２０１４年《河南水利与南水北调》第１４期
水文水资源
ＨＥＮＡＮ
溶解氧在河流水质污染中的作用与分析
□李东俊（周口水文水资源勘测局）
摘要：近年来，河流水污染现象越来越严重，这其中有机污染占的比例很大。有机污染的河流，由于污染物分解耗氧，水中溶解氧
迅速下降，从而导致水质污染恶化，河流水体的自净能力下降，造成水生态系统严重破坏。在河流水质污染中，溶解氧、微生物、污染物三者之间有着密切的关系，通过分析溶解氧、有机物、微生物之间关系，研究分析溶解氧在河流水体自净中所起的作用，建立合适的BOD-DO 水质模型，可以帮助河流水生态系统进行修复，也可以对水质预测、水质规划、地方水污染排放标准的制定和水质预警预报等方面发挥重要作用。
关键词：河流水质污染；溶解氧；河水自净中图分类号：Ｘ５２２
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７３－８８５３（２０１４）１４－０００７－０２
０引言
人类离不开水，自古以来就注意了水体水量的合理开发利用。但是由于现代工业、农业的发展，人口的急剧增长，大量废水使水体遭受污染，水环境被破坏，生态系统失去排入天然水体，
平衡。在水质污染中，有机污染占很有大的比例，主要污染物是氨氮、化学需氧量、五日生化需氧量等。由于大量有机物排入河流，需要大量微生物进行分解，从而消耗河流水体更多的溶解氧，溶解氧降低，水质污染进一步恶化，使得天然河流自净能力减弱，水生态平衡被破坏。从而使污染的河流在相当长时间内不能被自然修复。在这其中，起着关键作用的溶解氧、有机物、微生物之间存在了非常微妙的关系，文章通过研究分析天然河流的复氧和耗氧两个过程，分析溶解氧在河流水体自净中所起的作用。
１天然河流水体中的溶解氧
自然河流水体中溶解的氧，就是指溶解于自然河流水体中的溶解氧。它是以分子形式溶解于水中，通常用ＤＯ来表示。天然河流水体中的溶解氧含量的高低与许多因素有关。随着温度、压力、盐分等变化，天然河流水体中的溶解氧随着温度的升高而降低。相对季节而言，夏季水体中的溶解氧低，冬季水体中的溶解氧高，甚至达到过饱和状态。天然河流水体的盐分越大，溶解氧越小。当地的气压越大，河流水体中的溶解氧越大。溶解氧是天然河流水体污染与否非常重要的一个条件；是天然河流水体是否具有自净能力的一个重要指标；也是河流中水生物生存不可缺少的条件。对于水产养殖业来说，水体溶解氧对水中生物，如鱼类的生存有着至关重要的影响。当溶解氧低于４ｍｇ／Ｌ时，就会引起鱼类窒息死亡，对人类来说，饮用水源地水源水富含溶解氧，表明水质没有受到污染，如果水源水溶解氧过低，说明水
体受有机物及还原性物质的污染。因此天然河流水体中溶解氧的高低，是水体污染程度的重要指标，也是衡量水质的综合指标。
２天然河流水体中溶解氧的采集与检测２．１溶解氧的采集
采集河流水体中的溶解氧有两种方法。第一，用采样器采集溶解氧时。首先用１个惰性材料的软管插入到瓶子的底部，另一端与采样器相连，将采样瓶注满直至溢流出瓶容积的１／３至１／２左右。在消除采样瓶壁上的空气泡之后，慢慢抽出软管，避免剧烈搅动，产生气泡，立即盖上瓶塞。第二，直接用溶解氧瓶采集溶解氧。把溶解氧瓶放在水面下３０ｃｍ的河水、池塘水、湖水或海水，使水样充满广口瓶，立即盖上瓶塞。２．２溶解氧的固定
现场立即加入１ｍＬ硫酸锰溶液和２ｍＬ碱性碘化钾溶液固定采样瓶中的溶解氧。在加硫酸锰和碱性碘化钾溶液时，移液管要插到液面下１０ｍｍ处，慢慢放入溶液同时，轻轻提出移液管。这一过程称为溶解氧的固定。其原理是，在水中加入硫酸锰和碱性碘化钾溶液，生成氢氧化锰沉淀，此时氢氧化锰是不稳定的，又迅速与水中的溶解氧结合生成锰酸锰棕色沉淀。溶解氧固定后送实验室及时检测。２．３溶解氧的检测
检测溶解氧通常采用的方法有：碘量法、膜电极法、便携式溶解氧仪。
碘量法就是固定后的溶解氧，再加入１ｍＬ浓硫酸，盖上瓶塞，上下摇动，直至沉淀物完全溶解，如果沉淀物没有完全溶解，可以再加少量的浓硫酸。然后用硫代硫酸纳溶液滴定，根据硫代硫酸钠溶液消耗的量，计算出水中溶解氧量的含量。采用碘量法
水文水资源
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测定溶解氧时，当河流水体中含有藻类、悬浮物、氧化还原性物质时，必须进行预处理。
膜电极法和便携式溶解氧仪多用于现场快速测定。３天然河流水体的复氧和耗氧分析３．１大气中的氧扩散溶解
天然河流都是流动水体，在流动过程中，河水与大气充分接触，大气中氧分子向水中扩散并溶解于水体中。流动的水体从空气中吸收氧的过程称为大气复氧，空气中的氧溶解到水体中的现象是一种气液之间的对流扩散过程，也是气体的传输过程，这也是天然河流水体中溶解氧的主要源泉，也就是为什么天然河中流动的水体相对于静止的水体不易污染腐败的主要原因。３．２水体植物的光合作用产生氧
水体植物是水生态系统中物质循环和能量转化的中间站，水体植物白天进行光合作用，由二氧化碳和水经过一个由光供给能量的反应而产生碳水化合物和氧气，光合作用产生的溶解氧。这类单细胞植物有机体的生长和死亡对天然河流水体中有限的氧资源起着深远的影响。３．３有机物的氧化分解耗氧
有机物耗氧有两个阶段，第一阶段碳化阶段：好气微生物参与分解有机物，碳化合物氧化生成二氧化碳和水，从而消耗天然水体中的溶解氧。第二阶段为硝化阶段：氮化合物氧化过阶段，在厌气性微生物作用下，有机氮反应过程：ＮＨ＋４→ＮＯ－２→ＮＯ－３，（嗅气）、氨、使水体黑臭。氧化分解的最终产物是甲烷、硫化氢
天然河流中的有机无毒物质，主要有碳氢化合物、蛋白质、脂肪等，这类物质的性质极不稳定，在有氧或缺氧的条件下，都能在微生物的作用下，借助于微生物的新陈代谢功能而被降解为无机物。将被分解氧化，降为水、二氧化碳等稳定的无机物。３．４河流底泥耗氧
河流底泥耗氧是指河流流水体底部的污泥内有机物质的耗氧，一般情况下底泥耗氧量并不大，只占河流总耗氧量的１％左右。
３．５水生植物夜间呼吸耗氧
天然河流水生植物，白天主要进行光合作用供氧，到了夜晚，没有了光的照射，光合作用减弱，水生植物主要进行呼吸作用消耗氧气，将有机物转化为二氧化碳和水。４天然河流水体中氧平衡
天然河流中的氧平衡主要指的是生物的耗氧与大气的复氧平衡关系。当河流中污染物的浓度不超过一定的限度，河流可维持正常的生态平衡。河流水体中的溶解氧对水质及其变化起着决定性作用，通过分析并计算水体中溶解氧的平衡，以了解水体受污染的程度，它是反映有机物污染的重要指标。当有大量有机物排入河流，由于有机物被好气微生物氧化分解，水中溶解氧将急速下降而形成缺氧状态，当水中溶解氧耗尽，有机物又被厌氧微生物分解，发生腐败现象，产生甲烷、硫化氢（嗅气）、氨、使水体黑臭，由此可知，一定数量的溶解氧是天然河流水体自净过程并维持生态平衡的基础。
水体的自净包括两个方面。第一物理作用，河流水体的流动，对污染物扩散和迁移而产生稀释，或因吸附沉降等过程使污
２０１４年《河南水利与南水北调》第１４期
染浓度降低，这部分是物理作用，只能降低污染物浓度，而不能减少物质总量。第二生化作用，主要包括污染物的分解与化合、氧化与还原、水解与聚合等，特别是微生物对河流水体中有机物的氧化分解作用。分解作用是水生生物通过消化作用、呼吸作用及光合作用，将水体中的有机质经复杂的好气分解或嫌气分解，分解成简单的无机分子，使污染降解。在这一过程中，河流水体中的溶解氧与河流自净作用有着密切的关系。５根据河流水体的溶解氧，建立BOD-DO 水质模型
通过研究河流水体的耗氧与复氧过程，如果从两个方面假设推导ＢＯＤ－ＤＯ水质模型：
第一，只考虑河流水体耗氧只是有微生物引起的，微生物分解河流水体中的有机物，从而消耗河流水体中的溶解氧，这部分就是生化需氧量（ＢＯＤ），这部分反应过程符合一级反应动力学。Ｓ＝Ｋ１Ｌ。
第二，河流水中溶解氧（ＤＯ），认为耗氧的原因只是ＢＯＤ反应引起的，ＢＯＤ的反应速度与水中溶解氧的减少率相同。
基于上面项假定，一维稳态河流水质模型ＢＯＤ－ＤＯ方程表达式为：
坠Ｌ＋ｕ坠Ｌ＝－ｋＬ
１
坠Ｏ＋ｕ坠Ｏ＝－ｋＬ＋ｋ（Ｏ－Ｏ）１２Ｓ
水质模型，是将水体受污染的物理、化学、生物等复杂现象与过程以及各影响因素间的相互作用加以简化、模拟，用数学关系式，如代数方程或微分方程来表达，而表达式反映了水污染的本质。水质模型最基本的功能是模拟和预测污染物在水环境中的行为。对污染物的时空分布和危害程度作出定量的分析和判断，从而为评价、预测和控制河流水体污染提供可靠的依据。６结语
有研究表明，控制好河流水体中溶解氧、微生物、有机物三者比例关系，就有保持天然河流的自净能力，当河流受到污染时，在短时间内生态系统可以自行进行修复。当天然河流中溶解氧含量过低时，可以人工向天然河流曝气增氧，增加天然河流的溶解氧，加快微生物对河流水体中污染物的分解，从而降低河流水体的污染。当天然河流水体中微生物过少，由于大量有毒、高酸、高碱的污水排入河流，会导致河流水体中的微生物死亡，这时可以向河流水体投放合适的微生物菌种，加快河流水体中污染物的分解，从而降低污染，使河流恢复自净能力。
收稿日期：２０１４－０４－２５
（责任编辑：刘
青）
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溶解氧在河流水质污染中的作用与分析
□李东俊（周口水文水资源勘测局）
摘要：近年来，河流水污染现象越来越严重，这其中有机污染占的比例很大。有机污染的河流，由于污染物分解耗氧，水中溶解氧
迅速下降，从而导致水质污染恶化，河流水体的自净能力下降，造成水生态系统严重破坏。在河流水质污染中，溶解氧、微生物、污染物三者之间有着密切的关系，通过分析溶解氧、有机物、微生物之间关系，研究分析溶解氧在河流水体自净中所起的作用，建立合适的BOD-DO 水质模型，可以帮助河流水生态系统进行修复，也可以对水质预测、水质规划、地方水污染排放标准的制定和水质预警预报等方面发挥重要作用。
关键词：河流水质污染；溶解氧；河水自净中图分类号：Ｘ５２２
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７３－８８５３（２０１４）１４－０００７－０２
０引言
人类离不开水，自古以来就注意了水体水量的合理开发利用。但是由于现代工业、农业的发展，人口的急剧增长，大量废水使水体遭受污染，水环境被破坏，生态系统失去排入天然水体，
平衡。在水质污染中，有机污染占很有大的比例，主要污染物是氨氮、化学需氧量、五日生化需氧量等。由于大量有机物排入河流，需要大量微生物进行分解，从而消耗河流水体更多的溶解氧，溶解氧降低，水质污染进一步恶化，使得天然河流自净能力减弱，水生态平衡被破坏。从而使污染的河流在相当长时间内不能被自然修复。在这其中，起着关键作用的溶解氧、有机物、微生物之间存在了非常微妙的关系，文章通过研究分析天然河流的复氧和耗氧两个过程，分析溶解氧在河流水体自净中所起的作用。
１天然河流水体中的溶解氧
自然河流水体中溶解的氧，就是指溶解于自然河流水体中的溶解氧。它是以分子形式溶解于水中，通常用ＤＯ来表示。天然河流水体中的溶解氧含量的高低与许多因素有关。随着温度、压力、盐分等变化，天然河流水体中的溶解氧随着温度的升高而降低。相对季节而言，夏季水体中的溶解氧低，冬季水体中的溶解氧高，甚至达到过饱和状态。天然河流水体的盐分越大，溶解氧越小。当地的气压越大，河流水体中的溶解氧越大。溶解氧是天然河流水体污染与否非常重要的一个条件；是天然河流水体是否具有自净能力的一个重要指标；也是河流中水生物生存不可缺少的条件。对于水产养殖业来说，水体溶解氧对水中生物，如鱼类的生存有着至关重要的影响。当溶解氧低于４ｍｇ／Ｌ时，就会引起鱼类窒息死亡，对人类来说，饮用水源地水源水富含溶解氧，表明水质没有受到污染，如果水源水溶解氧过低，说明水
体受有机物及还原性物质的污染。因此天然河流水体中溶解氧的高低，是水体污染程度的重要指标，也是衡量水质的综合指标。
２天然河流水体中溶解氧的采集与检测２．１溶解氧的采集
采集河流水体中的溶解氧有两种方法。第一，用采样器采集溶解氧时。首先用１个惰性材料的软管插入到瓶子的底部，另一端与采样器相连，将采样瓶注满直至溢流出瓶容积的１／３至１／２左右。在消除采样瓶壁上的空气泡之后，慢慢抽出软管，避免剧烈搅动，产生气泡，立即盖上瓶塞。第二，直接用溶解氧瓶采集溶解氧。把溶解氧瓶放在水面下３０ｃｍ的河水、池塘水、湖水或海水，使水样充满广口瓶，立即盖上瓶塞。２．２溶解氧的固定
现场立即加入１ｍＬ硫酸锰溶液和２ｍＬ碱性碘化钾溶液固定采样瓶中的溶解氧。在加硫酸锰和碱性碘化钾溶液时，移液管要插到液面下１０ｍｍ处，慢慢放入溶液同时，轻轻提出移液管。这一过程称为溶解氧的固定。其原理是，在水中加入硫酸锰和碱性碘化钾溶液，生成氢氧化锰沉淀，此时氢氧化锰是不稳定的，又迅速与水中的溶解氧结合生成锰酸锰棕色沉淀。溶解氧固定后送实验室及时检测。２．３溶解氧的检测
检测溶解氧通常采用的方法有：碘量法、膜电极法、便携式溶解氧仪。
碘量法就是固定后的溶解氧，再加入１ｍＬ浓硫酸，盖上瓶塞，上下摇动，直至沉淀物完全溶解，如果沉淀物没有完全溶解，可以再加少量的浓硫酸。然后用硫代硫酸纳溶液滴定，根据硫代硫酸钠溶液消耗的量，计算出水中溶解氧量的含量。采用碘量法
水文水资源
ＨＥＮＡＮ
测定溶解氧时，当河流水体中含有藻类、悬浮物、氧化还原性物质时，必须进行预处理。
膜电极法和便携式溶解氧仪多用于现场快速测定。３天然河流水体的复氧和耗氧分析３．１大气中的氧扩散溶解
天然河流都是流动水体，在流动过程中，河水与大气充分接触，大气中氧分子向水中扩散并溶解于水体中。流动的水体从空气中吸收氧的过程称为大气复氧，空气中的氧溶解到水体中的现象是一种气液之间的对流扩散过程，也是气体的传输过程，这也是天然河流水体中溶解氧的主要源泉，也就是为什么天然河中流动的水体相对于静止的水体不易污染腐败的主要原因。３．２水体植物的光合作用产生氧
水体植物是水生态系统中物质循环和能量转化的中间站，水体植物白天进行光合作用，由二氧化碳和水经过一个由光供给能量的反应而产生碳水化合物和氧气，光合作用产生的溶解氧。这类单细胞植物有机体的生长和死亡对天然河流水体中有限的氧资源起着深远的影响。３．３有机物的氧化分解耗氧
有机物耗氧有两个阶段，第一阶段碳化阶段：好气微生物参与分解有机物，碳化合物氧化生成二氧化碳和水，从而消耗天然水体中的溶解氧。第二阶段为硝化阶段：氮化合物氧化过阶段，在厌气性微生物作用下，有机氮反应过程：ＮＨ＋４→ＮＯ－２→ＮＯ－３，（嗅气）、氨、使水体黑臭。氧化分解的最终产物是甲烷、硫化氢
天然河流中的有机无毒物质，主要有碳氢化合物、蛋白质、脂肪等，这类物质的性质极不稳定，在有氧或缺氧的条件下，都能在微生物的作用下，借助于微生物的新陈代谢功能而被降解为无机物。将被分解氧化，降为水、二氧化碳等稳定的无机物。３．４河流底泥耗氧
河流底泥耗氧是指河流流水体底部的污泥内有机物质的耗氧，一般情况下底泥耗氧量并不大，只占河流总耗氧量的１％左右。
３．５水生植物夜间呼吸耗氧
天然河流水生植物，白天主要进行光合作用供氧，到了夜晚，没有了光的照射，光合作用减弱，水生植物主要进行呼吸作用消耗氧气，将有机物转化为二氧化碳和水。４天然河流水体中氧平衡
天然河流中的氧平衡主要指的是生物的耗氧与大气的复氧平衡关系。当河流中污染物的浓度不超过一定的限度，河流可维持正常的生态平衡。河流水体中的溶解氧对水质及其变化起着决定性作用，通过分析并计算水体中溶解氧的平衡，以了解水体受污染的程度，它是反映有机物污染的重要指标。当有大量有机物排入河流，由于有机物被好气微生物氧化分解，水中溶解氧将急速下降而形成缺氧状态，当水中溶解氧耗尽，有机物又被厌氧微生物分解，发生腐败现象，产生甲烷、硫化氢（嗅气）、氨、使水体黑臭，由此可知，一定数量的溶解氧是天然河流水体自净过程并维持生态平衡的基础。
水体的自净包括两个方面。第一物理作用，河流水体的流动，对污染物扩散和迁移而产生稀释，或因吸附沉降等过程使污
２０１４年《河南水利与南水北调》第１４期
染浓度降低，这部分是物理作用，只能降低污染物浓度，而不能减少物质总量。第二生化作用，主要包括污染物的分解与化合、氧化与还原、水解与聚合等，特别是微生物对河流水体中有机物的氧化分解作用。分解作用是水生生物通过消化作用、呼吸作用及光合作用，将水体中的有机质经复杂的好气分解或嫌气分解，分解成简单的无机分子，使污染降解。在这一过程中，河流水体中的溶解氧与河流自净作用有着密切的关系。５根据河流水体的溶解氧，建立BOD-DO 水质模型
通过研究河流水体的耗氧与复氧过程，如果从两个方面假设推导ＢＯＤ－ＤＯ水质模型：
第一，只考虑河流水体耗氧只是有微生物引起的，微生物分解河流水体中的有机物，从而消耗河流水体中的溶解氧，这部分就是生化需氧量（ＢＯＤ），这部分反应过程符合一级反应动力学。Ｓ＝Ｋ１Ｌ。
第二，河流水中溶解氧（ＤＯ），认为耗氧的原因只是ＢＯＤ反应引起的，ＢＯＤ的反应速度与水中溶解氧的减少率相同。
基于上面项假定，一维稳态河流水质模型ＢＯＤ－ＤＯ方程表达式为：
坠Ｌ＋ｕ坠Ｌ＝－ｋＬ
１
坠Ｏ＋ｕ坠Ｏ＝－ｋＬ＋ｋ（Ｏ－Ｏ）１２Ｓ
水质模型，是将水体受污染的物理、化学、生物等复杂现象与过程以及各影响因素间的相互作用加以简化、模拟，用数学关系式，如代数方程或微分方程来表达，而表达式反映了水污染的本质。水质模型最基本的功能是模拟和预测污染物在水环境中的行为。对污染物的时空分布和危害程度作出定量的分析和判断，从而为评价、预测和控制河流水体污染提供可靠的依据。６结语
有研究表明，控制好河流水体中溶解氧、微生物、有机物三者比例关系，就有保持天然河流的自净能力，当河流受到污染时，在短时间内生态系统可以自行进行修复。当天然河流中溶解氧含量过低时，可以人工向天然河流曝气增氧，增加天然河流的溶解氧，加快微生物对河流水体中污染物的分解，从而降低河流水体的污染。当天然河流水体中微生物过少，由于大量有毒、高酸、高碱的污水排入河流，会导致河流水体中的微生物死亡，这时可以向河流水体投放合适的微生物菌种，加快河流水体中污染物的分解，从而降低污染，使河流恢复自净能力。
收稿日期：２０１４－０４－２５
（责任编辑：刘
青）