溶解氧--溶解氧的含量及其影响因素ppt课件.ppt

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 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 与温度T的关系为 C KPo2 exp T 其中假定K Po2为常数 则可以计算出 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 5H2O0 33甲烷CH4 2O2 CO2 2H2O2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 H201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 H2O1 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 S22 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