wykorzystanie biofiltrów roślinnych do oczyszczania ścieków z gospodarstw domowych

Abstract

w tym projekcie sprawdzono, czy „biofiltry”—filtry oparte na żywych roślinach—mogą być stosowane do usuwania zwykłych zanieczyszczeń z wody. Zbudowałem dwa biofiltry i użyłem ich do oczyszczenia wody zanieczyszczonej detergentem do poziomu, na którym mogłaby być bezpiecznie uwolniona do natury. Przetestowałem ścieki na żywych rozwielitkach przed i po filtrowaniu, a także za pomocą chemicznych pasków testowych do pomiaru azotynów, azotanów, twardości, chloru, zasadowości, pH, amoniaku i fosforanów. Obie metody pokazały, że moje filtry poprawiły jakość wody. Produkcja wody z biofiltrów podtrzymywała żywe rozwielitki, a także wodę z kranu. Mój eksperyment potwierdził, że biofiltry mogą być opłacalnym składnikiem oczyszczania wody na małą skalę lub w warunkach domowych. Biofiltry roślinne mogą być używane do filtrowania ścieków przed ich bezpiecznym powrotem do środowiska, aby zapewnić „szarą wodę” do zastosowań innych niż konsumpcja lub jako tanie filtry wstępne, aby filtracja wody pitnej była bardziej wydajna. Biofiltry roślinne są przyjazne dla środowiska i bardziej dostępne dla obszarów, które nie mogą sobie pozwolić na przemysłową technologię filtracji miejskiej.

kontekst: niedobór czystej wody

czysta woda jest kluczowym zasobem, szybko staje się rzadka, ponieważ rosnące populacje zużywają więcej i zmniejszają podaż poprzez zanieczyszczenie. Filtrowanie, Oczyszczanie i inne Oczyszczanie ścieków w celu zwiększenia podaży jest konieczne, ale metody te są drogie i wymagają nadmiernej energii. Nowoczesne procesy uzdatniania zdecydowanie nie są organiczne, często wymagają dodawania do wody dodatkowych substancji chemicznych (np. chloru.) (Faust, 1998) postawiłem hipotezę, że naturalne filtry wykorzystujące Rośliny i związane z nimi media wzrostu (i mikroflorę) mogą filtrować typowe zanieczyszczenia domowe ze ścieków. Nie dając wody pitnej, przefiltrowana woda może być wystarczająco czysta, aby bezpiecznie uwolnić się do środowiska lub ponownie użyć (np., spłukać toaletę lub umyć samochód). Naturalny filtr ma wiele zalet i może być przyszłą alternatywą dla filtracji wody.

Niebezpieczne składniki ścieków z gospodarstw domowych

użyłem ścieków zawierających detergent do prania, powszechny zanieczyszczenia z gospodarstw domowych uwalniany do wody. Zawiera wiele substancji chemicznych, które nie są łatwo rozkładane i jest niebezpieczne dla ekosystemu, ponieważ zabija życie wodne, psuje łańcuch pokarmowy i zagraża zdrowiu ludzkiemu. Na przykład fenole znajdujące się w detergentach są toksynami, które powodują destrukcyjne efekty gruczołowe u ludzi i zwierząt, takie jak zmiany płci u ryb i śmierć osób nadwrażliwych. (IPSC Health Safety Guide 2011) Detergent zawiera również środki powierzchniowo czynne, substancje wzmacniające, wybielacze, fosforany i inne chemikalia, w tym azotany, azotyny i enzymy. Środki powierzchniowo czynne mają właściwości emulgujące i dyspergujące oraz zmniejszają napięcie powierzchniowe wody. Budowniczowie, tacy jak tripolifosforan sodu (STPP), usuwają jony wapnia i magnezu obecne w twardej wodzie i glebie, zmiękczając wodę i usuwając ją z minerałów. Inne typowe, toksyczne składniki detergentu do prania to wybielacze, które zabijają ważne bakterie anionowe i destylaty ropy naftowej (np. napthas). W wodzie pitnej fenole szybko powodowały nowotwory złośliwe u myszy i szczurów. (Sixwise.com 2010) fosforany w detergencie znacznie przyczyniają się do szkodliwego zakwitu glonów. Wszystkie te zmiany w równowadze naturalnych systemów wodnych wpływają na mikroorganizmy, rośliny i większe zwierzęta, takie jak ryby.

przygotowanie biofiltrów

korzystając z akwarium o pojemności 20 galonów, podzielonego na połówki przez barierę akrylową, zbudowałem dwa biofiltry, z których każdy został zaprojektowany do wielokrotnego cyrkulacji ścieków przez wspólne, odporne, żywe rośliny. Filtr na bazie wody wykorzystywał karłowatą lilię wodną (Nymphaea) złożoną w kopcu piasku i pływające rzęsy (Lemna minor) rośliny w około pięciu centymetrach wody. Przegroda dzieli wodę na koryto W Kształcie Litery U, a mała pompa cyrkuluje wodę z jednego końca U na drugi. Z moich pomiarów wynika, że woda krąży z prędkością około 7,5 litra na godzinę. W filtrze lądowym wykorzystano chwasty z trawy orzechowej (Cyperus rotundus) posadzone w warstwach brudu, piasku i mchu torfowego, wszystkie na gazie i siatce drucianej, aby woda przenikająca przez media zbierała się poniżej. Druga pompa obiegła tę wodę, pompując wodę z dna filtra do linii kroplującej biegnącej przez trawę orzechową. Opierając się na moich pomiarach, ta woda krążyła z prędkością około 10,6 litra na godzinę, ale być może nieco wolniej, gdy linia kroplująca leżała w brudzie.

hipotezy

przewidywałem, że biofiltr lądowy będzie bardziej skuteczny, ponieważ emuluje filtr miejski, z wieloma warstwami i środkami filtracji w różnych mediach wzrostu. Linia kroplująca i media dają roślinom i bakteriom glebowym więcej czasu na działanie na ścieki. Rośliny lądowe uprawiają również bardziej rozbudowane systemy korzeniowe. (Niektóre korzenie rozciągały się aż do komory zbiorczej.) Przewidywałem, że biofiltr na bazie wody będzie działał mniej dobrze, ponieważ woda płynęła przez rośliny szybciej, a rośliny były również bardziej bezpośrednio narażone na zanieczyszczenia, mając niewielki lub żaden czynnik wzrostu.

wśród substancji chemicznych, które testowałem, przewidywałem, że najbardziej ulepszone będą prawdopodobnie fosforany, ponieważ rośliny absorbują fosforany-są składnikami wielu nawozów. Przewidziałem, że pH w filtrze wody stanie się bliższe neutralnemu, ponieważ niektóre rośliny wodne mogą tolerować środowiska alkaliczne i nadal obniżać pH. w końcu przewidziałem, że tydzień może wystarczyć cykli (ponad 100 cykli w każdym filtrze), aby stworzyć zauważalny efekt w czystości wody. Po znacznie dłuższym okresie w zamkniętym (testowym) środowisku, śmierć roślin i gnicie detrytusu mogą mieć negatywny wpływ na wodę. Przewidziałem, że rozwielitki, gatunek, który rozwija się w czystej wodzie, przetrwają dłużej w przefiltrowanej wodzie niż w oryginalnym roztworze ścieków.

Metodologia

stworzyłem roztwór ściekowy mający naśladować to w typowej pralce, dodając wszystkie detergenty do prania marki Stainlifter do czystej wody o stężeniu około 0,0055 uncji na litr (odpowiednik następującego detergentu instrukcja z pralką 40-galon). Przetestowałem skuteczność moich filtrów biologicznych na dwa sposoby: (1) Pomiar określonych poziomów chemicznych za pomocą pasków testowych (sprzedawanych do testowania wody w akwarium) oraz (2) Wprowadzenie żywych rozwielitek, maleńkich skorupiaków, które żyją tylko w stosunkowo czystej wodzie (zakupionych od Carolina Supply). Stworzyłem cztery roztwory kontrolne, sukcesywnie rozcieńczając mój roztwór podstawowy 2:1, 4:1 i 8:1 czystą wodą i przetestowałem te cztery roztwory za pomocą pasków testowych i rozwielitek.

za pomocą kroplomierza umieściłem około sześciu żywych rozwielitek w każdym siedlisku i monitorowałem ich przetrwanie w ciągu następnego dnia. Zdecydowałem się filtrować roztwór 2 (stężenie 2: 1), ponieważ było to najniższe stężenie, które zabiło wszystkie rozwielitki w ciągu 10 godzin, podczas gdy rozwielitki w roztworze 3 przetrwały dłużej niż dzień (mniej więcej tak samo jak w czystej wodzie, prawdopodobnie z powodu nieoptymalnego karmienia i napowietrzania wody). Roztwór 2 różnił się od roztworu 3 poziomem azotynów, chloru, twardości, fosforanów i amoniaku (patrz wykres 1). Obliczyłem objętość każdej z komór filtracyjnych i dodałem detergent do prania, aby uzyskać takie samo początkowe stężenie jak roztwór 2.

po stworzeniu domowych „ścieków” o znanym stężeniu w każdym biofiltrze, pozwoliłem filtrom krążyć, aby sprawdzić, czy rośliny mogą usuwać toksyny z wody. Zmierzyłem skuteczność biofiltrów, porównując poziomy chemiczne mierzone paskami testowymi i wskaźnikami śmiertelności rozwielitek z roztworami kontrolnymi, w tym czystą wodą z kranu. Codziennie pobierałem próbki z każdego filtra do testów. Po siedmiu dniach usunąłem przefiltrowaną wodę z każdego biofiltra i wprowadziłem żywe rozwielitki (15 dla Ziemi – i 13 dla filtra na bazie wody) i określiłem ich przetrwanie (patrz wykres 4).

wyniki

oba biofiltry uzyskały podobnie poprawioną czystość wody, prawie z powrotem do pierwotnego stanu wody z kranu, na podstawie moich testów. Ogólnie rzecz biorąc, dane z pasków testowych wykazały, że poziomy chemiczne w biofiltrowanej wodzie są porównywalne z roztworem kontrolnym lub lepsze niż 3-połowa stężenia detergentu początkowo w filtrach.

filtr lądowy usunął większość fosforanów, biorąc go z 5,0 ppm do 0,3 ppm w ciągu sześciu dni, a amoniak, obniżając go z 0,15 ppm do prawie zera w tym samym okresie. Filtr lądowy również szybko obniżył azotany, azotyny i chlor z początkowych poziomów (odpowiednio 10, 0,5 i 0,5 ppm) do prawie znikomych poziomów w ciągu pierwszych dwóch dni. Podniósł również zasadowość z 40 do 80 ppm, nieco poniżej idealnego poziomu 120-180 ppm dla ekosystemu. (Brain 2011) idealne pH wody wynosi 7, co jest idealnie neutralne. Filtr lądowy zbliżył się, z lekko kwaśnym końcowym pH 6,9. Filtr wody był nieco podstawowy, uzyskując 7,2. (Niewielkie różnice liczbowe w pH są znaczące, ponieważ jest to skala logarytmiczna.)

filtr na bazie wody również stopniowo obniżał poziom fosforanów i amoniaku do poziomu niemal zerowego w ciągu sześciu dni. Zajęło dwa do trzech dni dłużej niż filtr lądowy, aby obniżyć poziom azotynów i azotanów, ale przyniósł je do zera, jak na paski testowe. Filtr wody nie był w stanie zmienić zasadowości z początkowych poziomów 40 ppm. Po około dwóch tygodniach Lilia zaczęła pogarszać się w zdrowiu-była zbyt duża dla akwarium-co prawdopodobnie wypaczyło wyniki z powodu gnijącego materiału roślinnego.

żywe rozwielitki wprowadzone do biofiltrowanej wody miały wskaźniki przeżycia porównywalne do tych w czystej wodzie-i lepsze niż w roztworach kontrolnych 3 lub 4. (Patrz Wykres 4.) W roztworze 3 rozwielitki przeżyły 10 godzin, ale były martwe po 24 godzinach. W przefiltrowanej wodzie lądowej tylko 2 z 15 rozwielitek zmarło w ciągu 24 godzin, a w przefiltrowanej wodzie żadna nie zmarła. Śmierć w lądowej wodzie filtracyjnej może być spowodowana brązowawymi resztkami torfowiska lub po prostu nieoptymalną pielęgnacją. Wskaźniki przeżycia rozwielitek wykazały, że biofiltrowana woda jest w stanie lepiej podtrzymywać życie wodne niż oryginalne rozwiązania kontrolne.

w jaki sposób Biofiltry oczyszczają wodę

przemysłowa oczyszczalnia ścieków wykorzystuje procesy mechaniczne, biologiczne i chemiczne do filtrowania i oczyszczania ścieków. Przesiewanie, komora piasku i sedymentacja oddzielają większe cząstki od wody za pomocą środków mechanicznych. Komora piasku jest gęstym materiałem, który spowalnia przepływ wody, dzięki czemu usuwane są drobniejsze ciała stałe. Zbiornik sedymentacyjny lub osadnik obraca wodę powoli, tak że cięższe osady zlewają się i wzrasta olej. „Osad czynny” i napowietrzanie zapewniają filtrację biologiczną. (Faust 1998) osad czynny jest natlenionym środowiskiem, które zachęca do wzrostu bakterii saprotroficznych—bakterii, które rozkładają materię organiczną—i innych organizmów, które metabolizują zanieczyszczenia. (Mountain Empire Community College 2010) wreszcie flokulacja (chemikalia, które wytrącają zanieczyszczenia koloidalne), chlorowanie i dezynfekcja zapewniają oczyszczanie chemiczne. (Faust 1998) moje biologiczne filtry roślinne mogły filtrować wodę za pomocą analogicznych procesów. Wierzę, że woda była filtrowana trzema metodami: (1) mechanicznie, przez glebę, piasek i torfowisko, (2) biologicznie, przez aktywowane bakterie w wodzie i mediach oraz (3) przez same rośliny.

Filtracja mechaniczna

w filtrze lądowym woda przepuszczana przez glebę, piasek i torfowisko. Gdy zanieczyszczona woda przechodzi przez glebę, oleje, metale ciężkie i nadmiar składników odżywczych są filtrowane mechanicznie i przez organizmy glebowe, które je wchłaniają lub metabolizują. Zmuszenie ścieków do powolnego przesiąkania się przez media dało organizmom czas na rozkład lub wchłanianie różnych zanieczyszczeń. Piasek mógł również działać jako komora piasku, pobierając ciała stałe z wody. Oprócz filtrowania i/lub pochłaniania zanieczyszczeń, torfowiec jest znany z chemicznego zmiękczania wody, ponieważ wiąże jony wapnia i magnezu oraz uwalnia kwasy garbnikowe i galusowe do wody. Kwasy te celują w wodorowęglany i zmniejszają twardość węglanową i pH. (Peteducation.com 2011) to prowadzi mnie do przekonania, że torfowiec był głównym czynnikiem neutralizacji pH i twardości. Chociaż filtr wody miał podłoże piaskowe dla lilii wodnej, prawdopodobnie zapewniał mniejszą filtrację mechaniczną.

Filtracja biologiczna

moje biofiltry prawdopodobnie zapewniały filtrację biologiczną bakterii żyjących w wodzie i mediach wzrostu. Woda była napowietrzana, gdy kapała z pompy, a składniki odżywcze dla bakterii były dostarczane w górnej glebie i z detergentu, który zawiera związki, które bakterie zużywają, takie jak fosforany, azotany i azotyny. Kiedy część rzęsy obumarła, jej Materia roślinna mogła zapewnić pożywienie bakteriom. Bakterie te prawdopodobnie odegrały ważną rolę w usuwaniu toksyn z wody. Filtry osadu czynnego mogą utleniać substancje węglowe, przekształcać Amon i azot w materiały biologiczne, usuwać fosforany i absorbować gazy, takie jak dwutlenek węgla, amoniak i azot. (Mountain Empire Community College 2010) paski chemiczne wykazały, że stężenia niektórych z tych substancji spadły w ciągu siedmiu dni.

Filtracja przez rośliny

wreszcie wierzę, że rośliny w obu biofiltrach odegrały wielką rolę w usuwaniu fosforanów, azotanów, azotynów i amoniaku. Wiele substancji szkodliwych dla ludzi i zwierząt sprzyja wzrostowi roślin. Rośliny wymagają amoniaku, fosforanów i azotanów, a większość nawozów syntetycznych (a także detergentów do prania) zawiera te chemikalia. Jednak wysokie stężenia tych substancji chemicznych mogą spowodować „rozkwit „glonów lub innych gatunków roślin, zakłócając równowagę środowiskową, a wystarczająco wysokie stężenia mogą zabić te same rośliny. Rzęsy, trawa orzechowa i lilie wodne wchłaniają te substancje, a podkładki lilii są sadzone w wielu stawach, aby kontrolować kwitnienie glonów. (Peteducation.com 2011) Rzęsa rozszerza się i rozprzestrzenia, gdy zyskuje fosforany, podobnie jak lilie wodne. Oprócz pochłaniania użytecznych dla nich substancji chemicznych, niektóre rośliny mogą „zablokować” szkodliwe substancje, takie jak ołów, cynk i kadm, zapobiegając ich szkodzeniu innym gatunkom lub przedostawaniu się do wód gruntowych. Rzęsa okazała się niesamowitym biofiltrem w pochłanianiu nie tylko fosforu, ale także niebezpiecznych metali ciężkich. Został przetestowany przez zespół izraelskich naukowców w celu oczyszczenia ścieków z elektrowni jądrowej, która po przejściu przez biofiltr była w 99% czysta. (Cafe 2011)

wnioski

mój eksperyment wykazał, że biologiczne filtry roślinne mogą skutecznie usuwać zanieczyszczenia ze ścieków domowych. Podczas gdy mój eksperyment był ograniczony pod względem wielkości i czasu trwania (a także z powodu trudności z uzyskaniem żywych roślin w zimie), usunął wymierne ilości kluczowych zanieczyszczeń. Ponadto żywe osobniki potwierdziły, że jakość wody uległa poprawie. Zbadałem przykłady udanych, większych eksperymentów biofiltrowych. Filtry roślinne są ekonomiczne, dostępne w krajach mniej rozwiniętych, bezpieczne ekologicznie i nie wytwarzają hałasu, zapachu i nieprzyjemności związanych z oczyszczalniami wody. (Logson 2002) dalsze badania mogą przetestować skuteczność bardziej dojrzałych roślin, różnych gatunków roślin i innych kombinacji wody rowerowej poprzez wiele filtrów i filtrację na większą skalę.

tabele danych

filtr na bazie wody

rozwiązania do zarządzania

Daphnia

Bibliografia

” Osad Czynny.”Dezynfekcja wody. 15.02.2011 r. http://water.me.vccs.edu/courses/ENV149/asludge.htm.

” Czy Wiodące Marki Detergentów Do Prania Są Przyjazne Dla Środowiska?”Alternatywa Dla Prania. [2011-02-20 11: 11] http://www.laundry-alternative.com/detergentsinfo.htm.

Brain, Marshall. „Jak działają systemy kanalizacyjne i septyczne.”Howstuffworks. [2011-01-12 13: 15] http://home.howstuffworks.com/home-improvement/plumbing/sewer.htm.

Faust, D. Samuel. Chemia uzdatniania wody. Washington, D. C.: Lewis Publishers (CRC Press), 1998.

Fuertes, James H. Działa Filtracja Wody. New York: J. Wiley and Sons, 1901.

” Jak Środki Powierzchniowo Czynne Stają Się Toksynami Organizmu.”Brighthub. 13.03.2011 r. http://www.brighthub.com/environment/green-living/articles/17626.aspx#ixzz19uEpotV2.

Praktyka filtracji wody, w tym powolne filtry piaskowe i filtracja wstępna. Boston: Taylor and Francis Group, 2002.

Marti, Isabel. „Spektrofotometryczne oznaczanie niskiego poziomu anionowych środków powierzchniowo czynnych w wodzie przez ekstrakcję rozpuszczalnikiem w układzie wtrysku przepływowego.”RSC Publishing. 13.02.2011 r.
http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/1988/AN/an9881301677.

” poradnik BHP.”Poradnik BHP IPSC. [2011-01-12 13: 15] http://www.inchem.org/documents/hsg/hsg/hsg88_e.htm.

” toksyczne niebezpieczeństwa typowego prania.”Sixwise.com. Retrieved from the World Wide Web on 14 March 2011. http://www.sixwise.com/newsletters/05/07/06/the-toxic-dangers-of-typical-laundry-detergent.htm.

” wykorzystanie mchu torfowego do obniżenia twardości wody i poziomu Ph w stawach.”Zwierzaki Education.com. Retrieved from the World Wide Web on 1 March 2011. http://www.peteducation.com/article.cfm?c=21+1917&aid=2744.

Czysta Woda. New York: Lewis Publishers (CRC Press), 2003.

” Rośliny wodne jako Biofiltry do zanieczyszczania metali ciężkich i materiałów promieniotwórczych.”Mnóstwo Pomysłów. 14.02.2011 r. 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: kompletne informacje o szkodliwych i pożądanych chemikaliach występujących w codziennych produktach domowych, truciznach na podwórku i zanieczyszczeniach biurowych. Miami: Macmillan Ltd, 2001.

Zoller, Uri. Podręcznik detergentów. Boca Raton, Florida: Taylor and Francis Group, 2009.