Roślinne systemy uzdatniania do usuwania zanieczyszczeń związanych z toksycznością wód powierzchniowych w rolnictwie i spływach miejskich

Podsumowanie

Ten artykuł podsumowuje cechy projektu i skuteczność systemów uzdatniania, które oczyszczają wodę deszczową z miast i spływy irygacyjne z rolnictwa w celu usunięcia pestycydów i innych zanieczyszczeń związanych z toksycznością dla środowiska wodnego.

Streszczenie

Miejska woda deszczowa i spływ z nawadniania rolniczego zawierają złożoną mieszaninę zanieczyszczeń, które często są toksyczne dla sąsiednich wód, do których odprowadzane są wody. Spływ może być oczyszczany za pomocą prostych systemów zaprojektowanych w celu wspomagania sorpcji zanieczyszczeń dla roślinności i gleby oraz wspomagania infiltracji. Opisano dwa przykładowe systemy: system oczyszczania ścieków biosowych do oczyszczania miejskiej wody deszczowej oraz porośnięty roślinnością rów melioracyjny do oczyszczania spływów z nawadniania rolniczego. Oba mają podobne cechy, które zmniejszają ładunek zanieczyszczeń w odpływie: roślinność, która powoduje sorpcję zanieczyszczeń do gleby i powierzchni roślin oraz infiltrację wody. Systemy te mogą również obejmować integrację granulowanego węgla aktywnego jako etapu polerowania w celu usunięcia pozostałości zanieczyszczeń. Wdrożenie tych systemów w rolnictwie i miejskich zlewniach wymaga monitorowania systemu w celu weryfikacji skuteczności oczyszczania. Obejmuje to monitorowanie chemiczne pod kątem określonych zanieczyszczeń odpowiedzialnych za toksyczność. W niniejszym artykule położono nacisk na monitorowanie obecnego stosowania pestycydów, ponieważ są one odpowiedzialne za toksyczność wód powierzchniowych dla bezkręgowców wodnych.

Wprowadzenie

Toksyczność wód powierzchniowych jest powszechna w zlewniach Kalifornii, a dziesięciolecia monitorowania wykazały, że toksyczność jest często spowodowana pestycydami i innymi zanieczyszczeniami¹. Głównymi źródłami zanieczyszczenia wód powierzchniowych są wody burzowe i spływy irygacyjne ze źródeł miejskich i rolniczych. Ponieważ zbiorniki wodne są wymienione jako zdegradowane z powodu zanieczyszczeń, a toksyczność jest identyfikowana ze źródeł miejskich i rolniczych, organy regulacyjne ds. jakości wody współpracują ze stanowymi i federalnymi źródłami finansowania w celu wdrożenia praktyk mających na celu zmniejszenie obciążenia zanieczyszczeniami. W miejskich zlewniach Kalifornii promowana jest zielona infrastruktura w celu zmniejszenia powodzi i zwiększenia odzysku wody deszczowej poprzez infiltrację i magazynowanie. Podczas gdy w wielu regionach projekty LID (Low Impact Development) są wymagane dla nowych konstrukcji, niewiele badań monitorowało skuteczność tych systemów poza pomiarami konwencjonalnych zanieczyszczeń, takich jak rozpuszczone ciała stałe, metale i węglowodory. W ostatnim czasie w ramach bardziej intensywnego monitoringu oceniono zmniejszenie stężeń chemicznych i ładunku chemicznego odpowiedzialnych za toksyczność wód powierzchniowych oraz bezpośrednio określono, czy bioswale zmniejszają toksyczność spływu. To pokazało, że bioswales są skuteczne w usuwaniu toksyczności związanej z niektórymi klasami zanieczyszczeń², ale potrzebne są dodatkowe badania w przypadku pojawiających się substancji chemicznych budzących obawy.

Systemy uzdatniania roślinnego są również wdrażane w rolniczych zlewniach Kalifornii, a wykazano, że skutecznie redukują pestycydy i inne zanieczyszczenia w spływach nawadniających rolnictwo^3,4. Systemy te stanowią elementy zestawu podejść mających na celu zmniejszenie obciążenia wód powierzchniowych zanieczyszczeniami. Ze względu na to, że mają one na celu ograniczenie zanieczyszczeń odpowiedzialnych za toksyczność wód powierzchniowych, kluczowym elementem procesu wdrożenia jest monitorowanie w celu zapewnienia ich długoterminowej skuteczności. Monitorowanie obejmuje zarówno analizy chemiczne substancji chemicznych budzących obawy, jak i badania toksyczności z użyciem wrażliwych gatunków wskaźnikowych. W artykule opisano protokoły i wyniki monitoringu dla bioslawium parkingu miejskiego i systemu rolniczych rowów melioracyjnych porośniętych roślinnością.

Atrybuty projektu typowego parkingu bioswale, takie jak te, które mogą być używane do usuwania spływu burzowego w typowym miejskim parkingu handlowym o mieszanym przeznaczeniu, zależą od obszaru, który jest traktowany. W opisanym tutaj przykładzie 53 286 stóp kwadratowych asfaltu tworzy nieprzepuszczalną powierzchnię, która spływa do wału, który składa się z 4 683 stóp kwadratowych krajobrazu. Aby pomieścić spływ z tej powierzchni, płaski kanał w kształcie litery V o długości 215 stóp składa się z bagna o nachyleniu bocznym mniejszym niż 50% i nachyleniu podłużnym 1% (rysunek 1). To bagno składa się z trzech warstw, w tym rodzimej trawy pęczkowej posadzonej na 6 calach wierzchniej warstwy gleby, ułożonej na 2,5 stopy zagęszczonego podłoża. Woda deszczowa spływa z parkingów do wielu punktów wjazdowych wzdłuż wału. Woda infiltruje obszar porośnięty roślinnością, a następnie przenika przez podłoże i spływa do 4-calowego perforowanego odpływu. System ten odprowadza wodę przez system podłączony do sąsiedniego terenu podmokłego, który ostatecznie spływa do lokalnego potoku.

Protokół

1. Monitorowanie skuteczności bioswatów miejskich

1. Pobieranie próbek wody burzowej
   1. Pobrać próbkę 4 l wody deszczowej ze wstępnego oczyszczania opuszczającej parking, gdy wpływa ona do wlotu do bioswale, a następnie 4 l wody deszczowej po oczyszczaniu, gdy opuszcza ona bioswale przez 4-calowy odpływ wylotowy.
   2. Korzystając z lokalnych prognoz pogody, zbierz próbki na początku, w środku i na końcu hydrogramu burzy. Skomponuj próbki, aby scharakteryzować zmienność spływu podczas sztormu.
   3. Próbki o objętości 1,3 l należy pobrać ręcznie i umieścić w bursztynowej butelce o pojemności 4 l. Pobrać próbki wlotowe w kilku otworach krawężnikowych, gdzie woda burzowa wpływa do bioswale.
   4. Pobrać próbki wylotowe o pojemności 1,3 l z przepływomierza podłączonego do odpływu wylotowego (opisanego poniżej) i umieścić je w bursztynowej butelce o pojemności 4 l.
   5. Złożone próbki należy przechowywać na lodzie do czasu pobrania końcowej próbki hydrograficznej. Następnie przetransportować je do laboratorium i przechowywać w lodówce w temperaturze 4 °C przed pobraniem podpróbek do badań biochemicznych i toksyczności. Wyślij próbki do laboratorium chemicznego w ciągu 48 godzin od pobrania próbki.
2. Obliczanie obciążenia
   1. Przed burzą zainstaluj cyfrowy miernik deszczu z łyżką wywrotną, mocując go do latarni lub innego słupa przylegającego do miejsca bioswale. Użyj danych o opadach, aby wskazać chwilowe i całkowite opady deszczu dla tego miejsca.
   2. Zainstaluj mechaniczny przepływomierz impulsowy z przekładnią zębatą na odpływach wylotowych bioswale. Rejestruj całkowity przepływ wychodzący z bioswale.
      UWAGA: Zakłada się, że zmniejszenie objętości spływu zmniejsza ogólne obciążenie zanieczyszczeń w konstrukcjach LID.
   3. Modeluj objętość wody spadającej na obszar zlewni parkingu podczas opadów deszczu poprzez ekstrapolację przy użyciu cali deszczu zarejestrowanych przez deszczomierz. Na podstawie tych danych określimy objętość wprowadzaną do systemu uzdatniania na podstawie powierzchni parkingu.
   4. Użyj całkowitego przepływu zarejestrowanego przez przepływomierz wylotowy, aby obliczyć procent infiltracji. Oblicz różnicę między objętością wlotu i wylotu, aby określić infiltrację wody deszczowej.
   5. Obliczanie procentowego obciążenia zanieczyszczeniami i redukcji obciążenia podczas burzy za pomocą objętości wlotu i wylotu w połączeniu z pomiarami analitycznymi zanieczyszczeń.
   6. Zmierz anality chemiczne, które są istotne dla toksyczności wód powierzchniowych (jak omówiono poniżej). Całkowite grupy chemiczne w celu uproszczenia obliczeń obciążenia i oparcia się na ich podobnych toksycznych sposobach działania (np. całkowite wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne [WWA], całkowite pyretroidy i całkowite fipronil i degradacje).
3. chemia
   1. Przeanalizuj wszystkie próbki pod kątem następujących parametrów: zawiesina ogólna (TSS), metale śladowe (metoda USEPA 200.8⁵; spektrometria mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie [ICP/MS]) i WWA (metoda USEPA 625⁶).
   2. Przeanalizuj próbki pod kątem obecnie stosowanych pestycydów miejskich, w tym 9 pyretroidów (metoda USEPA SW846 8270 modified⁷; bifentryna, cypermetryna, fenwalerat / esfenwalerian, permetryna, tetrametryna, L-cyhalotryna, cyflutryna i alletryna) oraz fipronil i jego trzy podstawowe degradaty (siarczek fipronilu, sulfonek fipronilu, desulfinyl fipronilu).
   3. Analizować pyretroidy za pomocą chromatografii gazowej ze spektrometrią mas (GC/MS) z zastosowaniem ujemnej jonizacji chemicznej lub innej odpowiedniej metody w celu zapewnienia odpowiednich granic wykrywalności. Ponieważ większość obecnie stosowanych pestycydów jest wysoce toksyczna w niskich stężeniach, ich analizy wymagają niskich limitów chemicznych, aby były istotne dla oceny ryzyka środowiskowego. Limity zgłaszania dla pyretroidów wynoszą od 0,5 ng/l do 1,0 ng/l dla wszystkich pyretroidów z wyjątkiem permetryny (limit zgłaszania = 10 ng/l).
   4. Należy zastosować procedurę analityczną dla fipronilu, która zapewnia limit metody wynoszący 1,0 ng/L. Pestycydy fosforoorganiczne nie muszą być mierzone w zależności od lokalnych wzorców stosowania, na przykład na obszarach miejskich w Kalifornii^8,9.
   5. Pomiar pestycydów neonikotynoidowych (np. imidachloprydu) za pomocą ultrasprawnej chromatografii cieczowej sprzężonej z potrójnym kwadrupolowym spektrometrem masowym, w którym limit zgłaszania dla imidakloprydu wynosi 50 ng/l.
4. Badanie toksyczności
   1. Przeprowadź testy toksyczności na złożonych próbkach wody deszczowej wlotowej i wylotowej przy użyciu 3 gatunków testowych, zgodnie ze zmodyfikowanymi protokołami badań ostrych Agencji Ochrony Środowiska USA (USEPA)¹⁰. Test z kladoceranem Ceriodaphnia dubia mierzy przeżycie po 96 godzinach. Test z amfipodem Hyalella azteca mierzy przeżycie po 10 dniach. Test z muszką Chironomus dilutus mierzy przeżycie i wzrost po 10 dniach.
   2. Przeprowadzić ostre 96-godzinne testy przeżycia z kladoceranem C. dubia zgodnie z wytycznymi EPA USA.
      1. Wystaw pięć noworodków C. dubia w każdej z pięciu replik próbek wody deszczowej wlotowej i wylotowej. Kontrpróby składają się z 20 ml fiolek scyntylacyjnych zawierających 15 ml roztworu testowego.
      2. Nakarm noworodki mieszanką drożdży, cerofilu, pstrąga (=YCT; zgodnie z wytycznymi EPA USA) i glonów Selenastrum na 2 godziny przed codziennym 100% odnawianiem roztworów testowych wody deszczowej. Rekordowa łączna liczba noworodków, które przeżyły dziennie.
      3. Porównaj końcową przeżywalność C. dubia po 96 godzinach ekspozycji na próbki wody deszczowej na wlocie i wylocie z przeżywalnością w umiarkowanie twardej wodzie kontrolnej za pomocą testu t. Postępuj zgodnie z procedurami statystycznymi zalecanymi przez amerykańską Agencję Ochrony Środowiska.
   3. Przeprowadź ostre testy przeżycia 10 dni z amfikodem H. azteca zgodnie z wytycznymi EPA USA.
      1. Wystaw 10, 9 dni do 15 dni i 15 dni obunogów w każdej z pięciu kontrprób. Kontrpróby składają się ze szklanych zlewek o pojemności 300 ml zawierających 200 ml roztworu testowego.
      2. Przeprowadzaj testy amfipodystyczne przez 10 dni, codziennie licz liczbę ocalałych obunogów i odnawiaj 50% roztworu testowego co 48 godzin. Podawaj każdą zlewkę co 48 godzin 1,5 ml YCT po odnowieniu.
      3. Porównaj końcowe przeżycie obunogów w próbkach wody burzowej z 10-dniowym przeżyciem w wodzie ze studni laboratoryjnej, jak opisano powyżej.
   4. Przeprowadź przewlekłe testy przeżycia i wzrostu 10 dni z muszką C. dilutus zgodnie z wytycznymi EPA USA.
      1. Wystaw 12 7-wymiarowych zwierząt w każdej z czterech replik. Kontrpróby składają się ze szklanych zlewek o pojemności 300 ml zawierających 200 ml roztworu testowego. Zaopatrzyć każdy pojemnik do badania muszek z 5 ml piasku jako podłoże do budowy rurki przez larwy.
      2. Przeprowadzać badania przez 10 dni i odnawiać 50% roztworu badanego co 48 godzin dla każdej zlewki dziennie z rosnącą ilością gnojowicy pokarmu dla ryb (4 g/l), w następujący sposób: dni 0–3, 0,5 ml/dobę; dni 4–6, 1,0 ml/dobę; dni 7–10, 1,5 ml/dobę.
      3. Porównaj końcowe przeżycie i wzrost w próbkach wody burzowej z 10-dniowym przeżyciem w wodzie ze studni laboratoryjnej, jak opisano powyżej. Zmierzyć wzrost zwierząt, które przeżyły, jako suchą masę wolną od popiołu po 10 dniach w porównaniu z początkową masą badanych organizmów.
   5. W przypadku wszystkich testów toksyczności należy mierzyć rozpuszczony tlen, pH i przewodność za pomocą odpowiednich mierników i elektrod. Zmierzyć niezjonizowany amoniak za pomocą spektrofotometru.
      1. Zmierz twardość i zasadowość wody na początku i na końcu testów. ¹⁰
      2. Rejestruj temperaturę wody za pomocą termometru rejestrującego w sposób ciągły.

2. Zintegrowane monitorowanie skuteczności rolniczych rowów melioracyjnych porośniętych roślinnością

1. Zintegrowana konstrukcja rowu
   UWAGA: Rolniczy rów melioracyjny zastosowany w niniejszym przykładzie ma długość 152 m i przekrój poprzeczny w kształcie litery V 5 m u góry i 1 m głębokości. Roślinność rowowa jest połączeniem rodzimych gatunków traw obsianych głównie kostrzewą czerwoną (Festuca rubra). W tym przykładzie zintegrowane próby rowów wegetatywnych składały się z granulowanego węgla aktywnego (GAC) i filtracji kompostowej zintegrowanej z rowem porośniętym roślinnością.
   1. Zbuduj dwa filtry kompostowe i sześć filtrów węglowych i zainstaluj je w trzech różnych sekcjach porośniętego roślinnością rowu (rysunek 2). Użyj rękawów o długości 2 m i średnicy 20 cm wypełnionych węglem lub kompostem.
   2. Napełnij sześć tulei 30 litrami granulowanego węgla aktywnego i umieść je w poprzek rowu w punkcie na wysokości 146 m, w pobliżu końca 152-metrowego rowu porośniętego roślinnością. Przymocuj tuleje wypełnione GAC do dna rowu za pomocą drucianych kołków na górnej krawędzi.
   3. Umieść odcinek deski sosnowej o długości 2.5 m i szerokości 6 cali na dolnej krawędzi każdej z tulei GAC. Wkop sosnowe deski po obu stronach i na dnie kanału, aby zminimalizować omijanie wody i podcinanie tulei węglowych. Deski zapewnią również pionowe podparcie, aby zmaksymalizować czas kontaktu wody z węglem.
   4. Napełnij rękawy kompostowe około 15 kg częściowo rozłożonych odpadów podwórkowych z dowolnego czystego źródła, takiego jak lokalne wysypisko śmieci. Umieścić dwie tuleje kompostowe o długości 2 m w poprzek porośniętego roślinnością kanału na wysokości 64 m i na długości 123 m wzdłuż 152 m porośniętego roślinnością rowu (rysunek 2).
2. Symulacja spływu i pobieranie próbek
   UWAGA: Niniejszy protokół opisuje metody przeprowadzania symulowanych prób spływu rolniczego i związanego z nimi monitorowania w celu oceny skuteczności leczenia przy użyciu zintegrowanego systemu leczenia wegetatywnego. W obecnym przykładzie zintegrowany system kompostowania roślinnego i węglowego został oceniony przy dwóch prędkościach przepływu, które reprezentowały typowe prędkości zrzutu poza pole z gospodarstw komercyjnych w dolinie Salinas, 3,2 l/s i 6,3 l/s. Pestycyd fosforoorganiczny chloropiryfos został użyty jako pestycyd modelowy w tych badaniach, ponieważ ma umiarkowaną rozpuszczalność, a zatem reprezentuje średni zakres rozpuszczalności reprezentatywnych pestycydów powszechnie stosowanych w ochronie przed szkodnikami. Chloropiryfos jest również przedmiotem trwających działań regulacyjnych w środkowej Kalifornii ze względu na jego wpływ na działy wodne rolnictwa. Docelowa dawka chloropiryfosu wynosiła około 2 600 ng/l. Natężenia przepływu i docelowe stężenia chloropiryfosu mieściły się w zakresach wcześniej zmierzonych w lokalnym spływie nawadniającym ^3,11. W podanym przykładzie nie monitorowano hydraulicznego czasu przebywania impulsu wody przepływającego przez rów porośnięty roślinnością. Czas przebywania w tych systemach różni się w zależności od szybkości dopływu wody, stopnia nasycenia gleby w wyniku wcześniejszego nawadniania i deszczu, obecności struktur utrudniających przepływ, takich jak jazy i baseny sedymentacyjne, oraz wielkości powierzchni pokrytej roślinnością. Poprzednie badania wykazały, że czas przebywania w małych systemach rowów w dolinie Salinas wynosi kilka godzin ^3,4. Obserwacje wizualne wykazały, że czas przebywania filtrów GAC wynosił jedną lub dwie minuty.
   1. Stwórz symulowany spływ rolniczy przy użyciu wód gruntowych zmieszanych z zawieszonym osadem. W przypadku prób z modelowym pestycydem, chloropiryfosem, należy przygotować świeży roztwór podstawowy 10 mg/l na każde 3,2 l/s próby, dodając certyfikowany roztwór podstawowy do znanej objętości wody destylowanej. Przygotować świeży roztwór podstawowy chloropiryfosu o stężeniu 20 mg/l na każde 6,3 l/s próby.
      1. Użyj pompy dozującej, aby zapewnić stałą objętość roztworu podstawowego do spływającej wody, zanim dostanie się ona do wegetowanego rowu zabiegowego. Za pomocą pompy dozującej dostarczyć roztwór podstawowy o sile 50 ml/min do strumienia symulowanej wody do nawadniania.
   2. Monitoruj natężenie przepływu na wlocie za pomocą miernika cyfrowego i wykorzystaj te dane do ilościowego określenia całkowitej objętości spływającej wody zastosowanej do wlotu rowu.
   3. Zbuduj jaz na wylocie rowu i przeprowadź go w pionie za pomocą rury wylotowej podłączonej do przepływomierza cyfrowego. Użyj tego miernika, aby zarejestrować objętość odpływu wychodzącego z rowu.
   4. Użyj rejestratorów danych podłączonych do liczników cyfrowych, aby rejestrować przepływ w odstępach 5-minutowych. Zaprogramować rejestratory danych tak, aby uruchamiały pompy perystaltyczne umieszczone na wlocie i na różnych stacjach (np. 23 m, 45 m i 68 m) poniżej wlotu rowu w celu pobierania złożonych podpróbek spływu do zbiorników ze stali nierdzewnej w odstępach 5-minutowych.
3. chemia
   1. Na koniec każdej próby spływu należy przenieść próbki złożone wody spływającej z prób do butelek ze szkła oranżowego i utrzymywać próbki na lodzie w temperaturze 4 °C do późniejszych analiz toksycznych i chemicznych.
   2. Analizować próbki złożone pod kątem całkowitej zawiesiny (TSS) i chloropiryfosu za pomocą GC-MS lub testów immunoenzymatycznych (ELISA).
   3. Porównaj próbki kompozytowe "wlotowe" (obróbka wstępna) z próbkami kompozytowymi "wylotowymi" (po obróbce) w celu oceny skuteczności zintegrowanego systemu rowów w celu zmniejszenia ładunków TSS i pestycydów.
4. Badanie toksyczności
   1. Określ toksyczność słupa wody w próbkach złożonych z wlotu (przed obróbką) i wylotu (po leczeniu) każdego badania przy użyciu 96-godzinnych testów toksyczności Ceriodaphnia dubia¹⁰, jak opisano powyżej dla monitorowania bioswale. C. dubia jest odpowiednim gatunkiem do monitorowania toksyczności spływów rolniczych ze względu na jego wrażliwość na chloropiryfos (mediana stężenia śmiertelnego (LC50) = 53 ng/L¹²).

Wyniki

Skuteczność miejskich bioswale'i

W ciągu 18,5 h trwania burzy pluwiometrem zarejestrowano 1,52" opadów, co spowodowało spłynięcie 50 490 galonów wody z parkingów do bioswale. Z tej całkowitej objętości przepływomierz wylotowy zarejestrował 5 248 galonów, co przełożyło się na całkowitą infiltrację 90% wód opadowych, które wpłynęły do bioswale. Bioswale zredukowała stężenia wszystkich monitorowanych substancji chemicznych. Zawiesina ...

Dyskusja

Praktyki opisane w niniejszym protokole mają stanowić końcowe kroki w ogólnej strategii usuwania zanieczyszczeń z rolnictwa, nawadniania i spływu wód opadowych. Wykorzystanie bioswali i inne praktyki LID związane z zieloną infrastrukturą miejską mają na celu usunięcie zanieczyszczeń w odpływie, zanim dotrą one do sąsiednich wód przyjmujących. Protokół ten kładzie nacisk na metody monitorowania miejskich biologiów w celu określenia skuteczności leczenia w usuwaniu toksyczności związanej z zanieczyszczeniami miejskimi, z n...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Cyfrowy miernik deszczu HOBO z łyżką wywrotki	Onset Computer Co., Bourne MA, Stany Zjednoczone)	Onset RG3	Deszczomierz
Mechaniczny przepływomierz impulsowy z przekładnią	Seametrics Inc., Kent WA	Seametrics MJ-R	Przepływomierz do pomiaru przepływu na wylocie z bioswale
Filtrexx SafteySoxx	Filtrexx Co. - info@filtrexx.com		Perforowana tkanina syntetyczna SafetySoxx do granulowanego węgla aktywnego i kompostu
Granulowany węgiel aktywny	Evoqua - Siemens Corp., Oakland CA	AC380	GAC do uzdatniania wody do nawadniania w rolnictwie
Przepływomierze cyfrowe	Seametrics Inc., Kent, WA,	Ag2000; WMP101	Przepływomierze do monitorowania systemu nawadniania w rolnictwie
Rejestratory danych	Campbell Scientific Inc., Logan, UT	CR1000	Rejestratory do rejestrowania danych o
przepływie Pompy perystaltyczne do pobierania próbek kompozytowych	Omega Engineering Inc. Stamford CT	Omegaflex FPU-122-12VDC	Pompy do pobierania próbek kompozytowych