použití rostlinných Biofilterů k čištění odpadních vod pro domácnost

Abstrakt

tento projekt testoval, zda „biofiltry“ —filtry založené na živých rostlinách-mohou být použity k odstranění běžných znečišťujících látek pro domácnost z vody. Postavil jsem dva biofiltry a použil je k čištění vody znečištěné pracím prostředkem na úroveň, při které by mohla být bezpečně vypuštěna do přírody. Testoval jsem odpadní vody na živé dafnie před a po filtraci, stejně jako s chemickými zkušebními proužky pro měření dusitanů, dusičnanů, tvrdosti, chloru, zásaditosti, pH, amoniaku a fosfátů. Obě metody ukázaly, že moje filtry zlepšily kvalitu vody. Výstup vody z biofiltrů udržoval živou dafnii i vodu z vodovodu. Můj experiment potvrdil, že biofiltry by mohly být životaschopnou součástí malého nebo domácího čištění vody. Rostlinné biofiltry mohou být použity k filtrování odpadních vod před jejich bezpečným vrácením do životního prostředí, k zajištění „šedé vody“ pro jiná použití než pro spotřebu nebo jako levné předfiltry pro efektivnější filtraci pitné vody. Rostlinné biofiltry jsou šetrné k životnímu prostředí a jsou přístupnější pro oblasti, které si nemohou dovolit průmyslovou technologii městské filtrace.

pozadí: nedostatek čisté vody

čistá voda je kritickým zdrojem, který se rychle stává vzácným, protože rostoucí populace spotřebovávají více a snižují dodávky znečištěním. Filtrování, čištění a jiné čištění odpadních vod pro zvýšení dodávek je nezbytné, ale tyto metody jsou drahé a vyžadují nadměrnou energii. Moderní léčebné procesy rozhodně nejsou organické, často vyžadují přidání dalších chemikálií do vody (např.) (Faust, 1998) předpokládal jsem, že přírodní filtry využívající rostliny a jejich související růstová média (a mikroflóra) by mohly filtrovat běžné znečišťující látky v domácnosti z odpadních vod. I když nepřináší pitnou vodu, filtrovaná voda může být dostatečně čistá, aby se bezpečně uvolnila do životního prostředí nebo znovu použila (např., spláchnout toaletu nebo umýt auto). Přírodní filtr má mnoho výhod a může být budoucí alternativou pro filtraci vody.

nebezpečné složky odpadních vod pro domácnost

použil jsem odpadní vody obsahující prací prostředek, běžnou znečišťující látku pro domácnost uvolňovanou do vody. Obsahuje mnoho chemických látek, které nejsou snadno rozloženy, a je nebezpečný pro ekosystém, protože zabíjí vodní život, kazí potravinový řetězec a ohrožuje lidské zdraví. Například fenoly nalezené v detergentech jsou toxiny, které způsobují rušivé žlázové účinky u lidí a zvířat, jako jsou genderové výměny u ryb a smrt přecitlivělým lidem. (IPSC Health Safety Guide 2011) Detergent také obsahuje povrchově aktivní látky, stavitelé, bělidla, fosfáty a další chemikálie, včetně dusičnanů, dusitanů a enzymů. Povrchově aktivní látky mají emulgační a dispergační vlastnosti a snižují povrchové napětí vody. Stavitelé, jako je tripolyfosforečnan sodný (STPP), odstraňují ionty vápníku a hořčíku přítomné v tvrdé vodě a půdě, čímž změkčují vodu a zbavují ji minerálů. Mezi další běžné toxické složky pracího prostředku patří bělidla, která zabíjejí důležité aniontové bakterie, a ropné destiláty (např. V pitné vodě fenoly rychle způsobily malignity u myší a potkanů. (Sixwise.com 2010) fosfáty v detergentu výrazně přispívají k poškození květů řas. Všechny tyto změny rovnováhy přírodních vodních systémů ovlivňují mikroorganismy, rostliny a větší zvířata, jako jsou ryby.

Příprava Biofiltrů

pomocí 20-galonového akvária, rozděleného na poloviny akrylovou bariérou, jsem postavil dva biofiltry, z nichž každý byl navržen tak, aby opakovaně cirkuloval odpadní vody běžnými odolnými živými rostlinami. Filtr na vodní bázi používal trpasličí leknín (Nymphaea) uložený v hromadě písku a plovoucích rostlin okřehek (Lemna minor) v asi pěti centimetrech vody. Přepážka rozdělila vodu do žlabu ve tvaru písmene U, a malé čerpadlo cirkulovalo vodu z jednoho konce U na druhý. Na základě mých měření tato voda cirkulovala rychlostí asi 7,5 litru za hodinu. Pozemní filtr používal ořechové trávy (Cyperus rotundus) vysazené ve vrstvách nečistot, písku a rašeliníku, vše na plátně a drátěném pletivu, aby se voda prosakující médiem shromažďovala níže. Druhé čerpadlo cirkulovalo tuto vodu čerpáním vody ze dna filtru do odkapávací linky protékající ořechovou trávou. Podle mých měření tato voda cirkulovala rychlostí asi 10,6 litru za hodinu, ale možná o něco pomaleji, když odkapávací linka ležela v hlíně.

hypotézy

předpověděl jsem, že pozemní biofilter bude úspěšnější, protože emuluje komunální filtr s mnoha vrstvami a prostředky filtrace v různých růstových médiích. Odkapávací linka a média dávají rostlinám a půdním bakteriím více času na působení na odpadní vodu. Pozemní rostliny také rostou rozsáhlejší kořenové systémy. (Některé kořeny se táhly až do sběrné komory.) Předpovídal jsem, že biofiltr na bázi vody bude fungovat méně dobře, protože voda protékala rostlinami rychleji a rostliny byly také přímo vystaveny znečišťujícím látkám, které měly malé nebo žádné růstové médium.

mezi chemikáliemi, které jsem testoval, jsem předpověděl, že nejvíce zlepšené by pravděpodobně byly fosfáty, protože rostliny absorbují fosfáty—jsou přísadami v mnoha hnojivech. Předpověděl jsem, že pH ve vodním filtru se přiblíží k neutrálnímu, protože některé vodní rostliny mohou tolerovat alkalické prostředí a nadále snižovat pH. nakonec jsem předpověděl, že týden může být dost cyklů (více než 100 cyklů v obou filtrech), aby se vytvořil znatelný účinek na čistotu vody. Po mnohem delší době v uzavřeném (testovaném) prostředí mohou mít úmrtí rostlin a hnijící detritus negativní účinky na vodu. Předpověděl jsem, že dafnie, druh, který se daří v čisté vodě, přežije ve filtrované vodě déle než v původním roztoku odpadní vody.

metodika

vytvořil jsem odpadní roztok, který měl napodobit to v typické pračce přidáním veškerého pracího prostředku značky Stainlifter do čisté vody v koncentraci asi 0,0055 uncí na litr (což odpovídá následujícím pokynům pracího prostředku u 40 galonové pračky). Testoval jsem účinnost svých biologických filtrů dvěma způsoby: (1) Měření specifických chemických hladin pomocí testovacích proužků (prodávaných pro testování akvarijní vody) a (2)zavedení živých dafnií, drobných korýšů, kteří žijí pouze v relativně čisté vodě (zakoupeno od Carolina Supply). Vytvořil jsem čtyři kontrolní roztoky postupným zředěním základního roztoku 2:1, 4:1 a 8: 1 čistou vodou a tyto čtyři roztoky jsem testoval pomocí testovacích proužků a dafnie.

pomocí kapátka jsem do každého stanoviště umístil asi šest živých dafnií a další den jsem sledoval jejich přežití. Rozhodl jsem se filtrovat roztok 2 (koncentrace 2:1), protože to byla nejnižší koncentrace, která zabila všechny dafnie během 10 hodin, zatímco dafnie v roztoku 3 přežila déle než jeden den(přibližně stejně jako v čisté vodě, pravděpodobně kvůli suboptimálnímu krmení a provzdušňování vody). Roztok 2 se od roztoku 3 lišil hladinami dusitanů, chloru, tvrdosti, fosfátu a amoniaku (viz graf 1). Vypočítal jsem objem každé z filtračních komor a přidal prací prostředek, aby se vytvořila stejná počáteční koncentrace jako roztok 2.

po vytvoření domácí „odpadní vody“ známé koncentrace v každém biofiltru jsem nechal filtry cirkulovat, abych zjistil, zda rostliny mohou odstranit toxiny z vody. Změřil jsem účinnost biofiltrů porovnáním chemických hladin měřených pomocí testovacích proužků a úmrtnosti na dafnie s hodnotami kontrolních roztoků, včetně čisté vody z vodovodu. Vzal jsem denní vzorky z každého filtru pro testování. Po sedmi dnech jsem z každého biofiltru odstranil filtrovanou vodu a zavedl živé dafnie (15 pro zemi – a 13 pro filtr na vodní bázi) a zmapoval jejich přežití (viz graf 4).

výsledky

oba biofiltry přinesly podobně zlepšenou čistotu vody, téměř zpět do původního stavu vody z vodovodu, na základě mých testů. Celkově údaje ze zkušebních proužků ukázaly, že chemické hladiny v biofiltrované vodě jsou srovnatelné nebo lepší než kontrolní roztok 3-polovina koncentrace detergentu původně ve filtrech.

půdní filtr odstranil nejvíce fosfátů, přičemž se během šesti dnů zvýšil z 5,0 ppm na 0,3 ppm a amoniak, čímž se snížil z 0,15 ppm na téměř nulu za stejné období. Půdní filtr také rychle snížil dusičnany, dusitany a chlor z počátečních hladin (10, 0,5 a 0,5 ppm) na téměř zanedbatelné úrovně během prvních dvou dnů. Také zvýšila alkalitu ze 40 na 80 ppm, poněkud pod ideální úrovní 120-180 ppm pro ekosystém. (Brain 2011) ideální pH vody je 7, což je dokonale neutrální. Půdní filtr se přiblížil, s mírně kyselým konečným pH 6,9. Vodní filtr byl mírně základní a získal 7,2. (Malé číselné rozdíly v pH jsou významné, protože se jedná o logaritmickou stupnici.)

filtr na vodní bázi také snižoval fosfáty a amoniak postupně na téměř nulovou úroveň během šesti dnů. Trvalo dva až tři dny déle než pozemní filtr, aby se snížily hladiny dusitanů a dusičnanů, ale podle testovacích proužků je přivedly na nulu. Vodní filtr nebyl schopen změnit zásaditost z počátečních hladin 40 ppm. Asi po dvou týdnech se lilie začala zhoršovat ve zdraví—byla příliš velká pro akvárium-což pravděpodobně zkreslilo výsledky kvůli hnijícímu rostlinnému materiálu.

živé dafnie zavedené do biofiltrované vody měly míru přežití srovnatelnou s mírou přežití v čisté vodě—a lepší než v kontrolních roztocích 3 nebo 4. (Viz Graf 4.) V roztoku 3 přežila daphnia 10 hodin, ale po 24 hodinách byla mrtvá. V pozemní filtrované vodě zemřely pouze 2 z 15 daphnia za 24 hodin a ve filtrované vodě na bázi vody Žádný nezemřel. Úmrtí v pozemní filtrační vodě mohla být způsobena nahnědlým zbytkem rašeliníku nebo jen neoptimální péčí. Míra přežití daphnias prokázala, že biofiltrovaná voda byla lépe schopna podporovat vodní život než původní kontrolní roztoky.

jak biofiltry čistí vodu

průmyslová čistírna vody používá mechanické, biologické a chemické procesy k filtrování a čištění odpadních vod. Prosévání, štěrková komora a sedimentace oddělují větší částice od vody mechanickými prostředky. Štěrková komora je hustý materiál, který zpomaluje tok vody, takže se odstraňují jemnější pevné látky. Sedimentační nádrž, nebo čistič, pomalu otáčí vodu, takže těžší sedimenty klesají a olej stoupá. „Aktivovaný kal“ a provzdušňování zajišťují biologickou filtraci. (Faust 1998) aktivovaný kal je okysličené prostředí, které podporuje růst saprotrofních bakterií-bakterií, které rozkládají organickou hmotu—a dalších organismů, které metabolizují znečišťující látky. (Mountain Empire Community College 2010) konečně, flokulace (chemikálie, které srážejí koloidní znečišťující látky), chlorace a dezinfekce poskytují chemické čištění. (Faust 1998) Moje biologické, rostlinné filtry mohly filtrovat vodu analogickými procesy. Věřím, že voda byla filtrována třemi způsoby, (1) mechanicky, půdou, pískem a rašeliníkem, (2) biologicky aktivovanými bakteriemi ve vodě a médiích a (3) samotnými rostlinami.

mechanická filtrace

v půdním filtru voda procházela půdou, pískem a rašelinovým mechem. Když znečištěná voda prochází půdou, oleje, těžké kovy a přebytečné živiny jsou mechanicky odfiltrovány půdními organismy, které je absorbují nebo metabolizují. Nucení odpadní vody pomalu prosakovat médii poskytlo těmto organismům čas na rozklad nebo absorpci různých znečišťujících látek. Písek může také působil jako drť komory, přičemž pevné látky z vody. Kromě filtrování a/nebo absorpce znečišťujících látek je známo, že rašeliník chemicky změkčuje vodu, protože váže ionty vápníku a hořčíku a uvolňuje do vody kyseliny tříslové a Galové. Tyto kyseliny se zaměřují na hydrogenuhličitany ve vodě a snižují uhličitanovou tvrdost a pH. (Peteducation.com 2011) to mě vede k přesvědčení, že rašeliník byl hlavním činidlem při neutralizaci pH a tvrdosti. Ačkoli vodní filtr měl pískové podestýlky pro leknín, pravděpodobně poskytoval méně mechanické filtrace.

biologická filtrace

mé biofiltry pravděpodobně poskytovaly biologickou filtraci z bakterií žijících ve vodě a růstovém médiu. Voda byla provzdušňována, když kapala z pumpy, a živiny pro bakterie byly poskytnuty v horní půdě a z detergentu, který obsahuje sloučeniny, které bakterie konzumují, jako jsou fosfáty, dusičnany a dusitany. Když některé z okřehků zemřely, jeho rostlinná hmota mohla poskytnout potravu pro bakterie. Tyto bakterie pravděpodobně hrály hlavní roli při odstraňování toxinů z vody. Filtry aktivovaného kalu mohou oxidovat uhlíkaté látky, přeměnit amonium a dusík na biologické materiály, odstranit fosfáty a absorbovat plyny, jako je oxid uhličitý, amoniak a dusík. (Mountain Empire Community College 2010) chemické proužky ukázaly, že koncentrace některých z těchto látek během sedmidenního období klesaly.

filtrace rostlinami

nakonec se domnívám, že rostliny v obou biofiltrech hrály velkou roli při odstraňování fosfátů, dusičnanů, dusitanů a amoniaku. Mnoho látek škodlivých pro lidi a zvířata přispívá k růstu rostlin. Rostliny vyžadují amoniak, fosfáty a dusičnany a většina syntetických hnojiv (stejně jako prací prostředek) obsahuje tyto chemikálie. Vysoké koncentrace těchto chemikálií však mohou způsobit, že řasy nebo jiné druhy rostlin „kvetou“, což narušuje rovnováhu životního prostředí a dostatečně vysoké koncentrace mohou zabít stejné rostliny. Je známo, že tyto látky absorbují okřehek, ořechová tráva a lekníny, a lilie polštářky jsou vysazeny v mnoha rybnících, aby kontrolovaly květy řas. (Peteducation.com 2011) Okřehek expanduje a šíří se, jak získává fosfáty, stejně jako lekníny. Kromě absorpce chemikálií, které jsou pro ně užitečné, mohou některé rostliny „uzamknout“ škodlivé látky, jako je olovo, zinek a kadmium, což jim brání v poškození jiných druhů nebo vniknutí do podzemních vod. Okřehek se ukázal jako neuvěřitelný biofiltr při absorpci nejen fosforu, ale také nebezpečných těžkých kovů. Byl testován týmem izraelských vědců na čištění odpadních vod z jaderné elektrárny, která po průchodu biofiltrem byla 99% čistá. (Cafe 2011)

závěry

můj experiment ukázal, že rostlinné biologické filtry mohou účinně odstraňovat znečišťující látky z domácích odpadních vod. Zatímco můj experiment byl omezen velikostí a trváním (a také kvůli obtížnosti získání živých rostlin během zimy), odstranil měřitelné množství klíčových znečišťujících látek. Živé vzorky navíc ověřily, že se kvalita vody zlepšila. Zkoumal jsem příklady úspěšných, větších experimentů s biofiltrem. Rostlinné filtry jsou ekonomické, dostupné v méně rozvinutých zemích, ekologicky bezpečné a nevyvolávají žádný hluk, zápach a nevzhlednost spojenou s úpravnami vody. (Logson 2002) další výzkum by mohl otestovat účinnost zralejších rostlin, různých druhů rostlin a dalších kombinací cyklické vody prostřednictvím více filtrů a filtrace ve větším měřítku.

datové tabulky

pozemní filtr

filtr na vodní bázi

Řídicí Řešení

dafnie

Bibliografie

“ Aktivovaný Kal.“Dezinfekce vody. Citováno z World Wide Web dne 15. února 2011. http://water.me.vccs.edu/courses/ENV149/asludge.htm.

“ Jsou Přední Značky Pracích Prostředků Šetrné K Životnímu Prostředí?“Alternativa Praní. Citováno z World Wide Web dne 20. února 2011. http://www.laundry-alternative.com/detergentsinfo.htm.

Mozek, Marshall. „Jak fungují kanalizační a septické systémy.“Howstuffworks. Citováno z World Wide Web dne 1. března 2011. http://home.howstuffworks.com/home-improvement/plumbing/sewer.htm.

Faust, D.Samuel. Chemie úpravy vody. Washington, DC: Lewis Publishers (CRC Press), 1998.

Fuertes, James H. Filtrace Vody Funguje. New York: J. Wiley and Sons, 1901.

“ Jak Se Povrchově Aktivní Látky Stávají Tělesnými Toxiny.“Brighthub. Citováno z World Wide Web dne 13. března 2011. http://www.brighthub.com/environment/green-living/articles/17626.aspx#ixzz19uEpotV2.

Logson, Gary.Praxe filtrace vody, včetně pomalých pískových filtrů a filtrace před nátěrem. Boston: Taylor a Francis Group, 2002.

Marti, Isabel. „Spektrofotometrické stanovení nízkých hladin aniontových povrchově aktivních látek ve vodě extrakcí rozpouštědlem v průtokovém vstřikovacím systému.“RSC Publishing. Citováno z World Wide Web dne 13. února 2011.
http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/1988/AN/an9881301677.

“ fenol zdraví a bezpečnost Guide.“IPSC Health and Safety Guide. Citováno z World Wide Web dne 1. března 2011. http://www.inchem.org/documents/hsg/hsg/hsg88_e.htm.

“ toxická nebezpečí typického prádla.“Sixwise.com. Citováno z World Wide Web dne 14. března 2011. http://www.sixwise.com/newsletters/05/07/06/the-toxic-dangers-of-typical-laundry-detergent.htm.

“ použití rašeliníku ke snížení tvrdosti vody a úrovně Ph v rybnících.“Pet Education.com. Citováno z World Wide Web dne 1. března 2011. http://www.peteducation.com/article.cfm?c=21+1917&aid=2744.

Vigil, Kenneth. Čistá Voda. New York: Lewis Publishers (CRC Press), 2003.

“ Vodní Rostliny jako biofiltry k znečišťování těžkých kovů a radioaktivních materiálů.“Nápady Habaděj. Citováno z World Wide Web dne 14. února 2011. http://affleap.com/water-plants-as-bio-filters-to-polluting-heavy-metals-and-radioactive-materials/.

Zima, Ruth. Spotřebitelský slovník chemikálií pro domácnost, dvůr a kancelář: kompletní informace o škodlivých a žádoucích chemikáliích nalezených v každodenních domácích výrobcích, jedech na dvoře a Znečišťovatelích kanceláří. Miami: Macmillan Ltd, 2001.

Zoller, Uri. Příručka detergentů. Boca Raton, Florida: Taylor a Francis Group, 2009.