Plantaardige Behandeling Systemen voor het verwijderen van verontreinigingen geassocieerd met oppervlaktewater toxiciteit in Landbouw en Urban Runoff

Samenvatting

In dit artikel wordt een samenvatting gemaakt van de ontwerpkenmerken en de effectiviteit van behandelingssystemen die de afvoer van stedelijke stormwater en landbouw irrigatie behandelen om pesticiden en andere verontreinigingen die verband houden met aquatische toxiciteit te verwijderen.

Samenvatting

Stedelijke stormwater en landbouw irrigatie afvoer bevatten een complex mengsel van verontreinigingen die vaak giftig zijn voor aangrenzende ontvangende wateren. Afvoer kan worden behandeld met eenvoudige systemen die zijn ontworpen om sorptie van verontreinigingen te bevorderen voor vegetatie en bodems en infiltratie te bevorderen. Twee voorbeeldsystemen worden beschreven: een bioswale behandelingssysteem voor stedelijke stormwaterbehandeling, en een vegetatieve drainage sloot voor de behandeling van de afvoer van landbouw irrigatie. Beide hebben vergelijkbare eigenschappen die vermindering van de vervuiling in de afvoer verminderen: vegetatie die resulteert in sorptie van de verontreinigingen op de bodem- en plantoppervlakken en waterinfectie. Deze systemen kunnen ook de integratie van gefilterde actieve kool als een polijststap omvatten om resterende verontreinigingen te verwijderen. De implementatie van deze systemen in de landbouw en de stedelijke watersector vereist dat systeemmonitoring de werkzaamheid van de behandeling verifieert. Dit omvat chemische monitoring voor specifieke verontreinigingen die verantwoordelijk zijn voor toxiciteit.In dit document wordt nadruk gelegd op het toezicht op huidige pesticiden, aangezien deze verantwoordelijk zijn voor de oppervlaktewater toxiciteit voor aquatische ongewervelde dieren.

Inleiding

Oppervlaktewatertoxiciteit komt voor in de waterscheidingen van Californië en decennia van het toezicht hebben aangetoond dat toxiciteit vaak voortvloeit uit pesticiden en andere verontreinigende stoffen ¹ . De belangrijkste bronnen van oppervlaktewater besmetting zijn stormwater en irrigatie afloop uit stedelijke en landbouwbronnen. Aangezien waterlichamen worden afgebroken als gevolg van verontreinigingen en de toxiciteit is geïdentificeerd uit stedelijke en agrarische bronnen, houden de waterkwaliteit toezichthouders samen met staats- en federale financieringsbronnen praktijken om de vervuiling te beperken. Groene infrastructuur wordt bevorderd in de stedelijke waterscheidingen in Californië om overstromingen te verminderen en het herstel van stormwater door infiltratie en opslag te verhogen. Hoewel ontwerpen van Low Impact Development (LID) voor nieuwe constructies in veel regio's zijn verplicht, hebben weinig studies de werkzaamheid van deze systemen bewaakt na afmetingen van conventionele verontreinigingen zoals opgeloste vaste stoffen, metalen en koolwaterstofbons. Meer intensieve monitoring heeft onlangs de vermindering van de chemische concentraties en chemische belastingen die verantwoordelijk zijn voor toxiciteit van het oppervlaktewater, geëvalueerd en om direct te bepalen of bioswales de toxiciteit van de afvoer verminderen. Dit heeft aangetoond dat bioswales effectief zijn bij het verwijderen van toxiciteit die verband houdt met sommige verontreinigende klassen ² , maar aanvullend onderzoek is nodig voor opkomende chemische stoffen die van belang zijn.

Plantaardige behandelingssystemen worden ook geïmplementeerd in landbouwbedrijven in Californië, en deze zijn aangetoond dat ze effectief zijn bij het verminderen van pesticiden en andere verontreinigingen in de afvoer van de landbouw irrigatie ^{3 , 4} . Deze systemen zijn componenten van een reeks aanpakken om de vervuiling van het oppervlaktewater te verminderen. Omdat ze bedoeld zijn om verontreinigingen te verminderen die verantwoordelijk zijn voor de oppervlaktewatertoxiciteit, is een belangrijk onderdeel van het implementatieproces toezicht op eNsure hun effectiviteit op lange termijn. Monitoring omvat zowel chemische analyses van chemicaliën van zorg, alsook toxiciteitstests met gevoelige indicatoren. Dit artikel beschrijft protocollen en monitoring resultaten voor een stedelijke parkeerplaats bioswale en een landbouwgewas gedroogde sloopstelsel.

De ontwerpeigenschappen van een typische parkeerplaats bioswale, die gebruikt kunnen worden om stormafvoer in een typisch gemengd gebruik stedelijk winkelparkeerterrein te behandelen, hangt af van het behandelde gebied. In het hier beschreven voorbeeld creëert 53.286 vierkante meter asfalt een ondoordringbaar oppervlak dat afvoer naar een zwaluw, die bestaat uit 4 683 vierkante meter landscaping. Om een ​​afvoer van deze oppervlakte te kunnen opvangen, bestaat een 215 voet lang platvormig, semi-V-vormkanaal uit de zwavel met een zijdelingse helling van minder dan 50% en een longitudinale helling van 1% ( figuur 1 ). Deze swale bestaat uit drie lagen, waaronder inheemse bosgras geplant in 6 centimeter van bovengrond, laagRood over 2,5 voet van gecomprimeerde subgrade. Stormwater stroomt van parkeerplaatsen naar meerdere toegangspunten langs de swale. Het water infiltreert het beplantte gebied, doordringt dan de subgrade en dreineert in een 4-inch geperforeerde afvoer. Dit systeem leidt water door een systeem dat aan een aangrenzend vleiland loopt, dat uiteindelijk in een lokale kreek afvoert.

Protocol

1. Urban Bioswale Effectiviteit Monitoring

1. Stormwatermonsterneming
   1. Sample 4 L van voorbehandeling stormwater verlaten van de parkeerplaats als het komt in de bioswale inlaat, en dan 4 L van de stormwater na behandeling, omdat het de bioswale door de 4 "uitlaat drain.
   2. Met behulp van lokale weersvoorspellingen verzamelt u monsters aan het begin, het midden en het einde van de hydrografie van de storm. De monsters worden samengesteld om de afloopvariabiliteit te karakteriseren tijdens het stormgeval.
   3. Verzamel 1,3 L monsters met de hand en maak ze samengesteld in een 4 L-amberfles. Verzamel inlaatmonsters bij verscheidene randopeningen waar stormwater in de bioswale stroomt.
   4. Verzamel 1,3 L uitlaatmonsters van de flowmeter die aan de afvoerafvoer is bevestigd (hieronder beschreven) en composiet ze in een 4 L-amberfles.
   5. Bewaar de samengestelde monsters op ijs tot het laatste hydrograafmonster is verzameld. Vervoer ze dan naar het laboratorium en houd een refrIgerator bij 4 ° C voorafgaand aan subsampling voor chemie en toxiciteitstesten. Verzend monsters naar het chemisch laboratorium binnen 48 uur van de monsterneming.
2. Load Berekening
   1. Voorafgaand aan de storm installeert u een regenmeter met digitale logger voor het afzetten van een kippenbak door deze aan een licht of andere pool naast de bioswale-plaats te bevestigen. Gebruik de regengegevens om directe en totale regenval voor de site aan te geven.
   2. Installeer een mechanische versnellingspulsmeter op de uitlaatgassen van de bioswale. Noteer de totale stroom die de bioswale verlaat.
      OPMERKING: Vermindering van het afloopvolume wordt verondersteld om de totale belasting van verontreinigingen in LID-ontwerpen te verminderen.
   3. Model het volume van water dat tijdens het regenevenement op het parkeerterrein opvangt door extrapolatie met behulp van de duim regen die door de regenmeter is geregistreerd. Gebruik deze gegevens om het volume in het behandelingssysteem te bepalen op basis van het parkeerterrein.
   4. Gebruik de totale stroom opgenomen door tHij uitlaat flow meter om infiltratie percentage te berekenen. Bereken het verschil tussen inlaat- en uitlaatvolume om de stormwaterinfectie te bepalen.
   5. Bereken de vervuilingspercentages tijdens de storm en gebruik het inlaat- en uitlaatvolume in combinatie met contaminante analytische metingen.
   6. Meet chemische analyses die relevant zijn voor de oppervlakte toxiciteit (zoals hieronder besproken). Totaal chemische groepen om belastingberekeningen en basis te vereenvoudigen op hun soortgelijke toxische werkingsmethoden ( bijv . Totale polynucleaire aromatische koolwaterstoffen [PAH's], totale pyrethroïden en totale fipronil en degradaten).
3. Chemie
   1. Analyseer alle monsters voor de volgende parameters: totaal gesuspendeerde vaste stoffen (TSS), spoormetalen (USEPA methode 200.8 ⁵ , inductief gekoppelde plasma-massaspectrometrie [ICP / MS]) en PAH's (USEPA methode 625 ⁶ ).
   2. Analyseer monsters voor curreNt-gebruik stedelijke pesticiden, waaronder 9 pyrethroïden (USEPA methode SW846 8270 gemodificeerd ⁷ ; bifenthrin, cypermethrine, fenvaleraat / esfenvaleraat, permethrin, tetramethrine, L-cyhalothrin, cyfluthrin en allethrin) en fipronil en zijn drie primaire afbraakmiddelen (fipronil sulfide, Fipronil sulfone, fipronil desulfinyl).
   3. Analyseer pyrethroïden met behulp van gaschromatografie-massaspectrometrie (GC / MS) onder toepassing van negatieve chemische ionisatie of andere geschikte methode om adequate detectiegrenzen te verschaffen. Aangezien de meeste huidige pesticiden in hoge mate giftig zijn bij lage concentraties, zijn hun analyses vereist dat de lage chemische rapportagegrenzen relevant zijn voor de milieueffectbeoordeling. De methode rapportage grenzen voor pyrethroïden liggen van 0,5 ng / L tot 1,0 ng / L voor alle pyrethroïden behalve permethrin (rapportage limiet = 10 ng / L).
   4. Gebruik een analytische procedure voor fipronil die een methode rapportage limiet van 1,0 ng / L biedt. Organofosfaatpesticiden hoeven niet gemeten te wordenPlekken op lokale gebruikspatronen ^, bijvoorbeeld in stedelijke gebieden in Californië ^{8 , 9} .
   5. Meet neonicotinoïde pesticiden ( bijv . Imidacloprid) met behulp van ultraprestatie vloeistofchromatografie gekoppeld aan een triple quadrupole massaspectrometer, die een rapportage limiet voor imidacloprid van 50 ng / L heeft.
4. Toxiciteitstesten
   1. Doe toxiciteitstests op de samengestelde inlaat- en uitlaatwaterwatermonsters met behulp van 3 testsoorten, conform gewijzigde US Environmental Protection Agency (USEPA) acute testprotocollen ¹⁰ . De test met de cladoceran Ceriodaphnia dubia meet de overleving na 96 uur. De test met de amphipod Hyalella azteca meet overleving na 10 dagen. De test met de Chironomus dilutus van de midge meet overleving en groei na 10 dagen.
   2. Doe acute 96 h overlevingstests met de cladoceran C. dubia na U.S. EPA richtlijnen.
      1. Ontbloot vijf C. dubia- neonaten in elk van vijf replicaten van inlaat- en uitlaatwaterwatermonsters. Replicaten bestaan ​​uit 20 ml scintillatie flesjes die 15 ml testoplossing bevatten.
      2. Feed voedt een mengsel van gist, cerofyll, forelhut (= YCT, volgende Amerikaanse EPA richtlijnen ) en Selenastrum algen 2 uur voor dagelijkse 100% vernieuwing van de stormwater test oplossingen. Noteer het totale aantal overlevende neonaten per dag.
      3. Vergelijk de uiteindelijke C. dubia overleving na 96 uur blootstelling aan inlaat en uitlaat stormwater monsters om te overleven in matig hard controle water met behulp van een t-test. Volg de statistische procedures die door de Amerikaanse EPA zijn aanbevolen.
   3. Doe acute 10 d overlevingstesten met de amphipod H. azteca volgens de Amerikaanse EPA-richtlijnen.
      1. Ontvang 10, 9 dagen voor 15 dagen oude amphipoden in elk van vijf replicaten. Replicaten bestaan ​​uit 300 ml glasbekers die 200 ml testoplossing bevatten.
      2. Voer amphipodetests gedurende 10 dagen uit, tel het aantal overlevende amphipoden per dag en vernieuw 50% van de testoplossing om de 48 uur. Voer elke beker elke 48 uur met 1,5 ml YCT na de vernieuwing.
      3. Vergelijk het uiteindelijke overleving van amphipoden in stormwatermonsters tot 10 dagen overleving in laboratoriumwaterwater zoals hierboven beschreven.
   4. Voer chronische 10 d overlevings- en groeitests uit met de midge C. verdunning volgens de Amerikaanse EPA-richtlijnen.
      1. Ontdek 12, 7-d-oude dieren in elk van de vier replicaten. Replicaten bestaan ​​uit 300 ml glazen bekers die 200 ml testoplossing bevatten. Zorg voor elke midge-testcontainer met 5 ml zand als substraat voor buisbouw door de larven.
      2. Voer de tests uit voor 10 d, en verdubbel 50% van de testoplossing elke 48 uur voor elke beker per dag met een toenemende hoeveelheid vismengsel (4 g / L) als volgt: dagen 0 tot 3, 0,5 ml / dag; Dagen 4 tot 6, 1,0 ml / dag; Dagen 7 tot 10, 1,5 ml / dag.
      3. Vergelijk laatste overleving enGroei in stormwatermonsters tot 10-d overleving in laboratoriumwaterwater zoals hierboven beschreven. Meet de groei van overlevende dieren als aasvrij drooggewicht bij 10 d in vergelijking met het initiële gewicht van de testorganismen.
   5. Voor alle toxiciteitstests meet opgeloste zuurstof, pH en geleidbaarheid met behulp van geschikte meters en elektroden. Meet unionized ammoniak met behulp van een spectrofotometer.
      1. Meet waterhardheid en alkaliniteit bij aanvang en beëindiging van de testen. ¹⁰
      2. Opname watertemperatuur met een continue opname thermometer.

2. Geïntegreerde Monitoring van de Ditch Effectiveness van de Groene Landbouw Drainage

1. Geïntegreerde Ditch Construction
   OPMERKING: De in het huidige voorbeeld gebruikte landbouwafvoerbak is 152 m lang en heeft een semi-V-vormige doorsnedebreedte van 5 m boven en 1 m diepte. De plantengroei is een combinatie van nAtiegrassoorten die hoofdzakelijk met rode fescue ( Festuca rubra ) worden gezaaid. In dit voorbeeld bestonden geïntegreerde vegetatieve slootproeven uit geanalyseerde geactiveerde kool (GAC) en compostfilterbehandelingen die geïntegreerd werden met de vegetatieve sloot.
   1. Construeer twee compostfilters en zes koolstoffilters en installeer ze in drie verschillende delen van de vegetatie ( Figuur 2 ). Gebruik 2 m lange 20 cm diameter mouwen gevuld met koolstof of compost.
   2. Vul zes mouwen met 30 L gefilterde actieve kool en plaats deze over de sloot op het 146 m punt, dichtbij het einde van 152 m getijde gras. Anker de GAC-gevulde mouwen naar de slootbodem met draadpinnen op de stroomopwaartse rand.
   3. Plaats een 2,5 m lange 6 "brede sectie pijnboomplaat op de stroomafwaartse rand van elk van de GAC-mouwen. Graaf de pijnboomplanken in de beide zijden en de bodem van het kanaal om water te vermijden en de koolstofmouwen te vermijden en te ondermijnen. proVide verticale ondersteuning om de watercontacttijd met de koolstof te maximaliseren.
   4. Vul de compostmouwen met ongeveer 15 kg elk van gedeeltelijk ontbonden yardafval uit elke schone bron, zoals een lokale stortplaats. Plaats twee 2 m lange compostmouwen over het vegetatiekanaal op 64 m en op 123 m langs de lengte van de 152 m vegetatieve sloot ( Figuur 2 ).
2. Afloop simulatie en bemonstering
   OPMERKING: Dit protocol beschrijft methodes voor het uitvoeren van gesimuleerde landbouwafvalproeven en bijbehorende monitoring om de efficiëntie van de behandeling te evalueren met behulp van het geïntegreerde vegetatieve behandelingssysteem. In het huidige voorbeeld werd het geïntegreerde gecultiveerde compost-koolstofsysteem geëvalueerd bij twee stromingssnelheden die de typische veldafvoer van commerciële boerderijen in de Salinas Valley, 3,2 L / s en 6,3 L / s, vertegenwoordigen. Het organofosfaat pesticide chlorpyrifos werd gebruikt als model pesticide in deze proeven, omdat het een matige solubiGelijkheid, en vertegenwoordigt daarom het middelbereik van de oplosbaarheid van representatieve pesticiden die gewoonlijk worden gebruikt in het plaagbeheer. Chlorpyrifos is ook het onderwerp van lopende regelgevende acties in Centraal-Californië vanwege de impact ervan op de waterschappen van de landbouw. De dosis chlorpyrifos dosis was ongeveer 2.600 ng / L. Stroomsnelheden en concentraties van de doelgroep chlorpyrifos liggen binnen de bereik die eerder is gemeten in lokale afvoerafvoer ^{3 , 11} . De hydraulische verblijftijd voor een waterpuls die door de geteisterde sloot overschreden werd niet in het hier gegeven voorbeeld bekeken. De verblijftijd in deze systemen varieert met waterinlaat, de mate van bodemverzadiging als gevolg van eerdere irrigatie en regen, de aanwezigheid van structuren om de stroom te verhinderen, zoals meren en sedimentatiebakken, en de hoeveelheid oppervlakte waarop de vegetatie betrekking heeft. Vorige studies hebben de verblijftijden van enkele uren voor kleine schaaldrogsystemen in deSalinas Valley ^{3 , 4} . Visuele observaties geven aan dat de verblijftijd voor de GAC filters een of twee minuten was.
   1. Maak gesimuleerde landbouwafvoer met grondwater gemengd met gesuspendeerd sediment. Voor proeven met het model pesticide, chlorpyrifos, berei een verse voorraadoplossing van 10 mg / L voor elke 3.2 L / s-proef op door een gecertificeerde voorraadoplossing toe te voegen aan een bekend volume gedestilleerd water. Bereid een verse chlorpyrifos voorraadoplossing van 20 mg / L voor elke 6.3 L / s trial.
      1. Gebruik een doseerpomp om een ​​consistent volume voorraadoplossing te leveren aan het afvoerwater voordat het in de ingevoerde behandelingsgraad inlaat komt. Gebruik de doseerpomp om voorraadoplossing bij 50 ml / min te leveren aan de stroom van gesimuleerd irrigatiewater.
   2. Monitor de inlaatstroom met een digitale meter en gebruik deze gegevens om het totale volume afvoerwater dat op de slootinlaat wordt toegewezen te kwantificeren.
   3. Constructeer een weir bij thE uitlaat van de sloot en plumb dit met een uitlaatpijp aangesloten op een digitale flowmeter. Gebruik deze meter om het volume van afloop op te nemen die uit de sloot komt.
   4. Gebruik data loggers aangesloten op de digitale meters om de stroom op te nemen met intervallen van 5 minuten. Programmeer de data loggers om peristaltische pompen in de inlaat en op verschillende stations ( bijv . 23 m, 45 m en 68 m) te activeren onder de inlaat van de sloot, om samengestelde subsamples van afloop in roestvrijstalen containers te verzamelen met intervallen van 5 minuten.
3. Chemie
   1. Vervolgens samengestelde monsters van afvoerwater van proeven tot amber glazen flessen aan het eind van elk afloopproef en houd de monsters op ijs bij 4 ° C voor latere toxiciteit en chemische analyses.
   2. Analyseer de samengestelde monsters voor totaal gesuspendeerde vaste stoffen (TSS) en chlorpyrifos met behulp van GC-MS of enzym-gekoppelde immunosorbent assays (ELISA).
   3. Vergelijk "inlaat" composietmonsters (voorbehandeling) naar & #34, uitlaat "samengestelde monsters (postbehandeling) om de werkzaamheid van het geïntegreerde sloot systeem te evalueren om de belasting van TSS en pesticiden te verminderen.
4. Toxiciteitstesten
   1. Bepaling van de toxiciteit van de waterkolom was in samengestelde monsters van de inlaat (voorbehandeling) en uitlaat (postbehandeling) van elk proef met behulp van 96 h testen van de toxiciteit van Ceriodaphnia dubia ¹⁰ , zoals hierboven beschreven voor de bioswale monitoring. C. dubia is een geschikte controlesoort voor toxiciteit bij de afloop van de landbouw door de gevoeligheid voor chlorpyrifos (mediane dodelijke concentratie (LC50) = 53 ng / L ¹² ).

Resultaten

Urban Bioswale Effectiviteit

Gedurende de 18,5 uur van de storm werd 1,52 "regen geregistreerd door de regenmeter en dit resulteerde in 50.490 liter water die van de parkeerplaatsen naar de bioswale stroomde. Van dit totale volume werden 5.248 liter geregistreerd door de uitlaatstroommeter , Wat resulteerde in een totale infiltratie van 90% van het stormwater dat in de bioswale stroomde. De bioswale verminderde alle gecontro...

Discussie

De praktijken beschreven in dit protocol zijn bedoeld als laatste stappen in een algemene strategie om verontreinigende stoffen te verwijderen in de irrigatie van de landbouw en de afloop van de stormwater. Gebruik van bioswales en andere stedelijke groen-infrastructuur LID praktijken zijn bedoeld als een laatste stuk van de puzzel om verontreinigingen te verwijderen in afloop voordat ze aangrenzende ontvangende wateren bereiken. Dit protocol benadrukt methoden om stedelijke bioswales te monitoren om de doeltreffendheid...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
HOBO tipping-bucket digital logger rain gauge	Onset Computer Co., Bourne MA, USA)	Onset RG3	Regenmeter
Mechanical geared pulse flow meter	Seametrics Inc., Kent WA	Seametrics MJ-R	Debijmeter voor het meten van de uitstroom van een bioswal
Filtrexx SafteySoxx	Filtrexx Co. - info@filtrexx.com	SafetySoxx	geperforeerd synthetisch doek voor gegranuleerd actieve kool en compost
Gegranuleerde actieve kool	Evoqua - Siemens Corp., Oakland CA	AC380	GAC voor landbouw irrigatiewaterbehandeling
Digitale debietmeters	Seametrics Inc. Kent WA	Ag2000; WMP101	Debijmeters voor het bewaken van het landbouw irrigatiebehandelingssysteem
Dataloggers	Campbell Scientific Inc., Logan, UT	CR1000	Dataloggers voor het registreren van stromingsgegevens
Peristaltiekpompen voor composietbemonstering	Omega Engineering Inc. Stamford CT	Omegaflex FPU-122-12VDC	Pompen voor composietbemonstering