CDOM 傳感器：在水質監測中的作用

水質監測對于維持健康的水生生態系統和確保飲用水安全至關重要。水體中的一項關鍵水質參數是有色溶解性有機物（Colored Dissolved Organic Matter，簡稱CDOM）。本文探討了CDOM是什么、它如何影響水質以及監測方法，特別是使用傳感器進行監測。

水中的CDOM

有色溶解性有機物（CDOM）也稱為生色溶解性有機物，是一種復雜的有機分子混合物。它主要由腐殖質和富里酸組成，這些物質來源于腐爛的碎屑和有機物。這些有機物質從自然有機物和腐爛的植被中滲出，通過各種途徑進入水生生態系統。CDOM在碳循環中發揮著關鍵作用，因為它占據了水體環境中溶解性有機碳（Dissolved Organic Carbon，簡稱DOC）庫的很大一部分。此外，它還會影響水的透明度、光吸收，并且是評估水質的關鍵參數。

CDOM對水質的影響

雖然CDOM本身并不具有毒性，但如果含量過高，會對水質產生不利影響。CDOM的影響主要包括以下幾點：

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

· 營養物質的有效性：CDOM可以與營養物質以及微量金屬結合，影響它們對水生生物的生物有效性。這可能會對營養循環以及整個水生生態系統的健康產生影響。

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

· 有機污染的指示劑：CDOM含量升高可能表明存在污水污染、農業徑流或工業排放。

環境中CDOM的來源

CDOM通過自然過程和人類活動進入水體。

· 自然來源：

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

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

o 微生物活動：細菌和真菌分解有機物，將溶解性有機化合物釋放到水道中。

· 人為來源：

o 農業徑流：化肥、農藥和有機廢物會增加水道中的CDOM含量。

o 廢水排放：市政和工業廢水的排放會引入有機污染物。

o 城市雨水徑流：來自道路和開發區域的徑流會將有機物質帶入河流和湖泊。

為什么需要監測CDOM？

由于CDOM對環境具有顯著的影響以及其指示性特征，監測CDOM水平至關重要。如前文所述，它在水生生態系統中營養物質的有效性方面發揮著關鍵作用，并且可以作為污染的指示劑。CDOM監測的一些常見應用包括：

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

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

· 生態系統管理：CDOM影響水體中有機碳的命運，因此監測CDOM對于理解氣候變化的影響非常重要。此外，CDOM在自然環境中容易發生光化學降解和微生物分解，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傳感器監測有助于評估土地利用的影響，追蹤污染源以及監測恢復工作的效果。

CDOM監測方法

由于CDOM會隨著季節變化、土地利用和氣候事件而變化，因此進行連續監測對于跟蹤長期水質趨勢至關重要。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的實驗室方法，通過測量水樣在不同波長下的光吸收來實現。CDOM在紫外（UV）和藍光區域的光吸收能力很強，尤其是在250–450納米波長范圍內。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驗室環境中使用離散水樣進行，因此涉及樣品采集，并且無法實時提供結果。

· 遙感技術：遙感技術，如衛星圖像和無人機，可用于估算大面積區域的CDOM濃度。這種技術依賴于CDOM與水的顏色之間的關系，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據，以估算大面積區域的CDOM水平。這種方法提供了廣泛的區域覆蓋，但由于大氣效應和其他因素，其準確性可能受到限制。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傳感器監測：原位CDOM傳感器監測提供了一種直接實時測量CDOM的方法。這些傳感器通常使用光學方法，如吸收或熒光，來測量CDOM。原位傳感器可以安裝在浮標、船只或自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicles，簡稱AUVs）上，以實現對CDOM的連續監測。許多原位傳感器使用紫外熒光分析來實時提供CDOM濃度數據，因此非常適合連續監測。與其他方法相比，CDOM傳感器監測具有以下優勢：

o 實時、原位數據采集：無需樣品采集即可提供連續測量。

o 自動化和連續監測：減少人工干預，提高長期數據的準確性。

o 更高的空間和時間分辨率：能夠檢測到水質的快速變化。

o 改進的預警系統：能夠檢測到由于污染事件導致的CDOM濃度突然上升。

CDOM傳感器監測的工作原理

盡管每個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：

· 傳感器使用光學熒光檢測來實時測量CDOM濃度。

· 基于LED的傳感器發射藍光激發光（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。

· 系統將讀數轉換為CDOM濃度（ppb或mg/L）。

AlpHa的CDOM傳感器：推進水質監測

AlpHa的XC-CDOM傳感器是實時CDOM測量的解決方案。該傳感器采用申請中的XCite熒光計技術，為環境監測應用提供了靈敏度和耐用性。XC-CDOM傳感器的關鍵特性包括：

· 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：提供獨立式和探頭/卡盒形式，具有可定制選項，以滿足特定應用需求。

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

· 快速響應時間：在探頭（T100約3秒）和獨立式（T100約2秒）配置中均能高效采集數據。

· 寬溫度范圍：在0至50攝氏度的溫度范圍內有效運行，并具有溫度補償功能。

· 高壓耐受性：能夠在高壓環境中承受壓力，最大壓力等級為200米。

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

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