מערכות טיפול צמחי להסרת מזהמים המשויכים לרעלת פני המים בחקלאות ובנוף העירוני

Summary

מאמר זה מסכם את תכונות התכנון ואת האפקטיביות של מערכות הטיפול המטפלות במי גשמים עירוניים ובזרמת השקיה כדי להסיר חומרי הדברה ומזהמים אחרים הקשורים לרעילות מימית.

Abstract

סערה מימית וחקלאות השקייה נגר מכילים תערובת מורכבת של מזהמים, כי הם לעתים קרובות רעילים מים קבלת סמוך. רנוף יכול להיות מטופלים עם מערכות פשוטות שנועדו לקדם ספיגה של מזהמים לצמחייה קרקע ולקדם חדירת. שתי מערכות לדוגמה מתוארות: מערכת טיפול ביו-סוואלית לטיפול בסערה עירונית, ותעלת ניקוז צמחונית לטיפול בחקלאות השקייה בחקלאות. לשניהם תכונות דומות המפחיתות את הטעינה המזהמת בזרם: צמחייה המביאה לקליטת המזהמים למשטחי הקרקע והצמחים וחדירת המים. מערכות אלה עשויות לכלול גם שילוב של פחמן פעיל מגורען כצעד ליטוש להסרת מזהמים שיוריים. יישום של מערכות אלה בחקלאות ו waterheads העירוני דורש ניטור המערכת כדי לאמת יעילות הטיפול. זה כולל ניטור כימי עבור מזהמים ספציפיים האחראים על רעילות.הנייר הנוכחי מדגיש ניטור של חומרי הדברה הנוכחי שכן אלה אחראים על רעילות מים על פני המים חסרי חוליות מימיים.

Introduction

רעילות מים משטח נפוץ בקו פרשת המים בקליפורניה ועשרות שנים של ניטור הראו כי רעילות היא לעתים קרובות עקב חומרי הדברה ומזהמים אחרים ¹ . המקורות העיקריים לזיהום מי התהום הם מי גשמים והשקיה ממקורות עירוניים וחקלאיים. כמו waterbodies המפורטים כפי מושפל בשל מזהמים והרעילות מזוהה ממקורות עירוניים וחקלאיים, ווסתים איכות המים שותף עם המדינה מקורות מימון פדרלי ליישם שיטות כדי להפחית את טעינת מזהמים. תשתיות ירוקות מקודמות בקו פרשת המים העירוני בקליפורניה כדי לצמצם את הצפות ולהגביר את ההתאוששות של מי הסערה דרך חדירת ואחסון. בעוד פיתוחים לפיתוח נמוכה (LID) עיצובים להיות מנדט לבנייה חדשה באזורים רבים, כמה מחקרים יש לפקח על היעילות של מערכות אלה מעבר למדידות של מזהמים קונבנציונליים כמו מוצקים מומסים, מתכות, הידרוקרבונים. ניטור אינטנסיבי יותר העריך באחרונה הפחתות בריכוזים כימיים וטעינה כימית האחראים על רעילות מי התהום, ולקבוע באופן ישיר אם bioswales מפחיתים את הרעילות של נגר. זה הוכיח כי bioswales יעילים על הסרת רעילות הקשורים כמה שיעורים מזהמים ² , אבל מחקר נוסף נדרש כימיקלים מתעוררים של דאגה.

מערכות טיפול צמחי מיושמות גם בקווי מים חקלאיים בקליפורניה, ואלה הוכחו כיעילים בהפחתת חומרי הדברה וזיהומים אחרים בחקלאות ^{3 , 4} . מערכות אלו מייצגות מרכיבים של חבילת גישות להפחתת עומס הזיהום על פני המים. מכיוון שהם נועדו לצמצם את המזהמים האחראים לרעילות פני השטח, מרכיב מרכזי בתהליך הביצוע הוא ניטור ל- eמטפחים את יעילותם בטווח הארוך. הניטור כולל הן ניתוחים כימיים של כימיקלים של דאגה, כמו גם בדיקות רעילות עם מינים אינדיקטורים רגישים. מאמר זה מתאר פרוטוקולים ותוצאות ניטור עבור החניון העירוני bioswale ו תעלה ניקוז חקלאית חקלאית.

תכונות העיצוב של החניון אופייני bioswale, כגון ניתן להשתמש כדי לטפל סופה נגרם באזור מעורב טיפוסי עירוני קניות אזור החנייה תלויה באזור המטופל. בדוגמה המתוארת כאן, 53,286 מטרים רבועים של אספלט ליצור שטח משטח אטום כי מנקז כדי swale, אשר מורכב של 4,683 מטרים רבועים של גינון. כדי להתאים נגר ממאגר זה השטח, 215 מטרים ארוך שטוח קרקעית, חצי בצורת V ערוץ כולל swale עם שיפוע בצד פחות מ 50% ו מדרון אורך של 1% ( איור 1 ). זה swale מורכב משלוש שכבות, כולל דשא חבורה יליד נטוע 6 אינץ 'של שכבת קרקע עליון, שכבתאדום מעל 2.5 מטרים של subgrade דחוס. מים זורמים זורמים מאזורי חניה לנקודות כניסה מרובות לאורך סוואל. המים חודרים לאזור הצומח, ואז מחלחלים את subgrade ו מנקז לתוך ניקוז מחורר 4 אינץ '. מערכת זו מרוקנת מים דרך מערכת plumbed כדי wetland סמוך כי בסופו של דבר מנקז לתוך נחל מקומי.

Protocol

1. עירוני Bioswale ניטור יעילות

1. דגימות מים
   1. מדגם 4 ליטר של סערה לפני הטיפול עוזב את מגרש החניה כאשר הוא חודר את מפרץ הביו-וואלה, ולאחר מכן 4 ליטר של סערה לאחר הטיפול כאשר הוא משאיר את bioswale דרך 4 "מוצא מוצא.
   2. באמצעות תחזיות מזג האוויר המקומי, לאסוף דגימות בתחילת, באמצע, ובסופו של ההידרוגר של הסערה. Composite דגימות לאפיין משתנות נגר במהלך אירוע הסערה.
   3. איסוף 1.3 L דגימות ביד ו מרוכבים אותם בקבוק 4 אמבר L. איסוף דגימות מפרצון בכמה פתחי המדרכה שבו מים הסערה זורם לתוך bioswale.
   4. איסוף 1.3 L דגימות מוצא מד זרימה המצורפת לשקע מוצא (המתואר להלן) ומרכיב אותם בבקבוק 4 ליטר L.
   5. חנות דגימות composited על הקרח עד המדגם הסופי hydrograph נאסף. ואז להעביר אותם למעבדה להחזיק ב refrIgerator ב 4 מעלות צלזיוס לפני subsampling לכימיה בדיקות רעילות. משלוח דגימות למעבדה לכימיה בתוך 48 שעות אוסף המדגם.
2. טען את החישוב
   1. לפני הסערה, להתקין מד הדליקה דיגיטלית מדגר לוגר על ידי הצמדת אותו אור או מוט אחרים הסמוכים לאתר bioswale. השתמש בנתוני הגשם כדי לציין גשמים מיידיים וסופיים עבור האתר.
   2. התקן מד זרימה מכנית מונעת על יציאות מוצא של bioswale. הקלטת סך זרימת היציאה bioswale.
      הערה: הפחתת נפח הנגר משוער כדי להפחית את הטעינה הכוללת של מזהמים בתכשיטי LID.
   3. דגם נפח של מים נופלים על שטח החנייה שטח אגירה במהלך אירוע הגשם על ידי חיוץ באמצעות אינץ 'של גשם נרשם על ידי מד הגשם. השתמש בנתונים אלה כדי לקבוע את עוצמת הקול נכנס למערכת הטיפול על בסיס שטח מגרש החניה.
   4. השתמש בזרימה הכוללת שנרשמה על ידי tהוא לשפוך מטר מטר לחשב אחוז חדירה. לחשב את ההבדל בין נפח מוצא מוצא כדי לקבוע הסתננות stormwater.
   5. חישוב טמפרטורת העמסה והפחתת אחוזי הטעינה במהלך הסערה באמצעות כניסת מפרצון ונפח יציאה יחד עם מדידות אנליטיות מזהמות.
   6. למדוד כימי כי הם רלוונטיים מים רעילות מים (כפי שפורט להלן). סך הכל קבוצות כימיות כדי לפשט חישובי עומס ובסיס על דפוסי פעולה רעילים דומים שלהם ( למשל , פחמימנים ארומטיים פולימריים כלליים [PAHs], סך הכל pyrethroids, ו fipronil הכולל ו degradates).
3. כִּימִיָה
   1. לנתח את כל הדגימות עבור הפרמטרים הבאים: מוצקים מושעה סך (TSS), מתכות עקבות (שיטה USEPA 200.8 ⁵ ; ספקטרומטריית מסה פלזמה מצמידים אינדוקטיבית [ICP / MS]), ו PAHs (שיטת USEPA 625 ⁶ ).
   2. לנתח דגימות עבור curreNP-use חומרי הדברה עירוניים, כולל 9 pyrethroids (שיטה USEPA SW846 8270 שונה ⁷ , bifenthrin, cypermethrin, fenvalerate / esfenvalerate, permethrin, tetramethrin, L- cyhalothrin, cyfluthrin, ו Allethrin), ו fipronil ושלוש השפלות העיקרי שלה (גופרית fipronil, Fipronil sulfone, fipronil desulfinyl).
   3. ניתוח פייתרואידים באמצעות גז כרומטוגרפיה-ספקטרומטריית מסה (GC / MS) באמצעות יינון כימי שלילי או שיטה מתאימה אחרת כדי לספק מגבלות גילוי נאותה. מאחר שרוב חומרי ההדברה הקיימים כיום הם רעילים ביותר בריכוזים נמוכים, הניתוח שלהם דורש מגבלות דיווח כימיות נמוכות כדי להיות רלוונטי להערכת סיכונים סביבתיים. שיטת הדיווח גבולות עבור pyrethroids הם מ 0.5 ng / L ל 1.0 ng / L עבור כל pyrethroids למעט permethrin (דיווח מגבלה = 10 ng / L).
   4. השתמש פרוצדורה אנליטית עבור fipronil המספק שיטה דיווח מגבלה של 1.0 ng / L. חומרי הדברה Organophosphate לא צריך להיות נמדד depenדינג על דפוסי השימוש המקומי למשל באזורים עירוניים בקליפורניה ^{8 , 9} .
   5. מדדי חומרי הדברה neonicotinoid ( למשל , imidacloprid) באמצעות כרומטוגרפיה נוזלית ביצועים אולטרה יחד עם ספקטרומטר מסה משולש quadrupole, אשר יש גבול הדיווח imidacloprid של 50 ng / L.
4. בדיקת רעילות
   1. ביצוע בדיקות רעילות על מפרצון כניסה דגימות stormwater המים באמצעות 3 מינים הבדיקה, בעקבות שינוי הסוכנות להגנת הסביבה בארה"ב (USEPA) פרוטוקולים בדיקה חריפה ¹⁰ . הבדיקה עם cladoceran Ceriodaphnia dubia אמצעים הישרדות לאחר 96 שעות. הבדיקה עם Amphipod Hyalella Azteca אמצעים הישרדות לאחר 10 ימים. הבדיקה עם הכבד Chironomus dilutus מודד הישרדות וצמיחה לאחר 10 ימים.
   2. ביצוע בדיקות הישרדות אקוטיות 96 שעות עם Cladoceran C. dubia בעקבות U.הדרכה E EPA.
      1. לחשוף חמישה ג דוביה dubia בכל אחד מחמש משכפל של דגימות מפרצון מוצא מוצא. משכפל מורכב של 20 מ"ל בקבוקונים scintillation המכיל 15 מ"ל של פתרון הבדיקה.
      2. להאכיל neonates תערובת של שמרים, cerophyll, פורל chow (= YCT, בעקבות ארה"ב EPA הדרכה) ו Selenastrum אצות 2 שעות לפני חידוש 100% מדי יום של פתרונות הבדיקה stormwater. מספר שיא של יילודים שורדים מדי יום.
      3. השווה הסופי C. dubia הישרדות לאחר 96 שעות חשיפה מפרצון מוצא מוצא דגימות להישרדות במים שליטה קשה בינוני באמצעות מבחן t. בצע את ההליכים הסטטיסטיים המומלצים על ידי EPA בארה"ב.
   3. בצע בדיקות אקוטי של 10 ד 'עם amphipod H. Azteca בעקבות הנחיות EPA בארה"ב.
      1. לחשוף 10, 9 ימים עד 15 יום amphipods בכל אחד מחמש משכפל. משכפל מורכב של 300 מ"ל כוסות זכוכית המכיל 200 מ"ל של פתרון הבדיקה.
      2. לבצע בדיקות amphipod במשך 10 ימים, לספור את מספר amphipods ששרדו מדי יום, ולחדש 50% של פתרון הבדיקה כל 48 שעות. להאכיל כל כוס כל 48 שעות עם 1.5 מ"ל של YCT לאחר ההתחדשות.
      3. השווה הישרדות הסופי של amphipods בדגימות סערה להישרדות 10 ימים במים מעבדה היטב כמתואר לעיל.
   4. התנהגות כרונית 10 d הישרדות ובדיקות גדילה עם M דיג C. dilutus בעקבות הנחיות EPA בארה"ב.
      1. לחשוף 12, 7-D בעלי חיים ישנים בכל אחד משכפל ארבעה. משכפל מורכב של 300 כוסות זכוכית מ"ל המכיל 200 מ"ל של פתרון הבדיקה. אספקת כל מיכל מבחן מייד עם 5 מ"ל של חול כמו המצע לבניית צינור על ידי הזחלים.
      2. ביצוע בדיקות עבור 10 ד, ולחדש 50% של פתרון הבדיקה כל 48 שעות עבור כל כוס מדי יום עם כמות הולכת וגדלה של מזון slurry (4 גרם / L), כדלקמן: ימים 0 עד 3, 0.5 מ"ל / יום; ימים 4 עד 6, 1.0 מ"ל / יום; ימים 7 עד 10, 1.5 מ"ל / יום.
      3. השווה הישרדות הסופיצמיחה דגימות סערה להישרדות 10-D במים מעבדה היטב כמתואר לעיל. למדוד את הגידול של חיות ששרדו כמו אפר ללא משקל יבש ב 10 ד לעומת המשקל ההתחלתי של אורגניזמים הבדיקה.
   5. עבור כל בדיקות הרעילות, למדוד חמצן מומס, pH, ומוליכות באמצעות מטרים מתאימים ואלקטרודות. מדוד אמוניה בלתי מיונן באמצעות ספקטרופוטומטר.
      1. למדוד את קשיות המים ואת אלקליניטי ב תחילת וסיום בדיקות. ¹⁰
      2. הקלטת טמפרטורת מים עם מדחום הקלטה מתמשך.

2. משולב ניטור חקלאי צמחי תעלה ניטור יעילות

1. בניה משולבת של תעלות
   הערה: תעלת ניקוז חקלאית המשמשת בדוגמה הנוכחית היא 152 מ 'אורך ויש לה רוחב חצי רוחב בצורת חצי רוחב של 5 מ' בחלק העליון ועומק 1 מ '. הצמחייה היא שילוב של nמינים דשא עתיקים בעיקר seeded עם אדום fescue ( Festuca rubra ). בדוגמה זו, ניסויים משולבים בגידולים צמחיים מורכבים מטיפולי פחמן פעיל (GAC) וממסנן קומפוסט המשולבים בתעלה הצומח.
   1. לבנות שני מסננים קומפוסט שישה מסנני פחמן ולהתקין אותם בשלושה חלקים שונים של תעלה צמחונית ( איור 2 ). השתמש 2 מ 'אורך 20 ס"מ קוטר שרוולים מלאים או פחמן או קומפוסט.
   2. ממלאים שישה שרוולים עם 30 ליטר של פחמן מופעל מגורען ומניחים אותם על פני התעלה בנקודת 146 מ ', סמוך לקצה של 152 מ' תעלה צמחונית. עגן את שרוולי GAC המלאים לתחתית התעלה עם נתחי תיל על קצה הזרם.
   3. מקמו את החלקים הארוכים באורך של 2.5 מ 'על פני השוליים של כל אחד משרוולי ה- GAC, חפרו את לוחות האורן לתוך שני הצדדים והתחתון של הערוץ כדי למזער את עקיפת המים והקטנת שרוולי הפחמן. מִקצוֹעָןVide תמיכה אנכית כדי למקסם את הזמן מגע במים עם פחמן.
   4. ממלאים את שרוולי הקומפוסט עם כ -15 ק"ג כל אחד מפסולת חצר מפורקת חלקית מכל מקור נקי, כגון מטמנה מקומית. מיקום שני שני שרוולים קומפוסט ארוך לאורך התעלה הצמחייה ב 64 מ 'ו 123 מ' לאורך התעלה הצמחייה 152 מ '( איור 2 ).
2. הדמיה סימולציה ודגימה
   הערה: פרוטוקול זה מתאר שיטות לביצוע ניסויי ניסוי חקלאיים מדומים וניטור משויך על מנת להעריך את יעילות הטיפול באמצעות מערכת הטיפול המשולב. בדוגמה הנוכחית, מערכת משולבת קומפוסט פחמן מוערך בשני שיעורי זרימה המייצג שיעורי טיפוסית מחוץ שדה פריקה מן חוות מסחריות בעמק סאלינאס, 3.2 L / s ו 6.3 L / s. הדברה אורגנופאטורה chlorpyrifos שימש הדברה מודל בניסויים אלה כי יש לו סולובי בינוניLity, ולכן מייצג את אמצע טווח של מסיסות של חומרי הדברה נציג נפוץ ניהול הדברה. Chlorpyrifos הוא גם הנושא של פעולות רגולטוריות מתמשך במרכז קליפורניה בגלל ההשפעות שלה על פרשת המים החקלאות. היעד chlorpyrifos מינון היה כ 2,600 ng / L. שיעורי תזרים וריכוזים chlorpyrifos היעד היו בטווחי נמדד בעבר המקומי להשקיה נגר ^{3 , 11} . זמן המגורים ההידראולי עבור דופק של מים העוברים את התעלה הצומח לא היה פיקוח בדוגמה שניתנה כאן. זמן המגורים במערכות אלה משתנה עם קצב כניסת המים, מידת רוויה הקרקע עקב השקיה וגשם קודמים, נוכחות של מבנים כדי לעכב את זרימתם כגון ווארים ואגני שקיעה, ואת כמות השטח המכוסה על ידי צמחייה. מחקרים קודמים הוכיחו פעמים מגורים של מספר שעות עבור מערכות תעלה בקנה מידה קטןעמק סאלינאס ^{3 , 4} . תצפיות חזותיות הצביעו על זמן המגורים של מסנני GAC במשך דקה או שתיים.
   1. צור נגר מים חקלאיים מדומים באמצעות מי תהום מעורבב עם משקעים תלויים. עבור ניסויים עם הדברה מודל, chlorpyrifos, להכין פתרון מלאי טרי של 10 מ"ג / L עבור כל 3.2 L / S המשפט על ידי הוספת פתרון מלאי מוסמך נפח ידוע של מים מזוקקים. הכן פתרון מלאי chlorpyrifos טרי של 20 מ"ג / L עבור כל 6.3 L / s המשפט.
      1. השתמש במשאבת מדידה כדי לספק נפח עקבי של פתרון המניות למים נגר לפני שהוא נכנס הכניסה תעלה הצמח הכניסה. השתמש במשאבת המדידה כדי לספק פתרון מלאי ב 50 מ"ל / דקה לזרימה של מים השקיה מדומה.
   2. לפקח על קצב הזרימה מפרץ עם מטר דיגיטלי ולהשתמש בנתונים אלה כדי לכמת את נפח כולל של מי נגר נגרמו על פתח התעלה.
   3. לבנות סכר בE outlet של תעלה ו plumb זה עם צינור מוצא מחובר מד זרימה דיגיטלית. השתמש מטר זה כדי להקליט את עוצמת הנחל היציאה התעלה.
   4. השתמש נתונים loggers מחובר מטר דיגיטלי כדי להקליט זרימת במרווחי 5 דקות. תכנן את חוטבי הנתונים כדי להפעיל משאבות peristaltic הממוקם במפרץ ובתחנות שונות ( למשל , 23 מ ', 45 מ' ו -68 מ ') מתחת למפרק התעלה כדי לאסוף תת-מימדים מרוכבים של מי נגר לתוך מיכלי נירוסטה במרווחים של 5 דקות.
3. כִּימִיָה
   1. העברת דגימות מרוכבים של מים נגר ממחקרים לתוך בקבוקי זכוכית אמבר בסוף כל ניסוי משפט ולשמור על דגימות על קרח ב 4 מעלות צלזיוס עבור רעילות מאוחר יותר וניתוחים כימיים.
   2. ניתוח דגימות מרוכבים עבור מוצקים מושעה סך (TSS), ו chlorpyrifos באמצעות GC-MS או אנזים מקושרים מבחני immunosorbent (ELISA).
   3. השווה "מפרצון" דגימות מרוכבים (טרום טיפול) כדי & #34 ", מוצא" דגימות מרוכבות (לאחר הטיפול) כדי להעריך את היעילות של מערכת תעלת משולבת כדי להפחית את ה- TSS ואת חומרי הדברה.
4. בדיקת רעילות
   1. קביעת רעילות עמודה מים היה בדגימות מרוכבים מן הכניסה (טרום טיפול) ו לשקע (לאחר הטיפול) של כל ניסוי באמצעות 96 שעות Ceriodaphnia dubia בדיקות רעילות ¹⁰ , כמתואר לעיל עבור ניטור bioswale. C. dubia הוא מין ניטור מתאים לזיהום רעל חקלאי בשל רגישותו ל- chlorpyrifos (ריכוז קטלני חציוני (LC50) = 53 ng / L ¹² ).

תוצאות

יעילות Bioswale עירוני

במהלך 18.5 השעה של הסערה נרשמה ירידה של 1.52 "מטר גשם על ידי מד הגשם, וזו גרמה ל - 50,490 ליטרים של מים שזרמו ממגרשי החניה אל תוך הביו - וואס, מתוך נפח כולל זה, 5,248 גלונים נרשמו על ידי מד...

Discussion

שיטות העבודה המתוארות בפרוטוקול זה נועדו כצעדים סופיים באסטרטגיה כוללת להסרת מזהמים בהשקיה החקלאית וסופות מי גשם. השימוש bioswales ועוד ירוק עירוני תשתיות LID פרקטיקות נועדו כמו חתיכת הסופי של הפאזל כדי להסיר מזהמים נגר לפני שהם מגיעים המים הסמוכים. פרוטוקול זה מדגיש שיט...

Materials

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