2001056

/search

TormaticD4

Fagprat

Oppløst oksygen

Hva er oppløst oksygen i vann?

Oppløst oksygen (DO) refererer til mengden molekylært oksygen (O2) som er til stede i en vannforekomst. O2 er avskilt fra vannmolekylet H2O. Det er avgjørende for overlevelsen av vannlevende organismer og er en nøkkelindikator på en vannforekomsts helse. Det spiller også en viktig rolle i evalueringen av industrielle prosesser og vannbehandling.

Hvilke enheter brukes til å måle oppløst oksygen?

Oppløst oksygen måles vanligvis i mg/l (milligram per liter), % (prosent metning) eller PPM (deler per million). mg/l og PPM indikerer konsentrasjon – et kvantitativt mål på mengden DO gitt per volum vann. Prosent metning er et relativt mål på hvor mye oksygen som er til stede sammenlignet med den teoretiske mengden oksygen en vannmasse kan holde ved likevekt.

Hvordan tilføres oppløst oksygen i vann:

Oppløst oksygen kan tas opp av vann på flere måter. Hvis vann kommer i kontakt med luft som har høyere oksygenkonsentrasjon, vil det naturlig absorbere noe av oksygenet. Lufting øker hastigheten oksygen tilføres vannet: Naturlige forhold som fossefall, vind eller steiner i bekker skaper lufting, men denne prosessen kan også kopieres kunstig gjennom hjul, pumper og andre typer lufteutstyr. Kunstig lufting brukes ofte til å kontrollere nivået av oppløst oksygen i anlegg som avløpsvannbehandling og akvakultur.

Oksygen kan også tilføres gjennom fotosyntese. Planter tar opp sollys, CO2 og vann og omdanner disse ressursene til energi, som de igjen lagrer i form av glukose. Under denne prosessen blir H2O til O2. Når planter fotosyntetiserer i vann, frigjør de det molekylære oksygenet til vannet og nivåene av oppløst oksygen øker.

Hvordan reduseres oppløst oksygen i vann:

Oppløst oksygen kan diffundere ut i atmosfæren på samme måte som det tilføres til vann. Hvis konsentrasjonen av oksygen er lavere i luften enn i vannet, vil O2 overføres fra det ene stoffet til det andre.

Nivåene av oppløst oksygen vil synke ettersom planter og andre vannlevende organismer forbruker oksygen. Planter bruker oksygen når de omdanner glukoselagrene til energi, og fisk og andre vannlevende skapninger trenger oksygen for å puste. Dette er grunnen til at konsentrasjonen av oppløst oksygen kan varier i løpet av døgnet. Organismer forbruker alltid oksygen; om natten synker nivåene av oppløst oksygen når plantene slutter å fotosyntetisere og ikke fyller på igjen.

Hva påvirker mengden oppløst oksygen vann?

Atmosfærisk/barometrisk trykk - oppløst oksygen kommer inn i vann fra luften. Når atmosfæretrykket øker, er det større trykk på vannet som har kontakt med atmosfæren, noe som fører til at mer oksygen tas opp.

Temperatur - stigende temperatur kommer av et høyere nivå av kinetisk energi, og virker omvendt i forholdet til nivået av oppløst oksygen. Varmt vann tar til seg mindre oppløst oksygen, og kaldt vann tar til seg mer.

Salinitet/saltholdighet har også et omvendt forhold til oppløst oksygen, selv om effekten er mindre enn temperatur. Høyere saltinnhold øker polariteten til vannet. Dette reduserer metningspunktet til oksygenmolekylene, noe som gjør det vanskeligere for dem å løse seg opp.

Bioaktivitet skaper svingninger i nivået av oppløst oksygen. Når planter fotosyntetiserer, frigjør de oksygen, noe som gjør at konsentrasjonen av oppløst oksygen øker. Men mange organismer – inkludert fisk, planter og bakterier – bruker også oksygen. Hvis hastigheten som disse organismene forbruker oksygen overstiger hastigheten som oksygen tilføres, vil nivået av oppløst oksygen naturligvis synke. Fordi oksygen er en matkilde for bakterier, kan tilstedeværelsen eller fraværet av oppløst oksygen indikere hvilke typer bakterier som kan være til stede i en vannforekomst. Det kan også være til hjelp under utbedring, ettersom bakterier kan tilsettes grunnvann for å konsumere forurensninger. Disse bakteriene trenger oppløst oksygen til å utføre prosessen.

Vannstrøm - lufting øker hastigheten oppløst oksygen tilføres vann. Høyere strømningshastighet vil øke konsentrasjonen av oppløst oksygen i vannet når det følges av turbulens.

Hvorfor måle oppløst oksygen?

Måling av oppløst oksygen gir kritisk informasjon om økosystemets helse og bidrar til å opprettholde optimale forhold for eventuell behandling.

Fisk, bakterier og andre vannlevende organismer trenger oppløst oksygen for å overleve, så miljøforskere overvåker oppløst oksygen for å bestemme en vannforekomsts evne til å ha mangfoldig liv. I akvakultur overvåkes og reguleres oppløst oksygen for å beskytte dyrenes helse. Og fagfolk på grunnvann bruker oppløst oksygen til å evaluere stabiliteten til organiske og uorganiske forurensninger i grunnvannet og vurdere effekten av saneringsløsninger.

Oppløst oksygen er også viktig i avløpsrensing. Overvåking av oppløst oksygen er viktig for å sikre overlevelse av mikrober som bidrar til å bryte ned forurensninger. Sporing av oppløst oksygen bidrar til å forbedre effektiviteten i flere stadier av behandlingsprosessen, inkludert aktivt slam, biologisk fjerning av næring og avløp.

Overflatevann og kyst

DO er en primær indikator på en vannforekomsts evne til å inneholde liv og dermed dens generelle helse. Mengden oksygen som er løst i vann svinger naturlig gjennom dagen, men dramatiske endringer i DO-nivåer er en viktig del av å forstå hvordan vær, forurensning, overløp av kloakksystemer (CSO-er) og andre faktorer påvirker vannkvaliteten i elver, innsjøer, våtmarker og andre miljøer.

Oppløst oksygen er avgjørende for å overvåke og forstå livssyklusen til skadelig algeoppblomstring (HAB). HAB-er skaper ekstreme svingninger i DO i løpet av algenes livssyklus. Etter hvert som HAB-er vokser, kan ikke organismer forbruke like mye oksygen som alger produserer under fotosyntese. Dette fører til at DO-nivåene stiger kraftig og setter det omkringliggende miljøet i fare for overmetning. Men nivåene synker raskt når HAB-er dør. De rikholdige algene er en viktig matkilde for bakterier og andre organismer. Disse livsformene forbruker oksygen, og uten fotosyntese for å fylle opp forsyningen, blir DO utarmet.

Vann med en konsentrasjon av oppløst oksygen under to milligram per liter regnes som hypoksisk, noe som betyr at de ikke inneholder nok DO til å opprettholde liv. Forhold som fører til at DO synker betraktelig, kan skape hypoksi og resultere i storskala død når organismer kveles.

Oppløst oksygen er en nøkkelparameter for drift av akvakultur og transport av akvatiske dyr. Enten det er oppdretts-fisk eller -skalldyr i dammer, resirkulerende akvakultursystemer (RAS) eller åpne merder, må oppdretterne holde DO innenfor et visst område slik at fisk og andre dyrearter kan puste. Utover overlevelse hjelper nøyaktige, kontinuerlige data om oppløst oksygen oppdrettere med å ta bedre beslutninger for å øke utbyttet. Å forutse svingninger i DO gjennom dagen og holde et nøye øye med DO-nivåene hjelper oppdrettere med å optimalisere fôringsplaner, kjøre lufting og oksygenering mer effektivt og beskytte helsen til dyrene for å maksimere avkastning.

Grunnvann

Oppløst oksygen finnes oftere i grunnvann enn man skulle tro. Hvis vann som fyller opp en akvifer først kommer i kontakt med atmosfæren, kan oppløst oksygen komme inn i vannet og forbli der.

Ved grunnvannsprøvetaking er overvåking av DO en måte å bestemme når forholdene har stabilisert seg. Vann i selve brønnen kan ha andre egenskaper enn akviferen som omgir det. Når nivåene av oppløst oksygen slutter å endre seg under en brønnrensing, er det et tegn på at vannprøven er representativ for akviferen.

På samme måte kan oppløst oksygen benyttes i evalueringen av brønnkonstruksjon. Som med en brønnrensing indikerer stabilisert DO at brønnen slipper inn vann fra akviferen og vil fungere som tiltenkt.

Avhengig av forurensningen som er til stede, kan oksygenering av grunnvann være et viktig trinn i utbedringsprosesser. I noen tilfeller innebærer utbedring å tilsette mikrober til grunnvannet for å forbruke forurensninger. Tilsetning av oppløst oksygen er avgjørende for at denne strategien skal fungere. DO mater mikrobene; med tilstrekkelig DO øker mikrobiell aktivitet og antall, og de er i stand til å behandle flere forurensninger.

Avløpsvann

Oppløst oksygen spiller også en avgjørende rolle i avløpsrensing. Mikrober er en viktig del av denne prosessen, ettersom de bryter ned forurensninger i vannet. Renseanlegg bruker luftesystemer for å «aktivere» slammet, og pumper oppløst oksygen inn i det forurensede vannet slik at aerobe bakterier har ressursene de trenger for å vokse og reprodusere seg. Bakteriene bidrar til å forberede vannet til neste trinn i renseprosessen ved å bryte ned organisk materiale og endre den kjemiske sammensetningen av slammet gjennom nitrifikasjon.

Renseanlegg må oppfylle myndighetskrav når de slipper ut behandlet avløpsvann tilbake i miljøet. Disse kravene er til for å sikre at avløpsvannet inneholder et sunt nivå av næringsstoffer og ikke skaper overvekst eller hypoksi hos planter etter utslipp. Prosesser som fjerner næringsstoffer krever også tilstedeværelse av mikrober og bakterier for å kontrollere nivåene av nitrogen, fosfor og andre næringsstoffer, og oppløst oksygen er en viktig faktor for å skape optimale forhold for disse organismene.

Les mer...Vis mindre...

Hvilke metoder brukes til å måle oppløst oksygen?

Det finnes flere metoder for å måle oppløst oksygen. Tradisjonelt involverte bestemmelse av nivåer av oppløst oksygen å ta en vannprøve og sende den til et laboratorium for analyse. To metoder for laboratorieanalyse kan brukes til å evaluere konsentrasjonen av oppløst oksygen i vann: den kolorimetriske metoden og Winkler-titrering.

Kolorimetrisk metode

I den kolorimetriske metoden kombineres et reagens med prøven for å gi løsningen en farge. Den resulterende fargen vil være sterkere hvis løsningen inneholder en høyere konsentrasjon av den valgte parameteren. En bølgelengde for lys velges deretter basert på hva parameteren vil absorbere. Mengden av parameteren som er til stede kan beregnes basert på hvor mye lys som passerer gjennom løsningen.

Winkler-metoden

I Winkler-metoden tilsettes reagenser til en vannprøve for å lage en syreforbindelse. Når løsningen titreres med en nøytral forbindelse, vil den endre farge. Punktet der denne endringen skjer, indikerer konsentrasjonen av oppløst oksygen i prøven.

Elektrokjemiske sensorer

Elektrokjemiske sensorer, også kjent som membranbaserte eller membrandekkede sensorer, finnes i to varianter, polarografiske og galvaniske. Sensorelementet er dekket av en delvis gjennomtrengbar (semipermeabel) membran som lar oppløst oksygen passere gjennom. Det er to elektroder – en katode og en anode – inne i sensoren, omgitt av en elektrolyttløsning. Selv om polarografiske og galvaniske sensorer bruker forskjellige målemetoder, bruker begge de elektriske egenskapene til vann for å bestemme konsentrasjonen av oppløst oksygen.

Alle elektrokjemiske sensorer må sende strøm for å ta en måling, noe som gir dem et høyere strømbehov enn optiske sensorer. De trenger også kontinuerlig strømning over sensorflaten for å lese nøyaktig, fordi de forbruker oksygen under drift. Hvis de står i små, lokale områder, kan dette endre konsentrasjonen av DO eller redusere den nok til at sensoren ikke lenger kan ta avlesninger. For å sikre nøyaktige målinger krever elektrokjemiske sensorer enten lufting eller et røresystem for å sirkulere vann rundt dem.

Optiske sensorer

Optiske sensorer måler luminescensnedbrytning for å bestemme partialtrykket til oksygen og beregne konsentrasjonen av oppløst oksygen. In-Situs RDO-sensorer måler oppløst oksygen gjennom en prosess som kalles "dynamisk luminescensslukking". Sensoren bruker en spesiell RDO-hette med en gasspermeabel sensorfolie. Sensorfolien inneholder "lumifor"-molekyler som fluorescerer når de eksiteres av blått lys. En LED inne i sensoren sender ut blått lys, og sensorfolien sender igjen ut røde fotoner. Hvis oksygen er til stede, slukker oksygenmolekylene denne fluorescensen, slik at færre røde fotoner sendes ut.

Avstanden mellom toppene av den blå emisjonsbølgelengden og den røde referansebølgelengden kalles fasevinkelforskyvningen. Fasevinkelforskyvningen er proporsjonal med partialtrykket til oksygen i væsken eller gassen som omgir sensoren. Siden den måler forsinkelsen av det returnerte signalet, er den dermed basert på fluorescensens "levetid" snarere enn "intensitet". Derfor er DO-konsentrasjonen avledet fra målt luminescenslevetid basert på faseforskyvningen mellom rødt returnert lys fra de eksiterte lumiformolekylene og det røde referanselyset fra den røde LED-en.

Les mer...Vis mindre...

Hvorfor bruke optiske DO-sensorer?

Det er viktig å velge riktig målemetode for nøyaktige resultater. Selv om elektrokjemiske DO-sensorer har en lavere startkostnad, krever optiske sensorer mindre vedlikehold og er mer holdbare totalt sett, noe som gjør dem til en bedre langsiktig investering.

Sensoregenskaper	Elektrokjemisk	Optisk
Krever omrøring, oppvarmingstid, hydrering, kondisjonering og spesiell lagring	Ja	Nei, klar til bruk rett ut av esken
Rekalibrerings- og vedlikeholds-intervall	2–8 uker	Etter behov
Holdbarhet membran	Sårbar for tøffe forhold, hyppig skade	Holdbar, langvarig
Utskiftningsintervall for sensorhette	6 måneder	~ 2 år
Ytelse ved lave DO-konsentrasjoner	Kan være mindre nøyaktig i miljøer med lav DO	Opprettholder høy nøyaktighet ved lave prøvevolumer
Sårbar for sulfider, sulfater, karbondioksid, ammoniakk, pH eller klorid	Avlesninger potensielt påvirket	Upåvirket
Krever vannbevegelse for nøyaktige målinger	Ja	Nei
Forbruker oksygen	Ja	Nei

Hva gjør In-Situs Rugged Dissolved Oxygen (RDO)-teknologi unik?

Godkjent metode

Mange optiske teknologier har ikke blitt uavhengig testet og sertifisert. In-Situs «Rugged Dissolved Oxygen»-teknologi ble utviklet gjennom omfattende laboratorietesting, og metodikken er godkjent av amerikanske EPA.

Tåler slitasje

Mange DO-sensorer slites raskt ned når de rengjøres med børster eller brukes under tøffe forhold. RDO-teknologi bruker et unikt trelagssystem for å beskytte det fluorescerende laget, noe som forlenger levetiden til sensorhetten. Denne konstruksjonen gjør at hetten tåler raske strømningshastigheter, høye sedimentmengder og et bredt spekter av krevende miljøer, og tåler opptil år med kontinuerlig bruk og rengjøring.

Smart sensorhette
Folien som benyttes i til DO-sensorer kan vise en høy grad av variasjon fra batch til batch og krever spesielle kalibreringskoeffisienter. Hver RDO-folie er kalibrert på 90 punkter. Disse koeffisientene lagres i en minnebrikke innebygd i hetten. Det er så enkelt å kalibrere instrumentet på nytt som å trykke på en ny hette – hetten laster automatisk inn fabrikkdataene, og eliminerer behovet for å legge inn koeffisienter manuelt eller koble instrumentet til en datamaskin.

Umiddelbar hydreringsbehandling
RDO-sensorer er klare til bruk rett ut av esken. De krever ikke hydrering og leser nøyaktig innen 90 sekunder etter at de går fra tørt til vått.

Væske- og gass

RDO-teknologi måler nøyaktig i både væske og gass, uten krav til separate kalibreringer eller endring av innstillinger.

Hva er vanlige utfordringer ved overvåking av DO?

Biologisk begroing
Som i all overvåking vil biologisk begroing vokse på sensorene når instrumentene blir liggende ute i felt. Dette kan føre til drifting av målinger og til og med skade sensoren hvis begroingen ikke kontrolleres. Selv om alt utstyr trenger rutinemessig vedlikehold for å fungere som det skal, tilbyr In-Situ aktiv og passiv antigroe for å minimere behovet for vedlikehold i felt. Å montere børste i Aqua TROLL Multiparameter-sondene bidrar til å holde sensorflatene fri for biologisk vekst, mens anti-groe-hylsen hindrer vekst av organismer.

Kalibrering
I noen applikasjoner, for eksempel HAB-overvåking, kan nivåene av oppløst oksygen svinge dramatisk – noen ganger fra 10 til 250% på samme dag. Selv om In-Situs DO-sensorer måler med svært lav drift over lange perioder, er det viktig å sjekke kalibreringen oftere når man ser så store endringer i DO-nivåer for å sikre at sensoren tar nøyaktige avlesninger. In-Situs multiparametersonder har en beskyttelseshylse som kan snus og fungerer som en kalibreringskopp for enkel kalibrering i felten. VuSitu-appen veileder deg gjennom ettpunkts- eller topunktskalibreringer.

Diffusjon
I grunnvannsapplikasjoner er det viktig å sikre at prøver som analyseres på overflaten nøyaktig representerer DO-nivå i brønnen. Vann på større dyp påvirkes ikke av atmosfæren, men det er en mulighet for at oksygen kan diffundere i vannet når det bringes opp til overflaten hvis prøvetakingen ikke kontrolleres. For å sikre nøyaktige DO-avlesninger, enten senk en DO-sensor direkte ned i brønnen, eller bruk en strømningscelle for å overvåke DO på overflaten.

Efemeriske strømmer
Noen steder kan ha ekstrem variasjon i strømning dag til dag eller gjennom året. Dette kan gjøre det vanskelig å velge et kontinuerlig overvåkingssted hvis en sensor er avhengig av hydrering og må lagres i vann eller kalibreres på nytt etter tørr lagring. In-Situ-sensorer krever ikke våt lagring og kan lese nøyaktig innen 90 sekunder etter at de går fra tørre til våte forhold, og leverer pålitelige målinger i variable miljøer.