Usando a Base de Plantas Biofilters para Purificar a Família de águas residuais

Resumo

Este projeto testado se a “biofilters”—filtros baseados em plantas vivas—pode ser usado para remover comum família de poluentes da água. Eu construí dois biofiltros e os usei para purificar a água poluída com detergente para a roupa até níveis nos quais ela poderia ser liberada com segurança na natureza. Testei as águas residuais em dáfnias vivas antes e depois da filtragem, bem como com tiras de teste químico para medir nitritos, nitratos, dureza, cloro, alcalinidade, pH, amônia e fosfatos. Ambos os métodos mostraram que meus filtros melhoraram a qualidade da água. A saída de água dos biofiltros sustentou a dáfnia viva, bem como a água da torneira. Meu experimento confirmou que os biofiltros podem ser um componente viável de purificação de água em pequena escala ou doméstica. Biofiltros à base de plantas podem ser usados para filtrar águas residuais antes de devolvê-las com segurança ao meio ambiente, para fornecer “água cinza” para usos diferentes do consumo ou como Pré-Filtros de baixo custo para tornar a filtração de água potável mais eficiente. Os biofiltros à base de plantas são ambientalmente conscientes e mais acessíveis a áreas que não podem pagar a tecnologia industrial da filtração municipal.

Antecedentes: A escassez de água limpa

a Água Limpa é um recurso crítico, tornando-se rapidamente escassa porque as populações em crescimento estão consumindo mais e reduzindo a oferta por meio da poluição. É necessário filtrar, tratar e limpar as águas residuais para aumentar a oferta, mas esses métodos são caros e requerem energia excessiva. Os processos de tratamento modernos não são decididamente orgânicos, muitas vezes exigindo que produtos químicos adicionais sejam adicionados à água (por exemplo, cloro.(Faust, 1998) eu levantei a hipótese de que os filtros naturais que utilizam plantas e seus meios de crescimento associados (e microflora) poderiam filtrar poluentes domésticos comuns de águas residuais. Embora não produza água potável, a água filtrada pode estar limpa o suficiente para ser liberada com segurança no ambiente ou reutilizada (por exemplo,, para lavar um banheiro ou lavar um carro). Um filtro natural tem muitos benefícios e pode ser uma alternativa futura para a filtração de água.

componentes perigosos de Águas Residuais Domésticas

usei águas residuais contendo detergente para a roupa, um poluente doméstico comum liberado na água. Ele contém muitos produtos químicos que não são facilmente decompostos e são perigosos para o ecossistema porque mata a vida aquática, estraga a cadeia alimentar e compromete a saúde humana. Por exemplo, os fenóis encontrados nos detergentes são toxinas que causam efeitos glandulares disruptivos em pessoas e animais, como trocas de gênero em peixes e morte para pessoas hipersensíveis. (IPSC Health Safety Guide 2011) o detergente também contém surfactantes, Construtores, alvejantes, fosfatos e outros produtos químicos, incluindo nitratos, nitritos e enzimas. Os surfactantes têm propriedades emulsificantes e dispersantes e diminuem a tensão superficial da água. Construtores, como o Tripolifosfato de sódio (STPP), removem os íons cálcio e magnésio presentes na água dura e no solo, suavizando assim a água e removendo-a de minerais. Outros ingredientes tóxicos e comuns do detergente para a roupa incluem alvejantes, que matam importantes bactérias aniônicas e destilados de petróleo (por exemplo, napthas). Na água potável, os fenóis rapidamente causaram doenças malignas em camundongos e ratos. (Sixwise.com 2010) os fosfatos no detergente contribuem extremamente para danificar flores das algas. Todas essas mudanças no equilíbrio dos sistemas naturais de água afetam microorganismos, plantas e animais maiores, como peixes.

Preparação do Biofilters

Usando um de 20 litros do aquário, separados em metades por uma barreira de acrílico, construí dois biofilters, cada um concebido para circular de águas residuais repetidamente através comum hardy plantas vivas. O filtro à base de água usava um lírio d’Água Anão (Nymphaea) acamado em um monte de areia e plantas flutuantes de lentilha d’água (Lemna minor) em cerca de cinco polegadas de água. Um defletor dividiu a água em uma calha em forma de U, e uma pequena bomba circulou a água de uma extremidade do U para a outra. Com base em minhas medições, essa água circulou em cerca de 7,5 litros por hora. O filtro à base de terra usava ervas daninhas de capim-nozes (Cyperus rotundus) plantadas em camadas de sujeira, areia e musgo de turfa, tudo em cima de gaze e malha de arame para que a água escorrendo pela mídia se acumulasse abaixo. Uma segunda bomba circulou essa água bombeando a água do fundo do filtro para uma linha de gotejamento que atravessa a grama da porca. Com base em minhas medições, essa água circulou em cerca de 10,6 litros por hora, mas talvez um pouco mais lenta quando a linha de gotejamento estava na sujeira.

Hipóteses

eu previ que a terra biofiltr seria mais bem-sucedida desde que ele emula municipal de filtro, com muitas camadas e meio de filtração em vários crescimento de mídia. A linha de gotejamento e a mídia dão às plantas e às bactérias do solo mais tempo para atuar nas águas residuais. As plantas terrestres também cultivam sistemas radiculares mais extensos. (Algumas raízes se estendiam até a câmara de coleta.) Previ que o biofiltro à base de água funcionaria menos bem, uma vez que a água fluía pelas plantas mais rapidamente, e as plantas também estavam mais diretamente expostas aos poluentes, tendo pouco ou nenhum meio de crescimento.Entre os produtos químicos que testei, previ que os mais melhorados provavelmente seriam os fosfatos, porque as plantas absorvem fosfatos-eles são ingredientes em muitos fertilizantes. Eu previ que o pH em água do filtro iria se tornar mais próximo de neutro, porque certas plantas aquáticas pode tolerar ambientes alcalinos e continuar a baixar o pH. Por último, eu previ que uma semana pode ser suficiente ciclos (bem mais de 100 ciclos no filtro) para criar um efeito notável na pureza da água. Após um período muito mais longo em um ambiente fechado( teste), as mortes de plantas e detritos podres podem ter efeitos negativos na água. Eu previ que a dáfnia, uma espécie que prospera em água limpa, sobreviveria mais na água filtrada do que na solução original de águas residuais.

Metodologia

eu criei um efluentes solução de destina a imitar que, em uma típica máquina de lavar roupa, adicionando Todos os Stainlifter marca de detergente para a roupa, para limpar a água em uma concentração de cerca de 0.0055 gramas por litro (o equivalente a seguinte detergente instruções de 40 galões de água, máquina de lavar roupa). Testei a eficácia dos meus filtros biológicos de duas maneiras: (1) medir níveis químicos específicos usando tiras de teste (vendidas para testar a água do aquário) e (2) introduzir dáfnia viva, pequenos crustáceos que vivem apenas em água relativamente limpa (comprados da Carolina Supply). Criei quatro soluções de controle diluindo sucessivamente minha solução base 2:1, 4:1 e 8:1 com água limpa e testei essas quatro soluções com tiras de teste e dáfnia.

usando um conta-gotas, coloquei cerca de seis dáfnias vivas em cada habitat e monitorei sua sobrevivência no dia seguinte. Eu escolhi filtrar a solução 2 (a concentração 2:1) porque foi a menor concentração que matou toda a dáfnia dentro de 10 horas, enquanto a dáfnia na solução 3 sobreviveu por mais de um dia (aproximadamente o mesmo que na água limpa, provavelmente devido à alimentação subótima e aeração da água). A solução 2 diferiu da Solução 3 nos níveis de nitritos, cloro, dureza, fosfato e amônia (ver Gráfico 1). Calculei o volume de cada uma das câmaras de filtro e adicionei detergente para a roupa para criar a mesma concentração inicial da Solução 2.

Ter criado doméstico “águas residuais” de uma concentração conhecida em cada biofiltr, eu deixo os filtros circular para ver se as plantas pudessem remover as toxinas da água. Eu medi a eficácia dos biofiltros comparando os níveis químicos medidos com tiras de teste e taxas de mortalidade por dáfnias com as das soluções de controle, incluindo água limpa da torneira. Eu peguei amostras diárias de cada filtro para teste. Após sete dias, removi a água filtrada de cada biofiltro e introduzi a dáfnia viva (15 para a terra – e 13 para o filtro à base de água) e mapeei sua sobrevivência (ver gráfico 4).

resultados

ambos os biofiltros produziram pureza de água similarmente melhorada, quase de volta ao estado original da água da torneira, com base em meus testes. No geral, os dados das tiras de teste mostraram que os níveis químicos na água biofiltrada são comparáveis ou melhores do que a solução de controle 3—metade da concentração de detergente inicialmente nos filtros.

o filtro de terra removeu mais fosfato, levando-o de 5,0 ppm para 0,3 ppm ao longo de seis dias, e amônia, diminuindo-o de 0,15 ppm para quase zero no mesmo período. O filtro de terra também baixou rapidamente nitratos, nitritos e cloro dos níveis iniciais (de 10, 0,5 e 0,5 ppm, respectivamente) para níveis quase insignificantes nos primeiros dois dias. Também elevou a alcalinidade de 40 a 80 ppm, um pouco abaixo dos níveis ideais de 120-180 ppm para um ecossistema. (Cérebro 2011) o pH ideal da água é 7, que é perfeitamente neutro. O filtro de terra se aproximou, com um pH final ligeiramente ácido de 6,9. O filtro de água era ligeiramente básico, produzindo 7,2. (Pequenas diferenças numéricas no pH são significativas porque é uma escala logarítmica.)

o filtro à base de água também reduziu o fosfato e a amônia gradualmente para níveis próximos de zero ao longo de seis dias. Demorou dois a três dias a mais do que o filtro de terra para diminuir os níveis de nitrito e nitrato, mas os trouxe a zero, de acordo com as tiras de teste. O filtro de água foi incapaz de alterar a alcalinidade dos níveis iniciais de 40 ppm. Após cerca de duas semanas, o lírio começou a se deteriorar na saúde—era muito grande para o aquário—o que provavelmente distorceu os resultados devido ao material vegetal podre.

a dáfnia viva introduzida na água biofiltrada teve taxas de sobrevivência comparáveis às da água pura-e melhor do que nas soluções de controle 3 ou 4. (Ver Gráfico 4. Na solução 3, a dáfnia sobreviveu por 10 horas, mas morreu após 24 horas. Na água filtrada à base de terra, apenas 2 de 15 dáfnias morreram em 24 horas e, na água filtrada à base de água, nenhuma morreu. As mortes na água do filtro à base de terra podem ter sido do resíduo de musgo de turfa acastanhado ou apenas cuidados abaixo do ideal. As taxas de sobrevivência das daphnias demonstraram que a água biofiltrada era mais capaz de suportar a vida aquática do que as soluções de controle originais.

como os biofiltros limparam a água

uma estação de tratamento de água industrial usa processos mecânicos, biológicos e químicos para filtrar e purificar águas residuais. Triagem, uma câmara de grão e sedimentação separam partículas maiores da água por meios mecânicos. Uma câmara de grão é um material denso que retarda o fluxo da água para que Sólidos mais finos sejam removidos. Um tanque de sedimentação, ou clarificador, gira a água lentamente para que o sedimento mais pesado afunde e o óleo suba. “Lodo ativado” e aeração fornecem filtração biológica. (Faust 1998) o lodo ativado é um ambiente oxigenado que estimula o crescimento de bactérias saprotróficas—bactérias que decompõem a matéria orgânica—e outros organismos que metabolizam poluentes. (Mountain Empire Community College 2010) finalmente, a floculação( produtos químicos que precipitam poluentes coloidais), a cloração e a desinfecção fornecem purificação química. (Faust 1998) meus filtros biológicos à base de plantas podem ter filtrado a água através de processos análogos. Acredito que a água foi filtrada por três métodos, (1) mecanicamente, pelo solo, areia e musgo de turfa, (2) biologicamente, por bactérias ativadas na água e na mídia e (3) pelas próprias plantas.

filtração mecânica

no filtro de terra, a água passou pelo solo, areia e musgo de turfa. Quando a água poluída passa pelo solo, óleos, metais pesados e excesso de nutrientes são filtrados mecanicamente e por organismos transmitidos pelo solo que os absorvem ou metabolizam. Forçar as águas residuais a vazar lentamente pela mídia deu a esses organismos tempo para quebrar ou absorver vários poluentes. A areia também pode ter atuado como uma câmara de areia, tirando sólidos da água. Além de filtrar e/ou absorver poluentes, o musgo de turfa é conhecido por suavizar a água quimicamente porque liga os íons cálcio e magnésio e libera ácidos tânico e gálico na água. Esses ácidos visam bicarbonatos na água e reduzem a dureza e o pH do carbonato. (Peteducation.com 2011) isso me leva a acreditar que o musgo de turfa era o principal agente na neutralização do pH e da dureza. Embora o filtro de água tivesse uma cama de areia para o nenúfar, provavelmente fornecia menos filtração mecânica.

filtração biológica

meus biofiltros provavelmente forneceram filtração biológica de bactérias que vivem na água e nos meios de crescimento. A água foi arejada à medida que gotejava da bomba, e nutrientes para bactérias foram fornecidos no solo superior e no detergente, que contém compostos que as bactérias consomem, como fosfatos, nitratos e nitritos. Quando algumas das lentilhas morreram, sua matéria vegetal pode ter fornecido alimento para as bactérias. Essas bactérias provavelmente desempenharam um papel importante na remoção de toxinas da água. Os filtros de lodo ativado podem oxidar a matéria carbonácea, transformar amônio e nitrogênio em materiais biológicos, remover fosfatos e absorver gases como dióxido de carbono, amônia e nitrogênio. (Mountain Empire Community College 2010) as tiras químicas mostraram que as concentrações de algumas dessas substâncias diminuíram ao longo do período de sete dias.Finalmente, acredito que as plantas em ambos os biofiltros desempenharam um grande papel na remoção de fosfatos, nitratos, nitritos e amônia. Muitas substâncias nocivas para pessoas e animais são propícias ao crescimento das plantas. As plantas requerem amônia, fosfatos e nitratos, e a maioria dos fertilizantes sintéticos (bem como detergente para a roupa) contém esses produtos químicos. No entanto, altas concentrações desses produtos químicos podem fazer com que algas ou outras espécies de plantas “floresçam”, interrompendo o equilíbrio ambiental e concentrações suficientemente altas podem matar as mesmas plantas. Lentilha-d’água, capim-nozes e nenúfares são conhecidos por absorver essas substâncias, e as almofadas de lírio são plantadas em muitas lagoas para controlar as flores de algas. (Peteducation.com 2011) a lentilha-D’água se expande e se espalha à medida que ganha fosfatos, assim como os nenúfares. Além de absorver produtos químicos úteis para eles, certas plantas podem “bloquear” substâncias nocivas, como chumbo, zinco e cádmio, impedindo-as de prejudicar outras espécies ou entrar nas águas subterrâneas. A lentilha-d’água provou ser um biofiltro incrível na absorção não apenas de fósforo, mas também de metais pesados perigosos. Foi testado por uma equipe de cientistas israelenses para limpar as águas residuais de uma usina nuclear, que depois de passar pelo biofiltro estava 99% limpa. (Cafe 2011)

conclusões

meu experimento mostrou que os filtros biológicos à base de plantas podem efetivamente remover poluentes das águas residuais domésticas. Embora meu experimento tenha sido limitado em tamanho e duração (e também por causa da dificuldade de obter plantas vivas durante o inverno), ele removeu quantidades mensuráveis de poluentes-chave. Além disso, espécimes vivos verificaram que a qualidade da água melhorou. Pesquisei exemplos de experimentos de biofiltro maiores e bem-sucedidos. Os filtros à base de plantas são econômicos, acessíveis em países menos desenvolvidos, ecologicamente seguros e não produzem nenhum ruído, odor e falta de iluminação associados às estações de tratamento de água. (Logson 2002) mais pesquisas poderiam testar a eficácia de plantas mais maduras, diferentes espécies de plantas e outras combinações de ciclagem de água através de vários filtros e filtração em maior escala.

Tabelas de Dados

em Terra de filtro

a base de Água, filtro de

Soluções De Controle

Daphnia

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