Sistemi di trattamento vegetale per la rimozione dei contaminanti associati alla tossicità dell'acqua superficiale nell'agricoltura e nella rottura urbana

Riepilogo

Questo articolo riassume gli attributi di progettazione e l'efficacia dei sistemi di trattamento che trattano le acque di scarico urbane e l'irrigazione dell'agricoltura per rimuovere i pesticidi e altri contaminanti associati alla tossicità acquatica.

Abstract

L'acqua di stormwater urbana e l'irrigazione dell'agricoltura contengono una miscela complessa di contaminanti che sono spesso tossici per le acque riceventi adiacenti. La rottura può essere trattata con semplici sistemi atti a promuovere la assorbimento di contaminanti alla vegetazione e ai suoli e promuovere l'infiltrazione. Sono descritti due sistemi di esempio: un sistema di trattamento bioswale per il trattamento urbano delle acque piovane e un fossato di drenaggio vegetale per il trattamento delle scorie di irrigazione agricole. Entrambi hanno attributi simili che riducono il carico di contaminanti nel vento: la vegetazione che provoca la sorpazione dei contaminanti nei suoli e sulle superfici delle piante e nell'infiltrazione dell'acqua. Questi sistemi possono anche includere l'integrazione del carbonio attivato granulato come fase di lucidatura per rimuovere contaminanti residui. L'attuazione di questi sistemi nell'agricoltura e nelle acque urbane richiede un monitoraggio del sistema per verificare l'efficacia del trattamento. Ciò comprende il monitoraggio chimico per contaminanti specifici responsabili della tossicità.La presente carta sottolinea il monitoraggio dei pesticidi attualmente in uso, poiché questi sono responsabili della tossicità dell'acqua superficiale per gli invertebrati acquatici.

Introduzione

La tossicità dell'acqua superficiale è prevalente negli spartiacque della California e decenni di monitoraggio hanno dimostrato che la tossicità è spesso dovuta a pesticidi e ad altri contaminanti ¹ . Le fonti primarie di contaminazione delle acque superficiali sono acqua di scarico e irrigazione da fonti urbane e agricole. Poiché i waterbodies sono classificati come degradati a causa di contaminanti e la tossicità è identificata da fonti urbane e agricole, i regolatori di qualità dell'acqua collaborano con fonti di finanziamento statali e federali per attuare pratiche per ridurre il carico di contaminanti. Le infrastrutture verdi sono state promosse negli spartiacque urbane della California per ridurre le inondazioni e aumentare il recupero delle acque piovane attraverso l'infiltrazione e lo stoccaggio. Mentre i progetti di sviluppo a basso impatto (LID) sono stati mandati per la nuova costruzione in molte regioni, pochi studi hanno monitorato l'efficacia di questi sistemi oltre le misurazioni dei contaminanti convenzionali come solidi disidratati, metalli e idrocarburibons. Il monitoraggio più intenso ha recentemente valutato le riduzioni delle concentrazioni chimiche e del carico chimico responsabili della tossicità dell'acqua superficiale e di determinare direttamente se le bioswalle riducono la tossicità dei liquidi. Ciò ha dimostrato che le bioswalle sono efficaci nella rimozione della tossicità associata a alcune classi contaminanti ² , ma sono necessarie ulteriori ricerche per i prodotti chimici emergenti di preoccupazione.

Anche i sistemi di trattamento vegetale sono stati attuati negli spartiacque agricoli della California, e sono stati dimostrati efficaci nella riduzione degli antiparassitari e di altri contaminanti nell'erogazione dell'irrigazione agricola ^{3 , 4} . Questi sistemi rappresentano componenti di una serie di approcci per ridurre il carico di contaminanti nelle acque superficiali. Poiché sono intesi per mitigare i contaminanti responsabili della tossicità dell'acqua superficiale, una componente chiave del processo di attuazione è il monitoraggio a eNsure la loro efficacia a lungo termine. Il monitoraggio comprende sia analisi chimiche di sostanze chimiche preoccupanti, sia test di tossicità con specie di indicatori sensibili. Questo articolo descrive i protocolli e i risultati di monitoraggio per un bioswale di parcheggio urbano e un sistema di fossa vegetale a drenaggio vegetale.

Gli attributi progettuali di un bioswale tipico del parcheggio, come possono essere utilizzati per il trattamento di scoppio di tempesta in un tipico parcheggio di acquisto urbano a uso misto, dipendono dalla zona da trattare. Nell'esempio qui descritto, 53.286 metri quadrati di asfalto creano una superficie superficiale impermeabile che scava ad una falda, che consiste di 4.683 metri quadrati di paesaggio. Per soddisfare i deflussi di questa superficie, un canale a forma di semi-V a pianta larga da 215 piedi comprende la rondella con pendenza laterale inferiore al 50% e pendenza longitudinale dell'1% ( Figura 1 ). Questa riva comprende tre strati, tra cui erba di erba nativa piantata in 6 pollici di terriccio, layeRosso sopra 2,5 piedi di sottofondo compattato. L'acqua della tempesta scorre dalle aree di parcheggio a più punti di ingresso lungo la riva. L'acqua infiltra l'area vegetale, quindi permea il sottosuolo e scava in un drenaggio perforato da 4 pollici. Questo sistema drena l'acqua attraverso un sistema plumbed in una zona umida adiacente che alla fine scaturisce in un torrente locale.

Protocollo

1. Monitoraggio dell'efficacia Urban Bioswale

1. Campionamento dell'acqua di tempesta
   1. Esemplare 4 L di pre-trattamento acqua di stormo lasciando il parcheggio mentre entra nell'entrata bioswale e poi 4 L di post-trattamento acque di scarico come lascia il bioswale attraverso il 4 "scarico di scarico.
   2. Utilizzando previsioni meteorologiche locali, raccogliete campioni all'inizio, al centro e alla fine dell'idrografia della tempesta. Composizione dei campioni per caratterizzare la variabilità del deflusso durante l'evento della tempesta.
   3. Raccogliete manualmente i campioni da 1.3 L e li composti in una bottiglia ambra da 4 L. Raccogliere i campioni di entrata a diverse aperture del fodero dove l'acqua di tempesta scorre nel bioswale.
   4. Raccogliere i campioni di uscita da 1,3 L dal misuratore di portata collegato al condotto di scarico (descritto di seguito) e li compongono in una bottiglia ambra da 4 L.
   5. Conservare i campioni compositi sul ghiaccio fino a raccogliere il campione idrografico finale. Quindi trasportali al laboratorio e tenetelo in un refrIgeratore a 4 ° C prima della sottomissione per la chimica e la prova di tossicità. Esemplare la nave al laboratorio di chimica entro 48 ore dalla raccolta dei campioni.
2. Calcolo del carico
   1. Prima della tempesta, installare un misuratore di pioggia digitale di logger digitale, collegandolo ad una luce o ad un altro polo adiacente al sito bioswale. Utilizzare i dati pioggia per indicare la precipitazione istantanea e totale per il sito.
   2. Installare un misuratore di portata impulso meccanico sui condotti di scarico del bioswale. Record il flusso totale che esce dal bioswale.
      NOTA: La riduzione del volume di scoppio è presumibile per ridurre il carico complessivo di contaminanti nei disegni LID.
   3. Modella il volume d'acqua che cade sul bacino del parcheggio durante l'evento di pioggia mediante l'estrapolazione usando i pollici della pioggia registrata dal manometro. Utilizzare questi dati per determinare il volume che entra nel sistema di trattamento in base alla superficie del parcheggio.
   4. Utilizzare il flusso totale registrato da tIl flussometro di uscita per calcolare la percentuale di infiltrazione. Calcolare la differenza tra il volume di entrata e uscita per determinare l'infiltrazione delle acque di scarico.
   5. Calcola le percentuali di carico e percentuale di riduzione del carico durante la tempesta usando il volume di ingresso e uscita in combinazione con le misurazioni analitiche dei contaminanti.
   6. Misurare gli analiti chimici rilevanti per la tossicità dell'acqua superficiale (come discusso di seguito). Totale gruppi chimici per semplificare i calcoli di carico e basarsi sulle loro modalità tossiche simili ( ad esempio , idrocarburi aromatici polinuclei totali [PAHs], piretroidi totali e fipronil totale e degradano).
3. Chimica
   1. Analizzare tutti i campioni per i seguenti parametri: solidi sospesi totali (TSS), metodi in traccia (metodo USEPA 200.8 ⁵ , spettrometria di massa plasmatica-massa accoppiata induttivamente [ICP / MS]) e PAHs (USEPA method 625 ⁶ ).
   2. Analizzare i campioni per curre(Fenifatriina, fenvalerato / esfenvalerato, permetrina, tetrametrina, L-cyhalothrin, ciflutrina e alletrina) e fipronil e i suoi tre degradati primari (fipronil sulfide, Fipronil sulfone, fipronil desulfinil).
   3. Analizzare i piretroidi usando la spettrometria di massa a gas cromatografica (GC / MS) utilizzando ionizzazione chimica negativa o altro metodo appropriato per fornire limiti di rilevamento adeguati. Poiché la maggior parte degli antiparassitari attualmente in uso è altamente tossica a basse concentrazioni, le loro analisi richiedono che i limiti di segnalazione chimica bassi siano rilevanti per la valutazione del rischio ambientale. I limiti di segnalazione del metodo per i piretroidi sono da 0,5 ng / L a 1,0 ng / L per tutti i piretroidi tranne permethrin (limite di segnalazione = 10 ng / L).
   4. Utilizzare una procedura analitica per il fipronil che fornisce un limite di reporting del metodo di 1,0 ng / L. I pesticidi di organofosfato non devono essere misuratiPer esempio nelle aree urbane della California ^{8 , 9} .
   5. Misurare i pesticidi di neonicotinoidi ( ad esempio , imidacloprid) utilizzando cromatografia liquida di ultrasuoni accoppiata ad un triplo quadrupolo di spettrometro di massa, che ha un limite di segnalazione per imidacloprid di 50 ng / L.
4. Test di tossicità
   1. Eseguire test di tossicità sui campioni di acqua di stormwater di entrata e uscita in composito usando 3 specie di test, seguendo i protocolli di test acuti degli US US Environmental Protection Agency (USEPA) ¹⁰ . Il test con la Ceriodaphnia dubia cladocerana misura la sopravvivenza dopo 96 h. La prova con l'amphipod Hyalella azteca misura la sopravvivenza dopo 10 giorni. La prova con il ciglio Chironomus diluto misura la sopravvivenza e la crescita dopo 10 giorni.
   2. Condurre test acustici di sopravvivenza a 96 ore con la cladoceran C. dubia seguita da U.S. EPA guida.
      1. Esporre cinque neonati di C. dubia in ognuno dei cinque replicati di campioni di acqua di scarico in entrata e uscita. I replicati sono costituiti da fiale da 20 ml di scintillazione contenenti 15 ml di soluzione di prova.
      2. Alimenta i neonati una miscela di lievito, cero, trota chow (= YCT; seguendo le istruzioni US EPA) e alghe Selenastrum 2 ore prima del rinnovo 100% giornaliero delle soluzioni di test delle tempeste. Registrare il numero totale di neonati sopravvissuti ogni giorno.
      3. Confronta la sopravvivenza finale di C. dubia dopo 96 ore di esposizione ai campioni di acqua di scarico in entrata e uscita per sopravvivere in acqua di controllo moderatamente dura usando un t-test. Seguire le procedure statistiche raccomandate dagli US EPA.
   3. Eseguire test acustici di sopravvivenza da 10 d con l'amphipod H. azteca seguendo la guida US EPA.
      1. Esporre 10, 9 giorni a 15 giorni di anfipodi vecchi in ognuno dei cinque replicati. I replicati sono costituiti da bicchieri di vetro da 300 ml contenenti 200 ml di soluzione di prova.
      2. Effettuare test di amfipodi per 10 giorni, contare il numero di anfipodi sopravvissuti quotidianamente e rinnovare il 50% della soluzione di prova ogni 48 ore. Inserire ogni becher ogni 48 h con 1,5 ml di YCT dopo il rinnovo.
      3. Confronta la sopravvivenza finale degli anfipodi nei campioni di acqua di stormo fino a 10 giorni di sopravvivenza nell'acqua del laboratorio come descritto in precedenza.
   4. Condurre test cronici di 10 giorni di sopravvivenza e di crescita con il diluizione del C. midge seguendo le istruzioni della US EPA.
      1. Esporre gli animali di 12, 7-d in ognuno dei quattro replicati. I replicati sono costituiti da 300 ml di bicchieri di vetro contenenti 200 ml di soluzione di prova. Fornire ogni contenitore di prova di sbavature con 5 ml di sabbia come substrato per la costruzione di tubi da parte delle larve.
      2. Eseguire i test per 10 giorni e rinnovare il 50% della soluzione di prova ogni 48 ore per ciascun bicchiere ogni giorno con una quantità crescente di liquame da pesce (4 g / l), come segue: giorni da 0 a 3, 0,5 mL / die; Giorni da 4 a 6, 1,0 mL / giorno; Giorni da 7 a 10, 1,5 mL / giorno.
      3. Confronta la sopravvivenza finale eLa crescita in campioni di acqua di stoccaggio fino alla sopravvivenza di 10 giorni in acqua di laboratorio e acqua come descritto in precedenza. Misurare la crescita degli animali sopravvissuti come peso secco senza cenere a 10 d rispetto al peso iniziale degli organismi sperimentali.
   5. Per tutte le prove di tossicità, misurare l'ossigeno disciolto, il pH e la conducibilità utilizzando misuratori e elettrodi adeguati. Misurare l'ammoniaca non ionizzata usando uno spettrofotometro.
      1. Misurare la durezza dell'acqua e l'alcalinità all'avvio e alla conclusione dei test. ¹⁰
      2. Registrare la temperatura dell'acqua con un termometro di registrazione continuo.

2. Monitoraggio dell'efficacia del dotto di drenaggio agricolo vegetale integrato

1. Costruzione integrata del fosso
   NOTA: Il fosso di drenaggio agricolo utilizzato nell'esempio corrente è lungo 152 m ed ha una larghezza sezione trasversale a sezione semi-V di 5 m in profondità e 1 m di profondità. La vegetazione del fosso è una combinazione di nSpecie di erba ativata, principalmente coltivata con la fauna rossa ( Festuca rubra ). In questo esempio, i processi di foschia vegetativa integrata erano costituiti da trattamenti di carbone attivo granulato (GAC) e di filtri composti integrati con il fosso vegetato.
   1. Costruire due filtri compost e sei filtri a carbonio e installarli in tre diverse sezioni del fosso vegetato ( Figura 2 ). Utilizzate 2 manie lunghe di 20 cm di diametro riempite di carbonio o compost.
   2. Riempire sei manicotti con 30 L di carbone attivo granulato e posizionarli attraverso il fosso al punto 146 m, vicino alla fine di 152 m di fossa vegetale. Ancorare i manicotti pieni di GAC al fondo del fosso con pali di filo sul bordo a monte.
   3. Posizionare una sezione larga lunga 2,5 m di bordo di pino sul bordo a valle di ciascuna delle maniche GAC. Scavare i bordi di pino nei due lati e sul fondo del canale per minimizzare l'acqua bypassando e sottostando i manicotti di carbonio. professionistaVedere il supporto verticale per massimizzare il tempo di contatto con il carbonio.
   4. Riempire i manicotti compost con circa 15 kg ciascuno dei rifiuti parzialmente decomposti da qualsiasi sorgente pulita, ad esempio una discarica locale. Posizionare due manicotti compostati lungo 2 m lungo il canale vegetale a 64 m e a 123 m lungo la lunghezza del fossato vegetale 152 m ( Figura 2 ).
2. Simulazione di routing e campionamento
   NOTA: Questo protocollo descrive metodi per condurre sperimentazioni sperimentali simulate di scorie e monitoraggio associato per valutare l'efficacia del trattamento utilizzando il sistema di trattamento vegetativo integrato. Nell'esempio corrente il sistema integrato vegetale-compost-carbonio è stato valutato a due portate che rappresentavano tassi tipici di fuori campo di scarico da aziende commerciali nella valle Salinas, 3,2 L / s e 6,3 L / s. Il clorpirifoso del pesticida organofosfato è stato usato come pesticida modello in questi trial perché ha un moderato solubiE quindi rappresenta la media gamma di solubilità dei pesticidi rappresentativi comunemente utilizzati nella gestione dei parassiti. Il clorpirifosco è anche oggetto di azioni regolamentari in corso nella California centrale a causa dei suoi impatti sulle acque di scarico agricole. La dose di clorpirifos destinata è stata di circa 2.600 ng / L. Le percentuali di flusso e le concentrazioni di clorpirifosi target sono state entro i limiti precedentemente misurati nello scarico locale dell'irrigazione ^{3 , 11} . Il tempo di soggiorno idraulico per un impulso di acqua che attraversa il fosso vegetato non è stato monitorato nell'esempio qui riportato. Il tempo di permanenza in questi sistemi varia con il tasso di afflusso dell'acqua, il grado di saturazione del suolo a causa dell'irrigazione e della pioggia precedenti, la presenza di strutture per ostacolare il flusso, come i giacimenti e i bacini di sedimentazione e la quantità di superficie coperta dalla vegetazione. Studi precedenti hanno dimostrato tempi di permanenza di parecchie ore per i piccoli sistemi di fossa nelSalinas Valley ^{3 , 4} . Le osservazioni visive hanno indicato che il tempo di permanenza dei filtri GAC è stato uno o due minuti.
   1. Creare uno spurgo agricolo simulato usando acque sotterranee mescolate con sedimenti sospesi. Per le prove con il pesticida modello, clorpirifos, preparare una soluzione di stock fresca di 10 mg / L per ogni prova di 3,2 L / s aggiungendo una soluzione di stock certificata a un volume noto di acqua distillata. Preparare una soluzione di cloruro di nuovo cloruro di 20 mg / L per ogni prova di 6,3 L / s.
      1. Utilizzare una pompa dosatrice per fornire un volume coerente di soluzione di riserva all'acqua di scarico prima di entrare nella bocca di trattamento vegetale. Utilizzare la pompa dosatrice per fornire una soluzione di riserva a 50 mL / min al flusso di acqua di irrigazione simulata.
   2. Monitorare la portata d'ingresso con un misuratore digitale e utilizzare questi dati per quantificare il volume totale di acqua di scarico applicato all'entrata del fossa.
   3. Costruire un burro a thE uscire dal fossato e farlo con un tubo di uscita collegato ad un flussometro digitale. Utilizzare questo contatore per registrare il volume di scolo che esce dal fosso.
   4. Utilizzare i logger di dati collegati ai contatori digitali per registrare i flussi a intervalli di 5 minuti. Programmare i rilevatori di dati per attivare le pompe peristaltiche situate all'ingresso e in varie stazioni ( ad esempio , 23 m, 45 m e 68 m) sotto l'entrata del fosso per raccogliere i sottoprogrammi compositi di scolo in contenitori in acciaio inox a intervalli di 5 minuti.
3. Chimica
   1. Trasferire i campioni compositi di acqua di scarico da prove in bottiglie di vetro ambra alla fine di ogni prova di scolo e conservare i campioni su ghiaccio a 4 ° C per tossicità successiva e analisi chimiche.
   2. Analizzare i campioni compositi per solidi sospesi totali (TSS) e clorpirifos usando GC-MS oi test immunosorbenti enzimatici (ELISA).
   3. Confrontare i campioni compositi "inlet" (pre-trattamento)34; uscita "dei campioni compositi (post-trattamento) per valutare l'efficacia del sistema fossa integrata per ridurre i carichi di TSS e di pesticidi.
4. Test di tossicità
   1. Determinare la tossicità della colonna d'acqua era nei campioni compositi dall'inspirazione (pre-trattamento) e dalla fuoriuscita (post-trattamento) di ciascun processo utilizzando 96 ore di test di tossicità di Ceriodaphnia dubia ¹⁰ , come sopra descritto per il monitoraggio bioswale. C. dubia è una specie di monitoraggio appropriata per la tossicità dei flussi di origine agricola a causa della sua sensibilità al clorpirifos (concentrazione letale media (LC50) = 53 ng / L ¹² ).

Risultati

Efficacia Urban Bioswale

Durante le 18.5 ore della tempesta, il calibro di pioggia è stato registrato da 1.52 "di pioggia e questo ha portato a 50.490 galloni di acqua che scorre dai parcheggi nel bioswale. Di questo volume totale sono stati registrati 5.248 galloni dal misuratore di portata , Con conseguente infiltrazione totale del 90% dell'acqua di stormo che scorreva nel bioswale.Il bioswale riduceva tutte le sostan...

Discussione

Le pratiche descritte nel presente protocollo sono intese come passaggi definitivi in ​​una strategia globale per rimuovere gli inquinanti nell'irrigazione agricola e nelle acque di scarico. L'uso di bioswale e di altre pratiche urbane LID di infrastrutture verdi urbane sono intese come un pezzo finale del puzzle per rimuovere i contaminanti in scoppio prima di raggiungere le acque riceventi adiacenti. Questo protocollo sottolinea i metodi per monitorare le bioswalle urbane per determinare l'efficacia de...

Materiali

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