utilizarea Biofilterelor pe bază de plante pentru purificarea apelor uzate menajere

rezumat

acest proiect a testat dacă „biofiltre”-filtre bazate pe plante vii – ar putea fi utilizate pentru a elimina poluanții casnici obișnuiți din apă. Am construit două biofiltre și le-am folosit pentru a purifica apa poluată cu detergent de rufe la niveluri la care ar putea fi eliberată în siguranță în natură. Am testat apa uzată pe daphnia vie înainte și după filtrare, precum și cu benzi de testare chimice pentru a măsura nitriții, nitrații, duritatea, clorul, alcalinitatea, pH-ul, amoniacul și fosfații. Ambele metode au arătat că filtrele mele au îmbunătățit calitatea apei. Producția de apă din biofiltre a susținut Daphnia vie, precum și apa de la robinet. Experimentul meu a confirmat că biofiltrele ar putea fi o componentă viabilă a purificării apei la scară mică sau menajeră. Biofiltrele pe bază de plante ar putea fi utilizate pentru a filtra apele uzate înainte de a le returna în siguranță în mediu, pentru a furniza „apă gri” pentru alte utilizări decât consumul sau ca prefiltrele cu costuri reduse pentru a face filtrarea apei potabile mai eficientă. Biofiltrele pe bază de plante sunt conștiente de mediu și mai accesibile zonelor care nu își pot permite tehnologia industrială de filtrare municipală.

context: deficitul de apă curată

apa curată este o resursă critică, devenind rapid rară, deoarece populațiile în creștere consumă mai mult și reduc aprovizionarea prin poluare. Filtrarea, tratarea și curățarea apelor uzate pentru a crește aprovizionarea este necesară, dar aceste metode sunt costisitoare și necesită energie excesivă. Procesele moderne de tratare nu sunt în mod decisiv organice, necesitând adesea adăugarea de substanțe chimice suplimentare în apă (de exemplu, clor.) (Faust, 1998) am emis ipoteza că filtrele naturale care utilizează plante și mediile lor de creștere asociate (și microflora) ar putea filtra poluanții casnici obișnuiți din apele uzate. Deși nu produce apă potabilă, apa filtrată poate fi suficient de curată pentru a se elibera în siguranță în mediu sau pentru a fi reutilizată (de ex., pentru a spăla o toaletă sau a spăla o mașină). Un filtru natural are multe beneficii și ar putea fi o alternativă viitoare pentru filtrarea apei.

componente periculoase ale apelor uzate menajere

am folosit ape uzate care conțin detergent de rufe, un poluant comun de uz casnic eliberat în apă. Conține multe substanțe chimice care nu sunt ușor descompuse și este periculos pentru ecosistem, deoarece ucide viața acvatică, strică lanțul alimentar și compromite sănătatea umană. De exemplu, fenolii găsiți în detergenți sunt toxine care provoacă efecte glandulare perturbatoare la oameni și animale, cum ar fi schimburile de gen la pești și moartea persoanelor hipersensibile. (IPSC Health Safety Guide 2011) detergentul conține, de asemenea, agenți tensioactivi, Constructori, înălbitori, fosfați și alte substanțe chimice, inclusiv nitrați, nitriți și enzime. Surfactanții au proprietăți de emulsionare și dispersare și scad tensiunea superficială a apei. Constructorii, cum ar fi tripolifosfatul de sodiu (STPP), elimină ionii de calciu și magneziu prezenți în apa dură și sol, înmuiind astfel apa și îndepărtând-o de minerale. Alte ingrediente comune, toxice ale detergentului de rufe includ înălbitori, care ucid bacterii anionice importante și distilate de petrol (de exemplu, Naptha). În apa de băut, fenolii au provocat rapid tumori maligne la șoareci și șobolani. (Sixwise.com 2010) fosfații din detergent contribuie foarte mult la înflorirea algelor dăunătoare. Toate aceste modificări ale echilibrului sistemelor naturale de apă afectează microorganismele, plantele și animalele mai mari, cum ar fi peștii.

pregătirea Biofilterelor

folosind un acvariu de 20 de galoane, separat în jumătăți de o barieră acrilică, am construit două biofiltre, fiecare proiectat să circule în mod repetat apele uzate prin plante vii comune rezistente. Filtrul pe bază de apă a folosit un nufăr pitic (Nymphaea) așezat într-o movilă de nisip și plante plutitoare (Lemna minor) în aproximativ cinci centimetri de apă. O deflectoare a împărțit apa într-un jgheab în formă de U și o mică pompă a circulat apa de la un capăt al U la celălalt. Pe baza măsurătorilor mele, această apă a circulat la aproximativ 7,5 litri pe oră. Filtrul terestru a folosit buruieni de iarbă de nuci (Cyperus rotundus) plantate în straturi de murdărie, nisip și mușchi de turbă, toate deasupra cheesecloth și plasă de sârmă, astfel încât apa care se scurge prin mass-media să se adune mai jos. O a doua pompă a circulat această apă prin pomparea apei din partea inferioară a filtrului într-o linie de picurare care trece prin iarba piuliței. Pe baza măsurătorilor mele, această apă a circulat la aproximativ 10, 6 litri pe oră, dar poate puțin mai lentă când linia de picurare se afla în murdărie.

ipoteze

am prezis că biofilterul terestru va avea mai mult succes, deoarece emulează un filtru municipal, cu multe straturi și mijloace de filtrare în diferitele medii de creștere. Linia de picurare și mediile oferă plantelor și bacteriilor din sol mai mult timp pentru a acționa asupra apelor uzate. Plantele terestre cresc, de asemenea, sisteme radiculare mai extinse. (Unele rădăcini întinse până la camera de colectare.) Am prezis că biofiltrul pe bază de apă va funcționa mai puțin bine, deoarece apa curgea mai repede prin plante, iar plantele erau, de asemenea, mai expuse direct la poluanți, având un mediu de creștere mic sau deloc.

printre substanțele chimice pe care le—am testat, am prezis că cele mai îmbunătățite vor fi probabil fosfații, deoarece plantele absorb fosfații-sunt ingrediente în multe îngrășăminte. Am prezis că pH-ul din filtrul de apă va deveni mai aproape de neutru, deoarece anumite plante de apă pot tolera mediile alcaline și pot continua să scadă pH-ul. în cele din urmă, am prezis că o săptămână ar putea fi suficiente cicluri (peste 100 de cicluri în oricare filtru) pentru a crea un efect vizibil în puritatea apei. După o perioadă mult mai lungă într-un mediu închis (test), decesele plantelor și detritusul putrezit ar putea avea efecte negative asupra apei. Am prezis că daphnia, o specie care prosperă în apă curată, va supraviețui mai mult în apa filtrată decât în soluția inițială de apă uzată.

metodologie

am creat o soluție de apă uzată menit să imite că într-o mașină de spălat tipic prin adăugarea tuturor detergent de rufe Stainlifter marca pentru a curăța apa la o concentrație de aproximativ 0,0055 uncii pe litru (echivalent cu 40-galon mașină de spălat). Am testat eficacitatea filtrelor mele biologice în două moduri: (1) măsurarea nivelurilor chimice specifice folosind benzi de testare (vândute pentru testarea apei din acvariu) și (2) Introducerea daphniei vii, crustacee minuscule care trăiesc doar în apă relativ curată (achiziționată de la Carolina Supply). Am creat patru soluții de control prin diluarea succesivă a soluției de bază 2:1, 4:1 și 8:1 cu apă curată și am testat aceste patru soluții cu benzi de testare și daphnia.

folosind un picurător, am plasat aproximativ șase daphnii vii în fiecare habitat și le-am monitorizat supraviețuirea în ziua următoare. Am ales să filtrez Soluția 2 (concentrația 2:1) deoarece a fost cea mai mică concentrație care a ucis toată daphnia în decurs de 10 ore, în timp ce daphnia din soluția 3 a supraviețuit mai mult de o zi (cam la fel ca în apa curată, probabil datorită hrănirii suboptime și aerării apei). Soluția 2 diferă de soluția 3 în ceea ce privește nivelurile de nitriți, clor, duritate, fosfat și amoniac (Vezi graficul 1). Am calculat volumul fiecăreia dintre camerele de filtrare și am adăugat detergent pentru rufe pentru a crea aceeași concentrație inițială ca soluția 2.

după ce am creat „ape uzate” menajere cu o concentrație cunoscută în fiecare biofiltru, am lăsat filtrele să circule pentru a vedea dacă plantele ar putea elimina toxinele din apă. Am măsurat eficacitatea biofilterelor comparând nivelurile chimice măsurate cu benzile de testare și ratele mortalității daphnia cu cele ale soluțiilor de control, inclusiv apa curată de la robinet. Am luat probe zilnice din fiecare filtru pentru testare. După șapte zile, am îndepărtat apa filtrată din fiecare biofiltru și am introdus daphnia vie (15 pentru pământ – și 13 pentru filtrul pe bază de apă) și le-am cartografiat supraviețuirea (Vezi graficul 4).

rezultate

ambele biofiltre au obținut o puritate a apei îmbunătățită în mod similar, aproape înapoi la starea inițială a apei de la robinet, pe baza testelor mele. În general, datele din benzile de testare au arătat că nivelurile chimice din apa biofiltrată sunt comparabile sau mai bune decât soluția de control 3—jumătate din concentrația de detergent inițial în filtre.

filtrul de teren a eliminat cel mai mult fosfat, luându-l de la 5,0 ppm la 0,3 ppm pe parcursul a șase zile și amoniac, scăzându-l de la 0,15 ppm la aproape zero în aceeași perioadă. De asemenea, filtrul de teren a redus rapid nitrații, nitriții și clorul de la nivelurile inițiale (de 10, 0,5 și, respectiv, 0,5 ppm) la niveluri aproape neglijabile în primele două zile. De asemenea, a crescut alcalinitatea de la 40 la 80 ppm, oarecum sub nivelurile ideale de 120-180 ppm pentru un ecosistem. (Brain 2011) pH-ul ideal al apei este 7, care este perfect neutru. Filtrul de teren s-a apropiat, cu un pH final ușor acid de 6,9. Filtrul de apă a fost ușor de bază, producând 7.2. (Diferențele numerice mici în pH sunt semnificative, deoarece este o scară logaritmică.)

filtrul pe bază de apă a redus, de asemenea, fosfatul și amoniacul treptat la niveluri aproape zero pe parcursul a șase zile. A fost nevoie de două până la trei zile mai mult decât filtrul de teren pentru a reduce nivelurile de nitriți și nitrați, dar le-a adus la zero, conform benzilor de testare. Filtrul de apă nu a putut schimba alcalinitatea de la nivelurile inițiale de 40 ppm. După aproximativ două săptămâni, crinul a început să se deterioreze în sănătate—era prea mare pentru acvariu—ceea ce probabil a denaturat rezultatele din cauza materialului vegetal putrezit.

daphnia vie introdusă în apa biofiltrată a avut rate de supraviețuire comparabile cu cele din apa pură—și mai bune decât cele din soluțiile de Control 3 sau 4. (Vezi Graficul 4.) În soluția 3, daphnia a supraviețuit timp de 10 ore, dar a murit după 24 de ore. În apa filtrată terestră, doar 2 din 15 daphnia au murit în 24 de ore, iar în apa filtrată pe bază de apă, niciuna nu a murit. Decesele din apa filtrantă de pe uscat ar fi putut fi cauzate de reziduurile de mușchi de turbă maronie sau doar de îngrijirea suboptimă. Ratele de supraviețuire ale daphnias au demonstrat că apa biofiltrată a fost mai capabilă să susțină viața acvatică decât soluțiile originale de control.

cum biofiltrele au curățat apa

o instalație industrială de tratare a apei utilizează procese mecanice, biologice și chimice pentru a filtra și purifica apele uzate. Screeningul, o cameră de pietriș și sedimentarea separă particulele mai mari de apă prin mijloace mecanice. O cameră de pietriș este un material dens care încetinește curgerea apei, astfel încât solidele mai fine să fie îndepărtate. Un rezervor de sedimentare, sau clarificator, rotește apa încet, astfel încât sedimentele mai grele se scufundă și crește uleiul. „Nămolul activ” și aerarea asigură filtrarea biologică. (Faust 1998) nămolul activ este un mediu oxigenat care încurajează creșterea bacteriilor saprotrofice—bacterii care descompun materia organică—și a altor organisme care metabolizează poluanții. (Mountain Empire Community College 2010) în cele din urmă, flocularea (substanțele chimice care precipită poluanții coloidali), clorurarea și dezinfectarea asigură purificarea chimică. (Faust 1998) filtrele mele biologice, pe bază de plante, ar fi putut filtra apa prin procese similare. Cred că apa a fost filtrată prin trei metode, (1) mecanic, de sol, nisip și mușchi de turbă, (2) biologic, de bacterii activate în apă și medii și (3) de plantele în sine.

filtrare mecanică

în filtrul de teren, apa a trecut prin sol, nisip și mușchi de turbă. Când apa poluată trece prin sol, uleiurile, metalele grele și excesul de nutrienți sunt filtrate mecanic și de organismele transmise de sol care le absorb sau le metabolizează. Forțarea apelor uzate să se scurgă încet prin mass-media a dat acestor organisme timp să descompună sau să absoarbă diferiți poluanți. Este posibil ca nisipul să fi acționat și ca o cameră de pietriș, scoțând solidele din apă. Pe lângă filtrarea și / sau absorbția poluanților, se știe că mușchiul de turbă înmoaie apa chimic, deoarece leagă ionii de calciu și magneziu și eliberează acizi tanici și galici în apă. Acești acizi vizează bicarbonații în apă și reduc duritatea carbonatului și pH-ul. (Peteducation.com 2011) acest lucru mă face să cred că mușchiul de turbă a fost principalul agent în neutralizarea pH-ului și a durității. Deși filtrul de apă avea un așternut de nisip pentru nufăr, probabil a oferit o filtrare mecanică mai mică.

filtrare biologică

biofiltrele mele au furnizat probabil filtrarea biologică a bacteriilor care trăiesc în apă și în mediile de creștere. Apa a fost aerată pe măsură ce picura din pompă, iar substanțele nutritive pentru bacterii au fost furnizate în solul superior și din detergent, care conține compuși pe care bacteriile îi consumă, cum ar fi fosfații, nitrații și nitriții. Când o parte din rață a murit, Materia sa vegetală ar fi putut furniza hrană pentru bacterii. Aceste bacterii au jucat probabil un rol major în eliminarea toxinelor din apă. Filtrele cu nămol activ pot oxida Materia carbonică, pot transforma amoniul și azotul în materiale biologice, pot elimina fosfații și pot absorbi gaze precum dioxidul de carbon, amoniacul și azotul. (Mountain Empire Community College 2010) benzile chimice au arătat că concentrațiile unora dintre aceste substanțe au scăzut pe parcursul perioadei de șapte zile.

filtrarea de către plante

în cele din urmă, cred că plantele din ambele biofiltre au jucat un rol important în Eliminarea fosfaților, nitraților, nitriților și amoniacului. Multe substanțe dăunătoare oamenilor și animalelor sunt favorabile creșterii plantelor. Plantele necesită amoniac, fosfați și nitrați, iar majoritatea îngrășămintelor sintetice (precum și detergenții de rufe) conțin aceste substanțe chimice. Cu toate acestea, concentrațiile mari ale acestor substanțe chimice pot provoca „înflorirea” algelor sau a altor specii de plante, perturbând echilibrul mediului, iar concentrațiile suficient de mari pot ucide aceleași plante. Lintița, iarba de nuci și nuferii sunt cunoscuți pentru a absorbi aceste substanțe, iar tampoanele de crin sunt plantate în multe iazuri pentru a controla înflorirea algelor. (Peteducation.com 2011) lintița se extinde și se răspândește pe măsură ce câștigă fosfați, la fel ca nuferii. Pe lângă absorbția substanțelor chimice utile pentru acestea, anumite plante pot „bloca” substanțe nocive precum plumbul, zincul și cadmiul, împiedicându-le să dăuneze altor specii sau să intre în apele subterane. Lintița s-a dovedit a fi un biofilter incredibil în absorbția nu numai a fosforului, ci și a metalelor grele periculoase. A fost testat de o echipă de oameni de știință israelieni pentru a curăța apele uzate de la o centrală nucleară, care după trecerea prin biofiltru a fost 99% curată. (Cafe 2011)

concluzii

experimentul meu a arătat că filtrele biologice pe bază de plante pot elimina în mod eficient poluanții din apele uzate menajere. În timp ce experimentul meu a fost limitat ca mărime și durată (și, de asemenea, din cauza dificultății de a obține plante vii în timpul iernii), a eliminat cantități măsurabile de poluanți cheie. În plus, exemplarele vii au verificat că calitatea apei s-a îmbunătățit. Am cercetat Exemple de succes, experimente biofiltre mai mari. Filtrele pe bază de plante sunt economice, accesibile în țările mai puțin dezvoltate, sigure din punct de vedere ecologic și nu produc zgomot, miros și nesiguranță asociate cu stațiile de tratare a apei. (Logson 2002) cercetările ulterioare ar putea testa eficacitatea plantelor mai mature, a diferitelor specii de plante și a altor combinații de apă ciclică prin filtre multiple și filtrare la scară mai mare.

tabele de date

filtru terestru

filtru pe bază de apă

Soluții De Control

Daphnia

Bibliografie

„Nămol Activ.”Dezinfectarea apei. Adus de pe World Wide Web la 15 februarie 2011. http://water.me.vccs.edu/courses/ENV149/asludge.htm.

” Detergenții De Rufe De Marcă De Vârf Sunt Ecologici?”Spălătorie Alternativă. Adus de pe World Wide Web la 20 februarie 2011. http://www.laundry-alternative.com/detergentsinfo.htm.

Creier, Marshall. „Cum funcționează sistemele de canalizare și septice.”Howstuffworks. Adus de pe World Wide Web la 1 martie 2011. http://home.howstuffworks.com/home-improvement/plumbing/sewer.htm.

Faust, D. Samuel. Chimia tratării apei. Washington, D. C.: Lewis Publishers( CRC Press), 1998.

Fuertes, James H. Lucrări De Filtrare A Apei. New York: J. Wiley și fiii, 1901.

” Cum Surfactanții Devin Toxine Corporale.”Brighthub. Adus de pe World Wide Web la 13 martie 2011. http://www.brighthub.com/environment/green-living/articles/17626.aspx#ixzz19uEpotV2.

Logson, Gary.Practica de filtrare a apei, inclusiv filtre de nisip lent și filtrare Pre-strat. Boston: grupul Taylor și Francis, 2002.

Marti, Isabel. „Determinarea spectrofotometrică a nivelurilor scăzute de surfactanți anionici în apă prin extracția solventului într-un sistem de injecție a fluxului.”Editura RSC. Adus de pe World Wide Web la 13 februarie 2011.
http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/1988/AN/an9881301677.

„Ghid de sănătate și Siguranță fenol.”IPSC Ghid de sănătate și Siguranță. Adus de pe World Wide Web la 1 martie 2011. http://www.inchem.org/documents/hsg/hsg/hsg88_e.htm.

” pericolele toxice ale rufelor tipice.”Sixwise.com. preluat de pe World Wide Web la 14 martie 2011. http://www.sixwise.com/newsletters/05/07/06/the-toxic-dangers-of-typical-laundry-detergent.htm.

” utilizarea mușchiului de turbă pentru a reduce duritatea apei și nivelul Ph-ului în iazuri.”Pet Education.com. preluat de pe World Wide Web la 1 martie 2011. http://www.peteducation.com/article.cfm?c=21+1917&aid=2744.

Veghe, Kenneth. Apă Curată. New York: Lewis Publishers( CRC Press), 2003.

” plantele de apă ca biofiltre pentru poluarea metalelor grele și a materialelor Radioactive.”Idei Din Belșug. Adus de pe World Wide Web la 14 februarie 2011. http://affleap.com/water-plants-as-bio-filters-to-polluting-heavy-metals-and-radioactive-materials/.

Iarna, Ruth. Dicționarul consumatorului de produse chimice de uz casnic, de curte și de birou: informații Complete despre substanțele chimice dăunătoare și de dorit găsite în produsele de uz casnic de zi cu zi, otrăvurile din curte și poluatorii de birou. Miami: Macmillan Ltd, 2001.

Zoller, Uri. Manual de detergenți. Boca Raton, Florida: grupul Taylor și Francis, 2009.