《Process Safety and Environmental Protection》：Investigation of polyurethane sponges in intermittent slow sand filtration:
Moringa oleifera, water quality and toxicity
编辑推荐：
间歇慢沙滤器（ISSF）优化研究，整合莫桑戈种子预处理与多泡海绵滤层，评估水质、毒理及运行性能。结果显示TDS和pH达标，大肠杆菌去除率达100%，但DW和PS组合对大型溞急性毒性显著（90-95%死亡率）。滤层生物稳定化降低溶解氧（均值4.1 mg/L）和浊度（均值10 NTU），PS延长过滤周期但需定期刮洗。该技术为缺水偏远社区提供低成本水质净化方案。
Mirella Klausen da Silveira | Beatriz Silvestre Puchalski | Alana Rafaela Batista Leite | William Gerson Matias | Bruno Segalla Pizzolatti
饮用水实验室（LAPOA）。圣卡塔琳娜联邦大学（UFSC）卫生与环境工程系，大学校区，弗洛里亚诺波利斯，圣卡塔琳娜州，88040-900，巴西
摘要
在许多偏远社区，缺乏饮用水是一个严重问题，这些社区的水资源管理和卫生条件都十分困难。间歇式慢速砂滤器（ISSF）等替代技术有望改善水质。本研究通过将Moringa oleifera种子用于预处理来生产净化水（DW），并在滤床上添加聚氨酯海绵（PS），从而优化了ISSF的家庭使用效果。评估了四种ISSF配置在水质、毒性和操作方面的表现。在345天的实验期间，每个ISSF每天处理约1.3升水。只有总溶解固体和pH值达到了最低的饮用标准，而溶解氧和浊度的降低表明水质已达到生物稳定状态。混凝与ISSF结合使用后，能够100%去除大肠杆菌（p ≤ 0.05）。Lactuca sativa未显示出毒性（发芽指数：87.11–113.33%，p ≤ 0.05）。然而，在含有PS的样本中，Daphnia magna表现出显著的急性毒性（p ≤ 0.05），死亡率分别为90–95%和40%；而结合预处理的滤器则减轻了这种毒性。长期暴露于含有DW的水中会导致100%的死亡率，而含有PS的滤器虽然仍能维持90%的存活率，但会抑制生物生长（p ≤ 0.05）。添加PS延长了滤器的使用寿命，而单独增加刮擦频率在一段时间后仍无法有效疏通堵塞的滤器。我们的研究结果为缺乏适当水处理和供应的社区提供了使用该技术的可能性，同时毒性测试也为相关配置提供了额外信息。
引言
随着对饮用水需求的增加，获取这一资源的不平等和不安全性问题日益严重。尽管2015年至2022年间全球安全管理的饮用水覆盖率显著提高（从59%升至73%（联合国儿童基金会，2023年），但仍需开发新的技术和处理方法以满足人类消费所需的水质和数量标准（巴西，2021年；世界卫生组织，2017年），尤其是对于那些仍面临安全公平获取挑战的社区而言。
家庭使用的间歇式慢速砂滤器（ISSF）是一种分散式处理技术的例子，该技术源于传统慢速砂过滤法的改进（Manz等人，1993年）。研究人员指出，这种技术具有规模扩大、处理效率提高、维护和操作简便等优点（Chen等人，2021年；Freitas等人，2022年；Napotnik等人，2021年；Trikannad等人，2023年）。然而，由于对原水（RW）质量要求较高以及滤器堵塞需要定期维护，这些优点可能会阻碍潜在用户的使用（Andreoli和Sabogal-Paz，2020年；Freitas等人，2023年；Maciel和Sabogal-Paz，2020年）。
为了解决这些问题，一些研究人员提出了结合预处理的间歇式慢速砂过滤技术，包括混凝处理（通过化学预处理）以及在滤床上添加材料（物理预处理）（Curry等人，2020年；Souza Freitas和Sabogal-Paz，2020年）。
20世纪70年代，Samiia Jahn发现Moringa oleifera种子中含有一种阳离子蛋白（Shah等人，2024a）。自那时起，这些种子成为研究最多的天然混凝剂之一，主要因其含有分子量在6.5至30 kDa之间的阳离子蛋白以及较高的等电点（10至11）（Andrade等人，2021年；El Gaayda等人，2022年；Kisakye等人，2023年；Madrona等人，2012年；Muthuraman和Sasikala，2014年；Ntibrey等人，2020年）。这些特性使得种子粉末成为一种有前景且廉价的植物基替代品，可以替代传统的铝盐和铁盐等化学混凝剂（Yamaguchi等人，2021年）。
尽管天然混凝剂有助于提高原水质量，但ISSF仍需定期维护，这限制了该技术的应用。在滤床上添加材料是另一种预处理方法（Freitas等人，2023年；Maciel和Sabogal-Paz，2020年）。这一额外层在过滤介质中起到第一道屏障的作用，优化了清洁效果并减少了传统刮擦的频率。
在本研究中，我们通过将Moringa oleifera种子和聚氨酯海绵（PS）的预处理集成到间歇式慢速砂过滤系统中，对其效果进行了测试。比较了四种配置，并评估了物理、化学、生物和毒理学参数。我们旨在将ISSF技术应用于质量低于推荐标准的原水，同时提供了实用的操作手册以帮助实际应用。
研究区域
本研究在巴西圣卡塔琳娜州的弗洛里亚诺波利斯市圣卡塔琳娜联邦大学（UFSC）进行，坐标为27°35'59.2"S 48°31'09.7"W。原水每天从UFSC校区内的一个湖泊中采集，该湖泊面积为77平方米，深度为1.5米（图1）。
根据巴西国家环境委员会（CONAMA）第357/2005号决议，该湖泊的水质属于第四类，适用于限制较少的用途。
水质参数
表1列出了水质参数的值，并将其与国家标准（巴西，2021年）和世界卫生组织（WHO，2017年）的标准进行了比较，同时还包括了这些法规未涵盖的其他参数。图4展示了监测期间原水、净化水和过滤样品的各项参数值。
根据Kruskal–Wallis检验，除温度外，所有参数在不同配置间均存在显著差异。
结论
单独使用慢速砂过滤或结合预处理的方法未能始终满足巴西和世界卫生组织的物理化学标准，但使用混凝剂预处理的配置能够可靠地去除大肠杆菌，这与Moringa oleifera的抗菌特性及其慢速砂过滤器的病原体去除能力相符。
随着时间的推移，通过监测溶解氧和浊度的下降，表明滤器已达到成熟状态，水质趋于稳定。
未引用的参考文献
(APHA, 2012; Mioduski, 2014)
CRediT作者贡献声明
Mirella Klausen da Silveira：撰写 – 审稿与编辑；撰写 – 初稿；软件开发；资源管理；项目协调；方法论设计；数据整理；概念构建。
Beatriz Silvestre Puchalski：撰写 – 审稿与编辑；撰写 – 初稿；软件开发；数据整理。
Alana Rafaela Batista Leite：撰写 – 审稿与编辑；资源管理；方法论设计；数据整理。
William Gerson Matias：撰写 – 审稿与编辑；数据可视化。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了高等教育人员协调办公室（CAPES）的支持，资助对象为Mirella Klausen da Silveira和Beatriz Silvestre Puchalski。Alana Rafaela Batista Leite感谢巴西国家科学技术发展委员会（CNPq）（项目编号16815/2022-0）的资助。William Gerson Matias感谢CNPq提供的研究生产力资助（项目编号302876/2019-7）。
