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水の曝気とは、自然環境と人工環境の両方において、水の酸素飽和度を高めたり維持したりするプロセスです。曝気技術は、低酸素レベルや藻類の異常繁殖に対処するために、池、湖、貯水池の管理で一般的に使用されています。[ 1 ]
低酸素状態または無酸素状態に陥った水域では、しばしば水の曝気が必要となります。これは、上流での下水排出、農業排水、釣り池への餌の過剰投入などの人間の活動によって引き起こされることが多いです。曝気は、湖、ラグーン、池の底に空気を注入する か、噴水やスプレー装置で水面を攪拌して水面での酸素交換と二酸化炭素、メタン、硫化水素などのガスの放出を促すことによって実現できます。[ 2 ]
溶存酸素（DO）濃度の低下は、水質悪化の大きな原因の一つです。魚類をはじめとするほとんどの水生動物は酸素を必要とするだけでなく、好気性細菌は有機物の分解にも不可欠です。酸素濃度が低下すると、無酸素状態が発生し、水域の生物維持能力が低下する可能性があります。
水に酸素を加える手順はすべて、水の曝気の一種とみなすことができます。水を曝気する方法はたくさんありますが、[ 3 ]これらはすべて 表面曝気と地下曝気の2 つの大きな領域に分類されます。どちらのアプローチにもさまざまな技術とテクノロジーが利用可能です。
自然曝気は、水面下曝気と水面曝気の両方の一種です。水面下の水生植物によって起こります。水生植物は光合成という自然なプロセスを通して水中に酸素を放出し、魚が生きるために必要な酸素と、好気性細菌が余分な栄養素を分解するために必要な酸素を水に供給します。[ 4 ]
風が水面をかき乱すと酸素が水中に送り込まれることがあり、また、流入する小川、滝、あるいは強い洪水によって引き起こされる水の動きによっても自然な曝気が起こることがある。
温帯気候の大きな水域では、秋の水循環によって酸素が豊富な水が酸素の少ない深水層に流入することがある。
低速表面曝気装置は、高効率な生物曝気装置です。これらの装置は、エポキシコーティングで保護された鋼鉄製であることが多く、高トルクを発生させます。水量の混合は優れています。一般的な出力は1～250kWで、効率（SOE）は約2kgO2/kWです。低速曝気装置は、主に水質浄化のための生物プラント曝気に使用されます。直径が大きいほど、SOEと混合効率が高くなります。
噴水は、水を上空に噴き上げる装置で構成されています。通常、これは回転するインペラを駆動するモーターを使用して行われます。インペラは、水面から数フィート上の水を汲み上げ、空中に噴射します。[ 5 ]このプロセスでは、空気と水の接触を利用して酸素を伝達します。水が空中に噴射されると、小さな水滴に分裂します。これらの小さな水滴は、酸素を伝達できる大きな表面積を持っています。戻ってくると、これらの水滴は残りの水と混ざり合い、酸素を生態系に戻します。
噴水は、その美しい外観から、水面曝気を行う人気の方法である。しかし、ほとんどの噴水は、広範囲に酸素を含んだ水を作り出すことができない。[ 5 ] また、噴水に電気を流すことは安全上の危険となる可能性がある。
浮遊式表面曝気装置は噴水と同様の仕組みで動作しますが、同じような美的外観は得られません。水面から 1～2 フィートの深さまで水を汲み上げ、空気と水の接触を利用して酸素を移動させます。水を空中に噴射するのではなく、水面の水を攪拌します。浮遊式表面曝気装置は陸上の電力で駆動します。[ 5 ]表面曝気装置の有効性は狭い範囲に限られ、半径 3 メートルを超える範囲に循環や酸素を供給することはできません。この循環と酸素供給は水柱の最上部に限られ、多くの場合、底部は影響を受けません。低速表面曝気装置はフロートに設置することもできます。
パドルホイール式曝気装置も、空気と水の接触を利用して、大気中の酸素を水域に移動させます。これらは、水産養殖（水生動物の飼育や食用水生植物の栽培）分野で最もよく使用されます。ハブにパドルが取り付けられた構造のこれらの曝気装置は、通常、トラクターの動力取り出し装置（PTO）、ガソリンエンジン、または電気モーターによって駆動されます。これらはフロートに取り付けられる傾向があります。電気によってパドルが回転し、水がかき混ぜられ、空気と水の接触によって酸素が移動します。[ 5 ]水の各部分がかき混ぜられるたびに、空気から酸素を吸収し、水に戻るときに水に酸素を供給します。この点で、パドルホイール式曝気は、浮遊式表面曝気装置と非常によく似た働きをします。
地下曝気は、水底で気泡を放出し、浮力によって上昇させることを目的としている。拡散曝気システムは、気泡を利用して水を曝気すると同時に混合する。気泡の放出による水の置換によって混合作用が生じ、水と気泡の接触によって酸素の移動が起こる。[ 6 ]
地下曝気は、ベンチュリの原理を利用して空気を吸引し、液体中に注入するジェット式曝気装置を用いることで実現できる。
粗気泡曝気は、陸上の空気圧縮機からホースを通して水底に設置された装置に空気を送り込むタイプの水中曝気です。[ 7 ]この装置は、直径 2 mm を超える粗気泡を放出します。 [ 8 ]これらの気泡は水と接触すると酸素を放出し、湖の成層した層の混合にも寄与します。システムから大きな気泡が放出されると、水の乱流置換が発生し、水の混合が起こります。[ 6 ]他の曝気技術と比較すると、粗気泡曝気は酸素の伝達効率が非常に低いです。これは、気泡の直径が大きく、集合表面積が比較的小さいためです。[ 6 ]
微細気泡曝気は、水域に酸素を供給する効率的な方法です。[ 9 ]陸上のコンプレッサーがホースを通して空気を送り込み、そのホースが水中曝気装置に接続されます。装置には複数の拡散器が取り付けられています。これらの拡散器は、ガラス結合シリカ、多孔質セラミックプラスチック、PVC、またはEPDM（エチレンプロピレンジエンモノマー）ゴム製の穴あき膜で作られたディスク、プレート、チューブ、またはホースの形をしています。[ 5 ] 拡散膜を通して送られた空気は水中に放出されます。これらの気泡は微細気泡として知られています。EPAは、微細気泡を直径2mm未満のものと定義しています。[ 8 ]このタイプの曝気は、酸素伝達効率（OTE）が非常に高く、場合によっては15ポンドの酸素/（馬力×時間）（9.1キログラムの酸素/（キロワット×時間））にも達します。[ 5 ]平均的には、拡散式空気曝気では約 2～4 cfm (立方フィート/分) (56.6～113.3 リットル/分) の空気が拡散されますが、1 cfm (28.3 L/分) という低いレベルから 10 cfm (283 L/分) という高いレベルで動作するものもあります。
微細気泡拡散曝気は、気泡の表面積を最大化できるため、気泡体積あたりの酸素を水に多く供給できます。さらに、気泡が小さいほど水面に到達するのに時間がかかるため、表面積が最大化されるだけでなく、各気泡が水中にとどまる時間も長くなり、水に酸素を供給する機会が増えます。一般的に、気泡が小さく、放出点が深いほど、酸素移動速度は高くなります。[ 10 ]
微細気泡曝気の欠点の1つは、セラミック散気装置の膜が目詰まりすることがあり、最適な効率で動作させるためには洗浄する必要があることです。また、粗気泡曝気などの他の曝気技術ほど水柱を混合する能力もありません。[ 5 ]
循環装置は、池や湖の水を攪拌し、水温成層を緩和するために一般的に使用されます。循環された水が水面に達すると、空気と水の界面によって湖水への酸素の供給が促進されます。
天然資源および環境管理者は、湖の熱成層によって引き起こされる問題に長年悩まされてきた。[ 2 ] [ 11 ]魚の大量死は、熱勾配、停滞、および氷の被覆と直接関連している。[ 12 ]プランクトンの過剰な増殖は、湖のレクリエーション利用および湖水の商業利用を制限する可能性がある。[ 13 ]湖の深刻な熱成層により、飲料水の水質も悪影響を受ける可能性がある。[ 14 ] [ 15 ]漁業管理者にとって、湖内の魚の空間分布は、熱成層によって悪影響を受けることが多く、場合によっては、レクリエーション上重要な魚の大量死を間接的に引き起こす可能性がある。[ 12 ]
これらの湖沼管理問題の深刻度を軽減するために一般的に用いられる手段の一つは、曝気によって水温成層を解消または軽減することである。[ 2 ]様々な種類の曝気装置が水温成層を軽減または解消するために用いられてきた。曝気は一定の成果を上げてきたが、万能薬となることはほとんどなかった。[ 11 ]
大雨の際には、ロンドンの下水管から雨水がテムズ川に溢れ出し、溶存酸素濃度が急激に低下し、テムズ川に生息する生物種を脅かします。[ 16 ]酸素供給バージであるMcTay Marine社の専用船舶 2 隻、 Thames BubblerとThames Vitalityは、テムズ川の浄化に向けた継続的な取り組みの一環として、酸素濃度を補充するために使用されています。テムズ川には現在、115 種の魚類と数百種の無脊椎動物、植物、鳥類が生息しています。[ 16 ]
ウェールズのカーディフ湾内の溶存酸素濃度は5 mg/L以上に維持されています 。湾周辺の5か所から圧縮空気が、湾とタフ川およびエリー川の川底に敷設された一連の鋼鉄補強ゴム管を通して送られます。これらは約800個の拡散器に接続されています。時にはこれだけでは不十分な場合があり、港湾局は、タンクに液体酸素を貯蔵したMcTay Marine社製の移動式酸素供給バージを使用します。液体酸素は電気加熱式気化器を通過し、ガスは湾から汲み上げられ、湾に戻される水の流れに注入されます。このバージは24時間で最大5トンの酸素を溶解することができます。[ 17 ]
同様の対策は、米国チェサピーク湾の再生にも提案されている。チェサピーク湾の主な問題は、水を浄化する役割を担うカキなどの濾過摂食生物の不足である。かつて湾のカキの個体数は数百億匹に達し、数日で湾全体の水量を循環していた。しかし、汚染、病気、乱獲により、その個体数はかつてのレベルのほんの一部にまで減少している。かつては数メートル先まで澄んでいた水は、今では濁りと堆積物で覆われ、水辺を歩く人は膝が濡れる前に足元が見えなくなるほどだ。酸素は通常、水中の植物が光合成 によって供給するが、汚染と堆積物によって植物の個体数が減少し、溶存酸素濃度が低下したため、湾の一部は好気性水生生物にとって不適切な環境となっている。共生関係において、植物は水中生物の増殖に必要な酸素を提供し、その見返りとして濾過摂食動物は水をきれいに保ち、植物が十分な日光を得られるほど透明にする。研究者たちは、水質改善に役立つ解決策として、人工的な手段による酸素供給を提案してきた。低酸素状態の水域の曝気は魅力的な解決策のようで、淡水池や小さな湖では何度も成功裏に試みられてきた。しかし、河口ほどの規模の曝気プロジェクトに着手した者はいない。[ 18 ]
ロッククリークにつながる湾の353ヘクタールの部分は、2016年からパイプを使用して曝気されている。このシステムは、主に成層を解消し、74ヘクタールの酸素ゾーンを作ることを目的とした大きな気泡システムとして始まった。2019年には、より多くの酸素を直接供給するために、微細気泡注入器にアップグレードされた。[ 19 ]
多くの水処理プロセスでは、生物学的酸化プロセスを促進するために、さまざまな形態の曝気方法が用いられています。典型的な例としては活性汚泥法があり、これは微細気泡曝気、粗気泡曝気、あるいは機械式曝気コーンを用いて処理槽底部から混合液を吸い上げ、酸素を混合液中に取り込むことで空気中に放出する方式などが用いられます。