농업과 도시 유출수의 지표수 독성과 관련된 오염 물질 제거를위한 식물 처리 시스템

요약

이 기사는 수생 독성과 관련된 살충제 및 기타 오염 물질을 제거하기 위해 도시의 우수 및 농업 관개 유거수를 처리하는 처리 시스템의 설계 속성 및 효율성을 요약합니다.

초록

도시 빗물과 농업 관개 유출수는 종종 인접한 수역에 독성이있는 복잡한 오염물 혼합물을 포함합니다. 유출은 식물과 토양에 대한 오염 물질의 흡수를 촉진하고 침투를 촉진하도록 고안된 간단한 시스템으로 처리 될 수 있습니다. 도시 빗물 처리를위한 바이오스 왈 (bioswale) 처리 시스템과 농업 관개 유거수를 처리하기위한 식생 배수로의 두 가지 시스템이 설명된다. 둘 다 유거수에서 오염 물질을 감소시키는 비슷한 특성을 가지고 있는데, 토양과 식물 표면에 오염 물질이 흡수되는 식생과 물의 침투입니다. 이러한 시스템은 또한 잔류 오염물을 제거하기위한 연마 단계로서 과립 화 된 활성탄의 통합을 포함 할 수있다. 농업 및 도시 유역에서 이러한 시스템을 구현하려면 치료 효과를 검증하기 위해 시스템 모니터링이 필요합니다. 여기에는 독성을 일으키는 특정 오염원에 대한 화학 모니터링이 포함됩니다.현재 논문은 수생 무척추 동물에 대한 지표 수 독성의 원인이되기 때문에 현재 사용되는 살충제의 모니터링을 강조한다.

서문

수자원 독성은 캘리포니아 분수계에서 흔히 나타나며 수십 년간의 모니터링으로 인해 독성은 종종 살충제 및 기타 오염물로 인한 것으로 나타났습니다 ¹ . 지표수 오염의 주요 원인은 도시 및 농업 자원으로부터 유출 된 우수 및 유거수이다. 수역은 오염 물질로 인해 열화 된 것으로 표시되고 도시 및 농경지에서 독성을 확인하기 때문에 수질 감독청은 오염 부하량을 줄이기위한 관행을 시행하기 위해 주 및 연방 기금 출처와 협력합니다. 홍수를 줄이고 침투 및 저장을 통해 우수를 회수하기 위해 캘리포니아의 도시 유역에서 녹색 인프라가 촉진되고 있습니다. LID (Low Impact Development) 설계가 많은 지역에서 신규 건설을 요구 받고 있지만, 용해 된 고형물, 금속 및 탄화수소와 같은 기존 오염 물질의 측정을 넘어서 이러한 시스템의 효용성을 모니터링 한 연구는 거의 없습니다뼈. 보다 집중적 인 모니터링은 최근에 표면 수 독성의 원인 인 화학 물질 농도 및 화학 물질 부하의 감소를 평가하고 생물 고사가 유거수의 독성을 감소시키는 지 여부를 직접 결정합니다. 이는 생물 고래가 일부 오염 물질 등급 ² 와 관련된 독성을 제거하는데 효과적이라는 것을 보여 주었지만, 우려되는 화학 물질에 대해서는 추가 연구가 필요하다.

식생 처리 시스템은 캘리포니아의 농업 유역에서도 시행되고 있으며, 농업 관개 유출수 ^{3 , 4의} 살충제 및 기타 오염 물질을 감소시키는 데 효과적입니다. 이러한 시스템은 표층수에 대한 오염 물질 부하를 줄이기위한 일련의 접근법의 구성 요소를 나타냅니다. 지표수 독성을 일으키는 오염 물질을 완화하기위한 것이기 때문에 구현 프로세스의 핵심 구성 요소는 e장기적인 효과를 확인하십시오. 모니터링에는 민감한 지표 종에 대한 독성 시험뿐만 아니라 관심 화학 물질의 화학 분석도 포함됩니다. 이 기사는 도시 주차장 bioswale과 농업 식생 배수 도랑 시스템에 대한 프로토콜 및 모니터링 결과를 설명합니다.

일반적인 혼합 사용 도시 쇼핑 공간의 폭풍우 유출을 치료하기 위해 사용될 수있는 것과 같은 전형적인 주차장 바이오스 일의 설계 속성은 처리되는 지역에 따라 다릅니다. 여기에 설명 된 예에서 53,286 평방 피트의 아스팔트는 4,683 평방 피트의 조경으로 이루어진 swale로 배출되는 불 침투성 표면 영역을 만듭니다. 이 표면적으로부터의 유거수를 수용하기 위해 215 피트 길이의 평평한 바닥, 반절 형 채널은 측면 경사가 50 % 미만이고 종 방향 경사가 1 % 인 swale로 구성됩니다 ( 그림 1 ). 이 늪지는 표토 6 인치에 심어진 본초 풀,압축 된 지하철에서 2.5 피트 이상 빨간색. 빗물은 주차 구역에서 물결 모양의 여러 진입 지점으로 흐릅니다. 물은 식생 한 지역에 침투 한 다음 지하에 침투하여 4 인치 구멍이 뚫린 배수구로 배수합니다. 이 시스템은 인접한 습지로 연결되는 시스템을 통해 물을 배수합니다. 결국 인접한 습지가 지역 크릭으로 배수됩니다.

프로토콜

1. 도시 Bioswale 효능 모니터링

1. 폭풍우 물 샘플링
   1. 샘플 4 L의 전처리 빗물이 주차장을 떠나 bioswale 입구로 들어가고, 4 L의 후 처리 우수가 4 "배출구 배출구를 통해 바이오 서널을 떠날 때 샘플을 빗물로 채 웁니다.
   2. 지역 날씨 예보를 사용하여 폭풍의 수문 곡선의 시작, 중간 및 끝에서 샘플을 수집하십시오. 폭풍우 사건 동안 유출의 변동성을 특성화하기 위해 샘플을 합성하십시오.
   3. 손으로 1.3 L 샘플을 수집하고 4 L 앰버 병에 넣습니다. 빗물이 바이오스 월로 흘러 들어가는 여러 가지 연석 입구에서 입구 샘플을 수집하십시오.
   4. 배출 배수구 (아래에 설명 됨)에 부착 된 유량계에서 1.3 L 배출구 샘플을 수집하고 4 L 호박 병에 넣습니다.
   5. 최종 수문 그래프 샘플이 수집 될 때까지 합성 된 샘플을 얼음에 보관하십시오. 그런 다음 실험실로 이송하고 반사광을 잡으십시오.화학 및 독성 시험을 위해 서브 샘플링하기 전에 4 ° C에서 igerator. 시료 채취로부터 48 시간 이내에 시료를 화학 실험실로 보내십시오.
2. 계산로드
   1. 폭풍이 터지기 전에 bioswale 부지에 인접한 가벼운 기둥이나 다른 기둥에 부착하여 기울임 식 양동이 디지털 로거 레인 게이지를 설치하십시오. 비 데이터를 사용하여 사이트의 순간 강우량과 총 강우량을 표시하십시오.
   2. bioswale의 배수구에 기계식 기어드 펄스 유량계를 설치하십시오. bioswale에서 나가는 총 유량을 기록하십시오.
      참고 : 유출 물량의 감소는 LID 설계에서 오염 물질의 전체 적재량을 감소시키는 것으로 추정됩니다.
   3. 비오는 날에는 주차장 계량 지역에 떨어지는 물의 양을 추운 날씨의 비가 내린 인치를 사용하여 외삽으로 모델링하십시오. 이 데이터를 사용하여 주차장 표면적을 기준으로 치료 시스템에 들어가는 양을 결정합니다.
   4. t로 기록 된 총 유량을 사용하십시오.침투 율을 계산하기위한 출구 유량계. 폭풍 침투를 결정하기 위해 입구 및 출구 볼륨의 차이를 계산하십시오.
   5. 오염 물질 분석 측정과 함께 유입구 및 배출구 볼륨을 사용하여 폭풍우 동안 오염 부하량 및 부하 감소 비율을 계산합니다.
   6. 지표수 독성과 관련된 화학 분석 물을 측정합니다 (아래 설명 참조). 부하 계산을 단순화하고 유사한 독성 작용 모드 ( 예 : 총 다핵 방향족 탄화수소 [PAHs], 총 피레스 로이드 및 총 피 프로 닐 및 분해물)를 기반으로하는 총 화학 그룹.
3. 화학
   1. 총 부유 물질 (TSS), 미량 금속 (USEPA 방법 200.8 ⁵ , 유도 결합 플라즈마 질량 분석 [ICP / MS]) 및 PAH (USEPA 방법 625 ⁶ ) 매개 변수에 대한 모든 샘플을 분석하십시오.
   2. curre에 대한 샘플 분석(USEPA method SW846 8270 modified ⁷ , bifenthrin, cypermethrin, fenvalerate / esfenvalerate, permethrin, tetramethrin, L-cyhalothrin, cyfluthrin, allelerin) 및 피 프로 닐과 그것의 세 가지 주요 분해물 (fipronil sulfide, 피 프로 닐 설폰, 피 프로 닐 설피 닐).
   3. 적절한 검출 한계를 제공하기 위해 네거티브 화학 이온화 또는 기타 적절한 방법을 사용하여 가스 크로마토 그래피 - 질량 분석기 (GC / MS)를 사용하여 피레스 로이드를 분석하십시오. 대부분의 현재 사용되는 살충제는 저농도에서 매우 독성이 있기 때문에, 분석을 위해서는 환경 위험 평가와 관련하여 낮은 화학적보고 한계가 필요합니다. 피레스 로이드에 대한보고 한계는 퍼 메스 린 (보고 한계 = 10 ng / L)을 제외한 모든 피레스 로이드에 대해 0.5 ng / L ~ 1.0 ng / L입니다.
   4. 1.0ng / L의보고 한계를 제공하는 피 프로 닐의 분석 절차를 사용하십시오. 유기 인계 살충제는 측정 할 필요가 없습니다.예를 들어 캘리포니아의 도시 지역에서의 지역 사용 패턴 ^{8 )} .
   5. imidacloprid에 대한보고 한계가 50 ng / L 인 triple quadrupole 질량 분석기에 결합 된 초 고성능 액체 크로마토 그래피를 사용하여 네오 니코 티 노이드 농약 ( 예 : imidacloprid)을 측정합니다.
4. 독성 시험
   1. 수정 된 미국 환경 보호국 (USEPA) 급성 시험 프로토콜 ¹⁰ 에 따라 3 가지 시험 종을 사용하여 합성 된 유입구 및 배출구 우수 표본에 대한 독성 시험을 수행합니다. cladoceran Ceriodaphnia dubia를 이용한 시험은 96 시간 후에 생존을 측정한다. Amphipod Hyalella azteca를 이용한 시험은 10 일 후에 생존을 측정합니다. 미나리 Chironomus dilutus 의 시험은 10 일 후에 생존과 성장을 측정합니다.
   2. U 후 96 시간 생존 검사를 실시한다 .S. EPA 지침.
      1. 유입 및 유출 우수 샘플 5 개 각각에 C. dubia 신생아 5 마리를 노출시킵니다. 복제물은 15 mL의 시험 용액이 들어있는 20 mL 섬광 바이알로 구성됩니다.
      2. 신생아에게 빗물 테스트 솔루션을 매일 100 % 갱신하기 2 시간 전에 효모, 자필, 송어 차우 (= YCT, 미국 EPA 지침에 따라)와 Selenastrum algae의 혼합물을 공급합니다. 생존 한 신생아의 총 수를 매일 기록하십시오.
      3. 유입 및 유출 우수 샘플에 96 시간 노출 후 최종 C. dubia 생존을 t- 테스트를 사용하여 중간 정도의 경수 처리 수에서 생존률과 비교합니다. US EPA에서 권장하는 통계 절차를 따르십시오.
   3. 미국 EPA 지침에 따라 Amphipod H. azteca 로 급성 10 일 생존 검사를 실시하십시오.
      1. 다섯 번 반복하여 각각 10 일, 9 일에서 15 일 사이의 amphipod를 노출시킨다. 복제물은 200 mL의 시험 용액이 들어있는 300 mL 유리 비커로 구성됩니다.
      2. amphipod 테스트를 10 일 동안 실시하고 생존하는 양서류 수를 매일 계산하고 48 시간마다 테스트 용액의 50 %를 갱신하십시오. 갱신 후 YCT 1.5 mL로 48 시간마다 각 비이커에 공급하십시오.
      3. 위에서 설명한대로 우물에서의 양서류의 최종 생존과 실험실 우물에서의 10 일 생존을 비교하십시오.
   4. US EPA 지침에 따라 만성 10 일 생존 및 성장 테스트를 midge C. dilutus로 실시하십시오.
      1. 네 번 반복하여 각각 12, 7-d 오래된 동물을 폭로하십시오. 복제물은 시험 용액 200 mL가 들어있는 300 mL 유리 비커로 구성됩니다. 유생에 의한 관의 형성을위한 기질로서 모래 5 mL를 각각의 미지 시험 용기에 공급한다.
      2. 시험을 10 일 동안 실시하고 매일 비이커마다 48 시간마다 50 %의 시험 용액을 다음과 같이 물고기 음식 슬러리 (4g / L)의 양을 늘려서 갱신하십시오 : 0 일에서 3 일까지, 0.5 mL / 일; 제 4 일 내지 제 6 일, 1.0 mL / 일; 일 7 내지 10, 1.5 mL / 일.
      3. 최종 생존율과위에 기술 된 바와 같이 실험실의 우물물에서 10 일 생존까지 우수의 표본 성장. 시험 생물의 초기 무게와 비교하여 10 일에 무산소 건조 중량으로 생존 한 동물의 성장을 측정하십시오.
   5. 모든 독성 시험에서 적절한 미터와 전극을 사용하여 용존 산소, pH 및 전도도를 측정하십시오. 분광 광도계를 사용하여 비 이온화 된 암모니아를 측정합니다.
      1. 시험 시작 및 종료시 물의 경도 및 알칼리성을 측정합니다. ¹⁰
      2. 연속 기록 온도계로 수온을 기록하십시오.

2. 통합 식생 농업 배수관 효 능 모니터링

1. 통합 도랑 건설
   참고 : 현재의 예에서 사용 된 농업 배수 도랑은 길이가 152m이고 상단 및 깊이 1m에서 5m의 반 V 자 모양의 단면 너비를 갖습니다. 도랑 식생은 n의 조합입니다.주로 붉은 곰팡이 ( Festuca rubra )가 뿌려진 잡초 종. 이 예에서 통합 된 식물 도랑 재배 시험은 과립 화 된 활성탄 (GAC)과 식물 퇴적물과 통합 된 퇴비 필터 처리로 구성됩니다.
   1. 2 개의 퇴비 필터와 6 개의 탄소 필터를 건설하고 식생 한 도랑의 3 개의 다른 섹션에 설치하십시오 ( 그림 2 ). 탄소 또는 퇴비로 채워진 2m 길이의 20cm 직경 슬리브를 사용하십시오.
   2. 6 개의 슬리브에 30L의 입자 화 된 활성탄을 채우고 이들을 152m의 식생 된 도랑 끝에 146m 지점에 도랑에 놓습니다. GAC가 채워진 슬리브를 상류 가장자리에있는 와이어 스테이크로 도랑 바닥에 고정합니다.
   3. 각 GAC 슬리브의 하류 가장자리에 길이 2.5m의 6 "너비의 소나무 판을 놓고 채널의 양 측면과 하단에 파인 보드를 파서 물을 우회하여 카본 슬리브를 언더 커팅하지 않도록합니다. 찬성탄소와의 수 접촉 시간을 최대화하기 위해 수직 지지대를 설치하십시오.
   4. 퇴비 슬리브에는 지역 폐기물 매립과 같은 깨끗한 자원에서 부분적으로 분해 된 정원 쓰레기 약 15kg을 채우십시오. 2m 길이의 퇴비 슬리브 2 개를 식물 위의 수로 (64m)와 152m의 길이 (123m)에 위치시킨다 ( 그림 2 ).
2. 유출 시뮬레이션 및 샘플링
   참고 :이 프로토콜은 모의 된 농업 유거 재판 및 통합 된 식물 치료 시스템을 사용하여 치료 효능을 평가하기위한 모니터링을 수행하는 방법을 설명합니다. 현재의 예에서 통합 식생 - 퇴비 - 탄소 시스템은 살리나스 계곡의 상업 농장에서 3.2 L / s 및 6.3 L / s 속도의 전형적인 야외에서 배출되는 유량을 나타내는 두 유량에서 평가되었다. Organophosphate 살충제 chlorpyrifos는 온화한 용해도를 가지고 있기 때문에이 시험에서 모델 살충제로 사용되었습니다따라서 해충 관리에 일반적으로 사용되는 대표적인 살충제의 중간 범위의 용해도를 나타냅니다. Chlorpyrifos는 농업 유역에 미치는 영향 때문에 캘리포니아 중앙에서 현재 진행중인 규제 조치의 주제이기도합니다. 목표 chlorpyrifos 투여 량은 약 2,600 ng / L이었다. 유량과 목표 chlorpyrifos 농도는 지역 관개 유출량 3,11에서 이전에 측정 된 범위 내에 있었다. 식생 된 도랑을 통과하는 물의 수력 학적 체류 시간은 여기에 주어진 예에서 모니터되지 않았다. 이러한 시스템의 체류 시간은 물의 유입 속도, 이전의 관개 및 비 때문에 토양 포화도, 위어 및 침전지와 같은 흐름을 방해하는 구조물의 존재 및 초목으로 덮인 표면적의 양에 따라 다릅니다. 이전 연구에 따르면 소규모 도랑 시스템의 경우 몇 시간의 체류 시간이살리나스 밸리 ^{3 , 4} . 시각적 관찰 결과 GAC 필터의 체류 시간은 1 ~ 2 분이었다.
   1. 부유 된 퇴적물과 혼합 된 지하수를 사용하여 모의 된 농업 유거수를 만듭니다. 모델 살충제 인 chlorpyrifos를 사용한 시험의 경우, 증류수에 인증 된 스톡 용액을 첨가하여 매 3.2L / s 시험을 위해 10mg / L의 새로운 스톡 용액을 준비하십시오. 6.3 L / s 시험마다 20 mg / L의 새로운 chlorpyrifos 원액을 준비하십시오.
      1. 계량 펌프를 사용하여 유수 처리장으로 들어가기 전에 일정한 양의 스톡 용액을 유수에 제공하십시오. 계량 펌프를 사용하여 모의 관개 수의 흐름에 50 mL / 분의 저장 용액을 전달하십시오.
   2. 디지털 유량계로 입구 유량을 모니터링하고이 데이터를 사용하여 도랑 입구에 가해지는 유수의 총량을 정량화하십시오.
   3. 일에 위어를 세우다.도랑의 출구와 디지털 유량계에 연결된 출구 파이프를 연결하십시오. 도랑을 빠져 나오는 유거수를 기록하려면이 미터를 사용하십시오.
   4. 디지털 유량계에 연결된 데이터 로거를 사용하여 5 분 간격으로 유량을 기록하십시오. 주입구와 도랑 입구 아래에있는 다양한 스테이션 ( 예 : 23 m, 45 m 및 68 m)에 위치한 연동 식 펌프를 활성화하여 5 분 간격으로 스테인리스 강 컨테이너로 혼합 된 하위 샘플을 수집하려면 데이터 로거를 프로그래밍하십시오.
3. 화학
   1. 각 유거 재판의 끝에서 시험에서 나온 유수의 합성 샘플을 호박색 유리 병으로 옮기고 나중에 독성 및 화학 분석을 위해 4 ° C에서 얼음에 샘플을 유지합니다.
   2. GC-MS 또는 ELISA (enzyme-linked immunosorbent assays)를 사용하여 총 부유 고형물 (TSS) 및 클로르 피리 포스에 대한 복합 샘플을 분석하십시오.
   3. "흡입구"합성 샘플 (전처리)과 & #TSS 및 살충제 부하를 줄이기위한 통합 도랑 시스템의 효능을 평가하기위한 합성 샘플 (후 처리)을 발표했다.
4. 독성 시험
   1. bioswale 모니터링에 대해 위에서 설명한 바와 같이 96 시간 Ceriodaphnia dubia 독성 시험 ^10을 사용하여 각 시험의 유입구 (전처리) 및 배출구 (후 처리)의 합성 샘플에 물 기둥의 독성을 결정했습니다. C. dubia 는 chlorpyrifos (중위 치 농도 (LC50) = 53 ng / L ¹² )에 대한 감도로 인해 농업 유출수 독성에 대한 적절한 모니터링 종입니다.

결과

도시 Bioswale 효능

폭풍 18.5 시간 동안에는 비가 내림에 의해 1.52 "의 비가 기록되었으며, 이로 인해 주차장에서 바이오스 웨일로 흐르는 물이 50,490 갤런이였습니다.이 총량 중 5,248 갤런이 출구 유량계에 기록되었습니다 바이오스 웨일은 모니터링 된 모든 화학 물질을 감소 시켰으며 총 부유 고형물은 72 % 감소했다 ( 표 ...

토론

이 프로토콜에 설명 된 관행은 농업 관개 및 우수 유거에서 오염 물질을 제거하기위한 전반적인 전략의 최종 단계로 사용됩니다. bioswales 및 기타 도시 녹색 인프라 LID 관행은 인접한 수역에 도달하기 전에 유거수에서 오염 물질을 제거하기위한 마지막 요소로 사용됩니다. 이 프로토콜은 현재의 살충제에 중점을두고 도시 오염 물질과 관련된 독성을 제거하기위한 처리 효능을 결정하기 위해 도시...

자료

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