növényi alapú biofilterek használata a háztartási szennyvíz tisztítására

absztrakt

ez a projekt azt vizsgálta, hogy a “biofilterek”—élő növényeken alapuló szűrők—felhasználhatók-e a háztartási szennyező anyagok vízből történő eltávolítására. Két bioszűrőt építettem, és a mosóporral szennyezett vizet olyan szintre tisztítottam, hogy az biztonságosan a természetbe kerülhessen. A szennyvizet élő daphnián teszteltem szűrés előtt és után, valamint kémiai tesztcsíkokkal a nitritek, nitrátok, keménység, klór, lúgosság, pH, ammónia és foszfátok mérésére. Mindkét módszer azt mutatta, hogy a szűrők javították a víz minőségét. A biofilterek vízkibocsátása fenntartotta az élő daphniát, valamint a csapvizet. Kísérletem megerősítette, hogy a biofilterek életképes alkotóelemei lehetnek a kisüzemi vagy háztartási víztisztításnak. A növényi alapú bioszűrők felhasználhatók a szennyvíz szűrésére, mielőtt biztonságosan visszaküldenék a környezetbe, hogy “szürke vizet” biztosítsanak a fogyasztástól eltérő célokra, vagy olcsó előszűrőként az ivóvíz szűrésének hatékonyabbá tétele érdekében. A növényi alapú bioszűrők környezettudatosak és könnyebben hozzáférhetők olyan területeken, amelyek nem engedhetik meg maguknak a települési szűrés ipari technológiáját.

háttér: a tiszta víz szűkössége

a tiszta víz kritikus erőforrás, amely gyorsan szűkössé válik, mivel a növekvő népesség többet fogyaszt, és a szennyezés révén csökkenti az ellátást. A szennyvíz szűrése, kezelése és egyéb módon történő tisztítása a kínálat növelése érdekében szükséges, de ezek a módszerek drágák és túlzott energiát igényelnek. A Modern kezelési eljárások határozottan nem szervesek, gyakran további vegyi anyagokat (például klórt) kell hozzáadni a vízhez.(Faust, 1998) feltételeztem, hogy a növényeket és a hozzájuk kapcsolódó táptalajt (és mikroflórát) használó természetes szűrők képesek kiszűrni a háztartási szennyezőanyagokat a szennyvízből. Bár nem termel ivóvizet, a szűrt víz elég tiszta lehet ahhoz, hogy biztonságosan kijusson a környezetbe vagy újra felhasználhassa (pl., WC öblítéséhez vagy autó mosásához). A természetes szűrőnek számos előnye van, és a vízszűrés jövőbeli alternatívája lehet.

a háztartási szennyvíz veszélyes alkotóelemei

mosószert tartalmazó szennyvizet használtam, amely a háztartási szennyezőanyag a vízbe került. Sok olyan vegyi anyagot tartalmaz, amelyek nem könnyen bomlanak le, és veszélyes az ökoszisztémára, mert megöli a vízi élővilágot, rontja a táplálékláncot és veszélyezteti az emberi egészséget. Például a mosószerekben található fenolok olyan toxinok, amelyek zavaró mirigyhatásokat okoznak az emberekben és az állatokban, mint például a halak nemi cseréje és a túlérzékeny emberek halála. (IPSC Health Safety Guide 2011) a mosószer felületaktív anyagokat, Építőanyagokat, fehérítőket, foszfátokat és egyéb vegyi anyagokat is tartalmaz, beleértve a nitrátokat, nitriteket és enzimeket. A felületaktív anyagok emulgeáló és diszpergáló tulajdonságokkal rendelkeznek, és csökkentik a víz felületi feszültségét. Az építők, mint például a nátrium-tripolifoszfát (STPP), eltávolítják a kemény vízben és talajban lévő kalcium-és magnéziumionokat, ezáltal lágyítják a vizet és eltávolítják az ásványi anyagokat. A mosószer egyéb gyakori, mérgező összetevői közé tartoznak a fehérítők, amelyek elpusztítják a fontos anionos baktériumokat, valamint a kőolajpárlatok (pl. Az ivóvízben a fenolok gyorsan rosszindulatú daganatokat okoztak egerekben és patkányokban. (Sixwise.com 2010) a mosószerben lévő foszfátok nagyban hozzájárulnak az algák virágzásának károsodásához. A természetes vízrendszerek egyensúlyának mindezen változásai hatással vannak a mikroorganizmusokra, a növényekre és a nagyobb állatokra, például a halakra.

előkészítése a biofilterek

segítségével egy 20 gallon akvárium, elválasztva félbe egy akril gát, építettem két biofiltereket, mindegyik célja, hogy keringenek szennyvíz többször keresztül közös szívós élő növények. A vízbázisú szűrő használt törpe tavirózsa (Nymphaea) ágyazott egy halom homok és úszó békalencse (Lemna minor) növények körülbelül öt centi vizet. A terelőlemez a vizet U alakú vályúra osztotta, egy kis szivattyú pedig az U egyik végétől a másikig keringette a vizet. Méréseim alapján ez a víz körülbelül 7,5 liter / óra sebességgel keringett. A szárazföldi szűrő használt dió fű gyomok (Cyperus rotundus) ültetett réteg szennyeződés, homok és tőzegmoha, minden a tetején cheesecloth és drótháló, hogy a víz szivárog le a médián keresztül gyűjtene alább. Egy második szivattyú keringette ezt a vizet úgy, hogy a vizet a szűrő aljáról egy csepegtető vezetékbe pumpálta, amely az anyafüvön keresztül fut. Méréseim alapján ez a víz körülbelül 10,6 liter / óra sebességgel keringett, de talán kissé lassabban, amikor a csepegtető vezeték a szennyeződésben feküdt.

hipotézisek

azt jósoltam, hogy a szárazföldi biofilter sikeresebb lesz, mivel városi szűrőt emulál, sok réteggel és szűrési eszközzel a különböző növekedési közegekben. A csepegtető vezeték és a közeg több időt ad a növényeknek és a talajbaktériumoknak a szennyvíz kezelésére. A szárazföldi növények kiterjedtebb gyökérrendszereket is termesztenek. (Néhány gyökér a gyűjtőkamrába nyúlt.) Azt jósoltam, hogy a vízbázisú biofilter kevésbé fog működni, mivel a víz gyorsabban áramlik át a növényeken, és a növények is közvetlenebben vannak kitéve a szennyező anyagoknak, kevés táptalajuk van, vagy nincs.

az általam tesztelt vegyi anyagok közül azt jósoltam, hogy a legjobban valószínűleg a foszfátok javulnak, mert a növények felszívják a foszfátokat—sok műtrágya összetevői. Azt jósoltam, hogy a vízszűrő pH-ja közelebb kerül a semlegeshez, mert bizonyos vízinövények tolerálják a lúgos környezetet, és továbbra is csökkentik a pH-t. végül azt jósoltam, hogy egy hét elegendő ciklus lehet (jóval több mint 100 ciklus bármelyik szűrőben), hogy észrevehető hatást gyakoroljon a víz tisztaságára. Zárt (teszt) környezetben sokkal hosszabb idő elteltével a növénypusztulás és a rothadó törmelék negatív hatással lehet a vízre. Azt jósoltam, hogy a daphnia, egy faj, amely tiszta vízben virágzik, tovább él a szűrt vízben, mint az eredeti szennyvízoldatban.

módszertan

létrehoztam egy szennyvízoldatot, amelynek célja, hogy utánozza ezt egy tipikus mosógépben azáltal, hogy az összes Stainlifter márkájú mosószert tiszta vízhez adja, körülbelül 0,0055 uncia / liter koncentrációban (egyenértékű a mosószer utasításainak követésével 40 uncia / liter-gallon mosógép). Biológiai szűrőim hatékonyságát kétféleképpen teszteltem: (1) specifikus kémiai szintek mérése tesztcsíkok segítségével (akváriumvíz tesztelésére eladva) és (2) élő daphnia, apró rákfélék bevezetése, amelyek csak viszonylag tiszta vízben élnek (a Carolina Supply-tól vásárolták). Négy vezérlési megoldást hoztam létre az alapoldatom 2:1, 4:1 és 8:1 arányú hígításával tiszta vízzel, és ezt a négy megoldást tesztcsíkokkal és daphniával teszteltem.

szemcseppentővel körülbelül hat élő daphniát helyeztem el minden élőhelyen, és figyeltem a túlélésüket a következő napon. A 2. oldat szűrését választottam (a 2: 1 koncentráció), mert ez volt a legalacsonyabb koncentráció, amely 10 órán belül elpusztította az összes daphniát, míg a 3.oldatban lévő daphnia több mint egy napig fennmaradt (nagyjából ugyanaz, mint a tiszta vízben, valószínűleg a nem optimális táplálás és a víz levegőztetése miatt). A 2. oldat a nitritek, a klór, a keménység, a foszfát és az ammónia szintjében különbözött a 3.oldattól (lásd 1. ábra). Kiszámoltam az egyes szűrőkamrák térfogatát, és hozzáadtam a mosószert, hogy ugyanazt a kezdeti koncentrációt hozzam létre, mint a 2.oldat.

miután minden biofilterben ismert koncentrációjú háztartási “szennyvizet” hoztam létre, hagytam, hogy a szűrők keringjenek, hátha a növények eltávolíthatják a toxinokat a vízből. A biofilterek hatékonyságát úgy mértem, hogy összehasonlítottam a tesztcsíkokkal mért kémiai szinteket és a daphnia halálozási arányát a kontroll oldatokéval, beleértve a tiszta csapvizet is. Minden szűrőből napi mintákat vettem tesztelésre. Hét nap elteltével eltávolítottam a szűrt vizet minden biofilterből, és bevittem az élő daphniát (15 a szárazföldre és 13 a vízbázisú szűrőre), és feltérképeztem a túlélésüket (lásd 4.ábra).

eredmények

mindkét bioszűrő hasonlóan javította a víz tisztaságát, majdnem visszatért a csapvíz eredeti állapotába. Összességében a tesztcsíkokból származó adatok azt mutatták, hogy a bioszűrt víz kémiai szintje összehasonlítható vagy jobb, mint a 3.kontrolloldat—a mosószer koncentrációjának fele kezdetben a szűrőkben.

a földszűrő eltávolította a legtöbb foszfátot, hat nap alatt 5,0 ppm-ről 0,3 ppm-re, az ammóniát pedig ugyanebben az időszakban 0,15 ppm-ről majdnem nullára csökkentette. A földszűrő gyorsan csökkentette a nitrátokat, a nitriteket és a klórt a kezdeti szintről (10, 0,5 és 0,5 ppm) szinte elhanyagolható szintre az első két napon belül. Emellett a lúgosságot 40-ről 80 ppm-re emelte, valamivel az ökoszisztéma ideális 120-180 ppm-es szintje alatt. (Brain 2011) a víz ideális pH-ja 7, ami tökéletesen semleges. A földszűrő közelebb került, enyhén savas végső pH-ja 6,9 volt. A vízszűrő enyhén bázikus volt, így 7,2 volt. (A pH kis számbeli különbségei jelentősek, mert ez egy logaritmikus skála.)

a vízbázisú szűrő hat nap alatt fokozatosan csökkentette a foszfátot és az ammóniát közel nulla szintre. Két-három nappal tovább tartott, mint a szárazföldi szűrő, hogy csökkentse a nitritet és a nitrátszintet, de a tesztcsíkok szerint nullára hozta őket. A vízszűrő nem tudta megváltoztatni a lúgosságot a kezdeti 40 ppm szintről. Körülbelül két hét elteltével a liliom egészségi állapota romlani kezdett—túl nagy volt az akvárium számára -, ami valószínűleg torzította az eredményeket a rothadó növényi anyag miatt.

a bioszűrt vízbe bevitt élő daphnia túlélési aránya hasonló volt a tiszta vízekéhez—és jobb, mint a 3.vagy 4. Kontrolloldatoké. (Lásd A 4. Ábrát.) A 3. oldatban a daphnia 10 órán át életben maradt, de 24 óra elteltével meghalt. A szárazföldi szűrt vízben csak 2 15 daphnia halt meg 24 órán belül, a vízbázisú szűrt vízben pedig egyik sem halt meg. A szárazföldi szűrővízben bekövetkezett halálesetek a barnás tőzegmoha maradványaiból származhatnak, vagy csak nem optimális ellátásból származhatnak. A daphniák túlélési aránya azt mutatta, hogy a bioszűrt víz jobban képes támogatni a vízi élővilágot, mint az eredeti kontroll megoldások.

egy ipari víztisztító telep mechanikai, biológiai és kémiai eljárásokat alkalmaz a szennyvíz szűrésére és tisztítására. A szűrés, a szemcsekamra és az ülepítés mechanikus úton választja el a nagyobb részecskéket a vízből. A szemcsekamra sűrű anyag, amely lelassítja a víz áramlását, így a finomabb szilárd anyagok eltávolításra kerülnek. Az ülepítő tartály vagy tisztító lassan forgatja a vizet, így a nehezebb üledék elsüllyed és az olaj emelkedik. Az” aktív iszap ” és a levegőztetés biológiai szűrést biztosít. (Faust 1998) Az aktív iszap oxigénnel kezelt környezet, amely ösztönzi a szaprotróf baktériumok—a szerves anyagokat lebontó baktériumok—és más szennyező anyagokat metabolizáló szervezetek növekedését. (Mountain Empire Community College 2010) végül a flokkuláció (a kolloid szennyező anyagokat kicsapó vegyi anyagok), a klórozás és a fertőtlenítés kémiai tisztítást biztosít. (Faust 1998) biológiai, növényi alapú szűrőim hasonló folyamatokon keresztül szűrhették a vizet. Úgy gondolom, hogy a vizet három módszerrel szűrték: 1) mechanikusan a talaj, a homok és a tőzegmoha, 2) biológiailag a vízben és a közegben aktivált baktériumok, és 3) maguk a növények.

mechanikai szűrés

a szárazföldi szűrő, a víz áthaladt a talaj, homok és tőzeg moha. Amikor a szennyezett víz áthalad a talajon, az olajokat, a nehézfémeket és a felesleges tápanyagokat mechanikusan kiszűrik, és a talaj által terjesztett organizmusok felszívják vagy metabolizálják őket. A szennyvíz lassú beszivárgásának kényszerítése a közegen keresztül időt adott ezeknek az organizmusoknak a különféle szennyező anyagok lebontására vagy felszívására. Lehet, hogy a homok szemcsés kamraként is működött, szilárd anyagokat vett ki a vízből. A szennyező anyagok szűrése és / vagy elnyelése mellett a tőzegmoháról ismert, hogy kémiailag lágyítja a vizet, mert megköti a kalcium-és magnéziumionokat, és csersav-és galluszsavakat bocsát ki a vízbe. Ezek a savak a vízben lévő bikarbonátokat célozzák meg, és csökkentik a karbonát keménységét és pH-ját. (Peteducation.com 2011) Ez arra enged következtetni, hogy a tőzegmoha volt a fő hatóanyag a pH és a keménység semlegesítésében. Bár a vízszűrőnek homokágya volt a tavirózsa számára, valószínűleg kevesebb mechanikai szűrést biztosított.

biológiai szűrés

Biofiltereim valószínűleg biológiai szűrést biztosítottak a vízben és a növekedési közegben élő baktériumokból. A vizet levegőztették, amikor a szivattyúból csöpögött, és a baktériumok tápanyagait a felső talajban és a mosószerben biztosították, amely a baktériumok által fogyasztott vegyületeket, például foszfátokat, nitrátokat és nitriteket tartalmaz. Amikor a békalencse egy része elpusztult, növényi anyaga táplálékot szolgáltathatott a baktériumok számára. Ezek a baktériumok valószínűleg nagy szerepet játszottak a toxinok eltávolításában a vízből. Az aktív iszapszűrők oxidálhatják a széntartalmú anyagokat, az ammóniumot és a nitrogént biológiai anyagokká alakíthatják, eltávolíthatják a foszfátokat, és elnyelhetik a gázokat, például a szén-dioxidot, az ammóniát és a nitrogént. (Mountain Empire Community College 2010) a kémiai csíkok azt mutatták, hogy ezen anyagok némelyikének koncentrációja csökkent a hét napos időszak alatt.

a növények szűrése

végül úgy gondolom, hogy mindkét biofilterben lévő növények nagy szerepet játszottak a foszfátok, nitrátok, nitritek és ammónia eltávolításában. Sok emberre és állatra ártalmas anyag elősegíti a növények növekedését. A növények ammóniát, foszfátokat és nitrátokat igényelnek, és a legtöbb szintetikus műtrágya (valamint mosószer) tartalmazza ezeket a vegyi anyagokat. Ezeknek a vegyi anyagoknak a magas koncentrációja azonban algák vagy más növényfajok “virágzását” okozhatja, megzavarva a környezeti egyensúlyt, és a kellően magas koncentrációk elpusztíthatják ugyanazokat a növényeket. A békalencse, a diófű és a vízililiom ismert, hogy felszívja ezeket az anyagokat, és a liliompárnákat sok tavakban ültetik az algavirágzás szabályozására. (Peteducation.com 2011) békalencse kitágul és terjed, ahogy nyer foszfátok, mint a tavirózsa. Amellett, hogy elnyeli a számukra hasznos vegyi anyagokat, egyes növények “zárhatják” a káros anyagokat, például az ólmot, a cinket és a kadmiumot, megakadályozva, hogy más fajokat károsítsanak vagy a talajvízbe kerüljenek. A békalencse hihetetlen biofilternek bizonyult nemcsak a foszfor, hanem a veszélyes nehézfémek elnyelésében is. Izraeli tudósok egy csoportja tesztelte egy atomerőmű szennyvízének tisztítását, amely a biofilteren való áthaladás után 99% – ban tiszta volt. (Cafe 2011)

következtetések

kísérletem azt mutatta, hogy a növényi alapú, biológiai szűrők hatékonyan eltávolíthatják a szennyező anyagokat a háztartási szennyvízből. Bár a kísérletem mérete és időtartama korlátozott volt (és azért is, mert télen nehéz volt élő növényeket szerezni), mérhető mennyiségű kulcsfontosságú szennyező anyagot távolított el. Ezenkívül az élő példányok igazolták, hogy a vízminőség javult. Sikeres, nagyobb biofilter kísérletek példáit kutattam. A növényi alapú szűrők gazdaságosak, hozzáférhetők a kevésbé fejlett országokban, ökológiailag biztonságosak, és nem okoznak semmilyen zajt, szagot és nem megfelelő működést a víztisztító telepekkel kapcsolatban. (Logson 2002) további kutatások tesztelhetik az érettebb növények, a különböző növényfajok és a kerékpáros víz egyéb kombinációinak hatékonyságát több szűrőn és nagyobb méretű szűrésen keresztül.

adattáblák

szárazföldi szűrő

vízbázisú szűrő

Vezérlési Megoldások

Daphnia

Bibliográfia

“Eleveniszap.”A víz fertőtlenítése. Lekért a World Wide Web 15 február 2011. http://water.me.vccs.edu/courses/ENV149/asludge.htm.

” A Vezető Márkájú Mosószerek Környezetbarátak?”Mosoda Alternatív. Lekért a World Wide Web február 20-án 2011. http://www.laundry-alternative.com/detergentsinfo.htm.

Agy, Marshall. “Hogyan működik a szennyvízcsatorna és a szeptikus rendszer.”Howstuffworks. Lekért a World Wide Web március 1-jén 2011. http://home.howstuffworks.com/home-improvement/plumbing/sewer.htm.

Faust, D. Samuel. A vízkezelés kémiája. Washington, DC: Lewis Publishers (CRC Press), 1998.

Fuertes, James H. A Vízszűrés Működik. New York: J. Wiley és fiai, 1901.

“Hogyan Válnak A Felületaktív Anyagok Testi Toxinokká.”Brighthub. Lekért a World Wide Web on 13 március 2011. http://www.brighthub.com/environment/green-living/articles/17626.aspx#ixzz19uEpotV2.

Logson, Gary.Vízszűrési gyakorlat, beleértve a lassú Homokszűrőket és a bevonat előtti szűrést. Boston: Taylor és Francis csoport, 2002.

Marti, Isabel. “Az anionos felületaktív anyagok alacsony szintjének spektrofotometriás meghatározása vízben oldószeres extrakcióval áramlási befecskendező rendszerben.”RSC Publishing. Lekért a World Wide Web 13 február 2011.
http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/1988/AN/an9881301677.

“fenol egészségügyi és biztonsági útmutató.”IPSC egészségügyi és biztonsági útmutató. Lekért a World Wide Web március 1-jén 2011. http://www.inchem.org/documents/hsg/hsg/hsg88_e.htm.

“a tipikus ruhanemű mérgező veszélyei.”Sixwise.com. lekért a World Wide Web március 14-én 2011. http://www.sixwise.com/newsletters/05/07/06/the-toxic-dangers-of-typical-laundry-detergent.htm.

” tőzegmoha használata a tavak Vízkeménységének és Ph-szintjének csökkentésére.”Pet Education.com. lekért a World Wide Web március 1-jén 2011. http://www.peteducation.com/article.cfm?c=21+1917&aid=2744.

Virrasztás, Kenneth. Tiszta Víz. New York: Lewis kiadó (CRC Press), 2003.

“Vízinövények, mint a nehézfémek és radioaktív anyagok szennyező Bioszűrői.”Ötletek Bőven. Lekért a World Wide Web 14 február 2011. http://affleap.com/water-plants-as-bio-filters-to-polluting-heavy-metals-and-radioactive-materials/.

Tél, Ruth. Háztartási, udvari és irodai vegyi anyagok fogyasztói szótára: teljes információ a mindennapi otthoni termékekben, udvari mérgekben és irodai Szennyezőkben található káros és kívánatos vegyi anyagokról. Miami: Macmillan Ltd, 2001.

Zoller, Uri. Mosószerek kézikönyve. Boca Raton, Florida: Taylor és Francis Csoport, 2009.