深層通気

深層水曝気は深層水曝気とも呼ばれ、深層の自然な成層構造を崩すことなく深層の酸素需要を満たすために大気から酸素を供給することを指します。このプロセスは深層水中の好気性条件の発達を促進し、リン酸塩の溶解を大幅に削減し、堆積物の鉱化を改善します。科学的研究は、深層水中の好気性条件を一年中維持するための技術的な換気対策を実施することで湖の自然なバランスを回復する有効性を裏付けています。^[1]

成層した富栄養湖では、夏季の停滞期に深層水で酸素欠乏が発生します。栄養分の流入が増加すると、これらの湖の栄養段階が上昇します。栄養分は表層の藻類の成長を促進し、その結果、表層から落下する有機廃棄物の増加による酸化分解の増加に合わせて深層域での酸素消費量が増加します。その結果、深層水の嫌気性環境にヘドロが蓄積し、水中のアンモニウム、鉄、マンガン、有毒な硫化水素の濃度が高まります。深層水は生息に適さなくなり、嫌気性状態によって堆積物から深層水へのリン酸塩の溶解が増加します。これらの追加のリン酸塩栄養分の負荷は、次の完全循環後にさらなる合併症を引き起こします。飲料水生産に使用される貯水池やダムの場合、このような水質の悪化は、特に清潔な飲料水を確保するための規制の遵守に関して、大きな課題となります。深層水の曝気を実施することで、この富栄養化プロセスを防ぐことができます。

TIBEAN は TWBA とも呼ばれ、ドイツ語の「 Tiefenwasserbelüftungsanlage 」の頭字語で、「深海曝気システム」と訳されます。

TIBEAN シリーズは、浮遊式または水中式のメカニズムで構成されています。これらのメカニズムは、水が上昇するにつれて空気が混入される上流に配置された 1 つ以上のパイプ、空気が混入された水からガスを除去するための脱ガス室、および通気され脱ガスされた水が下層水に送り返される 1 つ以上の下流パイプで構成されています。脱ガス室には、追加の栄養吸収装置や栄養沈殿装置を組み込むことができます。

プラントの下端では、エジェクターを使用して大気が水中に導入されます。これにより、水と酸素の混合物が上流パイプ内を上向きに推進されます。上流パイプの端に到達すると、混合物は脱ガス室に入り、残留ガスが酸素化水から分離されます。ガスは大気中に放出され、酸素化水は下流パイプを通って流れ続けます。出口は、滑らかな層流と水平方向の流出を深層水層に提供するように設計されています。^{[2] [3]} 技術的な構成中に実行されるフローおよび質量移動の計算により、特定のシステムに最適な設定を決定できます。

システムには次のコンポーネントが含まれます。

• 浮体式タンク
• 上流パイプ（望遠鏡のような形）
• 脱ガス室
• 混合装置
• 吸引フェンス
• カバーフェンス
• 下流パイプ
• 酸素摂取
• エジェクター付き水中ポンプ
• メインバラストタンク

TIBEAN は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ステンレス鋼、アルミニウムマンガン合金などの材料を使用して構築できます。

TIBEAN システムは、幅広い用途に対応できる高い可変性を備えています。酸素入力は 1.5 ～ 60 kg/h で、水深 5 ～ 50 メートルで使用でき、流量は 600 ～ 7500 m ³ /h です。

深海曝気システムの利用は、特定の優先事項に応じてさまざまな目的に役立ちます。これには以下が含まれます。

• 魚類やその他の生物の好気性生息地としての深海域の保全。^{[4] [5]}
• 表層水中の栄養塩濃度の低下^[1]
• 汚泥の蓄積、アンモニウム生成の増加、有毒な硫化水素の生成を防ぐ。^[1]
• 飲料水生産コストの削減^[1]
• 凝固剤を使用した深層水の対象的処理。

深層水曝気は、特に飲料水生産の観点から、大幅なコスト削減と深層水の追加技術的処理を可能にします。^{[1]飲料水は通常、貯水池の}水温躍層の下から供給されるため、深層水の水質を向上させることは飲料水の生産に直接影響します。深層水曝気は、飲料水規制および適用される制限値の遵守に関して、次の効果をもたらします。

飲料水のpHの閾値は 6.5～9.5 です。中性範囲 (pH 6.5～7.5) 外の pH 値は、水の腐食挙動を示すため、重要と見なされます。弱酸性の水 (pH 4～6.5) は、亜鉛メッキされた鉄管、銅管、アスベストセメント管を腐食させる傾向があり^[6] 、このプロセスは酸腐食として知られています。保護されていない鋼管は、亜鉛層の除去を促進するため、通常、低い pH 値での使用には適していません^[7] 。天然の冷水は、重炭酸イオンと炭酸イオンの形で溶解した二酸化炭素、および溶解した塩とガスの平衡濃度により、通常、弱アルカリ性の反応を示します。酸素の存在下でのより高いアルカリ性の pH 値 (pH 9～14) は、酸素腐食につながる可能性があります。飲料水の製造では、酸や酸素による腐食を防ぐために、原水に緩衝液が添加されます。深層曝気のpH安定化効果により、これらの緩衝液の必要性が減り、運用コストが削減されます。^[1]

飲料水中の鉄とマンガンの濃度の閾値は、それぞれ 200 μg/L と 50 μg/L です。鉄とマンガンは飲料水中の必須微量元素ですが、これらの元素の濃度がわずかに高くなると、技術的および衛生的観点から望ましくありません。^[6]低酸素状態では、鉄とマンガンはイオンとして溶解し、大部分は可溶性の第一鉄またはマンガン化合物として存在します。濃度が非常に高いと、水が黄色を呈することがあります。空気を含ませると、酸化プロセスにより第二鉄とマンガンが形成され、それぞれ赤褐色と黒色の沈殿物が発生します。これらの沈殿物は、水染み、濁り、洗濯物の汚れの原因となります。また、パイプ内に蓄積して、パイプの狭窄や器具への堆積を引き起こすこともあります。鉄レベルが 0.3 mg/L を超える場合とマンガンレベルが 0.5 mg/L を超える場合は、不快な金属味がする場合があります。^[6] 深層水の曝気は、下層水に好気性環境を作り出すことで、飲料水製造に適した施設でさらに処理される前に、溶解した鉄やマンガン化合物の酸化と沈殿を促進します。このアプローチは、溶解した鉄やマンガン化合物の除去に関連する運用コストを削減するのに役立ちます。

鉄種の量と移動性も、酸化還元制御のリン循環に影響を与える。^[8]嫌気性堆積層に由来する二価鉄化合物は、好気性水と嫌気性堆積物の境界域で徐々に拡散し、酸化される。これらの化合物は上部堆積層に蓄積する。この蓄積の程度は、好気性堆積物と水の境界がリン酸の拡散障壁としてどのように機能するかに影響を与える。^[1]

前述のように、深層水の曝気は栄養塩濃度を大幅に低下させる能力がある。好気性条件の存在は硝化とそれに続く脱窒のプロセスを促進し、システムからの窒素の除去に貢献する。^[1]硫化水素やメタンなどの還元物質の化学的および微生物学的酸化、ならびに有機物の分解促進は、汚泥形成の緩和に役立つ可能性がある。深層水中の好気性条件の維持は、堆積物からのリンの酸化還元制御再溶解の低減と、放出されたリンの再沈殿の促進にも重要な役割を果たしている。その結果、深層水の曝気は、脱窒段階の必要性を排除するか、高価な凝集剤への依存を減らすことで、飲料水生産に関連するコストを削減するという追加の利点を提供する。^[1]

深海曝気プラントの設計プロセスは、複数の段階から構成されます。まず、水域の形態計測を実施して、深度プロファイルを評価し、技術設計要件を決定します。この計測は、メカニズムの最適な場所を特定するために不可欠です。正確な技術設計には、栄養分濃度、温度成層、pH レベル、酸素濃度の時間的変化などのさまざまなパラメータの評価、および流量、物質輸送量、および深層水の浮遊物質の分布に関する計算の実行が含まれます。これらの計測と計算は、深海曝気システムの正確で効果的な設計に不可欠です。