大多數水生生物都需要溶解氧（通常縮寫為 DO）才能生存，但這種氧氣的來源不是水分子 (H 2 O)。DO 是以 O 2形式存在的氣態分子氧，源自大氣或作為光合作用的副產品。一旦溶解在水中，它就可供生物體使用，并且可以在水生環境的許多化學過程中發揮重要作用。除了溶解在水中，這種氧氣與我們呼吸的氧氣沒有什么不同。
 
溶解氧
什么是來源水中溶解氧？
地球大氣層
分子氧可以通過多種方式從地球大氣層進入水體。假設水的氧氣濃度低于其上方的大氣。在那種情況下，分子氧會自然地從空氣中擴散到水中，直到完全被氧氣飽和。當空氣和水中的氧氣濃度相同時，就達到了平衡條件。當水和空氣混合時會發生水曝氣，導致水中溶解氧含量增加。這種情況自然發生在瀑布和急流處，或者當大風條件導致水體表面出現湍流時。 溶氧飽和度
水生生物需要溶解氧才能生存，因此有些水體需要人工曝氣。示例包括池塘中央的槳輪或噴泉、水族箱中氣石的使用，以及將空氣泵入廢水處理廠的曝氣池以維持分解污染物的微生物。曝氣水對于污水處理設施來說可能是一項相當大的開支，但越來越多的城市正在使用溶解氧傳感器來優化曝氣，從而降低能源成本。查看我們關于如何使用在線傳感器控制活性污泥的白皮書以了解更多信息。
 
硝酸鹽水
光合作用
DO 的另一個主要來源是光合作用。水生植物和藻類利用光合作用產生新細胞并修復受損細胞。這個過程需要水、光能和二氧化碳。光合作用的副產品是氣態分子氧，可以溶解在水中。并非所有植物生而平等，因為其中一些植物產生的氧氣比其他植物多。
 
水中溶解氧
植物和藻類在白天進行光合作用時會產生氧氣。他們還消耗它進行呼吸，這是植物將葡萄糖（即光合作用過程中產生的糖）和氧氣轉化為可用細胞能量的過程。1植物和藻類在白天產生的氧氣遠遠多于它們消耗的氧氣。到了晚上，植物和藻類不再產生氧氣，但它們會繼續消耗氧氣。與此同時，魚類等其他生物全天候以穩定的速度消耗氧氣。因此，在一個健康的系統中，氧氣濃度會全天上升，而在夜間呼吸活動消耗氧氣時會下降。溶解氧濃度增加，哪些環境變量會影響溶解氧？水中的溶解氧濃度受溫度、大氣壓力和鹽度的影響。
 
溫度
最重要的變量是溫度，因此必須結合溶解氧對其進行測量。氧氣在水中的溶解度與溫度成反比——隨著溫度升高，溶解氧會降低。因此，假設其他變量保持不變，冬季水體的溶解氧濃度將高于夏季。這同樣適用于夜間——當水體在一夜之間冷卻時，可以溶解更多的氧氣。然而，重要的是要記住光合作用和呼吸作用對白天和夜間溶解氧濃度的影響。
 
水中的氧氣與溫度有關
收集溶解氧數據時應始終測量溫度。隨著溫度升高，氧在水中的溶解度降低。
鹽度
與溫度一樣，氧氣在水中的溶解度與鹽度成反比——隨著鹽度的增加，溶解氧會降低。
 
水中的氧氣與鹽度有關
進行 DO 測量時應考慮鹽度，因為鹽水比淡水含有更少的氧氣。例如，在相同的溫度和大氣壓力下，海水可以容納的氧氣比淡水少 20%。因此，在河口、濕地、沿海地區、水產養殖或鹽度可能變化的任何其他應用中收集溶解氧數據時，測量鹽度至關重要——這是通過電導率傳感器完成的。有關鹽度對 DO 影響的更多信息，請參閱比較溶解氧測量單位部分。
 
大多數現代 DO 儀器，如YSI ProDSS，如果連接了電導率和 DO 傳感器，將提供實時鹽度補償 DO 測量。否則，必須將鹽度輸入儀表才能進行補償。
 
鹽水中的溶解氧測量
測量鹽水中的溶解氧時，YSI 強烈建議使用帶有 DO 和電導率傳感器的儀器。此設置將允許實時鹽度補償。
氣壓
與溫度和鹽度不同，大氣壓力和水中溶解氧水平之間存在直接關系——隨著壓力降低，溶解氧也會降低。
 
水中溶解氧氣壓
大氣壓力是影響溶解氧讀數的另一個變量。在海拔較高的地方，將氧氣從大氣中推入水中的壓力較小。
在較低的海拔，大氣壓力很高，因此有更大的壓力將大氣中的氣態氧推入水中。但在海拔較高的地方，氣壓要低得多。
 
低海拔水中的氧氣
氣壓變化溶氧測試
山峰在這樣的高海拔地區，水（如果沒有凍結！）的溶解氧相對較少，因為水體上方沒有太多大氣將氧氣推入其中。
除海拔高度外，大氣壓力也會因天氣變化而發生變化。快速的壓力下降可能表明風暴即將來臨。大多數現代 DO 儀器都有一個內置氣壓傳感器，可以自動補償 DO 讀數以適應氣壓變化。
 
請參閱比較溶解氧測量單位部分，了解大氣壓力對 DO 讀數的影響。
 
測量溶解氧時使用什么單位？
DO 以許多不同的單位表示，但最常用的單位是 mg/L 或飽和度百分比 (DO%)。單位 mg/L 很簡單，因為它是溶解在一升水中的氣態氧的毫克數。
 
解釋飽和度百分比的最佳起點是大氣層——地球大氣層中大約 21% 是氧氣。另一個考慮因素是海平面的氣壓，相當于 760 毫米汞柱。由氧氣引起的總壓力部分（稱為分壓）等于 160 毫米汞柱（21% * 760 毫米汞柱 = 160 毫米汞柱）。
 
水中溶解氧飽和度
地球大氣中大約 21% 是氧氣，使其成為僅次于氮氣 (78%) 的第二大最豐富的氣體。
如果 DO 傳感器在海平面進行校準，它應該校準到 100% 的飽和百分比，假設水和空氣處于平衡狀態。但是，如果氣壓低于760 mmHg 怎么辦？傳感器將校準到什么？
 
假設由儀表確定的氣壓為 750 mmHg。要確定傳感器將校準到什么，請將 750 mmHg 除以 760 mmHg；這等于 98.68%（750 毫米汞柱 / 760 毫米汞柱 = 98.68%）。在此壓力下，只要水和空氣處于平衡狀態，飽和度就不會大于 98.68%。因此，傳感器將校準到 98.68%。
 
有些人可能希望報告本地 DO，其中校準值為 100%，而不管校準時的大氣壓力如何。100% 校準值反映了該特定位置的校準環境處于 100% 氧氣壓力。一些 YSI 儀器能夠報告本地做。
 
比較溶解氧測量單位
您可以將溶解氧百分比 (DO%) 視為由使用電化學傳感器或光學傳感器的任何儀器直接確定的單位。影響 DO% 的唯一變量是大氣壓力，如下表 1 所示。
 
表 1：不同氣壓下的 DO% 值。
溶氧值
相反，DO mg/L 是由儀器根據 DO%、溫度和鹽度計算得出的。下表 2 展示了不同溫度和鹽度的影響。
 
表 2：不同溫度和鹽度下的 DO mg/L 值。
溶解氧值溫度鹽度
什么是溶解氧過飽和度？
自然環境中的溶解氧百分比值可以達到100%以上，但這怎么可能呢？
 
光合作用可能是過飽和的重要驅動力，因為這個過程會產生純氧。有時它甚至可以占 DO% 值高達 500%！
 
溶解氧測試飽和度
光合作用產生純氧。如果水體中有足夠的光合活性，DO% 值可以達到 100% 以上。
另一個原因是溫度快速變化。雖然水與上方空氣的平衡很少很快，但水體的溫度會迅速變化。因此，假設一旦陽光普照，死水湖的溫度會迅速升高 5 度。水中的溶解氧水平應隨著溫度升高而降低。然而，如果空氣和水之間的平衡不像溫度變化那么快，從技術上講，湖泊將被 DO 過飽和，直到再次建立平衡狀態。過飽和的另一個原因是湍流條件或任何其他可能導致空氣和水混合的因素（例如，氣石、白水急流）。
 
為什么要測量溶解氧？
DO 是最常測量的水質參數之一，但測量它的原因因環境而異環境。
 
為什么要測量地表水和水產養殖中的溶解氧？
溶解氧是水體支持水生生物能力的直接指標——水生生物需要溶解氧才能生存！
 
水中溶解氧含量
魚需要足夠水平的溶解氧才能生存。如果濃度降至 4 mg/L 以下，許多物種將無法生存。
所需的溶解氧水平因物種而異。一般來說，大多數魚類都會在 5-12 mg/L 的范圍內生長和繁衍。然而，如果水平降至 4 mg/L 以下，它們可能會停止進食并變得緊張，可能導致大量魚類死亡。當溶解氧的濃度降低到不能再支持活的水生生物的水平時，就會發生缺氧。
 
查看我們關于池塘水產養殖中溶解氧管理和相關成本的博文，了解更多關于測量溶解氧在魚類養殖和其他形式的水產養殖中的重要性。我們還創建了一個缺氧信息，幫助解釋缺氧是如何在環境中發生的。
 
當存在有害藻華 (HAB)時，會出現溶解氧失衡。在 HAB 的早期和高峰生長階段，由于白天的光合作用，水華附近的溶解氧會顯著增加。產生的氧氣多于藻類或其他生物在白天或晚上消耗的氧氣——這會導致過飽和。
 
水中的氧氣 有害藻類大量繁殖
有害藻華 (HAB) 通常由養分徑流供給。一旦藻華死亡，細菌和其他生物就會消耗藻類，但這需要氧氣。一旦花朵死亡，溶解氧水平就會下降到如此之低，以至于可能導致大魚死亡。
隨著水華消退和死亡，藻類成為細菌和其他耗氧物質的食物。這會導致溶解氧水平急劇下降，導致缺氧。查看我們的博文，HAB | 你需要知道的一切，了解更多！
 
發電廠和工業制造商周圍的熱污染也可能導致大量魚類死亡。雖然這些工廠的流出物通常很干凈，但通常比它進入的地表水溫度高得多。隨著溫度升高，水中的溶解氧含量會降低。因此，突然涌入的溫水會導致大量魚類死亡。
 
溶解氧測量水溫
當熱水被釋放到地表水體中時，溶解氧水平下降。如果 DO 濃度降低太多，可能會導致魚類死亡。這是發電廠和工業設施的一個大問題。
熱污染和有害藻華并不是危害水生生物的唯一事件。道路鹽通常用于冬季結冰的道路。這些鹽從道路上流出并進入地表水體，增加了鹽度。隨著鹽度增加，DO 水平降低。因此，即使氧氣更易溶于冷水，高鹽度也會導致冬季因窒息而導致大量魚類死亡。
 
溶解氧測量鹽度
溶解在地表水體中的道路鹽會對水生生物造成嚴重破壞，因為鹽會導致溶解氧濃度降低。
為什么要測量地下水中的溶解氧？
許多人假設地下水位以下不存在溶解氧，但這是不正確的假設。在水從表面向下滲透之前，水與大氣接觸，氧氣溶解。只要極少或沒有可氧化物質，溶解氧就可以存在于含水層的深處。2個
 
在進行地下水調查時，溶解氧可能是一個有用的測量參數。DO 可以幫助確定吹掃過程中何時達到穩定條件，并可用于評估建井。
 
測量溶解氧還可以幫助確保在收集樣品以分析金屬和揮發性有機化合物時遵循正確的地下水采樣程序。任何人工曝氣都會影響這些化合物的實驗室分析。3個
 
DO 在地下發生的化學反應中起著重要作用。它調節微量金屬的價態并限制微生物對溶解的有機化合物（例如油）的代謝。4個
 
微生物可以降解泄漏到含水層中的石油。像其他生物一樣，微生物需要呼吸（即呼吸）。呼吸需要一個電子受體，并且由于氧氣是最優選的，因此在存在污染的地方，溶解氧會很快耗盡。因此，DO 只能在受污染的地下水羽流之外找到。5個
 
溶解氧地下水測量
溶解氧是微生物在地下有機污染物生物降解過程中使用的首選電子受體。一旦耗盡，厭氧微生物就會使用其他電子受體。5個
一旦溶解氧耗盡，就會使用其他電子受體。氧氣之后，硝酸鹽會被用完，所以硝酸鹽只能在距離羽流較遠的地方找到，就像DO一樣。最后使用的電子受體是二氧化碳（CO 2）。使用CO 2的過程稱為產甲烷作用；這將發生在離污染源最近的地方。其他環境可能會因微生物活動而變得缺氧，例如深水地平線漏油事件污染的開闊水域.
 
為什么要測量廢水中的溶解氧？
在污水處理廠的處理過程中，微生物消耗廢物并將其轉化為無害的最終產品。DO 在此過程中起著關鍵作用，因為這些微生物依靠它來分解廢水污染物，例如有機物或氨。在活性污泥法 (ASP)（最常見的工廠配置）中，空氣被泵入曝氣池，曝氣池中充滿了懸浮在水中的微生物。我們的博客文章廢水或水資源回收？
 
廢水中溶解氧
空氣被泵入曝氣池，以促進微生物對廢水污染物的降解。廢水是離開工廠的處理過的水，必須含有有限量的營養物質，以確保環境中不會發生富營養化。生物營養物去除 (BNR) 過程可用于確保符合營養物排放限制，但這些過程需要處理廠內的受控條件。BNR 的特點是在曝氣區的上游和下游存在未曝氣的厭氧區和缺氧區。混合液循環和污泥回流的安排是為了充分利用活性污泥系統中的有機物。
 
 
如何測量水中的溶解氧
如何測量溶解氧？有幾種不同的方法可以測量水中的溶解氧，以下部分將提供概述。 
 
比色法
色度計，也稱為濾光片光度計，是測量顏色強度的儀器。使用這些儀器時，化學試劑會與樣品混合。如果目標參數存在，溶液就會有顏色，其強度與被測參數的濃度成正比。光通過裝有樣品溶液的試管，然后通過彩色濾光片到達光電探測器。選擇過濾器以便選擇特定波長的光。當溶液是無色時，所有的光都會通過。對于有色樣品，光會被吸收，并且通過樣品的光會按比例減少。有兩種不同的比色法來測定 DO——靛藍胭脂紅和羅達津 D。靛藍胭脂紅與 DO 反應形成藍色絡合物。相反，Rhodazine D 與 DO 反應形成亮粉色復合物。
 
溶解氧測量
根據使用的比色法，溶解氧會導致形成藍色或亮粉色復合物。
溫克勒滴定法
通過溫克勒滴定法測定溶解氧濃度時也使用試劑。在這種方法中，試劑形成一種酸性化合物，然后用中和化合物滴定。此外，與比色法一樣，會產生顏色變化，通過觀察這種顏色變化發生的點來確定 DO 濃度。6個
 
許多標準操作程序 (SOP) 仍然需要溫克勒滴定法，尤其是在確定生物需氧量 (BOD) 的廢水處理實驗室。Winklers 需要重復三次，結果取平均值。
 
溶解氧測量
滴定需要將一系列試劑添加到溶液中以確定 DO 濃度。
電化學傳感器
與通過執行溫克勒滴定法或使用比色計測量溶解氧不同，電化學傳感器（也稱為膜覆蓋溶解氧傳感器）不需要試劑。這些傳感器提供快速測量并具有廣泛的范圍，但是隨著測量過程中氧氣的消耗，水必須不斷地穿過膜。
 
有兩種類型的電化學傳感器——極譜法和電流法。電流電極是后來開發的，但它測量溶解氧的方式與極譜法傳感器相同。任何一種傳感器類型都可以與 儀器一起使用。
 
電化學 DO 傳感器由一個陽極和一個陰極組成，陽極和陰極被透氧膜限制在電解質溶液中。溶解在樣品中的氧分子在陰極被還原（即消耗）之前擴散通過膜。該反應產生從陰極傳播到陽極的電信號，最終到達儀器/儀表。
 
溶解氧傳感器電化學
使用電化學傳感器，溶解氧在陰極被還原之前擴散穿過膜。這會產生一個由儀表接收的信號。
通過膜擴散的氧氣量與膜外的氧氣分壓和濃度成正比。隨著氧氣濃度的變化，通過膜擴散的氧氣也會發生變化，這會導致探頭電流發生變化按比例。
 
極譜法
極譜法傳感器有一個銀陽極和一個金陰極。這些材料需要探頭在使用前預熱或極化——這大約需要 10 分鐘。極譜法傳感器的使用壽命比電流式傳感器長，因為它并非始終開啟（即，并非始終被極化）。
 
極譜法傳感器溶氧儀
極譜法傳感器具有銀陽極和金陰極。這些材料要求儀器打開約 10 分鐘，然后才能收集測量值。
電鍍
原電池傳感器具有鋅陽極和銀陰極。這些材料使傳感器即使在儀表關閉時也能連續極化，因此不需要預熱期。始終開啟有一個缺點——這些傳感器的壽命比極譜法傳感器短。
 
原電池傳感器溶氧儀
原電池傳感器具有鋅陽極和銀陰極。這些傳感器的壽命較短，因為它們總是被極化，類似于汽車電池。
光學傳感器
光學和電化學傳感器有一些相似之處。首先，這些傳感器測量樣品中溶解的氧氣壓力。“原始”讀數表示為 DO%，影響 DO% 的唯一變量是大氣壓力。氣壓越高，更多的氧氣就會被推入水中。重要的是要注意，溶解氧 mg/L 是根據溶解氧、溫度和鹽度計算的。與電化學傳感器一樣，使用光學傳感器時不需要試劑。兩種傳感器類型在進行測量時也直接放置在樣品中。光學溶解氧傳感器有幾個關鍵結構。光學溶解氧傳感器的傳感器帽包含一個擴散層，溶解氧不斷地穿過該擴散層。與電化學傳感器不同，在測量過程中不會消耗氧氣，因此水不需要連續流過傳感器蓋。