Aвтор: Джон А.Харгривз и Крейг С.Такер
Перевод: Альмадждалави А.С.
Концентрации растворенного кислорода (РК) считается самым важным качеством воды. В более широком смысле концентрация растворенного кислорода не важнее других экологических переменных, потому что любой фактор, который находится за пределами диапазона, влияет на рыбу, вызывает стресс или смерть. Это делает концентрацию растворенного кислорода такой важной в рыбоводстве. В течение нескольких часов, или иногда даже минут, РК может переходить от оптимального к летальному (низкому) уровню. Никакой другой важный экологический показатель в рыбоводстве не является таким динамичным.
Динамическая природа растворенного кислорода возникает в результате взаимодействия трех факторов. Во-первых, кислород плохо растворяется в воде, поэтому вода имеет лишь ограниченную способность «держать» кислород. Во-вторых, уровень кислорода, используемый рыбой, планктоном и организмами, живущими в пруду, может быть высоким. В-третьих, кислород очень медленно диффундирует из атмосферы в спокойную воду. Комбинация из этих трех факторов, ограниченная растворимость, быстрое и медленное пополнение, может привести к быстрому изменению концентрации растворенного кислорода.
Уровнем растворенного кислорода можно управлять с помощью аэрации, но времени для принятия корректирующих мер мало. Аэрация позволяет получить быстрый и надежный метод измерения концентрации растворенного кислорода. Есть несколько способов измерения концентрацию растворенного кислорода. Выбор метода, основанный на: 1) числе водоемов или резервуаров для измерения, 2) уровне требуемой точности, и 3) выполнении работ на измерительной технике.
Основанный на тетровании метод «подсчета понижения» справедливо быстро оценивает: есть или нет достаточное количество растворенного кислорода в воде. Метод подсчета понижения является недорогим и уместным, если концентрация растворенного кислорода будет измеряться в нескольких водоемах или резервуарах. Тем не менее, на коммерческих рыбных фермах, где измерения концентрации растворенного кислорода во многих прудах является нормой, кислородомер является неотъемлемой частью оборудования.
Что такое кислородомер? Кислородомер состоит из двух компонентов – первичного датчика (иногда называемого зондом) и вторичного измерительного прибора. Различные типы имеющийся датчиков работают в основном таким образом: датчик реагирует на кислород и пропорционально концентрации кислорода возникает электрический сигнал. Затем сигнал усиливается, преобразуется в концентрационные единицы, и отображается на счетчике. Схема измерителя также компенсирует показания изменений по температуре или солености. Схема может также включать особенности, чтобы помочь в калибровке. Большинство датчиков работают как электрохимическая ячейка с положительным электродом (катодом) и отрицательным электродом (анодом), соединенных «солевым мостиком», состоящим из насыщенного раствора электролита. В большинстве датчиков кислород проходит через мембрану и химически восстанавливается на датчике. химическое восстановление кислорода создает электрический ток, который обрабатывается с помощью электронных компонентов в измерителе и отображаются в цифровом виде как концентрация кислорода.
Ток пропорционален концентрации. Таким образом, кислородомеры не измеряют концентрацию кислорода непосредственно, а измеряют напряжение, которое создается путем химической реакции кислорода с различными компонентами датчика.
Типы датчиков растворенного кислорода. Полярографические датчики или ячейка Кларка используют золото или платину в качестве катода и серебро в качестве анода (рис. 1). Поляризационное напряжение подается на катод, чтобы вызвать снижение кислорода в датчике. Кислород оседает на поверхности катода в соответствии с реакцией:
O2 +2H2O + 4e- 4OH-.
В ответ на производство гидроксильных ионов (OH-) на аноде, и для того, чтобы сохранить заряд баланса электролитов (насыщенный KCl) раствора, ионы хлора вступают в реакцию с серебром на аноде по реакции:
Ago + Cl - AgCl.
Таким образом, ионы хлора в электролите используются в качестве "носителя" электрического потенциала.
Рисунок 1. – Сечение типичного полярографического датчика растворенного кислорода.
Гальванические датчики используют серебро или платину в качестве катода и свинца, железа и цинка в качестве анода. Применение поляризующего напряжения не требуется, поскольку снижение содержания кислорода в присутствии сенсорных материалов является спонтанным. Таким образом, гальванический датчик похож на батарею (топливных элементов), который питается кислородом. Гальванические датчики обычно имеют более быстрый отклик, чем полярографические датчики и стоят дороже.
Волоконно-оптические датчики кислорода состоят из оптического волокна с датчиком, конец которого содержит тонкий слой чувствительного к кислороду флуоресцентного красителя, растворяющегося в чистом кремнии. Оптическое волокно проводит синий свет от светодиода (LED) на датчик. Стимуляция красителя ведет к испусканию флуоресцентного света, который обратно по оптическому волокну отражается на фотоприемнике. Кислород на конце датчика связывается с флуоресцентным красителем, который уменьшает («гасит») интенсивность светового излучения.
Степень тушения непосредственно связана с концентрацией кислорода. Волоконно-оптические датчики очень чувствительны к низким концентрациям кислорода, к освещению, но эта проблема может быть решена путем нанесения на конец датчика кремния, что позволит сократить время ответа на запрос.
Какие кислородомеры лучше?
Много различных кислородомеров являются коммерчески доступными (см. список производителей ниже), и каждая модель имеет уникальную комбинацию функций, что делает его более или менее подходящей для конкретного приложения. Решение о покупке еще более осложняется тем, что хорошие системы дороги прежде всего потому, что во многих датчиках используются драгоценные металлы. Перед покупкой кислородомера проконсультируйтесь со специалистами в этой области, компаниями-поставщиками и производителями, чтоб определить наиболее подходящий. Некоторые из характеристик растворенного кислорода подходят для проведения полевых измерений и включают в себя:
– точность;
– быстрое реагирование;
– простоту калибровки;
– водостойкость;
– крепкую;
– надежную конструкцию;
– автоматическую температурную компенсацию;
– ручную компенсацию солености и атмосферного давления;
– мера измерения от 0 до 200 процентов насыщения;
– легко поменять кабель или датчик;
Другие желательные характеристики включают:
– по крайней мере 25-футовый кабель;
– цифровой жидкокристаллический дисплей, с которого возможно считывание при ярком солнечном свете или в полной темноте;
– цельный узел крышки мембраны;
– хранение измеренных значений в памяти (регистрация данных);
– RS-232 интерфейс личного компьютера;
– функция «удержания» или «автоматического чтения» оповещающая о том, что стабильное считывание окончено;
– зарядное устройство.
Предоставление подробной инструкции о каждом из видов кислородомеров выходит за рамки данной публикации. Внимательно прочтите инструкции, которые приходят с прибором, чтобы понять, как он работает и как правильно его использовать. Помните, что результаты, отображаемые на датчике, не всегда точны. Числа на дисплее правильные только тогда, когда счетчик, датчик и измеритель были надлежащим образом откалиброваны, а измерения сделаны правильно.
Калибровка кислородомеров. Кислородомеры не измеряют концентрацию растворенного кислорода непосредственно, но измеряют электрический ток, пропорциональный концентрации растворенного кислорода. Таким образом, прибор должен быть стандартизированы эталонным значением, которое сравнивает электрический ток с известной концентрацией РК. Наиболее распространенной является условие насыщенности концентрации кислорода в воздухе водяным паром (100 процентов влажности). Есть несколько методов калибровки кислородомеров. Обратитесь к руководству по эксплуатации для получения дополнительных инструкций. Следующие рекомендации описывают калибровки кислородомеров с часто используемыми полярографическими датчиками. Кислородомеры должны быть откалиброваны перед каждым использованием.
(1) Проверьте датчик на наличие пузырьков под пленкой, капель или загрязнений. Пузыри препятствуют надлежащей поверки датчика и вызывают беспорядочное колебание показаний. Перед размещением мембраны на наконечник датчика, слегка коснитесь корпуса датчика, удерживая зонд в вертикальном положении, чтобы вытеснить пузырьки, которые образуются при заполнении корпуса датчика раствором электролита. Замените мембрану, если присутствуют пузырьки (рис.2). Протрите мембрану гладкой тканью, чтобы удалить капли воды с поверхности мембраны.
(2) Установите датчик в бутылку с влажной губкой или бумажным полотенцем на дне. Калибровка должна происходить в среде, в которой окружающий воздух насыщен водяными парами. В противном случае, калибровка будет неточной и измерения количества растворенного кислорода будут ошибочными.
(3) Включите прибор. Если устройство не включается, проверьте состояние батареи.
(4) Обнулите прибор. Установите ноль на дисплее
(5) Поляризовать датчик в режим калибровки прибора. Требуется приблизительно 15 минут, чтобы полностью поглотить кислород в растворе электролита за мембраной и полностью поляризовать датчик. Для наиболее точных измерений, датчик должен быть поляризован и калиброван при температуре как можно ближе к температуре воды пруда, насколько это возможно. Отрегулируйте отображаемое значение растворенного кислорода до 100 процентов насыщения. Если отображаемое значении медленно опускается, значит датчик еще не полностью поляризован. Некоторые кислородомеры должны быть откалиброваны на основе насыщения концентрации растворенного кислорода (в мг/л). Определение концентрации растворенного кислорода при насыщении требует измерения температуры и солености, зная высоту над уровнем моря.
У некоторых кислородометров есть таблицы на обратной стороне прибора или руководство, которые показывают концентрацию насыщения растворенным кислородом в зависимости от температуры и солености.
(6) Включите режим измерения, который используют для считывания концентрации растворенного кислорода.
Измерение растворенного кислорода. Процесс измерения концентрации растворенного кислорода кислородомером прост, хотя и включает в себя чуть больше действий, чем просто поставить датчик в воду и считать результаты на дисплее. Обязательно тщательно прочитайте инструкцию к датчику, так как она может несколько отличаться в зависимости от типа используемого датчика .
Точное измерение концентрации РК с помощью полярографического датчика требует его погружения в воду. Кислород проходит через мембрану, поэтому отсутствие движения датчика создает пониженное содержание кислорода на конце датчика и показывают слишком малые показания. Подвигайте датчиком вверх и вниз, или из стороны в сторону в течение нескольких секунд, чтобы предотвратить эту проблему.
Измеренные значения будут меняться сначала быстро, а затем начнут стабилизироваться, хотя редко измеренные значения в водоемах в полной мере установятся.
Рисунок 2. – Последовательность установки мембраны на полярографический датчик растворенного кислорода.
А – Заполните корпус датчика раствором электролита;
B – Держите мембрану между большим пальцем левой руки и корпусом датчика;
C – Другой рукой растягивайте мембрану вверх и вниз в другую сторону корпуса датчика;
D – Закрепите мембрану датчика на корпусе под указательным пальцем;
E – Оденьте кольцо на сенсорный наконечник; разгладьте морщины, которые возникли, уберите пузырьки под мембраной;
F – Обрежте лишнюю мембрану с датчика.
Количество растворенного кислорода на глубине пруда и на открытых участках водоема очень разные (как правило, ниже вследствие дыхания растительности пруда). Некоторые рыбные фермеры крепят датчик к полу, оставляя примерно от 1 до 2 футов между кабелем и датчиком с целью определения концентрации далеко от берега (рис.3). Другие – привязывают датчик к небольшому поплавку так, чтобы датчик находился под поплавком. Поплавок с датчиком бросают в пруд, а затем медленно считывают полученные со счетчика результаты. Успех такого подхода основан не на точности, но на том факте, что этот метод всегда показывает слишком низкую концентрацию РК. Как правило, концентрация РК большинства водоемов или резервуаров измеряется в течение короткого времени. Если прибор не будет использоваться в течении 1 часа, выключите прибор, чтобы продлить срок службы аккумулятора и датчика. Откалибруйте прибор при следующем использовании. Если необходима большая корректировка при калибровке – это может быть признаком проблем с мембраной или датчиком.
Рисунок 3. – Кабель, соединяющий кислородомер, может быть прикреплен к столбу, чтобы сделать измерения проще.
Отбор проб кислородомером. Когда кислородомер обслуживается надлежащим образом и используется в соответствии с инструкциями производителя, можно сделать очень точные измерения. Тем не менее, одно измерение растворенного кислорода, независимо от того, насколько оно точное, может не иметь практического значения, поскольку оно представляет собой лишь один из множества возможных значений, которые могут меняться с течением времени и в разных местах, даже в хорошо перемешанных, постоянно насыщенных кислородом системах, таких как тэнки или каналы.
Мониторинг растворенного кислорода в прудах. Кислород выделяется в толщу воды в результате процессов фотосинтеза, лучше всего протекающего в дневное время. Ночью идет обратный процесс — выделение углекислоты и потребление кислорода. Поэтому максимальное содержание растворенного в воде кислорода приходится на послеполуденное время, а минимальное — на раннее утро. Наименьшая величина концентрации кислорода вблизи дна, наибольшая — с наветренной стороны водоема.
Измерение растворенного кислорода, производимое в конкретном месте, не отражает окружающих условий и процессов, в результате которых кислород попадает в водоем, а именно – фотосинтез растений, диффузия кислорода с окружающего воздуха, а также процессов удаления кислорода из водоема, а именно – дыхание рыб и организмов, живущих в водоеме и в иловых осадках. Большое значение имеет длительность этих процессов, которая зависит от времени суток и места в водоеме. Чем интенсивнее развивается аквакультура системы, тем больше и чаще возникает необходимость проводить мониторинг качества воды.Все зависит от разнообразия видов рыб или ракообразных, наличия корма для них. Биологическая активность фитопланктона может сильно отличаться от рассвета до заката, что также влияет на концентрацию кислорода в воде.
В спокойные солнечные дни могут присутствовать существенные различия в концентрации растворенного кислорода на поверхность пруда и на глубине, даже в сравнительно неглубоких прудах. Фитопланктон - это водоросли, которые микроскопически малы и парят в толще воды. Существует несколько видов одноклеточных водорослей. Самые известные из них – зеленые и сине-зеленые. При благоприятных температурных условиях вода в пруду мутнеет, «зацветает», что вызывается большим скоплением зеленых водорослей. Но они несут большую пользу обитателям водоема. В первую очередь, принимая участие в фотосинтезе, они выделяют кислород, необходимый как животным, так и растениям. Во-вторых – они являются прекрасным кормом для микроскопических рачков и некоторых видов рыб. Что касается сине-зеленых водорослей, то, по мнению ряда ученых, они выделяют в воду токсичные вещества. Как правило, эти водоросли образуют у берега водоема плавающую черную корку, иногда в воде попадаются слизистые комочки зеленовато-голубого цвета. Из-за выделяемых сине-зелеными водорослями веществ, вода пруда приобретает землянистый запах. Токсины этих водорослей опасны не только для рыб, но и для животных. При их массовом развитии вода из такого водоема может вызвать отравление.
Содержание кислорода в воде увеличивается за счет процессов абсорбирования его поверхностными слоями воды из воздуха, чему способствуют ветровые явления, течение воды, неровности рельефа дна, извилистость русла реки и др. В рыбоводных хозяйствах необходимо регулярно проводить анализ воды водоемов, измерять температуру воды, величину рН, проверку содержания в воде кислорода, сероводорода. В критических случаях, особенно зимой, в период резкого недостатка кислорода, исследования следует делать ежедневно, до установления удовлетворительного кислородного режима. В связи с тем, что достаточно трудно определить содержания кислорода в пруду, замеры концентрации кислорода выполняют несколько раз в одно и то же время и в одних и тех же местах, учитывая направление ветра (с наветренной стороны водоема концентрация выше) и наблюдая постоянно за поведением рыб. Если замеры проводятся последовательно и правильно, то о концентрации кислорода можно будет косвенно судить только по поведению рыб.
К примеру, замеры необходимо делать с южной стороны каждого пруда, или последовательно, с наветренной стороны каждого пруда, для получения минимальных несоответствий условий измерений, вызванных изменениями в направлении ветра, и получения среднего значения концентрациикислорода. В случае измерения концентрации кислорода с помощью приборов, замеры должны проводиться в точке, которая находится, по меньшей мере, в двух футах от берега и на глубине от 12 до 18 дюймов, вдали от аэрационных устройств.
Рисунок 4. – Тенденция концентрации растворенного кислорода в пруду для разведения рыбы в течение нескольких дней помогает прогнозировать потребность в чрезвычайных аэрациях.
Анализ последовательных измерений позволяет фермерам решать проблему недостаточности содержания кислорода в воде путем проведения аэрации, а также помогает определить периодичность и продолжительность насыщения кислородом водоема. Анализ поведения рыб, к примеру, замедленные движения, снижение потребления корма, говорит о снижении концентрации кислорода в воде.
Уход за кислородомерами. Кислородомеры, предназначенные для измерения концентрации кислорода в воде, должны быть выполнены в прочном и влагонепронецаемом корпусе, для избежания попадания влаги внутрь, что может повлиять на увеличение погрешности измерений. Желательно иметь при себе 2 прибора – один рабочий, другой резервный. В случае сбоев в работе прибора необходимо обратиться в сервисную или наладочную организацию. Возможно несколько причин в сбоях прибора и увеличения погрешности измерений, а именно:
- плохое соединение первичного датчика (зонда) и кабеля;
- наличие петли кабеля в непосредственной близости к зонду;
- вмятины или нарушение конфигурации мембраны;
- интенсивное использование прибора, особенно летом;
- снижение заданных параметров концентрации электролита, который необходимо менять ежемесячно.
На рисунке 2 показано, как поменять мембрану на некоторых полярографических датчиках. На практике можно заменить мембрану в течении 2-х минут. Реакции, которые возникают в процессе измерений, могут вызвать изменение покрытий электродов, что влечет за собой необходимость проведения калибровки. В полярографическом датчике, золото на катоде должно быть ярко-желтого цвета и серебряный анод не должным быть тусклым или черного цвета. Катод можно очищать с помощью бумаги Эмори, но серебряный анод может очищать только квалифицированный представитель сервис-центра.
Производители кислородомеров
Кислородомеры можно преобрести у следующих компаний:
1.Cole Parmer Instrument Company
http://www.coleparmer.com
1-800-323-4340
2. Corning
http://www.scienceproducts.corning.com/
1-800-492-1110
3. Danfoss Analytical A/S
http://www.danfoss.com/analytical/
011-45-7488-2222
4. Extech Instruments Corporation
http://www.extech.com/
1-781-890-7440
5. Fisher Scientific
https://www1.fishersci.com
1-800-766-7000
6. Hach Company
http://www.hach.com
1-800-227-4224
7. Hanna Instruments
http://www.hannainst.com
1-877-694-2662
8. LaMotte Company
http://www.lamotte.com
1-800-344-3100
9. Thermo Orion
http://www.thermo.com/eThermo/CDA/BU_Home/BU_Homepage/0,1285,161,00.html
1-800-225-1480
10. Oxyguard International A/S
http://www.oxyguard.dk/
011-45-4582-2094
11. Royce Instrument Corporation
http://www.royceinst.com/
1-800-347-3505
12. YSI Incorporated
http://www.ysi.com
1-800-897-4151
13. WTW Measurement Systems, Inc.
http://www.wtw-inc.com/
1-941-337-7112
Упоминание конкретных производителей не подразумевает одобрения Южного регионального центра аквакультуры.