brug af plantebaserede biofiltre til rensning af husholdningsspildevand

abstrakt

dette projekt testede, om “biofiltre” – filtre baseret på levende planter—kunne bruges til at fjerne almindelige husholdningsforurenende stoffer fra vand. Jeg byggede to biofiltre og brugte dem til at rense vand forurenet med vaskemiddel til niveauer, hvor det sikkert kunne frigives i naturen. Jeg testede spildevandet på levende dafnier før og efter filtrering, samt med kemiske teststrimler til måling af nitritter, nitrater, hårdhed, klor, alkalinitet, pH, ammoniak, og fosfater. Begge metoder viste, at mine filtre forbedrede vandkvaliteten. Vandproduktionen fra biofiltrene opretholdt den levende dafnier såvel som ledningsvandet. Mit eksperiment bekræftede, at biofiltre kunne være en levedygtig komponent i småskala eller husholdningsvandrensning. Plantebaserede biofiltre kan bruges til at filtrere spildevand, før det returneres sikkert til miljøet, til at give “gråt vand” til andre anvendelser end forbrug eller som billige forfiltre for at gøre filtrering af drikkevand mere effektiv. Plantebaserede biofiltre er miljøbevidste og mere tilgængelige for områder, der ikke har råd til den industrielle teknologi til kommunal filtrering.

baggrund: knaphed på rent vand

rent vand er en kritisk ressource, der hurtigt bliver knappe, fordi voksende befolkninger forbruger mere og reducerer forsyningen gennem forurening. Filtrering, behandling og ellers rengøring af spildevand for at øge udbuddet er nødvendigt, men disse metoder er dyre og kræver overdreven energi. Moderne behandlingsprocesser er bestemt ikke organiske, hvilket ofte kræver, at der tilsættes yderligere kemikalier til vandet (f.eks.) (Faust, 1998) jeg antog, at naturlige filtre, der bruger planter og deres tilknyttede vækstmedier (og mikroflora), kunne filtrere almindelige husholdningsforurenende stoffer fra spildevand. Selvom det ikke giver drikkevand, kan det filtrerede vand være rent nok til at frigive sikkert i miljøet eller genbruge (f. eks., at skylle et toilet eller vaske en bil). Et naturligt filter har mange fordele og kan være et fremtidigt alternativ til vandfiltrering.

farlige komponenter i husholdningsspildevand

jeg brugte spildevand indeholdende vaskemiddel, et almindeligt husholdningsforurenende stof frigivet i vandet. Det indeholder mange kemikalier, der ikke let nedbrydes, og er farligt for økosystemet, fordi det dræber vandlevende organismer, ødelægger fødekæden og kompromitterer menneskers sundhed. For eksempel er phenoler, der findes i vaskemidler, toksiner, der forårsager forstyrrende kirtelvirkninger hos mennesker og dyr, såsom kønsbytter i fisk og død for overfølsomme mennesker. (IPSC Health Safety Guide 2011) vaskemiddel indeholder også overfladeaktive stoffer, bygherrer, blegemidler, fosfater og andre kemikalier, herunder nitrater, nitrit og nitrit. Overfladeaktive stoffer har emulgerende og dispergerende egenskaber og reducerer overfladespændingen af vand. Bygherrer, såsom natriumtripolyphosphat (STPP), fjerner calcium-og magnesiumionerne, der findes i hårdt vand og jord, derved blødgør vandet og fjerner det af mineraler. Andre almindelige, giftige ingredienser i vaskemiddel inkluderer blegemidler, der dræber vigtige anioniske bakterier og petroleumsdestillater (f.eks. I drikkevand forårsagede phenoler hurtigt maligniteter hos mus og rotter. (Sixwise.com 2010) fosfater i vaskemiddel bidrager i høj grad til at beskadige algeopblomstringer. Alle disse ændringer i balancen mellem naturlige vandsystemer påvirker mikroorganismer, planter og større dyr som fisk.

forberedelse af Biofiltrene

ved hjælp af et 20-gallon akvarium, adskilt i halvdele af en akrylbarriere, byggede jeg to biofiltre, der hver er designet til at cirkulere spildevand gentagne gange gennem almindelige hårdføre levende planter. Det vandbaserede filter brugte en dværg vandlilje (Nymphaea) senget i en bunke sand og flydende andemad (Lemna minor) planter i cirka fem inches vand. En baffel delte vandet i et U-formet trug, og en lille pumpe cirkulerede vandet fra den ene ende af U til den anden. Baseret på mine målinger cirkulerede dette vand omkring 7,5 liter i timen. Det landbaserede filter brugte nøddegræs ukrudt (Cyperus rotundus) plantet i lag med snavs, sand og tørvemos, alt sammen oven på osteklud og trådnet, så vand, der siver ned gennem medierne, samles nedenfor. En anden pumpe cirkulerede dette vand ved at pumpe vandet fra bunden af filteret ind i en drypledning, der løber gennem møtrikgræsset. Baseret på mine målinger cirkulerede dette vand omkring 10, 6 liter i timen, men måske lidt langsommere, når dryplinjen lå i snavs.

hypoteser

jeg forudsagde, at det landbaserede biofilter ville være mere vellykket, da det emulerer et kommunalt filter med mange lag og midler til filtrering i de forskellige vækstmedier. Dryplinjen og medierne giver planterne og jordbakterierne mere tid til at handle på spildevandet. Landbaserede planter vokser også mere omfattende rodsystemer. (Nogle rødder strakte sig ned til opsamlingskammeret.) Jeg forudsagde, at det vandbaserede biofilter ville fungere mindre godt, da vandet strømmede hurtigere gennem planterne, og planterne også var mere direkte udsat for forurenende stoffer med ringe eller intet vækstmedium.

blandt de kemikalier, jeg testede, forudsagde jeg, at de mest forbedrede sandsynligvis ville være fosfater, fordi planter absorberer fosfater—de er ingredienser i mange gødninger. Jeg forudsagde, at pH i vandfilteret ville blive tættere på neutral, fordi visse vandplanter kan tolerere alkaliske miljøer og fortsætte med at sænke pH. endelig forudsagde jeg, at en uge kunne være nok cyklusser (godt over 100 cyklusser i begge filtre) for at skabe en mærkbar effekt i vandets renhed. Efter en meget længere periode i et lukket (test) miljø kan plantedødsfald og rådnende detritus have negative virkninger på vandet. Jeg forudsagde, at daphnia, en art, der trives i rent vand, ville overleve længere i det filtrerede vand end i den oprindelige spildevandsløsning.

metode

jeg oprettede en spildevandsløsning beregnet til at efterligne den i en typisk vaskemaskine ved at tilføje alt Stainlifter-vaskevaskemiddel til rent vand i en koncentration på ca.0,0055 ounces pr. liter (svarende til følgende vaskemiddelinstruktioner med en 40-gallon vaskemaskine). Jeg testede effektiviteten af mine biologiske filtre på to måder: (1) Måling af specifikke kemiske niveauer ved hjælp af teststrimler (solgt til test af akvarievand) og (2) introduktion af levende dafnier, små krebsdyr, der kun lever i relativt rent vand (købt fra Carolina Supply). Jeg oprettede fire kontrolløsninger ved successivt at fortynde min basisløsning 2: 1, 4: 1 og 8: 1 med rent vand og testede disse fire løsninger med teststrimler og dafnier.

ved hjælp af en pipette placerede jeg omkring seks levende dafnier i hvert habitat og overvågede deres overlevelse i løbet af den næste dag. Jeg valgte at filtrere opløsning 2 (2: 1-koncentrationen), fordi det var den laveste koncentration, der dræbte alle dafnier inden for 10 timer, mens dafnier i opløsning 3 overlevede i mere end en dag (omtrent det samme som i rent vand, sandsynligvis på grund af suboptimal fodring og vandluftning). Opløsning 2 adskilte sig fra opløsning 3 i niveauerne af nitrit, chlor, hårdhed, fosfat og ammoniak (se figur 1). Jeg beregnede volumenet af hvert af filterkamrene og tilsatte vaskemiddel for at skabe den samme indledende koncentration som opløsning 2.

efter at have skabt husholdnings “spildevand” med en kendt koncentration i hvert biofilter, lod jeg filtrene cirkulere for at se, om planterne kunne fjerne toksiner fra vandet. Jeg målte effektiviteten af biofiltrene ved at sammenligne kemiske niveauer målt med teststrimler og dafniedødelighed med kontrolløsningerne, herunder rent ledningsvand. Jeg tog daglige prøver fra hvert filter til test. Efter syv dage fjernede jeg filtreret vand fra hvert biofilter og introducerede levende dafnier (15 for landet – og 13 for det vandbaserede filter) og kortlagde deres overlevelse (se figur 4).

resultater

begge biofiltre gav tilsvarende forbedret vandrenhed, næsten tilbage til den oprindelige tilstand af ledningsvandet, baseret på mine test. Samlet set viste dataene fra teststrimlerne, at de kemiske niveauer i det biofiltrerede vand var sammenlignelige med eller bedre end kontrolopløsning 3—halvdelen af vaskemiddelkoncentrationen oprindeligt i filtrene.

jordfilteret fjernede mest fosfat og tog det fra 5,0 ppm til 0,3 ppm over seks dage og ammoniak og sænkede det fra 0,15 ppm til næsten nul i samme periode. Jordfilteret sænkede også hurtigt nitrater, nitritter og klor fra indledende niveauer (henholdsvis 10, 0, 5 og 0, 5 ppm) til næsten ubetydelige niveauer inden for de første to dage. Det hævede også alkalinitet fra 40 til 80 ppm, noget under ideelle niveauer på 120-180 ppm for et økosystem. (Brain 2011) den ideelle pH af vand er 7, hvilket er helt neutralt. Jordfilteret kom nærmere med en let sur endelig pH på 6,9. Vandfilteret var lidt grundlæggende, hvilket gav 7.2. (Små numeriske forskelle i pH er signifikante, fordi det er en logaritmisk skala.)

det vandbaserede filter sænkede også fosfat og ammoniak gradvist til næsten nul niveauer over seks dage. Det tog to til tre dage længere end jordfilteret at sænke nitrit-og nitratniveauerne, men bragte dem til nul, ifølge teststrimlerne. Vandfilteret kunne ikke ændre alkaliniteten fra indledende niveauer på 40 ppm. Efter cirka to uger begyndte liljen at forværres i helbredet—den var for stor til akvariet—hvilket sandsynligvis skævede resultaterne på grund af det rådne plantemateriale.

levende dafnier, der blev introduceret i det biofiltrerede vand, havde overlevelsesrater, der kunne sammenlignes med dem i rent vand—og bedre end i Kontrolopløsninger 3 eller 4. (Se Figur 4.) I opløsning 3 overlevede daphnia i 10 timer, men var død efter 24 timer. I det landbaserede filtrerede vand døde kun 2 ud af 15 dafnier på 24 timer, og i det vandbaserede filtrerede vand døde ingen. Dødsfaldene i det landbaserede filtervand kan have været fra den brune tørvemosrester eller bare suboptimal pleje. Daphnias ‘ overlevelsesrate viste, at det biofiltrerede vand var bedre i stand til at understøtte vandlevende organismer end de oprindelige kontrolløsninger.

hvordan Biofiltrene rensede vandet

et industrielt vandrensningsanlæg bruger mekaniske, biologiske og kemiske processer til at filtrere og rense spildevand. Screening, et Kornkammer og sedimentering adskiller større partikler fra vandet ved mekaniske midler. Et Kornkammer er et tæt materiale, der bremser strømmen af vandet, så finere faste stoffer fjernes. En sedimenteringstank, eller clarifier, roterer vandet langsomt, så tungere sediment synker og olie stiger. “Aktiveret slam” og beluftning giver biologisk filtrering. (Faust 1998) aktiveret slam er et iltet miljø, der tilskynder til vækst af saprotrofiske bakterier—bakterier, der nedbryder organisk materiale—og andre organismer, der metaboliserer forurenende stoffer. (Mountain Empire Community College 2010) endelig giver flokkulering (kemikalier, der udfælder kolloide forurenende stoffer), klorering og desinfektion kemisk rensning. (Faust 1998) mine biologiske, plantebaserede filtre kan have filtreret vandet gennem analoge processer. Jeg tror, at vandet blev filtreret ved tre metoder, (1) mekanisk, af jord, sand og tørvemos, (2) Biologisk, af aktiverede bakterier i vandet og medierne og (3) af planterne selv.

mekanisk filtrering

i jordfilteret passerede vand gennem jord, sand og tørvemos. Når forurenet vand går gennem jord, filtreres olier, tungmetaller og overskydende næringsstoffer mekanisk og af jordbårne organismer, der absorberer eller metaboliserer dem. At tvinge spildevandet til at sive langsomt gennem medierne gav disse organismer tid til at nedbryde eller absorbere forskellige forurenende stoffer. Sandet kan også have fungeret som et Kornkammer og taget faste stoffer ud af vandet. Ud over at filtrere og/eller absorbere forurenende stoffer er tørvemos kendt for at blødgøre vand kemisk, fordi det binder calcium-og magnesiumioner og frigiver tannin-og gallinsyrer i vandet. Disse syrer er målrettet mod bicarbonater i vand og reducerer carbonathårdheden og pH. (Peteducation.com 2011) Dette får mig til at tro, at tørvemos var det vigtigste middel til at neutralisere pH og hårdhed. Selvom vandfilteret havde et sandstrøelse til vandliljen, gav det sandsynligvis mindre mekanisk filtrering.

biologisk filtrering

mine biofiltre leverede sandsynligvis biologisk filtrering fra bakterier, der lever i vandet og vækstmedierne. Vandet blev luftet, da det dryppede fra pumpen, og næringsstoffer til bakterier blev tilvejebragt i den øverste jord og fra vaskemidlet, som indeholder forbindelser, som bakterier forbruger, såsom fosfater, nitrater og nitritter. Da noget af andemad døde, kan dets plantemateriale have givet mad til bakterierne. Disse bakterier spillede sandsynligvis en vigtig rolle i fjernelsen af toksiner fra vandet. Aktiverede slamfiltre kan ilte kulstofholdige stoffer, omdanne ammonium og nitrogen til biologiske materialer, fjerne fosfater og absorbere gasser som kulsyre, ammoniak og nitrogen. (Mountain Empire Community College 2010) de kemiske strimler viste, at koncentrationerne af nogle af disse stoffer faldt i løbet af syv-dages perioden.

filtrering af planterne

endelig tror jeg, at planterne i begge biofiltre spillede en stor rolle i fjernelse af fosfater, nitrater, nitritter og ammoniak. Mange stoffer, der er skadelige for mennesker og dyr, bidrager til plantevækst. Planter kræver ammoniak, fosfater og nitrater, og de fleste syntetiske gødninger (såvel som vaskemiddel) indeholder disse kemikalier. Imidlertid kan høje koncentrationer af disse kemikalier få alger eller andre plantearter til at “blomstre”, forstyrre miljøbalancen, og tilstrækkeligt høje koncentrationer kan dræbe de samme planter. Andemad, nøddegræs og vandliljer er kendt for at absorbere disse stoffer, og liljepuder plantes i mange damme for at kontrollere algeopblomstringer. (Peteducation.com 2011) andemad udvides og spreder sig, når det får fosfater, ligesom vandliljer. Ud over at absorbere kemikalier, der er nyttige for dem, kan visse planter “låse op” skadelige stoffer som bly, sinc og cadmium, forhindre dem i at skade andre arter eller komme ind i grundvandet. Andemad har vist sig at være et utroligt biofilter til at absorbere ikke kun fosfor, men også farlige tungmetaller. Det blev testet af et team af israelske forskere for at rense spildevand fra et atomkraftværk, som efter at have passeret biofilteret var 99% rent. (Cafe 2011)

konklusioner

mit eksperiment viste, at plantebaserede, biologiske filtre effektivt kan fjerne forurenende stoffer fra husholdningsaffald. Mens mit eksperiment var begrænset i størrelse og varighed (og også på grund af vanskeligheden ved at opnå levende planter om vinteren), fjernede det målbare mængder af vigtige forurenende stoffer. Derudover bekræftede levende prøver, at vandkvaliteten forbedredes. Jeg undersøgte eksempler på vellykkede, større biofiltereksperimenter. Plantebaserede filtre er økonomiske, tilgængelige i mindre udviklede lande, økologisk sikre og producerer ingen af de støj, lugt og uklarhed, der er forbundet med vandbehandlingsanlæg. (Logson 2002) yderligere forskning kunne teste effektiviteten af mere modne planter, forskellige plantearter og andre kombinationer af cykelvand gennem flere filtre og større filtrering.

datatabeller

landbaseret filter

vandbaseret filter

Styringsløsninger

Daphnia

Bibliografi

“Aktiveret Slam.”Desinfektion af vand. Hentet fra internettet den 15. februar 2011. http://water.me.vccs.edu/courses/ENV149/asludge.htm.

“Er Førende Mærke Vaskemidler Miljøvenlige?”Vaskeri Alternativ. Hentet fra internettet den 20. februar 2011. http://www.laundry-alternative.com/detergentsinfo.htm.

Hjerne, Marshall. “Hvordan kloak – og Septiksystemer fungerer.”Hvordan fungerer det. Hentet fra internettet den 1. marts 2011. http://home.howstuffworks.com/home-improvement/plumbing/sewer.htm.

Faust, D. Samuel. Kemi af vandbehandling. D. C.: Forlag (CRC Press), 1998.

Fuertes, James H. Vandfiltrering Virker. J. and Sons, 1901.

“Hvordan Overfladeaktive Stoffer Bliver Kropslige Toksiner.”Brighthub. Hentet fra internettet den 13. marts 2011. http://www.brighthub.com/environment/green-living/articles/17626.aspx#ixzz19uEpotV2.

Logson, Gary.Vand filtrering praksis, herunder langsom Sand filtre og pre-Coat filtrering. Boston: Taylor og Francis Group, 2002.

Marti, Isabel. “Spektrofotometrisk bestemmelse af lave niveauer af anioniske overfladeaktive stoffer i vand ved opløsningsmiddelekstraktion i et strømningsinjektionssystem.”RSC Publishing. Hentet fra internettet den 13. februar 2011.
http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/1988/AN/an9881301677.

“Phenol sundhed og sikkerhed Guide.”IPSC sundhed og sikkerhed Guide. Hentet fra internettet den 1. marts 2011. http://www.inchem.org/documents/hsg/hsg/hsg88_e.htm.

“giftige farer ved typisk Vaskeri.”Sixwise.com. hentet fra internettet den 14. marts 2011. http://www.sixwise.com/newsletters/05/07/06/the-toxic-dangers-of-typical-laundry-detergent.htm.

“brug af tørvemos til at sænke vandets hårdhed og Ph-niveauer i damme.”Pet Education.com. hentet fra internettet den 1. marts 2011. http://www.peteducation.com/article.cfm?c=21+1917&aid=2744.

Vigil, Kenneth. Rent Vand. København: Aarhus Kommune (Denmark), 2003.

“vandplanter som biofilter til forurenende tungmetaller og radioaktive materialer.”Ideer I Massevis. Hentet fra internettet den 14. februar 2011. http://affleap.com/water-plants-as-bio-filters-to-polluting-heavy-metals-and-radioactive-materials/.

Vinter, Ruth. En forbrugers Ordbog over husholdnings -, gård-og Kontorkemikalier: komplette oplysninger om skadelige og ønskelige kemikalier, der findes i hverdagens hjemmeprodukter, Gårdgift og Kontorforurenere. Miami: Macmillan Ltd, 2001.

Soller, Uri. Håndbog af vaskemidler. Boca Raton, Florida: Taylor og Francis Group, 2009.