水のエアレーション

噴水は、水を空中に噴射して空気を送り込みます。

水のエアレーションとは、自然環境と人工環境の両方において、水の酸素飽和度を上昇または維持するプロセスです。エアレーション技術は、池、湖、貯水池の管理において、低酸素レベルや藻類ブルームに対処するために一般的に使用されています。[ 1 ]

水質

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る。これらの状態は、下水排出、農業用排水、あるいは釣り湖への餌の過剰投入といった上流の人間活動によって引き起こされることが多い。曝気は、湖、ラグーン、池の底に空気を注入する か、噴水やスプレー状の装置で表面を撹拌することで、表面での酸素交換を促進し、二酸化炭素、メタン、硫化水素などのガスを放出することによって達成される。[ 2 ]

溶存酸素（DO）レベルの低下は、水質悪化の大きな要因です。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を助けます。酸素濃度が低下すると、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。

曝気方法

水に酸素を添加するあらゆる手順は、水の曝気処理の一種とみなすことができます。水の曝気処理には多くの方法がありますが[ 3 ] 、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けられます。どちらの方法にも、様々な技術が利用可能です。

自然通気

自然エアレーションは、水面下エアレーションと水面上エアレーションの両方の一種です。水面下の水生植物によって行われます。水生植物は光合成という自然のプロセスを通じて酸素を水中に放出し、魚類の生存に必要な酸素と、過剰な栄養素を分解する好気性バクテリアを供給します。[ 4 ]

風が水面を揺らすと酸素が水中に送り込まれ、また、流れ込む小川、滝、あるいは大洪水による水の動きによっても自然な通気が起こることがあります。

温帯気候の大きな水域では、秋のターンオーバーにより、酸素の少ない下層水に酸素が豊富な水が導入されることがあります。

表面通気

低速表面エアレーター

低速表面曝気装置は、高効率の生物学的曝気装置です。これらの装置は、多くの場合、エポキシコーティングで保護された鋼製で、高いトルクを発生します。水量の混合は良好です。一般的な電力は1ユニットあたり1kWから250kWまでで、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学的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

噴水は、水を空中に噴き上げる手段を備えています。通常、これは回転する羽根車を駆動するモーターを用いて行われます。羽根車は水面から数フィート離れた場所から水を汲み上げ、空中に噴出します。[ 5 ]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。水が空中に噴出されると、小さな水滴に分解されます。これらの小さな水滴は集合的に大きな表面積を持ち、酸素を移動させることができます。噴水に戻った後、これらの水滴は残りの水と混ざり合い、生態系に酸素を戻します。

噴水は、その美しい外観から、表面通気を行うための人気の高い方法です。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。[ 5 ] また、噴水に水を通して電気を流すことは、安全上の問題を引き起こす可能性があります。

浮体式表面曝気装置

典型的な機械式表面曝気装置の動作。このタイプの機械では、水柱全体に曝気を行うのが困難な場合が多い。
1馬力の外輪式エアレーター。水しぶきにより水の蒸発率が上昇し、水域の塩分濃度が上昇する可能性があります。

浮体式表面エアレーション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。水面上部1～2フィートから水を汲み上げ、空気と水の接触を利用して酸素を運搬する。水を空中に噴射するのではなく、水面で水をかき混ぜる。浮体式表面エアレーション装置も陸上電源で稼働する。[ 5 ]表面エアレーション装置の有効範囲は狭い。半径3メートル以上への循環や酸素供給はできないためである。この循環と酸素供給は水柱の最上部に限られ、底部は影響を受けないことが多い。低速表面エアレーション装置はフロート上に設置することもできる。

パドルホイールエアレーター

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へ移送します。これらは、水産養殖（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ています。ハブにパドルが取り付けられた構造の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、または電動モーターで駆動します。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、水を攪拌して、空気と水の接触を通じて酸素を移動させます。[ 5 ]新しい水域が攪拌されるたびに、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です。

地下通気

地下曝気は、水底の気泡を放​​出し、浮力によって浮上させることを目指します。拡散曝気システムは、気泡を利用して水の曝気と混合を行います。気泡の排出に伴う水の置換によって混合作用が起こり、水と気泡の接触によって酸素の移動が促進されます。[ 6 ]

ジェットエアレーション

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 ジェットエアレーション装置の使用によって実現できます。

粗気泡エアレーション

粗気泡曝気法は、陸上の空気圧縮機[ 7 ]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地下曝気法の一種です。この装置は直径2mm以上の粗気泡[ 8 ]を排出します。この粗気泡は水と接触すると酸素を放出し、湖の成層の混合にも寄与します。システムから大きな気泡が排出されると、水の乱流が起こり、水が混合されます。[ 6 ]他の曝気技術と比較して、粗気泡曝気法は酸素の移動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 ]

微細気泡エアレーション

微細気泡曝気法は、気泡の集合表面積が大きいため、酸素移動の点から効率的な曝気技術です。

微細気泡曝気法は、水体に酸素を移送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じて空気を送り込み、その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。[ 5 ] 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移動効率（OTE）が非常に高く、15ポンド酸素/（馬力*時）（9.1キログラム酸素/（キロワット*時））に達することもあります。[ 5 ]平均して、拡散空気曝気は約2～4cfm（1分当たりの空気の立方フィート）（1分当たりの空気の56.6～113.3リットル）を拡散しますが、最低1cfm（28.3リットル/分）または最高10cfm（283リットル/分）の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し、気泡体積あたりの酸素供給量を増加させます。さらに、気泡が小さいほど水面に到達するまでの時間が長くなるため、表面積が最大化されるだけでなく、気泡が水中に留まる時間も長くなり、酸素を水に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、酸素供給率は高くなります。[ 10 ]

ファインバブルエアレーションの欠点の一つは、セラミックディフューザーの膜が詰まってしまうことがあり、最適な効率を維持するためには洗浄が必要となることです。また、粗い泡をエアレーションするなどの他のエアレーション技術のように、水柱を撹拌する能力もありません。[ 5 ]

湖の層別化

循環器は、池や湖の水を撹拌し、水温成層を緩和するためによく使用されます。循環水が表面に到達すると、空気と水の界面が湖水への酸素の移動を促進します。

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 ] [ 11 ]魚の大量死は、温度勾配、停滞、氷の覆いに直接関連しています。[ 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や湖水の商業利用を制限する可能性があります。[ 13 ]湖の水温成層化が深刻な場合、飲料水の水質にも悪影響を与える可能性があります。[ 14 ] [ 15 ]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ことがあります。[ 12 ]

こうした湖沼管理の問題の深刻さを軽減するために一般的に用いられる手段の一つは、曝気によって温度成層を解消または緩和することです。[ 2 ]温度成層を緩和または緩和するために、様々な種類の曝気装置が使用されてきました。曝気は一定の効果を上げていますが、万能薬となることは稀です。[ 11 ]

大規模プロジェクト

テムズ川酸素供給船

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、テムズ川に生息する生物種が脅かされます。[ 16 ]マックテイ・マリン社の専用船2隻、酸素供給船「テムズ・バブラー」と「テムズ・バイタリティ」が、現在115種の魚類と数百種の無脊椎動物、植物、鳥類が生息するテムズ川の浄化活動の一環として、酸素濃度を補充するために使用されています。[ 16 ]

カーディフ湾

ウェールズのカーディフ湾では、溶存酸素濃度は5mg/L以上に維持されています。圧縮空気は湾周辺の5か所から、湾底やタフ川、エリー川に敷設された一連の鋼鉄強化ゴム管を通して送り込まれます。これらの管は約800基の拡散装置に接続されています。それでも不足する場合は、港湾局はマクテイ・マリン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しています。液体酸素は電気加熱式気化器に通され、そのガスは湾から汲み上げられた水流に注入され、湾に戻されます。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ます。[ 17 ]

チェサピーク湾

同様の選択肢は、米国の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。同湾の主な問題は、水を清潔に保つ役割を担うカキなどの濾過摂食生物の不足である。歴史的に、同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。しかし、汚染、病気、乱獲により、その個体数は歴史的な水準のほんの一部に過ぎない。かつては何メートルも透明だった水は、現在は非常に濁って堆積物に覆われており、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。酸素は通常、水中の水生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水生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、湾の一部の地域が好気性水生生物に適さなくなっている。共生関係において、植物は水中生物の繁殖に必要な酸素を供給し、その見返りとして濾過摂食動物は水を清潔に保ち、植物が十分な日光を浴びられるよう透明度を高めています。研究者たちは、水質改善のための解決策として、人工的な手段による酸素供給を提案しています。低酸素状態の水域への曝気は魅力的な解決策であり、淡水の池や小さな湖で何度も試みられ、成功を収めています。しかし、河口のような大規模な曝気プロジェクトを実施した例はありません。[ 18 ]

ロッククリークにつながる湾内の353ヘクタールの区域では、2016年からパイプを用いた曝気が行われています。当初は主に成層化を解消し、74ヘクタールの酸素供給域を形成することを目的とした大型気泡システムでしたが、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インジェクターにアップグレードされました。[ 19 ]

水処理曝気

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、様々な形態の曝気方法が用いられています。代表的な例としては、活性汚泥法が挙げられます。活性汚泥法では、微細気泡または粗気泡の曝気、あるいは処理槽の底部から混合液を吸い上げ、空気中に排出することで酸素を液中に取り込む機械式曝気コーンが用いられます。

参照

参考文献

  1. ^ Cooke, G. Dennis; Welch, Eugene B.; Peterson, Spencer; Nichols, Stanley A. 編 (2005). 『湖と貯水池の修復と管理』フロリダ州ボカラトン: CRC Press. p. 616. ISBN 9781566706254。
  2. ^ a b c Lackey, Robert T. (1972). 「湖沼における温度成層を解消する技術」アメリカ水資源協会誌. 8 (1): 46– 49. Bibcode : 1972JAWRA...8...46L . doi : 10.1111/j.1752-1688.1972.tb05092.x .
  3. ^ [1]水をエアレーションする
  4. ^ブレンナン、スコット、ウィズゴット、ジェイ (2005). 『環境：物語の背後にある科学』 サンフランシスコ、カリフォルニア州: ピアソン（ベンジャミン・カミングス）p. 426. ISBN 0-8053-4427-6。
  5. ^ a b c d e f g Tucker, Craig (2005年9月). 「池のエアレーション」 . Southern Regional Aquaculture Center. SRAC Publication No. 3700. 2011年7月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  6. ^ a b c Bolles, Steven A. 「廃水曝気システムのモデリングによるエネルギー節約機会の発見」（PDF）。Process Energy Services, LLC 。2017年8月29日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。
  7. ^ 「湖の曝気と循環」（PDF）イリノイ州環境保護局。 2009年9月13日閲覧。
  8. ^ a b「廃水処理技術ファクトシート：微細気泡曝気」（PDF）。ワシントンD.C.：米国環境保護庁水資源局。1999年9月。EPA 832-F-99-065。 2011年5月13日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。
  9. ^ 「リンと窒素の削減 - 流域管理 - Clean-Flo」 www.clean-flo.com 2023年2024年2月25日閲覧。
  10. ^ Taparhudee, Wara (2002). 「閉サイクル式エビ養殖システムにおけるパドルホイールエアレーターと拡散空気システムの応用」(PDF) . Witthayasan Kasetsart (Sakha Witthayasat) . 36 : 408–419 . 2020年4月26日閲覧。
  11. ^ a b Lackey, Robert T. (1972). 「貯水池における温度成層化の解消に対する物理的・化学的パラメータの応答」アメリカ水資源協会誌. 8 (3): 589– 599. Bibcode : 1972JAWRA...8..589L . doi : 10.1111/j.1752-1688.1972.tb05181.x .
  12. ^ a bラッキー, ロバート・T.; ホームズ, ドナルド・W. (1972). 「冬枯れを防ぐための2つのエアレーション方法の評価」プログレッシブ・フィッシュ・カルチュリスト. 34 (3): 175. doi : 10.1577/1548-8640(1972)34[175:EOTMOA]2.0.CO;2 .
  13. ^ Lackey, Robert T. (1973). 「人工貯水池の成層崩壊が植物プランクトンに与える影響」.水質汚染管理連盟誌. 45 (4): 668– 673. JSTOR 25037806. PMID 4697461 .  
  14. ^ Lackey, Robert T. (1973). 「コロラド州パービン湖における人工層除去による動物プランクトンへの影響」.アメリカ水産学会誌. 102 (2): 450–452 . Bibcode : 1973TrAFS.102..450L . doi : 10.1577/1548-8659(1973)102<450:EOADOZ>2.0.CO;2 .
  15. ^ Lackey, Robert T. (1973). 「人工貯水池の成層崩壊に伴う底生動物相の変化」.水研究. 7 (9): 1349– 1356. Bibcode : 1973WatRe...7.1349L . doi : 10.1016/0043-1354(73)90011-0 .
  16. ^ a b「二つの川の物語」 BBCニュース、2001年4月20日。 2009年9月13日閲覧。
  17. ^ 「カーディフ湾の溶存酸素」英国環境庁。2009年6月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2010年10月7日閲覧。
  18. ^チェサピーク湾プログラムの科学技術諮問委員会（STAC）。「風車は湾を救えるか？」（PDF） . .chesapeake.org .
  19. ^ Lapham, Laura L.; Hobbs, Edward A.; Testa, Jeremy M.; Heyes, Andrew; Forsyth, Melinda K.; Hodgkins, Casey; Szewczyk, Curtis; Harris, Lora A. (2022年8月11日). 「チェサピーク湾潮汐支流からの大気メタンフラックスに対する人工曝気の影響」 . Frontiers in Environmental Science . 10. doi : 10.3389/fenvs.2022.866152 .
「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Water_aeration&oldid=1327022127」より取得