富營養(yǎng)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(zhì)和生態(tài)狀況最基本的參數(shù)之一，它涉及到水體眾多物理、化學(xué)和生物生態(tài)過程，如大氣復(fù)氧、有機物降解、硝化反應(yīng)、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(guān)重要，當(dāng)水體DO濃度低于2 mg/L的時間超過數(shù)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(chǎn)生危害，如出現(xiàn)氣泡病等[1-2]。因此，在中小型湖泊、水庫等水體，保持恰當(dāng)?shù)腄O濃度范圍對保證水體生態(tài)穩(wěn)定是非常重要的。但是，這類水體常處于富營養(yǎng)狀態(tài)，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(xiàn)過飽和，而夜晚呼吸作用強烈又極易產(chǎn)生缺氧狀況，形成DO在24 h內(nèi)劇烈波動，對水體眾多生態(tài)過程產(chǎn)生顯著影響。

1 實驗?zāi)康?/h2>

地表水水質(zhì)自動監(jiān)測站在溶解氧監(jiān)測過程中，存在取水點溶解氧高，水箱溶解氧測試偏低等現(xiàn)象，經(jīng)過現(xiàn)場曝氣未能解決，為摸清產(chǎn)生此現(xiàn)象原因，特設(shè)計此實驗。

2 實驗背景

2019年5月，在水質(zhì)自動監(jiān)測站現(xiàn)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(jiān)測、水箱測試以及取樣監(jiān)測比對結(jié)果如表1所示。

表1 溶解氧原位、水箱和取樣監(jiān)測結(jié)果比對

初步分析原因為判斷為自吸泵影響(系統(tǒng)集成)，5月15日現(xiàn)場比對便攜式儀表、在線監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測結(jié)果，最高11.75 mg/L，最低9.938 mg/L。查詢現(xiàn)場五參數(shù)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(yīng)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(dǎo)致比對誤差較大。

為了驗證這一疑問，技術(shù)人員于5月15日當(dāng)晚特選擇溶解氧未達(dá)到飽和狀態(tài)下再次進(jìn)行驗證實驗，此次比對結(jié)果均合格；但水箱內(nèi)監(jiān)測結(jié)果略低于原位監(jiān)測結(jié)果。結(jié)果如表2所示。

表2 溶解氧便攜式儀器、在線儀器監(jiān)測結(jié)果比對

3 數(shù)據(jù)分析及討論

3.1 實驗周期內(nèi)pH與DO的相關(guān)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(shù)量、水溫等多種因素的影響。和DO一樣，在富營養(yǎng)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(yīng)該具有一定的相關(guān)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(dǎo)致pH值的變化，并且隨著DO的增大，pH也不斷升高。當(dāng)晚上藻類的光合作用受到限制，光合產(chǎn)氧量開始降低。

3.2 DO在實驗周期內(nèi)的24 h數(shù)據(jù)分析

夏季晴朗日驗證水體不同時刻DO濃度及對應(yīng)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(tài)，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(nèi)，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(tài)，其余時間段處于未飽和狀態(tài)。

圖1 實驗期間溶解氧24 h數(shù)據(jù)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(jiān)測對象，分別監(jiān)測未飽和狀態(tài)下溶解氧以及過飽和狀態(tài)溶解氧進(jìn)行區(qū)域分析水質(zhì)采樣和分析檢測。從上午6:00開始至下午18:00結(jié)束，每30 s檢測現(xiàn)場水質(zhì)指標(biāo)1次，現(xiàn)場水質(zhì)指標(biāo)包括DO、溫度。采用2套德國WTW便攜式五參數(shù)儀表(熒光法)以及1臺朗石便攜式五參數(shù)(覆膜法)同時進(jìn)行測定，一并進(jìn)行橫向比較，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

4.1 校準(zhǔn)前核查

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

表3 設(shè)備無氧水和空氣飽和溶解氧核查

4.2 不飽和狀態(tài)下監(jiān)測

取不飽和狀態(tài)下水樣，同時進(jìn)行攪拌測試和靜置測試[5]，每隔30 s取1個監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(1)德國WTW便攜溶解氧設(shè)備①

圖2 攪動狀態(tài)下不飽和溶解氧數(shù)據(jù)變化趨勢

圖3 靜置狀態(tài)下不飽和溶解氧數(shù)據(jù)變化趨勢

(2)德國WTW便攜溶解氧設(shè)備②

圖4 攪動狀態(tài)下不飽和溶解氧數(shù)據(jù)變化趨勢

圖5 靜置狀態(tài)下不飽和溶解氧數(shù)據(jù)變化趨勢

(3)朗石便攜溶解氧設(shè)備

從三套溶解氧設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)中可看出，不過飽和溶解氧在攪動的狀態(tài)下，每隔30 s進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，溶解氧成上升趨勢，且上升濃度一致。在靜置狀態(tài)下溶解氧基本處于平穩(wěn)狀態(tài)同時有略微下降。實驗表明，水體攪動或者流動會導(dǎo)致空氣中溶解氧溶于水中。

圖6 攪動狀態(tài)下不飽和溶解氧數(shù)據(jù)變化趨勢

圖7 靜置狀態(tài)下不飽和溶解氧數(shù)據(jù)變化趨勢

4.3 過飽和狀態(tài)下溶解氧監(jiān)測

取過飽和狀態(tài)下水樣，同時進(jìn)行攪拌測試和不攪動測試，每隔30 s取1個監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(1)德國WTW便攜溶解氧設(shè)備①

圖8 攪動狀態(tài)下過飽和溶解氧數(shù)據(jù)變化趨勢

圖9 靜置狀態(tài)下過飽和溶解氧數(shù)據(jù)變化趨勢

(2)德國WTW便攜溶解氧設(shè)備②

圖10 攪動狀態(tài)下過飽和溶解氧數(shù)據(jù)變化趨勢

圖11 靜置狀態(tài)下過飽和溶解氧數(shù)據(jù)變化趨勢

(3)朗石便攜溶解氧設(shè)備

圖12 攪動狀態(tài)下過飽和溶解氧數(shù)據(jù)變化趨勢

圖13 靜置狀態(tài)下過飽和溶解氧數(shù)據(jù)變化趨勢

從三套溶解氧設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)中可看出，在過飽和溶解氧在攪動的狀態(tài)下，每隔30 s進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，溶解氧成下降趨勢，且下降趨勢明顯。在靜置狀態(tài)下溶解氧基本處于平穩(wěn)狀態(tài)同時有略微下降，朗石五參數(shù)便攜儀下降明顯，且數(shù)據(jù)波動大。實驗表明，在過飽和狀態(tài)下，水體攪動或者流動會導(dǎo)致水體中溶解氧加速逸出。

5 結(jié) 論

(1)pH與DO可作為預(yù)報藻類生長速度的一個指標(biāo)。pH與DO相關(guān)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(tài)，攪動可對水體進(jìn)行增氧。在溶解氧過飽時，就會發(fā)生氧氣逸出，靜置的條件下逸出的速率是很慢的，如果發(fā)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(shù)與WTW五參數(shù)比較有一定的線性，但是溶解氧濃度越高，偏差越大)。