富營養水體過飽和溶解氧逸出分析研究

蔣遙安，唐志明，楊韻波

(力合科技(湖南)股份有限公司，湖南 長沙 410205)

溶解氧(DO)是反映水體水質和生態狀況最基本的參數之一，它涉及到水體眾多物理、化學和生物生態過程，如大氣復氧、有機物降解、硝化反應、光合作用、呼吸作用等。DO對魚類等水體生物的生命活動也至關重要，當水體DO濃度低于2 mg/L的時間超過數個小時，絕大部分魚類都無法存活；相反，水體DO濃度過飽和也會對魚類產生危害，如出現氣泡病等[1-2]。因此，在中小型湖泊、水庫等水體，保持恰當的DO濃度范圍對保證水體生態穩定是非常重要的。但是，這類水體常處于富營養狀態，夏季浮游藻類大量繁殖，從而造成晴朗白天光合作用強烈，DO出現過飽和，而夜晚呼吸作用強烈又極易產生缺氧狀況，形成DO在24 h內劇烈波動，對水體眾多生態過程產生顯著影響。

1 實驗目的

地表水水質自動監測站在溶解氧監測過程中，存在取水點溶解氧高，水箱溶解氧測試偏低等現象，經過現場曝氣未能解決，為摸清產生此現象原因，特設計此實驗。

2 實驗背景

2019年5月，在水質自動監測站現場使用便攜儀溶解氧和溶解氧在線儀表開展兩者比對測試，原位監測、水箱測試以及取樣監測比對結果如表1所示。

表1 溶解氧原位、水箱和取樣監測結果比對

初步分析原因為判斷為自吸泵影響(系統集成)，5月15日現場比對便攜式儀表、在線監測設備監測結果，最高11.75 mg/L，最低9.938 mg/L。查詢現場五參數原始記錄得知溫度21.8 ℃，查詢飽和溶解氧表，顯示該溫度對應飽和溶解氧8.74 mg/L。該水體溶解氧過飽和，可能是過飽和狀況下導致比對誤差較大。

為了驗證這一疑問，技術人員于5月15日當晚特選擇溶解氧未達到飽和狀態下再次進行驗證實驗，此次比對結果均合格；但水箱內監測結果略低于原位監測結果。結果如表2所示。

表2 溶解氧便攜式儀器、在線儀器監測結果比對

3 數據分析及討論

3.1 實驗周期內pH與DO的相關性分析

pH在水體中主要受CO2含量的影響。但是CO2的含量受水體中的溶解性離子、微生物種類以及數量、水溫等多種因素的影響。和DO一樣，在富營養水體中CO2的含量也是主要受生物過程的控制，所以pH與DO應該具有一定的相關性[3-4]。實驗期間，水體的DO值和pH值的變化趨勢較接近，都是先增加到一定值后開始減小。藻類的光合作用引起的DO變化，必然會導致pH值的變化，并且隨著DO的增大，pH也不斷升高。當晚上藻類的光合作用受到限制，光合產氧量開始降低。

3.2 DO在實驗周期內的24 h數據分析

夏季晴朗日驗證水體不同時刻DO濃度及對應水溫下飽和DO濃度如圖1所示。從圖1可以看出，在上午06:00-18:00溶解氧處于上升狀態，共上升了24.05 mg/L，06:00為3.98 mg/L、18:00為28.03 mg/L；但到18:00之后開始下降，表明在06:00-18:00間DO的合成大于消耗，而18:00之后DO的消耗大于合成。第二天06:00為3.97 mg/L，這種消耗可能是水體生物呼吸引起、水體擴散引起、也可能是過飽和逸出引起。在一個24 h周期內，增氧與消耗的溶解氧濃度基本一致，均為24 mg/L左右。同時在上午10:00至晚上02:00之間溶解氧濃度處于超飽和狀態，其余時間段處于未飽和狀態。

圖1 實驗期間溶解氧24 h數據變化趨勢

4 實驗部分

選取北京某站點藻類密度較高的典型斷面作為監測對象，分別監測未飽和狀態下溶解氧以及過飽和狀態溶解氧進行區域分析水質采樣和分析檢測。從上午6:00開始至下午18:00結束，每30 s檢測現場水質指標1次，現場水質指標包括DO、溫度。采用2套德國WTW便攜式五參數儀表(熒光法)以及1臺朗石便攜式五參數(覆膜法)同時進行測定，一并進行橫向比較，確保數據準確性。

4.1 校準前核查

共3套設備參與實驗，在實驗前對三套設備進行無氧水以及空氣飽和溶解氧進行核查，其中WTW便攜儀核查結果偏差較小，其中朗石便攜儀監測在空氣中飽和溶解氧偏差較大。具體結果見表3。

表3 設備無氧水和空氣飽和溶解氧核查

4.2 不飽和狀態下監測

取不飽和狀態下水樣，同時進行攪拌測試和靜置測試[5]，每隔30 s取1個監測數據。

(1)德國WTW便攜溶解氧設備①

圖2 攪動狀態下不飽和溶解氧數據變化趨勢

圖3 靜置狀態下不飽和溶解氧數據變化趨勢

(2)德國WTW便攜溶解氧設備②

圖4 攪動狀態下不飽和溶解氧數據變化趨勢

圖5 靜置狀態下不飽和溶解氧數據變化趨勢

(3)朗石便攜溶解氧設備

從三套溶解氧設備監測數據中可看出，不過飽和溶解氧在攪動的狀態下，每隔30 s進行數據采集，溶解氧成上升趨勢，且上升濃度一致。在靜置狀態下溶解氧基本處于平穩狀態同時有略微下降。實驗表明，水體攪動或者流動會導致空氣中溶解氧溶于水中。

圖6 攪動狀態下不飽和溶解氧數據變化趨勢

圖7 靜置狀態下不飽和溶解氧數據變化趨勢

4.3 過飽和狀態下溶解氧監測

取過飽和狀態下水樣，同時進行攪拌測試和不攪動測試，每隔30 s取1個監測數據。

(1)德國WTW便攜溶解氧設備①

圖8 攪動狀態下過飽和溶解氧數據變化趨勢

圖9 靜置狀態下過飽和溶解氧數據變化趨勢

(2)德國WTW便攜溶解氧設備②

圖10 攪動狀態下過飽和溶解氧數據變化趨勢

圖11 靜置狀態下過飽和溶解氧數據變化趨勢

(3)朗石便攜溶解氧設備

圖12 攪動狀態下過飽和溶解氧數據變化趨勢

圖13 靜置狀態下過飽和溶解氧數據變化趨勢

從三套溶解氧設備監測數據中可看出，在過飽和溶解氧在攪動的狀態下，每隔30 s進行數據采集，溶解氧成下降趨勢，且下降趨勢明顯。在靜置狀態下溶解氧基本處于平穩狀態同時有略微下降，朗石五參數便攜儀下降明顯，且數據波動大。實驗表明，在過飽和狀態下，水體攪動或者流動會導致水體中溶解氧加速逸出。

5 結 論

(1)pH與DO可作為預報藻類生長速度的一個指標。pH與DO相關性較好；

(2)藻類的光合作用對pH、DO影響顯著，為同升、同降的趨勢；

(3)在不過飽和狀態，攪動可對水體進行增氧。在溶解氧過飽時，就會發生氧氣逸出，靜置的條件下逸出的速率是很慢的，如果發生擾動可加速這一過程；

(4)不同方法測試溶解氧測試值有一定的偏差(朗石便攜五參數與WTW五參數比較有一定的線性，但是溶解氧濃度越高，偏差越大)。