摘要：季节性缺氧导致夏季沉积物内源磷强烈释放，加剧水体富营养化，是我国西南地区深水湖泊（水库）面临的重要挑战。有效增加夏季缺氧期深水沉积物~水界面的含氧量，是减少内源磷释放的关键。现有的深水增氧技术由于缺乏对沉积物~水界面增氧的针对性，因此治理效果有限。近年来，纳米气泡已被证实具有的稳定性好、氧传质速率高和环境风险低等优点，为新型深水增氧技术研发提供了巨大潜力。本文以天然矿物材料白云母、绢云母、硅藻土和沸石为基底，负载纳米气泡，研发纳米气泡改性矿物颗粒技术，开展湖泊沉积物~水界面增氧模拟实验研究，运用Unisense涡动系统及微电极技术评估其界面增氧效果。结果表明，纳米气泡改性矿物颗粒对沉积物~水界面具有比较明显的增氧效果。其中，改性白云母、绢云母和沸石的界面持续增氧时间可达7天以上，增氧后的界面最大溶解氧（DO）浓度达4.40 mg/L，而改性硅藻土不具有增氧能力。其次，矿物粒度对改性颗粒的增氧效果有一定影响：粒度越细，界面的最大增氧浓度越高，且持续增氧时间越长。纳米气泡改性矿物颗粒技术有望成为夏季缺氧期深水沉积物~水界面精准增氧和内源污染控制的有效技术手段。


深水湖泊是指水体中存在明显温跃层的湖泊，其上、下层水体通常不发生大的交换。在深水湖泊中，表层水体产生的藻类等有机质不断沉降至下层水体，伴随着有机质降解等耗氧过程，下层水体溶解氧含量逐步下降，从而导致深层水体长期处于缺氧状态。深水湖泊一旦形成严重缺氧环境（溶解氧浓度＜2 mg/L），就可能造成“下层水体缺氧→沉积物磷等内源污染物释放增强→湖泊初级生产力提高→下层水体缺氧加剧”的正反馈效应。西南地区是我国水资源的富集区，深水水库是该地区水资源利用的主要形式。夏季缺氧已成为西南深水水库沉积物—水界面的重要特征，也是导致沉积物内源磷释放的关键因素。因此，研究建立有效的深水沉积物—水界面增氧技术对西南深水水库富营养化和内源污染治理具有重要科学价值和现实意义。


深水增氧理论与技术研究始于1940s，至今已取得了长足发展，目前应用较多的深水增氧技术有4种，即人工去分层技术、气体提升技术、Speece锥形技术及气泡羽流扩散技术。人工去分层技术是将下层水体提升到表面，通过与大气接触的方式完成充氧。气体提升增氧技术与Speece锥形增氧技术均是将深层水体输送至固定的接触室中完成水体增氧，不同之处在于接触室中的水流方向。气泡羽流扩散增氧技术是将气体从打满小孔的管状发射器中喷射出来形成羽流状的气水混合物，带动下层缺氧水体缓慢上升，到达一定高度后富氧水体下沉并向四周扩散。然而这些现有的深水增氧技术缺乏对沉积物—水界面增氧的针对性，因此对沉积物—水界面的增氧效果十分有限。


纳米气泡是指直径小于1μm的气泡，普遍认为纳米气泡的形成机制是固—液界面的过剩气体分子以纳米气泡的形式直接在固体表面聚集而成。根据经典热力学理论计算，纳米级气泡存在时间不超过1 ms.然而，大量的实际观测显示，纳米气泡的稳定性远远超出经典理论的计算结果，其存在时间可从数小时到数天，甚至数月。纳米气泡粒径小，上升速度慢，传质效果好，环境风险低，在各个领域的应用引起人们广泛关注。应用纳米气泡处理湖泊污染水体，可有效降低湖泊中的有机污染物，同时，抑制湖底厌氧菌的有机质分解过程，减少水体氮、磷营养盐的含量，抑制藻类的生长。此外，在纳米气泡气液界面存在负电荷，可以与特定的污染物相互作用，其破裂时产生的自由基和振动波可促进污染物（如有机酚）的去除。纳米气泡具有稳定性好、氧传质速率高和无生态环境风险等优点，在深水湖泊增氧技术研发领域表现出巨大潜力。为此，本文以天然矿物材料作为基底，负载纳米气泡，建立纳米气泡改性矿物颗粒技术，并开展湖泊沉积物—水界面增氧模拟实验研究，评估该技术的界面增氧效果，旨在为深水湖泊沉积物—水界面高效增氧和沉积物内源污染控制提供技术支撑。