辣木籽粕粗提液对水中浊度及水质的影响

帖靖玺，邵天元，田 欣，王艳锦

(1.华北水利水电大学环境与市政工程学院，河南 郑州450011;2.商丘市环境监测站，河南商丘476000;3.河南农业大学机电工程学院，河南郑州450002)

辣木(Moringa oleifera Lam.)是辣木科辣木属植物，是一种有独特经济价值的热带植物.辣木籽富含维生素、蛋白质，微量元素以及油类，是一种营养丰富的食物［1，2］.辣木籽含有高活性的净水成分，这些净水成分具有天然、无毒等特点，能有效地去除浊度，同时对水中的微生物，以及镉、铬和镍等重金属也有良好的去除效果［3～5］.目前，以辣木籽作为净水剂的操作方式主要有2种.一是采用一定的技术手段，将辣木籽中的有效净水成分提取出来，然后用于水处理，但是不同的提取方法得到的有效净水成分不同，而且现有的提取方法过于复杂，还都处于试验室研究阶段，无法大规模推广［6，7］;二是直接将辣木籽或者辣木籽粕粉碎，加水浸提其中的有效净水成分，然后将浸提液用于水处理［8］.目前，因辣木籽成分极其复杂，现有的研究通常着重考虑浸提液对目标物质的去除效果，而忽略了辣木籽对水质可能造成的影响［9～13］，这些影响会限制其在水质净化工程方面的应用.由于辣木籽能去除水中多种污染物，本研究选择水中的浊度为研究对象，考察不同用量的粗提液对浊度的去除效果，以及粗提液的用量对水质产生的影响，以期对辣木籽粗提液作为净水剂的应用提供参考.

1 材料与方法

1.1 模拟浊度水的制备

将10 g高岭土加入100 mL蒸馏水中，在湿式球磨机中研磨20 min，研磨浆液过200目筛后定容至1 000 mL，陈化24 h备用.试试验时，采用蒸馏水将上述浆液稀释至成低、中、高3种浊度，对应的浊度分别为25，80，150 NTU.

1.2 辣木籽粕粗提液的制备

辣木籽粕由云南辣木种植基地提供.采用家用粉碎机将辣木籽粕粉碎，40℃烘箱中干燥48 h，取出后过100目筛.取经上述处理的辣木籽粕粉10 g，加入50 mL蒸馏水，在磁力搅拌器上搅拌浸提10 min，接着采用4层无纺布过滤，滤液定容至500 mL，此滤液即为辣木籽粕粗提液(以下简称粗提液)，采用该粗提液作为混凝剂进行试验.

1.3 混凝试验

取1 000 mL浊度为25 NTU的原水加入烧杯中，向其中加入10 mL辣木籽粕粗提液，采用六联搅拌器快速搅拌30 s，搅拌速度200 r·min-1，接着慢速搅拌15 min，搅拌速度20 r·min-1.搅拌结束后开始计时，在不同时刻采用大注射器从烧杯液面下2 cm取样，测定取样中的浊度，CODMn和硝态氮，以考察粗提液对浊度的去除效果以及对水质的影响.改变粗提液的用量分别为20，30，40 mL，重复上述试验.改变初始浊度分别为80 NTU和150 NTU，并分别加入 10，20，30，40 mL 的辣木粗提液，重复上述试验.以上每个不同的浊度均设同浊度但未投加粗提液的原水作对照试验.

1.4 砂滤试验

在用大注射器取样后，采用蠕动泵(天津协达伟业电子有限公司，BT-01)型)从液面下2 cm抽水，蠕动泵的出水自上而下经沙滤柱过滤，用烧杯收集砂滤柱出水，并测定水样的浊度，以考察砂滤对浊度的强化去除效果.

滤柱采用PVA材质的饮用水管制作，管子内径为3 cm，内填经稀盐酸浸泡，并用自来水洗净的石英砂.过滤装置如图1所示.

图1 过滤装置示意图Fig.1 Schematic diagram of laboratory scale sand filter

1.5 测定指标及方法

浊度采用浊度仪测定(WGZ-1型数字浊度仪，上海珊科仪器厂);CODMn和硝态氮采用均按照国标法进行测定［14］;pH值采用pH计测定(PHS-3C型，上海理达仪器厂).

2 结果与分析

2.1 粗提液用量对浊度去除的影响

不同粗提液投加量对浊度去除效果的影响如图2所示.从图2可以看出，3组试验的相同之处在于，对照组的浊度都随着试验的进行缓慢下降，这是构成水中浊度的高岭土颗粒在重力作用下自然沉降的结果.3组试验的不同之处在于，对于初始浊度为25 NTU的试验组，当分别投加了10，20，30，40 mL的粗提液后，沉淀30 min时水的浊度不降反升，4种用量对应的浊度分别为44，54，38，59 NTU，这是因为粗提液中含有的辣木籽粉的微细颗粒分散在水中，形成浊度.在沉淀30 min后，水的浊度开始下降，到试验结束时(330 min)，4种粗提液用量下对应的浊度分别为 32，24，9.7 ，9.2 NTU，对照试验的浊度为20 NTU.对于初始浊度为80 NTU和150 NTU的2个组而言，4种粗提液用量处理下的水浊度则呈现出一直下降的趋势，且在最初30 min内下降显著，沉淀时间为30 min时，初始浊度为80 NTU组的浊度分别为28，22，19，18 NTU，初始浊度为150 NTU组的浊度分别为16.6，16.1，5.1，14 NTU.试验结束时的 330 min，初始浊度为80 NTU的试验组，在4种粗提液用量下的对应浊度分别为 14.3，12.8，12.2，11.3 NTU;初始浊度为150的试验组的相应浊度分别为13.9，12.9，12.2，12.1 NTU.

试验结果表明，对于试验设置的3种不同初始浊度的原水，粗提液用量越大，浊度去除效果越好.对于低浊度的原水，当粗提液用量过低时，其处理后的浊度可能高于原水;而对于中高浊度的原水，经不同用量的粗提液处理后的水的浊度相差不大，而且都远低于原水浊度.

2.2 砂滤对浊度的强化去除

图2 辣木籽粕粗提液用量对浊度去除的影响Fig.2 Effects of CEMOSM dose on turbidity removal

从试验结果可以看出，辣木粗提液确实能够有效去除水中的浊度，但试验虽然将沉淀时间延长至330 min，单靠粗提液的絮凝沉淀作用很难将水的浊度处理到生活饮用水标准所规定浊度≤3 NTU的限值［15］，因此，采用辅助工艺强化经粗提液处理水的残余浊度就显得非常必要.在地表水处理工艺中，砂滤通常用在混凝沉淀之后，用于强化去除水中残留的浊度.本研究对经过10，20，30，40 mL粗提液絮凝并沉淀后的上述3种浊度进行了砂滤处理，滤后水的浊度如图3所示.

图3 砂滤对对浊度去除的影响Fig.3 Effects of sand filtration on turbidity removal

图3-a显示，对于初始浊度为25 NTU的原水，对于粗提液用量为10 mL和20 mL的试验组，沉淀时间为30 min时，滤后水的浊度已降至3 NTU之下，而对于粗提液用量为30 mL和40 mL的试验组，只有当沉淀时间延长至150 min时，滤后水的浊度才降至3 NTU之下.如前所述，对于低浊度原水，投加了粗提液后其浊度会出现暂时的升高现象，对此时段内的水样进行过滤，其浊度可以穿透滤柱，造成滤后水浊度超标.在试验条件下，对于低浊度原水，沉淀150 min后过滤，滤后水浊度方能达标.

图3-b和3-c表明，对于初始浊度为80 NTU和150 NTU的原水，从沉淀时间30 min开始，除少数点外浊度在3～5 NTU之间，其他所有点的滤后水的浊度都低于3 NTU.在试验条件下，对于中高浊度组，沉淀30 min进行过滤，滤后水浊度即可达标.

以上结果表明，采用粗提液作为混凝剂，采用混凝+沉淀+过滤的工艺能能够有效地去除水中的浊度，使处理水浊度达标.

2.3 粗提液对处理水水质的影响

粗提液成分非常复杂，因此在采用粗提液去除水中浊度的同时，有可能会向饮用水中引入新的物质.本研究选取了CODMn和硝态氮2个指标作为研究对象，选择这个2个指标是因为这2种物质在粗提液中的含量都比较高，水中COD含量过高，会影响水质的生物稳定性，从而引起水质腐败，而过大量的硝态氮对人有致癌可能，且可能造成水体富营养化.

对于初始浊度为25 NTU的原水，采用了10，20，30，40 mL的粗提液进行了混凝+沉淀+砂滤的处理，对滤后水中的CODMn和硝态氮进行了测定，其含量如图4所示.从图4可以看出，CODMn和硝态氮的含量都没有出现明显的随时间下降或者上升的趋势，但是总的来说处理水中2种物质的含量都随粗提液的用量加大而增加，这说明从粗提液溶入水中的物质只和粗提液的用量有关而与反应时间无关.一旦粗提液加入水中后，粗提液不再向水中持续释放2种物质，同时释放进入水中的2种物质也不会被粗提液中的有效净水成分去除.

图4 絮凝沉淀时间对滤后水水质的影响Fig.4 Effects of settlement time on filtered water quality

粗提液用量对滤后水质的影响如图5所示.从图5可以看出，滤后水中CODMn和硝态氮的浓度都随粗提液用量增加而升高.图5-a表明，在试验设定的4组辣木粗提液用量下，水中残留的CODMn最低为 21.5 mg·L-1，最高则为 102.7 mg·L-1.辣木籽已经作为一种食物被广泛使用，虽然其成分对人体无害，但是水中过高的有机物会造成微生物的大量繁殖以及水质腐败.因此，若以辣木籽粗提液作为净水剂时，则在混凝沉淀之后应有合理的方法有效去除水中的有机物，这将是后续研究的重点.

图5-b表明，在试验条件下，水中的硝态氮最低为 1.5 mg·L-1，最高为 6.6 mg·L-1.

图5 粗提液用量对滤后水水质的影响Fig.5 Effects of CEMOSM dosage on filtered water quality

3 结论

采用无纺布过滤得到的辣木籽粕粗提液能够有效去除水中的浊度.对于初始浊度为25 NTU的低浊度原水，在投加了粗提液后，其浊度随沉淀时间延长而先升后降，而对于初始浊度为80 NTU和150 NTU的中、高浊度原水，其浊度则随沉淀时间延长一直下降.粗提液对中高浊度的混凝效果好于低浊度，在试验结束时，水中残余的浊度都随粗提液用量的增加而降低，对于低、中和高3种浊度原水，残余浊度最小值分别为 9.2，11.3，12.1 NTU.砂滤能够有效去除混凝、沉淀后水中的浊度，中、高浊度原水沉淀30 min后过滤，出水浊度低于3 NTU，而低浊度原水沉淀150 min后过滤，出水浊度才低于3 NTU.辣木籽粕粗提液会引起处理水中CODMn含量升高，本试验条件下最高可达102.7 mg·L-1.因此，辣木籽粗提液不适合作为大规模供水的净水剂，适用于偏远地区家用净水，且处理水应当尽快使用，以防变质.而作为污水处理的药剂时，必需有后续工艺去除水中有机物，以避免直接排放对水体造成的污染.

［1］ RORY P H，MCBURNE Y，CAROLINE G，et al.The nutritional composition of African wild food plants:from compilation to utilization ［J］.J Food Compos Anal，2004，17:277-289.

［2］ SIDDURAJU P，BECKER K.Antioxidant properties of various solvent extracts of total phenolic constituents from three different agroclimatic origins of drumstick tree(Moringa oleifera Lam.)leaves［J］.Food Chem，2003，l5:2144-2155.

［3］ MUYIBI S A，EVISON L M.Optimizing physical parameters affecting coagulation of turbid water with Moringa oleifera Seeds［J］.Water Res，1995，29:2689-2695.

［4］ GIDEON SARPONG and CLINTON P.RICHADSON.Coagulation efficiency of Moringa oleifera for removal of turbidity and reduction of total coliform as compared to aluminum sulfate［J］.Afr J Agr Res，2010，21(5):2939-2944.

［5］ PARUL SHARMA，PUSHPA KUMARI，M.M.SRIVASTAVA，et al.Ternary biosorption studies of Cd(II)，Cr(III)and Ni(II)on shelled Moringa oleifera seeds［J］.Bioresource Technol，2007，98:474-477.

［6］ NDABIGENGESERE A，NARASIAH K S，TALBOT B G.Active agents and mechanism of coagulation of turbid water using Moringa oleifera ［J］.Water Res，1995，29:703-710.

［7］ OKURA T，BAES A U，NISHIJIMA W，et al.Isolation and characterization of coagulant extracted from Moringa oleifera seed by salt solution ［J］.Water Res，2001，35:405-410.

［8］ 马李一，王有琼，张重权，等.天然净水剂辣木净水功能研究［J］.天然产物研究与开发，2009，21(4):483-485.

［9］ SHARMA P，KUMAR P，SRIVASTAVA M M，et al.Removal of cadmium from aqueous system by shelled Moringa oleifera Lam seed powder［J］.Bioresource Technol，2006，97:299-305.

［10］ YARAHMADI M，HOSSIENI M，BINA B，et al.Application of Moringa oleifer seed extract and polyaluminum chloride in water treatment［J］.World Appl Sci J，2009，7(8):962-967.

［11］ MONTAKHAB A，GHAZALI A H，MEGAT J B，et al.Effects of drying and salt extraction of Moringa oleifera on its coagulation of high turbidity water［J］.J Am Sci，2010，6(10):387-392.

［12］ BHUPTAWAT H，FOLKARD G K ，SANJEEV C，et al.Innovative physico-chemical treatment of wastewater incorporating Moringa oleifera seed coagulant［J］.J Hazard Mater，2007，142:477-482.

［13］ NDABIGENGESERE A，SUBBA N K.Quality of water treated by coagulation using Moringa oleifera seeds［J］.Water Res，1998，32:781-791.

［14］ 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法［M］.4版.北京:中国环境出版社，2002.

［15］ GB 5749—2006，生活饮用水标准［S］.