Using Plant-Based Biofilters to Purify Household Wastewater

Abstract

In diesem Projekt wurde getestet, ob „Biofilter“ — Filter auf der Basis lebender Pflanzen — verwendet werden könnten, um übliche Haushaltsschadstoffe aus dem Wasser zu entfernen. Ich baute zwei Biofilter und verwendete sie, um mit Waschmittel verschmutztes Wasser auf ein Niveau zu reinigen, bei dem es sicher in die Natur freigesetzt werden konnte. Ich habe das Abwasser vor und nach der Filterung an lebenden Daphnien sowie mit chemischen Teststreifen getestet, um Nitrite, Nitrate, Härte, Chlor, Alkalität, pH-Wert, Ammoniak und Phosphate zu messen. Beide Methoden zeigten, dass meine Filter die Wasserqualität verbesserten. Der Wasserausstoß aus den Biofiltern speiste die lebenden Daphnien sowie das Leitungswasser. Mein Experiment bestätigte, dass Biofilter eine brauchbare Komponente der kleinräumigen oder häuslichen Wasserreinigung sein könnten. Biofilter auf Pflanzenbasis können verwendet werden, um Abwasser zu filtern, bevor es sicher in die Umwelt zurückgeführt wird, um „Grauwasser“ für andere Zwecke als den Verbrauch bereitzustellen, oder als kostengünstige Vorfilter, um die Filtration von Trinkwasser effizienter zu gestalten. Pflanzliche Biofilter sind umweltbewusst und für Gebiete zugänglicher, die sich die industrielle Technologie der kommunalen Filtration nicht leisten können.

Hintergrund: Knappheit an sauberem Wasser

Sauberes Wasser ist eine kritische Ressource, die schnell knapp wird, weil die wachsende Bevölkerung mehr verbraucht und das Angebot durch Umweltverschmutzung verringert. Das Filtern, Behandeln und sonstige Reinigen von Abwasser zur Erhöhung der Versorgung ist notwendig, aber diese Methoden sind teuer und erfordern übermäßige Energie. Moderne Aufbereitungsverfahren sind entschieden nicht organisch und erfordern häufig die Zugabe zusätzlicher Chemikalien zum Wasser (z. B. Chlor.) (Faust, 1998) Ich stellte die Hypothese auf, dass natürliche Filter, die Pflanzen und die damit verbundenen Wachstumsmedien (und Mikroflora) verwenden, übliche Haushaltsschadstoffe aus Abwasser filtern könnten. Obwohl das gefilterte Wasser kein Trinkwasser liefert, kann es sauber genug sein, um es sicher in die Umwelt abzugeben oder wiederzuverwenden (z., um eine Toilette zu spülen oder ein Auto zu waschen). Ein natürlicher Filter hat viele Vorteile und könnte eine zukünftige Alternative für die Wasserfiltration sein.

Gefährliche Bestandteile von Haushaltsabwässern

Ich verwendete Abwasser, das Waschmittel enthielt, einen häufigen Haushaltsschadstoff, der ins Wasser freigesetzt wurde. Es enthält viele Chemikalien, die nicht leicht abgebaut werden können, und ist gefährlich für das Ökosystem, weil es Wasserlebewesen tötet, die Nahrungskette verdirbt und die menschliche Gesundheit beeinträchtigt. Zum Beispiel sind die Phenole, die in Detergenzien gefunden werden, Toxine, die störende Drüseneffekte bei Menschen und Tieren verursachen, wie Geschlechtstausch bei Fischen und Tod bei überempfindlichen Menschen. (IPSC Health Safety Guide 2011) Waschmittel enthält auch Tenside, Builder, Bleichmittel, Phosphate und andere Chemikalien, einschließlich Nitrate, Nitrite und Enzyme. Tenside haben emulgierende und dispergierende Eigenschaften und verringern die Oberflächenspannung von Wasser. Builder wie Natriumtripolyphosphat (STPP) entfernen die in hartem Wasser und Boden vorhandenen Calcium- und Magnesiumionen, wodurch das Wasser erweicht und von Mineralien befreit wird. Andere übliche, toxische Inhaltsstoffe von Waschmitteln sind Bleichmittel, die wichtige anionische Bakterien abtöten, und Erdöldestillate (z. B. Napthas). Im Trinkwasser verursachten Phenole schnell Malignome bei Mäusen und Ratten. (Sixwise.com 2010) Phosphate in Waschmitteln tragen stark zur Schädigung von Algenblüten bei. All diese Veränderungen des Gleichgewichts natürlicher Wassersysteme betreffen Mikroorganismen, Pflanzen und größere Tiere wie Fische.

Vorbereitung der Biofilter

Unter Verwendung eines 20-Gallonen-Aquariums, das durch eine Acrylbarriere in zwei Hälften getrennt war, baute ich zwei Biofilter, die jeweils dazu bestimmt waren, das Abwasser wiederholt durch gewöhnliche winterharte lebende Pflanzen zu zirkulieren. Der wasserbasierte Filter verwendete eine Zwergseerose (Nymphaea), die in einen Sandhügel eingebettet war, und schwimmende Wasserlinsen (Lemna minor) in etwa fünf Zoll Wasser. Eine Schallwand teilte das Wasser in einen U-förmigen Trog, und eine kleine Pumpe zirkulierte das Wasser von einem Ende des U zum anderen. Nach meinen Messungen zirkulierte dieses Wasser mit etwa 7,5 Litern pro Stunde. Der landbasierte Filter verwendete Nussgrasunkräuter (Cyperus rotundus), die in Schichten aus Schmutz, Sand und Torfmoos gepflanzt wurden, alles auf Gaze und Drahtgeflecht, so dass sich Wasser, das durch die Medien sickert, darunter sammeln würde. Eine zweite Pumpe zirkulierte dieses Wasser, indem sie das Wasser vom Boden des Filters in eine Tropfleitung pumpte, die durch das Nussgras verlief. Nach meinen Messungen zirkulierte dieses Wasser mit etwa 10,6 Litern pro Stunde, aber vielleicht etwas langsamer, wenn die Tropfleitung im Dreck lag.

Hypothesen

Ich sagte voraus, dass der landbasierte Biofilter erfolgreicher sein würde, da er einen kommunalen Filter mit vielen Schichten und Filtermitteln in den verschiedenen Wachstumsmedien emuliert. Die Tropfleitung und die Medien geben den Pflanzen und den Bodenbakterien mehr Zeit, auf das Abwasser einzuwirken. Landpflanzen wachsen auch umfangreichere Wurzelsysteme. (Einige Wurzeln erstreckten sich bis zur Sammelkammer.) Ich sagte voraus, dass der wasserbasierte Biofilter weniger gut funktionieren würde, da das Wasser schneller durch die Pflanzen floss und die Pflanzen auch direkter den Schadstoffen ausgesetzt waren und wenig oder kein Wachstumsmedium hatten.

Unter den Chemikalien, die ich getestet habe, sagte ich voraus, dass die am meisten verbesserten wahrscheinlich Phosphate sein würden, weil Pflanzen Phosphate absorbieren — sie sind Bestandteile in vielen Düngemitteln. Ich sagte voraus, dass der pH-Wert im Wasserfilter näher an neutral werden würde, weil bestimmte Wasserpflanzen alkalische Umgebungen tolerieren und den pH-Wert weiter senken können. Schließlich sagte ich voraus, dass eine Woche genug Zyklen sein könnte (weit über 100 Zyklen in jedem Filter), um einen spürbaren Effekt in der Wasserreinheit zu erzeugen. Nach einem viel längeren Zeitraum in einer geschlossenen (Test-) Umgebung können Pflanzensterben und verrottender Detritus negative Auswirkungen auf das Wasser haben. Ich sagte voraus, dass die Daphnien, eine Art, die in sauberem Wasser gedeiht, im gefilterten Wasser länger überleben würden als in der ursprünglichen Abwasserlösung.

Methodik

Ich habe eine Abwasserlösung entwickelt, die das in einer typischen Waschmaschine nachahmen soll, indem ich alle Waschmittel der Marke Stainlifter in einer Konzentration von etwa 0,0055 Unzen pro Liter zu sauberem Wasser gebe (entspricht der Befolgung von Waschmittelanweisungen mit einer 40-Gallonen-Waschmaschine). Ich habe die Wirksamkeit meiner biologischen Filter auf zwei Arten getestet: (1) Messung spezifischer chemischer Werte mit Teststreifen (zum Testen von Aquarienwasser verkauft) und (2) Einführung lebender Daphnien, winziger Krebstiere, die nur in relativ sauberem Wasser leben (gekauft von Carolina Supply). Ich erstellte vier Kontrolllösungen, indem ich meine Basislösung nacheinander verdünnte 2: 1, 4: 1 und 8: 1 mit sauberem Wasser, und testete diese vier Lösungen mit Teststreifen und Daphnien.

Mit einer Pipette platzierte ich etwa sechs lebende Daphnien in jedem Lebensraum und überwachte ihr Überleben am nächsten Tag. Ich entschied mich, Lösung 2 (die 2: 1-Konzentration) zu filtern, weil es die niedrigste Konzentration war, die alle Daphnien innerhalb von 10 Stunden tötete, während Daphnien in Lösung 3 länger als einen Tag überlebten (ungefähr das gleiche wie in sauberem Wasser, wahrscheinlich aufgrund von suboptimaler Fütterung und Wasserbelüftung). Lösung 2 unterschied sich von Lösung 3 in den Gehalten an Nitriten, Chlor, Härte, Phosphat und Ammoniak (siehe Tabelle 1). Ich berechnete das Volumen jeder der Filterkammern und fügte Waschmittel hinzu, um die gleiche Anfangskonzentration wie Lösung 2 zu erzeugen.

Nachdem ich in jedem Biofilter Haushalts- „Abwasser“ einer bekannten Konzentration erzeugt hatte, ließ ich die Filter zirkulieren, um zu sehen, ob die Pflanzen Giftstoffe aus dem Wasser entfernen konnten. Ich habe die Wirksamkeit der Biofilter gemessen, indem ich die mit Teststreifen gemessenen chemischen Werte und die Mortalitätsraten von Daphnien mit denen der Kontrolllösungen, einschließlich sauberem Leitungswasser, verglichen habe. Ich nahm täglich Proben von jedem Filter zum Testen. Nach sieben Tagen entfernte ich gefiltertes Wasser aus jedem Biofilter und führte lebende Daphnien ein (15 für den Land- und 13 für den wasserbasierten Filter) und zeichnete ihr Überleben auf (siehe Tabelle 4).

Ergebnisse

Beide Biofilter ergaben eine ähnlich verbesserte Wasserreinheit, fast wieder auf den ursprünglichen Zustand des Leitungswassers, basierend auf meinen Tests. Insgesamt zeigten die Daten aus den Teststreifen, dass die chemischen Konzentrationen im biofiltrierten Wasser mit der Kontrolllösung 3 vergleichbar oder besser waren — die Hälfte der anfänglichen Waschmittelkonzentration in den Filtern.

Der Landfilter entfernte das meiste Phosphat und nahm es über sechs Tage von 5,0 ppm auf 0,3 ppm und Ammoniak und senkte es im gleichen Zeitraum von 0,15 ppm auf nahezu Null. Der Landfilter senkte auch schnell Nitrate, Nitrite und Chlor von Anfangswerten (von 10, 0,5 bzw. 0,5 ppm) auf fast vernachlässigbare Werte innerhalb der ersten zwei Tage. Es erhöhte auch die Alkalität von 40 auf 80 ppm, etwas unter den idealen Werten von 120-180 ppm für ein Ökosystem. (Brain 2011) Der ideale pH-Wert von Wasser ist 7, was vollkommen neutral ist. Der Landfilter kam näher, mit einem leicht sauren End-pH von 6,9. Der Wasserfilter war leicht basisch und ergab 7,2. (Kleine numerische Unterschiede im pH-Wert sind signifikant, da es sich um eine logarithmische Skala handelt.)

Der wasserbasierte Filter senkte auch Phosphat und Ammoniak über sechs Tage allmählich auf nahezu Null. Es dauerte zwei bis drei Tage länger als der Landfilter, um den Nitrit- und Nitratgehalt zu senken, brachte sie jedoch gemäß den Teststreifen auf Null. Der Wasserfilter konnte die Alkalität von anfänglichen Werten von 40 ppm nicht ändern. Nach etwa zwei Wochen begann sich die Gesundheit der Lilie zu verschlechtern — sie war zu groß für das Aquarium -, was wahrscheinlich die Ergebnisse aufgrund des verrottenden Pflanzenmaterials verzerrte.

Lebende Daphnien, die in das biofiltrierte Wasser eingeführt wurden, hatten Überlebensraten, die mit denen in reinem Wasser vergleichbar waren — und besser als die in Kontrolllösungen 3 oder 4. (Siehe Tabelle 4.) In Lösung 3 überlebten Daphnien 10 Stunden, waren aber nach 24 Stunden tot. Im gefilterten Wasser an Land starben nur 2 von 15 Daphnien in 24 Stunden, und im gefilterten Wasser auf Wasserbasis starb keiner. Die Todesfälle im Filterwasser an Land können auf bräunliche Torfmoosreste oder einfach auf suboptimale Pflege zurückzuführen sein. Die Überlebensraten der Daphnien zeigten, dass das biofiltrierte Wasser aquatisches Leben besser unterstützen konnte als die ursprünglichen Kontrolllösungen.

Wie die Biofilter das Wasser gereinigt haben

Eine industrielle Wasseraufbereitungsanlage verwendet mechanische, biologische und chemische Prozesse, um Abwasser zu filtern und zu reinigen. Siebung, eine Kornkammer und Sedimentation trennen größere Partikel mechanisch vom Wasser. Eine Kornkammer ist ein dichtes Material, das den Fluss des Wassers verlangsamt, so dass feinere Feststoffe entfernt werden. Ein Sedimentationstank oder Klärbecken dreht das Wasser langsam, so dass schwerere Sedimente sinken und Öl aufsteigt. „Belebtschlamm“ und Belüftung sorgen für biologische Filtration. (Faust 1998) Belebtschlamm ist eine mit Sauerstoff angereicherte Umgebung, die das Wachstum von saprotrophischen Bakterien — Bakterien, die organische Stoffe abbauen — und anderen Organismen, die Schadstoffe metabolisieren, fördert. (Mountain Empire Community College 2010) Schließlich sorgen Flockung (Chemikalien, die kolloidale Schadstoffe ausfällen), Chlorierung und Desinfektion für eine chemische Reinigung. (Faust 1998) Meine biologischen, pflanzlichen Filter haben das Wasser möglicherweise durch analoge Prozesse gefiltert. Ich glaube, dass das Wasser durch drei Methoden gefiltert wurde, (1) mechanisch, durch den Boden, Sand und Torfmoos, (2) biologisch, durch aktivierte Bakterien im Wasser und in den Medien und (3) durch die Pflanzen selbst.

Mechanische Filtration

Im Landfilter wurde Wasser durch Erde, Sand und Torfmoos geleitet. Wenn verschmutztes Wasser durch den Boden fließt, werden Öle, Schwermetalle und überschüssige Nährstoffe mechanisch und durch Bodenorganismen herausgefiltert, die sie aufnehmen oder metabolisieren. Wenn das Abwasser gezwungen wurde, langsam durch die Medien zu sickern, hatten diese Organismen Zeit, verschiedene Schadstoffe abzubauen oder zu absorbieren. Der Sand kann auch als eine Kornkammer gehandelt haben, die Feststoffe aus dem Wasser nimmt. Zusätzlich zum Filtern und / oder Absorbieren von Schadstoffen ist Torfmoos dafür bekannt, Wasser chemisch zu erweichen, da es Calcium- und Magnesiumionen bindet und Gerb- und Gallussäuren in das Wasser freisetzt. Diese Säuren zielen auf Bicarbonate in Wasser ab und reduzieren die Karbonathärte und den pH-Wert. (Peteducation.com 2011) Dies lässt mich glauben, dass Torfmoos der Hauptwirkstoff bei der Neutralisierung von pH-Wert und Härte war. Obwohl der Wasserfilter eine Sandeinstreu für die Seerose hatte, lieferte er wahrscheinlich weniger mechanische Filtration.

Biologische Filtration

Meine Biofilter lieferten wahrscheinlich eine biologische Filtration von Bakterien, die im Wasser und in den Wachstumsmedien lebten. Das Wasser wurde belüftet, als es von der Pumpe tropfte, und Nährstoffe für Bakterien wurden im Oberboden und aus dem Reinigungsmittel bereitgestellt, das Verbindungen enthält, die Bakterien verbrauchen, wie Phosphate, Nitrate und Nitrite. Als einige der Wasserlinsen starben, könnte ihre Pflanzenmasse Nahrung für die Bakterien geliefert haben. Diese Bakterien spielten wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Entfernung von Giftstoffen aus dem Wasser. Belebtschlammfilter können kohlenstoffhaltige Stoffe oxidieren, Ammonium und Stickstoff in biologische Materialien umwandeln, Phosphate entfernen und Gase wie Kohlendioxid, Ammoniak und Stickstoff absorbieren. (Mountain Empire Community College 2010) Die chemischen Streifen zeigten, dass die Konzentrationen einiger dieser Substanzen während des Zeitraums von sieben Tagen abnahmen.

Filtration durch die Pflanzen

Schließlich glaube ich, dass die Pflanzen in beiden Biofiltern eine große Rolle bei der Entfernung von Phosphaten, Nitraten, Nitriten und Ammoniak spielten. Viele für Menschen und Tiere schädliche Substanzen fördern das Pflanzenwachstum. Pflanzen benötigen Ammoniak, Phosphate und Nitrate, und die meisten synthetischen Düngemittel (sowie Waschmittel) enthalten diese Chemikalien. Hohe Konzentrationen dieser Chemikalien können jedoch dazu führen, dass Algen oder andere Pflanzenarten „blühen“, wodurch das Umweltgleichgewicht gestört wird, und ausreichend hohe Konzentrationen können dieselben Pflanzen töten. Es ist bekannt, dass Wasserlinsen, Nussgras und Seerosen diese Substanzen absorbieren, und in vielen Teichen werden Seerosenblätter gepflanzt, um Algenblüten zu bekämpfen. (Peteducation.com 2011) Wasserlinse dehnt sich aus und breitet sich aus, wenn sie Phosphate gewinnt, ebenso wie Seerosen. Bestimmte Pflanzen absorbieren nicht nur nützliche Chemikalien, sondern können auch schädliche Substanzen wie Blei, Zink und Cadmium „einsperren“, um zu verhindern, dass sie andere Arten schädigen oder ins Grundwasser gelangen. Wasserlinsen haben sich als unglaublicher Biofilter erwiesen, der nicht nur Phosphor, sondern auch gefährliche Schwermetalle absorbiert. Es wurde von einem Team israelischer Wissenschaftler getestet, um Abwasser aus einem Kernkraftwerk zu reinigen, das nach dem Passieren des Biofilters zu 99% sauber war. (Cafe 2011)

Schlussfolgerungen

Mein Experiment zeigte, dass biologische Filter auf pflanzlicher Basis Schadstoffe effektiv aus Haushaltsabwässern entfernen können. Während mein Experiment in Größe und Dauer begrenzt war (und auch wegen der Schwierigkeit, im Winter lebende Pflanzen zu erhalten), wurden messbare Mengen wichtiger Schadstoffe entfernt. Darüber hinaus bestätigten lebende Exemplare, dass sich die Wasserqualität verbessert hat. Ich recherchierte Beispiele für erfolgreiche, größere Biofilterexperimente. Pflanzliche Filter sind wirtschaftlich, in weniger entwickelten Ländern zugänglich, ökologisch unbedenklich und erzeugen keinen Lärm, Geruch und Unschönheit, die mit Wasseraufbereitungsanlagen verbunden sind. (Logson 2002) Weitere Forschung könnte die Wirksamkeit von reiferen Pflanzen, verschiedenen Pflanzenarten und anderen Kombinationen von Wasser durch mehrere Filter und größere Filtration testen.

Datentabellen

Landgestützter Filter

Filter auf Wasserbasis

Steuerungslösungen

Daphnia

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