Resumen
Este proyecto probó si los «biofiltros», filtros basados en plantas vivas, podían usarse para eliminar contaminantes domésticos comunes del agua. Construí dos biofiltros y los usé para purificar el agua contaminada con detergente para ropa a niveles en los que podría liberarse de forma segura en la naturaleza. Probé las aguas residuales en dafnias vivas antes y después del filtrado, así como con tiras de prueba químicas para medir nitritos, nitratos, dureza, cloro, alcalinidad, pH, amoníaco y fosfatos. Ambos métodos mostraron que mis filtros mejoraban la calidad del agua. La salida de agua de los biofiltros sostenía la dafnia viva, así como el agua del grifo. Mi experimento confirmó que los biofiltros podrían ser un componente viable de la purificación de agua doméstica o a pequeña escala. Los biofiltros a base de plantas se pueden usar para filtrar las aguas residuales antes de devolverlas de forma segura al medio ambiente, para proporcionar «aguas grises» para usos distintos del consumo, o como prefiltros de bajo costo para hacer que la filtración del agua potable sea más eficiente. Los biofiltros a base de plantas son conscientes del medio ambiente y más accesibles para áreas que no pueden permitirse la tecnología industrial de filtración municipal.
Antecedentes: Escasez de agua limpia
El agua limpia es un recurso crítico, que escasea rápidamente porque las poblaciones en crecimiento consumen más y reducen el suministro a través de la contaminación. Es necesario filtrar, tratar y limpiar las aguas residuales para aumentar el suministro, pero estos métodos son costosos y requieren energía excesiva. Los procesos de tratamiento modernos son decididamente no orgánicos, a menudo requieren que se agreguen productos químicos adicionales al agua (por ejemplo, cloro.) (Faust, 1998) Planteé la hipótesis de que los filtros naturales que utilizan plantas y sus medios de crecimiento asociados (y microflora) podrían filtrar contaminantes domésticos comunes de las aguas residuales. Si bien no produce agua potable, el agua filtrada puede ser lo suficientemente limpia como para liberarse de forma segura en el medio ambiente o reutilizarse (p. ej. para limpiar un inodoro o lavar un coche). Un filtro natural tiene muchos beneficios y podría ser una alternativa futura para la filtración de agua.
Componentes peligrosos de las aguas residuales domésticas
Utilicé aguas residuales que contenían detergente para ropa, un contaminante doméstico común liberado al agua. Contiene muchos productos químicos que no se descomponen fácilmente y es peligroso para el ecosistema porque mata la vida acuática, arruina la cadena alimentaria y compromete la salud humana. Por ejemplo, los fenoles que se encuentran en los detergentes son toxinas que causan efectos glandulares disruptivos en personas y animales, como intercambios de género en peces y muerte a personas hipersensibles. (Guía de Seguridad Sanitaria IPSC 2011) El detergente también contiene surfactantes, constructores, blanqueadores, fosfatos y otros productos químicos, incluidos nitratos, nitritos y enzimas. Los surfactantes tienen propiedades emulsionantes y dispersantes, y disminuyen la tensión superficial del agua. Los constructores, como el tripolifosfato de sodio (STPP), eliminan los iones de calcio y magnesio presentes en el agua dura y el suelo, ablandando el agua y despojándola de minerales. Otros ingredientes tóxicos comunes del detergente para ropa incluyen lejías, que matan bacterias aniónicas importantes, y destilados de petróleo (por ejemplo, naptas). En el agua potable, los fenoles causaron rápidamente neoplasias malignas en ratones y ratas. (Sixwise.com 2010) Los fosfatos en el detergente contribuyen en gran medida a la proliferación de algas dañinas. Todos estos cambios en el equilibrio de los sistemas naturales de agua afectan a los microorganismos, las plantas y los animales más grandes, como los peces.
Preparación de los biofiltros
Utilizando un acuario de 20 galones, separado en mitades por una barrera acrílica, construí dos biofiltros, cada uno diseñado para hacer circular las aguas residuales repetidamente a través de plantas vivas resistentes comunes. El filtro a base de agua usaba un nenúfar enano (Ninfea) en un montículo de arena y plantas flotantes de lentejas (Lemna minor) en aproximadamente cinco pulgadas de agua. Un deflector dividió el agua en un canal en forma de U, y una pequeña bomba hizo circular el agua de un extremo de la U al otro. Basándome en mis mediciones, esta agua circulaba a unos 7,5 litros por hora. El filtro de tierra usaba hierbas de hierba de nuez (Cyperus rotundus) plantadas en capas de tierra, arena y turba, todo encima de una gasa y una malla de alambre para que el agua que se filtraba a través de los medios se acumulara debajo. Una segunda bomba hizo circular esta agua bombeando el agua desde el fondo del filtro a una línea de goteo que corría a través de la hierba de las nueces. Según mis mediciones, esta agua circulaba a unos 10,6 litros por hora, pero quizás un poco más lenta cuando la línea de goteo estaba en la tierra.
Hipótesis
Predije que el biofiltro basado en tierra sería más exitoso ya que emula un filtro municipal, con muchas capas y medios de filtración en los diversos medios de crecimiento. La línea de goteo y el medio le dan a las plantas y a las bacterias del suelo más tiempo para actuar sobre las aguas residuales. Las plantas terrestres también cultivan sistemas radiculares más extensos. (Algunas raíces se extendían hasta la cámara de recolección. Predije que el biofiltro a base de agua funcionaría menos bien, ya que el agua fluía a través de las plantas más rápidamente, y las plantas también estaban más directamente expuestas a los contaminantes, teniendo poco o ningún medio de crecimiento.
Entre los productos químicos que probé, predije que los más mejorados probablemente serían los fosfatos, porque las plantas absorben fosfatos, son ingredientes de muchos fertilizantes. Predije que el pH en el filtro de agua se acercaría más al neutro, porque ciertas plantas de agua pueden tolerar ambientes alcalinos y continuar bajando el pH. Por último, predije que una semana podría ser suficientes ciclos (más de 100 ciclos en cualquiera de los filtros) para crear un efecto notable en la pureza del agua. Después de un período mucho más largo en un ambiente cerrado( de prueba), las muertes de plantas y los detritos en descomposición podrían tener efectos negativos en el agua. Predije que la dafnia, una especie que prospera en agua limpia, sobreviviría más tiempo en el agua filtrada que en la solución de aguas residuales original.
Metodología
Creé una solución de aguas residuales destinada a imitar eso en una lavadora típica agregando Todo el detergente para ropa de la marca Stainlifter al agua limpia a una concentración de aproximadamente 0,0055 onzas por litro (equivalente a seguir lavadora de 40 galones). Probé la efectividad de mis filtros biológicos de dos maneras: (1) midiendo niveles químicos específicos usando tiras reactivas (vendidas para probar el agua del acuario) y (2) introduciendo dafnias vivas, pequeños crustáceos que solo viven en agua relativamente limpia (comprados a Carolina Supply). Creé cuatro soluciones de control diluyendo sucesivamente mi solución base 2: 1, 4:1 y 8:1 con agua limpia, y probé estas cuatro soluciones con tiras reactivas y dafnia.
Usando un cuentagotas, coloqué alrededor de seis dafnias vivas en cada hábitat y monitoreé su supervivencia al día siguiente. Elegí filtrar la Solución 2 (la concentración 2:1) porque era la concentración más baja que mataba a toda la dafnia en 10 horas, mientras que la dafnia en la Solución 3 sobrevivió más de un día (aproximadamente lo mismo que en el agua limpia, probablemente debido a la alimentación subóptima y la aireación del agua). La solución 2 difería de la Solución 3 en los niveles de nitritos, cloro, dureza, fosfato y amoníaco (véase el gráfico 1). Calculé el volumen de cada una de las cámaras de filtro y agregué detergente para ropa para crear la misma concentración inicial que la Solución 2.
Habiendo creado «aguas residuales» domésticas de una concentración conocida en cada biofiltro, dejé que los filtros circularan para ver si las plantas podían eliminar toxinas del agua. Medí la eficacia de los biofiltros comparando los niveles químicos medidos con tiras reactivas y las tasas de mortalidad de dafnias con los de las soluciones de control, incluida el agua potable del grifo. Tomé muestras diarias de cada filtro para probarlas. Después de siete días, eliminé el agua filtrada de cada biofiltro e introduje dafnias vivas (15 para el filtro terrestre y 13 para el filtro a base de agua) y trazé su supervivencia (véase el Gráfico 4).
Resultados
Ambos biofiltros produjeron una pureza del agua mejorada de manera similar, casi de vuelta al estado original del agua del grifo, según mis pruebas. En general, los datos de las tiras reactivas mostraron que los niveles químicos en el agua biofilterizada eran comparables o mejores que la Solución de control 3, la mitad de la concentración de detergente inicialmente en los filtros.
El filtro de tierra eliminó la mayor parte del fosfato, tomándolo de 5.0 ppm a 0.3 ppm durante seis días, y el amoníaco, bajándolo de 0.15 ppm a casi cero durante el mismo período. El filtro de tierra también redujo rápidamente los nitratos, nitritos y cloro de los niveles iniciales (de 10, 0,5 y 0,5 ppm, respectivamente) a niveles casi insignificantes en los primeros dos días. También aumentó la alcalinidad de 40 a 80 ppm, algo por debajo de los niveles ideales de 120-180 ppm para un ecosistema. (Brain 2011) El pH ideal del agua es 7, que es perfectamente neutro. El filtro de tierra se acercó, con un pH final ligeramente ácido de 6,9. El filtro de agua era ligeramente básico, produciendo 7,2. (Las pequeñas diferencias numéricas en el pH son significativas porque es una escala logarítmica.)
El filtro a base de agua también redujo el fosfato y el amoníaco gradualmente a niveles cercanos a cero durante seis días. Tomó de dos a tres días más que el filtro de tierra para reducir los niveles de nitrito y nitrato, pero los llevó a cero, según las tiras de prueba. El filtro de agua no pudo cambiar la alcalinidad de los niveles iniciales de 40 ppm. Después de unas dos semanas, el lirio comenzó a deteriorarse en salud, ya que era demasiado grande para el acuario, lo que probablemente sesgó los resultados debido al material vegetal podrido.
La dafnia viva introducida en el agua biofilterizada tuvo tasas de supervivencia comparables a las del agua pura, y mejores que las de las Soluciones de control 3 o 4. (Véase el gráfico 4.) En la solución 3, la dafnia sobrevivió durante 10 horas, pero murió al cabo de 24 horas. En el agua filtrada basada en tierra, solo 2 de 15 dafnias murieron en 24 horas, y en el agua filtrada basada en agua, ninguna murió. Las muertes en el agua del filtro terrestre pueden haber sido por el residuo de musgo de turba marrón o simplemente por un cuidado subóptimo. Las tasas de supervivencia de las dafnias demostraron que el agua biofilterada era más capaz de sustentar la vida acuática que las soluciones de control originales.
Cómo los biofiltros limpiaron el agua
Una planta de tratamiento de agua industrial utiliza procesos mecánicos, biológicos y químicos para filtrar y purificar las aguas residuales. El cribado, una cámara de arena y la sedimentación separan las partículas más grandes del agua por medios mecánicos. Una cámara de arena es un material denso que ralentiza el flujo del agua para eliminar sólidos más finos. Un tanque de sedimentación, o clarificador, gira el agua lentamente para que los sedimentos más pesados se hundan y el aceite se eleve. El «lodo activado» y la aireación proporcionan filtración biológica. (Faust 1998) El lodo activado es un ambiente oxigenado que fomenta el crecimiento de bacterias saprotróficas—bacterias que descomponen la materia orgánica—y otros organismos que metabolizan contaminantes. (Mountain Empire Community College 2010) Finalmente, la floculación (productos químicos que precipitan contaminantes coloidales), la cloración y la desinfección proporcionan purificación química. (Faust 1998) Mis filtros biológicos a base de plantas pueden haber filtrado el agua a través de procesos análogos. Creo que el agua fue filtrada por tres métodos, (1) mecánicamente, por el suelo, la arena y el musgo de turba, (2) biológicamente, por bacterias activadas en el agua y los medios, y (3) por las propias plantas.
Filtración mecánica
En el filtro de tierra, el agua pasa a través del suelo, la arena y el musgo de turba. Cuando el agua contaminada pasa a través del suelo, los aceites, los metales pesados y el exceso de nutrientes se filtran mecánicamente y por organismos transmitidos por el suelo que los absorben o metabolizan. Obligar a las aguas residuales a filtrarse lentamente a través de los medios le dio a estos organismos tiempo para descomponer o absorber varios contaminantes. La arena también puede haber actuado como una cámara de arena, sacando los sólidos del agua. Además de filtrar y / o absorber contaminantes, se sabe que el musgo de turba suaviza el agua químicamente porque se une a los iones de calcio y magnesio, y libera ácidos tánicos y gálicos en el agua. Estos ácidos se dirigen a los bicarbonatos en agua y reducen la dureza de carbonatos y el pH. (Peteducation.com 2011) Esto me lleva a creer que la turba era el principal agente para neutralizar el pH y la dureza. Aunque el filtro de agua tenía una cama de arena para el nenúfar, probablemente proporcionaba menos filtración mecánica.
Filtración biológica
Mis biofiltros probablemente proporcionaron filtración biológica de bacterias que viven en el agua y los medios de crecimiento. El agua se aireaba a medida que goteaba de la bomba, y se proporcionaban nutrientes para bacterias en el suelo superior y en el detergente, que contiene compuestos que consumen las bacterias, como fosfatos, nitratos y nitritos. Cuando una parte de la lenteja de pato murió, su materia vegetal pudo haber proporcionado alimento para la bacteria. Estas bacterias probablemente jugaron un papel importante en la eliminación de toxinas del agua. Los filtros de lodo activado pueden oxidar la materia carbonosa, convertir el amonio y el nitrógeno en materiales biológicos, eliminar fosfatos y absorber gases como dióxido de carbono, amoníaco y nitrógeno. (Mountain Empire Community College 2010) Las tiras químicas mostraron que las concentraciones de algunas de estas sustancias disminuyeron a lo largo del período de siete días.
Filtración por las plantas
Finalmente, creo que las plantas en ambos biofiltros desempeñaron un gran papel en la eliminación de fosfatos, nitratos, nitritos y amoníaco. Muchas sustancias nocivas para las personas y los animales son propicias para el crecimiento de las plantas. Las plantas requieren amoníaco, fosfatos y nitratos, y la mayoría de los fertilizantes sintéticos (así como el detergente para ropa) contienen estos productos químicos. Sin embargo, las altas concentraciones de estos productos químicos pueden hacer que las algas u otras especies de plantas «florezcan», alterando el equilibrio ambiental, y concentraciones suficientemente altas pueden matar a las mismas plantas. Se sabe que la lentejuela, la hierba de los frutos secos y los nenúfares absorben estas sustancias, y las nenúfares se plantan en muchos estanques para controlar las floraciones de algas. (Peteducation.com 2011) La lentejuela se expande y se esparce a medida que gana fosfatos, al igual que los nenúfares. Además de absorber sustancias químicas útiles para ellos, ciertas plantas pueden «encerrar» sustancias nocivas como el plomo, el zinc y el cadmio, evitando que dañen a otras especies o que entren en el agua subterránea. Se ha demostrado que la lentejuela es un biofiltro increíble para absorber no solo fósforo, sino también metales pesados peligrosos. Fue probado por un equipo de científicos israelíes para limpiar las aguas residuales de una planta de energía nuclear, que después de pasar por el biofiltro estaba limpio en un 99%. (Cafe 2011)
Conclusiones
Mi experimento demostró que los filtros biológicos a base de plantas pueden eliminar eficazmente los contaminantes de las aguas residuales domésticas. Si bien mi experimento fue limitado en tamaño y duración (y también debido a la dificultad de obtener plantas vivas durante el invierno), eliminó cantidades mensurables de contaminantes clave. Además, especímenes vivos verificaron que la calidad del agua mejoró. Investigué ejemplos de experimentos exitosos de biofiltros más grandes. Los filtros a base de plantas son económicos, accesibles en los países menos desarrollados, ecológicamente seguros y no producen el ruido, el olor y la antiestéticas asociados con las plantas de tratamiento de agua. (Logson 2002) Más investigación podría probar la efectividad de plantas más maduras, diferentes especies de plantas y otras combinaciones de agua cíclica a través de múltiples filtros y filtración a mayor escala.
Tablas de Datos
Terrestres filtro
| Fecha | Nitrato | Nitrito | Dureza | Cloro | Alcalinidad | pH | Amoníaco | Fosfato |
| Control | 0 | 0 | 25 | 0 | 40 | 7.0 | 0 | 0 |
| 3/14/11 | 10 | 0.5 | 25 | 0.5 | 40 | 6.8 | 0.15 | 5 |
| 3/15/11 | 5 | 0.5 | 75 | 0.5 | 40 | 6.8 | 0.15 | 5 |
| 3/16/11 | 0 | 0 | 75 | 0 | 40 | 6.9 | 0.1 | 3 |
| 3/17/11 | 0 | 0 | 75 | 0 | 40 | 6.9 | 0.1 | 2 |
| 3/18/11 | 0 | 0 | 75 | 0 | 80 | 6.9 | 0.1 | 1 |
| 3/19/11 | 0 | 0 | 75 | 0 | 80 | 6.9 | 0 | 1 |
| 3/20/11 | 0 | 0 | 75 | 0 | 80 | 6.9 | 0 | 0.3 |
a base de Agua filtro
| Fecha | Nitrato | Nitrito | Dureza | Cloro | Alcalinidad | pH | Amoníaco | Fosfato |
| Control | 0 | 0 | 25 | 0 | 40 | 7.0 | 0 | 0 |
| 3/14/11 | 10 | 0.5 | 75 | 0.5 | 40 | 6.2 | 0.15 | 5 |
| 3/15/11 | 10 | 0.5 | 75 | 0 | 40 | 6.4 | 0.15 | 4 |
| 3/16/11 | 10 | 0.5 | 75 | 0 | 40 | 6.4 | 0.15 | 2 |
| 3/17/11 | 5 | 0.5 | 75 | 0 | 40 | 6.2 | 0.15 | 2 |
| 3/18/11 | 5 | 0.5 | 75 | 0 | 40 | 6.8 | 0.15 | 1 |
| 3/19/11 | 0 | 0 | 75 | 0 | 40 | 6.8 | 0 | 1 |
| 3/20/11 | 0 | 0 | 75 | 0 | 40 | 7.2 | 0 | 0.5 |
Soluciones De Control De
| Agua Pura | Solución 1 | Solución 2 | Solución 3 | Solución 4 | |
| Nitrato De | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| El Nitrito | 0 | 0.5 | 0.5 | 0 | 0 |
| Dureza | 25 | 25 | 25 | 0 | 0 |
| El Cloro | 0 | 0.25 | 0.25 | 0 | 0 |
| la Alcalinidad | 40 | 300 | 180 | 0 | 0 |
| pH | 7.0 | 7.5 | 6.2 | 6.8 | 6.8 |
| El Amoníaco | 0 | 2 | 0.125 | 0 | 0 |
| Fosfato | 0 | 5 | 1.5 | 1 | 0.5 |
Daphnia
| la mañana Siguiente | noche | a Partir de la población | Después de 12 horas | Después de 24 horas | |
| Solución 1 | 0 | 0 | 6 | 0% | 0% |
| Solución 2 | 0 | 0 | 5 | 0% | 0% |
| Solución 3 | 2 | 0 | 5 | 40% | 0% |
| Solución 4 | 2 | 2 | 6 | 33% | 33% |
| Tierra de filtración | 13 | 13 | 15 | 87% | 87% |
| filtración de Agua | 13 | 13 | 13 | 100% | 100% |
| Control de agua pura | 6 | 6 | 8 | 75% | 75% |
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