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方法文章

用于去除农业和城市径流中与地表水毒性相关的污染物的植被处理系统

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DOI：

10.3791/55391

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2017年5月15日

 ,  ,  , 
1Department of Environmental Toxicology, University of California, Davis, 2Marine Pollution Studies Laboratory - Granite Canyon, 3University of California, Cooperative Extension, Monterey County

本文内容

摘要

本文总结了用于处理城市暴雨径流和农业灌溉回流、以去除与水生生物毒性相关的农药及其他污染物的处理系统的设计特征及其处理效果。

摘要

城市雨水径流和农业灌溉退水中含有复杂的污染物混合物，这些污染物通常对邻近的受纳水体具有毒性。可通过设计简单的系统来处理径流，以促进污染物向植被和土壤的吸附，并促进水分下渗。本文介绍了两种示例系统：用于城市雨水处理的生物滞留沟系统，以及用于处理农业灌溉退水的植草排水沟系统。这两种系统具有相似的特性，均可减少径流中的污染物负荷：植被可促使污染物吸附于土壤和植物表面，同时实现水分入渗。这些系统还可结合颗粒活性炭作为深度处理步骤，以去除残留污染物。在农业和城市流域中实施此类系统时，需进行系统监测以验证其处理效果，包括对导致毒性的特定污染物进行化学监测。本文重点强调当前使用农药的监测，因为这些农药是导致水生无脊椎动物表面水毒性的主要原因。

引言

地表水毒性在加利福尼亚州的流域中普遍存在，数十年的监测表明，毒性通常由农药和其他污染物引起1。地表水污染的主要来源是来自城市和农业区域的暴雨径流和灌溉回流。随着水体因污染物而被列为退化，且毒性来源被确认为城市和农业活动，水质监管机构便与州级和联邦资助方合作，实施措施以减少污染物负荷。在加利福尼亚州的城市流域，绿色基础设施正被推广，以减少洪涝并通过入渗和蓄存提高暴雨径流的回收利用。尽管在许多地区，低影响开发（LID）设计已被强制要求用于新建项目，但针对这些系统有效性的研究仍较少，且大多仅限于对溶解性固体、金属和烃类等常规污染物的测量。近期更深入的监测已开始评估导致地表水毒性的化学物质浓度及其负荷的削减情况，并直接判断生物滞留沟是否能够降低径流毒性。研究表明，生物滞留沟对去除某些类别污染物相关的毒性是有效的2，但对于新出现的关注化学品，仍需进一步研究。

植被处理系统也正在加利福尼亚州的农业流域中实施，已被证明可有效减少农业灌溉径流中的农药和其他污染物3,4。这些系统是一系列减少地表水污染物负荷措施的组成部分。由于其旨在减轻导致地表水毒性的污染物，因此实施过程中的关键环节是开展监测，以确保其长期有效性。监测内容包括对关注污染物的化学分析，以及利用敏感指示物种进行的毒性测试。本文介绍了城市停车场生物滞留带和农业植被排水沟系统的监测方案及监测结果。

典型停车场生物滞留带的设计参数取决于所处理区域的面积，例如可用于处理典型混合用途城市商业区停车场暴雨径流的生物滞留带。在本文描述的示例中，53,286 平方英尺的沥青路面形成不透水表面，径流排入一条占地 4,683 平方英尺绿化面积的滞留带。为容纳该区域的径流，滞留带采用长 215 英尺、底部平坦、半V形的沟渠，其边坡坡度小于 50%，纵向坡度为 1%（图 1）。该滞留带由三层结构组成：表层为 6 英寸厚的表土，种植本地丛生草；其下为 2.5 英尺厚的压实底土层。雨水从停车场区域流入滞留带沿线的多个进水口，随后渗入植被覆盖区域，继而渗透至底土层，并排入一根 4 英寸的穿孔排水管。该系统通过管道连接至邻近的湿地，最终将水排入当地溪流。

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方案

1. 城市生物滞留带效能监测

  1. 雨水采样
    1. 采集4 L来自停车场、进入生物滞留带入口处的预处理雨水样品，以及4 L经生物滞留带处理后、从出口流出的雨水处理后样品" 出口排水管
    2. 根据当地天气预报，在暴雨水文过程线的起始、中期和结束阶段采集样品。将样品混合后进行分析，以表征暴雨事件期间径流的变化特征。
    3. 手工采集1.3 L样品，并混合至一个4 L棕色瓶中。在雨水流入生物滞留带的多个路边进水口处采集进水样品。
    4. 从连接至出口排水管的流量计（如下所述）收集1.3 L出口样品，并将其混合至一个4 L棕色瓶中。
    5. 将混合样品置于冰上保存，直至最后的水文样品采集完成。随后将样品运送至实验室，并在4 °C冰箱中冷藏，以备后续化学和毒性测试的分样。样品采集后48小时内需运送至化学实验室。
  2. 负荷计算
    1. 在风暴来临前，将翻斗式数字记录雨量计安装在生物滞留带附近的一根灯杆或其他杆子上。利用降雨数据记录该地点的瞬时降雨量和总降雨量。
    2. 在生物滞留带的出口排水管上安装机械齿轮式脉冲流量计，记录从生物滞留带排出的总流量。
      注：假设降低径流体积可减少低影响开发（LID）设计中污染物的总体负荷。
    3. 通过雨量计记录的降雨量（英寸），利用外推法模拟降雨期间落在停车场汇水区域的雨水体积。根据停车场的表面面积，利用这些数据确定进入处理系统的雨水体积。
    4. 利用出口流量计记录的总流量计算入渗百分比。通过计算入口与出口体积的差值，确定雨水入渗量。
    5. 利用进水和出水体积结合污染物的分析测定结果，计算暴雨期间的污染物负荷及其去除率。
    6. 测定与地表水毒性相关的化学分析物（如下所述）。将化学物质归为总类以简化负荷计算，并基于其相似的毒性作用模式。例如总多环芳烃[PAHs]、总拟除虫菊酯、总氟虫腈及其降解产物
  3. 化学
    1. 分析所有样品的以下参数：总悬浮固体（TSS）、痕量金属（USEPA 方法 200.8）5；电感耦合等离子体质谱法 [ICP/MS]），以及多环芳烃（USEPA 方法 625）6).
    2. 分析样品中的当前使用型城市农药，包括9种拟除虫菊酯类（美国环保局方法SW846 8270，经修改）7联苯菊酯、氯氰菊酯、氰戊菊酯/高效氰戊菊酯、氯菊酯、四氟甲醚菊酯、λ-氯氟氰菊酯、氟氯氰菊酯和烯丙菊酯；氟虫腈及其三种主要降解产物（氟虫腈硫醚、氟虫腈砜、脱硫氟虫腈）。
    3. 使用气相色谱-质谱法（GC/MS）通过负化学电离或其他适当方法分析拟除虫菊酯，以达到足够的检测限。由于大多数当前使用的农药在低浓度下具有高毒性，其分析需要较低的化学报告限，以便对环境风险评估具有实际意义。除氯菊酯（报告限 = 10 ng/L）外，所有拟除虫菊酯的的方法报告限范围为 0.5 ng/L 至 1.0 ng/L。
    4. 采用一种氟虫腈分析方法，其方法报告限为1.0 ng/L。有机磷类农药是否需要检测，取决于当地的使用模式，例如在加利福尼亚州的城市地区。8,9.
    5. 测量新烟碱类杀虫剂（例如，使用超高效液相色谱串联三重四极杆质谱仪检测吡虫啉，其报告限为 50 ng/L。
  4. 毒性测试
    1. 采用3种测试物种，依据经修改的美国环境保护署（USEPA）急性毒性试验方案，对复合的雨水排放口进出水样品进行毒性测试10. 利用枝角类进行的测试 Ceriodaphnia dubia 在96小时后测定存活率。使用端足类动物进行的试验 Hyalella azteca 10天后测定存活率。摇蚊的测试 Chironomus dilutus 10天后检测存活率和生长情况。
    2. 对枝角类进行急性96小时存活试验 C. dubia 遵循美国环保局（U.S. EPA）指南。
      1. 暴露五个 C. dubia 每个进水和出水雨水样本设五个重复，每个重复包含20 mL闪烁小瓶，内装15 mL测试溶液。
      2. 喂养新生个体酵母、芹菜粉、鳟鱼饲料的混合物（=YCT；遵循美国环保署指南）以及 盘星藻属 在每天完全更新暴雨径流测试溶液前2小时投加藻类。每日记录存活的新生幼体总数。
      3. 比较最终结果 C. dubia 采用t检验分析在96小时暴露于进水和出水雨水样品后，与在中等硬度控制水中相比的存活率。遵循美国环境保护署（U.S. EPA）推荐的统计分析程序。
    3. 对端足类动物进行为期10天的急性存活率测试 H. azteca 遵循美国环保署（U.S. EPA）指南。
      1. 在五个重复组中，每组暴露10只年龄为9至15天的端足类动物。每个重复组由含有200 mL测试溶液的300 mL玻璃烧杯组成。
      2. 进行10天的端足类生物测试，每天统计存活的端足类数量，每48小时更换50%的测试溶液。每次换液后，每48小时向每个烧杯中加入1.5 mL YCT进行喂养。
      3. 将片脚类动物在雨水样本中的最终存活率与在实验室井水中10天的存活率进行比较，具体方法如上所述。
    4. 进行为期10天的摇蚊慢性存活率和生长试验 C. dilutus 遵循美国环保局（U.S. EPA）指南。
      1. 每个重复组暴露12只7日龄的动物，共设四个重复组。每个重复组使用含有200 mL测试溶液的300 mL玻璃烧杯。每个摇蚊测试容器中加入5 mL沙子，作为幼虫筑管的基质。
      2. 进行为期10天的试验，每个烧杯每48小时更换50%的测试溶液，并每日添加逐渐增加量的鱼食浆液（4 g/L），具体如下：第0至3天，0.5 mL/天；第4至6天，1.0 mL/天；第7至10天，1.5 mL/天。
      3. 将雨水样本中的最终存活率和生长情况与上述实验室井水中10天存活率进行比较。测定存活个体在10天时的生长情况，以无灰干重计，并与试验生物的初始体重进行比较。
    5. 在所有毒性测试中，使用适当的仪表和电极测定溶解氧、pH 和电导率。使用分光光度计测定非离子化氨。
      1. 在试验开始和结束时测定水的硬度和碱度。10
      2. 使用连续记录式温度计记录水温。

2. 综合植被农业排水沟功效监测

  1. 综合排水沟构建
    注意：本示例中使用的农业排水沟长152米，横截面为半V形，顶部宽5米，深度1米。排水沟植被主要由红羊茅（Festuca rubra）等本地草种构成。在本示例中，综合植被沟试验包括将颗粒活性炭（GAC）和堆肥滤材处理与植被沟相结合。
    1. 构建两个堆肥滤材和六个碳滤材，并将其安装在植被沟的三个不同区段（图2）。使用长2米、直径20厘米的套管，分别填充碳或堆肥材料。
    2. 将六个套管各填充30升颗粒活性炭，并横跨排水沟放置于146米处，靠近152米长植被沟的末端。在套管上游边缘使用金属桩将装有GAC的套管固定在沟底。
    3. 在每个GAC套管的下游边缘放置一段长2.5米、宽6"的松木板。将木板埋入沟渠两侧及底部，以尽量减少水流绕过或冲刷碳套管下方。木板还可提供垂直支撑，以最大化水流与碳材料的接触时间。
    4. 每个堆肥套管填充约15公斤部分分解的园林废弃物，来源应清洁，例如当地垃圾填埋场。将两个长2米的堆肥套管横跨植被沟渠，分别置于64米和123米位置，沿152米长的植被沟布置（图2）。
  2. 径流模拟与采样
    注意：本方案描述了进行模拟农业径流试验及相关监测的方法，用于评估综合植被处理系统的处理效果。在本示例中，综合植被-堆肥-碳系统在两种流量下进行评估，分别为3.2 L/s和6.3 L/s，代表加利福尼亚州萨利纳斯谷商业农场典型的田外排水速率。试验中选用有机磷杀虫剂毒死蜱（chlorpyrifos）作为模型农药，因其具有中等溶解度，可代表害虫管理中常用农药的中等溶解性范围。毒死蜱也是加州中部地区持续监管行动的对象，因其对农业流域水体存在影响。目标毒死蜱浓度约为2,600 ng/L。流量和目标毒死蜱浓度均在先前本地灌溉径流实测范围内3,11。本示例中未监测水流通过植被沟时的脉冲水力停留时间。此类系统中的停留时间随进水速率、前期灌溉和降雨导致的土壤饱和程度、阻碍水流的结构（如堰和沉降池）以及植被覆盖表面积的变化而变化。先前研究表明，萨利纳斯谷的小型沟渠系统的水力停留时间可达数小时3,4。目视观察表明，GAC滤材的停留时间约为一至两分钟。
    1. 使用地下水与悬浮泥沙混合制备模拟农业径流。对于含模型农药毒死蜱的试验，每次3.2 L/s试验前，通过将认证标准溶液加入已知体积的蒸馏水中，配制新鲜的10 mg/L储备液。每次6.3 L/s试验前，配制新鲜的20 mg/L毒死蜱储备液。
      1. 使用计量泵在径流进入植被处理沟入口前，向径流水中持续注入固定体积的储备液。使用计量泵以50 mL/min的速率向模拟灌溉水流中添加储备液。
    2. 使用数字流量计监测入口流量，并利用这些数据量化施加到沟渠入口的径流总体积。
    3. 在沟渠出口处建造一个堰，并连接出口管道至数字流量计。使用该流量计记录从沟渠排出的径流量。
    4. 将数据记录仪连接至数字流量计，以5分钟间隔记录流量。编程控制数据记录仪，启动位于沟渠入口及下游各监测点（例如，23米、45米和68米处）的蠕动泵，以5分钟间隔将径流的复合子样品收集至不锈钢容器中。
  3. 化学分析
    1. 每次径流试验结束后，将径流水的复合样品转移至棕色玻璃瓶中，并在4 °C冰浴条件下保存，用于后续毒性及化学分析。
    2. 使用气相色谱-质谱法（GC-MS）或酶联免疫吸附测定法（ELISA）对复合样品进行总悬浮固体（TSS）和毒死蜱的分析。
    3. 比较"入口"复合样品（处理前）与"出口"复合样品（处理后），以评估综合沟渠系统在降低TSS和农药负荷方面的有效性。
  4. 毒性测试
    1. 采用96小时Ceriodaphnia dubia毒性试验10，测定每次试验入口（处理前）和出口（处理后）复合样品的水柱毒性，方法同前述生物滞留沟监测。由于C. dubia对毒死蜱高度敏感（半数致死浓度（LC50）= 53 ng/L12），是评估农业径流毒性的适宜监测物种。

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结果

城市生物滞留带效能

在18.5小时的降雨过程中，雨量计记录到1.52英寸的降雨量，导致共计50,490加仑的雨水从停车场流入生物滞留带。在该总水量中，出口流量计记录到5,248加仑的出流量，表明进入生物滞留带的雨水中有90%实现了入渗。生物滞留带对所有被监测的化学物质均有所削减。总悬浮物削减了72%（表1）。多环芳烃（PAHs）在检出时浓度极低，但所有多环芳烃的浓度均降低了100%。出水样品中所有金属的浓度均有所降低，其中锌和铜的去除率分别为97%和92%（表1）。在进水样品中检测到多种拟除虫菊酯类农药，出水样品中所有这些农药的含量均有所降低。拟除虫菊酯类农药总浓度降低了99%。进水样品中检出具有毒性的联苯菊酯、氯氰菊酯、λ-氯氟氰菊酯和氯菊酯浓度，出水样品中其浓度降至半数致死浓度（LC50）以下 H. azteca 在出口样品中（表1例如...

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讨论

本方案中描述的操作旨在作为整体策略的最后步骤，用于去除农业灌溉和雨水径流中的污染物。生物滞留沟（bioswales）及其他城市绿色基础设施低影响开发（LID）措施，旨在作为关键环节，在径流进入邻近受纳水体之前去除其中的污染物。本方案重点介绍用于监测城市生物滞留沟的方法，以评估其对去除与城市污染物（特别是当前使用的农药）相关毒性的处理效果。

设计监测研究的关键步骤包括采用建模方法和采样设计以捕捉暴雨水文过程线，选择包含适当检出限的目标分析物清单，以及使用适合已知会导致地表水毒性的城市污染物的毒性指示物和终点指标。

例如，苯基吡唑类杀虫剂氟虫腈的降解产物去除效果不稳定，可能与其适中的溶解度有关2,13。当前生物滞留带设计可能需要改进，以应对生物滞留带及其他低影响开发（LID）措施未能完全去除的特定污染物。例如，高溶解性的新烟碱类杀虫剂的使用正在增加，而这类物质不易吸附于植物来源的介质上

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披露

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

致谢

本研究所述工作的资助来自加利福尼亚州农药管理部和加利福尼亚州水资源部。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
HOBO翻斗式数字记录雨量计 Onset Computer Co., Bourne MA, USA)Onset RG3雨量计
机械齿轮脉冲式流量计 Seametrics Inc., Kent WASeametrics MJ-R用于测量生物洼地出水流量的流量计
Filtrexx SafteySoxxFiltrexx Co. - info@filtrexx.comSafetySoxx用于颗粒活性炭和堆肥的带孔合成织物
颗粒活性炭 Evoqua - Siemens Corp., Oakland CAAC380用于农业灌溉水处理的颗粒活性炭
数字流量计 Seametrics Inc. Kent WAAg2000; WMP101用于农业灌溉处理系统监测的流量计
数据记录仪Campbell Scientific Inc., Logan, UTCR1000用于记录流量数据的数据记录仪
用于混合采样的蠕动泵Omega Engineering Inc. Stamford CTOmegaflex FPU-122-12VDC 用于混合采样的泵

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