Vegetated Sistemas de Tratamento para Remoção de Contaminantes Associados à Toxicidade de Águas Superfícies na Agricultura e Escorrências Urbanas

Resumo

Este artigo sintetiza os atributos de projeto e a eficácia dos sistemas de tratamento que tratam a água de chuva urbana ea irrigação agrícola para eliminar os pesticidas e outros contaminantes associados à toxicidade aquática.

Resumo

A água de chuva urbana e o escoamento da irrigação agrícola contêm uma mistura complexa de contaminantes que são frequentemente tóxicos para as águas receptoras adjacentes. A escorrência pode ser tratada com sistemas simples projetados para promover sorção de contaminantes para a vegetação e solos e promover a infiltração. Dois sistemas de exemplo são descritos: um sistema de tratamento de bioswale para tratamento de águas pluviais urbanas, e uma vala de drenagem de vegetação para o tratamento de escoamento de irrigação agrícola. Ambos têm atributos semelhantes que reduzem a carga de contaminantes no escoamento: vegetação que resulta na sorção dos contaminantes para o solo e superfícies das plantas e infiltração de água. Estes sistemas podem também incluir a integração de carvão ativado granulado como um passo de polimento para remover contaminantes residuais. A implementação desses sistemas na agricultura e nas bacias hidrográficas urbanas exige o monitoramento do sistema para verificar a eficácia do tratamento. Isso inclui monitoramento químico de contaminantes específicos responsáveis ​​pela toxicidade.O papel atual enfatiza o monitoramento de pesticidas de uso atual, uma vez que estes são responsáveis ​​pela toxicidade de água de superfície para invertebrados aquáticos.

Introdução

A toxicidade das águas superficiais é prevalente nas bacias hidrográficas da Califórnia e décadas de monitoramento mostraram que a toxicidade é muitas vezes devido a pesticidas e outros contaminantes ¹ . As fontes primárias de contaminação de águas superficiais são águas pluviais e escoamento de irrigação de fontes urbanas e agrícolas. Como os corpos d'água são listados como degradados devido a contaminantes ea toxicidade é identificada de fontes urbanas e agrícolas, os reguladores da qualidade da água se associam com fontes de financiamento estaduais e federais para implementar práticas para reduzir a carga de contaminantes. A infra-estrutura verde está sendo promovida nas bacias urbanas da Califórnia para reduzir inundações e aumentar a recuperação de águas pluviais através da infiltração e armazenamento. Embora projetos de baixo impacto (LID) estão sendo mandados para novas construções em muitas regiões, poucos estudos têm monitorado a eficácia desses sistemas além das medidas de contaminantes convencionais como sólidos dissolvidos, metais e hidrocarbonetosBons. Uma monitorização mais intensiva recentemente avaliou reduções nas concentrações químicas e carregamento químico responsáveis ​​pela toxicidade das águas superficiais e para determinar diretamente se as bioswales reduzem a toxicidade do escoamento. Isto mostrou que as bioswales são eficazes na remoção da toxicidade associada a algumas classes de contaminantes ² , mas é necessária investigação adicional para os produtos químicos emergentes de preocupação.

Sistemas de tratamento de vegetação também estão sendo implementados em bacias hidrográficas da agricultura na Califórnia, e estes têm demonstrado ser eficaz na redução de pesticidas e outros contaminantes no escoamento da irrigação agrícola ^{3 , 4} . Estes sistemas representam componentes de uma série de abordagens para reduzir a carga de contaminantes para as águas superficiais. Devido à sua intenção de mitigar os contaminantes responsáveis ​​pela toxicidade das águas superficiais, uma componente-chave do processo deSua eficácia a longo prazo. O monitoramento inclui análises químicas de produtos químicos de interesse, bem como testes de toxicidade com espécies sensíveis. Este artigo descreve protocolos e resultados de monitoramento para um bioswale de estacionamento urbano e um sistema de vala de drenagem de vegetação agrícola.

Os atributos de design de um bioswale de estacionamento típico, como podem ser usados ​​para tratar o escoamento de tempestade em uma área de estacionamento de shopping urbano típica de uso misto, dependem da área a ser tratada. No exemplo descrito aqui, 53.286 pés quadrados de asfalto criam uma área impermeável que drena para um swale, que consiste em 4.683 metros quadrados de paisagismo. Para acomodar o escoamento a partir desta área de superfície, um canal com forma de semi-V de fundo plano, de 215 pés de comprimento, compreende o swale com um declive lateral inferior a 50% e uma inclinação longitudinal de 1% ( Figura 1 ). Este swale compreende três camadas que incluem a grama nativa do grupo plantada em 6 polegadas de topsoil, layeVermelho sobre 2.5 pés de subgrado compactado. Fluxos de águas pluviais das áreas de estacionamento para vários pontos de entrada ao longo do swale. A água infiltra a área de vegetação, depois permeia o subgrado e drena em um dreno perfurado de 4 polegadas. Este sistema drena a água através de um sistema encanado para uma área húmida adjacente que eventualmente drena para um riacho local.

Protocolo

1. Monitoramento de Eficácia de Bioswale Urbana

1. Amostragem de água de tempestade
   1. Amostra de 4 L de águas pluviais de pré-tratamento que saem do parque de estacionamento como ele entra na entrada bioswale e, em seguida, 4 L de águas pluviais pós-tratamento que deixa o bioswale através de 4 "drenagem de saída.
   2. Usando previsões meteorológicas locais, colete amostras no início, no meio e no fim do hidrograma da tempestade. Composite as amostras para caracterizar a variabilidade de escoamento durante o evento de tempestade.
   3. Recolher 1,3 L amostras à mão e compostas-los em um 4 L âmbar garrafa. Colete as amostras de entrada em várias aberturas de freio onde a água da tempestade flui para a bioswale.
   4. Recolher 1,3 L amostras de saída do medidor de fluxo ligado ao dreno de saída (descrito abaixo) e compostas-los em um frasco de 4 L âmbar.
   5. Armazenar as amostras compostas em gelo até que a amostra hidrográfica final seja coletada. Em seguida, transportá-los para o laboratório e mantenha em um refrIgerator a 4 ° C antes da subamostragem para testes de química e toxicidade. Envio de amostras para o laboratório de química dentro de 48 h da coleta de amostras.
2. Cálculo de Carga
   1. Antes da tempestade, instale um medidor de chuva de registrador digital de balde de inclinação, anexando-o a uma luz ou outro pólo adjacente ao local bioswale. Use os dados de chuva para indicar precipitação instantânea e total para o local.
   2. Instale um medidor de fluxo por impulso mecânico nos drenos de saída da bioswale. Registre o fluxo total saindo do bioswale.
      NOTA: A redução no volume de escoamento é presumida para reduzir o carregamento global de contaminantes em projetos de LID.
   3. Modelar o volume de água que cai na área de captação do parque de estacionamento durante o evento de chuva por extrapolação usando as polegadas de chuva registradas pelo pluviômetro. Use esses dados para determinar o volume que entra no sistema de tratamento com base na área de superfície do estacionamento.
   4. Use o fluxo total registrado por tMedidor de vazão de saída para calcular a porcentagem de infiltração. Calcule a diferença entre o volume de entrada e saída para determinar a infiltração de águas pluviais.
   5. Calcule a carga de contaminantes e as porcentagens de redução de carga durante a tempestade usando o volume de entrada e saída em conjunto com medições analíticas de contaminantes.
   6. Medir analitos químicos que são relevantes para a toxicidade da água superficial (conforme discutido abaixo). Grupos químicos totais para simplificar os cálculos de carga e basear-se nos seus modos de acção tóxicos semelhantes ( por exemplo , hidrocarbonetos aromáticos polinucleares totais [HAP], piretróides totais e fipronil total e degradados).
3. Química
   1. Analisar todas as amostras para os seguintes parâmetros: total de sólidos em suspensão (TSS), metais traços (método USEPA 200.8 ⁵ , espectrometria de massa por plasma indutivamente acoplado [ICP / MS]) e PAHs (método USEPA 625 ⁶ ).
   2. Analisar amostras para curreBifentrina, cipermetrina, fenvalerato / esfenvalerato, permetrina, tetrametrina, L-cialotrina, ciflutrina e alletrina) eo fipronil e seus três principais degrada- dos (sulfeto de fipronil, Fipronil sulfona, fipronil desulfinilo).
   3. Analisar piretróides utilizando cromatografia gasosa-espectrometria de massa (GC / MS) usando ionização química negativa ou outro método apropriado para fornecer limites de detecção adequados. Uma vez que a maioria dos pesticidas de uso corrente são altamente tóxicos em baixas concentrações, suas análises requerem baixos limites de relatórios químicos para serem relevantes para avaliação de risco ambiental. O método que estabelece limites para piretróides é de 0,5 ng / L a 1,0 ng / L para todos os piretróides, excepto a permetrina (limite de notificação = 10 ng / L).
   4. Use um procedimento analítico para o fipronil que forneça um limite de relatório do método de 1,0 ng / L. Os pesticidas organofosforados não precisam de ser medidosPor exemplo, em áreas urbanas na Califórnia ^{8 , 9} .
   5. Medir os pesticidas neonicotinóides ( por exemplo , imidacloprid) utilizando a cromatografia líquida de ultrapressão acoplada a um espectrómetro de massa triplo-quadrupolar, que tem um limite para o imidaclopride de 50 ng / L.
4. Testes de Toxicidade
   1. Realizar testes de toxicidade nas amostras compostas de águas pluviais de entrada e saída usando 3 espécies de teste, seguindo protocolos de teste agudo da US Environmental Protection Agency (USEPA) ¹⁰ . O teste com o cladócero Ceriodaphnia dubia mede a sobrevivência após 96 h. O teste com o anfípode Hyalella azteca mede a sobrevivência após 10 dias. O teste com o midge Chironomus dilutus mede a sobrevivência eo crescimento após 10 dias.
   2. Realizar testes agudos de sobrevivência de 96 h com o cladócero C. dubia após U.S. Orientação EPA.
      1. Exponha cinco recém-nascidos de C. dubia em cada uma das cinco repetições de amostras de águas pluviais de entrada e saída. As réplicas consistem em frascos de cintilação de 20 mL contendo 15 mL de solução de teste.
      2. Feed neonates uma mistura de levedura, cerófilo, trout chow (= YCT, seguindo US EPA orientação ) e Selenastrum algas 2 h antes de 100% de renovação diária das soluções de teste de águas pluviais. Registre o número total de recém-nascidos sobreviventes diariamente.
      3. Compare a sobrevivência final de C. dubia após 96 h de exposição a amostras de águas pluviais de entrada e saída para sobrevivência em água de controle moderadamente difícil usando um teste t. Siga os procedimentos estatísticos recomendados pela EPA dos EUA.
   3. Conduzir testes de sobrevivência agudos de 10 dias com o anfípodo H. azteca seguindo a orientação da US EPA.
      1. Expõem anfípodes de 10, 9 dias a 15 dias de idade em cada uma das cinco repetições. As réplicas consistem em copos de vidro de 300 mL contendo 200 mL de solução de teste.
      2. Realizar testes de anfípodos por 10 dias, contar o número de anfípodes sobreviventes diariamente e renovar 50% da solução de teste a cada 48 h. Alimentar cada béquer a cada 48 h com 1,5 mL de YCT após a renovação.
      3. Compare a sobrevivência final de anfípodes em amostras de águas pluviais a 10 dias de sobrevivência em água de poço de laboratório como descrito acima.
   4. Realizar testes crônicos de sobrevivência e crescimento de 10 dias com o midge C. dilutus seguindo a orientação da US EPA.
      1. Exponha 12, 7-d animais de idade em cada uma das quatro repetições. As réplicas consistem em recipientes de vidro de 300 mL contendo 200 mL de solução de teste. Fornecer cada recipiente de ensaio de midge com 5 mL de areia como substrato para a construção de tubos pelas larvas.
      2. Realizar testes durante 10 dias e renovar 50% da solução de teste a cada 48 h para cada copo diariamente com uma quantidade crescente de pasta de alimento de peixe (4 g / L), como se segue: dias 0 a 3, 0,5 mL / dia; Dias 4 a 6, 1,0 mL / dia; Dias 7 a 10, 1,5 mL / dia.
      3. Compare a sobrevivência final eCrescimento em amostras de águas pluviais até 10 dias de sobrevivência em água de poço de laboratório como descrito acima. Medir o crescimento de animais sobreviventes como peso seco isento de cinzas a 10 dias em comparação com o peso inicial dos organismos de teste.
   5. Para todos os testes de toxicidade, medir oxigênio dissolvido, pH e condutividade usando medidores apropriados e eletrodos. Medir a amônia não ionizada usando um espectrofotômetro.
      1. Medir a dureza da água ea alcalinidade no início e término dos testes. ¹⁰
      2. Gravar a temperatura da água com um termómetro de gravação contínua.

2. Vigilância Integrada de Eficácia de Drenos de Drenagem Agrícola Vegetal

1. Construção integrada da vala
   NOTA: A vala de drenagem agrícola usada no exemplo atual tem 152 m de comprimento e tem uma largura de seção transversal em forma de semi-V de 5 m na parte superior e 1 m de profundidade. A vegetação de vala é uma combinação de nEspécies de erva daninha, principalmente semeadas com festuca vermelha ( Festuca rubra ). Neste exemplo, ensaios de valas vegetativas integradas consistiram em tratamentos de carvão ativado granulado (GAC) e tratamento de filtro de composto integrado com a vala coberta de vegetação.
   1. Construa dois filtros de composto e seis filtros de carbono e instale-os em três diferentes seções da vala de vegetação ( Figura 2 ). Use mangas de 2 m de comprimento e 20 cm de diâmetro cheias de carbono ou de composto.
   2. Encher seis mangas com 30 L de carvão ativado granulado e colocá-los através da vala no ponto de 146 m, perto do final de 152 m de vala vegetated. Ande as mangas cheias de GAC para o fundo da vala com estacas de arame na borda a montante.
   3. Coloque uma seção de 2,5 m de comprimento de 6 "de largura de bordo de pinheiro na borda a jusante de cada uma das mangas GAC.Cavalar as tábuas de pinho nos dois lados e parte inferior do canal para minimizar a água ignorando e undercutting as mangas de carbono. próVide suporte vertical para maximizar o tempo de contato da água com o carbono.
   4. Encha as mangas de composto com aproximadamente 15 kg cada de resíduos de quintal parcialmente decompostos de qualquer fonte limpa, como um aterro local. Posicione duas mangas de adubo de 2 m de comprimento através do canal de vegetação a 64 m e a 123 m ao longo da vala de vegetação de 152 m ( Figura 2 ).
2. Simulação e Amostragem de Escoamento
   NOTA: Este protocolo descreve métodos para a realização de ensaios simulados de escoamento agrícola e acompanhamento associado para avaliar a eficácia do tratamento utilizando o sistema de tratamento vegetativo integrado. No presente exemplo, avaliou-se o sistema integrado de vegetação-composto-carbono em dois caudais que representavam taxas de descarga típica fora de campo de fazendas comerciais no Vale de Salinas, 3,2 L / s e 6,3 L / s. O pesticida organofosforado clorpirifos foi utilizado como um pesticida modelo nestes ensaios, porque tem um moderado solubiE, portanto, representa o intervalo médio de solubilidade de pesticidas representativos comumente utilizados no manejo de pragas. O clorpirifos também é objeto de ações regulatórias em andamento na região central da Califórnia por causa de seus impactos nas bacias hidrográficas da agricultura. A dose de clorpirifos alvo foi de aproximadamente 2.600 ng / L. As taxas de fluxo e as concentrações de clorpirifos alvo estiveram dentro das faixas previamente medidas em escoamento de irrigação local ^{3 , 11} . O tempo de permanência hidráulica para um impulso de água que transita na vala coberta de vegetação não foi monitorizado no exemplo dado aqui. O tempo de permanência nesses sistemas varia com a taxa de entrada de água, o grau de saturação do solo devido à irrigação e chuva prévias, a presença de estruturas para impedir o escoamento, como os açudes e bacias de sedimentação ea quantidade de área coberta pela vegetação. Estudos anteriores demonstraram tempos de residência de várias horas para sistemas de vala em pequenaSalinas Valley ^{3 , 4} . As observa�es visuais indicaram que o tempo de perman�cia para os filtros GAC foi um ou dois minutos.
   1. Criar drenagem agrícola simulada usando água subterrânea misturada com sedimento em suspensão. Para os ensaios com o pesticida modelo, clorpirifos, preparar uma solução de reserva fresca de 10 mg / L para cada teste de 3,2 L / s, adicionando solução de reserva certificada a um volume conhecido de água destilada. Preparar uma solução-mãe de clorpirifós fresca de 20 mg / L para cada ensaio de 6,3 L / s.
      1. Use uma bomba de medição para fornecer um volume consistente de solução de reserva para a água de escoamento antes de entrar na entrada da vala de tratamento com vegetação. Use a bomba de medição para entregar solução de reserva a 50 mL / min para o fluxo de água de irrigação simulada.
   2. Monitorar o caudal de entrada com um medidor digital e utilizar estes dados para quantificar o volume total de água de escoamento aplicada à entrada da vala.
   3. Construa um açude naE saída da vala e prumo isto com um tubo de saída conectado a um medidor de fluxo digital. Use este medidor para registrar o volume de escoamento saindo da vala.
   4. Utilize registradores de dados conectados aos medidores digitais para registrar o fluxo em intervalos de 5 minutos. Programar os registradores de dados para ativar as bombas peristálticas localizadas na entrada e em várias estações ( por exemplo , 23 m, 45 m e 68 m) abaixo da entrada da vala para coletar subamostras compostas de escoamento em recipientes de aço inoxidável em intervalos de 5 min.
3. Química
   1. Transferir amostras compostas de água de escoamento de ensaios para garrafas de vidro âmbar no final de cada ensaio de escoamento e manter as amostras em gelo a 4 ° C para toxicidade posterior e análises químicas.
   2. Analisar as amostras compostas de sólidos suspensos totais (TSS) e clorpirifos usando GC-MS ou ensaios imunoenzimáticos (ELISA).
   3. Compare amostras compostas "entrada" (pré-tratamento) a & #34, saída "amostras compostas (pós-tratamento) para avaliar a eficácia do sistema integrado de vala para reduzir TSS e cargas de pesticidas.
4. Testes de Toxicidade
   1. Determine a toxicidade da coluna de água em amostras compostas da entrada (pré-tratamento) e da saída (pós-tratamento) de cada ensaio utilizando 96 h testes de toxicidade Ceriodaphnia dubia ¹⁰ , conforme descrito acima para a monitorização bioswale. C. dubia é uma espécie de monitorização adequada para a toxicidade de escoamento na agricultura devido à sua sensibilidade ao clorpirifos (concentração letal média (CL50) = 53 ng / L ¹² ).

Resultados

Eficácia do Bioswale Urbano

Durante as 18,5 h da tempestade, 1,52 "de chuva foi registrada pelo pluviômetro, o que resultou em 50,490 galões de água fluindo dos estacionamentos para o bioswale, sendo que, deste volume total, foram registrados 5,248 galões pelo medidor de vazão de saída , Resultando em uma infiltração total de 90% das águas pluviais que fluíram para a bioswale.A bioswale reduziu todos os produtos q...

Discussão

As práticas descritas neste protocolo destinam-se como etapas finais de uma estratégia global para remoção de poluentes em irrigação agrícola e escoamento de águas pluviais. O uso de bioswales e outras práticas urbanas de LID de infra-estrutura verde são planejados como uma peça final do quebra-cabeça para remover contaminantes no escoamento antes que eles cheguem às águas receptoras adjacentes. Este protocolo enfatiza métodos para monitorar bioswales urbanos para determinar a eficácia do tratamento para...

Materiais

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