Tarım ve Kentsel Akışta Yüzeysel Su Zehirlenmesiyle İlişkili Kirleticilerin Ortadan Kaldırılması İçin Vejetaryan Arıtma Sistemleri

Özet

Bu makale, pestisitleri ve su zehirliliğiyle ilişkili diğer kirleticileri gidermek için kentsel yağmursuyu ve tarımsal sulama akışını tedavi eden arıtma sistemlerinin tasarım özelliklerini ve etkinliğini özetler.

Özet

Kentsel yağmur suyu ve tarım sulama suyu akışı genellikle komşu alıcı sulara toksik olan karışık bir kontaminant karışımı içermektedir. Akıntı, bitki örtüsü ve topraklara kirletici maddelerin emilimini arttırmak ve sızmayı artırmak için tasarlanmış basit sistemler ile tedavi edilebilir. İki örnek sistem açıklanmaktadır: kentsel yağmur suyu arıtımında biyolojik çalkantılı bir arıtma sistemi ve tarımın sulama akışını gidermek için bir bitki örtüsü drenajı. Her ikisinde de akan suyun kirletici yükünü azaltacak benzer özellikler bulunur: kirleticilerin toprak ve bitki yüzeylerine emilmesi ve su emmesi ile sonuçlanan bitki örtüsü. Bu sistemler, artık kirleticileri uzaklaştırmak için granülleştirilmiş aktif karbonun bir parlatma adımı olarak entegrasyonunu da içerebilir. Bu sistemlerin tarım ve kentsel havzalarda uygulanması, tedavi etkinliğini doğrulamak için sistemin izlenmesini gerektirir. Bu, toksisiteye neden olan belirli kirleticiler için kimyasal izleme içerir.Mevcut belge, su omurgasızlarına yüzeysel su toksisitesinden sorumlu olduğu için, mevcut kullanım böcek ilacının izlenmesini vurguluyor.

Giriş

Yüzey su toksisitesi, Kaliforniya su havzalarında yaygındır ve onlarca yıldır yapılan izlem, toksisitenin pestisit ve diğer kirleticilerden kaynaklandığını göstermiştir ¹ . Yüzey su kirliliğinin birincil kaynakları kentsel ve tarımsal kaynaklardan gelen yağmur suyu ve sulama akışlarıdır. Su gövdeleri kontaminantlardan dolayı bozulmuş olarak listelenir ve toksisite kentsel ve tarımsal kaynaklardan tespit edildiğinden, su kalitesi düzenleyicileri, kirletici yüklemeyi azaltmak için uygulamaları uygulamak için devlet ve federal finansman kaynaklarıyla ortaktır. Kaliforniya kentsel havzalarında selleri azaltmak ve sızıntı ve saklama yoluyla yağmursuyu gidermek için yeşil altyapı geliştiriliyor. Birçok bölgede yeni yapım için Düşük Etki Geliştirme (LID) tasarımları zorunlu kılınırken, az sayıdaki çalışma bu sistemlerin çözünmüş katılar, metaller ve hidrokarbon gibi konvansiyonel kirleticilerin ölçümlerinin ötesinde etkinliğini izlemiştir.bons. Son zamanlarda daha yoğun bir izleme, yüzey suyu toksisitesinden sorumlu olan kimyasal yüklemelerdeki ve kimyasal yüklemelerdeki düşüşleri değerlendirdi ve doğrudan biyolojik kirliliğin tohum zehirlenmesini azaltıp azaltmadığını belirledi. Bu, biyolojik arıların bazı kirletici sınıflar ² ile ilişkili toksisitenin kaldırılmasında etkili olduğunu göstermiştir, ancak ortaya çıkan kimyasal maddeler için ilave araştırma gerekmektedir.

Vejetasyonlu arıtma sistemleri aynı zamanda Kaliforniya'daki tarım havzalarında da uygulanmaktadır ve bunlar tarımsal sulama akışında pestisit ve diğer kirleticilerin azaltılmasında etkili olduğu gösterilmiştir ^{3 , 4} . Bu sistemler, kontaminant yüklemeyi yüzey sularına indirgemek için bir dizi yaklaşımın bileşenlerini temsil eder. Yüzey su toksisitesinden sorumlu olan kirleticileri hafifletmek için tasarlandığı için, uygulama sürecinin ana bileşenleri eNsure onların uzun vadeli etkinliği. İzleme, endişe verici kimyasal türlerin kimyasal analizlerini ve duyarlı gösterge türleriyle toksisite testlerini içerir. Bu makale, bir kentsel park yeri bioswale ve tarımsal bitki örtüsü drenaj hendek sistemi için protokoller ve izleme sonuçlarını açıklamaktadır.

Tipik bir karma kullanımlı kentsel alışveriş park alanında fırtına akışını tedavi etmek için kullanılabilecek tipik bir otopark parkurunun tasarım özellikleri, tedavi edilen bölgeye bağlı. Burada açıklanan örnekte, 53.286 feet kare asfalt, 4.683 metrekare peyzaj alanından oluşan bir kepçe boşaltan geçirimsiz bir yüzey alanı oluşturur. Bu yüzey alanından akışı sağlamak için, 215 feet uzunluğunda, düz, yarı V şeklindeki kanal,% 50'den daha az bir yan eğim ve% 1'lik bir uzunlamasına eğimi olan kıvrımı içerir ( Şekil 1 ). Bu tohum, 6 kat inceltilmiş topoil, katmanKırmızı 2.5 metrelik sıkıştırılmış alt tabaka üzerinde. Yağmursuyu park yerlerinden, şişe boyunca birden fazla giriş noktasına akar. Su, bitki örtüsüne sızar, sonra alt katmana nüfuz eder ve 4 inç delikli bir boşaltma deliğine boşaltır. Bu sistem, suyun bitişik bir sulak alana sızdırılmış bir sistemden boşalmasına neden olur ve sonunda yerel bir dereye akar.

Protokol

1. Kentsel Biyo-Wale Etkinlik İzleme

1. Fırtına Su Örneklemesi
   1. Park yerinin bioswale girişine girerken parkeden ayrıldığı 4 L ön tedavi yağmuru örneğini ve 4 "çıkış drenajı boyunca biyo oluktan ayrıldığı için 4 L arıtma sonrası yağmursuyu sürün.
   2. Yerel hava tahminlerini kullanarak, fırtınanın hidrografının başında, ortasında ve sonunda örnekleri toplayın. Fırtına olayı sırasında akarsu değişkenliğini karakterize etmek için örnekleri birleştirin.
   3. 1.3 L numune elle toplayın ve 4 L'lik kehribar bir şişede kompozit hale getirin. Fırtına suyunun biyolojik şelale içine aktığı birkaç boşluk açıklığında giriş örnekleri toplayın.
   4. Çıkış drene (aşağıda açıklanmıştır) takılı olan debimetreden 1.3 L çıkış numunesi toplayın ve 4 L kehribar bir şişede kompozit hale getirin.
   5. Nihai hidrograf örneği toplanana kadar birleştirilen numuneleri buzda saklayın. Ardından onları laboratuara nakledin ve refraktöre tutunKimya ve toksisite testleri için alt örneklemeden önce 4 ° C'de inkübe edin. Numuneleri numune toplama işleminden 48 saat sonra kimya laboratuarına gönder.
2. Yük Hesaplama
   1. Fırtınadan önce, bioswale alanına bitişik bir ışık veya diğer kutuplara tutturarak bir devrilme kovası dijital kayıt cihazı yağmur ölçeri takın. Site için anlık ve toplam yağış belirtmek için yağmur verileri kullanın.
   2. Biyoyakalın çıkış kanallarına mekanik dişli darbe debimetresi takın. Biyogazdan çıkılan toplam akış kaydedin.
      NOT: Akış hacmindeki azalmanın, KAPAK tasarımlarında kirleticilerin toplam yükünü azalttığı varsayılmaktadır.
   3. Yağmur olayı sırasında park yeri toplama alanına düşen suyun hacmini, yağmur göstergesi tarafından kaydedilen yağmur inçlerini kullanarak ekstrapolasyonla modelleyin. Park etme yüzeyinin alanına dayalı olarak arıtma sistemine giren hacmi belirlemek için bu verileri kullanın.
   4. T tarafından kaydedilen toplam akışı kullanınSızma yüzdesini hesaplamak için çıkış debimetresi. Yağmursuyu sızıntısını belirlemek için giriş ve çıkış hacmi arasındaki farkı hesaplayın.
   5. Fırtına sırasında kontaminant analitik ölçümlerle birlikte giriş ve çıkış hacmini kullanarak kirletici yükleme ve yük azaltma yüzdelerini hesaplayın.
   6. Yüzey su toksisitesi ile alakalı kimyasal analitleri ölçün (aşağıda tartışıldığı gibi). Yük hesaplamalarını basitleştirmek için toplam kimyasal gruplar ve benzer toksik etki şekilleri ( örneğin toplam polinükleer aromatik hidrokarbonlar [PAHs], toplam piretroidler ve toplam fipronil ve degradatlar).
3. Kimya
   1. Toplam askıda katı madde (TSS), iz metalleri (USEPA yöntemi 200.8 ⁵ , indüktif çift plazma kütle spektrometresi [ICP / MS]) ve PAH'lar (USEPA yöntemi 625 ⁶ ) için tüm örnekleri analiz edin.
   2. Örnekleri curre için analiz edin(USEPA yöntemi SW846 8270 modifiye edilmiş ⁷ , bifenthrin, sipermetrin, fenvalerat / esfenvalerat, permetrin, tetrametrin, L-cyhalothrin, cyfluthrin ve alletrin dahil) ve fipronil ve üç ana bozunumu (fipronil sülfür, Fipronil sülfon, fipronil desülfinil).
   3. Piretroidleri, yeterli algılama limitleri sağlamak için negatif kimyasal iyonizasyon veya diğer uygun yöntemleri kullanarak gaz kromatografisi-kütle spektrometresi (GC / MS) kullanarak analiz edin. Günümüzdeki çoğu pestisitin düşük konsantrasyonlarda oldukça toksik olduğu için, analizleri çevresel risk değerlendirmesi için düşük kimyasal raporlama limitleri gerektirir. Piretroidler için raporlama limitleri, permetrin hariç tüm piretroidler için 0.5 ng / L ila 1.0 ng / L arasındadır (raporlama sınırı = 10 ng / L).
   4. 1.0 ng / L'lik bir yöntem raporlama limiti sağlayan fipronil için analitik bir prosedür kullanın. Organofosfat pestisitlerin ölçülmesine gerek yoktur.Örneğin, Kaliforniya'daki kentsel alanlarda yerel kullanım desenlerine bakmak ^{8 , 9} .
   5. 50 ng / L imidacloprid için raporlama sınırı olan üçlü dörtlü kutuplu bir kütle spektrometresi ile birleştirilmiş ultra performans sıvı kromatografisini kullanarak neonikotinoid böcek ilacı ( örn. , Imidakloprid) ölçün.
4. Zehirlilik Testi
   1. Birleşik Çevre Koruma Ajansı (USEPA) akut test protokolleri ^10'u takiben, 3 test türünü kullanarak kompozit giriş ve çıkış yağmursuyu örnekleri üzerinde toksisite testleri yapın. Cladoceran Ceriodaphnia dubia ile yapılan test 96 saat sonra sağkalımı ölçer. Amphipod Hyalella azteca ile yapılan test 10 gün sonra hayatta kalmayı ölçer. Mikrodalga Chironomus dilutus testi, 10 gün sonra hayatta kalma ve büyümeyi ölçer.
   2. Akabinde 96 saatlik bir hayatta kalma testi uygulayarak C.dubia ile kapüşon uygulayın .EPA rehberliği.
      1. Beş giriş ve çıkış yağmursuyu örneğinin beş çoğaltmasında beş C. dubia yenidoğanını açığa vurun. Çoğaltıcılar, 15 mL test solüsyonu içeren 20 mL sintilasyon şişelerinden oluşur.
      2. Yağmursuyu testi çözümlerinin her gün% 100 yenilenmesinden 2 saat önce yem yenidoğan maya, kerofil, alabalık yemi (= US EPA rehberliğinde YCT) ve Selenastrum alglerinin karışımını yeniler. Günlük hayatta kalan yenidoğan sayısını kaydedin.
      3. 96 saat boyunca giriş ve çıkış yağmursuyu örneklerine maruz bırakıldıktan sonra C. dubia'nın sağkalım süresini karşılaştırarak, orta sertlikte kontrol suyunda bir t-testi kullanarak hayatta kalın. US EPA tarafından önerilen istatistiksel prosedürleri takip edin.
   3. US EPA rehberliğinde amfipod H. azteca ile akut 10 günlük sağkalım testleri uygulayın .
      1. Beş çoğaltmanın her birinde 10, 9 gün ila 15 günlük amfibi süreleri uygulayın. Çoğaltıcılar, 200 mL test solüsyonu içeren 300 mL cam bidonlardan oluşur.
      2. Amfipod testleri 10 gün sürer, gündüz ayakta kalan amfipodların sayısını hesaplar ve 48 saatte bir test solüsyonunun% 50'sini yeniler. Yenileme işleminden sonra her beheri her 48 saatte bir 1.5 mL YCT ile besleyin.
      3. Yağmursuyu örneklerinde amfipodların son sağkalımlarını, yukarıda tarif edildiği gibi laboratuar kuyusu suyunda 10 günlük sağkalım ile karşılaştırın.
   4. US EPA rehberliğinde , midge C. dilutus ile kronik 10. saat sağkalım ve büyüme testleri uygulayın .
      1. Dört tekrarlamanın her birinde 12, 7-d yaşlı hayvanları açığa vurun. Çoğaltıcılar, 200 mL test solüsyonu içeren 300 mL cam bidondan oluşur. Larvalar tarafından tüp yapımı için alt katman olarak her bir süpürge test kabını 5 mL kum ile birlikte verin.
      2. Her bir beher için günlük olarak balık yemi bulamacının (4 g / L) artan miktarı ile 10 d için testler yapın ve her 48 saatte bir test solüsyonunun% 50'sini yenileyin: 0-3 gün, 0,5 mL / gün; Gün 4 ila 6, 1.0 mL / gün; Gün 7-10, 1.5 mL / gün.
      3. Nihai hayatta kalma oranını veYağmur suyu örneklerinde yukarıda tarif edildiği gibi laboratuvar kuyusu suyunda 10-günlük hayatta kalma. Canlı hayvanların, test organizmalarının başlangıç ​​ağırlığına kıyasla 10 d'de külsüz kuru ağırlık olarak büyümesini ölçün.
   5. Tüm toksisite testleri için, uygun sayaçlar ve elektrotlar kullanarak çözünmüş oksijen, pH ve iletkenliği ölçün. Spektrofotometre kullanarak iyonize edilmemiş amonyak ölçün.
      1. Testlerin başlangıcında ve sonlandırılmasında su sertliğini ve alkaliliği ölçün. ¹⁰
      2. Sürekli bir kayıt termometresi ile su sıcaklığını kaydedin.

2. Entegre Vejetasyonlu Tarımsal Drenaj Hendek Etkinliği İzleme

1. Entegre Hendek İnşaatı
   NOT: Mevcut örnekte kullanılan tarım drenaj hendekleri 152 m uzunluğundadır ve üst ve 1 m derinlikte 5 m yarı-V-şeklinde kesit genişliğine sahiptir. Hendek bitki örtüsü, nÖncelikle kırmızı fescue ( Festuca rubra ) ile tohumlanmış ative çim türleri. Bu örnekte, entegre vejetatif hendek denemeleri, granüle edilmiş aktif karbon (GAC) ve kompost filtresi tedavileri ile bitki örtüsü ile entegre olmuşlardır.
   1. İki kompost filtresi ve altı karbon filtresi oluşturun ve onları bitki örtüsünün üç farklı bölümüne yerleştirin ( Şekil 2 ). Karbon veya kompost ile dolu 2 m uzunluğunda 20 cm çapında kol kullanın.
   2. Altı kollu, 30 L granülleştirilmiş aktif karbon ile doldurun ve 152 m bitkisel hendek bitişiğindeki 146 m noktasındaki hendek boyunca yerleştirin. GAC dolgulu kovanları, akış yukarı kenarında tel kazıklarla hendek tabanına tutturun.
   3. Her bir GAC kovanının aşağı kenarına 2.5 m uzunluğunda bir 6 "genişliğinde çam tahtası yerleştirin.Yüzey suyunu asgari düzeye indirgemek ve karbon kovanlarını alttan kesmek için kanalın iki yüzüne ve altına çam panolarını kazın. profesyonelKarbonla su temas süresini en üst düzeye çıkarmak için dikey destek sağlayın.
   4. Kompost kovanlara kısmen ayrılmış her bir atık atığının yaklaşık 15 kg'ını, yerel bir depolama alanı gibi temiz bir kaynaktan doldurun. Bitki örtüsü kanalı boyunca 64 m'de ve 152 m bitkisel hendek boyu boyunca 123 m'de iki adet 2 m uzunluğunda gübre yastığı yerleştirin ( Şekil 2 ).
2. Kaçak Simülasyonu ve Numune Alma
   NOT: Bu protokol, entegre vejetatif tedavi sistemi kullanılarak tedavi verimliliğini değerlendirmek için simüle edilmiş tarımsal akar denemelerinin ve bunlarla ilgili izlemenin yürütülmesi için yöntemleri açıklamaktadır. Mevcut örnekte, entegre vejetatif kompost karbon sistemi, Salinas Vadisi'ndeki ticari çiftliklerdeki normal alan dışı deşarj oranlarını temsil eden iki akış hızında 3.2 L / s ve 6.3 L / s olarak değerlendirildi. Organofosfat böcek ilacı klorpirifos, bu denemelerde bir model böcek ilacı olarak kullanıldı, çünkü çözünürlüğü orta derecedeydiBöylelikle haşere mücadelesinde yaygın olarak kullanılan temsili pestisitlerin orta çözünürlüğünü temsil eder. Chlorpyrifos, tarımsal havza üzerindeki etkileri nedeniyle merkezi California'da devam eden düzenleyici eylemler konusudur. Hedef klorpirifoz dozu yaklaşık 2,600 ng / L idi. Akış hızları ve hedef klorpirifos konsantrasyonları, yerel sulama akışında önceden ölçülen aralıklardaydı ^{3 , 11} . Burada verilen örnekte, bitki örtüsünü geçen su darbesi için hidrolik kalış süresi izlenmemiştir. Bu sistemlerde kalış süresi, su giriş hızı, önceki sulama ve yağmurdan kaynaklanan toprak doygunluğunun derecesi, tüyler ve sedimentasyon havzaları gibi akışın önündeki yapıların varlığı ve bitki örtüsü tarafından kaplanan yüzey alanı miktarına göre değişir. Önceki çalışmalarda, küçük ölçekli hendek sistemleri için birkaç saatlik oturma süreleri gösterilmiştirSalinas Vadisi ^{3 , 4} . Görsel gözlemler, GAC filtrelerinin kalma süresinin bir veya iki dakika olduğunu gösterdi.
   1. Askıdaki tortu ile karıştırılmış yeraltı sularını kullanarak taklit edilen tarımsal akışı oluşturun. Pestisit olan klorpirifos modeli denemeleri için bilinen her damıtık su hacmine sertifikalı stok çözeltisi ekleyerek her 3,2 L / s'lik deneme için 10 mg / L'lik yeni bir stok solüsyonu hazırlayın. Her 6.3 L / s deneme için 20 mg / L'lik yeni bir klorpirifos stok solüsyonu hazırlayın.
      1. Vejeteryen arıtma hendek girişine girmeden önce akan suya istikrarlı bir stok çözeltisi hacmi sağlamak için bir dozaj pompası kullanın. Simüle sulama suyunun akışına 50 mL / dakika stok solüsyonu vermek için ölçüm pompasını kullanın.
   2. Giriş debisini sayısal bir sayaç ile izleyin ve hendek girişine uygulanan toplam suyun toplam hacmini ölçmek için bu verileri kullanın.
   3. Tirajı yapE hendek çıkışı ve bunu bir dijital debimetre bağlı bir çıkış borusu ile plumb. Hendekten çıkan akış miktarını kaydetmek için bu sayacı kullanın.
   4. Akışı 5 dakikalık aralıklarla kaydetmek için dijital sayaçlara bağlı veri kaydedicileri kullanın. 5 dakikalık aralıklarla paslanmaz çelik kutulara akan bileşik alıntılar toplamak için hendek girişinin altındaki giriş ve çeşitli istasyonlarda ( örneğin , 23 m, 45 m ve 68 m) bulunan peristaltik pompaları etkinleştirmek için veri kaydedicileri programlayın.
3. Kimya
   1. Her bir kaçak denemenin sonunda, koşu suyunun kompozit numunelerini deneylerden kehribar cam şişelere aktarın ve daha sonraki toksisite ve kimyasal analizler için örnekleri buzda 4 ° C'de tutun.
   2. Toplam askıda katı madde (TSS) ve klorpirifos bileşimleri için GC-MS veya enzim bağlı immünosorbent analizleri (ELISA) kullanarak kompozit numuneleri analiz edin.
   3. "Giriş" kompozit numunelerini (ön işlem), & #TSS ve pestisit yüklerini azaltmak için entegre hendek sisteminin etkinliğini değerlendirmek için "çıkış" kompozit numuneler (işlem sonrası).
4. Zehirlilik Testi
   1. Sütun toksisitesinin saptanması , biyoyakularda izlemede yukarıda tarif edildiği gibi 96 saatlik Ceriodaphnia dubia toksisite testleri ¹⁰ kullanılarak her deneyin girişinden (ön-muamele) ve çıkıştan (işlemden sonra) alınan bileşik örneklerde idi. C.dubia , klorpirifoslara duyarlılığı nedeniyle (orta ölümcül konsantrasyon (LC50) = 53 ng / L12) tarımsal akışı toksisitesi için uygun bir izleme türüdür.

Sonuçlar

Kentsel Biyogücün Etkinliği

Fırtınanın 18.5 saatinde, yağmur göstergesi tarafından 1.52 "yağmur kaydedildi ve bu, park yerlerinden biyolojik oluk içine akan 50.490 galon suya neden oldu. Bu toplam hacmin 5.228 galonu çıkış debimetresi ile kaydedildi , Biyoselin içine akan yağmur suyunun% 90'ına tamamen sızma ile sonuçlandı Biyoglof izlenen tüm kimyasalları azalttı Toplam askıda katı madde% 72 az...

Tartışmalar

Bu protokolde açıklanan uygulamalar, tarımsal sulama ve yağmursuyu akışındaki kirleticilerin uzaklaştırılması için genel bir stratejideki son adımlar olarak tasarlanmıştır. Bioswales ve diğer kentsel yeşil altyapı LID uygulamaları, bitişik alıcı sulara ulaşmadan önce kirleticilerin akışı gidermek için bulmacanın son bir parçası olarak tasarlanmıştır. Bu protokol, kentsel kirleticilerle ilişkili toksisiteyi gidermek için mevcut etkinlik ilaçlarına vurgu yaparak, kentsel biyolojik to...

Malzemeler

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