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Article de méthode

Systèmes de traitement végétal pour éliminer les contaminants associés à la toxicité des eaux de surface dans l'agriculture et le ruissellement urbain

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DOI :

10.3791/55391

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15 mai 2017

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

Dans cet article

Résumé

Cet article résume les attributs de conception et l'efficacité des systèmes de traitement qui traitent les eaux pluviales urbaines et les eaux de ruissellement de l'irrigation agricole pour éliminer les pesticides et autres contaminants associés à la toxicité aquatique.

Résumé

Les eaux pluviales urbaines et l'écoulement d'irrigation agricole contiennent un mélange complexe de contaminants qui sont souvent toxiques pour les eaux réceptrices adjacentes. Le ruissellement peut être traité avec des systèmes simples conçus pour favoriser la sorption de contaminants dans la végétation et les sols et favoriser l'infiltration. Deux exemples de systèmes sont décrits: un système de traitement biologique pour le traitement des eaux pluviales urbaines et un fossé de drainage végétal pour traiter le ruissellement de l'irrigation agricole. Les deux ont des attributs similaires qui réduisent le chargement des contaminants dans le ruissellement: la végétation qui entraîne la sorption des contaminants sur le sol et les surfaces des plantes et l'infiltration d'eau. Ces systèmes peuvent également inclure l'intégration du charbon actif granulé comme étape de polissage pour éliminer les contaminants résiduels. La mise en œuvre de ces systèmes dans l'agriculture et les bassins hydrographiques urbains nécessite une surveillance du système pour vérifier l'efficacité du traitement. Cela comprend la surveillance chimique pour les contaminants spécifiques responsables de la toxicité.Le document actuel met l'accent sur la surveillance de l'utilisation actuelle des pesticides, car ils sont responsables de la toxicité des eaux de surface pour les invertébrés aquatiques.

Introduction

La toxicité de l'eau de surface est répandue dans les bassins hydrographiques de la Californie et des décennies de surveillance ont montré que la toxicité est souvent due à des pesticides et à d'autres contaminants 1 . Les principales sources de contamination des eaux de surface sont les eaux pluviales et les eaux de ruissellement provenant de sources urbaines et agricoles. Comme les plans d'eau sont classés comme dégradés en raison des contaminants et la toxicité est identifiée à partir de sources urbaines et agricoles, les régulateurs de la qualité de l'eau s'associe aux sources de financement fédérales et fédérales pour mettre en œuvre des pratiques visant à réduire le chargement des contaminants. L'infrastructure verte est promue dans les bassins versants urbains de Californie pour réduire les inondations et augmenter la récupération des eaux pluviales par infiltration et stockage. Bien que les projets de développement à faible impact (LID) soient mandatés pour de nouvelles constructions dans de nombreuses régions, peu d'études ont surveillé l'efficacité de ces systèmes au-delà des mesures de contaminants classiques comme les solides dissous, les métaux et l'hydrocarbureBons. Une surveillance plus intensive a récemment évalué les réductions des concentrations chimiques et le chargement chimique responsable de la toxicité des eaux de surface et de déterminer directement si les bioswales réduisent la toxicité du ruissellement. Cela a montré que les bioswales sont efficaces pour éliminer la toxicité associée à certaines classes de contaminants 2 , mais des recherches supplémentaires sont nécessaires pour les produits chimiques émergents.

Des systèmes de traitement végétatif sont également mis en œuvre dans les bassins hydrographiques de l'agriculture en Californie, et ceux-ci ont été jugés efficaces pour réduire les pesticides et autres contaminants dans le ruissellement de l'irrigation agricole 3 , 4 . Ces systèmes représentent des composants d'une suite d'approches pour réduire le chargement de contaminants dans les eaux de surface. Parce qu'ils sont destinés à atténuer les contaminants responsables de la toxicité des eaux de surface, un élément clé du processus de mise en œuvre est le suivi de eSur leur efficacité à long terme. La surveillance comprend à la fois des analyses chimiques de produits chimiques préoccupants, ainsi que des tests de toxicité avec des espèces sensibles sensibles. Cet article décrit les protocoles et les résultats de la surveillance pour un bioswale de stationnement urbain et un système de fossé de drainage végétal agricole.

Les attributs de conception d'un bioswale de stationnement typique, tels que ceux qui peuvent être utilisés pour traiter les eaux de ruissellement dans un parc de stationnement urbain typique à usage mixte, dépendent de la zone traitée. Dans l'exemple décrit ici, 53 286 pieds carrés d'asphalte créent une surface de surface imperméable qui s'écoule sur un bas, qui comprend 4 683 pieds carrés d'aménagement paysager. Pour tenir compte du ruissellement de cette zone de surface, un canal de forme semi-V à fond plat de 215 pieds comprend le bas avec une pente latérale inférieure à 50% et une pente longitudinale de 1% ( figure 1 ). Cet essuie-glace comprend trois couches, y compris le peloton natif planté dans 6 pouces de terre végétale, layeRouge sur 2,5 pieds de dégradé compacté. Les eaux pluviales s'écoulent des aires de stationnement à de multiples points d'entrée le long de l'essaim. L'eau infiltre la zone végétalisée, puis imprègne la sous-station et draine dans un drain perforé de 4 pouces. Ce système draine de l'eau à travers un système plombé dans une zone humide adjacente qui s'écoule finalement dans un ruisseau local.

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Protocole

1. Surveillance de l'efficacité des bioswales urbaines

  1. Échantillonnage de l'eau de tempête
    1. Exemple 4 L d'eaux pluviales de prétraitement quittant le stationnement en entrant dans l'entrée de la bioswale, puis 4 L d'eaux pluviales post-traitement en sortant du bioswale à travers le drain de 4 ".
    2. En utilisant les prévisions météorologiques locales, collecter des échantillons au début, au milieu et à la fin de l'hydrogramme de la tempête. Composez les échantillons pour caractériser la variabilité du ruissellement pendant l'événement de tempête.
    3. Recueillir 1,3 L d'échantillons à la main et les composer dans une bouteille ambrée de 4 L. Recueillir des échantillons d'entrée à plusieurs ouvertures de bordure où les eaux pluviales s'écoulent dans le bioswale.
    4. Recueillir des échantillons de sortie de 1,3 L du débitmètre attaché au drain de sortie (décrit ci-dessous) et les composer dans une bouteille ambrée de 4 L.
    5. Stockez les échantillons composés sur glace jusqu'à ce que l'échantillon hydrographique final soit collecté. Ensuite, les transporter au laboratoire et tenir un refrIgerator à 4 ° C avant le sous-échantillonnage pour la chimie et les tests de toxicité. Expédier des échantillons au laboratoire de chimie dans les 48 heures suivant la collecte des échantillons.
  2. Calcul de la charge
    1. Avant la tempête, installez une jauge de pluie à balai numérique à l'aide d'un balancier, en l'attachant à une lumière ou à un autre pôle adjacent au site de la bioswale. Utilisez les données de pluie pour indiquer des précipitations instantanées et totales pour le site.
    2. Installez un débitmètre mécanique à impulsions sur les drains de sortie du bioswale. Enregistrer le débit total sortant du bioswale.
      REMARQUE: La réduction du volume de ruissellement est supposée réduire le chargement global des contaminants dans les conceptions LID.
    3. Modifiez le volume d'eau qui tombe sur le bassin versant du stationnement pendant l'événement de pluie par extrapolation en utilisant les pouces de pluie enregistrés par le pluviomètre. Utilisez ces données pour déterminer le volume entrant dans le système de traitement en fonction de la surface de surface du stationnement.
    4. Utilisez le flux total enregistré par tLe débitmètre de sortie pour calculer le pourcentage d'infiltration. Calculez la différence entre le volume d'entrée et de sortie pour déterminer l'infiltration des eaux pluviales.
    5. Calculez les pourcentages de chargement et de réduction de charge pendant la tempête en utilisant le volume d'entrée et de sortie en conjonction avec des mesures analytiques de contaminants.
    6. Mesurez les analytes chimiques pertinents pour la toxicité des eaux de surface (comme indiqué ci-dessous). Total des groupes chimiques pour simplifier les calculs de charge et se baser sur leurs modes d'action toxiques similaires ( p. Ex . Hydrocarbures aromatiques polynucléaires totaux [PAH], pyréthroïdes totaux et fipronil et dégradés totaux).
  3. Chimie
    1. Analyser tous les échantillons pour les paramètres suivants: solides en suspension totale (TSS), métaux traces (méthode USEPA 200,8 5 , spectrométrie de masse plasmatique couplée inductivement [ICP / MS]) et HAP (méthode USEPA 625 6 ).
    2. Analyser les échantillons pour le curreNt utilisent des pesticides urbains, dont 9 pyréthroïdes (la méthode USEPA SW846 8270 modifiée 7 , la bifenthrine, la cyperméthrine, le fenvalerate / esfenvalerate, la perméthrine, la tétraméthrine, la L-cyhalothrine, la cyfluthrine et l'allethrine) et le fipronil et ses trois principaux dégradés (sulfate de fipronil, Fipronil sulfone, fipronil desulfinyl).
    3. Analyser les pyréthroïdes en utilisant la chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse (GC / MS) en utilisant une ionisation chimique négative ou autre méthode appropriée pour fournir des limites de détection adéquates. Étant donné que la plupart des pesticides à usage courant sont hautement toxiques à faibles concentrations, leurs analyses exigent que les limites de déclaration chimique soient pertinentes pour l'évaluation des risques environnementaux. Les limites de déclaration de méthode pour les pyréthroïdes sont de 0,5 ng / L à 1,0 ng / L pour tous les pyréthroïdes, sauf la perméthrine (limite de déclaration = 10 ng / L).
    4. Utilisez une procédure analytique pour le fipronil qui fournit une limite de déclaration de méthode de 1,0 ng / L. Les pesticides organophosphorés n'ont pas besoin d'être mesurésSur les modèles d'utilisation locale, par exemple dans les zones urbaines en Californie 8 , 9 .
    5. Mesurer les pesticides néonicotinoïdes ( p. Ex. , L'imidaclopride) en utilisant une chromatographie liquide ultra performante couplée à un spectromètre de masse triple quadripolaire, qui a une limite de déclaration pour l'imidaclopride de 50 ng / L.
  4. Test de toxicité
    1. Effectuer des tests de toxicité sur les échantillons d'eaux pluviales d'entrée et de sortie composées en utilisant 3 espèces d'essai, suite à des protocoles de test aigus modifiés par l'US Environmental Protection Agency (USEPA) 10 . Le test avec le cladocère Ceriodaphnia dubia mesure la survie après 96 h. Le test avec l'amphipode Hyalella azteca mesure la survie après 10 jours. Le test avec la midge Chironomus dilutus mesure la survie et la croissance après 10 jours.
    2. Effectuer des tests de survie aiguë de 96 h avec le cladocère C. dubia suivant U.S. Conseils EPA.
      1. Exposer cinq neveux à C. dubia dans chacune des cinq répliques d'échantillons d'eaux pluviales d'entrée et de sortie. Les répliques consistent en des flacons de scintillation de 20 ml contenant 15 ml de solution d'essai.
      2. Feed neonate un mélange de levure, de cerophylle, de truite chow (= YCT, suivant le guidage de l'EPA aux États-Unis) et des algues de Selenastrum 2 h avant le renouvellement quotidien de 100% des solutions d'épreuve des eaux pluviales. Enregistrez le nombre total de nouveau-nés survivants par jour.
      3. Comparez la survie finale de C. dubia après une exposition de 96 h aux échantillons d'eaux pluviales d'entrée et de sortie à la survie dans une eau de contrôle modérément dure en utilisant un test t. Suivre les procédures statistiques recommandées par l'EPA.
    3. Effectuer des tests de survie aiguë de 10 jours avec l'amphipode H. azteca suivant les conseils de l'EPA aux États-Unis.
      1. Exposez 10 amphipodes de 10 jours à 15 jours dans chacune des cinq répétitions. Les répliques se composent de béchers en verre de 300 ml contenant 200 ml de solution d'essai.
      2. Effectuez des tests d'amphipodes pendant 10 jours, comptez quotidiennement le nombre d'amphipodes survivants et renouvellez 50% de la solution d'essai toutes les 48 h. Alimenter chaque bêcher toutes les 48 h avec 1,5 mL de YCT après le renouvellement.
      3. Comparez la survie finale des amphipodes dans les échantillons d'eaux pluviales à 10 jours de survie dans l'eau de puits de laboratoire comme décrit ci-dessus.
    4. Effectuer des tests de survie et de croissance 10 jours chroniques avec la midge C. dilutus suite aux conseils de l'EPA aux États-Unis.
      1. Exposez 12 animaux de 7 ans dans chacune des quatre répliques. Les répliques consistent en des béchers en verre de 300 ml contenant 200 ml de solution d'essai. Fournir chaque récipient d'essai de midge avec 5 mL de sable comme substrat pour la construction de tubes par les larves.
      2. Effectuer des tests pendant 10 jours et renouveler 50% de la solution d'essai toutes les 48 h pour chaque bécher par jour avec une quantité croissante de bouillie alimentaire (4 g / L), comme suit: jours 0 à 3, 0,5 mL / jour; Jours 4 à 6, 1,0 mL / jour; Jours 7 à 10, 1,5 mL / jour.
      3. Comparer la survie finale etCroissance dans les échantillons d'eaux pluviales à la survie 10-d dans l'eau de puits de laboratoire comme décrit ci-dessus. Mesurer la croissance des animaux survivants sous forme de poids sec exempt de cendres à 10 fois par rapport au poids initial des organismes témoins.
    5. Pour tous les tests de toxicité, mesurez l'oxygène dissous, le pH et la conductivité en utilisant des compteurs et des électrodes appropriés. Mesurer l'ammoniac non ionisé à l'aide d'un spectrophotomètre.
      1. Mesurer la dureté et l'alcalinité de l'eau lors de l'initiation et la fin des essais. dix
      2. Enregistrez la température de l'eau avec un thermomètre d'enregistrement continu.

2. Surveillance intégrée de l'efficacité énergétique du fossé de drainage agricole végétalisé

  1. Construction intégrée de fossés
    REMARQUE: Le fossé de drainage agricole utilisé dans l'exemple actuel mesure 152 m de long et présente une largeur de section transversale semi-en forme de V de 5 m en haut et 1 m de profondeur. La végétation de fossé est une combinaison de nEspèces d'herbes actives principalement semées de fétuque rouge ( Festuca rubra ). Dans cet exemple, les essais intégrés de fosses végétatives ont consisté en des traitements granulés au charbon activé (GAC) et au filtre à compost intégrés au fossé végétalisé.
    1. Construisez deux filtres à compost et six filtres à charbon et installez-les dans trois tronçons différents du fossé végétal ( figure 2 ). Utilisez des manchons de 2 m de long de 20 cm de diamètre, remplis de carbone ou de compost.
    2. Remplissez six manchons avec 30 L de charbon actif granulé et placez-les sur le fossé au point de 146 m, près de la fin de 152 m de fossé végétal. Ancrez les manchons remplis de GAC au fond du fossé avec des enjeux métalliques sur le bord amont.
    3. Placez une section de pin de pin de 2,5 m de largeur sur le bord aval de chacune des manchons GAC. Détachez les panneaux de pin sur les deux côtés et le bas du canal pour minimiser l'eau contournant et sous-coiffant les manchons en carbone. ProVeillez au support vertical pour maximiser le temps de contact avec le carbone.
    4. Remplissez les manchons de compost avec environ 15 kg chacun de déchets de jardin partiellement décomposés de toute source propre, comme une décharge locale. Positionnez deux manchons de compostage de 2 m de long sur le canal végétal à 64 m et à 123 m sur la longueur du fossé végétal 152 m ( figure 2 ).
  2. Simulation et échantillonnage du ruissellement
    NOTE: Ce protocole décrit des méthodes pour mener des essais simulés de ruissellement agricole et une surveillance associée pour évaluer l'efficacité du traitement en utilisant le système de traitement végétatif intégré. Dans l'exemple actuel, le système intégré de compost-carbone-carbone a été évalué à deux débits qui représentaient les débits typiques hors champ des fermes commerciales dans la vallée de Salinas, 3,2 L / s et 6,3 L / s. Le pesticide organophosphate chlorpyrifos a été utilisé comme pesticide modèle dans ces essais car il a une solubilité modéréeEt représente donc le milieu de la solubilité des pesticides représentatifs couramment utilisés dans la lutte antiparasitaire. Le chlorpyrifos fait également l'objet de mesures réglementaires en cours en Californie centrale en raison de ses impacts sur les bassins hydrographiques agricoles. La dose cible de chlorpyrifos était d'environ 2 600 ng / L. Les débits et les concentrations cibles de chlorpyrifos se situaient dans les fourchettes précédemment mesurées dans les eaux de ruissellement locales 3 , 11 . Le temps de séjour hydraulique pour une impulsion d'eau transitant par le fossé végétal n'a pas été surveillé dans l'exemple donné ici. Le temps de séjour dans ces systèmes varie en fonction du débit d'eau, du degré de saturation des sols dû à l'irrigation et à la pluie précédentes, à la présence de structures pour entraver les écoulements tels que les déversoirs et les bassins de sédimentation et la superficie de la surface couverte par la végétation. Des études antérieures ont démontré des temps de séjour de plusieurs heures pour les systèmes de fossés à petite échelleSalinas Valley 3 , 4 . Les observations visuelles indiquent que le temps de résidence pour les filtres GAC était d'une heure ou deux.
    1. Créer un ruissellement agricole simulé en utilisant des eaux souterraines mélangées avec des sédiments en suspension. Pour les essais avec le modèle de pesticide, chlorpyrifos, préparer une solution stock fraîche de 10 mg / L pour chaque essai de 3,2 L / s en ajoutant une solution stock certifiée à un volume connu d'eau distillée. Préparez une solution mère de chlorpyrifos frais de 20 mg / L pour chaque essai de 6,3 L / s.
      1. Utilisez une pompe doseuse pour fournir un volume de solution stock constant à l'eau de ruissellement avant qu'elle ne pénètre dans l'entrée du fossé de traitement végétalisé. Utilisez la pompe doseuse pour fournir une solution stock à 50 mL / min pour l'écoulement de l'eau d'irrigation simulée.
    2. Surveillez le débit d'entrée avec un compteur numérique et utilisez ces données pour quantifier le volume total d'eau de ruissellement appliqué à l'entrée du fossé.
    3. Construire un atoutE sortie du fossé et appliquez-le avec un tuyau de sortie connecté à un débitmètre numérique. Utilisez ce compteur pour enregistrer le volume d'écoulement sortant du fossé.
    4. Utilisez les enregistreurs de données connectés aux compteurs numériques pour enregistrer le flux à des intervalles de 5 minutes. Programmer les enregistreurs de données pour activer les pompes péristaltiques situées à l'entrée et à différentes stations ( par exemple , 23 m, 45 m et 68 m) au-dessous de l'entrée du fossé pour collecter des sous-échantillons composites de ruissellement dans des conteneurs en acier inoxydable à intervalles de 5 minutes.
  3. Chimie
    1. Transférer des échantillons composites d'eau de ruissellement des essais en bouteilles de verre ambré à la fin de chaque essai de ruissellement et maintenir les échantillons sur de la glace à 4 ° C pour une toxicité et des analyses chimiques ultérieures.
    2. Analyser les échantillons composites pour les solides en suspension total (TSS), et les chlorpyrifos en utilisant des tests d'immunosorbant GC-MS ou enzymatiques (ELISA).
    3. Comparer les échantillons composites "d'entrée" (prétraitement) à & #34; échantillons composites de sortie (post-traitement) pour évaluer l'efficacité du système de fossé intégré pour réduire les TSS et les charges de pesticides.
  4. Test de toxicité
    1. Déterminer la toxicité de la colonne d'eau était dans les échantillons composites de l'entrée (prétraitement) et de la sortie (post-traitement) de chaque essai en utilisant des tests de toxicité Cerivedaphnia dubia de 96 h, comme décrit ci-dessus pour la surveillance des bioswales. C. dubia est une espèce de surveillance appropriée pour la toxicité du ruissellement agricole en raison de sa sensibilité au chlorpyrifos (concentration létale médiane (LC50) = 53 ng / L 12 ).

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Résultats

Efficacité des bioswales urbains

Au cours des 18,5 h de la tempête, 1,52 "de pluie a été enregistrée par la pluviométrie, ce qui a entraîné la production de 50,490 gallons d'eau provenant des parkings dans le bioswale. De ce volume total, 5 248 gallons ont été enregistrés par le débitmètre , Ce qui a entraîné une infiltration totale de 90% des eaux pluviales qui ont circulé dans la bioswale. La bioswale a réduit tous les...

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Discussion

Les pratiques décrites dans ce protocole sont les étapes finales d'une stratégie globale visant à éliminer les polluants dans l'irrigation agricole et le ruissellement des eaux pluviales. L'utilisation de bioswales et d'autres pratiques de LID d'infrastructure verte urbaine est une dernière pièce du casse-tête pour éliminer les contaminants dans le ruissellement avant qu'ils n'atteignent les eaux réceptrices adjacentes. Ce protocole met l'accent sur les méthodes de surveillance des bioswa...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs déclarent qu'ils n'ont pas d'intérêts financiers concurrents.

Remerciements

Le financement du travail décrit ici provient du Département des pesticides de la Californie et du Département des ressources en eau de la Californie.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
HOBO benne basculante enregistreur numérique pluviomètre  ;Onset Computer Co., Bourne MA, États-Unis)Pluviomètre Onset RG3
Débitmètre à impulsions à engrenages mécaniques  ;Seametrics Inc., Kent WASeametrics MJ-RDébitmètre pour mesurer le débit de sortie de bale biologique
Filtrexx SafteySoxxFiltrexx Co. - info@filtrexx.comSafetySoxxTissu synthétique perforé pour charbon actif granulé et compost
Charbon actif granulé  ;Evoqua - Siemens Corp., Oakland CAAC380GAC pour le traitement de l’eau d’irrigation agricole
Débitmètres numériques  ;Seametrics, Inc., Kent, WAAg2000 ; WMP101Débitmètres pour la surveillance des systèmes de traitement de l’irrigation agricole
Enregistreurs de donnéesCampbell Scientific Inc., Logan, UTCR1000Enregistreurs de données pour l’enregistrement des données de débit
Pompes péristaltiques pour l’échantillonnage compositeOmega Engineering Inc. Stamford CTOmegaflex FPU-122-12VDC  ;Pompes pour l’échantillonnage des composites
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Références

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