Utilisation de Biofiltres à base de plantes pour purifier les eaux usées domestiques

Résumé

Ce projet a permis de vérifier si des « biofiltres » – des filtres à base de plantes vivantes – pouvaient être utilisés pour éliminer les polluants domestiques courants de l’eau. J’ai construit deux biofiltres et les ai utilisés pour purifier l’eau polluée avec du détergent à lessive à des niveaux auxquels elle pourrait être libérée en toute sécurité dans la nature. J’ai testé les eaux usées sur des daphnies vivantes avant et après filtration, ainsi qu’avec des bandelettes de test chimiques pour mesurer les nitrites, les nitrates, la dureté, le chlore, l’alcalinité, le pH, l’ammoniac et les phosphates. Les deux méthodes ont montré que mes filtres amélioraient la qualité de l’eau. La sortie d’eau des biofiltres a soutenu les daphnies vivantes ainsi que l’eau du robinet. Mon expérience a confirmé que les biofiltres pouvaient être un composant viable de la purification de l’eau à petite échelle ou domestique. Les biofiltres à base de plantes peuvent être utilisés pour filtrer les eaux usées avant de les renvoyer en toute sécurité dans l’environnement, pour fournir des « eaux grises » pour des utilisations autres que la consommation, ou comme préfiltres à faible coût pour rendre la filtration de l’eau potable plus efficace. Les biofiltres à base de plantes sont respectueux de l’environnement et plus accessibles aux zones qui ne peuvent pas se permettre la technologie industrielle de filtration municipale.

Contexte: Rareté de l’eau potable

L’eau potable est une ressource essentielle, qui devient rapidement rare parce que les populations croissantes consomment plus et réduisent l’approvisionnement par la pollution. Le filtrage, le traitement et le nettoyage des eaux usées pour augmenter l’approvisionnement sont nécessaires, mais ces méthodes sont coûteuses et nécessitent une énergie excessive. Les procédés de traitement modernes ne sont décidément pas organiques, nécessitant souvent l’ajout de produits chimiques supplémentaires à l’eau (par exemple, du chlore.) (Faust, 1998) J’ai émis l’hypothèse que des filtres naturels utilisant des plantes et leurs milieux de croissance associés (et leur microflore) pourraient filtrer les polluants ménagers courants des eaux usées. Bien que ne produisant pas d’eau potable, l’eau filtrée peut être suffisamment propre pour être rejetée en toute sécurité dans l’environnement ou réutilisée (p. ex., pour tirer la chasse d’eau des toilettes ou laver une voiture). Un filtre naturel présente de nombreux avantages et pourrait être une alternative future pour la filtration de l’eau.

Composants dangereux des eaux usées domestiques

J’ai utilisé des eaux usées contenant du détergent à lessive, un polluant domestique courant rejeté dans l’eau. Il contient de nombreux produits chimiques qui ne sont pas facilement décomposés et est dangereux pour l’écosystème car il tue la vie aquatique, gâte la chaîne alimentaire et compromet la santé humaine. Par exemple, les phénols présents dans les détergents sont des toxines qui provoquent des effets glandulaires perturbateurs chez les personnes et les animaux, tels que des échanges de sexe chez les poissons et la mort chez les personnes hypersensibles. (Guide de sécurité sanitaire IPSC 2011) Le détergent contient également des tensioactifs, des agents de construction, des agents de blanchiment, des phosphates et d’autres produits chimiques, y compris des nitrates, des nitrites et des enzymes. Les tensioactifs ont des propriétés émulsifiantes et dispersantes et diminuent la tension superficielle de l’eau. Les constructeurs, tels que le tripolyphosphate de sodium (STPP), éliminent les ions calcium et magnésium présents dans l’eau dure et le sol, ramollissant ainsi l’eau et la débarrassant des minéraux. D’autres ingrédients toxiques courants du détergent à lessive comprennent les agents de blanchiment, qui tuent d’importantes bactéries anioniques, et les distillats de pétrole (p. ex. les naphtas). Dans l’eau potable, les phénols ont rapidement provoqué des tumeurs malignes chez les souris et les rats. (Sixwise.com 2010) Les phosphates contenus dans les détergents contribuent grandement à endommager les proliférations d’algues. Tous ces changements à l’équilibre des systèmes d’eau naturels affectent les microorganismes, les plantes et les animaux plus gros tels que les poissons.

Préparation des Biofiltres

À l’aide d’un aquarium de 20 gallons, séparé en deux par une barrière acrylique, j’ai construit deux biofiltres, chacun conçu pour faire circuler les eaux usées à plusieurs reprises à travers des plantes vivantes rustiques communes. Le filtre à base d’eau utilisait un nénuphar nain (Nymphaea) couché dans un monticule de sable et de plantes flottantes de lentilles d’eau (Lemna minor) dans environ cinq pouces d’eau. Un déflecteur divisait l’eau en une auge en forme de U, et une petite pompe faisait circuler l’eau d’une extrémité du U à l’autre. D’après mes mesures, cette eau circulait à environ 7,5 litres par heure. Le filtre terrestre utilisait des mauvaises herbes à noix (Cyperus rotundus) plantées dans des couches de saleté, de sable et de mousse de tourbe, le tout sur une étamine et un treillis métallique afin que l’eau s’infiltrant à travers les médias s’accumule en dessous. Une deuxième pompe a fait circuler cette eau en pompant l’eau du fond du filtre dans une conduite d’égouttement traversant l’herbe à noix. D’après mes mesures, cette eau circulait à environ 10,6 litres par heure, mais peut-être un peu plus lentement lorsque la conduite d’égouttement était dans la saleté.

Hypothèses

J’ai prédit que le biofiltre terrestre serait plus performant puisqu’il imite un filtre municipal, avec de nombreuses couches et moyens de filtration dans les différents milieux de croissance. La ligne d’égouttement et les médias donnent aux plantes et aux bactéries du sol plus de temps pour agir sur les eaux usées. Les plantes terrestres développent également des systèmes racinaires plus étendus. (Certaines racines s’étendaient jusqu’à la chambre de collecte.) J’ai prédit que le biofiltre à base d’eau fonctionnerait moins bien, car l’eau traversait plus rapidement les plantes et les plantes étaient également plus directement exposées aux polluants, ayant peu ou pas de milieu de croissance.

Parmi les produits chimiques que j’ai testés, j’ai prédit que les phosphates seraient probablement les plus améliorés, car les plantes absorbent les phosphates — ce sont des ingrédients de nombreux engrais. J’ai prédit que le pH dans le filtre à eau deviendrait plus proche du neutre, car certaines plantes aquatiques peuvent tolérer des environnements alcalins et continuer à abaisser le pH. Enfin, j’ai prédit qu’une semaine pourrait suffire (bien plus de 100 cycles dans l’un ou l’autre filtre) pour créer un effet notable sur la pureté de l’eau. Après une période beaucoup plus longue dans un environnement fermé (test), la mort des plantes et les détritus en décomposition peuvent avoir des effets négatifs sur l’eau. J’ai prédit que la daphnie, une espèce qui prospère dans l’eau propre, survivrait plus longtemps dans l’eau filtrée que dans la solution d’eaux usées d’origine.

Méthodologie

J’ai créé une solution d’eaux usées destinée à imiter celle d’une machine à laver typique en ajoutant Tout le détergent à lessive de marque Stainlifter à de l’eau propre à une concentration d’environ 0,0055 onces par litre (ce qui équivaut à suivre les instructions du détergent avec une machine à laver de 40 gallons). J’ai testé l’efficacité de mes filtres biologiques de deux manières: (1) mesurer des niveaux chimiques spécifiques à l’aide de bandelettes de test (vendues pour tester l’eau d’aquarium) et (2) introduire des daphnies vivantes, de minuscules crustacés qui ne vivent que dans de l’eau relativement propre (achetés auprès de Carolina Supply). J’ai créé quatre solutions de contrôle en diluant successivement ma solution de base 2: 1, 4:1 et 8:1 avec de l’eau propre, et j’ai testé ces quatre solutions avec des bandelettes de test et des daphnies.

À l’aide d’une pipette, j’ai placé environ six daphnies vivantes dans chaque habitat et j’ai surveillé leur survie le lendemain. J’ai choisi de filtrer la Solution 2 (la concentration 2: 1) car c’est la concentration la plus faible qui a tué toutes les daphnies en 10 heures, tandis que les daphnies de la Solution 3 ont survécu plus d’une journée (à peu près la même que dans l’eau propre, probablement en raison d’une alimentation et d’une aération sous-optimales de l’eau). La solution 2 diffère de la Solution 3 par les niveaux de nitrites, de chlore, de dureté, de phosphate et d’ammoniac (voir graphique 1). J’ai calculé le volume de chacune des chambres de filtration et ajouté du détergent à lessive pour créer la même concentration initiale que la solution 2.

Ayant créé des « eaux usées » domestiques d’une concentration connue dans chaque biofiltre, j’ai laissé les filtres circuler pour voir si les plantes pouvaient éliminer les toxines de l’eau. J’ai mesuré l’efficacité des biofiltres en comparant les niveaux chimiques mesurés avec les bandelettes de test et les taux de mortalité des daphnies à ceux des solutions de contrôle, y compris l’eau du robinet propre. J’ai prélevé des échantillons quotidiens de chaque filtre pour les tester. Après sept jours, j’ai retiré l’eau filtrée de chaque biofiltre et introduit des daphnies vivantes (15 pour la terre et 13 pour le filtre à base d’eau) et j’ai cartographié leur survie (voir Graphique 4).

Résultats

Les deux biofiltres ont permis d’améliorer la pureté de l’eau, presque à l’état d’origine de l’eau du robinet, d’après mes tests. Dans l’ensemble, les données des bandelettes de test ont montré que les niveaux chimiques dans l’eau biofiltrée étaient comparables ou supérieurs à la solution témoin 3, soit la moitié de la concentration de détergent initialement contenue dans les filtres.

Le filtre terrestre a éliminé le plus de phosphate, le faisant passer de 5,0 ppm à 0,3 ppm en six jours, et l’ammoniac, l’abaissant de 0,15 ppm à presque zéro au cours de la même période. Le filtre terrestre a également rapidement abaissé les nitrates, les nitrites et le chlore des niveaux initiaux (de 10, 0,5 et 0,5 ppm, respectivement) à des niveaux presque négligeables au cours des deux premiers jours. Il a également augmenté l’alcalinité de 40 à 80 ppm, un peu en dessous des niveaux idéaux de 120 à 180 ppm pour un écosystème. (Brain 2011) Le pH idéal de l’eau est de 7, ce qui est parfaitement neutre. Le filtre terrestre s’est rapproché, avec un pH final légèrement acide de 6,9. Le filtre à eau était légèrement basique, donnant 7,2. (Les petites différences numériques de pH sont significatives car il s’agit d’une échelle logarithmique.)

Le filtre à base d’eau a également abaissé progressivement le phosphate et l’ammoniac jusqu’à des niveaux proches de zéro en six jours. Il a fallu deux à trois jours de plus que le filtre terrestre pour abaisser les niveaux de nitrite et de nitrate, mais les a ramenés à zéro, selon les bandelettes de test. Le filtre à eau n’a pas pu modifier l’alcalinité par rapport aux niveaux initiaux de 40 ppm. Après environ deux semaines, la santé du lis a commencé à se détériorer — il était trop grand pour l’aquarium —, ce qui a probablement faussé les résultats en raison du matériel végétal en décomposition.

Les daphnies vivantes introduites dans l’eau biofiltrée avaient des taux de survie comparables à ceux de l’eau pure — et meilleurs que ceux des Solutions témoins 3 ou 4. (Voir Graphique 4.) Dans la solution 3, les daphnies ont survécu pendant 10 heures mais sont mortes après 24 heures. Dans l’eau filtrée terrestre, seulement 2 daphnies sur 15 sont mortes en 24 heures, et dans l’eau filtrée à base d’eau, aucune n’est décédée. Les décès dans l’eau filtrante terrestre peuvent provenir des résidus de mousse de tourbe brunâtre ou simplement de soins sous-optimaux. Les taux de survie des daphnies ont démontré que l’eau biofiltrée était mieux en mesure de soutenir la vie aquatique que les solutions de contrôle originales.

Comment les Biofiltres nettoyaient l’eau

Une usine de traitement de l’eau industrielle utilise des procédés mécaniques, biologiques et chimiques pour filtrer et purifier les eaux usées. Le tamisage, une chambre à grains et la sédimentation séparent les plus grosses particules de l’eau par des moyens mécaniques. Une chambre à grains est un matériau dense qui ralentit l’écoulement de l’eau afin d’éliminer les solides plus fins. Un réservoir de sédimentation, ou clarificateur, fait tourner l’eau lentement de sorte que les sédiments plus lourds coulent et que le pétrole monte. Les « boues activées » et l’aération assurent la filtration biologique. (Faust, 1998) Les boues activées sont un environnement oxygéné qui favorise la croissance de bactéries saprotrophes — bactéries qui décomposent la matière organique — et d’autres organismes qui métabolisent les polluants. (Mountain Empire Community College 2010) Enfin, la floculation (produits chimiques qui précipitent les polluants colloïdaux), la chloration et la désinfection assurent la purification chimique. (Faust 1998) Mes filtres biologiques à base de plantes ont peut-être filtré l’eau par des processus analogues. Je crois que l’eau a été filtrée par trois méthodes, (1) mécaniquement, par le sol, le sable et la mousse de tourbe, (2) biologiquement, par des bactéries activées dans l’eau et les milieux, et (3) par les plantes elles-mêmes.

Filtration mécanique

Dans le filtre à terre, l’eau traversait le sol, le sable et la mousse de tourbe. Lorsque l’eau polluée traverse le sol, les huiles, les métaux lourds et les nutriments en excès sont filtrés mécaniquement et par des organismes transmis par le sol qui les absorbent ou les métabolisent. En forçant les eaux usées à s’infiltrer lentement à travers les milieux, ces organismes ont eu le temps de se décomposer ou d’absorber divers polluants. Le sable a peut-être également agi comme une chambre à grains, retirant les solides de l’eau. En plus de filtrer et / ou d’absorber les polluants, la mousse de tourbe est connue pour adoucir l’eau chimiquement car elle lie les ions calcium et magnésium et libère des acides tanniques et gaulois dans l’eau. Ces acides ciblent les bicarbonates dans l’eau et réduisent la dureté carbonatée et le pH. (Peteducation.com 2011) Cela me porte à croire que la mousse de tourbe était le principal agent de neutralisation du pH et de la dureté. Bien que le filtre à eau ait une litière de sable pour le nénuphar, il a probablement fourni une filtration moins mécanique.

Filtration biologique

Mes biofiltres ont probablement fourni une filtration biologique à partir de bactéries vivant dans l’eau et les milieux de croissance. L’eau a été aérée lorsqu’elle s’écoulait de la pompe, et des nutriments pour les bactéries ont été fournis dans le sol supérieur et dans le détergent, qui contient des composés que les bactéries consomment, tels que les phosphates, les nitrates et les nitrites. Quand une partie de la lentille d’eau est morte, sa matière végétale a peut-être fourni de la nourriture à la bactérie. Ces bactéries ont probablement joué un rôle majeur dans l’élimination des toxines de l’eau. Les filtres à boues activées peuvent oxyder la matière carbonée, transformer l’ammonium et l’azote en matières biologiques, éliminer les phosphates et absorber des gaz tels que le dioxyde de carbone, l’ammoniac et l’azote. (Mountain Empire Community College 2010) Les bandes chimiques ont montré que les concentrations de certaines de ces substances ont diminué au cours de la période de sept jours.

Filtration par les plantes

Enfin, je crois que les plantes des deux biofiltres ont joué un grand rôle dans l’élimination des phosphates, des nitrates, des nitrites et de l’ammoniac. De nombreuses substances nocives pour les personnes et les animaux favorisent la croissance des plantes. Les plantes ont besoin d’ammoniac, de phosphates et de nitrates, et la plupart des engrais synthétiques (ainsi que des détergents à lessive) contiennent ces produits chimiques. Cependant, des concentrations élevées de ces produits chimiques peuvent provoquer la « floraison » d’algues ou d’autres espèces végétales, perturbant l’équilibre environnemental, et des concentrations suffisamment élevées peuvent tuer les mêmes plantes. Les lentilles d’eau, l’herbe à noix et les nénuphars sont connus pour absorber ces substances, et des nénuphars sont plantés dans de nombreux étangs pour contrôler la prolifération des algues. (Peteducation.com 2011) La lentille d’eau se dilate et se propage à mesure qu’elle gagne en phosphates, tout comme les nénuphars. En plus d’absorber les produits chimiques qui leur sont utiles, certaines plantes peuvent « enfermer » des substances nocives telles que le plomb, le zinc et le cadmium, les empêchant de nuire à d’autres espèces ou de pénétrer dans les eaux souterraines. Il a été prouvé que la lentille d’eau est un biofiltre incroyable pour absorber non seulement le phosphore, mais également les métaux lourds dangereux. Il a été testé par une équipe de scientifiques israéliens pour nettoyer les eaux usées d’une centrale nucléaire qui, après avoir traversé le biofiltre, étaient propres à 99%. (Cafe 2011)

Conclusions

Mon expérience a montré que les filtres biologiques à base de plantes peuvent éliminer efficacement les polluants des eaux usées domestiques. Alors que mon expérience était limitée en taille et en durée (et aussi en raison de la difficulté d’obtenir des plantes vivantes pendant l’hiver), elle a éliminé des quantités mesurables de polluants clés. De plus, des spécimens vivants ont vérifié que la qualité de l’eau s’améliorait. J’ai recherché des exemples d’expériences de biofiltre réussies et plus grandes. Les filtres à base de plantes sont économiques, accessibles dans les pays les moins développés, écologiquement sûrs et ne produisent aucun des bruits, odeurs et nuisances associés aux usines de traitement de l’eau. (Logson, 2002) D’autres recherches pourraient tester l’efficacité de plantes plus matures, de différentes espèces de plantes et d’autres combinaisons de cycles d’eau à travers plusieurs filtres et une filtration à plus grande échelle.

Tableaux de données

Filtre terrestre

Filtre à base d’eau

Solutions De Contrôle

Daphnies

Bibliographie

« Boues activées. »Désinfection de l’eau. Extrait du World Wide Web le 15 février 2011. http://water.me.vccs.edu/courses/ENV149/asludge.htm.

« Les Détergents À Lessive De Marque Leader Sont-Ils Respectueux De L’Environnement? »Alternative à la lessive. Extrait du World Wide Web le 20 février 2011. http://www.laundry-alternative.com/detergentsinfo.htm.

Cerveau, Marshall.  » Comment fonctionnent les égouts et les fosses septiques. »Howstuffworks. Extrait du World Wide Web le 1er mars 2011. http://home.howstuffworks.com/home-improvement/plumbing/sewer.htm.

Faust, D. Samuel. Chimie du traitement de l’eau. Washington, D.C. : Lewis Publishers (CRC Press), 1998.

Fuertes, James H. La filtration de l’eau Fonctionne. Il est le fils de J. Wiley, 1901.

« Comment Les Tensioactifs Deviennent Des Toxines Corporelles. » Brighthub. Extrait du World Wide Web le 13 mars 2011. http://www.brighthub.com/environment/green-living/articles/17626.aspx#ixzz19uEpotV2.

Logson, Gary.Pratique de Filtration de L’Eau, Y compris les Filtres à Sable Lents et la Filtration de Pré-Couche. Boston : Groupe Taylor et Francis, 2002.

Marti, Isabel. « Détermination spectrophotométrique de faibles niveaux de tensioactifs anioniques dans l’eau par extraction au solvant dans un système d’injection à flux. » Éditions RSC. Extrait du World Wide Web le 13 février 2011.
http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/1988/AN/an9881301677.

« Guide de santé et de sécurité au phénol. »Guide de Santé et de sécurité IPSC. Extrait du World Wide Web le 1er mars 2011. http://www.inchem.org/documents/hsg/hsg/hsg88_e.htm.

« Dangers toxiques du linge typique. » Sixwise.com . Extrait du World Wide Web le 14 mars 2011. http://www.sixwise.com/newsletters/05/07/06/the-toxic-dangers-of-typical-laundry-detergent.htm.

« Utiliser de la mousse de Tourbe pour Abaisser la Dureté de l’eau et les niveaux de Ph dans les étangs. » Animal de compagnie Education.com . Extrait du World Wide Web le 1er mars 2011. http://www.peteducation.com/article.cfm?c=21+1917&aid=2744.

Vigile, Kenneth. De l’eau Propre. New York : Lewis Publishers (CRC Press), 2003.

« Les Plantes aquatiques comme Biofiltres pour Polluer les Métaux Lourds et les Matières Radioactives. »Idées À Gogo. Extrait du World Wide Web le 14 février 2011. http://affleap.com/water-plants-as-bio-filters-to-polluting-heavy-metals-and-radioactive-materials/.

Hiver, Ruth. A Consumer’s Dictionary of Household, Yard and Office Chemicals: Informations complètes sur les Produits Chimiques nocifs et Souhaitables Présents dans les Produits Ménagers de tous les Jours, les Poisons de jardin et les Pollueurs de bureau. Miami : Macmillan Ltd, 2001.

Zoller, Uri. Manuel des détergents. Boca Raton, Floride : Groupe Taylor et Francis, 2009.