水のエアレーション

水の曝気は、自然環境と人工環境の両方で水の酸素飽和度を増加または維持するプロセスです。曝気技術は、低酸素レベルや藻類の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]

水の曝気は、下水排出、農業排水、釣り湖への餌の過剰投入など、上流での人間の活動によって引き起こされる低酸素状態または無酸素状態に陥った水域でしばしば必要となる。曝気は、湖、ラグーン、池の底に空気を注入する か、噴水やスプレーのような装置で表面を撹拌して表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可能にすることによって達成できる。^[2]

溶存酸素(DO)レベルの低下は、水質悪化の主な原因です。魚や他の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を助けます。酸素濃度が低くなると、無酸素状態が発生し、水域の生命維持能力が低下する可能性があります。

水に酸素を加えるあらゆる手順は、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数多くありますが、これらはすべて、 表面曝気と地下曝気という 2 つの大きな分野に分類されます。両方のアプローチには、さまざまな手法とテクノロジーが利用可能です。

自然曝気は、地下曝気と表面曝気の両方の一種です。これは、地下水生植物を通じて起こります。光合成の自然なプロセスを通じて、水生植物は水中に酸素を放出し、魚が生きるために必要な酸素と、余分な栄養素を分解する好気性細菌を供給します。^[3]

風が水面を揺らすと酸素が水中に押し込まれることがあり、また、流れ込む小川、滝、あるいは大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通気が起こることがある。^[要出典]

温帯気候の大きな水域では、秋の循環によって酸素の少ない深層水に酸素が豊富な水が導入される可能性がある。^[要出典]

低速表面エアレーターは、高効率の生物学的エアレーション用デバイスです。これらのデバイスは、多くの場合、エポキシコーティングで保護されたスチール製で、高いトルクを生成します。水量の混合は優れています。一般的な電力は、ユニットあたり 1 ～ 250kw で、効率 (SOE) は約 2 kgO2/kw です。低速エアレーターは、主に水浄化用の生物学的プラントのエアレーションに使用されます。直径が大きいほど、SOE と混合が高くなります。

噴水は、水を空中に上向きに噴射する手段で構成されています。通常、これは回転するインペラに動力を与えるモーターを使用して行われます。インペラは水の最初の数フィートから水を汲み上げ、空中に放出します。^[4]このプロセスは、空気と水の接触を利用して酸素を移動させます。水が空中に噴射されると、小さな水滴に分解されます。全体として、これらの小さな水滴は酸素を移動できる大きな表面積を持っています。戻ると、これらの水滴は残りの水と混ざり、その結果、酸素を生態系に戻します。

噴水は見た目が美しいため、表面通気を行う一般的な方法です。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ません。^[4] また、噴水に水を通して電気を流すと安全上の問題が生じる可能性があります。

浮体式表面曝気装置は噴水と同様の仕組みだが、見た目の美しさは噴水と似ていない。水域の上部1～2フィートから水を抽出し、空気と水の接触を利用して酸素を移動させる。水を空中に噴射するのではなく、水面で水をかき混ぜる。浮体式表面曝気装置も陸上の電力で稼働する。^[4]表面曝気装置の有効性は狭い範囲に限られ、半径3メートル以上は循環や酸素を供給できない。この循環と酸素供給は水柱の最上部に限定され、底部は影響を受けないことが多い。低速表面曝気装置はフロートにも設置できる。

パドルホイールエアレーション装置も、空気と水の接触を利用して、大気中の酸素を水域に移します。これらは、養殖（水生動物の飼育または食用水生植物の栽培）分野で最もよく使用されます。ハブと取り付けられたパドルで構成されるこれらのエアレーション装置は、通常、トラクターの動力取出装置（PTO）、ガスエンジン、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、水をかき混ぜて、空気と水の接触を通じて酸素を移動させます。^[4]新しい水セクションがかき混ぜられるたびに、空気から酸素を吸収し、水に戻るときにそれを水に戻します。この点で、パドルホイールエアレーションは、浮体式表面エアレーション装置と非常によく似た仕組みになっています。

地下曝気は、水底の泡を放出し、浮力によって泡を上昇させることを目指します。拡散曝気システムは、泡を利用して水を曝気するだけでなく、水を混合します。泡の排出による水の置換により混合作用が起こり、水と泡の接触により酸素の移動が起こります。^[5]

地下の曝気は、ベンチュリーの原理によって空気を吸引し、その空気を液体に注入するジェットエアレーターの使用によって実現できます。 ^{[引用が必要]}

粗気泡曝気は、陸上の空気圧縮機からホースを通して水域の底に設置された装置に空気を送り込むタイプの地下曝気である。装置は粗気泡（直径2mm以上）を排出し、[7] 粗気泡が水と接触すると酸素を放出し、湖の層状の混合にも寄与する。システムから大きな気泡が放出^されると、水の乱流が起こり、水が混合する。^[5]他の曝気技術と比較すると、粗気泡曝気は酸素を移送する点で非常に非効率的である。これは、その気泡の直径が大きく、集合表面積が比較的小さいためである。^[5]

微細気泡曝気は、水体に酸素を移送する効率的な方法です。^[8]陸上のコンプレッサーがホースを通じて空気を送り込み、ホースは水中曝気装置に接続されています。装置には多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、またはホースの形状をしています。^[4] 拡散膜を通過した空気は水中に放出されます。これらの泡は微細気泡として知られています。EPAは、直径2mm未満のものを微細気泡と定義しています。^[7]このタイプの曝気は酸素移動効率（OTE）が非常に高く、15ポンド酸素/（馬力*時間）（9.1キログラム酸素/（キロワット*時間））に達することもあります。^[4]平均して、拡散空気曝気は約2～4cfm（1分当たりの空気立方フィート）（1分当たりの空気56.6～113.3リットル）を拡散しますが、1cfm（28.3リットル/分）という低いレベルから10cfm（283リットル/分）という高いレベルで動作するものもあります。

微細気泡拡散エアレーションは気泡の表面積を最大化できるため、気泡の体積当たりの酸素量を増やすことができます。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、気泡が水中にいる時間も長くなり、酸素を水に移す機会が増えます。一般的に、気泡が小さく、放出点が深いほど、酸素移送率は高くなります。^[9]

微細気泡エアレーションの欠点の1つは、セラミックディフューザーの膜が詰まることがあるため、最適な効率を維持するために洗浄する必要があることです。また、粗気泡エアレーションなどの他のエアレーション技術のように水柱を混ぜる能力もありません。^[4]

（湖の成層化の解消も参照）

循環器は、池や湖を撹拌して温度成層を減らすためによく使用されます。循環された水が表面に到達すると、空気と水の界面により、酸素が湖水に伝達されやすくなります。

天然資源および環境管理者は、湖の水温成層化によって引き起こされる問題に長い間悩まされてきました。^{[2] [10]}魚の大量死は、温度勾配、停滞、氷の覆いと直接関連しています。^[11]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や湖水の商業利用を制限する可能性があります。^{[12]湖の水温成層化が激しいと、}飲料水の品質も悪影響を受ける可能性があります。^{[13] [14]漁業管理者にとって、湖内の}魚の空間分布は水温成層化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ります。^[11]

こうした湖の管理問題の深刻さを軽減するために一般的に使用されている方法の 1 つは、曝気によって温度成層をなくす、または軽減することです。 ^[2]温度成層をなくす、または軽減するために、さまざまなタイプの曝気装置が使用されてきました。曝気はある程度の成功を収めていますが、万能薬となることはめったにありません。^[10]

大雨が降ると、ロンドンの下水管からテムズ川に水が溢れ、溶存酸素濃度が急激に低下して、川に生息する生物種が脅かされる。^{[15]テムズ川を浄化するための継続的な取り組みの一環として、}マックテイ・マリンの専用船2隻、酸素供給船テムズ・バブラー号とテムズ・バイタリティ号が酸素濃度を補充するために使用されている。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、鳥類が生息している。^[15]

カーディフ湾内の溶存酸素濃度は5 mg/L 以上に保たれている。湾周辺の 5 か所から、湾底およびタフ川とエリー川に敷設された一連の鋼鉄強化ゴム管を通して圧縮空気が送り込まれる。これらの管は、約 800 個の拡散装置に接続されている。この量では不十分な場合、港湾局はMcTay Marine 社製の移動式酸素供給船を使用し、タンクに液体酸素を貯蔵する。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る水流に注入される。この船は 24 時間で最大 5 トンの酸素を溶解することができる。^[16]

同様の選択肢が、水をきれいに保つ役割を担うカキなどの濾過摂食生物の不足が主な問題となっているチェサピーク湾の再生を支援するために提案されている。歴史的に、この湾のカキの個体数は数百億個で、数日のうちに湾全体を循環していた。^{[出典が必要]}汚染、病気、乱獲により、カキの個体数は歴史的なレベルのほんの一部に過ぎない。かつては数メートルも澄んでいた水が、今では濁って堆積物で覆われているため、水遊びをする人は膝が濡れる前に足元が見えなくなるかもしれない。^{[出典が必要]} 酸素は通常、水中の水生植物による光合成によって供給されるが、汚染と堆積物によって植物の個体数が減少し、その結果、溶存酸素レベルが低下し、湾の一部が好気性水生生物に適さなくなった。共生関係では、植物は水中の生物が繁殖するために必要な酸素を供給し、その代わりに濾過摂食動物は水をきれいに保ち、植物が十分に日光を浴びられる程度に透明度を高めます。研究者は、水質改善の解決策として人工的な手段による酸素供給を提案しています。酸素欠乏症の水域への曝気は魅力的な解決策のようで、淡水の池や小さな湖で何度も試みられ、成功しています。しかし、河口ほどの大規模な曝気プロジェクトに取り組んだ人はいません。 [ ^17]

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ます。このシステムは、主に層別化を目的とした大気泡システムとして開始され、74ヘクタールの有酸素ゾーンを作成しました。2019年に、より多くの酸素を直接供給するために、微細気泡インジェクターにアップグレードされました。^[18]

多くの水処理プロセスでは、生物学的酸化プロセスをサポートするために、さまざまな形態の曝気が使用されます。典型的な例としては、微細または粗い気泡の曝気を使用できる活性汚泥法や、処理タンクの底から混合液を吸い上げて空気中に排出し、液中に酸素を混入させる機械的曝気コーン法などがあります。

• エアレーションラグーン
• 湖の生態系
• 湖沼学