氧纳米气泡改性颗粒对深水沉积物-水界面的增氧效果及环境效应研究

摘要

沉积物是自然水体（如湖泊）生态系统中的一个重要组成部分，它既可以是水体污染物的“汇”，也可以是“源”。与水体接触的沉积物-水界面（SWI）更是一个关键的环境因素。因为在湖泊SWI处发生多种有质子参与的反应，导致在SWI处毫米尺度内可能产生强烈的生物化学变化。磷被普遍认为是湖泊初级生产力的主要限制因子。过量的磷输入湖泊（水库），将加重水体的富营养化问题，导致全球淡水水资源遭受严重破坏。湖泊水体磷的来源大体上可分为外源磷和内源磷。随着水环境保护不断加强，外源磷的输入量明显降低，但是内源磷释放对湖泊水体磷的贡献持续升高。因此，控制湖泊中内源磷经SWI向上覆水体的释放迫在眉睫，这对修复富营养化湖泊具有重要意义。 有效提高SWI的含氧性是控制湖泊内源磷释放的重要途径。现有的深水增氧技术由于缺乏对SWI增氧的针对性，限制了在湖泊内源污染修复工程中的应用。氧纳米气泡具有良好的供氧效果，持续时间长，环境风险低，在湖泊SWI曝气和内源磷污染控制中具有很大的应用潜力。本研究通过矿物筛选、气泡制备和效果表征，研发了专门对SWI增氧的氧纳米气泡改性矿物颗粒（ONBMMs）增氧技术，并评价了其对厌氧SWI的增氧效率和对内源磷释放的控制效果。其主要结果如下： （1）通过扫描电镜对天然矿物材料（白云母、绢云母、沸石、硅藻土）进行表面微形貌分析，发现白云母呈平整的片状结构，绢云母、沸石、硅藻土都是呈不规则的块状或絮状结构，推荐白云母为氧纳米气泡材料的优选基底； （2）以天然矿物材料为基底，用醇-水替换法制备氧纳米气泡，在室内模拟条件下，投加到SWI进行增氧实验研究。结果表明，ONBMMs对缺氧SWI具有明显的增氧效果。不同矿物、相同矿物不同粒径材料的界面增氧效果差异显著。改性矿物白云母表现出较好的增氧性能。此外，矿物粒度越细，界面增氧效果越好，持续增氧时间也越长。 （3）ONBMMs相当于氧化层，它改变了SWI处的氧化还原条件，将Fe2+氧化为Fe3+，并强烈吸附磷酸根，从而使得SWI附近活性Fe和活性P含量都降低，大幅降低了上覆水总磷（TP）、溶解性活性磷（SRP）浓度，使得上覆水SRP降幅为97.9%，沉积物的DGT-P释放通量降幅为78.9%。显著抑制了沉积物中磷向上覆水释放。 （4）ONBMMs增氧抑磷效果明显，该技术具有操作便捷、针对性强、增氧效果好、价格低廉、环境风险低等诸多优点，有望成为深水缺氧湖泊SWI精准增氧和内源污染控制的有效技术手段。

目录

第一章 前言

1.1 研究背景

1.2 研究意义

1.3 研究进展综述

1.3.1 现有增氧技术

1.3.2 氧纳米气泡增氧技术

1.4 研究内容及技术路线

第二章 采样与实验分析方法

2.1 采样区的选择

2.2 材料与方法

2.2.1 实验仪器与材料

2.2.2 矿物材料的表征

2.2.3 氧纳米气泡改性矿物颗粒的制备

2.2.4 溶解氧（DO）的测量方法

2.2.5 薄膜梯度扩散（DGT）技术

2.2.6 沉积物-水界面处磷释放通量的计算

2.3 模拟实验设计与采样

2.3.1有机玻璃盒模拟实验

2.3.2 柱芯培养实验

第三章 氧纳米气泡改性矿物颗粒的湖泊沉积物-水界面增氧效果研究

3.1 矿物材料的表面形态表征结果

3.2 不同改性矿物颗粒对沉积物-水界面的增氧效果

3.3 改性矿物颗粒粒度对增氧效果的影响

3.4 小结

4.1 氧纳米气泡改性白云母对沉积物-水界面处DO的影响

4.2 氧纳米气泡改性白云母对上覆水中TP和SRP的影响

4.3 氧纳米气泡改性白云母对沉积物-水界面处DGT-P和DGT-Fe的影响

4.4 氧纳米气泡改性白云母对内源磷释放通量的影响

4.5 氧纳米气泡改性白云母降低内源磷释放的机制

4.6 氧纳米气泡改性矿物在实际应用中的影响因素

4.7 小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 问题及展望

致谢

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间的学术成果

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