摘要：季節(jié)性缺氧導(dǎo)致夏季沉積物內(nèi)源磷強(qiáng)烈釋放，加劇水體富營(yíng)養(yǎng)化，是我國(guó)西南地區(qū)深水湖泊（水庫(kù)）面臨的重要挑戰(zhàn)。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(nèi)源磷釋放的關(guān)鍵。現(xiàn)有的深水增氧技術(shù)由于缺乏對(duì)沉積物~水界面增氧的針對(duì)性，因此治理效果有限。近年來(lái)，納米氣泡已被證實(shí)具有的穩(wěn)定性好、氧傳質(zhì)速率高和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)點(diǎn)，為新型深水增氧技術(shù)研發(fā)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(fù)載納米氣泡，研發(fā)納米氣泡改性礦物顆粒技術(shù)，開(kāi)展湖泊沉積物~水界面增氧模擬實(shí)驗(yàn)研究，運(yùn)用Unisense渦動(dòng)系統(tǒng)及微電極技術(shù)評(píng)估其界面增氧效果。結(jié)果表明，納米氣泡改性礦物顆粒對(duì)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(xù)增氧時(shí)間可達(dá)7天以上，增氧后的界面最大溶解氧（DO）濃度達(dá)4.40 mg/L，而改性硅藻土不具有增氧能力。其次，礦物粒度對(duì)改性顆粒的增氧效果有一定影響：粒度越細(xì)，界面的最大增氧濃度越高，且持續(xù)增氧時(shí)間越長(zhǎng)。納米氣泡改性礦物顆粒技術(shù)有望成為夏季缺氧期深水沉積物~水界面精準(zhǔn)增氧和內(nèi)源污染控制的有效技術(shù)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(fā)生大的交換。在深水湖泊中，表層水體產(chǎn)生的藻類等有機(jī)質(zhì)不斷沉降至下層水體，伴隨著有機(jī)質(zhì)降解等耗氧過(guò)程，下層水體溶解氧含量逐步下降，從而導(dǎo)致深層水體長(zhǎng)期處于缺氧狀態(tài)。深水湖泊一旦形成嚴(yán)重缺氧環(huán)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(nèi)源污染物釋放增強(qiáng)→湖泊初級(jí)生產(chǎn)力提高→下層水體缺氧加劇”的正反饋效應(yīng)。西南地區(qū)是我國(guó)水資源的富集區(qū)，深水水庫(kù)是該地區(qū)水資源利用的主要形式。夏季缺氧已成為西南深水水庫(kù)沉積物—水界面的重要特征，也是導(dǎo)致沉積物內(nèi)源磷釋放的關(guān)鍵因素。因此，研究建立有效的深水沉積物—水界面增氧技術(shù)對(duì)西南深水水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化和內(nèi)源污染治理具有重要科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

深水增氧理論與技術(shù)研究始于1940s，至今已取得了長(zhǎng)足發(fā)展，目前應(yīng)用較多的深水增氧技術(shù)有4種，即人工去分層技術(shù)、氣體提升技術(shù)、Speece錐形技術(shù)及氣泡羽流擴(kuò)散技術(shù)。人工去分層技術(shù)是將下層水體提升到表面，通過(guò)與大氣接觸的方式完成充氧。氣體提升增氧技術(shù)與Speece錐形增氧技術(shù)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(kuò)散增氧技術(shù)是將氣體從打滿小孔的管狀發(fā)射器中噴射出來(lái)形成羽流狀的氣水混合物，帶動(dòng)下層缺氧水體緩慢上升，到達(dá)一定高度后富氧水體下沉并向四周擴(kuò)散。然而這些現(xiàn)有的深水增氧技術(shù)缺乏對(duì)沉積物—水界面增氧的針對(duì)性，因此對(duì)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(rèn)為納米氣泡的形成機(jī)制是固—液界面的過(guò)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(jù)經(jīng)典熱力學(xué)理論計(jì)算，納米級(jí)氣泡存在時(shí)間不超過(guò)1 ms.然而，大量的實(shí)際觀測(cè)顯示，納米氣泡的穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出經(jīng)典理論的計(jì)算結(jié)果，其存在時(shí)間可從數(shù)小時(shí)到數(shù)天，甚至數(shù)月。納米氣泡粒徑小，上升速度慢，傳質(zhì)效果好，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)低，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用引起人們廣泛關(guān)注。應(yīng)用納米氣泡處理湖泊污染水體，可有效降低湖泊中的有機(jī)污染物，同時(shí)，抑制湖底厭氧菌的有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程，減少水體氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的含量，抑制藻類的生長(zhǎng)。此外，在納米氣泡氣液界面存在負(fù)電荷，可以與特定的污染物相互作用，其破裂時(shí)產(chǎn)生的自由基和振動(dòng)波可促進(jìn)污染物（如有機(jī)酚）的去除。納米氣泡具有穩(wěn)定性好、氧傳質(zhì)速率高和無(wú)生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在深水湖泊增氧技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大潛力。為此，本文以天然礦物材料作為基底，負(fù)載納米氣泡，建立納米氣泡改性礦物顆粒技術(shù)，并開(kāi)展湖泊沉積物—水界面增氧模擬實(shí)驗(yàn)研究，評(píng)估該技術(shù)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(nèi)源污染控制提供技術(shù)支撐。