溶解氧溶解氧的含量及其影響因素

關(guān)于溶解氧溶解氧的含量及其影響因素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。第2頁,共44頁，2024年2月25日，星期天空氣中的分子態(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(dòng)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)。概述第3頁,共44頁，2024年2月25日，星期天人類及其他陸上動(dòng)物，是靠呼吸空氣中的氧氣生存?？諝庵醒鯕饬慷喽€(wěn)定，一般都是210毫升O2／升空氣。因此，在空氣中生存的動(dòng)物，從來沒有感到缺氧的威脅。水中溶解的氧氣卻量少多變。例如淡水中溶解氧飽和含量僅8—10毫升／升水，還不到空氣中氧氣含量的1／20。海水中溶解氧更少。這表明：水中魚、蝦、貝、藻類的呼吸條件較差，不時(shí)面臨缺氧窒死的威脅。有人估計(jì)：直接間接缺氧致死的魚類，約占養(yǎng)殖魚類死亡總數(shù)60％。由此可見，掌握水中溶解氧的動(dòng)態(tài)規(guī)律，熟悉缺氧的原因及對策，對于正確組織養(yǎng)殖生產(chǎn)，改進(jìn)技術(shù)、奪取高產(chǎn)，是很重要的。第4頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

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(dòng)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。第5頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

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(dòng)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第6頁,共44頁，2024年2月25日，星期天水溫：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。第7頁,共44頁，2024年2月25日，星期天氧氣的分壓：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。第8頁,共44頁，2024年2月25日，星期天水中溶解氧含量還受到兩種作用的影響：一種是使DO下降的耗氧作用，包括好氧有機(jī)物降解的耗氧，生物呼吸耗氧；另一種是使DO增加的復(fù)氧作用，主要有空氣中氧的溶解，水生植物的光合作用等。這兩種作用的相互消長，使水中溶解氧含量呈現(xiàn)出時(shí)空變化。在自然條件下，水在流動(dòng)時(shí)，復(fù)氧過程比較迅速，較易補(bǔ)充水中氧的消耗，使水體中溶解氧保持一定的水平，反之，在靜水條件下，復(fù)氧過程緩慢，水中含氧得不到及時(shí)補(bǔ)充，處于嫌氣狀態(tài)。第9頁,共44頁，2024年2月25日，星期天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。第10頁,共44頁，2024年2月25日，星期天第11頁,共44頁，2024年2月25日，星期天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%/℃。第12頁,共44頁，2024年2月25日，星期天(1)氧的溶解度系數(shù)：由于溶解度系數(shù)不僅受溫度的影響，而且受溶液的成分的影響。在相同氧分壓下，不同組分的實(shí)際氧濃度也可能不同。根據(jù)亨利定律可知氧濃度與其分壓成正比，對于稀溶液，溫度變化溶解度系數(shù)a的變化約為2%/℃。

(2)膜的擴(kuò)散系數(shù)：根據(jù)阿侖尼烏斯定律，溶解度系數(shù)β與溫度T的關(guān)系為：C=KPo2·exp(-β／T)，其中假定K、Po2為常數(shù)，則可以計(jì)算出β在25℃時(shí)為2.3%/℃。第13頁,共44頁，2024年2月25日，星期天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(dòng)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。

第14頁,共44頁，2024年2月25日，星期天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(huì)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。

第15頁,共44頁，2024年2月25日，星期天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(huì)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。第16頁,共44頁，2024年2月25日，星期天總結(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。第17頁,共44頁，2024年2月25日，星期天三、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。第18頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

要注意的是：過飽和的那部分溶解氧，并不立即成為氣泡溢出。原因是：無論什么氣體，要成氣泡溢出氣泡內(nèi)的氣壓一定要大于外壓。溶解氧要成為氧氣氣泡逸入空氣，就要求氧氣氣泡內(nèi)的壓力超過一各大氣壓，相應(yīng)的溶氧含量大約是飽和含量的5倍。正因?yàn)檫@一原因，在養(yǎng)殖水體或水域內(nèi)，有時(shí)可以看到飽和度高達(dá)200～250%的溶解氧，而且可以維持幾小時(shí)過飽和狀態(tài)不變。第19頁,共44頁，2024年2月25日，星期天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氣液界面積大小：氣體的溶解發(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，使溶解速率增大第20頁,共44頁，2024年2月25日，星期天3氣液界面更新情況：攪動(dòng)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(dòng)后會(huì)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(dòng)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。第21頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

溶解氧含量表示方法：氧分壓(mmHg)；百分飽和度(%)；氧濃度(mg/L或10-6)

本質(zhì)上沒什么不同。

(1)分壓表示法：氧分壓表示法是最基本和最本質(zhì)的表示法。根據(jù)Henry定律可得，P=(Po2+PH2O)×0.209，其中，P為總壓；Po2為氧分壓(mmHg)；PH2O為水蒸氣分壓；0.209為空氣中氧的含量。

第22頁,共44頁，2024年2月25日，星期天(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)。第23頁,共44頁，2024年2月25日，星期天(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。第24頁,共44頁，2024年2月25日，星期天四，溶解氧的實(shí)際含量

水體表面直接與空氣接觸，相互間可以自由地進(jìn)行物質(zhì)交換與能量交換，因此，水與空氣之間，按理應(yīng)該達(dá)成溶解平衡，水中溶解氧含量應(yīng)是該條件下的飽和含量。然而，溶解氧的實(shí)際含量往往不等于飽和含量，具體數(shù)值決定于當(dāng)時(shí)條件下水中增氧作用與耗氧作用，這是矛盾的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。

第25頁,共44頁，2024年2月25日，星期天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?？諝庾匀蝗芙庠鲅跬ǔＶ幌抻诒硭畬樱陴B(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(dòng)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。第26頁,共44頁，2024年2月25日，星期天（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。

第27頁,共44頁，2024年2月25日，星期天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。

第28頁,共44頁，2024年2月25日，星期天3）水補(bǔ)給混合增氧

人工泵水、注水，自然流水不及以及水體內(nèi)部水團(tuán)的垂直對流均屬于這類，在底水層溶氧增補(bǔ)上有重要意義，對整個(gè)水體來說，效果多不顯著。例如，設(shè)某水池，原有水5000噸，D.O=5ppm，后注入1000噸D.O=1000ppm的水，并徹底混勻，則注入后的溶氧濃度只為（1000×10+5000×5）÷（1000+5000）=5.8ppm

可見增加不多。僅在補(bǔ)給水量達(dá)、流速快、溶氧豐富時(shí)，本法增氧效果才顯著。

第29頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

總的說來，，貧營養(yǎng)水體及流動(dòng)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。第30頁,共44頁，2024年2月25日，星期天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(huì)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(huì)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

第31頁,共44頁，2024年2月25日，星期天硫

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)第32頁,共44頁，2024年2月25日，星期天（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(dòng)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。

第33頁,共44頁，2024年2月25日，星期天調(diào)查指出：魚類等較大型動(dòng)物呼吸耗O2速率多變化在44．4—46.5毫升O2／千克動(dòng)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(dòng)物／小時(shí)或200毫克O2／千克魚／小時(shí)。浮游動(dòng)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(dòng)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。第34頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

浮游植物及其他水生植物也會(huì)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．第35頁,共44頁，2024年2月25日，星期天細(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。

第36頁,共44頁，2024年2月25日，星期天B有機(jī)物分解耗02這一過程大都與生物活動(dòng)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。第37頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

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．

第38頁,共44頁，2024年2月25日，星期天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