Tlen w wodzie: tlen rozpuszczony, jego znaczenie i uzdatnianie wody

Tlen rozpuszczony w wodzie

Tlen rozpuszczony (DO) to tlen cząsteczkowy, O₂, obecny w wodzie. Nie jest tym samym co tlen chemicznie związany w cząsteczkach wody (H₂O). Stężenie DO podaje się zwykle w miligramach na litr (mg/L) lub jako procent nasycenia.

Drobne pęcherzyki z dyfuzora napowietrzającego dostarczają tlen do wody w zbiorniku technologicznym; sonda mierzy stężenie tlenu rozpuszczonego. — Napowietrzanie przenosi tlen z powietrza do wody; sonda umożliwia pomiar stężenia tlenu rozpuszczonego.

Od czego zależy rozpuszczalność tlenu?

Stężenie przy nasyceniu to ilość tlenu, jaką woda może zawierać w stanie równowagi z otaczającym powietrzem. Zależy głównie od temperatury wody, zasolenia i ciśnienia atmosferycznego. Zimna woda może zawierać więcej tlenu niż ciepła, a woda słona mniej niż woda słodka w tej samej temperaturze. Na większej wysokości n.p.m. niższe ciśnienie atmosferyczne zmniejsza stężenie przy nasyceniu.

Dla porównania: woda słodka w równowadze z powietrzem przy 25°C i ciśnieniu jednej atmosfery zawiera około 8,3 mg/L tlenu. Jest to wartość nasycenia, a nie przewidywane stężenie dla każdej rzeki, jeziora czy procesu uzdatniania. Rzeczywiste stężenia zależą również od mieszania, aktywności biologicznej i reakcji zużywających tlen. Narzędzie USGS DOTABLES oblicza stężenie przy nasyceniu dla określonych warunków temperatury, ciśnienia i zasolenia.

Wyniki pomiarów można również podawać jako procent nasycenia:

Nasycenie tlenem rozpuszczonym (%) = zmierzone stężenie tlenu rozpuszczonego (mg/L) ÷ stężenie tlenu rozpuszczonego przy nasyceniu (mg/L w tych samych warunkach) × 100

Czy tlen reaguje z wodą?

W zwykłych warunkach środowiskowych tlen gazowy rozpuszcza się w wodzie, ale nie reaguje z samą wodą. Rozpuszczony O₂ może pełnić funkcję akceptora elektronów w reakcjach utleniania. W procesach uzdatniania wody i w wodach naturalnych może utleniać rozpuszczone żelazo dwuwartościowe i mangan, zredukowane związki siarki oraz część materii organicznej. Szybkość reakcji i jej produkty zależą od takich warunków jak pH, temperatura i obecne substancje; wytrącone związki żelaza lub manganu mogą wymagać usunięcia przez filtrację lub sedymentację.

Dlaczego tlen rozpuszczony jest ważny w rzekach i jeziorach

Większość zwierząt wodnych i wiele mikroorganizmów potrzebuje tlenu rozpuszczonego do oddychania. Tlen trafia do wód powierzchniowych z atmosfery oraz w wyniku fotosyntezy. Wiatr, fale i turbulencje sprzyjają wymianie gazowej między powietrzem a wodą. Rośliny i glony mogą w ciągu dnia zwiększać stężenie DO dzięki fotosyntezie, natomiast oddychanie i rozkład zużywają tlen, często obniżając jego stężenie w nocy.

Gdy nadmiar substancji odżywczych pobudza wzrost glonów, rozkład powstałej biomasy może zużywać duże ilości tlenu. Stratyfikacja może również ograniczać dopływ tlenu do głębszych warstw wody. Procesy te mogą powodować hipoksję (bardzo niskie stężenie DO) lub anoksję (niewielką ilość DO lub jego brak), wpływając na organizmy wodne. Więcej informacji zawiera artykuł o eutrofizacji zbiorników wodnych.

Progi stężenia DO nie są uniwersalne: tolerancja zależy od gatunku, stadium rozwoju, temperatury i czasu narażenia. Jako ogólne wartości do wstępnej oceny amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (EPA) podaje, że stężenia poniżej 5 mg/L mogą powodować stres u ryb, a poniżej 3 mg/L mogą być zbyt niskie, by podtrzymać życie ryb. Interpretacja powinna uwzględniać lokalne normy i warunki w danym miejscu.

Tlen w uzdatnianiu wody

Napowietrzanie dostarcza tlen. Napowietrzanie przenosi tlen z powietrza do wody. Stosuje się je do wspomagania tlenowego oczyszczania biologicznego; może też ułatwiać utlenianie żelaza, manganu lub związków zredukowanych. Skuteczność zależy od składu chemicznego wody i zastosowanego sprzętu; samo utlenianie nie usuwa powstałych cząstek. Więcej informacji o napowietrzaniu w uzdatnianiu wody.

Odgazowywanie usuwa rozpuszczone gazy. W kotłach i niektórych instalacjach przemysłowych rozpuszczony tlen może przyczyniać się do korozji. Odgazowywacze zwykle wykorzystują parę i ciepło do usuwania rozpuszczonych gazów; w innych instalacjach można stosować próżnię lub chemiczne środki wiążące tlen, dobrane do danego procesu. Docelowy poziom zależy od konstrukcji urządzeń i warunków pracy. Zobacz poradnik Departamentu Energii USA dotyczący odgazowywaczy w przemysłowych instalacjach parowych.

Pomiar tlenu rozpuszczonego i zapotrzebowania na tlen

Stężenie DO mierzy się skalibrowaną sondą lub laboratoryjną metodą miareczkową. Wraz z wynikiem pomiaru DO należy zapisać temperaturę, a tam, gdzie ma to znaczenie, także zasolenie i ciśnienie barometryczne; dane te są potrzebne do interpretacji procentu nasycenia. Wyniki pomiarów mogą się różnić w zależności od głębokości i pory dnia, dlatego warunki pobierania próbek są istotne.

Biochemiczne zapotrzebowanie na tlen (BOD) różni się od bezpośredniego pomiaru DO: pozwala oszacować ilość tlenu zużywaną podczas określonego badania, gdy mikroorganizmy rozkładają substancje zawarte w próbce. W powszechnie stosowanym badaniu BOD₅ próbkę inkubuje się przez pięć dni w temperaturze 20°C. BOD wskazuje zapotrzebowanie na tlen; nie jest bezpośrednią miarą masy ani toksyczności zanieczyszczeń.