Utilizzando biofiltri a base vegetale per purificare le acque reflue domestiche

Abstract

Questo progetto ha testato se i “biofiltri”—filtri basati su piante viventi—potrebbero essere utilizzati per rimuovere inquinanti domestici comuni dall’acqua. Ho costruito due biofiltri e li ho usati per purificare l’acqua inquinata con detersivo per bucato a livelli in cui poteva essere tranquillamente rilasciata in natura. Ho testato le acque reflue su dafnia viva prima e dopo il filtraggio, nonché con strisce reattive chimiche per misurare nitriti, nitrati, durezza, cloro, alcalinità, pH, ammoniaca e fosfati. Entrambi i metodi hanno dimostrato che i miei filtri hanno migliorato la qualità dell’acqua. L’acqua prodotta dai biofiltri ha sostenuto la dafnia viva e l’acqua del rubinetto. Il mio esperimento ha confermato che i biofiltri potrebbero essere una componente vitale della purificazione dell’acqua su piccola scala o domestica. I biofiltri a base vegetale potrebbero essere utilizzati per filtrare le acque reflue prima di restituirle in modo sicuro all’ambiente, per fornire “acqua grigia” per usi diversi dal consumo o come prefiltri a basso costo per rendere più efficiente la filtrazione dell’acqua potabile. I biofiltri a base vegetale sono rispettosi dell’ambiente e più accessibili alle aree che non possono permettersi la tecnologia industriale della filtrazione municipale.

Background: Scarsità di acqua pulita

L’acqua pulita è una risorsa critica, diventando rapidamente scarsa perché le popolazioni in crescita consumano di più e riducono l’offerta attraverso l’inquinamento. È necessario filtrare, trattare e altrimenti pulire le acque reflue per aumentare l’offerta, ma questi metodi sono costosi e richiedono energia eccessiva. I moderni processi di trattamento non sono decisamente organici, spesso richiedono l’aggiunta di sostanze chimiche aggiuntive all’acqua (ad esempio, cloro.) (Faust, 1998) Ho ipotizzato che i filtri naturali che utilizzano le piante e i loro mezzi di crescita associati (e microflora) potrebbero filtrare gli inquinanti domestici comuni dalle acque reflue. Pur non producendo acqua potabile, l’acqua filtrata potrebbe essere abbastanza pulita da rilasciare in modo sicuro nell’ambiente o riutilizzare (ad es., per lavare un gabinetto o lavare una macchina). Un filtro naturale ha molti vantaggi e potrebbe essere una futura alternativa per la filtrazione dell’acqua.

Componenti pericolosi delle acque reflue domestiche

Ho usato acque reflue contenenti detersivo per bucato, un comune inquinante domestico rilasciato nell’acqua. Contiene molte sostanze chimiche che non sono facilmente degradabili ed è pericoloso per l’ecosistema perché uccide la vita acquatica, rovina la catena alimentare e compromette la salute umana. Ad esempio, i fenoli presenti nei detergenti sono tossine che causano effetti ghiandolari dirompenti nelle persone e negli animali, come gli scambi di genere nei pesci e la morte a persone ipersensibili. (IPSC Health Safety Guide 2011) Detergente contiene anche tensioattivi, costruttori, candeggianti, fosfati e altre sostanze chimiche, tra cui nitrati, nitriti ed enzimi. I tensioattivi hanno proprietà emulsionanti e disperdenti e diminuiscono la tensione superficiale dell’acqua. I costruttori, come il tripolifosfato di sodio (STPP), rimuovono gli ioni di calcio e magnesio presenti nell’acqua dura e nel terreno, ammorbidendo così l’acqua e spogliandola dei minerali. Altri ingredienti comuni e tossici del detersivo per bucato includono candeggianti, che uccidono importanti batteri anionici e distillati di petrolio (ad esempio napthas). Nell’acqua potabile, i fenoli hanno causato rapidamente tumori maligni nei topi e nei ratti. (Sixwise.com 2010) I fosfati nel detersivo contribuiscono notevolmente a danneggiare le fioriture delle alghe. Tutti questi cambiamenti nell’equilibrio dei sistemi idrici naturali influenzano microrganismi, piante e animali più grandi come i pesci.

Preparazione dei biofiltri

Utilizzando un acquario da 20 galloni, separato a metà da una barriera acrilica, ho costruito due biofiltri, ciascuno progettato per far circolare ripetutamente le acque reflue attraverso comuni piante viventi resistenti. Il filtro a base d’acqua utilizzato una ninfea nana (Nymphaea) letti in un cumulo di sabbia e galleggiante lenticchia d’acqua (Lemna minor) piante in circa cinque pollici di acqua. Un deflettore dividere l “acqua in un trogolo a forma di U, e una piccola pompa fatto circolare l” acqua da un “estremità della U all” altra. In base alle mie misurazioni, quest’acqua circolava a circa 7,5 litri all’ora. Il filtro a terra utilizzato erbacce dado erba (Cyperus rotundus) piantati in strati di sporco, sabbia e torba, il tutto in cima garza e rete metallica in modo che l’acqua che filtra attraverso i media sarebbe raccogliere sotto. Una seconda pompa ha fatto circolare questa acqua pompando l’acqua dal fondo del filtro in una linea di gocciolamento che attraversa l’erba del dado. In base alle mie misurazioni, quest’acqua circolava a circa 10,6 litri all’ora, ma forse leggermente più lenta quando la linea di gocciolamento giaceva nella sporcizia.

Ipotesi

Avevo previsto che il biofiltro terrestre avrebbe avuto più successo poiché emula un filtro municipale, con molti strati e mezzi di filtrazione nei vari mezzi di crescita. La linea di gocciolamento e i media danno alle piante e ai batteri del suolo più tempo per agire sulle acque reflue. Le piante terrestri crescono anche sistemi di radici più estesi. (Alcune radici si estendevano fino alla camera di raccolta.) Ho previsto che il biofiltro a base d’acqua avrebbe funzionato meno bene, poiché l’acqua scorreva attraverso le piante più rapidamente e le piante erano anche più direttamente esposte agli inquinanti, avendo poco o nessun mezzo di crescita.

Tra le sostanze chimiche che ho testato, ho previsto che i più migliorati sarebbero probabilmente i fosfati, perché le piante assorbono i fosfati—sono ingredienti in molti fertilizzanti. Ho predetto che il pH nel filtro dell’acqua sarebbe diventato più vicino al neutro, perché alcune piante acquatiche possono tollerare ambienti alcalini e continuare ad abbassare il pH. Infine, ho predetto che una settimana potrebbe essere abbastanza cicli (ben oltre 100 cicli in entrambi i filtri) per creare un effetto notevole nella purezza dell’acqua. Dopo un periodo molto più lungo in un ambiente chiuso (test), le morti delle piante e i detriti in decomposizione potrebbero avere effetti negativi sull’acqua. Ho predetto che la daphnia, una specie che prospera in acqua pulita, sarebbe sopravvissuta più a lungo nell’acqua filtrata che nella soluzione originale delle acque reflue.

Metodologia

ho creato delle acque reflue soluzione lo scopo di simulare che in un tipico lavatrice aggiungendo Tutti Stainlifter marca di detersivo per pulire l’acqua ad una concentrazione di circa 0.0055 grammi per litro (equivalente al seguente detergente istruzioni con un 40 litri lavatrice). Ho testato l’efficacia dei miei filtri biologici in due modi: (1) misurando livelli chimici specifici utilizzando strisce reattive (vendute per testare l’acqua dell’acquario) e (2) introducendo dafnie viventi, minuscoli crostacei che vivono solo in acqua relativamente pulita (acquistati da Carolina Supply). Ho creato quattro soluzioni di controllo diluendo successivamente la mia soluzione di base 2:1, 4:1 e 8: 1 con acqua pulita e ho testato queste quattro soluzioni con strisce reattive e daphnia.

Utilizzando un contagocce, ho messo circa sei dafnie vive in ogni habitat e monitorato la loro sopravvivenza nel corso del giorno successivo. Ho scelto di filtrare la Soluzione 2 (la concentrazione 2:1) perché era la concentrazione più bassa che uccideva tutta la dafnia entro 10 ore, mentre la dafnia nella Soluzione 3 sopravviveva per più di un giorno (più o meno come nell’acqua pulita, probabilmente a causa dell’alimentazione non ottimale e dell’aerazione dell’acqua). La Soluzione 2 differiva dalla Soluzione 3 per i livelli di nitriti, cloro, durezza, fosfato e ammoniaca (vedi Figura 1). Ho calcolato il volume di ciascuna camera filtrante e aggiunto detersivo per bucato per creare la stessa concentrazione iniziale della Soluzione 2.

Avendo creato la famiglia “acque reflue” di una concentrazione nota in ogni biofiltro, ho lasciato i filtri circolare per vedere se le piante potrebbero rimuovere le tossine dall’acqua. Ho misurato l’efficacia dei biofiltri confrontando i livelli chimici misurati con le strisce reattive e i tassi di mortalità della dafnia con quelli delle soluzioni di controllo, compresa l’acqua di rubinetto pulita. Ho preso campioni giornalieri da ogni filtro per il test. Dopo sette giorni, ho rimosso l’acqua filtrata da ogni biofiltro e ho introdotto la dafnia vivente (15 per la terra e 13 per il filtro a base d’acqua) e ho tracciato la loro sopravvivenza (vedi Grafico 4).

Risultati

Entrambi i biofiltri hanno prodotto una purezza dell’acqua simile, quasi allo stato originale dell’acqua del rubinetto, in base ai miei test. Nel complesso, i dati delle strisce reattive hanno mostrato che i livelli chimici nell’acqua biofiltrata sono comparabili o migliori della soluzione di controllo 3-metà della concentrazione di detergente inizialmente nei filtri.

Il filtro di terra ha rimosso la maggior parte del fosfato, portandolo da 5,0 ppm a 0,3 ppm in sei giorni e l’ammoniaca, abbassandola da 0,15 ppm a quasi zero nello stesso periodo. Il filtro di terra ha anche abbassato rapidamente nitrati, nitriti e cloro dai livelli iniziali (di 10, 0,5 e 0,5 ppm, rispettivamente) a livelli quasi trascurabili entro i primi due giorni. Ha anche aumentato l’alcalinità da 40 a 80 ppm, un po ‘ al di sotto dei livelli ideali di 120-180 ppm per un ecosistema. (Brain 2011) Il pH ideale dell’acqua è 7, che è perfettamente neutro. Il filtro di terra si è avvicinato, con un pH finale leggermente acido di 6.9. Il filtro dell’acqua era leggermente di base, cedendo 7.2. (Piccole differenze numeriche nel pH sono significative perché è una scala logaritmica.)

Il filtro a base d’acqua ha anche abbassato gradualmente il fosfato e l’ammoniaca a livelli quasi zero per sei giorni. Ci sono voluti due o tre giorni in più rispetto al filtro di terra per abbassare i livelli di nitriti e nitrati, ma li ha portati a zero, come per le strisce reattive. Il filtro dell’acqua non è stato in grado di modificare l’alcalinità dai livelli iniziali di 40 ppm. Dopo circa due settimane, il giglio ha iniziato a deteriorarsi in salute—era troppo grande per l’acquario—che probabilmente distorto i risultati a causa del materiale vegetale in decomposizione.

La dafnia viva introdotta nell’acqua biofiltrata aveva tassi di sopravvivenza paragonabili a quelli dell’acqua pura—e migliori di quelli delle soluzioni di controllo 3 o 4. (Vedi Grafico 4.) Nella Soluzione 3, la daphnia sopravvisse per 10 ore ma morì dopo 24 ore. Nell’acqua filtrata a terra, solo 2 di 15 dafnie morirono in 24 ore, e nell’acqua filtrata a base d’acqua, nessuno morì. Le morti nell’acqua del filtro terrestre potrebbero essere state dal residuo di muschio di torba brunastro o solo da cure non ottimali. I tassi di sopravvivenza delle dafnie hanno dimostrato che l’acqua biofiltrata era più in grado di sostenere la vita acquatica rispetto alle soluzioni di controllo originali.

Come i biofiltri pulivano l’acqua

Un impianto di trattamento delle acque industriali utilizza processi meccanici, biologici e chimici per filtrare e purificare le acque reflue. Lo screening, una camera di graniglia e la sedimentazione separano le particelle più grandi dall’acqua con mezzi meccanici. Una camera di graniglia è un materiale denso che rallenta il flusso dell’acqua in modo che i solidi più fini vengano rimossi. Un serbatoio di sedimentazione, o chiarificatore, ruota lentamente l’acqua in modo che i sedimenti più pesanti affondino e l’olio aumenti. “Fanghi attivi” e aerazione forniscono filtrazione biologica. (Faust 1998) Il fango attivo è un ambiente ossigenato che favorisce la crescita di batteri saprotrofici—batteri che abbattono la materia organica—e altri organismi che metabolizzano gli inquinanti. (Mountain Empire Community College 2010) Infine, la flocculazione (sostanze chimiche che precipitano inquinanti colloidali), la clorazione e la disinfezione forniscono la purificazione chimica. (Faust 1998) I miei filtri biologici a base vegetale potrebbero aver filtrato l’acqua attraverso processi analoghi. Credo che l’acqua sia stata filtrata con tre metodi, (1) meccanicamente, dal terreno, dalla sabbia e dal muschio di torba, (2) biologicamente, dai batteri attivati nell’acqua e nei media e (3) dalle piante stesse.

Filtrazione meccanica

Nel filtro del terreno, l’acqua passava attraverso il terreno, la sabbia e il muschio di torba. Quando l’acqua inquinata attraversa il suolo, gli oli, i metalli pesanti e le sostanze nutritive in eccesso vengono filtrati meccanicamente e da organismi trasmessi dal suolo che li assorbono o li metabolizzano. Forzare le acque reflue a filtrare lentamente attraverso i media ha dato a questi organismi il tempo di abbattere o assorbire vari inquinanti. La sabbia potrebbe anche aver agito come una camera di graniglia, prendendo solidi fuori dall’acqua. Oltre a filtrare e/o assorbire gli inquinanti, il muschio di torba è noto per ammorbidire chimicamente l’acqua perché lega gli ioni di calcio e magnesio e rilascia acidi tannici e gallici nell’acqua. Questi acidi bersaglio bicarbonati in acqua e ridurre la durezza carbonatica e pH. (Peteducation.com 2011) Questo mi porta a credere che il muschio di torba sia stato l’agente principale nella neutralizzazione del pH e della durezza. Sebbene il filtro dell’acqua avesse una lettiera di sabbia per la ninfea, probabilmente forniva una filtrazione meno meccanica.

Filtrazione biologica

I miei biofiltri probabilmente fornivano filtrazione biologica da batteri che vivono nell’acqua e nei terreni di crescita. L’acqua è stata aerata mentre gocciolava dalla pompa e le sostanze nutritive per i batteri sono state fornite nel terreno superiore e dal detergente, che contiene composti che i batteri consumano, come fosfati, nitrati e nitriti. Quando alcuni della lenticchia d’acqua è morto, la sua materia vegetale può aver fornito cibo per i batteri. Questi batteri probabilmente hanno svolto un ruolo importante nella rimozione delle tossine dall’acqua. I filtri a fanghi attivi possono ossidare la materia carboniosa, trasformare l’ammonio e l’azoto in materiali biologici, rimuovere i fosfati e assorbire gas come anidride carbonica, ammoniaca e azoto. (Mountain Empire Community College 2010) Le strisce chimiche hanno mostrato che le concentrazioni di alcune di queste sostanze sono diminuite durante il periodo di sette giorni.

Filtrazione da parte delle piante

Infine, credo che le piante in entrambi i biofiltri abbiano svolto un grande ruolo nella rimozione di fosfati, nitrati, nitriti e ammoniaca. Molte sostanze nocive per le persone e gli animali sono favorevoli alla crescita delle piante. Le piante richiedono ammoniaca, fosfati e nitrati e la maggior parte dei fertilizzanti sintetici (così come il detersivo per bucato) contengono queste sostanze chimiche. Tuttavia, alte concentrazioni di queste sostanze chimiche possono causare alghe o altre specie vegetali a “fiorire”, interrompendo l’equilibrio ambientale, e concentrazioni sufficientemente elevate possono uccidere le stesse piante. Lenticchia d’acqua, erba noce e ninfee sono noti per assorbire queste sostanze, e ninfee sono piantati in molti stagni per controllare fioriture algali. (Peteducation.com 2011) La lenticchia d’acqua si espande e si diffonde man mano che guadagna fosfati, così come le ninfee. Oltre ad assorbire sostanze chimiche utili a loro, alcune piante possono” bloccare ” sostanze nocive come piombo, zinco e cadmio, impedendo loro di danneggiare altre specie o di entrare nelle acque sotterranee. La lenticchia d’acqua ha dimostrato di essere un incredibile biofiltro nell’assorbire non solo il fosforo, ma anche metalli pesanti pericolosi. È stato testato da un team di scienziati israeliani per pulire le acque reflue da una centrale nucleare, che dopo aver attraversato il biofiltro era pulita al 99%. (Cafe 2011)

Conclusioni

Il mio esperimento ha dimostrato che i filtri biologici a base vegetale possono rimuovere efficacemente gli inquinanti dalle acque reflue domestiche. Mentre il mio esperimento era limitato in termini di dimensioni e durata (e anche a causa della difficoltà di ottenere piante viventi durante l’inverno), ha rimosso quantità misurabili di inquinanti chiave. Inoltre, gli esemplari viventi hanno verificato che la qualità dell’acqua è migliorata. Ho studiato esempi di esperimenti di biofiltro più grandi e di successo. I filtri a base vegetale sono economici, accessibili nei paesi meno sviluppati, ecologicamente sicuri e non producono rumore, odori e sgradevoli associati agli impianti di trattamento delle acque. (Logson 2002) Ulteriori ricerche potrebbero testare l’efficacia di piante più mature, diverse specie vegetali e altre combinazioni di acqua ciclabile attraverso filtri multipli e filtrazione su larga scala.

Tabelle di Dati

Terra-basato filtro

a base di Acqua filtro

Soluzioni Di Controllo

Daphnia

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