Системы растительного обогащения для удаления загрязнителей, связанных с токсичностью поверхностных вод в сельском хозяйстве и городском стоке

Резюме

Эта статья суммирует атрибуты дизайна и эффективность систем очистки, которые обрабатывают городской ливневой и сельский орошаемый сток для удаления пестицидов и других загрязнителей, связанных с водной токсичностью.

Аннотация

В городских ливневых стоках и сельском оросительном стоке содержится сложная смесь загрязняющих веществ, которые часто токсичны для смежных водоприемников. Среда может обрабатываться простыми системами, предназначенными для содействия сорбции загрязнителей растительностью и почвами и содействия инфильтрации. Описаны две примерные системы: система обработки биосферы для обработки городских ливневых вод и дренажная канава с растительностью для обработки орошаемого земледелия. Оба имеют сходные признаки, которые уменьшают загрязняющие вещества в стоке: растительность, которая приводит к сорбции загрязняющих веществ к поверхности почвы и растений, а также к инфильтрации воды. Эти системы могут также включать интеграцию гранулированного активированного угля в качестве этапа полировки для удаления остаточных загрязнителей. Реализация этих систем в сельском хозяйстве и городских водоразделах требует системного мониторинга для проверки эффективности лечения. Это включает в себя химический мониторинг для конкретных загрязнителей, ответственных за токсичность.В настоящем документе делается упор на мониторинг использования пестицидов, используемых в настоящее время, поскольку они отвечают за токсичность поверхностных вод для водных беспозвоночных.

Введение

Токсичность поверхностных вод распространена в водосборах Калифорнии, и десятилетия мониторинга показали, что токсичность часто связана с пестицидами и другими загрязнителями ¹ . Основными источниками загрязнения поверхностных вод являются ливневой и оросительный стоки из городских и сельскохозяйственных источников. Поскольку водные объекты считаются деградированными из-за загрязнителей, а токсичность определяется из городских и сельскохозяйственных источников, партнеры по контролю качества воды сотрудничают с государственными и федеральными источниками финансирования для внедрения методов снижения нагрузки загрязняющих веществ. Зеленая инфраструктура продвигается в городских водоразделах Калифорнии, чтобы уменьшить наводнения и увеличить восстановление ливневых стоков через инфильтрацию и хранение. В то время как проекты с низким уровнем воздействия (LID) вводятся в действие для нового строительства во многих регионах, в немногих исследованиях был проведен мониторинг эффективности этих систем за пределами измерений обычных загрязнителей, таких как растворенные твердые вещества, металлы и углеводородыбоны. В последнее время более интенсивный мониторинг оценивает снижение химических концентраций и химических нагрузок, ответственных за токсичность поверхностных вод, и прямое определение того, снижают ли биосвиты токсичность стока. Это показало, что биосвины эффективны в устранении токсичности, связанной с некоторыми классами загрязнителей ² , однако для новых химических веществ, вызывающих озабоченность, необходимы дополнительные исследования.

Растительные системы очистки также внедряются в водосборных бассейнах в Калифорнии, и они показали свою эффективность в снижении количества пестицидов и других загрязняющих веществ в сельском хозяйстве на орошение ^{3 , 4} . Эти системы представляют собой компоненты комплекса подходов к снижению нагрузки загрязняющих веществ на поверхностные воды. Поскольку они предназначены для уменьшения загрязняющих веществ, ответственных за токсичность поверхностных вод, ключевым компонентом процесса осуществления является мониторингИх долгосрочной эффективности. Мониторинг включает как химический анализ химических веществ, вызывающих озабоченность, так и испытания на токсичность с чувствительными индикаторными видами. В этой статье описываются протоколы и результаты мониторинга для биотоплива городской парковки и сельскохозяйственной системы с растительным дренажным каналом.

Характеристики конструкции типичной биотоплива для парковки, такие как могут использоваться для обработки стока бури в типичной смешанной городской городской парковке, зависят от обрабатываемой области. В примере, описанном здесь, 53 286 квадратных футов асфальта создают непроницаемую площадь поверхности, которая стекает к swale, который состоит из 4683 квадратных футов озеленения. Для размещения стока из этой поверхности, канал длиной в 215 футов с плоским дном, с полу-V образными каналами, включает в себя наклон с боковым уклоном менее 50% и продольным наклоном 1% ( рисунок 1 ). Эта сваи состоит из трех слоев, включая родную пучевую траву, посаженную в 6 дюймах верхнего слоя почвы,Красный более 2,5 футов уплотненного грунтового основания. Штормовая вода течет от парковочных зон к нескольким точкам входа вдоль сугроба. Вода инфильтрирует растительный покров, затем пропитывает земляное полотно и стекает в 4-дюймовый перфорированный дренаж. Эта система стекает вода через систему, установленную на соседний водно-болотный угодья, который в конечном счете стекает в местный ручей.

протокол

1. Мониторинг эффективности городского биосферы

1. Отбор проб бурильной воды
   1. Образец 4 л предварительной обработки ливневой воды покидает стоянку, когда она входит в вход для биотоплива, а затем 4 л ливневой воды после обработки, когда она покидает биосверну через 4-дюймовый сливной канал.
   2. Используя местные прогнозы погоды, собирайте образцы в начале, середине и конце гидрографа бури. Составьте образцы для характеристики изменчивости стока во время штормового события.
   3. Соберите образцы объемом 1,3 л вручную и соедините их в 4-литровой бутылке янтарного цвета. Собирайте впускные пробы в нескольких отверстиях бордюра, в которые ливневые воды поступают в биомассу.
   4. Соберите 1,3 л выходных проб из расходомера, прикрепленного к сливному отверстию (описанного ниже), и соедините их в 4-литровой бутылке янтарного цвета.
   5. Храните собранные образцы на льду до сбора окончательного образца гидрографа. Затем транспортируйте их в лабораторию и держите в refrIgerator при 4 ° C до подвыборки для химического и токсического тестирования. Отгрузите образцы в лабораторию химии в течение 48 часов после сбора проб.
2. Расчет нагрузки
   1. Перед штормом установите цифровой индикатор дождя с помощью опрокидывающего ковша, подсоединив его к свету или другому полюсу рядом с местом биозащиты. Используйте данные дождя, чтобы указать мгновенное и общее количество осадков для сайта.
   2. Установите механический редукторный импульсный расходомер на сливные отверстия в биосети. Запишите общий поток, выходящий из биосферы.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Предполагается, что уменьшение объема стока уменьшает общую загрузку загрязнителей в конструкциях LID.
   3. Моделируйте объем воды, попадающей в зону охвата стоянки автомобилей во время дождя, путем экстраполяции с использованием дюймов дождя, зарегистрированных дождемером. Используйте эти данные, чтобы определить объем, поступающий в систему обработки, исходя из площади поверхности для парковки.
   4. Используйте общий поток, записанный tОн расходомер на выходе, чтобы рассчитать процент проникновения. Рассчитайте разницу между объемом впуска и выпуска для определения инфильтрации ливневых вод.
   5. Рассчитайте процентное содержание загрязнений и снижение нагрузки во время шторма с использованием объема впуска и выпуска в сочетании с аналитическими измерениями загрязнения.
   6. Измерьте химические анализы, которые имеют отношение к токсичности поверхностных вод (см. Ниже). Всего химических групп для упрощения расчетов нагрузки и базы на их аналогичных токсичных способов действия ( например , общая polyuclearly ароматических углеводородов [ПАУ], общего pyrethroids и общего фипронил и деградации).
3. Химия
   1. Проанализируйте все образцы по следующим параметрам: общее содержание взвешенных веществ (TSS), следовые металлы (метод USEPA 200,8 ⁵ , масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой [ICP / MS]) и PAH (метод USEPA 625 ⁶ ).
   2. Анализ образцов для curreNt-use городских пестицидов, включая 9 пиретроидов (метод USEPA SW846 8270, модифицированный ⁷ , бифентрин, циперметрин, фенвалерат / эсфенвалерат, перметрин, тетраметрин, L-цигалотрин, цифлутрин и аллетрин) и фипронил и его три первичных деградата (фипронилсульфид, Фипронил сульфон, фипронилдесульфинил).
   3. Анализ пиретроидов методом газовой хроматографии-масс-спектрометрии (ГХ / МС) с использованием отрицательной химической ионизации или другим подходящим методом для обеспечения адекватных пределов обнаружения. Поскольку большинство пестицидов, применяемых в настоящее время, являются высокотоксичными при низких концентрациях, их анализ требует низких лимитов отчетности по химическим веществам, которые необходимы для оценки экологического риска. Метод, указывающий пределы содержания пиретроидов, составляет от 0,5 нг / л до 1,0 нг / л для всех пиретроидов, за исключением перметрина (предел отчетности = 10 нг / л).
   4. Используйте аналитическую процедуру для фипронила, которая обеспечивает лимит отчетности метода 1,0 нг / л. Органофосфатные пестициды не требуют измеренияНапример, в городских районах Калифорнии ^{8 , 9} .
   5. Измерьте неоникотиноидные пестициды ( например , имидаклоприд), используя ультраэффективную жидкостную хроматографию, соединенную с тройным квадрупольным масс-спектрометром, который имеет предел отчетности для имидаклоприда 50 нг / л.
4. Тестирование токсичности
   1. Проводят тесты на токсичность композитных входных и выходных образцов ливневой воды с использованием 3 видов испытаний, следуя протоколу острого протокола испытаний Агентства по охране окружающей среды США (USEPA) ¹⁰ . Тест с cladoceran Ceriodaphnia dubia измеряет выживаемость через 96 часов. Тест с амфиподом Hyalella azteca измеряет выживаемость через 10 дней. Тест с мошкой Chironomus dilutus измеряет выживаемость и рост через 10 дней.
   2. Проводят острую 96-часовую выживаемость с Cladoceran C. dubia после U.Руководство С. АООС.
      1. Выставляйте пять новорожденных C. dubia в каждом из пяти повторов образцов входной и выходной ливневых вод. Репликации состоят из 20-мл сцинтилляционных флаконов, содержащих 15 мл тестового раствора.
      2. Кормите новорожденных смесь дрожжей, cerophyll, форели чау (= YCT, после руководства США по охране окружающей среды) и водорослей Селенастум 2 ч до ежедневного 100% обновления ливневых испытаний. Ежедневно регистрируйте общее число выживших новорожденных.
      3. Сравните конечную выживаемость C. dubia после 96-часового воздействия на входные и выходные образцы ливневой воды для выживания в умеренно жесткой контрольной воде с помощью t-теста. Следуйте статистическим процедурам, рекомендованным US EPA.
   3. Проводят тесты на острую 10- суточную выживаемость с амфиподом H. azteca, следуя указаниям Агентства США по охране окружающей среды.
      1. Выставляйте 10, 9 дней до 15 дней амфиподам в каждом из пяти повторов. Репликации состоят из стеклянных стаканов объемом 300 мл, содержащих 200 мл тестового раствора.
      2. Проведите амфипод в течение 10 дней, ежедневно подсчитывайте количество выживших амфипод и обновляйте 50% исследуемого раствора каждые 48 часов. Кормите каждый стакан каждые 48 часов с 1,5 мл YCT после обновления.
      3. Сравните окончательную выживаемость амфипод в образцах ливневых до 10 дней выживания в лабораторных колодцах, как описано выше.
   4. Проведите хронические 10- дневные испытания на выживаемость и рост с помощью мошка C. dilutus, следуя указаниям Американского агентства по охране окружающей среды.
      1. Выставляйте 12, 7-d старых животных в каждом из четырех повторов. Репликации состоят из стеклянных стаканов объемом 300 мл, содержащих 200 мл тестового раствора. Поставьте каждый тестовый контейнер для теста на 5 мл песка в качестве субстрата для построения трубки личинками.
      2. Проводите тесты в течение 10 дней и каждые 50 часов проверяйте раствор каждые 48 часов для каждого стакана с увеличением количества рыбной суспензии (4 г / л) следующим образом: дни от 0 до 3, 0,5 мл / день; Дни 4-6, 1,0 мл / сут; Дней 7-10, 1,5 мл / сут.
      3. Сравните окончательную выживаемость иРост в образцах ливневой до 10-й выживания в лабораторных скважинах, как описано выше. Измеряют рост выживших животных в виде сухой массы без золы на 10 d по сравнению с исходной массой тестируемых организмов.
   5. Для всех тестов токсичности измерьте растворенный кислород, pH и проводимость с помощью соответствующих счетчиков и электродов. Измерьте неионизированный аммиак с помощью спектрофотометра.
      1. Измерьте жесткость воды и щелочность при начале и завершении испытаний. ¹⁰
      2. Запишите температуру воды с помощью термометра непрерывной записи.

2. Комплексный вегетационный мониторинг эффективности дренажных канав

1. Комплексное сооружение канав
   ПРИМЕЧАНИЕ. В нынешнем примере дренажная канава для сельского хозяйства имеет длину 152 м и имеет ширину поперечного сечения в полуширине V, равную 5 м, и глубину 1 м. Растительность канавы представляет собой комбинацию из nАтивные травянистые виды, в основном заселенные овсяницей ( Festuca rubra ). В этом примере комплексные испытания вегетативной канавки состояли из обработок гранулированного активированного угля (GAC) и компостного фильтра, интегрированного с растительным рвом.
   1. Постройте два фильтра компоста и шесть угольных фильтров и установите их в трех различных частях растительного рва ( рис. 2 ). Используйте рукава длиной 20 см диаметром 20 см, заполненные либо углеродом, либо компостом.
   2. Заполните шесть рукавов 30 л гранулированного активированного угля и поместите их через кювету в точке 146 м, ближе к концу 152 м растительного рва. Закрепите втулки, заполненные GAC, до дна канавки проволочными кольцами на переднем крае.
   3. Разместите сосновую доску шириной 6 дюймов шириной 6 дюймов по нижнему краю каждой гильзы GAC. Вырежьте сосновые доски по обеим сторонам и дну канала, чтобы минимизировать обводнение и подрезание угольных рукавов водой. профессионалВертикальная поддержка для максимального увеличения времени контакта воды с углеродом.
   4. Наполните компостные рукава приблизительно 15 кг каждого из частично разложившихся отходов из любого чистого источника, такого как местная свалка. Расположите два рукава компоста длиной 2 м по растительному каналу на высоте 64 м и на 123 м по длине просечного канала 152 м ( рис. 2 ).
2. Моделирование стока и выборка
   ПРИМЕЧАНИЕ. В этом протоколе описываются методы проведения имитируемых исследований сельскохозяйственного стока и связанного с ним мониторинга для оценки эффективности лечения с использованием интегрированной системы вегетативной обработки. В данном примере комплексная система растительного компоста-углерод была оценена с двумя скоростями потока, которые представляли собой нормы, типичные для выноса полевых хозяйств из коммерческих хозяйств в долине Салинас, 3,2 л / с и 6,3 л / с. Органофосфатный пестицид chlorpyrifos был использован в качестве модельного пестицида в этих исследованиях, поскольку он имеет умеренные солюбиИ, следовательно, представляет собой среднюю степень растворимости репрезентативных пестицидов, обычно используемых при борьбе с вредителями. Chlorpyrifos также является предметом текущих регуляторных действий в центральной Калифорнии из-за его воздействия на сельскохозяйственные водосборные бассейны. Доза целевого хлорпирифоса составляла приблизительно 2600 нг / л. Скорости потока и целевые концентрации хлорпирифоса находились в пределах диапазонов, ранее измеренных в местном орошаемом стоке ^{3 , 11} . В примере, приведенном здесь, не контролировалось гидравлическое время пребывания для импульса воды, проходящей по растительному канаву. Время пребывания в этих системах варьируется в зависимости от скорости поступления воды, степени насыщенности почвы из-за предшествующего орошения и дождя, наличия структур, препятствующих потоку, таких как водосливы и осадконакопители, а также площади поверхности, покрытой растительностью. В предыдущих исследованиях было показано, что для небольших систем канав в течение нескольких часовДолина Салинас ^{3 , 4} . Визуальные наблюдения показали, что время пребывания для фильтров GAC составляет одну или две минуты.
   1. Создайте искусственный сельскохозяйственный сток, используя грунтовые воды, смешанные с взвешенными отложениями. Для испытаний с модельным пестицидом, хлорпирифосом, подготовьте свежий исходный раствор 10 мг / л для каждого испытания 3,2 л / с, добавив сертифицированный исходный раствор в известный объем дистиллированной воды. Подготовьте свежий маточный раствор хлорпирифоса по 20 мг / л на каждые 6,3 л / с.
      1. Используйте дозирующий насос, чтобы обеспечить постоянный объем исходного раствора в сточной воде до того, как он попадет в входе в растительный канал. Используйте дозирующий насос, чтобы доставлять исходный раствор со скоростью 50 мл / мин в поток имитирующей оросительной воды.
   2. Контролируйте расход на входе с помощью цифрового счетчика и используйте эти данные для количественного определения общего объема сточной воды, подаваемой на вход канала.
   3. Постройте плотину приE на выходе из кювета и отвесить его с выпускной трубой, подключенной к цифровому расходомеру. Используйте этот счетчик, чтобы записать объем стока, выходящего из кювета.
   4. Используйте регистраторы данных, подключенные к цифровым счетчикам, для записи потока с интервалом в 5 минут. Запрограммируйте регистраторы данных, чтобы активировать перистальтические насосы, расположенные на входе и на различных станциях ( например , 23 м, 45 м и 68 м) под входом в канаву, чтобы собрать составные подвыборки стока в контейнеры из нержавеющей стали с интервалом в 5 мин.
3. Химия
   1. Передача композитных проб сточной воды из испытаний в бутылки из янтарного стекла в конце каждого испытания на отведение и сохранение образцов на льду при температуре 4 ° C для последующей токсичности и химических анализов.
   2. Проанализируйте составные образцы для общего содержания взвешенных твердых веществ (TSS) и хлорпирифоса с использованием ГХ-МС или фермент-связанных иммуносорбентных анализов (ELISA).
   3. Сравните «входные» композитные образцы (предварительная обработка) до &34, выходных "композиционных образцов (после обработки) для оценки эффективности интегрированной системы канав для снижения TSS и пестицидных нагрузок.
4. Тестирование токсичности
   1. Определение токсичности водного столба проводилось в композитных образцах из входных (предварительная обработка) и выходных (после обработки) каждого опыта с использованием 96- часовых токсикозависимых тестов Ceriodaphnia dubia ¹⁰ , как описано выше для мониторинга биосферы. C. dubia является подходящим видом мониторинга для токсичности сточных вод из-за своей чувствительности к хлорпирифосу (средняя летальная концентрация (LC50) = 53 нг / л ¹² ).

Результаты

Эффективность городского биотоплива

Во время 18,5 часов бури 1,52 "дождь был зарегистрирован дождем колеи, и это привело к 50490 галлонов воды, протекающей от парковочных мест в bioswale.Из этого общего объема, 5,248 галлонов были зарегистрирован...

Обсуждение

Методы, описанные в этом протоколе, предназначены в качестве заключительных шагов в общей стратегии по удалению загрязнителей в сельском ирригационном и ливневом стоках. Использование биосвидетельств и других методов жизнеобеспечения в городской зеленой инфраструктуре предназначе...

Материалы

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