met behulp van plantaardige Biofilters voor de zuivering van huishoudelijk afvalwater

Abstract

dit project testte of “biofilters” – filters op basis van levende planten—konden worden gebruikt om gewone huishoudelijke verontreinigende stoffen uit water te verwijderen. Ik bouwde twee biofilters en gebruikte ze om water vervuild met wasmiddel te zuiveren tot niveaus waarop het veilig in de natuur kon worden vrijgegeven. Ik heb het afvalwater getest op levende daphnia voor en na het filteren, evenals met chemische teststrips om nitrieten, nitraten, hardheid, chloor, alkaliniteit, pH, ammoniak en fosfaten te meten. Beide methoden toonden aan dat mijn filters de waterkwaliteit verbeterden. Het water uit de biofilters hield zowel de levende daphnia als het leidingwater in stand. Mijn experiment bevestigde dat biofilters een levensvatbaar onderdeel kunnen zijn van kleinschalige of huishoudelijke waterzuivering. Biofilters op basis van planten kunnen worden gebruikt om afvalwater te filteren voordat het veilig naar het milieu wordt teruggebracht, om “grijs water” te leveren voor andere toepassingen dan consumptie, of als goedkope voorfilters om filtratie van drinkwater efficiënter te maken. Plantaardige biofilters zijn milieubewust en toegankelijker voor gebieden die zich de industriële technologie van gemeentelijke filtratie niet kunnen veroorloven.

Achtergrond: schaarste aan schoon Water

schoon water is een kritieke hulpbron, die snel schaars wordt omdat groeiende populaties meer consumeren en het aanbod door verontreiniging verminderen. Filteren, behandelen en anderszins reinigen van afvalwater om de aanvoer te verhogen is noodzakelijk, maar deze methoden zijn duur en vereisen overmatige energie. Moderne zuiveringsprocessen zijn beslist niet organisch, waarbij vaak extra chemicaliën aan het water moeten worden toegevoegd (bijv. chloor.) (Faust, 1998) ik veronderstelde dat natuurlijke filters die planten en hun bijbehorende groeimedia (en microflora) gebruiken, gewone huishoudelijke verontreinigende stoffen uit afvalwater konden filteren. Hoewel het geen drinkwater oplevert, kan het gefilterde water schoon genoeg zijn om veilig in het milieu vrij te komen of te hergebruiken (bijv., om een toilet door te spoelen of een auto te wassen). Een natuurlijk filter heeft vele voordelen en zou een toekomstig alternatief voor waterfiltratie kunnen zijn.

Gevaarlijke bestanddelen van huishoudelijk afvalwater

I gebruikt afvalwater dat wasmiddel bevat, een veel voorkomende verontreinigende stof die in het water terechtkomt. Het bevat veel chemicaliën die niet gemakkelijk worden afgebroken en is gevaarlijk voor het ecosysteem omdat het waterleven doodt, de voedselketen bederft en de menselijke gezondheid in gevaar brengt. De fenolen in detergentia zijn bijvoorbeeld toxines die verstorende kliereffecten veroorzaken bij mensen en dieren, zoals geslachtswissels in vissen en de dood van overgevoelige mensen. (IPSC Health Safety Guide 2011) wasmiddel bevat ook oppervlakteactieve stoffen, bouwers, bleekmiddelen, fosfaten en andere chemicaliën, waaronder nitraten, nitrieten en enzymen. Oppervlakteactieve stoffen hebben emulgerende en dispergerende eigenschappen en verminderen de oppervlaktespanning van water. Bouwers, zoals natriumtripolyfosfaat (STPP), verwijderen de calcium-en magnesiumionen in hard water en bodem, waardoor het water wordt verzacht en mineralen worden verwijderd. Andere veel voorkomende, giftige ingrediënten van wasmiddel zijn bleekmiddelen, die belangrijke anionische bacteriën doden, en aardoliedestillaten (bijvoorbeeld Naptha ‘ s). In drinkwater veroorzaakten fenolen snel maligniteiten bij muizen en ratten. (Sixwise.com 2010) fosfaten in detergent dragen in grote mate bij aan schadelijke algenbloei. Al deze veranderingen in de balans van natuurlijke watersystemen beïnvloeden micro-organismen, planten en grotere dieren zoals vissen.

bereiding van de Biofilters

met behulp van een aquarium van 20 liter, in helften gescheiden door een acrylbarrière, bouwde ik twee biofilters, elk ontworpen om afvalwater herhaaldelijk door gewone, winterharde levende planten te laten circuleren. Het filter op waterbasis gebruikte een dwergwaterlelie (Nymphaea) bedolven in een hoop zand en drijvende eendenkruid (Lemna minor) planten in ongeveer vijf centimeter water. Een schot splitste het water in een U-vormige trog, en een kleine pomp circuleerde het water van de ene kant van de U naar de andere. Gebaseerd op mijn metingen, circuleerde dit water met ongeveer 7,5 liter per uur. De land-based filter gebruikt notengras onkruid (Cyperus rotundus) geplant in lagen van vuil, zand en turf mos, allemaal op de top van kaasdoek en gaas, zodat water sijpelt door de media hieronder zou verzamelen. Een tweede pomp circuleerde dit water door het water van de bodem van het filter in een druppelbuis te pompen die door het notengras liep. Op basis van mijn metingen circuleerde dit water ongeveer 10,6 liter per uur, maar misschien iets langzamer toen de druppellijn in het vuil lag.

hypothesen

ik voorspelde dat het land-based biofilter succesvoller zou zijn omdat het een gemeentelijk filter emuleert, met vele lagen en filtratiemiddelen in de verschillende groeimedia. De druppellijn en media geven de planten en de bodembacteriën meer tijd om in te werken op het afvalwater. Planten op het Land groeien ook uitgebreidere wortelsystemen. (Sommige wortels strekten zich uit naar de collectiekamer.) Ik voorspelde dat het biofilter op waterbasis minder goed zou werken, omdat het water sneller door de planten stroomde, en de planten ook directer blootgesteld waren aan de verontreinigende stoffen, met weinig of geen groeimedium.

van de chemische stoffen die ik heb getest, voorspelde ik dat de meest verbeterde waarschijnlijk fosfaten zouden zijn, omdat planten fosfaten absorberen—ze zijn ingrediënten in veel meststoffen. Ik voorspelde dat de pH in de waterfilter dichter bij neutraal zou worden, omdat bepaalde waterplanten alkalische omgevingen kunnen verdragen en de pH blijven verlagen. ten slotte voorspelde ik dat een week genoeg cycli zou kunnen zijn (ruim 100 cycli in elk filter) om een merkbaar effect in de waterzuiverheid te creëren. Na een veel langere periode in een gesloten (test) omgeving kunnen plantensterfte en rottend afval negatieve effecten hebben op het water. Ik voorspelde dat de daphnia, een soort die gedijt in schoon water, langer zou overleven in het gefilterde water dan in de oorspronkelijke afvalwateroplossing.

Methode

ik heb een afvalwater-oplossing bedoeld om na te bootsen die in een typische wasmachine door het toevoegen van Alle Stainlifter merk wasmiddel tot schoon water in een concentratie van ongeveer 0.0055 gram per liter (gelijk aan de volgende wasmiddel instructies met een 40-liter wasmachine). Ik heb de effectiviteit van mijn biologische filters op twee manieren getest: (1) het meten van specifieke chemische niveaus met behulp van teststrips (verkocht voor het testen van aquariumwater) en (2) het introduceren van levende daphnia, kleine schaaldieren die alleen in relatief schoon water leven (gekocht bij Carolina Supply). Ik creëerde vier controleoplossingen door mijn basisoplossing 2:1, 4:1 en 8:1 achtereenvolgens te verdunnen met schoon water, en testte deze vier oplossingen met Teststrips en daphnia.

met een oogdruppel plaatste ik ongeveer zes levende daphnia in elke habitat en controleerde ik hun overleving gedurende de volgende dag. Ik koos voor het filteren van Oplossing 2 (de 2:1 concentratie) omdat het de laagste concentratie was die alle daphnia binnen 10 uur doodde, terwijl daphnia in Oplossing 3 langer dan een dag overleefde (ongeveer hetzelfde als in schoon water, waarschijnlijk als gevolg van suboptimale voeding en beluchting van het water). Oplossing 2 verschilde van Oplossing 3 wat betreft nitriet, chloor, hardheid, fosfaat en ammoniak (Zie grafiek 1). Ik berekende het volume van elk van de filterkamers en voegde wasmiddel toe om dezelfde initiële concentratie te creëren als oplossing 2.

nadat in elk biofilter huishoudelijk “afvalwater” met een bekende concentratie is ontstaan, heb ik de filters laten circuleren om te zien of de planten toxines uit het water kunnen verwijderen. Ik heb de effectiviteit van de biofilters gemeten door chemische niveaus gemeten met Teststrips en daphnia sterfte te vergelijken met die van de controleoplossingen, inclusief schoon leidingwater. Ik nam dagelijks monsters van elk filter voor het testen. Na zeven dagen verwijderde ik gefilterd water uit elk biofilter en introduceerde levende daphnia (15 voor het land – en 13 voor het filter op waterbasis) en bracht hun overleving in kaart (Zie grafiek 4).

resultaten

beide biofilters gaven op basis van mijn tests een vergelijkbare verbetering van de waterzuiverheid, bijna terug naar de oorspronkelijke toestand van het leidingwater. Over het geheel genomen bleek uit de gegevens van de teststrips dat de chemische gehalten in het biofilterwater vergelijkbaar waren met of beter dan de controleoplossing 3—de helft van de aanvankelijk in de filters aanwezige concentratie van detergenten.

het landfilter verwijderde het meeste fosfaat, waarbij het van 5,0 ppm tot 0,3 ppm over zes dagen, en ammoniak, het verlagen van 0,15 ppm tot bijna nul over dezelfde periode. Het landfilter verlaagde ook snel nitraten, nitrieten en chloor van de beginniveaus (respectievelijk 10, 0,5 en 0,5 ppm) tot bijna verwaarloosbare niveaus binnen de eerste twee dagen. Het verhoogde ook de alkaliniteit van 40 tot 80 ppm, iets onder de ideale niveaus van 120-180 ppm voor een ecosysteem. (Brain 2011) de ideale pH van water is 7, wat volkomen neutraal is. Het landfilter kwam dichterbij, met een licht zure uiteindelijke pH van 6,9. De waterfilter was licht basisch en leverde 7,2 op. (Kleine numerieke verschillen in pH zijn significant omdat het een logaritmische schaal is.)

het filter op waterbasis verlaagde ook fosfaat en ammoniak geleidelijk tot bijna nulwaarden gedurende zes dagen. Het duurde twee tot drie dagen langer dan het landfilter om het nitriet-en nitraatgehalte te verlagen, maar bracht ze op nul, volgens de teststrips. Het waterfilter kon de alkaliniteit niet veranderen van een beginniveau van 40 ppm. Na ongeveer twee weken begon de lelie te verslechteren in gezondheid—het was te groot voor het aquarium—wat waarschijnlijk de resultaten vertroebeld als gevolg van het rottende plantaardige materiaal.

levende daphnia die in het biogefilterde water worden ingebracht, hadden een overlevingspercentage dat vergelijkbaar is met dat in zuiver water—en beter dan dat in controleoplossingen 3 of 4. (Zie Grafiek 4. In Oplossing 3 overleefde daphnia 10 uur, maar was na 24 uur dood. In het gefilterde water op land stierven slechts 2 van de 15 daphnia in 24 uur, en in het gefilterde water op waterbasis stierf er geen. De sterfgevallen in het land-based filterwater kan zijn geweest van de bruinachtige turf mos residu of gewoon suboptimale zorg. Het overlevingspercentage van de daphnias toonde aan dat het biofilterde water beter in staat was om het waterleven te ondersteunen dan de oorspronkelijke controleoplossingen.

hoe de Biofilters het Water reinigden

een industriële waterzuiveringsinstallatie gebruikt mechanische, biologische en chemische processen om afvalwater te filteren en te zuiveren. Screening, een korrelkamer en sedimentatie scheiden grotere deeltjes mechanisch van het water. Een korrelkamer is een dicht materiaal dat de doorstroming van het water vertraagt zodat fijnere vaste stoffen worden verwijderd. Een sedimentatietank, of zuiveraar, draait het water langzaam, zodat zwaardere sediment zinkt en olie stijgt. “Actief slib” en beluchting zorgen voor biologische filtratie. (Faust 1998) actief slib is een zuurstofrijk milieu dat de groei stimuleert van saprotrofe bacteriën—bacteriën die organisch materiaal afbreken—en andere organismen die verontreinigende stoffen metaboliseren. (Mountain Empire Community College 2010) tot slot, flocculatie (chemicaliën die colloïdale verontreinigende stoffen neerslaan), chlorering en desinfectie bieden chemische zuivering. (Faust 1998) mijn biologische, plantaardige filters hebben het water mogelijk via analoge processen gefilterd. Ik geloof dat het water werd gefilterd door drie methoden, (1) mechanisch, door de bodem, zand en turf mos, (2) biologisch, door geactiveerde bacteriën in het water en media, en (3) door de planten zelf.

mechanische filtratie

in het landfilter, water dat door grond, zand en turfmos wordt gevoerd. Wanneer vervuild water door de bodem gaat, worden oliën, zware metalen en overtollige voedingsstoffen mechanisch gefilterd en door op de bodem overgedragen organismen die ze absorberen of metaboliseren. Doordat het afvalwater langzaam door de media sijpelde, kregen deze organismen tijd om verschillende verontreinigende stoffen af te breken of op te nemen. Het zand kan ook hebben gewerkt als een grit kamer, het nemen van vaste stoffen uit het water. Naast het filteren en/of absorberen van verontreinigende stoffen, is het bekend dat turfmos water chemisch verzacht omdat het calcium-en magnesiumionen bindt en looizuren en Gallische zuren in het water afgeeft. Deze zuren richten zich op bicarbonaten in water en verminderen de carbonaathardheid en pH. (Peteducation.com 2011) dit doet me geloven dat turf mos was de belangrijkste agent in het neutraliseren van pH en hardheid. Hoewel het waterfilter een zandbedding voor de waterlelie had, zorgde het waarschijnlijk voor minder mechanische filtratie.

biologische filtratie

mijn biofilters leverden waarschijnlijk biologische filtratie van bacteriën die in het water en de groeimedia leefden. Het water werd belucht toen het uit de pomp druppelde, en voedingsstoffen voor bacteriën werden geleverd in de bovenste grond en uit het detergent, dat verbindingen bevat die bacteriën consumeren, zoals fosfaten, nitraten en nitrieten. Toen een deel van het eendenkruid stierf, kan het plantaardig materiaal voedsel voor de bacteriën hebben verschaft. Deze bacteriën speelden waarschijnlijk een belangrijke rol bij het verwijderen van toxines uit het water. Actieve slibfilters kunnen koolstofhoudende materie oxideren, ammonium en stikstof omzetten in biologische materialen, fosfaten verwijderen en gassen zoals kooldioxide, ammoniak en stikstof absorberen. (Mountain Empire Community College 2010) de chemische strips toonden aan dat de concentraties van sommige van deze stoffen daalden gedurende de periode van zeven dagen.

filtratie door de planten

tenslotte denk ik dat de planten in beide biofilters een grote rol hebben gespeeld bij het verwijderen van fosfaten, nitraten, nitrieten en ammoniak. Veel stoffen die schadelijk zijn voor mens en dier zijn bevorderlijk voor plantengroei. Planten hebben ammoniak, fosfaten en nitraten nodig, en de meeste synthetische meststoffen (evenals wasmiddelen) bevatten deze chemicaliën. Hoge concentraties van deze chemicaliën kunnen echter algen of andere plantensoorten doen “bloeien”, waardoor de milieubalans wordt verstoord, en voldoende hoge concentraties kunnen dezelfde planten doden. Eendenkroos, notengras en waterlelies zijn bekend om deze stoffen te absorberen, en leliepads worden geplant in vele vijvers om algenbloei te bestrijden. (Peteducation.com 2011) Eendenklauw breidt zich uit en verspreidt zich naarmate het fosfaten krijgt, net als waterlelies. Naast het absorberen van chemicaliën die voor hen nuttig zijn, kunnen bepaalde planten schadelijke stoffen zoals lood, zink en cadmium “opsluiten”, waardoor wordt voorkomen dat andere soorten schade ondervinden of in het grondwater terechtkomen. Eendenklauw is bewezen een ongelooflijke biofilter in het absorberen van niet alleen fosfor, maar ook gevaarlijke zware metalen. Het werd getest door een team van Israëlische wetenschappers om afvalwater van een kerncentrale schoon te maken, die na het passeren van het biofilter 99% schoon was. (Cafe 2011)

conclusies

mijn experiment toonde aan dat biologische filters op plantaardige basis effectief verontreinigende stoffen uit huishoudelijk afvalwater kunnen verwijderen. Terwijl mijn experiment beperkt was in omvang en duur (en ook vanwege de moeilijkheid om levende planten te verkrijgen tijdens de winter), verwijderde het meetbare hoeveelheden belangrijke verontreinigende stoffen. Daarnaast hebben levende exemplaren geverifieerd dat de waterkwaliteit verbeterde. Ik onderzocht voorbeelden van succesvolle, Grotere biofilter experimenten. Plantaardige filters zijn zuinig, toegankelijk in minder ontwikkelde landen, ecologisch veilig en produceren geen lawaai, geur en onziendheid die gepaard gaan met waterzuiveringsinstallaties. (Logson 2002) verder onderzoek zou de effectiviteit kunnen testen van meer volwassen planten, verschillende plantensoorten en andere combinaties van cyclisch water door middel van meerdere filters en grotere filtratie.

Data Tabellen

Land-based filter

op basis van Water filter

Controle-Oplossingen

Daphnia

Bibliografie

” Actief Slib.”Desinfectie van Water. Geraadpleegd op 15 februari 2011 op het World Wide Web. http://water.me.vccs.edu/courses/ENV149/asludge.htm.

” Zijn Wasmiddelen Van Toonaangevende Merken Milieuvriendelijk?”Wasserette Alternatief. Geraadpleegd op 20 februari 2011 op het World Wide Web. http://www.laundry-alternative.com/detergentsinfo.htm.

Brain, Marshall. “Hoe riool-en septische systemen werken.”Howstuffworks. Geraadpleegd op 1 maart 2011 op het World Wide Web. http://home.howstuffworks.com/home-improvement/plumbing/sewer.htm.

Faust, D. Samuel. Chemie van waterbehandeling. Washington, D. C.: Lewis Publishers (CRC Press), 1998.

Fuertes, James H. Waterfiltratiewerkzaamheden. New York: J. Wiley and Sons, 1901.

” Hoe Oppervlakteactieve Stoffen Toxines Worden.”Brighthub. Geraadpleegd op 13 maart 2011 op het World Wide Web. http://www.brighthub.com/environment/green-living/articles/17626.aspx#ixzz19uEpotV2.

Logson, Gary.Waterfiltratie praktijk, met inbegrip van langzame zandfilters en Pre-Coat filtratie. Boston: Taylor and Francis Group, 2002.

Marti, Isabel. “Spectrofotometric determination of low levels of anionic surfactants in water by solventextraction in a flow injection system.”RSC Publishing. Geraadpleegd op 13 februari 2011 op het World Wide Web.
http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/1988/AN/an9881301677.

” Phenol Health and Safety Guide.”IPSC Health and Safety Guide. Geraadpleegd op 1 maart 2011 op het World Wide Web. http://www.inchem.org/documents/hsg/hsg/hsg88_e.htm.

“Toxic Dangers of Typical wasserij.”Sixwise.com. Geraadpleegd op het World Wide Web op 14 maart 2011. http://www.sixwise.com/newsletters/05/07/06/the-toxic-dangers-of-typical-laundry-detergent.htm.

” turfmos gebruiken om de hardheid van het water en de Ph-waarden in vijvers te verlagen.”Huisdier Education.com. Geraadpleegd op 1 maart 2011 op het World Wide Web. http://www.peteducation.com/article.cfm?c=21+1917&aid=2744.Vigil, Kenneth. Schoon Water. New York: Lewis Publishers (CRC Press), 2003.

” Water Plants as Biofilters to Polluting Heavy Metals and Radioactive Materials.”Ideeën In Overvloed. Geraadpleegd op 14 februari 2011 op het World Wide Web. http://affleap.com/water-plants-as-bio-filters-to-polluting-heavy-metals-and-radioactive-materials/.

Winter, Ruth. A Consumer ‘ s Dictionary of Household, Yard and Office Chemicals: volledige informatie over schadelijke en wenselijke chemicaliën gevonden in alledaagse Home Producten, Tuin vergiften, en kantoor vervuilers. Miami: Macmillan Ltd, 2001.

Zoller, Uri. Handbook of Detergents. Boca Raton, Florida: Taylor and Francis Group, 2009.