溶解氧在河流水質污染中的作用與分析

□ 李東俊（周口水文水資源勘測局）

0 引言

人類離不開水，自古以來就注意了水體水量的合理開發利用。但是由于現代工業、農業的發展，人口的急劇增長，大量廢水排入天然水體，使水體遭受污染，水環境被破壞，生態系統失去平衡。在水質污染中，有機污染占很有大的比例，主要污染物是氨氮、化學需氧量、五日生化需氧量等。由于大量有機物排入河流，需要大量微生物進行分解，從而消耗河流水體更多的溶解氧，溶解氧降低，水質污染進一步惡化，使得天然河流自凈能力減弱，水生態平衡被破壞。從而使污染的河流在相當長時間內不能被自然修復。在這其中，起著關鍵作用的溶解氧、有機物、微生物之間存在了非常微妙的關系，文章通過研究分析天然河流的復氧和耗氧兩個過程，分析溶解氧在河流水體自凈中所起的作用。

1 天然河流水體中的溶解氧

自然河流水體中溶解的氧，就是指溶解于自然河流水體中的溶解氧。它是以分子形式溶解于水中，通常用DO來表示。天然河流水體中的溶解氧含量的高低與許多因素有關。隨著溫度、壓力、鹽分等變化，天然河流水體中的溶解氧隨著溫度的升高而降低。相對季節而言，夏季水體中的溶解氧低，冬季水體中的溶解氧高，甚至達到過飽和狀態。天然河流水體的鹽分越大，溶解氧越小。當地的氣壓越大，河流水體中的溶解氧越大。溶解氧是天然河流水體污染與否非常重要的一個條件；是天然河流水體是否具有自凈能力的一個重要指標；也是河流中水生物生存不可缺少的條件。對于水產養殖業來說，水體溶解氧對水中生物,如魚類的生存有著至關重要的影響。當溶解氧低于4mg/L時，就會引起魚類窒息死亡，對人類來說，飲用水源地水源水富含溶解氧，表明水質沒有受到污染，如果水源水溶解氧過低，說明水體受有機物及還原性物質的污染。因此天然河流水體中溶解氧的高低，是水體污染程度的重要指標，也是衡量水質的綜合指標。

2 天然河流水體中溶解氧的采集與檢測

2.1 溶解氧的采集

采集河流水體中的溶解氧有兩種方法。第一，用采樣器采集溶解氧時。首先用1個惰性材料的軟管插入到瓶子的底部，另一端與采樣器相連，將采樣瓶注滿直至溢流出瓶容積的1/3至1/2左右。在消除采樣瓶壁上的空氣泡之后，慢慢抽出軟管，避免劇烈攪動，產生氣泡，立即蓋上瓶塞。第二，直接用溶解氧瓶采集溶解氧。把溶解氧瓶放在水面下30 cm的河水、池塘水、湖水或海水，使水樣充滿廣口瓶，立即蓋上瓶塞。

2.2 溶解氧的固定

現場立即加入1mL硫酸錳溶液和2mL堿性碘化鉀溶液固定采樣瓶中的溶解氧。在加硫酸錳和堿性碘化鉀溶液時，移液管要插到液面下10mm處，慢慢放入溶液同時，輕輕提出移液管。這一過程稱為溶解氧的固定。其原理是，在水中加入硫酸錳和堿性碘化鉀溶液，生成氫氧化錳沉淀，此時氫氧化錳是不穩定的，又迅速與水中的溶解氧結合生成錳酸錳棕色沉淀。溶解氧固定后送實驗室及時檢測。

2.3 溶解氧的檢測

檢測溶解氧通常采用的方法有：碘量法、膜電極法、便攜式溶解氧儀。

碘量法就是固定后的溶解氧，再加入1mL濃硫酸，蓋上瓶塞，上下搖動，直至沉淀物完全溶解，如果沉淀物沒有完全溶解，可以再加少量的濃硫酸。然后用硫代硫酸納溶液滴定，根據硫代硫酸鈉溶液消耗的量，計算出水中溶解氧量的含量。采用碘量法測定溶解氧時，當河流水體中含有藻類、懸浮物、氧化還原性物質時，必須進行預處理。

膜電極法和便攜式溶解氧儀多用于現場快速測定。

3 天然河流水體的復氧和耗氧分析

3.1 大氣中的氧擴散溶解

天然河流都是流動水體，在流動過程中，河水與大氣充分接觸，大氣中氧分子向水中擴散并溶解于水體中。流動的水體從空氣中吸收氧的過程稱為大氣復氧，空氣中的氧溶解到水體中的現象是一種氣液之間的對流擴散過程，也是氣體的傳輸過程，這也是天然河流水體中溶解氧的主要源泉，也就是為什么天然河中流動的水體相對于靜止的水體不易污染腐敗的主要原因。

3.2 水體植物的光合作用產生氧

水體植物是水生態系統中物質循環和能量轉化的中間站，水體植物白天進行光合作用，由二氧化碳和水經過一個由光供給能量的反應而產生碳水化合物和氧氣，光合作用產生的溶解氧。這類單細胞植物有機體的生長和死亡對天然河流水體中有限的氧資源起著深遠的影響。

3.3 有機物的氧化分解耗氧

有機物耗氧有兩個階段，第一階段碳化階段：好氣微生物參與分解有機物，碳化合物氧化生成二氧化碳和水，從而消耗天然水體中的溶解氧。第二階段為硝化階段：氮化合物氧化過階段，反應過程：NH+4→NO-2→NO-3，在厭氣性微生物作用下，有機氮氧化分解的最終產物是甲烷、硫化氫（嗅氣）、氨、使水體黑臭。

天然河流中的有機無毒物質，主要有碳氫化合物、蛋白質、脂肪等，這類物質的性質極不穩定，在有氧或缺氧的條件下，都能在微生物的作用下，借助于微生物的新陳代謝功能而被降解為無機物。將被分解氧化，降為水、二氧化碳等穩定的無機物。

3.4 河流底泥耗氧

河流底泥耗氧是指河流流水體底部的污泥內有機物質的耗氧，一般情況下底泥耗氧量并不大，只占河流總耗氧量的1%左右。

3.5 水生植物夜間呼吸耗氧

天然河流水生植物，白天主要進行光合作用供氧，到了夜晚，沒有了光的照射，光合作用減弱，水生植物主要進行呼吸作用消耗氧氣，將有機物轉化為二氧化碳和水。

4 天然河流水體中氧平衡

天然河流中的氧平衡主要指的是生物的耗氧與大氣的復氧平衡關系。當河流中污染物的濃度不超過一定的限度，河流可維持正常的生態平衡。河流水體中的溶解氧對水質及其變化起著決定性作用，通過分析并計算水體中溶解氧的平衡，以了解水體受污染的程度，它是反映有機物污染的重要指標。當有大量有機物排入河流，由于有機物被好氣微生物氧化分解，水中溶解氧將急速下降而形成缺氧狀態，當水中溶解氧耗盡，有機物又被厭氧微生物分解，發生腐敗現象，產生甲烷、硫化氫（嗅氣）、氨、使水體黑臭，由此可知，一定數量的溶解氧是天然河流水體自凈過程并維持生態平衡的基礎。

水體的自凈包括兩個方面。第一物理作用，河流水體的流動，對污染物擴散和遷移而產生稀釋，或因吸附沉降等過程使污染濃度降低，這部分是物理作用，只能降低污染物濃度，而不能減少物質總量。第二生化作用，主要包括污染物的分解與化合、氧化與還原、水解與聚合等，特別是微生物對河流水體中有機物的氧化分解作用。分解作用是水生生物通過消化作用、呼吸作用及光合作用，將水體中的有機質經復雜的好氣分解或嫌氣分解，分解成簡單的無機分子，使污染降解。在這一過程中，河流水體中的溶解氧與河流自凈作用有著密切的關系。

5 根據河流水體的溶解氧，建立BOD-DO水質模型

通過研究河流水體的耗氧與復氧過程，如果從兩個方面假設推導BOD-DO水質模型：

第一，只考慮河流水體耗氧只是有微生物引起的，微生物分解河流水體中的有機物，從而消耗河流水體中的溶解氧,這部分就是生化需氧量（BOD），這部分反應過程符合一級反應動力學。S=K1L。

第二，河流水中溶解氧(DO)，認為耗氧的原因只是BOD反應引起的，BOD的反應速度與水中溶解氧的減少率相同。

基于上面項假定，一維穩態河流水質模型BOD-DO方程表達式為：

水質模型，是將水體受污染的物理、化學、生物等復雜現象與過程以及各影響因素間的相互作用加以簡化、模擬，用數學關系式，如代數方程或微分方程來表達，而表達式反映了水污染的本質。水質模型最基本的功能是模擬和預測污染物在水環境中的行為。對污染物的時空分布和危害程度作出定量的分析和判斷，從而為評價、預測和控制河流水體污染提供可靠的依據。

6 結語

有研究表明，控制好河流水體中溶解氧、微生物、有機物三者比例關系，就有保持天然河流的自凈能力，當河流受到污染時，在短時間內生態系統可以自行進行修復。當天然河流中溶解氧含量過低時，可以人工向天然河流曝氣增氧，增加天然河流的溶解氧，加快微生物對河流水體中污染物的分解，從而降低河流水體的污染。當天然河流水體中微生物過少，由于大量有毒、高酸、高堿的污水排入河流，會導致河流水體中的微生物死亡，這時可以向河流水體投放合適的微生物菌種，加快河流水體中污染物的分解，從而降低污染，使河流恢復自凈能力。