水質測定の基礎から測定原理まで｜工場排水処理・養殖現場のための入門ガイド
溶存酸素（DO）の基礎知識｜測定原理と主な用途
要点
溶存酸素（DO：Dissolved Oxygen）とは、水中に溶け込んだ酸素の量を表す指標です。
排水処理や陸上養殖では、生物や微生物の活動に必要な酸素の状態を把握するために測定されています。
本記事は、DOという言葉は知っているものの、測定の仕組みや現場での活用方法までは詳しくない方に向けた入門記事です。
DOの基礎知識をはじめ、蛍光式DO計の測定原理、工場排水処理や陸上養殖における活用方法、連続測定のメリットについて順に解説します。
この記事を読み終えるころには、DOとは何か、なぜ測定が必要なのか、蛍光式DO計がどのような仕組みで測定しているのかを理解できるようになります。
目次
曝気槽の異変からDO管理の重要性を考える
排水処理の運転中、曝気（ばっき）槽の様子に、いつもと違う変化を感じることはありませんか。
汚泥の色がいつもよりくすんで見えたり、臭いが強くなったように感じたりすることがあります。
このような変化は、DOに何らかの異常が生じているサインの一つとされます。
しかし、このような兆候だけで、実際に何が起きているのか、どの程度深刻な状態なのかを正確に判断することはできません。
色や臭いの変化は、あくまでも異常に気づくきっかけであり、それだけで原因を特定できるわけではないためです。
原因の特定や適切な対応につなげるには、DOがどのような値を示しているのか、また、その値がどのように推移しているのかを客観的に把握することが重要です。
DOとは｜定義・単位・水温・気圧・塩分濃度との関係
DO（溶存酸素）とは、水中に溶け込んだ酸素の量を表す指標です。
単位は mg/L で表され、水温や気圧、塩分濃度によって変動します。
DOの数値を正しく読み解くには、これらの影響を理解することが重要です。
DO（溶存酸素）とは
DOは Dissolved Oxygen（溶存酸素）の略称で、水中に溶け込んでいる酸素を指します。
水生生物の呼吸や微生物による有機物分解に利用されるため、排水処理や陸上養殖、水環境の監視など、幅広い分野で重要な指標として活用されています。
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水（H₂O）の酸素原子と溶存酸素（O₂）は別のもの |
水の化学式はH₂Oで、水の分子そのものに酸素原子が含まれています。
しかし、DO（溶存酸素）が指すのは、この酸素ではありません。
DOとは、空気中に存在する酸素分子（O₂）が、水の中に溶け込んだものです。
水を構成する酸素原子と、水中に溶け込んだ酸素分子（O₂）は別のものです。
そのため、水が澄んで見えても、DOが十分にあるとは限りません。
DOの単位と代表的な数値
DOは mg/L（1 Lの水に溶けている酸素の質量）で表します。
純水では、1気圧・25℃の条件における飽和溶存酸素濃度は8.26 mg/Lです（JIS K 0102:2016による）。
これは、純水が1気圧・25℃の条件で水に溶かし込める酸素量の上限を示した値です。
ただし、実際の現場では用途や設備条件によって適切なDO濃度は異なります。
そのため、この値だけを基準に、水中の酸素が多いか少ないかを判断することはできません。
また、水温・気圧・塩分濃度が変わると、この上限値も変化します。
次節では、それぞれの影響について見ていきます。
水温・気圧・塩分濃度とDOの関係
DOは、水温が低いほど、気圧が高いほど、塩分濃度が低いほど高くなる傾向があります。
これは、気体が液体に溶け込む一般的な性質によるもので、DOを評価する際は水温・気圧・塩分濃度もあわせて確認することが重要です。
水温との関係は、炭酸飲料で考えると分かりやすくなります。
冷えた炭酸飲料は泡が立ちにくく、温めると泡が勢いよく発生します。
これは、温度が高いほど液体が気体を溶かしにくくなるためです。
酸素も同様で、水温が高いほど水に溶け込みにくくなります。
気圧にも似た性質があります。
栓を閉めたペットボトルの中では圧力が高いため、二酸化炭素は水に溶けた状態で保たれています。
栓を開けて圧力が下がると、溶けきれなくなった二酸化炭素が泡となって放出されます。
つまり、圧力が高いほど気体は液体に溶けやすく、低いほど溶けにくくなります。
さらに、DOに影響を与える要因として塩分濃度があります。
同じ水温であっても、塩分濃度が高くなるほど、水に溶け込める酸素の量は少なくなります。
そのため、海水や汽水を扱う現場では、真水を基準にしたDOの考え方をそのまま適用することはできません。
このように、DOの数値を見る際は、水温・気圧・塩分濃度もあわせて確認することで、状況をより正確に判断できます。
DOの数値を読み解く：優先して見るべき項目
DOに関連する数値には優先順位があります。
日常の運転管理ではDO濃度（mg/L）を基本とし、温度は解釈を補助する情報、溶存酸素飽和率は条件の異なる状況を比較するための指標、酸素分圧は発展的な指標と考えると理解しやすくなります。
DOに関連する数値は複数ありますが、用途に応じて確認すべき項目は異なります。
まずは、それぞれの指標の位置付けと主な用途を整理しておきましょう。
| 位置付け | 指標 | 主な用途 |
|---|---|---|
| 基本 | DO濃度（mg/L） | 日常の運転管理で中心となる数値。 水中に溶け込んでいる酸素量そのものを表す。 |
補助 | 温度（℃） | DO濃度を解釈するための補助情報。 DOは水温の影響を受けるため、あわせて確認することが重要。 |
比較用 | 溶存酸素飽和率（％） | 季節や拠点など、条件が異なる環境同士を比較する際に用いる。 水温・気圧・塩分濃度の条件下で溶け込める酸素量の上限に対し、実際にどの程度酸素が溶けているかを示す。 |
発展 | 酸素分圧（kPa） | 通常の運転管理では使用頻度の低い指標。 水中の酸素量を圧力で表し、一部の計算や機器表示で用いられる。 |
これら4つの数値を組み合わせて確認することで、酸素が多いか少ないかだけでなく、その水がどのような条件にあるのかまで把握しやすくなります。
溶存酸素飽和率については、「なぜDO濃度だけでは酸素の充足度を判断しにくいのか」を次のミニコラムで詳しく解説します。
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DO濃度だけでは、酸素の状態を単純に比較できない理由 |
駐車場を例に考えてみましょう。
- 駐車している車の台数：水中に実際に溶けている酸素の量（溶存酸素濃度）
- 駐車場に停められる車の台数：その条件で水に溶け込める酸素量の上限（飽和溶存酸素濃度）
- 駐車場の埋まり具合：上限に対してどの程度酸素が溶けているかを示す割合（溶存酸素飽和率）
駐車場の収容台数は、駐車場の広さによって異なります。
10台の車が停まっていても、20台収容できる駐車場なら埋まっているのは半分です。
一方、100台収容できる駐車場なら、埋まっているのは1割に過ぎません。
水も同じです。
例えば、どちらの水にも同じ10 mg/Lの酸素が溶けているとします。
- その条件で12 mg/Lまで溶ける水：溶存酸素飽和率は約83％
- その条件で20 mg/Lまで溶ける水：溶存酸素飽和率は50％
このように、DO濃度が同じでも、その条件で溶け込める酸素量の上限が異なれば、溶存酸素飽和率は変わります。
そのため、現在のDO濃度だけでなく、その条件での上限に対してどの程度の酸素が溶けているかを確認することで、酸素の充足状態を相対的に把握できます。
ただし、溶存酸素飽和率が高いからといって、対象生物や処理工程に必要なDO濃度（mg/L）が確保されているとは限りません。
例えば、水温が高い季節は、同じ溶存酸素飽和率であっても、実際に溶けているDO濃度（mg/L）は少なくなります。
日常の運転管理では、まずDO濃度（mg/L）を確認し、溶存酸素飽和率は条件の異なる環境を比較する際の補助指標として活用します。
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溶存酸素飽和率が100％を超えることもある |
溶存酸素飽和率100％は、その水温・気圧・塩分濃度の条件で、水中の酸素量が大気中の酸素と釣り合った状態（飽和溶存酸素濃度）に達していることを示す値です。
しかし、曝気や酸素供給、光合成などによって水中に酸素が追加されると、溶存酸素飽和率が100％を超えることがあります。
この状態を過飽和と呼びます。
そのため、溶存酸素飽和率が100％を超えているからといって、直ちに測定異常や設備異常を示すとは限りません。
ただし、対用途や工程によっては過飽和が問題になる場合があるため、原因と継続時間を確認する必要があります。
蛍光式DO計の測定原理
蛍光式DO計は、酸素によって変化する蛍光体の発光を利用して、DOを測定する方式です。
オプテックスのDOS-20もこの方式を採用しています。
蛍光式の測定原理
蛍光式DO計は、青色LEDの光を蛍光体に当て、その発光が水中の酸素によって変化する現象を利用してDOを測定します。
DO計の内部には、主に次の3つの部品があります。
- 青色LED（励起光）
蛍光体に光を当てて、発光させるための光源です。 - 赤色LED（基準光）
蛍光を発生させない光を当て、測定の基準となる光を発します。 - 受光素子
蛍光体から放出される蛍光を受け取ります。
青色LEDによる「測定用の光」と、赤色LEDによる「基準光」を交互に照射し、それぞれの光を受光素子で検出します。
青色LEDの光が蛍光体に当たると、蛍光体は赤色の蛍光を発します。
水中の酸素が多いほど、この蛍光は弱くなり、発光時間も短くなります。
DO計は、この蛍光の変化を受光素子で検出し、基準光と比較しながら演算処理を行うことで、DO濃度などの各種測定値に換算しています。
青色LEDの励起光が酸素感応蛍光体層に当たると、蛍光体層が蛍光を発する。水中の酸素分子が酸素透過層を通って蛍光体層に触れると、この蛍光が弱まる。受光素子は、この蛍光を検出する。
赤色LEDの基準光が酸素感応蛍光体層に当たり、その光が受光素子に届く。基準光は、測定の基準として使われる。
蛍光式の構造上の特徴（隔膜式との違い）
蛍光式は、電解液や隔膜を使用せずにDOを測定できる点が構造上の特徴です。
これは、酸素を電極で反応させて測定する隔膜式とは異なる原理を利用しているためです。
DO計には、蛍光式のほかに隔膜式と呼ばれる方式があります。
隔膜式は、センサー先端の隔膜（薄い膜）を酸素が透過し、内部の電極に到達した酸素が反応するときに発生する電流を検出してDOを測定する方式です。
一方、蛍光式は、隔膜や電解液を用いません。
蛍光物質の発光変化を検出してDOを測定するため、隔膜式とは構造が異なります。
蛍光式と隔膜式はいずれもDOを連続測定できることは共通しています。
しかし、測定原理や構造が異なるため、消耗品や日常のメンテナンス方法にも違いがあります。
次章からは、この測定原理を踏まえ、DOが実際にどのように活用されているのかを、工場排水処理と陸上養殖の事例を通して見ていきます。
工場排水処理（活性汚泥法の曝気槽におけるDO管理）
活性汚泥法の曝気槽では、好気性微生物が有機物を分解するためにDOが必要です。
DOが不足すると有機物の分解が十分に進まない可能性があり、一方で必要以上の曝気は送風機（ブロワー）の電力コスト増加につながる場合があります。
そのため、DOの状態を把握しながら運転管理を行うことが重要です。
好気性処理とDOの役割
活性汚泥法の曝気槽では、好気性微生物が酸素を利用して有機物を分解しています。
この働きを維持するためには、水中に適切な量のDOが必要です。
工場排水処理で広く採用されている活性汚泥法では、曝気槽内で排水と活性汚泥を混合し、空気を送り込みながら有機物を分解しています。
この分解を担っているのが、酸素を利用して有機物を分解する好気性微生物です。
前章までで説明したとおり、DOは水中に溶け込んだ酸素の量を表す指標です。
曝気槽において好気性微生物が十分に働くためには、水中に適切な量のDOが必要です。
そのため、曝気槽ではDOを継続的に監視し、適切な状態に維持することが、処理プロセスを安定して維持するうえで重要になります。
DO不足・過剰が引き起こす問題
DOが不足すると、好気性微生物の働きが弱まり、処理能力の低下につながる可能性があります。
一方で、DOを必要以上に高く維持しようとすると、曝気にかかる電力コストが増加する場合があります。
DOが不足した状態が続くと、好気性微生物による有機物分解が十分に進まなくなる可能性があります。
その結果、排水中に未分解の有機物が残りやすくなります。
また、DOの低下が続くと、酸素が不足した状態となり、悪臭の原因となる物質が発生しやすくなります。
一方で、DOを必要以上に高く維持しようとすると、送風機（ブロワー）の稼働量が増え、電力コストの増加につながる場合があります。
つまり、DOは高ければ良いというものではなく、処理に必要な範囲を維持することが重要です。
ただし、DOが適切な範囲にあるからといって、処理が正常に進んでいるとは限りません。
排水処理の状態には、排水の性質や活性汚泥の状態など、DO以外にもさまざまな要因が関係します。
そのため、DOが正常な範囲であっても、別の要因によって処理に問題が生じる場合があります。
具体的な管理基準は、排水の性質や設備条件によって異なります。
自社工程での適正範囲を判断する際には、現場で蓄積された実績値との照合が重要です。
また、DOを継続的に測定して推移を把握することで、過不足の兆候に早い段階で気づきやすくなります。
陸上養殖（飼育水槽におけるDO管理）
陸上養殖では、養殖生物の生存環境を維持するためにDOが重要な指標となります。
養殖生物の活動量が増えるとDOが低下することがあるため、水質管理においてDOの継続的な把握が欠かせません。
陸上養殖におけるDOの重要性
陸上養殖には、かけ流し方式・半閉鎖循環方式・閉鎖循環方式があります。
いずれの方式でも、DOは養殖生物の生存環境を把握するための重要な指標です。
陸上養殖とは、海や川ではなく、陸上に設けた水槽で魚介類を育てる養殖方式です。
養殖対象によっては、海水や汽水が使われます。
「DOとは｜定義・単位・水温・気圧・塩分濃度との関係」の章で説明したとおり、塩分を含む水は真水に比べて酸素が溶け込みにくいため、海水や汽水を扱う養殖では、塩分濃度の影響を考慮してDOを把握することが求められます。
また、養殖生物の活動が活発になると酸素消費量が増え、DOが低下することがあります。
こうした水質変化への対応が不十分な場合、疾病の発生や大量死につながりかねません。
工場排水処理の曝気槽では、DOは処理工程を管理するための指標として利用されます。
一方、陸上養殖では、養殖生物の生存環境を把握するための指標として利用されます。
このように、同じDOであっても、用途によって果たす役割は異なります。
DO連続測定による養殖設備運転の最適化
DOを連続測定することで、養殖生物の活動や有機物の分解に伴う日内変動を把握できます。
DOの変動に応じて撹拌機や曝気設備を運転することで、必要なときに必要な量の酸素を供給する運用につなげることができます。
陸上養殖では、DOが日中と夜間で変動することがあります。
これは、養殖生物の活動量や、残餌や排せつ物などの有機物を好気性微生物が分解する際にも酸素が消費されるためです。
さらに、光が当たる養殖池などでは、日中は藻類や植物プランクトンの光合成による酸素供給があり、夜間は光合成が止まるため、DOが変動することがあります。
DOを連続測定することで、こうした変動を把握しやすくなります。
また、測定値をもとに撹拌機や曝気設備の運転を調整し、必要に応じて酸素を供給する運用につなげることもできます。
実際に、エビ養殖場でDO計を導入し、養殖池のDOを数値で把握しながら、撹拌用パドルの運転や生産性向上に活用した事例があります。
導入の背景や具体的な効果については、「陸上養殖成功の決め手は水質管理のIoT｜エビ養殖場 KTn Farm 様」で紹介しています。
このように、DOの連続測定は、水質変化の把握や設備運用の改善に役立ちます。
次章では、測定値に影響を与える要因とその対策について解説します。
現場で起こりやすい測定誤差と対策
DO計の測定値は、気泡、汚れ、設置場所などの影響によって、実際の水質とは異なる値を示すことがあります。
これらは必ずしも機器の異常が原因とは限らず、使用環境に起因して発生することがあります。
そのため、主な要因と対策を理解しておくことが、安定した測定につながります。
DO計の測定値に影響を与える主な要因として、次のようなものがあります。
気泡の付着
検出面に気泡が付着すると、気泡内の酸素の状態を検出してしまい、実際の水質よりも高い値を示すことがあります。
見かけ上はDOが十分にあるように見えても、実際には酸素が不足している場合があるため注意が必要です。
対策としては、検出面に気泡が溜まりにくい向きや位置に設置することが基本です。
汚れ・付着（ファウリング）
検出面に汚れや生物膜（バイオフィルム）が付着すると、水との接触が妨げられたり、生物膜内部の微生物が酸素を消費したりすることで、測定値のずれや応答性の低下につながることがあります。
定期的な清掃が基本的な対策です。
設置場所
壁の近くや水が滞留しやすい場所に設置すると、測定槽内のDOを適切に反映した値が得られないことがあります。
そのため、水がある程度流動している場所に設置することが基本です。
FAQ（よくあるご質問）
- DOを一定間隔で手分析していますが、連続測定にするとどう変わりますか？
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一定間隔で行う測定（スポット測定）では、測定と測定の間に発生した変化を把握することができません。
DOは日内変動や運転条件の変化によって短時間で変動することがあるため、スポット測定だけでは異常の発生に気づくのが遅れる場合があります。
一方、連続測定ではDOの推移を継続的に把握できるため、異常の兆候に早く気づきやすくなります。
なお、確認頻度や管理方法は用途や工程、使用環境によって異なるため、自社工程の実績値と照らし合わせて判断することをおすすめします。 - 蛍光式のDO計には、どのような長所がありますか？
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蛍光式は、電解液や隔膜を必要としない構造のため、これらの消耗品を管理する必要がありません。
ただし、保守が不要というわけではありません。
オプテックスの蛍光式DO計ではセンサーキャップが消耗品にあたり、定期的な交換が必要です。 - 塩分濃度補正とは何ですか？
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塩分を含む水では、同じ水温であっても、塩分濃度が高くなるほど水に溶け込める酸素量の上限は小さくなります。
塩分濃度補正は、こうした塩分の影響を測定値に反映させるための機能です。
DOS-20で塩分濃度補正を使用している場合は、校正前に補正値を一度リセットしておく必要があります。
塩分濃度補正を設定したまま校正を行うと、正しく校正できないことがあります。
詳しい手順については、DOS-20取扱説明書をご参照ください。
製品情報
蛍光式溶存酸素計（DO計）DOS-20
DOS-20は、耐腐食性樹脂ハウジングを採用しており、さまざまな設置環境で使用できます。
隔膜式に比べて取り扱いが簡単で、メンテナンス負荷を軽減できます。
蛍光式溶存酸素計（DO計）DOS-20の詳細はこちら
