Sistemas de tratamiento con vegetación para eliminar los contaminantes asociados con la toxicidad del agua superficial en la agricultura y el escurrimiento urbano

Resumen

Este artículo resume los atributos de diseño y la eficacia de los sistemas de tratamiento que tratan el agua de lluvia urbana y la escorrentía de riego agrícola para eliminar los pesticidas y otros contaminantes asociados con la toxicidad acuática.

Resumen

Las aguas pluviales urbanas y las escorrentías de riego agrícola contienen una mezcla compleja de contaminantes que a menudo son tóxicos para las aguas receptoras adyacentes. El escurrimiento puede ser tratado con sistemas simples diseñados para promover la sorción de contaminantes a la vegetación y los suelos y promover la infiltración. Se describen dos sistemas de ejemplo: un sistema de tratamiento de bioswale para el tratamiento de aguas pluviales urbanas y una zanja de drenaje de vegetación para el tratamiento de la escorrentía de riego agrícola. Ambos tienen atributos similares que reducen la carga de contaminantes en la escorrentía: vegetación que resulta en sorción de los contaminantes al suelo y las superficies de las plantas, e infiltración de agua. Estos sistemas también pueden incluir la integración de carbón activado granulado como un paso de pulido para eliminar contaminantes residuales. La implementación de estos sistemas en la agricultura y las cuencas hidrográficas urbanas requiere un monitoreo del sistema para verificar la eficacia del tratamiento. Esto incluye la monitorización química de contaminantes específicos responsables de la toxicidad.En el presente documento se hace hincapié en la vigilancia de los plaguicidas de uso corriente, ya que éstos son responsables de la toxicidad de las aguas superficiales de los invertebrados acuáticos.

Introducción

La toxicidad del agua superficial es frecuente en las cuencas hidrográficas de California y décadas de monitoreo han demostrado que la toxicidad es a menudo debido a pesticidas y otros contaminantes ¹ . Las fuentes primarias de contaminación de las aguas superficiales son las aguas pluviales y las escorrentías de riego procedentes de fuentes urbanas y agrícolas. Como los cuerpos de agua se enumeran como degradados debido a contaminantes y la toxicidad se identifica de las fuentes urbanas y agrícolas, los reguladores de la calidad del agua se asocian con fuentes de financiamiento estatales y federales para implementar prácticas para reducir la carga de contaminantes. Se está promoviendo la infraestructura verde en las cuencas urbanas de California para reducir las inundaciones y aumentar la recuperación de las aguas pluviales a través de la infiltración y el almacenamiento. Mientras que los diseños de bajo desarrollo de impacto (LID) están siendo mandados para nuevas construcciones en muchas regiones, pocos estudios han monitoreado la eficacia de estos sistemas más allá de las mediciones de contaminantes convencionales como sólidos disueltos, metales e hidrocarburosBons Recientemente, un monitoreo más intensivo ha evaluado la reducción de las concentraciones químicas y la carga química responsable de la toxicidad de las aguas superficiales, y determinar directamente si las bioswales reducen la toxicidad de las escorrentías. Esto ha demostrado que las bioswales son eficaces para eliminar la toxicidad asociada con algunas clases de contaminantes ² , pero se requiere investigación adicional para los productos químicos emergentes de interés.

Los sistemas de tratamiento con vegetación también se están implementando en las cuencas hidrográficas de la agricultura de California, y se ha demostrado que son eficaces para reducir los pesticidas y otros contaminantes en el riego de la irrigación agrícola ^{3 , 4} . Estos sistemas representan componentes de una serie de enfoques para reducir la carga de contaminantes a las aguas superficiales. Debido a que están destinados a mitigar los contaminantes responsables de la toxicidad de las aguas superficiales, un componente clave del proceso deAsegurar su eficacia a largo plazo. El monitoreo incluye tanto análisis químicos de sustancias químicas de preocupación, como pruebas de toxicidad con especies indicadoras sensibles. Este artículo describe protocolos y resultados de monitoreo para una biosfera urbana de estacionamiento y un sistema de zanja de drenaje vegetativo agrícola.

Los atributos de diseño de un bioswale de estacionamiento típico, como los que se pueden usar para tratar el escurrimiento de tormentas en un área de estacionamiento de uso urbano típico de uso mixto, dependen del área que se está tratando. En el ejemplo descrito aquí, 53.286 pies cuadrados de asfalto crean una superficie impermeable que drena a una corriente, que consiste en 4.683 pies cuadrados de paisajismo. Para acomodar la escorrentía de este área de superficie, un canal con forma de semi-V de fondo plano de 215 pies de largo comprende el vado con una pendiente lateral inferior al 50% y una pendiente longitudinal del 1% ( Figura 1 ). Esta varilla comprende tres capas incluyendo la hierba de racimo nativa plantada en 6 pulgadas de tierra vegetal, layeRojo sobre 2,5 pies de suelos compactados. El agua de las tormentas fluye de las áreas de estacionamiento a múltiples puntos de entrada a lo largo del canal. El agua se infiltra en el área de vegetación, luego penetra en la subrasante y drena en un drenaje perforado de 4 pulgadas. Este sistema drena el agua a través de un sistema conectado a un humedal adyacente que eventualmente drena en un arroyo local.

Protocolo

1. Monitoreo de Eficacia de Bioswale Urbana

1. Muestreo de agua de tormenta
   1. Muestre 4 L de aguas pluviales de pre-tratamiento que salen del estacionamiento al entrar en la entrada de la bioswale, y luego 4 L de agua pluviales post-tratamiento cuando sale de la bioswale a través del drenaje de salida de 4 ".
   2. Usando las predicciones meteorológicas locales, recoja muestras al principio, al medio y al final del hidrograma de la tormenta. Componga las muestras para caracterizar la variabilidad del escurrimiento durante el evento de tormenta.
   3. Recoge las muestras de 1,3 L a mano y compártelas en una botella ámbar de 4 l. Recoja las muestras de entrada en varias aberturas de bordillo donde el agua de tormenta fluye hacia la bioswale.
   4. Recoger muestras de salida de 1,3 L del medidor de flujo conectado al drenaje de salida (descrito a continuación) y combinarlas en una botella ámbar de 4 l.
   5. Guarde las muestras compuestas en hielo hasta que se recoja la muestra hidrográfica final. Luego transportarlos al laboratorio y mantener en un refrIgerator a 4 ° C antes de submuestreo para la química y pruebas de toxicidad. Envíe las muestras al laboratorio de química dentro de las 48 h de la recolección de muestras.
2. Cálculo de carga
   1. Antes de la tormenta, instale un medidor de lluvia digital del registrador de tipping-bucket atándolo a una luz u otro poste adyacente al sitio bioswale. Utilice los datos de lluvia para indicar la precipitación instantánea y total del sitio.
   2. Instale un medidor de flujo de pulso mecánico en los drenajes de salida de la bioswale. Registre el flujo total que sale de la bioswale.
      NOTA: Se supone que la reducción del volumen de escurrimiento reduce la carga global de contaminantes en los diseños de tapas.
   3. Modelar el volumen de agua que cae en la zona de captación del estacionamiento durante el evento de lluvia mediante extrapolación usando las pulgadas de lluvia registradas por el pluviómetro. Utilice estos datos para determinar el volumen que entra en el sistema de tratamiento basado en la superficie del área de estacionamiento.
   4. Utilice el flujo total registrado por tEl medidor de caudal de salida para calcular el porcentaje de infiltración. Calcular la diferencia entre el volumen de entrada y salida para determinar la infiltración de aguas pluviales.
   5. Calcular la carga de contaminantes y los porcentajes de reducción de carga durante la tormenta utilizando el volumen de entrada y salida junto con las mediciones analíticas de contaminantes.
   6. Mida los analitos químicos que son relevantes para la toxicidad de las aguas superficiales (como se analiza a continuación). Grupos químicos totales para simplificar los cálculos de carga y basarse en sus modos de acción tóxicos similares ( p . Ej. , Hidrocarburos aromáticos polinucleares totales [HAP], piretroides totales y fipronil total y degradados).
3. Química
   1. Analizar todas las muestras para los siguientes parámetros: sólidos suspendidos totales (TSS), metales traza (método USEPA 200.8 ⁵ , espectrometría de plasma por inducción combinada [ICP / MS]) y PAH (método USEPA 625 ⁶ ).
   2. Analizar muestras para curreBifentrina, cipermetrina, fenvalerato / esfenvalerato, permetrina, tetrametrina, L-cialotrina, ciflutrina y alletrina), y el fipronil y sus tres degradados primarios (sulfuro de fipronilo, Fipronil sulfona, fipronil desulfinilo).
   3. Analizar los piretroides usando cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC / MS) usando ionización química negativa u otro método apropiado para proporcionar límites de detección adecuados. Dado que la mayoría de los plaguicidas de uso corriente son altamente tóxicos a bajas concentraciones, sus análisis requieren que los bajos límites de información química sean relevantes para la evaluación del riesgo ambiental. El método que establece límites para los piretroides es de 0,5 ng / L a 1,0 ng / L para todos los piretroides excepto permetrina (límite de notificación = 10 ng / L).
   4. Utilice un procedimiento analítico para el fipronil que proporcione un límite de notificación del método de 1,0 ng / L. Los pesticidas organofosforados no necesitan ser medidosDing sobre patrones de uso local, por ejemplo en áreas urbanas en California ^{8 , 9} .
   5. Medir los pesticidas neonicotinoides ( p . Ej. , Imidacloprid) usando cromatografía líquida de ultra rendimiento acoplada a un espectrómetro de masas de cuadrupolo triple, que tiene un límite de reporte para imidacloprid de 50 ng / L.
4. Pruebas de Toxicidad
   1. Realizar pruebas de toxicidad en las muestras compuestas de aguas pluviales de entrada y salida utilizando 3 especies de prueba, siguiendo los protocolos de prueba aguda de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (USEPA) ¹⁰ . La prueba con el cladócero Ceriodaphnia dubia mide la supervivencia después de 96 h. La prueba con el anfípodo Hyalella azteca mide la supervivencia después de 10 días. La prueba con el moscardón Chironomus dilutus mide la supervivencia y el crecimiento después de 10 días.
   2. Realizar pruebas agudas de supervivencia a 96 h con el cladocero C. dubia siguiendo a U.S. Orientación EPA.
      1. Exponga cinco neonatos C. dubia en cada una de las cinco repeticiones de muestras de agua de lluvia de entrada y salida. Los duplicados consisten en viales de centelleo de 20 ml que contienen 15 ml de solución de ensayo.
      2. Alimentar a los recién nacidos una mezcla de levadura, cerófilo, trucha chow (= YCT siguiendo la guía US EPA) y algas Selenastrum 2 h antes de la renovación diaria del 100% de las soluciones de prueba de aguas pluviales. Registre el número total de recién nacidos sobrevivientes diariamente.
      3. Comparar la supervivencia final de C. dubia después de 96 h de exposición a muestras de agua de lluvia de entrada y salida a la supervivencia en agua de control moderadamente dura usando una prueba t. Siga los procedimientos estadísticos recomendados por la EPA.
   3. Llevar a cabo pruebas de supervivencia agudas de 10 días con el anfípodo H. azteca siguiendo la guía de la US EPA.
      1. Se exponen anfípodos de 10, 9 días a 15 días de edad en cada una de las cinco repeticiones. Las réplicas consisten en vasos de precipitados de vidrio de 300 ml que contienen 200 ml de solución de ensayo.
      2. Realizar pruebas de anfípodos durante 10 días, contar el número de anfípodos sobrevivientes diariamente y renovar el 50% de la solución de prueba cada 48 h. Alimentar cada vaso de precipitados cada 48 h con 1,5 mL de YCT después de la renovación.
      3. Comparar la supervivencia final de anfípodos en muestras de aguas pluviales a 10 días de supervivencia en agua de pozo de laboratorio como se describió anteriormente.
   4. Realizar pruebas crónicas de supervivencia y crecimiento de 10 días con el midge C. dilutus siguiendo la guía de la US EPA.
      1. Exponga 12, 7-d animales antiguos en cada uno de los cuatro repeticiones. Los duplicados consisten en recipientes de vidrio de 300 ml que contienen 200 ml de solución de ensayo. Suministre cada recipiente de prueba de midge con 5 mL de arena como sustrato para la construcción de tubos por las larvas.
      2. Realizar pruebas durante 10 días y renovar el 50% de la solución de ensayo cada 48 h cada día con una cantidad creciente de suspensión de pescado (4 g / L), de la siguiente manera: días 0 a 3, 0,5 ml / día; Días 4 a 6, 1,0 ml / día; Días 7 a 10, 1,5 ml / día.
      3. Comparar la supervivencia final yEn muestras de agua de lluvia hasta 10 d de supervivencia en agua de pozo de laboratorio como se describió anteriormente. Medir el crecimiento de los animales supervivientes como peso seco sin cenizas a 10 días en comparación con el peso inicial de los organismos de ensayo.
   5. Para todas las pruebas de toxicidad, mida el oxígeno disuelto, el pH y la conductividad usando medidores y electrodos apropiados. Medir el amoníaco no ionizado utilizando un espectrofotómetro.
      1. Medir la dureza del agua y la alcalinidad al inicio y terminación de las pruebas. ¹⁰
      2. Registre la temperatura del agua con un termómetro de grabación continua.

2. Vigilancia integrada de la eficacia de la zanja de drenaje agrícola con vegetación

1. Construcción integrada de zanjas
   NOTA: La zanja de drenaje agrícola utilizada en el ejemplo actual tiene 152 m de longitud y tiene una anchura de sección transversal de 5 m en la parte superior y 1 m de profundidad. La vegetación de la zanja es una combinación de nEspecies de hierbas activas sembradas principalmente con festuca roja ( Festuca rubra ). En este ejemplo, los ensayos de zanjas vegetativas integradas consistían en carbón activado granulado (GAC) y tratamientos de filtro de compost integrados con la zanja de vegetación.
   1. Construir dos filtros de compost y seis filtros de carbón e instalarlos en tres diferentes secciones de la zanja con vegetación ( Figura 2 ). Use mangas de 2 m de largo y 20 cm de diámetro llenas de carbono o compost.
   2. Llenar seis mangas con 30 L de carbón activado granulado y colocarlas a través de la zanja en el punto de 146 m, cerca del final de 152 m de zanja cubierta de vegetación. Anclar las mangas llenas de GAC a la parte inferior de la zanja con estacas de alambre en el borde de aguas arriba.
   3. Coloque una sección ancha de 2,5 m de largo de tabla de pino en el borde de abajo de cada una de las mangas de GAC.Cine los tableros de pino en los dos lados y la parte inferior del canal para minimizar el agua de bypassing y undercutting las mangas de carbono. ProVide soporte vertical para maximizar el tiempo de contacto con el agua con el carbono.
   4. Llene los manguitos de compost con aproximadamente 15 kg cada uno de residuos de jardín parcialmente descompuesto de cualquier fuente limpia, como un vertedero local. Coloque dos manguitos de compost de 2 m de longitud a lo largo del canal de vegetación a 64 my a 123 m de largo a lo largo de la zanja de vegetación de 152 m ( Figura 2 ).
2. Simulación de escorrentía y muestreo
   NOTA: Este protocolo describe métodos para realizar ensayos simulados de escorrentía agrícola y el monitoreo asociado para evaluar la eficacia del tratamiento usando el sistema de tratamiento vegetativo integrado. En el presente ejemplo, se evaluó el sistema de vegetación-compost-carbono integrado a dos caudales que representaban tasas típicas de descarga fuera de campo de las fincas comerciales en el Valle de Salinas, 3,2 L / s y 6,3 L / s. El plaguicida organofosfato clorpirifos se usó como un pesticida modelo en estos ensayos porque tiene un solubi moderadoY por lo tanto representa el rango medio de solubilidad de plaguicidas representativos comúnmente utilizados en el manejo de plagas. El clorpirifos también es objeto de acciones reguladoras en curso en el centro de California debido a sus impactos en las cuencas hidrográficas de la agricultura. La dosis de clorpirifos objetivo fue de aproximadamente 2.600 ng / L. Las tasas de flujo y las concentraciones de clorpirifos objetivo estuvieron dentro de los rangos previamente medidos en la escorrentía de riego local ^{3 , 11} . El tiempo de residencia hidráulico para un pulso de agua que transita por la zanja cubierta de vegetación no se monitorizó en el ejemplo dado aquí. El tiempo de residencia en estos sistemas varía con la tasa de entrada de agua, el grado de saturación del suelo debido al riego y la lluvia previos, la presencia de estructuras que impiden el flujo como las presas y las cuencas de sedimentación y la superficie cubierta por vegetación. Estudios previos han demostrado tiempos de residencia de varias horas para sistemas de zanjas de pequeñaSalinas Valley ^{3 , 4} . Las observaciones visuales indicaron que el tiempo de residencia para los filtros GAC fue de uno o dos minutos.
   1. Crear escorrentía agrícola simulada utilizando agua subterránea mezclada con sedimento suspendido. Para los ensayos con el plaguicida modelo, clorpirifos, preparar una solución madre fresca de 10 mg / L para cada ensayo de 3,2 L / s añadiendo solución madre certificada a un volumen conocido de agua destilada. Preparar una solución madre de clorpirifos fresca de 20 mg / L para cada ensayo de 6,3 L / s.
      1. Utilice una bomba dosificadora para proporcionar un volumen consistente de solución madre al agua de escorrentía antes de que entre en la entrada de la zanja de tratamiento con vegetación. Utilice la bomba dosificadora para suministrar solución madre a 50 mL / min al flujo de agua de riego simulada.
   2. Controle el caudal de entrada con un medidor digital y utilice estos datos para cuantificar el volumen total de agua de escurrimiento aplicada a la entrada de la zanja.
   3. Construir un vertedero en elE salida de la zanja y aplique esto con un tubo de salida conectado a un medidor de flujo digital. Utilice este medidor para registrar el volumen de escorrentía que sale de la zanja.
   4. Utilice registradores de datos conectados a los medidores digitales para registrar el flujo a intervalos de 5 min. Programar los registradores de datos para activar las bombas peristálticas situadas en la entrada y en diversas estaciones ( por ejemplo , 23 m, 45 m y 68 m) por debajo de la entrada de la zanja para recoger submuestras compuestas de escurrimiento en recipientes de acero inoxidable a intervalos de 5 min.
3. Química
   1. Transfiera muestras compuestas de agua de escurrimiento de ensayos en botellas de vidrio ámbar al final de cada ensayo de escurrimiento y mantenga las muestras en hielo a 4 ° C para toxicidad posterior y análisis químicos.
   2. Analizar las muestras compuestas de sólidos suspendidos totales (TSS) y clorpirifos usando GC-MS o ensayos inmunoenzimáticos (ELISA).
   3. Comparar las muestras compuestas de "entrada" (pretratamiento) con & #34; salida "muestras (post-tratamiento) para evaluar la eficacia del sistema integrado de zanjas para reducir las TSS y las cargas de pesticidas.
4. Pruebas de Toxicidad
   1. Determine la toxicidad de la columna de agua en muestras compuestas de la entrada (pretratamiento) y salida (post-tratamiento) de cada ensayo utilizando 96 h Ensayos de toxicidad de Ceriodaphnia dubia ¹⁰ , como se describió anteriormente para el monitoreo de bioswale. C. dubia es una especie de vigilancia adecuada para la toxicidad de la escorrentía agrícola debido a su sensibilidad a clorpirifos (concentración letal media (LC50) = 53 ng / L ¹² ).

Resultados

Eficacia de Bioswale Urbana

Durante los 18.5 h de la tormenta, 1.52 "de lluvia fue registrada por el pluviómetro, y esto resultó en 50.490 galones de agua que fluye de los estacionamientos en la bioswale.De este volumen total, 5,248 galones fueron registrados por el medidor de flujo de salida , Lo que resultó en una infiltración total del 90% de las aguas pluviales que fluyeron a la bioswale.La bioswale redujo todos los ...

Discusión

Las prácticas descritas en este protocolo están destinadas como pasos finales en una estrategia general para eliminar los contaminantes en el riego agrícola y en la escorrentía de aguas pluviales. El uso de bioswales y otras prácticas de LID de infraestructura verde urbana están pensados ​​como una pieza final del rompecabezas para eliminar los contaminantes en la escorrentía antes de que lleguen a las aguas receptoras adyacentes. Este protocolo enfatiza métodos para monitorear bioswales urbanos para determi...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
HOBO tipping-bucket digital logger rain gauge	Onset Computer Co., Bourne MA, USA)	Onset RG3	Rain gauge
Mechanical geared pulse flow meter	Seametrics Inc., Kent WA	Seametrics MJ-R	Flow meter for measuring bioswale outlet flow
Filtrexx SafteySoxx	Filtrexx Co. - info@filtrexx.com	SafetySoxx	perforated synthetic cloth for granulated activated carbon and compost
Granulated activated carbon	Evoqua - Siemens Corp., Oakland CA	AC380	GAC for agriculture irrigation water treatment
Digital flow meters	Seametrics Inc. Kent WA	Ag2000; WMP101	Flow meters for agriculture irrigation treatment system monitoring
Data Loggers	Campbell Scientific Inc., Logan, UT	CR1000	Data loggers for recording flow data
Peristaltic pumps for composite sampling	Omega Engineering Inc. Stamford CT	Omegaflex FPU-122-12VDC	Pumps for composite sampling