Ved Hjelp Av Plantebaserte Biofiltre for Å Rense Husholdningsavløp

Abstrakt

dette prosjektet testet om «biofiltre» – filtre basert på levende planter-kunne brukes til å fjerne vanlige husholdningsforurensninger fra vann. Jeg bygde to biofiltre og brukte dem til å rense vann forurenset med vaskemiddel til nivåer der det trygt kunne slippes ut i naturen. Jeg testet avløpsvannet på levende daphnia før og etter filtrering, samt med kjemiske teststrimler for å måle nitritt, nitrater, hardhet, klor, alkalitet, pH, ammoniakk og fosfater. Begge metodene viste at filtrene mine forbedret vannkvaliteten. Vannutgangen fra biofilterene opprettholdt levende daphnia så vel som kranvannet. Mitt eksperiment bekreftet at biofiltre kunne være en levedyktig komponent av småskala eller husholdningsvannrensing. Plantebaserte biofiltre kan brukes til å filtrere avløpsvann før det returneres trygt til miljøet, for å gi» gråvann » for andre bruksområder enn forbruk, eller som lavpris forfiltere for å gjøre filtrering av drikkevann mer effektivt. Plantebaserte biofiltre er miljøbevisste og mer tilgjengelige for områder som ikke har råd til industriell teknologi for kommunal filtrering.

Bakgrunn: Knapphet På Rent Vann

Rent vann er en kritisk ressurs, som raskt blir knappe fordi voksende befolkninger forbruker mer og reduserer forsyningen gjennom forurensning. Filtrering, behandling og ellers rengjøring av avløpsvann for å øke forsyningen er nødvendig, men disse metodene er dyre og krever overdreven energi. Moderne behandlingsprosesser er desidert ikke organiske, og krever ofte ekstra kjemikalier som skal tilsettes til vannet(f. eks. klor.) (Faust, 1998) jeg antydet at naturlige filtre som bruker planter og tilhørende vekstmedier (og mikroflora) kunne filtrere vanlige husholdningsforurensninger fra avløpsvann. Selv om det ikke gir drikkevann, kan det filtrerte vannet være rent nok til å slippe ut trygt i miljøet eller gjenbruke (f. eks., å skylle et toalett eller vaske en bil). Et naturlig filter har mange fordeler og kan være et fremtidig alternativ for vannfiltrering.

Farlige Komponenter I Husholdningsavløp

jeg brukte avløpsvann som inneholder vaskemiddel, et vanlig husholdningsforurensende stoff som slippes ut i vannet. Den inneholder mange kjemikalier som ikke lett brytes ned, og er farlig for økosystemet fordi det dreper vannlevende liv, ødelegger næringskjeden og kompromitterer menneskers helse. Fenolene som finnes i vaskemidler er for eksempel giftstoffer som forårsaker forstyrrende glandulære effekter hos mennesker og dyr, for eksempel kjønnsbytter i fisk og død til overfølsomme mennesker. (IPSC Health Safety Guide 2011) Vaskemiddel inneholder også overflateaktive stoffer, byggere, blekemidler, fosfater og andre kjemikalier, inkludert nitrater, nitritter og enzymer. Overflateaktive stoffer har emulgerende og dispergerende egenskaper, og reduserer overflatespenningen til vann. Byggere, som natriumtripolyfosfat (STPP), fjerner kalsium – og magnesiumioner som er tilstede i hardt vann og jord, og derved myker vannet og stripper det av mineraler. Andre vanlige, giftige ingredienser i vaskemiddel inkluderer blekemidler, som dreper viktige anioniske bakterier, og petroleum destillater (f.eks napthas). I drikkevann forårsaket fenoler raskt maligniteter hos mus og rotter. (Sixwise.com 2010) Fosfater i vaskemiddel bidrar sterkt til skadelige algerblomstringer. Alle disse endringene i balansen mellom naturlige vannsystemer påvirker mikroorganismer, planter og større dyr som fisk.

Forberedelse Av Biofilter

ved hjelp av et 20-gallon akvarium, skilt i halvdeler av en akrylbarriere, bygde jeg to biofilter, hver designet for å sirkulere avløpsvann gjentatte ganger gjennom vanlige hardy levende planter. Det vannbaserte filteret brukte en dvergvannslilje (Nymphaea) sengded i en høyde av sand og flytende duckweed (Lemna minor) planter i omtrent fem inches vann. En baffel delte vannet i En U-formet trough, og en liten pumpe sirkulerte vannet fra den ene enden Av U til den andre. Basert på mine målinger sirkulerte dette vannet på ca 7,5 liter per time. Det landbaserte filteret brukte muttergress ugress (Cyperus rotundus) plantet i lag med smuss, sand og torvmose, alt på toppen av osteklær og netting slik at vannet siver ned gjennom media ville samle seg under. En annen pumpe sirkulerte dette vannet ved å pumpe vannet fra bunnen av filteret til en drypplinje som løper gjennom muttergresset. Basert på mine målinger sirkulerte dette vannet på ca 10,6 liter per time, men kanskje litt tregere når drypplinjen lå i smuss.

Hypoteser

jeg spådde at det landbaserte biofilteret ville bli mer vellykket siden det emulerer et kommunalt filter, med mange lag og filtreringsmidler i de ulike vekstmediene. Drypplinjen og media gir plantene og jordbakteriene mer tid til å handle på avløpsvannet. Landbaserte planter vokser også mer omfattende rotsystemer. (Noen røtter strakte seg ned til samlingskammeret.) Jeg spådde at det vannbaserte biofilteret ville fungere mindre bra, siden vannet strømmet gjennom plantene raskere, og plantene var også mer direkte utsatt for forurensningene, med lite eller ingen vekstmedium.

blant kjemikaliene jeg testet, spådde jeg at de mest forbedrede ville trolig være fosfater, fordi planter absorberer fosfater – de er ingredienser i mange gjødsel. Jeg spådde at pH i vannfilteret ville bli nærmere nøytral, fordi visse vannplanter kan tolerere alkaliske miljøer og fortsette å senke pH. Til Slutt forutslo jeg at en uke kan være nok sykluser (godt over 100 sykluser i enten filter) for å skape en merkbar effekt i vannrenheten. Etter en mye lengre periode i et lukket (test) miljø, kan plantedød og rotting detritus ha negative effekter på vannet. Jeg spådde at daphnia, en art som trives i rent vann, ville overleve lenger i det filtrerte vannet enn i den opprinnelige avløpsvannløsningen.

Metodikk

jeg opprettet en avløpsvannløsning ment å etterligne det i en typisk vaskemaskin ved å legge Til Alle Flekkløfter merkevare vaskemiddel til rent vann i en konsentrasjon på ca.0,0055 gram per liter (tilsvarende følgende vaskemiddelinstruksjoner med en 40-gallon vaskemaskin). Jeg testet effektiviteten av mine biologiske filtre på to måter: (1) måling av spesifikke kjemiske nivåer ved hjelp av teststrimler (solgt for testing av akvarievann) og (2) innføring av levende daphnia, små krepsdyr som bare lever i relativt rent vann (kjøpt fra Carolina Supply). Jeg opprettet fire kontrollløsninger ved suksessivt å fortynne min baseløsning 2: 1, 4: 1 og 8:1 med rent vann, og testet disse fire løsningene med teststrimler og dafnier.

ved hjelp av en pipette plasserte jeg omtrent seks levende dafnier i hvert habitat og overvåket deres overlevelse neste dag. Jeg valgte å filtrere Løsning 2 (2: 1-konsentrasjonen) fordi det var den laveste konsentrasjonen som drepte alle daphnia innen 10 timer, mens daphnia i Løsning 3 overlevde i mer enn en dag (omtrent det samme som i rent vann, sannsynligvis på grunn av suboptimal mating og vannlufting). Løsning 2 skilte Seg fra Løsning 3 i nivåene av nitritt, klor, hardhet, fosfat og ammoniakk (Se Figur 1). Jeg beregnet volumet av hver av filterkamrene og tilsatt vaskemiddel for å skape den samme innledende konsentrasjon Som Løsning 2.

etter å ha skapt husholdnings «avløpsvann» av en kjent konsentrasjon i hvert biofilter, la jeg filtrene sirkulere for å se om plantene kunne fjerne giftstoffer fra vannet. Jeg målte effektiviteten av biofiltrene ved å sammenligne kjemiske nivåer målt med teststrimler og daphnia dødelighet med de av kontrollløsningene, inkludert rent vann fra springen. Jeg tok daglige prøver fra hvert filter for testing. Etter syv dager fjernet jeg filtrert vann fra hvert biofilter og introduserte levende daphnia (15 for land-og 13 for vannbasert filter) og kartlagt overlevelse (Se Figur 4).

Resultater

Begge biofiltrene ga tilsvarende forbedret vannrenhet, nesten tilbake til den opprinnelige tilstanden til kranvannet, basert på mine tester. Samlet sett viste dataene fra teststrimlene at kjemiske nivåer i biofiltrert vann var sammenlignbare med eller bedre enn kontrolloppløsning 3-halvparten av vaskemiddelkonsentrasjonen i utgangspunktet i filtrene.

landfilteret fjernet mest fosfat, tok det fra 5,0 ppm til 0,3 ppm over seks dager, og ammoniakk, senker det fra 0,15 ppm til nesten null i samme periode. Landfilteret senket også raskt nitrater, nitritt og klor fra innledende nivåer (henholdsvis 10, 0,5 og 0,5 ppm) til nesten ubetydelige nivåer innen de to første dagene. Det økte også alkaliteten fra 40 til 80 ppm, noe under ideelle nivåer av 120-180 ppm for et økosystem. (Brain 2011) den ideelle pH av vann er 7, som er helt nøytral. Landfilteret kom nærmere, med en litt sur endelig pH på 6,9. Vannfilteret var litt grunnleggende, noe som ga 7.2. (Små numeriske forskjeller i pH er signifikante fordi det er en logaritmisk skala.)

det vannbaserte filteret senket også fosfat og ammoniakk gradvis til nær null-nivåer over seks dager. Det tok to til tre dager lenger enn landfilteret for å senke nitritt og nitrat nivåer, men tok dem til null, som i teststrimlene. Vannfilteret var ikke i stand til å endre alkaliteten fra innledende nivåer på 40 ppm. Etter ca to uker, lilje begynte å svekkes i helse-det var for stor for akvariet-som trolig skjev resultatene på grunn av råtnende plantemateriale.

Levende daphnia introdusert i biofiltrert vann hadde overlevelsesrater sammenlignbare med de i rent vann-og bedre enn I Kontrollløsninger 3 eller 4. (Se Tabell 4. I Løsning 3 overlevde daphnia i 10 timer, men var død etter 24 timer. I det landbaserte filtrerte vannet døde bare 2 av 15 daphnia i 24 timer,og i det vannbaserte filtrerte vannet døde ingen. Dødsfallene i det landbaserte filtervannet kan ha vært fra den brune torvmoseresten eller bare suboptimal omsorg. Daphnias overlevelse viste at biofiltrert vann var bedre i stand til å støtte vannlevende liv enn de opprinnelige kontrollløsningene.

Hvordan Biofiltrene Renset Vannet

et industrielt vannbehandlingsanlegg bruker mekaniske, biologiske og kjemiske prosesser for å filtrere og rense avløpsvann. Screening, et gruskammer og sedimentering skiller større partikler fra vannet ved mekaniske midler. Et gruskammer er et tett materiale som senker strømmen av vannet slik at finere faste stoffer fjernes. En sedimenteringstank, eller clarifier, roterer vannet sakte slik at tyngre sediment synker og olje stiger. «Aktivert slam» og lufting gir biologisk filtrering. (Faust 1998) Aktivert slam Er et oksygenrikt miljø som oppmuntrer til vekst av saprotrofiske bakterier—bakterier som bryter ned organisk materiale-og andre organismer som metaboliserer forurensende stoffer. (Mountain Empire Community College 2010) endelig flokkulering (kjemikalier som utfeller kolloidale forurensninger), klorering og desinfeksjon gir kjemisk rensing. (Faust 1998) mine biologiske, plantebaserte filtre kan ha filtrert vannet gjennom analoge prosesser. Jeg tror at vannet ble filtrert ved tre metoder, (1) mekanisk, av jord, sand og torvmose, (2) biologisk, av aktiverte bakterier i vannet og media, og (3) av plantene selv.

Mekanisk Filtrering

i landfilteret passerte vann gjennom jord, sand og torvmose. Når forurenset vann går gjennom jord, blir oljer, tungmetaller og overflødige næringsstoffer filtrert ut mekanisk og av jordbårne organismer som absorberer eller metaboliserer dem. Tvinge avløpsvannet til å sive sakte gjennom media ga disse organismene tid til å bryte ned eller absorbere ulike forurensninger. Sanden kan også ha fungert som en grus kammer, tar faste stoffer ut av vannet. I tillegg til å filtrere og/eller absorbere forurensninger, er torvmose kjent for å myke vann kjemisk fordi det binder kalsium-og magnesiumioner, og frigjør tann-og gallinsyrer i vannet. Disse syrer mål bikarbonater i vann og redusere karbonat hardhet og pH. (Peteducation.com 2011) dette fører meg til å tro at torvmose var hovedagenten i nøytraliserende pH og hardhet. Selv om vannfilteret hadde en sand sengetøy for vannlilje, det trolig gitt mindre mekanisk filtrering.

Biologisk Filtrering

Mine biofiltre ga sannsynligvis biologisk filtrering fra bakterier som lever i vannet og vekstmediet. Vannet ble luftet da det dryppet fra pumpen, og næringsstoffer til bakterier ble gitt i toppjord og fra vaskemiddelet, som inneholder forbindelser som bakterier forbruker, som fosfater, nitrater og nitritter. Når noen av duckweed døde, kan plantematerialet ha gitt mat til bakteriene. Disse bakteriene spilte sannsynligvis en viktig rolle i å fjerne giftstoffer fra vannet. Aktiverte slamfiltre kan oksidere karbonholdig materiale, omdanne ammonium og nitrogen til biologiske materialer, fjerne fosfater og absorbere gasser som karbondioksid, ammoniakk og nitrogen. (Mountain Empire Community College 2010) de kjemiske stripene viste at konsentrasjonene av noen av disse stoffene gikk ned i løpet av syv-dagers perioden.

Filtrering av plantene

til Slutt tror jeg plantene i begge biofiltre spilte en stor rolle i å fjerne fosfater, nitrater, nitritt og ammoniakk. Mange stoffer som er skadelige for mennesker og dyr bidrar til plantevekst. Planter krever ammoniakk, fosfater og nitrater, og de fleste syntetiske gjødsel (samt vaskemiddel) inneholder disse kjemikaliene. Høye konsentrasjoner av disse kjemikaliene kan imidlertid føre til at alger eller andre plantearter «blomstrer», forstyrrer miljøbalansen, og tilstrekkelig høye konsentrasjoner kan drepe de samme plantene. Duckweed, mutter gress og vannliljer er kjent for å absorbere disse stoffene, og lilje pads er plantet i mange dammer for å kontrollere algeoppblomstringer. (Peteducation.com 2011) Duckweed utvider og sprer seg som det får fosfater, som gjør vannliljer. I tillegg til å absorbere kjemikalier som er nyttige for dem, kan enkelte planter «låse opp» skadelige stoffer som bly, sink og kadmium, og hindre dem i å skade andre arter eller komme inn i grunnvannet. Duckweed har vist seg å være et utrolig biofilter for å absorbere ikke bare fosfor, men også farlige tungmetaller. Det ble testet Av Et team Av Israelske forskere for å rense avløpsvann fra et atomkraftverk, som etter å ha passert biofilteret var 99% rent. (Cafe 2011)

Konklusjoner

mitt eksperiment viste at plantebaserte, biologiske filtre effektivt kan fjerne forurensninger fra husholdningsavløp. Mens eksperimentet mitt var begrenset i størrelse og varighet (og også på grunn av vanskeligheten med å skaffe levende planter om vinteren), fjernet det målbare mengder viktige forurensninger. I tillegg bekreftet levende prøver at vannkvaliteten ble bedre. Jeg undersøkte eksempler på vellykkede, større biofilterforsøk. Plantebaserte filtre er økonomiske, tilgjengelige i mindre utviklede land, økologisk trygge og produserer ingen av støy, lukt og stygghet forbundet med vannbehandlingsanlegg. (Logson 2002) Videre forskning kan teste effektiviteten av mer modne planter, ulike plantearter og andre kombinasjoner av sykling vann gjennom flere filtre og større skala filtrering.

Datatabeller

Landbasert filter

Vannbasert filter

Kontrollløsninger

Daphnia

Bibliografi

» Aktivert Slam.»Desinfeksjon Av Vann. Hentet fra World Wide Web 15. februar 2011. http://water.me.vccs.edu/courses/ENV149/asludge.htm.

» Er Ledende Merkevare Vaskemidler Miljøvennlig?»Klesvask Alternativ. Hentet fra World Wide Web 20. februar 2011. http://www.laundry-alternative.com/detergentsinfo.htm.

Hjerne, Marshall. «Hvordan Kloakk Og Septisk Systemer Fungerer.»Howstuffworks. Hentet fra World Wide Web 1. Mars 2011. http://home.howstuffworks.com/home-improvement/plumbing/sewer.htm.

Faust, D. Samuel. Kjemi Av Vannbehandling. Washington, D. C.: Lewis Publishers (CRC Press), 1998.

Fuertes, James H. Vann Filtrering Fungerer. New York: J. Wiley og Sønnene, 1901.

» Hvordan Overflateaktive Stoffer Blir Kroppslige Giftstoffer.»Brighthub. Hentet fra World Wide Web 13. Mars 2011. http://www.brighthub.com/environment/green-living/articles/17626.aspx#ixzz19uEpotV2.

Logson, Gary.Vann Filtrering Praksis, Inkludert Langsom Sand Filtre Og Pre-Coat Filtrering. Boston: Taylor Og Francis Group, 2002.

Marti, Isabel. «Spektrofotometrisk bestemmelse av lave nivåer av anioniske overflateaktive stoffer i vann ved løsemiddelekstraksjon i et strømningsinjeksjonssystem.»RSC Publishing. Hentet fra World Wide Web 13. februar 2011.
http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/1988/AN/an9881301677.

» Phenol Helse Og Sikkerhet Guide.»IPSC Helse Og Sikkerhet Guide. Hentet fra World Wide Web 1. Mars 2011. http://www.inchem.org/documents/hsg/hsg/hsg88_e.htm.

» Giftige Farer Ved Typisk Vaskeri.»Sixwise.com Hentet fra World Wide Web 14. Mars 2011. http://www.sixwise.com/newsletters/05/07/06/the-toxic-dangers-of-typical-laundry-detergent.htm.

» Bruk Av Torvmose For Å Senke Vannhardheten og Ph-Nivået i Dammer.»Pet Education.com Hentet fra World Wide Web 1. Mars 2011. http://www.peteducation.com/article.cfm?c=21+1917&aid=2744.

Våkenatt, Kenneth. Rent Vann. New York: Lewis Publishers (CRC Press), 2003.

» Vannplanter som Biofilter til Forurensende Tungmetaller og Radioaktive Materialer.»Ideer I Massevis. Hentet fra World Wide Web 14. februar 2011. http://affleap.com/water-plants-as-bio-filters-to-polluting-heavy-metals-and-radioactive-materials/.

Vinter, Ruth. A Consumer ‘ S Dictionary Of Household, Yard And Office Chemicals: Fullstendig Informasjon Om Skadelige Og Ønskelige Kjemikalier Som Finnes I Hverdagslige Hjemmeprodukter, Hagegift Og Kontorforurensere. Miami: Macmillan Ltd, 2001.

Zoller, Uri. Håndbok For Vaskemidler. Boca Raton, Florida: Taylor Og Francis Group, 2009.