活性炭对砂石过滤器改进减少磷流失

　　氮(N)和磷(P)等营养物质进入水体，会刺激了藻类和其他水生植物的生长，从而启动了富营养化过程。在大多数淡水系统中，磷是加速富营养化过程的主要限制性养分，磷向水生系统的异地迁移一直是水质管理特别关注的问题。雨水径流造成的磷(P)损失是一个水质问题，本研究的目的是研究活性炭用于磷去除的砂石过滤器。进行批量吸附实验在浸出实验进行时评估砂石过滤器和活性炭的磷吸附。

　　过滤介质和活性炭

　　主要的多孔介质(图1)是市售的游砂和浮石，它们是相同的材料。游砂质地细砂(97.5%沙子、1.8%淤泥和0.7%粘土，根据比重计法)，而浮石的直径大多大于2毫米。活性炭是韩研出厂的，是本研究中掺入沙子或浮石柱的吸附活性炭。有关活性炭详细信息，请联系我们。

　　图1：用作主要过滤介质的沙子和浮石材料。

　　批量吸附实验的方法

　　酸二氢钾在去离子水中制备磷溶液，将活性炭称重到试管中，，并用36mL的16.3mg/L-1正磷酸盐平衡，仅包括沙子或浮石样品。将管在端到端振荡器上以90min-1的频率平衡24小时，并通过0.2-μm膜过滤器过滤上清液。根据钼酸盐法，使用UV-VIS分光光度计分析滤液中的正磷酸盐。总共16根柱子(直径7.62厘米，高7.62厘米)用沙子或浮石填充到4.56厘米的深度(图2)。十六列对应于由两种过滤器(沙子或浮石)和四种活性炭改进材料组成的实验，包括对照(无添加活性炭)，一式两份。将含活性炭改良剂和不含活性炭改良剂(按重量计5%)的沙子或浮石混合，然后将其干填充到柱中。每个柱子的底部都用粗棉布保护，这样可以大限度地减少过滤材料的损失。

　　图2：过滤柱实验设置。

　　间歇吸附磷

　　在间歇吸附条件下，活性炭对水中磷的去除率高达19%，而仅砂石过滤器对磷的去除率低得多(1.7%至2.3%)图3。值得注意的是，对活性炭的去离子水提取物证实，碳材料本身溶解出了相当高的磷浓度。众所周知，作为土壤改良剂的生物炭可以提高土壤的养分保持能力。然而，本研究中测试的生物炭在实验室条件下没有显示出磷的吸附甚至释放。在我们的研究中，值得注意的是，活性炭去除了19%的水溶液磷。活性炭去除磷可以通过额外的氧化步骤来解释。

　　图3：批量吸附实验中的磷(正磷酸盐)去除率。

　　过滤柱实验中的磷浸出

　　过滤柱流出物中的磷浓度随着整个磷溶液的增加，活性炭改进的沙柱和用活性炭改进的浮石柱显示出最低的磷浓度，这表明活性炭柱在吸附阶段(浸出)在一定程度上地保留了磷，与批量吸附实验的结果相匹配。在解吸阶段，所有柱中的总磷浓度下降，并在浸出事件结束时达到最低磷浓度。

　　图4：过滤柱实验中的磷(正磷酸盐)保留率。

　　通过浸出的磷累积量与施用的磷量估计的磷保留(%)显示了活性炭改进的沙子和浮石柱的区别图4。活性炭改进的砂柱产生很高的磷保留(37%)，其次是活性炭改进的砂柱保留(30%)。仅浮石柱在磷保留方面的效果最差(13%)。总体而言，在任何活性炭改进中，砂柱产生的磷保留比浮石柱高4-10%。这种差异可能归因于砂柱比浮石柱的体积密度更大，粒径更细，从而使磷在砂柱中的保留时间更长。

　　活性炭对砂石过滤器改进减少磷流失，本研究展示了用活性炭改进的沙子和浮石过滤器对水性磷吸附的性能。在批量吸附实验下，沙子和浮石介质本身的磷吸附能力有限(1.7%到2.3%)。在活性炭中，活性炭表现出最高的磷吸附量(19%)，过滤柱实验证实活性炭改进的砂柱通过浸出产生的磷损失最低，其次活性炭改进的浮石柱。