använda växtbaserade biofilter för att rena hushållsavloppsvatten

Abstrakt

detta projekt testade om ”biofilter”—filter baserade på levande växter—kunde användas för att avlägsna vanliga hushållsföroreningar från vatten. Jag byggde två biofilter och använde dem för att rena vatten förorenat med tvättmedel till nivåer där det säkert kunde släppas ut i naturen. Jag testade avloppsvattnet på levande daphnia före och efter filtrering, liksom med kemiska testremsor för att mäta nitrit, nitrater, hårdhet, klor, alkalinitet, pH, ammoniak och fosfater. Båda metoderna visade att mina filter förbättrade vattenkvaliteten. Vattenutgången från biofiltren upprätthöll levande daphnia såväl som kranvattnet. Mitt experiment bekräftade att biofilter kan vara en livskraftig komponent i småskalig eller inhemsk vattenrening. Växtbaserade biofilter kan användas för att filtrera avloppsvatten innan det återförs säkert till miljön, för att ge ”grått vatten” för andra användningsområden än konsumtion eller som billiga förfilter för att göra filtrering av dricksvatten effektivare. Växtbaserade biofilter är miljömedvetna och mer tillgängliga för områden som inte har råd med industriell teknik för Kommunal filtrering.

Bakgrund: brist på rent vatten

rent vatten är en kritisk resurs som snabbt blir knapp eftersom växande befolkningar konsumerar mer och minskar utbudet genom föroreningar. Filtrering, behandling och på annat sätt rengöring av avloppsvatten för att öka utbudet är nödvändigt, men dessa metoder är dyra och kräver överdriven energi. Moderna behandlingsprocesser är definitivt inte organiska, vilket ofta kräver att ytterligare kemikalier tillsätts till vattnet (t.ex. klor.) (Faust, 1998) Jag antog att naturliga filter som använder växter och deras tillhörande Tillväxtmedier (och mikroflora) kan filtrera vanliga hushållsföroreningar från avloppsvatten. Även om det inte ger dricksvatten kan det filtrerade vattnet vara tillräckligt rent för att släppas ut säkert i miljön eller återanvändas (t. ex., för att spola en toalett eller tvätta en bil). Ett naturligt filter har många fördelar och kan vara ett framtida alternativ för vattenfiltrering.

farliga komponenter i hushållsavloppsvatten

jag använde avloppsvatten innehållande tvättmedel, Ett vanligt hushållsförorening som släpptes ut i vattnet. Det innehåller många kemikalier som inte lätt bryts ner och är farligt för ekosystemet eftersom det dödar vattenlevande liv, förstör livsmedelskedjan och äventyrar människors hälsa. Till exempel är fenolerna som finns i tvättmedel toxiner som orsakar störande glandulära effekter hos människor och djur, såsom könsbyten i fisk och död för överkänsliga människor. (IPSC Health Safety Guide 2011) tvättmedel innehåller också ytaktiva ämnen, byggare, blekmedel, fosfater och andra kemikalier, inklusive nitrater, nitrit och enzymer. Ytaktiva ämnen har emulgerande och dispergerande egenskaper och minskar ytspänningen hos vatten. Byggare, såsom natriumtripolyfosfat (STPP), tar bort kalcium-och magnesiumjoner som finns i hårt vatten och jord, vilket mjukar upp vattnet och avlägsnar det från mineraler. Andra vanliga, giftiga ingredienser i tvättmedel inkluderar blekmedel, som dödar viktiga anjoniska bakterier och petroleumdestillat (t.ex. napthas). I dricksvatten orsakade fenoler snabbt maligniteter hos möss och råttor. (Sixwise.com 2010) fosfater i tvättmedel bidrar starkt till att skada algblomningar. Alla dessa förändringar i balansen mellan naturliga vattensystem påverkar mikroorganismer, växter och större djur som fisk.

beredning av Biofiltren

med hjälp av ett 20-gallon akvarium, uppdelat i halvor av en akrylbarriär, byggde jag två biofilter, var och en utformad för att cirkulera avloppsvatten upprepade gånger genom vanliga hårda levande växter. Det vattenbaserade filtret använde en dvärgvattenlilja (Nymphaea) bäddad i en sandhög och flytande duckweed (Lemna minor) växter i cirka fem tum vatten. En baffel delade vattnet i ett U-format tråg, och en liten pump cirkulerade vattnet från ena änden av U till den andra. Baserat på mina mätningar cirkulerade detta vatten med cirka 7,5 liter per timme. Det landbaserade filtret använde nöt gräs ogräs (Cyperus rotundus) planterade i lager av smuts, sand och torvmossa, allt ovanpå ostduken och trådnätet så att vatten som sipprar ner genom media skulle samlas nedan. En andra pump cirkulerade detta vatten genom att pumpa vattnet från botten av filtret till en dropplinje som löper genom muttergräset. Baserat på mina mätningar cirkulerade detta vatten med cirka 10, 6 liter per timme, men kanske något långsammare när dropplinjen låg i smutsen.

hypoteser

jag förutspådde att det landbaserade biofiltret skulle bli mer framgångsrikt eftersom det emulerar ett kommunalt filter, med många lager och filtreringsmedel i de olika tillväxtmedierna. Dropplinjen och media ger växterna och jordbakterierna mer tid att agera på avloppsvattnet. Landbaserade växter växer också mer omfattande rotsystem. (Några rötter sträckte sig ner till uppsamlingskammaren.) Jag förutspådde att det vattenbaserade biofiltret skulle fungera mindre bra, eftersom vattnet flödade genom växterna snabbare och växterna också var mer direkt utsatta för föroreningarna, med litet eller inget tillväxtmedium.

bland de kemikalier jag testade förutspådde jag att det mest förbättrade troligen skulle vara fosfater, eftersom växter absorberar fosfater—de är ingredienser i många gödningsmedel. Jag förutspådde att pH i vattenfiltret skulle bli närmare neutralt, eftersom vissa vattenväxter tål alkaliska miljöer och fortsätter att sänka pH. slutligen förutspådde jag att en vecka kan vara tillräckligt med cykler (väl över 100 cykler i båda filtren) för att skapa en märkbar effekt i vattnets renhet. Efter en mycket längre period i en sluten (test) miljö kan växtdöd och ruttnande detritus ha negativa effekter på vattnet. Jag förutspådde att daphnia, en art som trivs i rent vatten, skulle överleva längre i det filtrerade vattnet än i den ursprungliga avloppslösningen.

metodik

jag skapade en avloppslösning som är avsedd att efterlikna det i en typisk tvättmaskin genom att lägga till alla Stainlifter-märken tvättmedel till rent vatten i en koncentration av ca 0,0055 uns per liter (motsvarande följande tvättmedelsinstruktioner med en 40-gallon tvättmaskin). Jag testade effektiviteten hos mina biologiska filter på två sätt: (1) mäta specifika kemiska nivåer med hjälp av testremsor (säljs för att testa akvariumvatten) och (2) introducera levande daphnia, små kräftdjur som bara lever i relativt rent vatten (köpt från Carolina Supply). Jag skapade fyra kontrolllösningar genom att successivt späda ut min baslösning 2: 1, 4: 1 och 8: 1 med rent vatten och testade dessa fyra lösningar med testremsor och daphnia.

med hjälp av en pipett placerade jag cirka sex levande daphnia i varje livsmiljö och övervakade deras överlevnad nästa dag. Jag valde att filtrera lösning 2 (2: 1-koncentrationen) eftersom det var den lägsta koncentrationen som dödade alla daphnia inom 10 timmar, medan daphnia i lösning 3 överlevde i mer än en dag (ungefär samma som i rent vatten, förmodligen på grund av suboptimal utfodring och vattenluftning). Lösning 2 skilde sig från Lösning 3 i nivåerna av nitrit, klor, hårdhet, fosfat och ammoniak (se diagram 1). Jag beräknade volymen på var och en av filterkamrarna och tillsatte tvättmedel för att skapa samma initiala koncentration som Lösning 2.

efter att ha skapat hushållens ”avloppsvatten” med en känd koncentration i varje biofilter lät jag filtren cirkulera för att se om växterna kunde ta bort toxiner från vattnet. Jag mätte biofiltrets effektivitet genom att jämföra kemiska nivåer uppmätta med testremsor och daphniadödlighet med kontrolllösningarna, inklusive rent kranvatten. Jag tog dagliga prover från varje filter för testning. Efter sju dagar tog jag bort filtrerat vatten från varje biofilter och introducerade levande daphnia (15 för landet – och 13 för det vattenbaserade filtret) och kartlade deras överlevnad (se diagram 4).

resultat

båda biofiltren gav på samma sätt förbättrad vattenrenhet, nästan tillbaka till kranvattnets ursprungliga tillstånd, baserat på mina tester. Sammantaget visade data från testremsorna att de kemiska nivåerna i det biofiltrerade vattnet var jämförbara med eller bättre än kontrolllösning 3—hälften av tvättmedelskoncentrationen initialt i filtren.

landfiltret tog bort mest fosfat och tog det från 5,0 ppm till 0,3 ppm under sex dagar och ammoniak och sänkte det från 0,15 ppm till nästan noll under samma period. Landfiltret sänkte också snabbt nitrater, nitrit och klor från initiala nivåer (av 10, 0,5 respektive 0,5 ppm) till nästan försumbara nivåer inom de första två dagarna. Det höjde också alkalinitet från 40 till 80 ppm, något under ideala nivåer av 120-180 ppm för ett ekosystem. (Brain 2011) det ideala pH-värdet för vatten är 7, vilket är helt neutralt. Landfiltret kom närmare, med ett svagt surt slutligt pH på 6,9. Vattenfiltret var något grundläggande, vilket gav 7,2. (Små numeriska skillnader i pH är signifikanta eftersom det är en logaritmisk skala.)

det vattenbaserade filtret sänkte också fosfat och ammoniak gradvis till nästan nollnivåer under sex dagar. Det tog två till tre dagar längre än landfiltret för att sänka nitrit-och nitratnivåerna men tog dem till noll, enligt testremsorna. Vattenfiltret kunde inte ändra alkaliniteten från initiala nivåer på 40 ppm. Efter ungefär två veckor började liljan försämras i hälsan—den var för stor för akvariet-vilket sannolikt skevade resultaten på grund av det ruttande växtmaterialet.

levande daphnia som infördes i det biofiltrerade vattnet hade överlevnadsnivåer jämförbara med dem i rent vatten—och bättre än i Kontrolllösningar 3 eller 4. (Se Tabell 4.) I lösning 3 överlevde daphnia i 10 timmar men var döda efter 24 timmar. I det landbaserade filtrerade vattnet dog endast 2 av 15 daphnia på 24 timmar, och i det vattenbaserade filtrerade vattnet dog ingen. Dödsfallet i det landbaserade filtervattnet kan ha varit från den bruna torvmossresten eller bara suboptimal vård. Daphnias överlevnad visade att det biofiltrerade vattnet bättre kunde stödja vattenlevande liv än de ursprungliga kontrolllösningarna.

hur Biofiltrarna rengjorde vattnet

en industriell vattenreningsanläggning använder mekaniska, biologiska och kemiska processer för att filtrera och rena avloppsvatten. Screening, en kornkammare och sedimentering separerar större partiklar från vattnet med mekaniska medel. En kornkammare är ett tätt material som saktar vattenflödet så att finare fasta ämnen avlägsnas. En sedimentationstank, eller klarare, roterar vattnet långsamt så att tyngre sediment sjunker och oljan stiger. ”Aktiverat Slam” och luftning ger biologisk filtrering. (Faust 1998) aktiverat slam är en syresatt miljö som uppmuntrar tillväxten av saprotrofa bakterier—bakterier som bryter ner organiskt material—och andra organismer som metaboliserar föroreningar. (Mountain Empire Community College 2010) slutligen ger flockning (kemikalier som fäller kolloidala föroreningar), klorering och desinfektion kemisk rening. (Faust 1998) mina biologiska, växtbaserade filter kan ha filtrerat vattnet genom analoga processer. Jag tror att vattnet filtrerades med tre metoder, (1) mekaniskt, av jord, sand och torvmossa, (2) biologiskt, av aktiverade bakterier i vattnet och media, och (3) av växterna själva.

mekanisk filtrering

i landfiltret passerade vatten genom jord, sand och torvmossa. När förorenat vatten går genom jord filtreras oljor, tungmetaller och överskott av näringsämnen mekaniskt och av jordburna organismer som absorberar eller metaboliserar dem. Att tvinga avloppsvattnet att sippra långsamt genom media gav dessa organismer tid att bryta ner eller absorbera olika föroreningar. Sanden kan också ha fungerat som en kornkammare och tagit fasta ämnen ur vattnet. Förutom att filtrera och/eller absorbera föroreningar är torvmossa känt för att mjukna vatten kemiskt eftersom det binder kalcium-och magnesiumjoner och släpper ut garvsyra och gallinsyror i vattnet. Dessa syror riktar sig mot bikarbonater i vatten och minskar karbonathårdheten och pH. (Peteducation.com 2011) detta får mig att tro att torvmossa var huvudagenten för att neutralisera pH och hårdhet. Även om vattenfiltret hade ett sandströ för näckros, gav det förmodligen mindre mekanisk filtrering.

biologisk filtrering

mina biofilter gav sannolikt biologisk filtrering från bakterier som lever i vattnet och tillväxtmedierna. Vattnet luftades när det droppade från pumpen och näringsämnen för bakterier tillhandahölls i den övre jorden och från tvättmedlet, som innehåller föreningar som bakterier konsumerar, såsom fosfater, nitrater och nitrit. När en del av duckweed dog, kan dess växtmaterial ha gett mat till bakterierna. Dessa bakterier spelade sannolikt en viktig roll för att ta bort toxiner från vattnet. Aktiverade slamfilter kan oxidera kolhaltigt material, förvandla ammonium och kväve till biologiska material, ta bort fosfater och absorbera gaser som koldioxid, ammoniak och kväve. (Mountain Empire Community College 2010) de kemiska remsorna visade att koncentrationerna av några av dessa ämnen minskade under hela sju dagarsperioden.

filtrering av växterna

slutligen tror jag att växterna i båda biofiltren spelade en stor roll för att avlägsna fosfater, nitrater, nitrit och ammoniak. Många ämnen som är skadliga för människor och djur bidrar till växttillväxt. Växter kräver ammoniak, fosfater och nitrater, och de flesta syntetiska gödningsmedel (såväl som tvättmedel) innehåller dessa kemikalier. Höga koncentrationer av dessa kemikalier kan dock orsaka att alger eller andra växtarter ”blommar” och stör miljöbalansen och tillräckligt höga koncentrationer kan döda samma växter. Duckweed, mutter Gräs och näckrosor är kända för att absorbera dessa ämnen, och liljekuddar planteras i många dammar för att kontrollera algblomningar. (Peteducation.com 2011) Duckweed expanderar och sprider sig när det får fosfater, liksom vattenliljor. Förutom att absorbera kemikalier som är användbara för dem kan vissa växter ”låsa upp” skadliga ämnen som bly, zink och kadmium, förhindra att de skadar andra arter eller kommer in i grundvattnet. Duckweed har visat sig vara ett otroligt biofilter för att absorbera inte bara fosfor utan också farliga tungmetaller. Det testades av ett team israeliska forskare för att rengöra avloppsvatten från ett kärnkraftverk, som efter att ha passerat genom biofiltret var 99% rent. (Cafe 2011)

slutsatser

mitt experiment visade att växtbaserade, biologiska filter effektivt kan ta bort föroreningar från hushållsavloppsvatten. Medan mitt experiment var begränsat i storlek och varaktighet (och även på grund av svårigheten att få levande växter under vintern) avlägsnade det mätbara mängder viktiga föroreningar. Dessutom verifierade levande exemplar att vattenkvaliteten förbättrades. Jag undersökte exempel på framgångsrika, större biofilterexperiment. Växtbaserade filter är ekonomiska, tillgängliga i mindre utvecklade länder, ekologiskt säkra och producerar inget av buller, lukt och osynlighet i samband med vattenreningsverk. (Logson 2002) ytterligare forskning kan testa effektiviteten hos mer mogna växter, olika växtarter och andra kombinationer av cykelvatten genom flera filter och större filtrering.

datatabeller

landbaserat filter

vattenbaserat filter

Kontrolllösningar

Daphnia

Bibliografi

”Aktivt Slam.”Desinfektion av vatten. Hämtad från World Wide Web den 15 februari 2011. http://water.me.vccs.edu/courses/ENV149/asludge.htm.

” Är Ledande Varumärke Tvättmedel Miljövänliga?”Tvätt Alternativ. Hämtad från World Wide Web den 20 februari 2011. http://www.laundry-alternative.com/detergentsinfo.htm.

Hjärna, Marshall. ”Hur avlopp och septiska system fungerar.”Howstuffworks. Hämtad från World Wide Web den 1 mars 2011. http://home.howstuffworks.com/home-improvement/plumbing/sewer.htm.

Faust, D. Samuel. Kemi för vattenbehandling. Washington, D. C.: Lewis Publishers (CRC Press), 1998.

Fuertes, James H. Vattenfiltrering Fungerar. New York: J. Wiley och söner, 1901.

”Hur Ytaktiva Ämnen Blir Kroppsliga Toxiner.”Brighthub. Hämtad från World Wide Web den 13 mars 2011. http://www.brighthub.com/environment/green-living/articles/17626.aspx#ixzz19uEpotV2.

Logson, Gary.Vattenfiltreringspraxis, inklusive långsamma sandfilter och filtrering före beläggning. Boston: Taylor och Francis Group, 2002.

Marti, Isabel. ”Spektrofotometrisk bestämning av låga nivåer av anjoniska ytaktiva ämnen i vatten genom lösningsmedelsextraktion i ett flödesinsprutningssystem.”RSC Publishing. Hämtad från World Wide Web den 13 februari 2011.
http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/1988/AN/an9881301677.

”fenol hälsa och säkerhet Guide.”IPSC Health and Safety Guide. Hämtad från World Wide Web den 1 mars 2011. http://www.inchem.org/documents/hsg/hsg/hsg88_e.htm.

” giftiga faror med typisk tvätt.”Sixwise.com. hämtad från World Wide Web den 14 mars 2011. http://www.sixwise.com/newsletters/05/07/06/the-toxic-dangers-of-typical-laundry-detergent.htm.

” använda torvmossa för att sänka vattenhårdheten och Ph-nivåerna i dammar.”Pet Education.com. hämtad från World Wide Web den 1 mars 2011. http://www.peteducation.com/article.cfm?c=21+1917&aid=2744.

Vaka, Kenneth. Rent Vatten. New York: Lewis Publishers (CRC Press), 2003.

” vattenväxter som biofilter till förorenande tungmetaller och radioaktiva material.”Ideas Galore. Hämtad från World Wide Web den 14 februari 2011. http://affleap.com/water-plants-as-bio-filters-to-polluting-heavy-metals-and-radioactive-materials/.

Vinter, Ruth. En konsument ’ s Dictionary of hushåll, gård och kontor kemikalier: fullständig Information om skadliga och önskvärda kemikalier som finns i vardagliga hem produkter, gården gifter, och kontor förorenare. Miami: Macmillan Ltd, 2001.

Zoller, Uri. Handbok för tvättmedel. Boca Raton, Florida: Taylor och Francis Group, 2009.