CDOM 傳感器：在水質(zhì)監(jiān)測中的作用

CDOM 傳感器：在水質(zhì)監(jiān)測中的作用

水質(zhì)監(jiān)測對于維持健康的水生生態(tài)系統(tǒng)和確保飲用水安全至關(guān)重要。水體中的一項(xiàng)關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)是有色溶解性有機(jī)物（Colored Dissolved Organic Matter，簡稱CDOM）。本文探討了CDOM是什么、它如何影響水質(zhì)以及監(jiān)測方法，特別是使用傳感器進(jìn)行監(jiān)測。

水中的CDOM

有色溶解性有機(jī)物（CDOM）也稱為生色溶解性有機(jī)物，是一種復(fù)雜的有機(jī)分子混合物。它主要由腐殖質(zhì)和富里酸組成，這些物質(zhì)來源于腐爛的碎屑和有機(jī)物。這些有機(jī)物質(zhì)從自然有機(jī)物和腐爛的植被中滲出，通過各種途徑進(jìn)入水生生態(tài)系統(tǒng)。CDOM在碳循環(huán)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，因?yàn)樗紦?jù)了水體環(huán)境中溶解性有機(jī)碳（Dissolved Organic Carbon，簡稱DOC）庫的很大一部分。此外，它還會(huì)影響水的透明度、光吸收，并且是評估水質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)。

CDOM對水質(zhì)的影響

雖然CDOM本身并不具有毒性，但如果含量過高，會(huì)對水質(zhì)產(chǎn)生不利影響。CDOM的影響主要包括以下幾點(diǎn)：

· 水體透明度和光吸收：高濃度的CDOM會(huì)降低陽光的穿透能力，影響水生植物的生長，同時(shí)也會(huì)破壞光合作用。它通過吸收短波長的光（尤其是藍(lán)光到紫外光范圍），使水呈現(xiàn)出黃色或棕色。這種吸收作用減少了光的穿透，進(jìn)而影響光合作用和整體水質(zhì)。

· 營養(yǎng)物質(zhì)的有效性：CDOM可以與營養(yǎng)物質(zhì)以及微量金屬結(jié)合，影響它們對水生生物的生物有效性。這可能會(huì)對營養(yǎng)循環(huán)以及整個(gè)水生生態(tài)系統(tǒng)的健康產(chǎn)生影響。

· 消毒副產(chǎn)物的形成：在水處理過程中，CDOM會(huì)與消毒劑（如氯）發(fā)生反應(yīng)，形成消毒副產(chǎn)物（Disinfection Byproducts，簡稱DBPs），如三鹵甲烷（Trihalomethanes，簡稱THMs）和鹵代乙酸（Haloacetic Acids，簡稱HAAs）。這些消毒副產(chǎn)物具有致癌性，對人類健康構(gòu)成威脅，因此，去除CDOM是水處理中的關(guān)鍵步驟。

· 有機(jī)污染的指示劑：CDOM含量升高可能表明存在污水污染、農(nóng)業(yè)徑流或工業(yè)排放。

環(huán)境中CDOM的來源

CDOM通過自然過程和人類活動(dòng)進(jìn)入水體。

· 自然來源：

o 腐爛的植被：樹葉、樹枝和植物材料會(huì)將溶解性有機(jī)物釋放到湖泊、河流以及濕地中。

o 土壤徑流：雨水會(huì)從土壤中淋溶出有機(jī)化合物，從而增加附近水體中的CDOM含量。

o 微生物活動(dòng)：細(xì)菌和真菌分解有機(jī)物，將溶解性有機(jī)化合物釋放到水道中。

· 人為來源：

o 農(nóng)業(yè)徑流：化肥、農(nóng)藥和有機(jī)廢物會(huì)增加水道中的CDOM含量。

o 廢水排放：市政和工業(yè)廢水的排放會(huì)引入有機(jī)污染物。

o 城市雨水徑流：來自道路和開發(fā)區(qū)域的徑流會(huì)將有機(jī)物質(zhì)帶入河流和湖泊。

為什么需要監(jiān)測CDOM？

由于CDOM對環(huán)境具有顯著的影響以及其指示性特征，監(jiān)測CDOM水平至關(guān)重要。如前文所述，它在水生生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)物質(zhì)的有效性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，并且可以作為污染的指示劑。CDOM監(jiān)測的一些常見應(yīng)用包括：

· 飲用水處理：CDOM會(huì)干擾消毒過程，并在飲用水處理過程中導(dǎo)致有害副產(chǎn)物的形成。它會(huì)與消毒劑（如氯）發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物（DBPs），如三鹵甲烷（THMs）和鹵代乙酸（HAAs）。這些副產(chǎn)物具有致癌性，長期飲用會(huì)導(dǎo)致人類健康問題。

· 污水處理：在污水處理廠中，CDOM傳感器監(jiān)測有助于評估處理過程去除有機(jī)物的效果。因此，企業(yè)能夠確保符合法規(guī)要求，并盡量減少對環(huán)境的影響。

· 生態(tài)系統(tǒng)管理：CDOM影響水體中有機(jī)碳的命運(yùn)，因此監(jiān)測CDOM對于理解氣候變化的影響非常重要。此外，CDOM在自然環(huán)境中容易發(fā)生光化學(xué)降解和微生物分解，從而釋放出二氧化碳和甲烷等溫室氣體，加劇全球變暖。此外，CDOM傳感器監(jiān)測有助于評估土地利用的影響，追蹤污染源以及監(jiān)測恢復(fù)工作的效果。

CDOM監(jiān)測方法

由于CDOM會(huì)隨著季節(jié)變化、土地利用和氣候事件而變化，因此進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測對于跟蹤長期水質(zhì)趨勢至關(guān)重要。以下部分介紹了一些常見的測量方法。

· 分光光度法：分光光度法是一種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室方法，通過測量水樣在不同波長下的光吸收來實(shí)現(xiàn)。CDOM在紫外（UV）和藍(lán)光區(qū)域的光吸收能力很強(qiáng)，尤其是在250–450納米波長范圍內(nèi)。通過測量這些波長下的光吸收，研究人員可以估算CDOM的濃度。分光光度法通常在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中使用離散水樣進(jìn)行，因此涉及樣品采集，并且無法實(shí)時(shí)提供結(jié)果。

· 遙感技術(shù)：遙感技術(shù)，如衛(wèi)星圖像和無人機(jī)，可用于估算大面積區(qū)域的CDOM濃度。這種技術(shù)依賴于CDOM與水的顏色之間的關(guān)系，通過測量可見光和近紅外波段的光譜特性來獲取顏色特征和光吸收屬性。然后，利用算法處理光譜數(shù)據(jù)，以估算大面積區(qū)域的CDOM水平。這種方法提供了廣泛的區(qū)域覆蓋，但由于大氣效應(yīng)和其他因素，其準(zhǔn)確性可能受到限制。然而，它非常適合用于歷史趨勢分析，以及檢測CDOM的傳輸和分布模式。

· 原位CDOM傳感器監(jiān)測：原位CDOM傳感器監(jiān)測提供了一種直接實(shí)時(shí)測量CDOM的方法。這些傳感器通常使用光學(xué)方法，如吸收或熒光，來測量CDOM。原位傳感器可以安裝在浮標(biāo)、船只或自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicles，簡稱AUVs）上，以實(shí)現(xiàn)對CDOM的連續(xù)監(jiān)測。許多原位傳感器使用紫外熒光分析來實(shí)時(shí)提供CDOM濃度數(shù)據(jù)，因此非常適合連續(xù)監(jiān)測。與其他方法相比，CDOM傳感器監(jiān)測具有以下優(yōu)勢：

o 實(shí)時(shí)、原位數(shù)據(jù)采集：無需樣品采集即可提供連續(xù)測量。

o 自動(dòng)化和連續(xù)監(jiān)測：減少人工干預(yù)，提高長期數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

o 更高的空間和時(shí)間分辨率：能夠檢測到水質(zhì)的快速變化。

o 改進(jìn)的預(yù)警系統(tǒng)：能夠檢測到由于污染事件導(dǎo)致的CDOM濃度突然上升。

CDOM傳感器監(jiān)測的工作原理

盡管每個(gè)CDOM傳感器制造商可能都有其測量程序，但傳感器通常按照以下方式測量：

· 傳感器使用光學(xué)熒光檢測來實(shí)時(shí)測量CDOM濃度。

· 基于LED的傳感器發(fā)射藍(lán)光激發(fā)光（例如，350–450納米），并在更高波長（例如，450–550納米）處檢測CDOM的熒光。

· 系統(tǒng)將讀數(shù)轉(zhuǎn)換為CDOM濃度（ppb或mg/L）。

AlpHa的CDOM傳感器：推進(jìn)水質(zhì)監(jiān)測

AlpHa的XC-CDOM傳感器是實(shí)時(shí)CDOM測量的解決方案。該傳感器采用申請中的XCite熒光計(jì)技術(shù)，為環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用提供了靈敏度和耐用性。XC-CDOM傳感器的關(guān)鍵特性包括：

· 高靈敏度：檢測限為<0.01 ppb，即使在低濃度下也能確保精確測量。

· 靈活配置：提供獨(dú)立式和探頭/卡盒形式，具有可定制選項(xiàng)，以滿足特定應(yīng)用需求。

· 可調(diào)CDOM范圍：探頭配置的測量范圍為0至650 ppb，而獨(dú)立單元的范圍為0至3000 ppb。

· 快速響應(yīng)時(shí)間：在探頭（T100約3秒）和獨(dú)立式（T100約2秒）配置中均能高效采集數(shù)據(jù)。

· 寬溫度范圍：在0至50攝氏度的溫度范圍內(nèi)有效運(yùn)行，并具有溫度補(bǔ)償功能。

· 高壓耐受性：能夠在高壓環(huán)境中承受壓力，最大壓力等級為200米。

· 耐用材料：提供多種外殼材料選項(xiàng)，包括鈦，確保在惡劣水環(huán)境中的使用壽命和韌性。

· 多種通信選項(xiàng)：支持模擬（0–3伏，帶UART-MODBUS）和數(shù)字（RS-485 MODBUS RTU）通信協(xié)議，提供靈活的連接性。