辣木籽粕粗提液對水中濁度及水質(zhì)的影響

帖靖璽，邵天元，田 欣，王艷錦

(1.華北水利水電大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，河南 鄭州450011;2.商丘市環(huán)境監(jiān)測站，河南商丘476000;3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，河南鄭州450002)

辣木(Moringa oleifera Lam.)是辣木科辣木屬植物，是一種有獨特經(jīng)濟價值的熱帶植物.辣木籽富含維生素、蛋白質(zhì)，微量元素以及油類，是一種營養(yǎng)豐富的食物［1，2］.辣木籽含有高活性的凈水成分，這些凈水成分具有天然、無毒等特點，能有效地去除濁度，同時對水中的微生物，以及鎘、鉻和鎳等重金屬也有良好的去除效果［3～5］.目前，以辣木籽作為凈水劑的操作方式主要有2種.一是采用一定的技術(shù)手段，將辣木籽中的有效凈水成分提取出來，然后用于水處理，但是不同的提取方法得到的有效凈水成分不同，而且現(xiàn)有的提取方法過于復(fù)雜，還都處于試驗室研究階段，無法大規(guī)模推廣［6，7］;二是直接將辣木籽或者辣木籽粕粉碎，加水浸提其中的有效凈水成分，然后將浸提液用于水處理［8］.目前，因辣木籽成分極其復(fù)雜，現(xiàn)有的研究通常著重考慮浸提液對目標(biāo)物質(zhì)的去除效果，而忽略了辣木籽對水質(zhì)可能造成的影響［9～13］，這些影響會限制其在水質(zhì)凈化工程方面的應(yīng)用.由于辣木籽能去除水中多種污染物，本研究選擇水中的濁度為研究對象，考察不同用量的粗提液對濁度的去除效果，以及粗提液的用量對水質(zhì)產(chǎn)生的影響，以期對辣木籽粗提液作為凈水劑的應(yīng)用提供參考.

1 材料與方法

1.1 模擬濁度水的制備

將10 g高嶺土加入100 mL蒸餾水中，在濕式球磨機中研磨20 min，研磨漿液過200目篩后定容至1 000 mL，陳化24 h備用.試試驗時，采用蒸餾水將上述漿液稀釋至成低、中、高3種濁度，對應(yīng)的濁度分別為25，80，150 NTU.

1.2 辣木籽粕粗提液的制備

辣木籽粕由云南辣木種植基地提供.采用家用粉碎機將辣木籽粕粉碎，40℃烘箱中干燥48 h，取出后過100目篩.取經(jīng)上述處理的辣木籽粕粉10 g，加入50 mL蒸餾水，在磁力攪拌器上攪拌浸提10 min，接著采用4層無紡布過濾，濾液定容至500 mL，此濾液即為辣木籽粕粗提液(以下簡稱粗提液)，采用該粗提液作為混凝劑進行試驗.

1.3 混凝試驗

取1 000 mL濁度為25 NTU的原水加入燒杯中，向其中加入10 mL辣木籽粕粗提液，采用六聯(lián)攪拌器快速攪拌30 s，攪拌速度200 r·min-1，接著慢速攪拌15 min，攪拌速度20 r·min-1.攪拌結(jié)束后開始計時，在不同時刻采用大注射器從燒杯液面下2 cm取樣，測定取樣中的濁度，CODMn和硝態(tài)氮，以考察粗提液對濁度的去除效果以及對水質(zhì)的影響.改變粗提液的用量分別為20，30，40 mL，重復(fù)上述試驗.改變初始濁度分別為80 NTU和150 NTU，并分別加入 10，20，30，40 mL 的辣木粗提液，重復(fù)上述試驗.以上每個不同的濁度均設(shè)同濁度但未投加粗提液的原水作對照試驗.

1.4 砂濾試驗

在用大注射器取樣后，采用蠕動泵(天津協(xié)達偉業(yè)電子有限公司，BT-01)型)從液面下2 cm抽水，蠕動泵的出水自上而下經(jīng)沙濾柱過濾，用燒杯收集砂濾柱出水，并測定水樣的濁度，以考察砂濾對濁度的強化去除效果.

濾柱采用PVA材質(zhì)的飲用水管制作，管子內(nèi)徑為3 cm，內(nèi)填經(jīng)稀鹽酸浸泡，并用自來水洗凈的石英砂.過濾裝置如圖1所示.

圖1 過濾裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of laboratory scale sand filter

1.5 測定指標(biāo)及方法

濁度采用濁度儀測定(WGZ-1型數(shù)字濁度儀，上海珊科儀器廠);CODMn和硝態(tài)氮采用均按照國標(biāo)法進行測定［14］;pH值采用pH計測定(PHS-3C型，上海理達儀器廠).

2 結(jié)果與分析

2.1 粗提液用量對濁度去除的影響

不同粗提液投加量對濁度去除效果的影響如圖2所示.從圖2可以看出，3組試驗的相同之處在于，對照組的濁度都隨著試驗的進行緩慢下降，這是構(gòu)成水中濁度的高嶺土顆粒在重力作用下自然沉降的結(jié)果.3組試驗的不同之處在于，對于初始濁度為25 NTU的試驗組，當(dāng)分別投加了10，20，30，40 mL的粗提液后，沉淀30 min時水的濁度不降反升，4種用量對應(yīng)的濁度分別為44，54，38，59 NTU，這是因為粗提液中含有的辣木籽粉的微細(xì)顆粒分散在水中，形成濁度.在沉淀30 min后，水的濁度開始下降，到試驗結(jié)束時(330 min)，4種粗提液用量下對應(yīng)的濁度分別為 32，24，9.7 ，9.2 NTU，對照試驗的濁度為20 NTU.對于初始濁度為80 NTU和150 NTU的2個組而言，4種粗提液用量處理下的水濁度則呈現(xiàn)出一直下降的趨勢，且在最初30 min內(nèi)下降顯著，沉淀時間為30 min時，初始濁度為80 NTU組的濁度分別為28，22，19，18 NTU，初始濁度為150 NTU組的濁度分別為16.6，16.1，5.1，14 NTU.試驗結(jié)束時的 330 min，初始濁度為80 NTU的試驗組，在4種粗提液用量下的對應(yīng)濁度分別為 14.3，12.8，12.2，11.3 NTU;初始濁度為150的試驗組的相應(yīng)濁度分別為13.9，12.9，12.2，12.1 NTU.

試驗結(jié)果表明，對于試驗設(shè)置的3種不同初始濁度的原水，粗提液用量越大，濁度去除效果越好.對于低濁度的原水，當(dāng)粗提液用量過低時，其處理后的濁度可能高于原水;而對于中高濁度的原水，經(jīng)不同用量的粗提液處理后的水的濁度相差不大，而且都遠(yuǎn)低于原水濁度.

2.2 砂濾對濁度的強化去除

圖2 辣木籽粕粗提液用量對濁度去除的影響Fig.2 Effects of CEMOSM dose on turbidity removal

從試驗結(jié)果可以看出，辣木粗提液確實能夠有效去除水中的濁度，但試驗雖然將沉淀時間延長至330 min，單靠粗提液的絮凝沉淀作用很難將水的濁度處理到生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定濁度≤3 NTU的限值［15］，因此，采用輔助工藝強化經(jīng)粗提液處理水的殘余濁度就顯得非常必要.在地表水處理工藝中，砂濾通常用在混凝沉淀之后，用于強化去除水中殘留的濁度.本研究對經(jīng)過10，20，30，40 mL粗提液絮凝并沉淀后的上述3種濁度進行了砂濾處理，濾后水的濁度如圖3所示.

圖3 砂濾對對濁度去除的影響Fig.3 Effects of sand filtration on turbidity removal

圖3-a顯示，對于初始濁度為25 NTU的原水，對于粗提液用量為10 mL和20 mL的試驗組，沉淀時間為30 min時，濾后水的濁度已降至3 NTU之下，而對于粗提液用量為30 mL和40 mL的試驗組，只有當(dāng)沉淀時間延長至150 min時，濾后水的濁度才降至3 NTU之下.如前所述，對于低濁度原水，投加了粗提液后其濁度會出現(xiàn)暫時的升高現(xiàn)象，對此時段內(nèi)的水樣進行過濾，其濁度可以穿透濾柱，造成濾后水濁度超標(biāo).在試驗條件下，對于低濁度原水，沉淀150 min后過濾，濾后水濁度方能達標(biāo).

圖3-b和3-c表明，對于初始濁度為80 NTU和150 NTU的原水，從沉淀時間30 min開始，除少數(shù)點外濁度在3～5 NTU之間，其他所有點的濾后水的濁度都低于3 NTU.在試驗條件下，對于中高濁度組，沉淀30 min進行過濾，濾后水濁度即可達標(biāo).

以上結(jié)果表明，采用粗提液作為混凝劑，采用混凝+沉淀+過濾的工藝能能夠有效地去除水中的濁度，使處理水濁度達標(biāo).

2.3 粗提液對處理水水質(zhì)的影響

粗提液成分非常復(fù)雜，因此在采用粗提液去除水中濁度的同時，有可能會向飲用水中引入新的物質(zhì).本研究選取了CODMn和硝態(tài)氮2個指標(biāo)作為研究對象，選擇這個2個指標(biāo)是因為這2種物質(zhì)在粗提液中的含量都比較高，水中COD含量過高，會影響水質(zhì)的生物穩(wěn)定性，從而引起水質(zhì)腐敗，而過大量的硝態(tài)氮對人有致癌可能，且可能造成水體富營養(yǎng)化.

對于初始濁度為25 NTU的原水，采用了10，20，30，40 mL的粗提液進行了混凝+沉淀+砂濾的處理，對濾后水中的CODMn和硝態(tài)氮進行了測定，其含量如圖4所示.從圖4可以看出，CODMn和硝態(tài)氮的含量都沒有出現(xiàn)明顯的隨時間下降或者上升的趨勢，但是總的來說處理水中2種物質(zhì)的含量都隨粗提液的用量加大而增加，這說明從粗提液溶入水中的物質(zhì)只和粗提液的用量有關(guān)而與反應(yīng)時間無關(guān).一旦粗提液加入水中后，粗提液不再向水中持續(xù)釋放2種物質(zhì)，同時釋放進入水中的2種物質(zhì)也不會被粗提液中的有效凈水成分去除.

圖4 絮凝沉淀時間對濾后水水質(zhì)的影響Fig.4 Effects of settlement time on filtered water quality

粗提液用量對濾后水質(zhì)的影響如圖5所示.從圖5可以看出，濾后水中CODMn和硝態(tài)氮的濃度都隨粗提液用量增加而升高.圖5-a表明，在試驗設(shè)定的4組辣木粗提液用量下，水中殘留的CODMn最低為 21.5 mg·L-1，最高則為 102.7 mg·L-1.辣木籽已經(jīng)作為一種食物被廣泛使用，雖然其成分對人體無害，但是水中過高的有機物會造成微生物的大量繁殖以及水質(zhì)腐敗.因此，若以辣木籽粗提液作為凈水劑時，則在混凝沉淀之后應(yīng)有合理的方法有效去除水中的有機物，這將是后續(xù)研究的重點.

圖5-b表明，在試驗條件下，水中的硝態(tài)氮最低為 1.5 mg·L-1，最高為 6.6 mg·L-1.

圖5 粗提液用量對濾后水水質(zhì)的影響Fig.5 Effects of CEMOSM dosage on filtered water quality

3 結(jié)論

采用無紡布過濾得到的辣木籽粕粗提液能夠有效去除水中的濁度.對于初始濁度為25 NTU的低濁度原水，在投加了粗提液后，其濁度隨沉淀時間延長而先升后降，而對于初始濁度為80 NTU和150 NTU的中、高濁度原水，其濁度則隨沉淀時間延長一直下降.粗提液對中高濁度的混凝效果好于低濁度，在試驗結(jié)束時，水中殘余的濁度都隨粗提液用量的增加而降低，對于低、中和高3種濁度原水，殘余濁度最小值分別為 9.2，11.3，12.1 NTU.砂濾能夠有效去除混凝、沉淀后水中的濁度，中、高濁度原水沉淀30 min后過濾，出水濁度低于3 NTU，而低濁度原水沉淀150 min后過濾，出水濁度才低于3 NTU.辣木籽粕粗提液會引起處理水中CODMn含量升高，本試驗條件下最高可達102.7 mg·L-1.因此，辣木籽粗提液不適合作為大規(guī)模供水的凈水劑，適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)家用凈水，且處理水應(yīng)當(dāng)盡快使用，以防變質(zhì).而作為污水處理的藥劑時，必需有后續(xù)工藝去除水中有機物，以避免直接排放對水體造成的污染.

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