溶存酸素｜水質を語る隠れた指標

溶存酸素

溶存酸素とは、水中に溶け込んだ酸素分子（O2）の量を指す水質指標であり、英語のDissolved Oxygenを略してDOと呼ばれることが多い。河川や湖沼、海域はもちろん、下水処理場の曝気槽やボイラ給水系統に至るまで、水が関わるほぼすべての工業プロセスで監視対象となる。単位はmg/L（またはppmで表記される場合もある）で示され、水温・気圧・塩分濃度によって飽和値が変動する点が実務上のポイントとなる。

溶解の原理と飽和濃度

気体の水への溶解量は、ヘンリーの法則に従い気相中の分圧に比例する。大気中の酸素分圧はおおむね一定であるため、水温が支配的な変数となる。淡水の場合、1気圧・20℃での飽和溶存酸素量は約9.1mg/Lであり、0℃では約14.6mg/L、30℃では約7.6mg/L程度まで低下する。水温が上がるほど酸素は溶けにくくなるという性質は直感に反しやすいが、夏季の湖沼で魚類の酸欠が起こりやすい理由の一つでもある。塩分が上がるほど飽和濃度は下がるため、海水では同じ水温でも淡水より1割前後低い値になる。

測定法の変遷

溶存酸素の定量には長い歴史がある。1888年、ハンガリーの化学者ラヨシュ・ヴィンクラーが確立した滴定法（ウィンクラー法）は、マンガン(II)塩とヨウ化物を用いた化学反応を経てヨウ素量を滴定するもので、今日でも基準法としてppmオーダーの精度検証に用いられる。20世紀半ばには電気化学式の隔膜電極が実用化され、現場でのリアルタイム測定が可能になった。近年は蛍光消光の原理を利用した光学式センサーが普及し、電極の消耗や試薬管理の手間を減らしている。

主な測定方式の比較

現場で採用される測定方式は大きく三つに分けられる。原理の違いによって応答速度や保守性、初期コストが異なるため、用途に応じた選定が欠かせない。

ISO 5814（水質－溶存酸素の測定－電気化学的プローブ法）や国内のJIS K 0102・32項（工場排水試験方法）は、これら方式の校正手順や試験条件を規定しており、規格に沿ったキャリブレーションを怠ると測定値の信頼性は容易に崩れる。ゼロ校正には亜硫酸ナトリウム溶液、スパン校正には空気飽和水がよく使われる。

水環境における意義と基準値

河川や湖沼の生態系にとって溶存酸素は、いわば呼吸の余力を示す指標である。日本の環境基準では、河川の類型ごとにDO値が定められており、良好な水域では7.5mg/L以上、汚濁が進んだ水域でも2mg/L以上の維持が目安とされる。魚類の多くは3mg/Lを下回ると呼吸障害を起こしやすく、養殖現場では5mg/L以上を安定的に確保する管理が一般的である。有機物負荷が高い排出水が流入すると、微生物による有機物分解で酸素が急速に消費され、DOが低下する。これがいわゆる有機汚濁の典型的な進行パターンである。

産業分野での活用と管理

下水処理の活性汚泥法では、曝気槽内のDOを1〜2mg/Nに保つことで好気性微生物の分解能力を維持し、硝化反応（アンモニア酸化）を安定させる。本下水処理場ではDO計をブロワの風量制御と連動させ、過曝気による電力コスト増と酸素不足によるバルキングの両方を回避する運用が行われている。窒素除去プロセスでは、アンモニアガス由来の窒素化合物が硝化菌によって酸化される際にも酸素が消費されるため、DOと窒素負荷は密接に連動する。

一方でボイラ給水やクーリングウォーターの分野では、DOは望ましくない存在として扱われる。配管内壁で酸素が金属表面の不動態皮膜を局所的に破壊し、孔食や隙間腐食の引き金になるためである。大型ボイラの給水基準では溶存酸素を0.007mg/L以下に抑えることが求められ、脱気器や脱酸素剤の添加によって徹底的に除去される。気体中の酸素を扱う酸素濃度計とは測定対象の相が異なるが、電気化学的な検出原理には共通点が多い。

現場運用上の留意点

• 水温変化による飽和濃度の補正を忘れない
• 電極式センサーは膜の劣化・気泡付着で誤差が生じやすい
• 流速がないと拡散律速で応答が遅れる場合がある
• 校正記録と交換履歴を残し、トレーサビリティを確保する

とりわけ水処理プラントでは、DO計が制御ループの一部として組み込まれているケースが多く、センサーの異常はそのままプロセス全体の不安定化につながる。定期的な現場校正に加え、標準液や標準ガスによる第三者機関でのトレース校正を併用する事業者も増えている。工業排水の汚染状況を評価する際にも、BODやCODと並んでDOの経時変化を見ることで、処理工程のどこにボトルネックがあるかを切り分けやすくなる。数値だけを追うのではなく、水温・流量・負荷変動といった周辺データと合わせて読み解く姿勢が、現場では実務上のコツとして語られている。