تهوية المياه

جهاز التهوية السطحية منخفض السرعة هو جهاز عالي الكفاءة لتهوية المياه في البيئات الحيوية. غالبًا ما تُصنع هذه الأجهزة من الفولاذ المحمي بطبقة إيبوكسية، وتُنتج عزم دوران عالٍ. يتميز هذا الجهاز بقدرة ممتازة على خلط المياه. تتراوح القدرة الشائعة بين 1 و250 كيلوواط للوحدة، بكفاءة إنتاج أكسجين تبلغ حوالي 2 كجم أكسجين/كيلوواط. تُستخدم أجهزة التهوية منخفضة السرعة بشكل أساسي في تهوية محطات معالجة المياه في البيئات الحيوية. كلما زاد قطر الجهاز، زادت كفاءة إنتاج الأكسجين وقدرته على الخلط.

تتكون النافورة من آلية لرش الماء إلى أعلى في الهواء. ويتم ذلك عادةً باستخدام محرك يُشغل مروحة دوارة . تضخ المروحة الماء من الطبقة السطحية للنافورة وتدفعه إلى الهواء. ^{[ 5 ]} تعتمد هذه العملية على تلامس الماء مع الهواء لنقل الأكسجين. فعندما يندفع الماء إلى الهواء، يتفتت إلى قطرات صغيرة. وتتمتع هذه القطرات الصغيرة مجتمعةً بمساحة سطحية كبيرة تسمح بنقل الأكسجين. وعند عودتها، تختلط هذه القطرات ببقية الماء، ناقلةً الأكسجين إلى النظام البيئي.

تُعدّ النوافير وسيلة شائعة لتهوية الأسطح لما تُضفيه من جمال. مع ذلك، لا تستطيع معظم النوافير إنتاج كمية كبيرة من الماء المؤكسج. ^{[ 5 ]} كما أن تمرير الكهرباء عبر الماء إلى النافورة قد يُشكّل خطراً على السلامة.

تعمل مهويات السطح العائمة بطريقة مشابهة للنوافير، لكنها لا تُضفي عليها نفس المظهر الجمالي. فهي تستخرج الماء من الطبقة العلوية (من 30 إلى 60 سم) من المسطح المائي، وتستغل تلامس الهواء مع الماء لنقل الأكسجين. وبدلاً من دفع الماء في الهواء، تُحرك هذه المهويات سطح الماء. كما تُزود مهويات السطح العائمة بالطاقة الكهربائية من الشبكة الأرضية. ^{[ 5 ]} وتقتصر فعالية مهويات السطح على مساحة صغيرة، إذ لا تستطيع إضافة دوران أو أكسجين لأكثر من دائرة نصف قطرها 3 أمتار. وبالتالي، يقتصر هذا الدوران والأكسجين على الجزء العلوي من عمود الماء، وغالبًا ما تبقى الأجزاء السفلية دون تغيير. ويمكن أيضًا تركيب مهويات سطحية منخفضة السرعة على عوامات.

تستخدم مهويات العجلات المجدافية أيضًا التلامس بين الهواء والماء لنقل الأكسجين من الهواء الجوي إلى المسطح المائي. وتُستخدم غالبًا في مجال الاستزراع المائي (تربية الحيوانات المائية أو زراعة النباتات المائية للغذاء). تتكون هذه المهويات من محور مثبت عليه مجاديف، وعادةً ما تُشغل بواسطة مأخذ طاقة جرار ( PTO )، أو محرك بنزين ، أو محرك كهربائي . وعادةً ما تُركب على عوامات . يُجبر التيار الكهربائي المجاديف على الدوران، مما يُحرك الماء ويسمح بانتقال الأكسجين من خلال التلامس بين الهواء والماء. ^{[ 5 ]} مع تحريك كل جزء جديد من الماء، يمتص الأكسجين من الهواء، ثم يُعيده إلى الماء عند عودته إليه. وبهذا المعنى، تعمل تهوية العجلات المجدافية بشكل مشابه جدًا لمهويات السطح العائمة.

يمكن تحقيق التهوية تحت السطحية باستخدام أجهزة التهوية النفاثة ، التي تسحب الهواء، عن طريق مبدأ فنتوري ، وتحقن الهواء في السائل.

التهوية بالفقاعات الخشنة هي نوع من أنواع التهوية تحت السطحية ، حيث يُضخ الهواء من ضاغط هواء أرضي ^{[ 7 ]} عبر خرطوم إلى وحدة موضوعة في قاع المسطح المائي. تُطلق هذه الوحدة فقاعات خشنة (قطرها أكبر من 2 مم) ^{[ 8 ]} تُطلق الأكسجين عند ملامستها للماء، مما يُساهم في خلط طبقات البحيرة. ومع انطلاق الفقاعات الكبيرة من النظام، يحدث اضطراب في حركة الماء، مما يؤدي إلى خلطه ^{[ 6 ]} . وبالمقارنة مع تقنيات التهوية الأخرى، تُعد التهوية بالفقاعات الخشنة غير فعالة في نقل الأكسجين، وذلك بسبب قطر الفقاعات الكبير ومساحة سطحها الكلية الصغيرة نسبيًا ^{[ 6 ] .}

تُعدّ التهوية بالفقاعات الدقيقة طريقة فعّالة لنقل الأكسجين إلى المسطحات المائية. ^{[ 9 ]} يقوم ضاغط هواء على الشاطئ بضخ الهواء عبر خرطوم موصول بوحدة تهوية تحت الماء. تُلحق بالوحدة مجموعة من الموزعات، تأتي على شكل أقراص أو صفائح أو أنابيب أو خراطيم مصنوعة من السيليكا المُرتبطة بالزجاج، أو البلاستيك الخزفي المسامي، أو البولي فينيل كلوريد (PVC)، أو أغشية مثقبة مصنوعة من مطاط الإيثيلين بروبيلين ديين مونومر (EPDM) . ^{[ 5 ]} يُضخ الهواء عبر أغشية الموزعات ويُطلق في الماء. تُعرف هذه الفقاعات بالفقاعات الدقيقة . تُعرّف وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) الفقاعة الدقيقة بأنها أي فقاعة يقل قطرها عن 2 مم. ^{[ 8 ]} يتميز هذا النوع من التهوية بكفاءة عالية جدًا في نقل الأكسجين، تصل أحيانًا إلى 15 رطلاً من الأكسجين لكل (حصان * ساعة) (9.1 كيلوغرام من الأكسجين لكل (كيلوواط * ساعة)). ^{[ 5 ]} في المتوسط، ينشر تهوية الهواء المنتشر ما يقرب من 2-4 قدم مكعب من الهواء في الدقيقة (56.6-113.3 لتر من الهواء في الدقيقة)، ولكن بعضها يعمل بمستويات منخفضة تصل إلى 1 قدم مكعب في الدقيقة (28.3 لتر/دقيقة) أو عالية تصل إلى 10 قدم مكعب في الدقيقة (283 لتر/دقيقة).

تُتيح التهوية المنتشرة بالفقاعات الدقيقة زيادة مساحة سطح الفقاعات إلى أقصى حد، وبالتالي نقل كمية أكبر من الأكسجين إلى الماء لكل وحدة حجم فقاعة. إضافةً إلى ذلك، تستغرق الفقاعات الأصغر وقتًا أطول للوصول إلى السطح، مما يزيد من مساحة السطح والوقت الذي تقضيه كل فقاعة في الماء، وبالتالي يُتيح لها فرصة أكبر لنقل الأكسجين. وكقاعدة عامة، تُؤدي الفقاعات الأصغر ونقطة الإطلاق الأعمق إلى معدل نقل أكسجين أعلى. ^{[ 10 ]}

من عيوب التهوية بالفقاعات الدقيقة أن أغشية موزعات السيراميك قد تنسد أحيانًا، مما يستدعي تنظيفها للحفاظ على كفاءتها المثلى. كما أنها لا تتمتع بقدرة خلط عمود الماء بنفس كفاءة تقنيات التهوية الأخرى، مثل التهوية بالفقاعات الخشنة. ^{[ 5 ]}

خلال هطول الأمطار الغزيرة، تفيض أنابيب الصرف الصحي في لندن إلى نهر التايمز ، مما يؤدي إلى انخفاض حاد في مستويات الأكسجين المذاب ، ويهدد الكائنات الحية التي يعيش فيها. ^{[ 16 ]} تُستخدم سفينتان مخصصتان من شركة ماكتاي مارين ، وهما بارجتا الأكسجين "تايمز بابلر" و "تايمز فيتاليتي" ، لإعادة رفع مستويات الأكسجين، وذلك في إطار الجهود المستمرة لتنظيف النهر، الذي يُعد موطنًا لـ 115 نوعًا من الأسماك ومئات الأنواع الأخرى من اللافقاريات والنباتات والطيور. ^{[ 16 ]}

يُحافظ على تركيز الأكسجين المذاب في خليج كارديف  بويلز عند 5 ملغم/لتر أو أعلى. يُضخ الهواء المضغوط من خمسة مواقع حول الخليج عبر سلسلة من أنابيب مطاطية مُدعمة بالفولاذ، موضوعة على قاع الخليج ونهرَي تاف وإيلي. وترتبط هذه الأنابيب بحوالي 800 موزع. في بعض الأحيان، لا يكون هذا كافيًا، فتستخدم هيئة الميناء بارجة أكسجين متنقلة من صنع شركة ماكتاي مارين، مزودة بخزان للأكسجين السائل . يُمرر الأكسجين السائل عبر مُبخر مُسخن كهربائيًا، ثم يُحقن الغاز في تيار مائي يُضخ من الخليج ويُعاد إليه. تستطيع البارجة إذابة ما يصل إلى 5 أطنان من الأكسجين خلال 24 ساعة. ^{[ 17 ]}

طُرحت خيارات مماثلة للمساعدة في إعادة تأهيل خليج تشيسابيك في الولايات المتحدة، حيث تكمن المشكلة الرئيسية في نقص الكائنات الحية التي تتغذى بالترشيح، مثل المحار، المسؤولة عن الحفاظ على نظافة المياه. تاريخيًا، كان عدد المحار في الخليج يُقدّر بعشرات المليارات، وكان يُوزّع مياه الخليج بأكمله في غضون أيام. وبسبب التلوث والأمراض والصيد الجائر، انخفض عددها إلى جزء ضئيل من مستوياتها التاريخية. فالمياه التي كانت صافية لأمتار أصبحت الآن عكرة ومليئة بالرواسب لدرجة أن الشخص الذي يخوض في الماء قد يفقد رؤية قدميه قبل أن تبتل ركبتاه. عادةً ما تُوفّر النباتات المائية المغمورة الأكسجين من خلال عملية التمثيل الضوئي، لكن التلوث والرواسب قلّلا من أعدادها، مما أدّى إلى انخفاض مستويات الأكسجين المذاب، وجعل مناطق من الخليج غير صالحة للحياة المائية الهوائية. وفي علاقة تكافلية، تُوفّر النباتات الأكسجين اللازم لتكاثر الكائنات الحية تحت الماء، وفي المقابل، تُحافظ الكائنات التي تتغذى بالترشيح على نظافة المياه، وبالتالي صفائها بما يكفي لوصول ضوء الشمس الكافي إلى النباتات. اقترح الباحثون استخدام الأكسجة الاصطناعية كحل لتحسين جودة المياه. ويبدو أن تهوية المسطحات المائية التي تعاني من نقص الأكسجين حلٌّ واعد، وقد جُرِّب بنجاح مرات عديدة في برك المياه العذبة والبحيرات الصغيرة. مع ذلك، لم يُنفَّذ أي مشروع تهوية بحجم مصب نهر . ^{[ 18 ]}

يتم تهوية جزء من الخليج المتصل بجدول روك كريك، مساحته 353 هكتارًا ، باستخدام أنابيب منذ عام 2016. بدأ النظام كنظام فقاعات كبيرة الحجم، وكان الهدف منه أساسًا إزالة الطبقات المائية، مما أدى إلى إنشاء منطقة مؤكسدة مساحتها 74 هكتارًا. وتم تحديثه في عام 2019 إلى حاقنات فقاعات دقيقة لتوفير المزيد من الأكسجين بشكل مباشر. ^{[ 19 ]}