Moringa oleifera Lam 作为一种生物絮凝剂，用于处理巴西亚马逊地区亚马逊河的水质 Michelle Silva Santos、 André Bacelar Rodrigues、 Bruna de Oliveira Barros、 Paulo Gibson Farias Bezerra、 Lucas Pedroza de Souza、 Lina Bufalino 和 Karina Cardoso Valverde

《Processes》：Moringa oleifera Lam as a Biocoagulant in the Treatment of Water from the Amazon River in the Amazon Region, Brazil Michelle Silva Santos, André Bacelar Rodrigues, Bruna de Oliveira Barros, Paulo Gibson Farias Bezerra, Lucas Pedroza de Souza, Lina Bufalino and Karina Cardoso Valverde

　　摘要
从辣木（Moringa oleifera Lam）种子中提取的生物混凝剂是水澄清的可持续替代品，但需要针对亚马逊河的浑浊水体进行调整制备。本研究比较了三种从辣木种子制备的混凝剂在澄清巴西阿马帕州马卡帕（Macapá）海岸采集的水样时的有效性：粉末（B1）、盐溶液（B2）和水溶液（B3）。实验采用罐式测试方法（快速搅拌100转/分钟3分钟，慢速搅拌20转/分钟15分钟），剂量范围为20至200毫克/升（mg·L?1），沉降时间介于10至60分钟之间。优化后的条件分别为：B1为80毫克/升/20分钟，B2为40毫克/升/30分钟，B3为40毫克/升/40分钟。最大去除效果如下：浊度（92.6%）、色度（79.4%）、氯化物（70.9%）、氨（81.2%）、铝（99.1%）、铜（85.4%）、铁（85.8%）和锰（100.0%）。盐溶液的效果最佳。过滤工艺进一步改善了处理后的水质。研究表明，辣木混凝剂能有效去除亚马逊河中的污染物，是一种绿色、可持续且成本较低的技术。然而，为了提高水质的微生物安全性，还需进行消毒处理。

1. 引言
获得安全、符合质量标准的饮用水对全球公共卫生、人民福祉和可持续发展至关重要[1]。亚马逊盆地拥有世界最大的淡水资源[2]，但这种丰富的水资源并不自动保证向民众提供安全处理的水。例如，在巴西北部地区，马卡帕市仍有45.6%的人口无法获取饮用水[3]。传统的水处理系统通常包括混凝、絮凝、沉淀、过滤和消毒等步骤以达到现行饮用水标准[4]。其中，混凝和絮凝对水澄清效果至关重要。混凝过程有助于中和水中的胶体颗粒电荷[5]，而絮凝则使这些颗粒聚集成更大、更密集的絮体[6,7]，从而便于后续步骤中的去除。因此，混凝-絮凝单元显著提升了整个处理系统的效率，优化了色度、浊度、有机物和微生物的去除效果[5,6,7,8]。接下来，沉淀步骤使絮体沉降，过滤步骤则进一步滞留剩余颗粒，消毒步骤确保病原体的清除[8]。
常用的化学混凝剂基于铝盐和铁盐，但它们可能影响水质、产生有毒废物并腐蚀设备[6,9,10]。此外，这些金属（尤其是铝）的积累对人体健康有害[11,12]。鉴于这些影响，人们对来自可再生生物质的天然混凝剂（生物混凝剂或生物聚合物）兴趣日益增加，因为它们可生物降解、毒性低且高效。使用这些混凝剂产生的废物较少，副产品可用作肥料[10,13,14]。由于辣木（Moringa oleifera Lam）种子含有约40%的蛋白质，使其成为最有前景的天然混凝剂之一[14,15]。这些蛋白质具有高电荷结构和高分子量，赋予了其混凝活性[16]。其物理化学作用原理是通过蛋白质吸附实现电荷中和[10,17,18,19]。此外，辣木还具有抗菌特性，能够灭活大肠杆菌等病原菌[13,20]。
多项研究证实了辣木在水处理中的有效性，无论是以粉末形式还是溶液形式[21,22,23,24,25,26]。然而，原水质量、混凝剂浓度和制备方法等因素会直接影响处理效果，因此确定这些要素的理想组合以优化处理过程十分关键[19]。在亚马逊地区，这一挑战更加突出，因为该地区的水体浊度高、有机物含量大且季节变化显著[27]。这些条件要求采取特殊措施确保天然混凝剂的有效运行，凸显了使用适合当地环境的制备方法的重要性。
因此，本研究旨在比较三种不同制备方法的辣木种子混凝剂在澄清亚马逊河沿岸水体方面的有效性。研究重点在于优化剂量和沉降时间，并通过过滤步骤进一步提高水质。

2. 材料与方法
2.1. 水样采集
原水样品采集自亚马逊河马卡帕（AP）岸边，地理坐标为北纬0°00′55.6″、西经51°03′22.8″（图1）。大约100升水直接从河面采集并储存在25升容器中，置于巴西库里蒂巴（Curitiba）的Gelopar（GHBS 411L）冷冻箱中保存，直至实验进行。
2.2. 生物混凝剂的制备
辣木种子去壳后制成粉末，称重15克（Ohaus, PA214CP, Newark, NJ, EUA），在40°C的烤箱（Vulcam, EESCRA-1150-BI, Araucária, PR, Brazil）中干燥至恒重（12–24小时），然后在搅拌机（Mondial, L-550-B, Manaus, AM, Brazil）中搅拌2分钟[26]。该粉末既可直接用作混凝剂，也可用于制备盐溶液和水溶液。溶液的浓度为1%（重量/体积，w/v）。盐溶液使用1 M NaCl溶液（Alphatec, S?o Bernardo do Campo, SP, Brazil），水溶液使用蒸馏水。每种溶液在搅拌机（Mondial, L-550-B, Manaus, AM, Brazil）中搅拌2分钟后，再用磁力搅拌器（Ion, HJ-5, Changzhou, China）搅拌30分钟。之后通过定性滤纸（Nalgon, Itupeva, SP, Brazil）过滤，滤纸规格为80克/平方米（g·m?2），直径9厘米[28]。
2.3. 凝聚、絮凝和沉淀试验
澄清试验采用六单元罐式测试装置（Milan, 603M6, Colombo, PR, Brazil）进行。每个烧杯加入2升室温水（25 ± 2°C）。操作条件设定为快速搅拌100转/分钟3分钟进行混凝，随后慢速搅拌20转/分钟15分钟进行絮凝。这些参数基于先前的研究确定，能有效促进具有类似物理特性的水体的絮体形成和稳定[26]。
施加的剂量分别为20、40、60、80、100、120、140、160、180和200毫克/升（mg·L?1）。沉降时间间隔为10、20、30、40、50和60分钟，每个剂量重复三次。同时设置了一个未添加混凝剂的对照组。
2.4. 优化条件的确定
在优化阶段，根据色度和浊度的去除情况评估每种制备方法的理想剂量和沉降时间。所有分析均重复三次，数据使用Minitab统计软件（Minitab, LLC, State College, PA, USA）处理，并绘制等高线图以确定最佳条件。
2.5. 过滤
优化后，使用预先确定的最佳剂量和沉降时间重复试验，随后进行过滤处理。过滤装置采用快速下流式双介质过滤器，由一根高28厘米、直径6厘米的塑料管构成。滤料由40%的砂（0.6–1.2毫米）和60%的无烟煤（0.9–1.0毫米）组成，底部铺有4厘米厚的砾石。采用的水力负荷率至少为240立方米/平方米·天（m3·m?2·day?1[26,29]），总水头为7.7厘米。过滤时间为7分钟，样品在运行5分钟后采集（图2）。
2.6. 物理化学和微生物分析
对原水、优化条件下的澄清水及过滤水进行了以下物理化学和微生物参数的分析：色度（uH）、浊度（NTU）、氯化物（Cl?）、氨（NH3）、pH值、铝（Al）、铜（Cu）、铁（Fe）、锰（Mn）、总大肠菌群和大肠杆菌（E. coli），分析方法参考《水和废水检测标准方法》[30]。所用设备包括：分光光度计（Hach, DR3900, Düsseldorf, NW, Germany）、浊度计（Akso, Turbimax, S?o Leopoldo, RS, Brazil）、pH计（Hach, HQ4300, Loveland, CO, USA）、细菌培养箱（Odontobras, ECB 1.1, Ribeir?o Preto, SP, Brazil）和紫外灯箱（UV, Piracicaba, SP, Brazil）。整个实验方法流程见图3。

3. 结果与讨论
3.1. 剂量和沉降参数的优化
对于辣木粉末，20毫克/升的剂量效果较低，与对照组（0毫克/升）相当。相比之下，40至100毫克/升的剂量显著去除了色度和浊度。当剂量介于120至200毫克/升时，去除效率趋于稳定（图4和图5）。原始水的色度为（797.6 ± 1.53）uH，浊度为（94.3 ± 2.08）NTU。实验中沉降时间介于10至60分钟之间。对照组（0毫克/升）的去除率分别为色度（1.5 ± 1.96）%至（18.6 ± 0.47）%、浊度（13.3 ± 1.40）%至（28.9 ± 0.78）%，低于使用辣木混凝剂时的效果。文献中报道的最大无混凝剂去除浊度为39.0%[17]。根据Ordinance GM/MS n°. 888/2021，饮用水的色度允许值不超过15 uH，浊度不超过5 NTU[31]。因此，使用辣木种子等混凝剂对于提高水质至关重要[32]。
20毫克/升的剂量下，色度去除率仅为（11.8 ± 2.47）%至（29.7 ± 1.39）%，表明颗粒聚集效果不佳[33]。合适的混凝剂剂量对于形成絮体、有效去除杂质至关重要[34]。40毫克/升的剂量下，色度去除率为（72.0 ± 0.26）%至（79.4 ± 0.71）%，浊度去除率为（61.5 ± 0.96）%至（67.5 ± 0.27）%。剂量增加到60毫克/升时，色度去除率提高到（88.8 ± 0.63）%至（93.6 ± 0.65）%，浊度去除率提高到（75.3 ± 0.43）%至（81.1 ± 0.18）%，效果显著改善。类似的结果也在巴西马林加（Maringá, PR）的皮拉波河（Pirapó River）得到验证，使用50毫克/升的辣木剂量时，色度和浊度的去除率分别为79.8%和84.0%[28]。
剂量提高到80毫克/升和100毫克/升时，色度和浊度的去除率分别达到（91.1 ± 1.01）%至（97.4 ± 0.40）%和（77.0 ± 1.44）%至（89.0 ± 0.12）%，这是因为有更多蛋白质可形成稳定絮体[35]。当剂量在120毫克/升至200毫克/升之间时，去除效率趋于稳定或略有下降，色度去除率在（80.0 ± 1.69）%至（97.4 ± 0.22）%之间，浊度去除率在（63.9 ± 1.65）%至（85.1 ± 0.50）%之间。这种趋势可能与溶液中蛋白质过量有关，过多的蛋白质会提供额外的正电荷，改变悬浮液的Zeta电位，阻碍絮体的形成[18]。
沉降时间对去除效率至关重要，20至30分钟的沉降时间效果最佳，尽管超过60分钟仍可继续提升效率[36,37]。然而，即使使用较短的处理时间，如果絮凝剂的制备方法和水的特性合适，也能够实现良好的净化效果 [23]。根据这一发现，实验结果表明，表观颜色和浊度的去除率会随着剂量和沉淀时间的不同而变化，这与 [38,39] 的研究结果一致。含有盐分的老鹰茶溶液在去除表观颜色和浊度方面表现出很高的效率，即使在剂量为 20 mg·L?1 至 40 mg·L?1 的情况下也是如此。当剂量超过 60 mg·L?1 时，效果仍然稳定，并且在 200 mg·L?1 以下仍然保持稳定。关于沉淀时间，20 至 30 分钟的时间已经足够达到与较长沉淀时间相当的效果（见图 6 和图 7）。图 6：使用含盐老鹰茶溶液作为生物絮凝剂时，表观颜色去除率与剂量的关系。图 7：使用含盐老鹰茶溶液作为生物絮凝剂时，浊度去除率与剂量的关系。在剂量为 20 mg·L?1 时，表观颜色的去除率在 (73.8 ± 0.32)% 至 (78.8 ± 0.94)% 之间，浊度的去除率在 (63.2 ± 0.69)% 至 (68.9 ± 0.37)% 之间。剂量为 40 mg·L?1 时，表观颜色的去除率在 (89.0 ± 1.78)% 至 (94.7 ± 0.52)% 之间，浊度的去除率在 (75.4 ± 1.07)% 至 (86.6 ± 0.06)% 之间，表现出良好的性能。从剂量 60 mg·L?1 到 200 mg·L?1，表观颜色的去除率在 (61.5 ± 1.43)% 至 (97.4 ± 0.95)% 之间变化，而浊度的去除率在 (52.7 ± 1.21)% 至 (93.1 ± 0.94)% 之间变化。总体而言，先前的研究已经观察到含盐老鹰茶溶液在处理水方面的有效性，其中浊度的去除率可达 90.0% [17]，表观颜色的去除率为 82.9% [28]。实验还发现，尽管增加沉淀时间可以提高效果，但在剂量为 20 mg·L?1 至 40 mg·L?1 的范围内，无论沉淀时间仅为 20 至 30 分钟，其去除率都与 60 mg·L?1 至 200 mg·L?1 的剂量范围内的效果相似。这种性能与 NaCl 的作用有关，NaCl 可以增强絮凝剂的活性 [21]。因此，使用较低剂量并结合较短沉淀时间更为有利 [38]。在本研究中，含盐溶液的性能优于老鹰茶粉末，这进一步证实了先前的研究结果，即含盐提取法的效率可提高 7.4 倍 [40]。这种性能与盐的添加所增加的离子强度有关，盐的添加可以提高蛋白质的溶解度，并使负责絮凝的活性化合物更易于发挥作用 [17,41]。虽然老鹰茶粉末的絮凝机制倾向于吸附和电荷中和 [10,42]，但其在含盐溶液中的激活机制尚未完全明了，需要进一步研究 [28]。相比之下，水基老鹰茶溶液在去除表观颜色和浊度方面的效果较低，即使剂量增加到 20 mg·L?1 至 200 mg·L?1。此外，沉淀时间对结果没有影响，表明这种方法在水净化过程中的效率较低（见图 8 和图 9）。图 8：使用水基老鹰茶溶液作为生物絮凝剂时，表观颜色去除率与剂量的关系。图 9：使用水基老鹰茶溶液作为生物絮凝剂时，浊度去除率与剂量的关系。剂量在 20 至 200 mg·L?1 之间，表观颜色的去除率在 (3.9 ± 1.93)% 至 (24.0 ± 1.23)% 之间，浊度的去除率在 (13.2 ± 0.55)% 至 (33.3 ± 0.22)% 之间，与对照组相比表现相似。增加沉淀时间并未带来显著改善，因为形成的絮体较小且结构松散，这阻碍了水的净化 [7]。较高的蛋白质浓度与较高的絮凝剂活性相关，而用水提取则会导致蛋白质浓度降低，从而降低絮凝剂的效果 [43]。絮凝剂蛋白质在水介质中的溶解度有限，而含盐溶液可以促进更好的提取和效果。在这种情况下，水基制备方法在所评估参数上的去除率低于老鹰茶粉末和含盐溶液 [41]。在之前比较不同老鹰茶基生物絮凝剂制备方法的研究中也观察到了类似的结果。水基溶液的表观颜色去除率为 35.5%，浊度去除率为 60.5%。相比之下，老鹰茶粉末的去除率分别提高了 44.3% 和 23.5%，达到 79.8% 和 84.0%。含盐溶液的性能更高，去除率分别提高了 47.4% 和 28.8%，超过 80.0% [28]。这些发现进一步证明了在利用老鹰茶作为天然絮凝剂处理原始地表水时，水基方法的劣势。根据等高线图（见图 4、图 5、图 6、图 7、图 8 和图 9），确定以下剂量和沉淀时间的组合为最佳点：老鹰茶粉末为 80 mg·L?1，沉淀时间为 20 分钟；含盐溶液为 40 mg·L?1，沉淀时间为 30 分钟；水基溶液为 40 mg·L?1，沉淀时间为 40 分钟。老鹰茶生物絮凝剂制备方法之间的性能差异主要与絮凝剂蛋白质的溶解度和介质的离子强度有关。在粉末状絮凝剂中，活性化合物在处理过程中逐渐释放，有利于快速形成絮体，因此沉淀时间较短。在含盐溶液中，NaCl 的添加提高了蛋白质的溶解度和电荷中和能力，从而在较低剂量下形成更大、更稳定的絮体。这种优越性与活性蛋白质的高浓度和作为支撑电解质的氯离子的存在有关。这些离子减少了包围胶体颗粒的双电层厚度，促进了它们的聚集和絮凝。相比之下，在水溶液中，蛋白质在蒸馏水中的溶解度较低，限制了絮凝剂的作用，导致形成的絮体较小且密度较低，需要更长的沉淀时间才能达到满意的去除效果 [10,21,41,42]。3.2. 传统水处理使用这三种絮凝剂后，明显颜色和浊度都显著降低，通过后续过滤，整体水质得到改善。然而，种子粉末和含盐溶液的去除效果远优于水基溶液。唯一增加的化学参数是含盐溶液中的氯离子浓度。尽管进行了净化和过滤，微生物参数仍然较高（见表 1）。表 1：使用不同老鹰茶生物絮凝剂处理后水质参数及其减少量（↓）。老鹰茶粉末显著降低了表观颜色和浊度；然而，即使经过过滤，最终值也未达到 Ordinance GM/MS n°. 888/2021 规定的限值 [31]。含盐溶液的表现更好，过滤后的表观颜色为 (8.67 ± 1.53) uH，浊度仅高于允许水平 0.9 NTU。水基溶液过滤后进一步减少了 32.1% 的表观颜色和 20.7% 的浊度，这些数值也超过了允许限值。所有制备方法中的氯离子浓度均低于法定限值 250 mg·L?1。在含盐溶液中，由于添加了 NaCl，氯离子浓度显著升高，但仍在允许范围内。所有制备方法处理后，氨浓度均满足饮用标准，其中粉末形式过滤后额外减少了 29.1%，含盐溶液过滤后减少了 3.2%，水基溶液过滤后减少了 7.0%。pH 值在所有老鹰茶制备方法中保持稳定，证实其使用不会显著改变该参数，这与先前的研究结果一致 [25,28,40,44]。天然絮凝剂（如老鹰茶衍生物）的一个优点是它们的有效性不受 pH 值变化的影响，并且能够保持处理后水的 pH 值基本不变，这与无机絮凝剂不同 [45]。这种特性在后续处理步骤（如氯化处理）中特别有益，因为使用老鹰茶后通常观察到的中性 pH 值在 6.5 到 7.5 的范围内，这是次氯酸（HOCl）形成的理想范围，而次氯酸是最有效的消毒剂 [46]。铝的去除效果在所有制备方法中都达到了现行法规规定的限值：粉末形式为 (99.1 ± 1.20)%，含盐溶液为 (98.2 ± 2.49)%，水基溶液为 (96.1 ± 3.57)%。铜的初始浓度已经在巴西法规规定的范围内，但在使用粉末制备方法处理过程中去除了 (56.3 ± 12.50)%；含盐溶液去除了 (81.3 ± 12.50)%，水基溶液去除了 (85.4 ± 13.01)%。在粉末制备方法中，铁的浓度未达到法定限值 0.3 mg·L?1，即使过滤后额外去除了 23.8%。含盐溶液在净化阶段就已经达到了限值，去除了 (85.8 ± 1.96%)；水基溶液虽然过滤后去除了 (66.8 ± 4.11%)，但铁的浓度仍高于允许限值。在粉末制备方法中，锰在过滤后去除了 18.2%，使其达到了人体可接受的限值。在含盐溶液中，锰在净化阶段被完全去除。在水基溶液中，过滤后去除 (79.1 ± 0.31%)，使参数符合巴西法规的限值。不同金属的去除效率因元素和不同制备方法而异。铝的去除效率在所有方法中都较高，这归因于老鹰茶蛋白质对三价离子的强亲和力 [47]。粉末和含盐溶液在去除重金属方面表现优异，成为处理受污染水体的有希望的替代方案 [48,49,50]。尽管效果稍逊一筹，水基溶液也显示出降低金属浓度的能力，这与先前的研究结果一致 [51,52]。由于原水中的总大肠菌群浓度过高，超过了设备的检测限值，因此无法评估老鹰茶在任何一种制备方法中的抗菌效果，尽管其潜力已在先前的研究中得到证实 [20,53]。进行稀释可能有助于更准确地分析结果。只有过滤后观察到大肠菌群的减少，其中粉末方法的去除率为 (>75.3 ± 4.69%)，含盐溶液的去除率为 (>33.3 ± 14.35%)，而水基方法在任何阶段都没有检测到去除效果。先前的研究报道，在尼日利亚的地表水处理过程中，净化阶段的大肠菌群去除率可达 85.9% [20]。其他研究强调了老鹰茶在改善水质方面的有效性，尽管并不能完全消除大肠菌群 [54]。在这种情况下，适当稀释样品对于准确评估净化过程中的大肠菌群去除效果至关重要。然而，某些因素可能干扰有效的微生物作用，例如初始水的浊度，这与季节性密切相关，直接影响了去除效率 [55]。此外，整个种子除了包含感兴趣的阳离子蛋白质外，还含有脂质和碳水化合物，这些物质在处理过程中可能会释放出来，形成溶解有机碳（DOC），从而促进微生物生长和消毒副产物的生成 [17]。这些因素强调了将老鹰茶与互补的消毒步骤结合使用的必要性，以确保处理后水的微生物安全，并评估三卤甲烷的形成 [29]。4. 结论剂量和沉淀时间影响使用老鹰茶进行水处理的效率，最佳结果分别为：粉末方法使用 80 mg·L?1，沉淀时间 20 分钟；含盐溶液使用 40 mg·L?1，沉淀时间 30 分钟；水基溶液使用 40 mg·L?1，沉淀时间 40 分钟。处理前，水中的氯离子和铜的浓度已经低于巴西法规规定的限值。在粉末状老鹰茶方法中，氨和铝在净化阶段达到了法定标准，过滤也使锰的浓度降至允许范围内。在含盐溶液方法中，氨、铝、铁和锰在净化和过滤过程中都达到了饮用标准，从而使表观颜色符合法定要求。在水基溶液方法中，净化对氨和铝有效，过滤使锰也符合现行法规的要求。在三种处理方法中，处理后的pH值均未出现显著变化。就微生物参数而言，所有方法和处理阶段对总大肠菌群和大肠杆菌的去除效果都不充分，这凸显了进行消毒以确保水质安全的必要性。观察发现，使用水溶液处理所得的结果不如使用粉末和盐溶液处理的效果。具体来说，使用水溶液去除这些参数（包括外观颜色、浊度、氯化物、氨、铝、铜、铁和锰）的效率分别比使用粉末方法低74.1%、46.4%、30.7%、8.9%、3.0%、0.0%和2.3%；而与盐溶液方法相比，这些效率则分别低73.2%、47.8%、0.0%、35.1%、2.1%、0.0%、21.2%和26.3%。尽管如此，辣木叶仍被证明是一种有效的混凝剂，能有效去除多种水质问题，成为一种具有前景且环保的水处理替代方案。其应用在环境和经济方面都具有多重优势，尤其是在传统水处理资源有限的地区。