Zuurstof in water: opgeloste zuurstof, effecten en behandeling

Opgeloste zuurstof in water

Opgeloste zuurstof (DO) is moleculaire zuurstof, O₂, die in water aanwezig is. Dit is niet hetzelfde als de zuurstof die chemisch gebonden is in watermoleculen (H₂O). Opgeloste zuurstof wordt doorgaans uitgedrukt in milligram per liter (mg/L) of als percentage van de verzadiging.

Fijne belletjes uit een beluchtingsdiffusor voegen zuurstof toe aan het water in een behandelingsbekken; een sonde meet de opgeloste zuurstof. — Bij beluchting gaat zuurstof uit de lucht over in het water; met een sonde kan de concentratie opgeloste zuurstof worden gemeten.

Welke factoren bepalen de oplosbaarheid van zuurstof?

De verzadigingsconcentratie is de hoeveelheid zuurstof die water kan bevatten wanneer het in evenwicht is met de omringende lucht. Deze hangt voornamelijk af van de watertemperatuur, het zoutgehalte en de atmosferische druk. Koud water kan meer zuurstof bevatten dan warm water en zout water minder dan zoet water bij dezelfde temperatuur. Op grotere hoogte verlaagt de lagere atmosferische druk de verzadigingsconcentratie.

Ter referentie: zoet water dat bij 25°C en een druk van één atmosfeer in evenwicht is met lucht, bevat ongeveer 8,3 mg/L zuurstof. Dit is een verzadigingswaarde, geen voorspelling voor elke rivier, elk meer of elk behandelingsproces. De werkelijke concentraties hangen ook af van menging, biologische activiteit en reacties die zuurstof verbruiken. De USGS DOTABLES-tool berekent de verzadiging voor opgegeven omstandigheden van temperatuur, druk en zoutgehalte.

Meetresultaten kunnen ook als verzadigingspercentage worden weergegeven:

DO-verzadiging (%) = gemeten DO (mg/L) ÷ DO bij verzadiging (mg/L onder dezelfde omstandigheden) × 100

Reageert zuurstof met water?

Onder normale milieuomstandigheden lost zuurstofgas op in water, maar reageert het niet met het water zelf. Opgeloste O₂ kan bij oxidatiereacties als elektronenacceptor fungeren. Bij waterbehandeling en in natuurlijke wateren kan deze opgelost tweewaardig ijzer en mangaan, gereduceerde zwavelverbindingen en bepaalde organische stoffen oxideren. De reactiesnelheid en reactieproducten hangen af van omstandigheden zoals pH, temperatuur en de aanwezige stoffen; neergeslagen ijzer of mangaan moet mogelijk door filtratie of bezinking worden verwijderd.

Waarom opgeloste zuurstof belangrijk is in rivieren en meren

De meeste waterdieren en veel micro-organismen hebben opgeloste zuurstof nodig voor hun ademhaling. Zuurstof komt in oppervlaktewater terecht via overdracht vanuit de atmosfeer en door fotosynthese. Wind, golven en turbulentie bevorderen de uitwisseling tussen lucht en water. Planten en algen kunnen overdag door fotosynthese de concentratie opgeloste zuurstof verhogen, terwijl ademhaling en afbraak zuurstof verbruiken, waardoor de concentratie 's nachts vaak daalt.

Wanneer een overschot aan voedingsstoffen de algengroei stimuleert, kan de afbraak van de ontstane biomassa grote hoeveelheden zuurstof verbruiken. Gelaagdheid kan ook de aanvulling van zuurstof in dieper water beperken. Deze processen kunnen hypoxie (een zeer lage concentratie opgeloste zuurstof) of anoxie (weinig tot geen opgeloste zuurstof) veroorzaken, met gevolgen voor waterorganismen. Zie eutrofiëring van wateren voor meer achtergrondinformatie.

Drempelwaarden voor opgeloste zuurstof zijn niet universeel: de tolerantie verschilt per soort, levensstadium, temperatuur en blootstellingsduur. Als algemene indicatieve waarden vermeldt de Amerikaanse EPA dat concentraties onder 5 mg/L stress bij vissen kunnen veroorzaken en dat concentraties onder 3 mg/L mogelijk te laag zijn om vissen in leven te houden. Bij de interpretatie moeten lokale normen en locatiespecifieke omstandigheden leidend zijn.

Zuurstof bij waterbehandeling

Beluchting voegt zuurstof toe. Bij beluchting gaat zuurstof uit de lucht over in het water. Dit wordt toegepast ter ondersteuning van aerobe biologische behandeling en kan helpen ijzer, mangaan of gereduceerde verbindingen te oxideren. De werking hangt af van de watersamenstelling en de apparatuur; oxidatie alleen verwijdert de ontstane deeltjes niet. Lees meer over beluchting bij waterbehandeling.

Ontgassing verwijdert opgeloste gassen. In ketelinstallaties en sommige industriële systemen kan opgeloste zuurstof bijdragen aan corrosie. Ontgassers gebruiken doorgaans stoom en warmte om opgeloste gassen te verwijderen; andere systemen kunnen gebruikmaken van vacuüm of voor het proces geselecteerde chemische zuurstofbinders. De streefwaarde hangt af van het ontwerp van de installatie en de bedrijfsomstandigheden. Zie de gids van het Amerikaanse ministerie van Energie over ontgassers in industriële stoomsystemen.

Opgeloste zuurstof en zuurstofverbruik meten

Opgeloste zuurstof wordt gemeten met een gekalibreerde sonde of met een titratiemethode in het laboratorium. Registreer bij het meetresultaat de temperatuur en, waar relevant, het zoutgehalte en de barometrische druk; deze gegevens zijn nodig om het verzadigingspercentage te interpreteren. Meetresultaten kunnen variëren met de diepte en het tijdstip van de dag, dus de bemonsteringsomstandigheden zijn van belang.

Biochemisch zuurstofverbruik (BZV) verschilt van een directe meting van opgeloste zuurstof: het is een schatting van de zuurstof die tijdens een vastgelegde test wordt verbruikt wanneer micro-organismen materiaal in een monster afbreken. Bij een gebruikelijke BZV₅-test wordt het monster vijf dagen bij 20°C geïncubeerd. BZV geeft het zuurstofverbruik aan; het is geen directe maat voor de massa of toxiciteit van verontreinigende stoffen.