植物ベースのバイオフィルターを使用して家庭排水を浄化する

Abstract

このプロジェクトでは、生きている植物をベースにした「バイオフィルター」を使用して、一般的な家庭の汚染物質を水から除去できるかどうかをテストしました。 私は二つのバイオフィルターを構築し、それが安全に自然に放出することができるレベルに洗濯洗剤で汚染された水を浄化するためにそれらを使 私はろ過の前後に生きているミジンコの廃水を、また亜硝酸塩、硝酸塩、硬度、塩素、アルカリ度、pH、アンモナルおよび隣酸塩を測定するために化学テスト 両方の方法は、私のフィルターが水質を改善することを示しました。 バイオフィルターからの水出力は、水道水と同様に生きているミジンコを持続させた。 私の実験では、バイオフィルターが小規模または国内の浄水の実行可能な成分であることが確認されました。 植物ベースのバイオフィルターは、環境に安全に戻す前に排水をろ過したり、消費以外の用途に”灰色の水”を提供したり、飲料水のろ過をより効率的にする 植物ベースのバイオフィルターは、環境に配慮しており、地方自治体のろ過の産業技術を買う余裕がない地域にとってよりアクセスしやすいものです。

背景:きれいな水の希少性

きれいな水は重要な資源であり、人口の増加がより多く消費し、汚染による供給を削減しているため、急速に希少にな 供給を増やすために排水をろ過、処理、および洗浄する必要がありますが、これらの方法は高価であり、過剰なエネルギーを必要とします。 現代の処理プロセスは明らかに有機的ではなく、多くの場合、追加の化学物質（例えば、塩素）を水に添加する必要があります。）（ファウスト、1998）私は、植物とそれに関連する成長培地（および微生物叢）を利用する天然フィルターが、廃水から一般的な家庭用汚染物質を濾過することが 飲料水を得ない間、ろ過された水は環境に安全に解放するか、または再使用するには十分にきれいかもしれません（例えば。、洗面所を洗い流すか、または車を洗浄するため）。 自然なフィルターに多くの利点があり、水ろ過のための未来の代わりであることができる。

家庭排水の危険成分

私は、水に放出される一般的な家庭用汚染物質である洗濯洗剤を含む排水を使用しました。 それは容易に分解されない多くの化学物質を含んでおり、水生生物を殺し、食物連鎖を台無しにし、人間の健康を損なうため、生態系に有害です。 例えば、洗剤中に見出されるフェノールは、魚のジェンダースワップや過敏症の人々への死など、人や動物に破壊的な腺効果を引き起こす毒素である。 (IPSC健康安全ガイド2011)洗剤には、界面活性剤、ビルダー、漂白剤、リン酸塩および硝酸塩、亜硝酸塩および酵素を含む他の化学物質も含まれています。 界面活性剤は、乳化および分散特性を有し、水の表面張力を低下させる。 トリポリリン酸ナトリウム（STPP）のような建築者は、硬水および土で現在のカルシウムおよびマグネシウムイオンを取除き、それにより水を柔らかくし、無 洗濯洗剤の他の一般的で有毒な成分には、重要なアニオン性細菌を殺す漂白剤、および石油留出物（例えばnapthas）が含まれる。 飲料水では、フェノールはすぐにマウスとラットの悪性腫瘍を引き起こした。 (Sixwise.com 2010)洗剤中のリン酸塩は、藻類の花の損傷に大きく寄与する。 自然の水システムのバランスへのこれらの変化のすべては、微生物、植物、および魚などのより大きな動物に影響を与えます。

バイオフィルターの準備

アクリルバリアで半分に分かれた20ガロンの水槽を使用して、共通の丈夫な生きている植物を通って廃水を繰り返し循環させるように設計された二つのバイオフィルターを構築しました。 水ベースのフィルターは、水の約五インチで砂と浮遊ウキクサ（レムナマイナー）植物のマウンドに寝矮小スイレン（ニンファイア）を使用しました。 バッフルは水をU字型のトラフに分割し、小さなポンプはuの一方の端から他方の端に水を循環させた。 私の測定に基づいて、この水は毎時約7.5リットルで循環しました。 陸上フィルターは、泥、砂、ピートモスの層に植えられたナッツ草雑草（Cyperus rotundus）をチーズクロスと金網の上に植え、メディアを通って浸透した水が下に集まるようにしました。 第2ポンプはナットの草を通って動く滴りラインにフィルターの底からの水をポンプでくむことによってこの水を循環させた。 私の測定に基づいて、この水は毎時約10.6リットルで循環しましたが、ドリップラインが汚れに横たわっていたときはおそらくわずかに遅くなりま

仮説

land-based biofilterは、さまざまな成長培地に多くの層とろ過手段を持つ地方自治体のフィルターをエミュレートするので、land-based biofilterはより成功するだろうと予測しました。 滴りラインおよび媒体は植物および土の細菌に廃水で機能するより多くの時間を与える。 陸上植物はまた、より広範な根系を成長させる。 （いくつかの根は収集室に伸びていた。）私は、水が植物をより迅速に流れ、植物も汚染物質に直接さらされ、成長培地がほとんどまたはまったくないため、水ベースのバイオフィルターはあまりうまく機能しないと予測しました。

私が試験した化学物質の中で、最も改善されたのはおそらくリン酸塩であると予測しました。 最後に、私は週が水純度で顕著な効果を作成するのに十分な周期(どちらかのフィルターの100つの周期によく)であるかもしれないと予測した。 閉鎖された（テスト）環境ではるかに長い期間を過ごした後、植物の死と腐敗したデトリタスは水に悪影響を及ぼす可能性があります。 私は、ミジンコ、きれいな水で繁栄する種は、元の排水溶液よりもろ過された水で長く生き残るだろうと予測しました。

方法論

私は、すべてのStainlifterブランドの洗濯洗剤をリットル当たり約0.0055オンスの濃度で水をきれいにすることによって、典型的な洗濯機でそれを模倣することを意図した廃水溶液を作成しました（洗剤の指示に従うことに相当します）。40ガロンの洗濯機）。 私は2つの方法で私の生物的フィルターの有効性をテストした:(1)テストストリップ(アクアリウム水をテストするために販売される)を使用して特定の化学レベルを測定することおよび(2)比較的きれいな水にしか住んでいない生きているミジンコ、小さい甲殻類を導入すること(カロライナの供給から購入される)。 私は、ベース溶液2：1、4：1、および8：1をきれいな水で連続的に希釈することによって四つの制御溶液を作成し、これらの四つの溶液をテストストリップとミジンコで試験した。

私はスポイトを使って、各生息地に約6匹の生きたミジンコを配置し、翌日の生存を監視しました。 それは10時間以内にすべてのミジンコを殺した最低濃度だったので、私は溶液2（2：1濃度）をフィルタリングすることを選択しましたが、溶液3のミジンコは一日以上生存しました（おそらく最適ではない摂食と水曝気のために、きれいな水とほぼ同じです）。 溶液2は、亜硝酸塩、塩素、硬度、リン酸塩およびアンモニアのレベルにおいて、溶液3とは異なっていた（図表1参照）。 それぞれのフィルター室の体積を計算し、洗濯洗剤を加えて溶液2と同じ初期濃度を作成しました。

各バイオフィルターに既知の濃度の家庭用”排水”を作成したので、私はフィルターを循環させて、植物が水から毒素を取り除くことができるかどうかを確認しました。 私はきれいな水道水を含む制御解決のそれらとテストストリップおよびミジンコの死亡率と測定される化学レベルを、比較することによってbiofiltersの有効性を測定した。 私はテストのために各フィルターから毎日のサンプルを取った。 7日後、私は各バイオフィルターからろ過された水を除去し、生きているミジンコ（土地の場合は15、水ベースのフィルターの場合は13）を導入し、その生存率をグラフ化しました（図表4参照）。

結果

両方のバイオフィルターは、私のテストに基づいて、ほぼ水道水の元の状態に戻って、同様に改善された水の純度をもたらしました。 全体として、試験ストリップからのデータは、バイオフィルター水中の化学レベルが、最初にフィルター中の洗剤濃度の半分の対照溶液3と同等またはよ

ランドフィルターは、ほとんどのリン酸塩を除去し、5.0ppmから0.3ppmに六日間にわたってそれを取り、アンモニアは、同じ期間に0.15ppmからほぼゼロに 土地フィルターはまた、硝酸塩、亜硝酸塩および塩素を最初のレベル（それぞれ10、0.5および0.5ppm）から最初の二日以内にほぼ無視できるレベルに急速に低下させた。 また、アルカリ度を40から80ppmに上昇させ、生態系の理想的なレベルの120-180ppmをやや下回った。 （Brain2011）水の理想的なpHは7であり、これは完全に中性である。 土地フィルターは6.9のわずかに酸性最終的なpHと、より近く来た。 水フィルターはわずかに基本的で、7.2をもたらした。 （それは対数スケールであるため、pHの小さな数値差が重要です。)

水ベースのフィルターは、リン酸塩とアンモニアを六日間にわたって徐々にゼロに近いレベルに低下させました。 亜硝酸塩と硝酸塩のレベルを下げるためには、土地フィルターよりも2〜3日長くかかりましたが、テストストリップに従って、それらをゼロにしました。 水フィルターは40ppmの初期レベルからアルカリ度を変更することができませんでした。 約2週間後、ユリは健康状態が悪化し始めました—それは水槽には大きすぎました—それは腐敗した植物材料のために結果を歪めた可能性があります。

バイオろ過水に導入された生きたミジンコは、純粋な水の生存率と同等の生存率を有し、対照溶液3または4の生存率よりも優れていた。 （図表4参照。）溶液3では、ミジンコは10時間生存したが、24時間後に死亡した。 陸上のろ過水では、2つの15のミジンコだけが24時間で死亡し、水ベースのろ過水では誰も死亡しなかった。 陸上のフィルター水での死亡は、茶色がかったピートモス残渣または単に最適ではないケアからのものであった可能性があります。 ダフニアの生存率は、バイオフィルター水が元の対照溶液よりも水生生物をサポートすることができたことを示した。

バイオフィルターがどのように水をきれいにしたか

工業用水処理プラントは、機械的、生物学的および化学的プロセスを使用して廃水をろ過および浄化 スクリーニング、屑の部屋および沈降は機械平均によって水からより大きい粒子を分ける。 屑の部屋はより良い固体が取除かれるように水の流れを遅らせる密な材料です。 沈殿槽、または清澄器は、水をゆっくりと回転させて、より重い沈殿物が沈み、油が上昇するようにします。 “活動化させた沈積物”および通気は生物的ろ過を提供する。 (Faust1998)活動化させた沈積物はsaprotrophic細菌—有機物を破壊する細菌—および汚染物質を新陳代謝させる他の有機体の成長を励ます酸化された環境である。 （Mountain Empire Community College2010）最後に、凝集（コロイド汚染物質を沈殿させる化学物質）、塩素化および消毒は化学的精製を提供する。 （ファウスト1998）私の生物学的、植物ベースのフィルターは、類似のプロセスを介して水をろ過している可能性があります。 私は、水は、（1）機械的に、土壌、砂、ピートモスによって、（2）生物学的に、水と培地中の活性化された細菌によって、（3）植物自体によって、三つの方法によって濾過されたと信じています。

機械的ろ過

土地フィルターでは、水は土壌、砂、ピートモスを通過しました。 汚染された水が土壌を通過すると、油、重金属、過剰な栄養素は機械的に、そしてそれらを吸収または代謝する土壌媒介生物によって濾過される。 廃水を媒体を通してゆっくり浸透させることはこれらの有機体にさまざまな汚染物質を破壊するか、または吸収する時間を与えた。 砂はまた水から固体を取る屑の部屋として機能したかもしれない。 ピートモスは、汚染物質をろ過および/または吸収することに加えて、カルシウムおよびマグネシウムイオンを結合し、タンニンおよび没食子酸を水に放出するため、水を化学的に軟化させることが知られている。 これらの酸は水の重炭酸塩を目標とし、炭酸塩の硬度およびpHを減らします。Peteducation.com 2011)これはピートモスがpHおよび硬度の中和の主要な代理店だったことを信じるために私を導く。 水フィルターはスイレンのための砂の寝具を持っていましたが、おそらく機械的なろ過は少なくなりました。

生物ろ過

私のバイオフィルターは、おそらく水中に生息する細菌と成長培地からの生物ろ過を提供しました。 水はポンプから滴下されると同時に通気され、細菌のための栄養素は上の土でそして細菌が消費する混合物を含んでいる洗剤から、リン酸塩、硝酸塩お ウキクサのいくつかが死亡したとき、その植物の問題は、細菌のための食糧を提供している可能性があります。 これらの細菌は、おそらく水から毒素を除去するのに大きな役割を果たしました。 活動化させた沈積物フィルターは生物的材料に炭素質問題を酸化し、アンモニウムおよび窒素を回し、隣酸塩を取除き、二酸化炭素、アンモナルおよび窒素のようなガスを吸収できます。 （Mountain Empire Community College2010）化学ストリップは、これらの物質のいくつかの濃度が7日間にわたって減少したことを示した。

植物によるろ過

最後に、両方のバイオフィルターの植物がリン酸塩、硝酸塩、亜硝酸塩、アンモニアの除去に大きな役割を果たしたと思います。 人や動物に有害な多くの物質は、植物の成長に役立ちます。 植物はアンモニア、リン酸塩および硝酸塩を必要とし、ほとんどの合成肥料（および洗濯洗剤）にはこれらの化学物質が含まれています。 しかし、これらの化学物質の高濃度は、藻類や他の植物種を「開花」させ、環境バランスを乱し、十分に高濃度は同じ植物を殺す可能性があります。 ウキクサ、ナッツ草、スイレンはこれらの物質を吸収することが知られており、藻類の花を制御するために多くの池にユリパッドが植えられています。 (Peteducation.com 2011）ウキクサは、睡蓮がそうであるように、リン酸塩を得るように拡大し、広がります。 それらに有用な化学物質を吸収することに加えて、特定の植物は、鉛、亜鉛、カドミウムなどの有害物質を”ロックアップ”し、他の種に害を与えたり、地下水 ウキクサは、リンだけでなく危険な重金属も吸収する信じられないほどのバイオフィルターであることが証明されています。 これは、バイオフィルターを通過した後、99％きれいだった原子力発電所からの排水をきれいにするためにイスラエルの科学者のチームによってテストさ (Cafe2011)

結論

私の実験では、植物ベースの生物学的フィルターが家庭排水から汚染物質を効果的に除去できることが示されました。 私の実験は、サイズと期間が限られていましたが（また、冬の間に生きている植物を得ることが困難であるため）、測定可能な量の重要な汚染物質を除去 さらに、生きている標本は水質が改善したことを確認しました。 私は成功した、より大きなバイオフィルター実験の例を研究しました。 植物ベースのフィルターは経済的、より少なく開発された国で入手しやすく、生態学的に安全で、水処理場と関連付けられる騒音、臭気およびunsightlinessのどれも生 (Logson2002)さらなる研究は、複数のフィルターと大規模な濾過を介して、より成熟した植物、異なる植物種および他の循環水の組み合わせの有効性をテストす

データテーブル

陸上フィルタ

水ベースのフィルター

制御ソリューション

ミジンコ

参考文献

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