CDOM 傳感器：在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的作用

水質(zhì)監(jiān)測(cè)對(duì)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(jiǎn)稱(chēng)CDOM）。本文探討了CDOM是什么、它如何影響水質(zhì)以及監(jiān)測(cè)方法，特別是使用傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

水中的CDOM

有色溶解性有機(jī)物（CDOM）也稱(chēng)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(lái)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(guò)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(jiǎn)稱(chēng)DOC）庫(kù)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(píng)估水質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)。

CDOM對(duì)水質(zhì)的影響

雖然CDOM本身并不具有毒性，但如果含量過(guò)高，會(huì)對(duì)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(yáng)光的穿透能力，影響水生植物的生長(zhǎng)，同時(shí)也會(huì)破壞光合作用。它通過(guò)吸收短波長(zhǎng)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的有效性：CDOM可以與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及微量金屬結(jié)合，影響它們對(duì)水生生物的生物有效性。這可能會(huì)對(duì)營(yíng)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(guò)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(jiǎn)稱(chēng)DBPs），如三鹵甲烷（Trihalomethanes，簡(jiǎn)稱(chēng)THMs）和鹵代乙酸（Haloacetic Acids，簡(jiǎn)稱(chēng)HAAs）。這些消毒副產(chǎn)物具有致癌性，對(duì)人類(lèi)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(lái)源

CDOM通過(guò)自然過(guò)程和人類(lèi)活動(dòng)進(jìn)入水體。

· 自然來(lái)源：

o 腐爛的植被：樹(shù)葉、樹(shù)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(lái)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(lái)自道路和開(kāi)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(cè)CDOM？

由于CDOM對(duì)環(huán)境具有顯著的影響以及其指示性特征，監(jiān)測(cè)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(yíng)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(cè)的一些常見(jiàn)應(yīng)用包括：

· 飲用水處理：CDOM會(huì)干擾消毒過(guò)程，并在飲用水處理過(guò)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(zhǎng)期飲用會(huì)導(dǎo)致人類(lèi)健康問(wèn)題。

· 污水處理：在污水處理廠(chǎng)中，CDOM傳感器監(jiān)測(cè)有助于評(píng)估處理過(guò)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(duì)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(cè)CDOM對(duì)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(cè)有助于評(píng)估土地利用的影響，追蹤污染源以及監(jiān)測(cè)恢復(fù)工作的效果。

CDOM監(jiān)測(cè)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(cè)對(duì)于跟蹤長(zhǎng)期水質(zhì)趨勢(shì)至關(guān)重要。以下部分介紹了一些常見(jiàn)的測(cè)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(guò)測(cè)量水樣在不同波長(zhǎng)下的光吸收來(lái)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(zhǎng)范圍內(nèi)。通過(guò)測(cè)量這些波長(zhǎng)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(wú)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(wú)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(lài)于CDOM與水的顏色之間的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量可見(jiàn)光和近紅外波段的光譜特性來(lái)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(shì)分析，以及檢測(cè)CDOM的傳輸和分布模式。

· 原位CDOM傳感器監(jiān)測(cè)：原位CDOM傳感器監(jiān)測(cè)提供了一種直接實(shí)時(shí)測(cè)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(lái)測(cè)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(jiǎn)稱(chēng)AUVs）上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)CDOM的連續(xù)監(jiān)測(cè)。許多原位傳感器使用紫外熒光分析來(lái)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(cè)。與其他方法相比，CDOM傳感器監(jiān)測(cè)具有以下優(yōu)勢(shì)：

o 實(shí)時(shí)、原位數(shù)據(jù)采集：無(wú)需樣品采集即可提供連續(xù)測(cè)量。

o 自動(dòng)化和連續(xù)監(jiān)測(cè)：減少人工干預(yù)，提高長(zhǎng)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(cè)到水質(zhì)的快速變化。

o 改進(jìn)的預(yù)警系統(tǒng)：能夠檢測(cè)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(cè)的工作原理

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

· 傳感器使用光學(xué)熒光檢測(cè)來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)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(zhǎng)（例如，450–550納米）處檢測(cè)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(cè)

AlpHa的XC-CDOM傳感器是實(shí)時(shí)CDOM測(cè)量的解決方案。該傳感器采用申請(qǐng)中的XCite熒光計(jì)技術(shù)，為環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)限為<0.01 ppb，即使在低濃度下也能確保精確測(cè)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(mǎn)足特定應(yīng)用需求。

· 可調(diào)CDOM范圍：探頭配置的測(cè)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(jí)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。