Anoxia remediation and internal loading modulation in eutrophic lakes using geoengineering method based on oxygen nanobubbles  

基于氧納米氣泡的地球工程方法修復富營養化湖泊缺氧及調控內源負荷  

來源： Science of the Total Environment, Volume 714, 2020, Article 136766  

《整體環境科學》第714卷，2020年，文章編號136766  

 

摘要內容：  

研究提出一種基于氧納米氣泡的新型"絮凝-封蓋"地球工程方法，用于同步修復沉積物缺氧并控制內源磷負荷。通過將天然沸石改性為載氧材料（OCM）作為封蓋劑，在缺氧沉積物與上覆水之間形成"氧鎖定層"。該層通過氧的擴散和滯留作用，顯著提升上覆水溶解氧（DO）水平（有藻系統從1.5 mg/L增至3.5–4 mg/L；無藻系統增至5–6 mg/L）并維持30天，同時使沉積物氧滲透深度從0 cm增至3 cm（圖3）。OCM封蓋有效保留活性磷（通過Fe2?氧化為Fe3?實現），并消除藻類分解導致的界面氧耗與活性磷增加（圖6）。實驗證明該方法可持續調控富營養化水體內源負荷。  

 

 

 

研究目的：  

1 評估載氧材料（OCM）對沉積物缺氧的修復效果  

2 探究OCM封蓋對沉積物內源磷釋放的抑制作用  

3 驗證該方法對藻華沉降引發的界面氧耗及磷釋放的調控能力  

 

研究思路：  

1 材料制備：通過壓力擺動吸附技術將氧納米氣泡負載于沸石，制備OCM  

2 模擬系統：構建48組沉積物-水柱（含/不含藻華），設置6種處理（對照/天然沸石封蓋/OCM封蓋）×（有藻/無藻）  

3 監測指標：  

   ? 水體：DO、ORP、pH、總磷（TP）、溶解性總磷（TDP）、活性磷（SRP）、顆粒磷（PP）（圖1, 圖2）  

 

 

   ? 沉積物：氧微剖面（Unisense氧微電極）、ORP剖面（圖3, 圖4）、磷形態分級（NH?Cl-P、BD-P、NaOH-P、HCl-P）（圖5）  

 

 

   ? 界面過程：ZrO-Chelex DGT技術測定活性磷/鐵垂向分布（圖6）  

 

4 機理解析：通過氧鎖定層形成、鐵磷耦合關系及藻源磷釋放動態，闡明修復機制  

 

測量數據及來源：  

1 水體DO與ORP動態（圖1）：  

   ? 證明OCM封蓋可持續提升DO（藻系統維持4 mg/L）并逆轉氧化還原電位（ORP從-350 mV升至150 mV）  

 

2 磷濃度變化（圖2）：  

   ? OCM封蓋使藻系統TDP/SRP顯著低于對照（p<0.05），抑制藻源磷釋放  

 

3 沉積物氧滲透深度（圖3）：  

   ? OCM使氧滲透深度達3 cm（對照組為0 cm），形成氧鎖定層  

 

4 ORP垂向分布（圖4）：  

   ? OCM處理組沉積物表層ORP顯著升高，逆轉缺氧狀態  

 

5 磷形態分布（圖5）：  

   ? OCM封蓋增加BD-P（還原態敏感磷）和NaOH-P（鐵鋁結合磷）占比，增強磷固定能力  

 

6 活性磷/鐵界面分布（圖6）：  

   ? OCM消除藻系統沉積物表層（-1至-3 cm）的活性磷/鐵峰值，抑制內源釋放  

 

數據研究意義：  

1 DO與ORP（圖1）：直接驗證OCM對水體缺氧的修復效果，為技術應用提供關鍵參數依據  

2 磷形態（圖5）：揭示OCM通過增加鐵氧化物結合態磷（BD-P、NaOH-P）比例，提升沉積物固磷能力  

3 DGT活性磷/鐵（圖6）：闡明氧鎖定層通過Fe2?氧化為Fe3?實現磷吸附的微觀機制，解釋內源負荷抑制原理  

4 氧微剖面（圖3）：量化沉積物氧滲透深度，證實氧鎖定層對深層缺氧區的修復潛力  

 

結論：  

1 氧鎖定層作用：OCM形成兼具氧擴散與滯留功能的表層（3 cm），持續修復沉積物缺氧并抑制磷釋放  

2 藻華調控：OCM封蓋抵消藻類分解的氧耗，使藻系統DO維持4 mg/L，顯著降低藻源磷釋放（圖2）  

3 磷固定機制：氧鎖定層促進Fe2?氧化為Fe3?，增加鐵氧化物對磷的吸附（BD-P與NaOH-P占比上升，圖5）  

4 技術優勢：重力沉降式封蓋避免擾動沉積物，為富營養湖泊修復提供新途徑  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：  

研究中采用Unisense OX-50氧微電極和RD-100 Eh微電極，其核心價值在于：  

1 高分辨原位監測：以0.25 mm精度測定沉積物-水界面（SWI）氧/ORP微剖面（圖3, 圖4），避免傳統采樣對分層結構的破壞  

2 量化修復效果：直接顯示OCM封蓋后氧滲透深度從0 cm增至3 cm（圖3），為"氧鎖定層"形成提供空間證據  

3 揭示缺氧驅動機制：明確藻華沉降導致SWI處ORP驟降（圖4），而OCM使表層ORP從-200 mV逆轉至+150 mV，闡明缺氧修復關鍵位點  

4 支持過程機理解析：結合DGT數據（圖6），驗證氧滲透深度與活性磷/鐵峰值消除的因果關系，確立"氧滲透–鐵氧化–磷吸附"的調控路徑