摘要：季節性缺氧導致夏季沉積物內源磷強烈釋放，加劇水體富營養化，是我國西南地區深水湖泊（水庫）面臨的重要挑戰。有效增加夏季缺氧期深水沉積物~水界面的含氧量，是減少內源磷釋放的關鍵。現有的深水增氧技術由于缺乏對沉積物~水界面增氧的針對性，因此治理效果有限。近年來，納米氣泡已被證實具有的穩定性好、氧傳質速率高和環境風險低等優點，為新型深水增氧技術研發提供了巨大潛力。本文以天然礦物材料白云母、絹云母、硅藻土和沸石為基底，負載納米氣泡，研發納米氣泡改性礦物顆粒技術，開展湖泊沉積物~水界面增氧模擬實驗研究，運用Unisense渦動系統及微電極技術評估其界面增氧效果。結果表明，納米氣泡改性礦物顆粒對沉積物~水界面具有比較明顯的增氧效果。其中，改性白云母、絹云母和沸石的界面持續增氧時間可達7天以上，增氧后的界面最大溶解氧（DO）濃度達4.40 mg/L，而改性硅藻土不具有增氧能力。其次，礦物粒度對改性顆粒的增氧效果有一定影響：粒度越細，界面的最大增氧濃度越高，且持續增氧時間越長。納米氣泡改性礦物顆粒技術有望成為夏季缺氧期深水沉積物~水界面精準增氧和內源污染控制的有效技術手段。


深水湖泊是指水體中存在明顯溫躍層的湖泊，其上、下層水體通常不發生大的交換。在深水湖泊中，表層水體產生的藻類等有機質不斷沉降至下層水體，伴隨著有機質降解等耗氧過程，下層水體溶解氧含量逐步下降，從而導致深層水體長期處于缺氧狀態。深水湖泊一旦形成嚴重缺氧環境（溶解氧濃度＜2 mg/L），就可能造成“下層水體缺氧→沉積物磷等內源污染物釋放增強→湖泊初級生產力提高→下層水體缺氧加劇”的正反饋效應。西南地區是我國水資源的富集區，深水水庫是該地區水資源利用的主要形式。夏季缺氧已成為西南深水水庫沉積物—水界面的重要特征，也是導致沉積物內源磷釋放的關鍵因素。因此，研究建立有效的深水沉積物—水界面增氧技術對西南深水水庫富營養化和內源污染治理具有重要科學價值和現實意義。


深水增氧理論與技術研究始于1940s，至今已取得了長足發展，目前應用較多的深水增氧技術有4種，即人工去分層技術、氣體提升技術、Speece錐形技術及氣泡羽流擴散技術。人工去分層技術是將下層水體提升到表面，通過與大氣接觸的方式完成充氧。氣體提升增氧技術與Speece錐形增氧技術均是將深層水體輸送至固定的接觸室中完成水體增氧，不同之處在于接觸室中的水流方向。氣泡羽流擴散增氧技術是將氣體從打滿小孔的管狀發射器中噴射出來形成羽流狀的氣水混合物，帶動下層缺氧水體緩慢上升，到達一定高度后富氧水體下沉并向四周擴散。然而這些現有的深水增氧技術缺乏對沉積物—水界面增氧的針對性，因此對沉積物—水界面的增氧效果十分有限。


納米氣泡是指直徑小于1μm的氣泡，普遍認為納米氣泡的形成機制是固—液界面的過剩氣體分子以納米氣泡的形式直接在固體表面聚集而成。根據經典熱力學理論計算，納米級氣泡存在時間不超過1 ms.然而，大量的實際觀測顯示，納米氣泡的穩定性遠遠超出經典理論的計算結果，其存在時間可從數小時到數天，甚至數月。納米氣泡粒徑小，上升速度慢，傳質效果好，環境風險低，在各個領域的應用引起人們廣泛關注。應用納米氣泡處理湖泊污染水體，可有效降低湖泊中的有機污染物，同時，抑制湖底厭氧菌的有機質分解過程，減少水體氮、磷營養鹽的含量，抑制藻類的生長。此外，在納米氣泡氣液界面存在負電荷，可以與特定的污染物相互作用，其破裂時產生的自由基和振動波可促進污染物（如有機酚）的去除。納米氣泡具有穩定性好、氧傳質速率高和無生態環境風險等優點，在深水湖泊增氧技術研發領域表現出巨大潛力。為此，本文以天然礦物材料作為基底，負載納米氣泡，建立納米氣泡改性礦物顆粒技術，并開展湖泊沉積物—水界面增氧模擬實驗研究，評估該技術的界面增氧效果，旨在為深水湖泊沉積物—水界面高效增氧和沉積物內源污染控制提供技術支撐。