氧含量即為標(biāo)定時(shí)的百分?jǐn)?shù)。(3)氧濃度表示法：根據(jù)Henry定律可知氧濃度與其分壓成正比，即：C=Po2×a，其中C為氧濃度(mg/L)；Po2為氧分壓(mmHg)；a為溶解度系數(shù)(mg/mmHg·L)。溶解度系數(shù)a不僅與溫度有關(guān)，還與溶液的成分有關(guān)。對于溫度恒定的水溶液，a為常數(shù)，則可測量氧的濃度。氧濃度表示法在發(fā)酵工業(yè)中不常用，但在污水處理、生活飲用水等過程中都用氧濃度來表示。1.水中增氧作用及其影響因素（1）空氣中O2的溶解

只要水中溶解氧未飽和，這一作用可全天進(jìn)行。在溫度一定時(shí)，水與空氣接觸越充分，水中溶解氧不飽和程度越大，則溶解增氧越快。空氣自然溶解增氧通常只限于表水層，在養(yǎng)殖水體溶解氧的總收支平衡中只占很小的比例。深度較大，對流不耗的靜水體尤為如此。因此攪動水體，增大水體與空氣的接觸，有利于氧氣的溶解。在不飽和程度相同的條件下，水面開闊，水流急的水體比水面狹窄，水流平緩的水體溶解快的多。（2）植物光合作用增氧

在自然條件下，這常是養(yǎng)殖水體內(nèi)溶解氧的最大供應(yīng)者，在溶解總收入中占很大比例

植物光合作用增氧有以下特點(diǎn)：

第一，周日變化明顯。僅白天十幾小時(shí)增氧，晚上反耗氧；

第二，水層差別大。僅在光線充足的表水層內(nèi)增氧，底水層因官銜不足或全無官銜，只耗氧，不增氧；

第三，效果不穩(wěn)定。增氧的數(shù)量及速率隨光照條件，水溫，植物的種類、數(shù)量、生理狀態(tài)以及CO2、營養(yǎng)鹽的供給狀況等因素不同而不同，時(shí)空變化很大。

植物光合作用增氧速率可依照以下式子計(jì)算。

自然增氧率（gO2/h）=（增氧后總?cè)苎趿?增氧前總?cè)苎趿浚拢ü夂献饔贸掷m(xù)時(shí)間）

（3--2）

式中溶氧總量是由各水層水量乘以該水層溶氧濃度后相加求得的。

調(diào)查指出：一般河流湖泊表水層內(nèi)，夏季光合作用產(chǎn)氧能力為0.5～10gO2/m2水面.day，最高記錄達(dá)59gO2/m2水面.day。是一亞熱帶魚池的實(shí)測結(jié)果。

總的說來，，貧營養(yǎng)水體及流動水體、以大氣溶解增氧貢獻(xiàn)最大，富營養(yǎng)型靜水水體則以光合增氧為主。例如有人調(diào)查指出：在自然條件下，靜水養(yǎng)魚池溶解氧的總收入中，關(guān)合作用增氧約占89%，空氣溶解增氧約占7%，其余4%為水補(bǔ)給增氧。當(dāng)然，不同水體，條件千差萬別，這一比例，不是一成不變的。2.水中耗氧作用及其影響因素：（1）物理作用耗氧

水中溶氧過飽和時(shí)，會不斷地向空氣逸散，過飽和程度越大，曝氣越充分，則逸散損失越多越快，這一過程僅在水--氣截面處進(jìn)行。氧氣也會隨水流失。

（2）化學(xué)作用耗氧

水體內(nèi)有些物質(zhì)可以經(jīng)由化學(xué)反應(yīng)（或生物代謝作用）下耗氧氣，其反應(yīng)計(jì)量關(guān)系如表所示

硫

化

氫

H2S+2O2→2H++SO42-

2

氫6H2+2O2+CO2→(CH2O)+5H2O

0.33

甲

烷CH4+2O2→CO2+2H2O

2

碳

酸

亞

鐵

4FeCO3+O2+6H2O→4Fe(OH)3+4CO20.25

銨

鹽

NH4++0.5O2→NH2OH+H+

0.5

黃

鐵

礦

FeS2+3.5O2+H2O→2SO42-+Fe2++2H+

3.5

硫

2S+2O2→2SO21

耗氧量按每氧化一摩爾物質(zhì)需要消耗氧氣的摩爾數(shù)計(jì)（3）生物總耗氧

A水生生物呼吸耗氧。水中魚，貝類、浮游生物、細(xì)菌等，在生命活動過程中要不斷地呼吸耗用水中溶氧。生物密度越大，呼吸耗O2越多。在一定范圍內(nèi)，溫度越高，呼吸耗O2越快。其他生理生態(tài)因子／如個(gè)體大小，營養(yǎng)條件，水的pH，O2，CO2及毒物含量等，對生物呼吸耗氧速率，均有影響。

調(diào)查指出：魚類等較大型動物呼吸耗O2速率多變化在44．4—46.5毫升O2／千克動物／小時(shí)之間設(shè)計(jì)循環(huán)養(yǎng)魚裝置時(shí)常用100毫升O2／千克動物／小時(shí)或200毫克O2／千克魚／小時(shí)。浮游動物耗O2更快，一些靜水養(yǎng)鯉池的調(diào)查結(jié)果為721—932毫升O2／千克動物／小時(shí)(20．5～26．5℃)。細(xì)菌耗O2速率取決于它們的增殖速率。增殖越快，耗O2快。

浮游植物及其他水生植物也會呼吸耗O2，不過，白天光呼吸的耗O2量遠(yuǎn)小于光合作用的產(chǎn)O2量，生產(chǎn)者，在晚上則表現(xiàn)為純粹的耗O2者。

有些資料指出：處在指數(shù)生長期的浮游植物，每日，呼吸耗氧僅為其產(chǎn)氧量的10～20%左右．細(xì)菌耗氧一般認(rèn)為：魚塘中生物呼吸耗02，通常以浮游生物及細(xì)菌為主．例如高產(chǎn)塘大慶池的池水耗02速率在7毫克02／升水／日以上。

B有機(jī)物分解耗02這一過程大都與生物活動有關(guān)，純化學(xué)氧化耗02意義不大。水中一些常見低分子量有機(jī)物被生物分解時(shí)耗氧量如表所示。

生物同化分解某些低分子有機(jī)物時(shí)的反應(yīng)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

*括號內(nèi)的物質(zhì)表示同化為生物物質(zhì)．

*括號內(nèi)的物質(zhì)表示同化為生物物質(zhì)．

**耗02量以每同化分解1摩爾物質(zhì)所耗02的摩爾數(shù)表示．

C底質(zhì)耗02這主要也是呼吸過程。沉積物中有機(jī)物越多，則耗氧潛力越大水溫升高、氧氣濃度較大、

生物活性強(qiáng)時(shí)，底質(zhì)耗氧速度也快。據(jù)調(diào)查：一般淡水湖泊沉積物的耗02速率約在0.31～0．99(克02／米2／日)范圍。魚塘底泥中有機(jī)物及生物多些，耗02也多些，據(jù)一些養(yǎng)鰻池調(diào)查結(jié)果為1．1～1．32克02／米2／日。

在水一泥界面不攪動時(shí)，底質(zhì)主要消耗界面附近水中的O2，受擴(kuò)散作用限制，速度較慢。要是水的流速增大，泛起底泥，與含O2量高的水充分接觸，則底質(zhì)耗O2速率增大。在水一泥界面不攪動時(shí)，底質(zhì)主要消耗界面附近水中