CDOM 传感器：在水质监测中的作用

CDOM 传感器：在水质监测中的作用

水质监测对于维持健康的水生生态系统和确保饮用水安全至关重要。水体中的一项关键水质参数是有色溶解性有机物（Colored Dissolved Organic Matter，简称CDOM）。本文探讨了CDOM是什么、它如何影响水质以及监测方法，特别是使用传感器进行监测。

水中的CDOM

有色溶解性有机物（CDOM）也称为生色溶解性有机物，是一种复杂的有机分子混合物。它主要由腐殖质和富里酸组成，这些物质来源于腐烂的碎屑和有机物。这些有机物质从自然有机物和腐烂的植被中渗出，通过各种途径进入水生生态系统。CDOM在碳循环中发挥着关键作用，因为它占据了水体环境中溶解性有机碳（Dissolved Organic Carbon，简称DOC）库的很大一部分。此外，它还会影响水的透明度、光吸收，并且是评估水质的关键参数。

CDOM对水质的影响

虽然CDOM本身并不具有毒性，但如果含量过高，会对水质产生不利影响。CDOM的影响主要包括以下几点：

· 水体透明度和光吸收：高浓度的CDOM会降低阳光的穿透能力，影响水生植物的生长，同时也会破坏光合作用。它通过吸收短波长的光（尤其是蓝光到紫外光范围），使水呈现出黄色或棕色。这种吸收作用减少了光的穿透，进而影响光合作用和整体水质。

· 营养物质的有效性：CDOM可以与营养物质以及微量金属结合，影响它们对水生生物的生物有效性。这可能会对营养循环以及整个水生生态系统的健康产生影响。

· 消毒副产物的形成：在水处理过程中，CDOM会与消毒剂（如氯）发生反应，形成消毒副产物（Disinfection Byproducts，简称DBPs），如三卤甲烷（Trihalomethanes，简称THMs）和卤代乙酸（Haloacetic Acids，简称HAAs）。这些消毒副产物具有致癌性，对人类健康构成威胁，因此，去除CDOM是水处理中的关键步骤。

· 有机污染的指示剂：CDOM含量升高可能表明存在污水污染、农业径流或工业排放。

环境中CDOM的来源

CDOM通过自然过程和人类活动进入水体。

· 自然来源：

o 腐烂的植被：树叶、树枝和植物材料会将溶解性有机物释放到湖泊、河流以及湿地中。

o 土壤径流：雨水会从土壤中淋溶出有机化合物，从而增加附近水体中的CDOM含量。

o 微生物活动：细菌和真菌分解有机物，将溶解性有机化合物释放到水道中。

· 人为来源：

o 农业径流：化肥、农药和有机废物会增加水道中的CDOM含量。

o 废水排放：市政和工业废水的排放会引入有机污染物。

o 城市雨水径流：来自道路和开发区域的径流会将有机物质带入河流和湖泊。

为什么需要监测CDOM？

由于CDOM对环境具有显著的影响以及其指示性特征，监测CDOM水平至关重要。如前文所述，它在水生生态系统中营养物质的有效性方面发挥着关键作用，并且可以作为污染的指示剂。CDOM监测的一些常见应用包括：

· 饮用水处理：CDOM会干扰消毒过程，并在饮用水处理过程中导致有害副产物的形成。它会与消毒剂（如氯）发生反应，从而产生消毒副产物（DBPs），如三卤甲烷（THMs）和卤代乙酸（HAAs）。这些副产物具有致癌性，长期饮用会导致人类健康问题。

· 污水处理：在污水处理厂中，CDOM传感器监测有助于评估处理过程去除有机物的效果。因此，企业能够确保符合法规要求，并尽量减少对环境的影响。

· 生态系统管理：CDOM影响水体中有机碳的命运，因此监测CDOM对于理解气候变化的影响非常重要。此外，CDOM在自然环境中容易发生光化学降解和微生物分解，从而释放出二氧化碳和甲烷等温室气体，加剧全球变暖。此外，CDOM传感器监测有助于评估土地利用的影响，追踪污染源以及监测恢复工作的效果。

CDOM监测方法

由于CDOM会随着季节变化、土地利用和气候事件而变化，因此进行连续监测对于跟踪长期水质趋势至关重要。以下部分介绍了一些常见的测量方法。

· 分光光度法：分光光度法是一种传统的实验室方法，通过测量水样在不同波长下的光吸收来实现。CDOM在紫外（UV）和蓝光区域的光吸收能力很强，尤其是在250–450纳米波长范围内。通过测量这些波长下的光吸收，研究人员可以估算CDOM的浓度。分光光度法通常在实验室环境中使用离散水样进行，因此涉及样品采集，并且无法实时提供结果。

· 遥感技术：遥感技术，如卫星图像和无人机，可用于估算大面积区域的CDOM浓度。这种技术依赖于CDOM与水的颜色之间的关系，通过测量可见光和近红外波段的光谱特性来获取颜色特征和光吸收属性。然后，利用算法处理光谱数据，以估算大面积区域的CDOM水平。这种方法提供了广泛的区域覆盖，但由于大气效应和其他因素，其准确性可能受到限制。然而，它非常适合用于历史趋势分析，以及检测CDOM的传输和分布模式。

· 原位CDOM传感器监测：原位CDOM传感器监测提供了一种直接实时测量CDOM的方法。这些传感器通常使用光学方法，如吸收或荧光，来测量CDOM。原位传感器可以安装在浮标、船只或自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicles，简称AUVs）上，以实现对CDOM的连续监测。许多原位传感器使用紫外荧光分析来实时提供CDOM浓度数据，因此非常适合连续监测。与其他方法相比，CDOM传感器监测具有以下优势：

o 实时、原位数据采集：无需样品采集即可提供连续测量。

o 自动化和连续监测：减少人工干预，提高长期数据的准确性。

o 更高的空间和时间分辨率：能够检测到水质的快速变化。

o 改进的预警系统：能够检测到由于污染事件导致的CDOM浓度突然上升。

CDOM传感器监测的工作原理

尽管每个CDOM传感器制造商可能都有其测量程序，但传感器通常按照以下方式测量：

· 传感器使用光学荧光检测来实时测量CDOM浓度。

· 基于LED的传感器发射蓝光激发光（例如，350–450纳米），并在更高波长（例如，450–550纳米）处检测CDOM的荧光。

· 系统将读数转换为CDOM浓度（ppb或mg/L）。

AlpHa的CDOM传感器：推进水质监测

AlpHa的XC-CDOM传感器是实时CDOM测量的解决方案。该传感器采用申请中的XCite荧光计技术，为环境监测应用提供了灵敏度和耐用性。XC-CDOM传感器的关键特性包括：

· 高灵敏度：检测限为<0.01 ppb，即使在低浓度下也能确保精确测量。

· 灵活配置：提供独立式和探头/卡盒形式，具有可定制选项，以满足特定应用需求。

· 可调CDOM范围：探头配置的测量范围为0至650 ppb，而独立单元的范围为0至3000 ppb。

· 快速响应时间：在探头（T100约3秒）和独立式（T100约2秒）配置中均能高效采集数据。

· 宽温度范围：在0至50摄氏度的温度范围内有效运行，并具有温度补偿功能。

· 高压耐受性：能够在高压环境中承受压力，最大压力等级为200米。

· 耐用材料：提供多种外壳材料选项，包括钛，确保在恶劣水环境中的使用寿命和韧性。

· 多种通信选项：支持模拟（0–3伏，带UART-MODBUS）和数字（RS-485 MODBUS RTU）通信协议，提供灵活的连接性。