Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Environment

排水のイベント中に水の流れ加重と農業用水路から浮遊微粒子をキャプチャ

doi: 10.3791/56088 Published: November 7, 2017

Summary

粒子形態の栄養素は、農業集落排水処理水の全体的な負荷に大きく貢献できます。本研究では、排水のイベントの期間全体にわたって水の流れ加重とファーム運河排水から浮遊微粒子をキャプチャする手法について説明します。

Abstract

本研究の目的は水の流れ加重をキャプチャに使用するメソッドを記述して、排液中にファーム運河から浮遊微粒子放電イベント。ファーム運河は、トランスポートに影響されやすい、リン (P) などの栄養が濃縮することができます。浮遊微粒子の形でリンは、排水中の全体的な P 負荷に大きく貢献できます。離散排水イベント中に浮遊微粒子をキャプチャする整定時間の水槽実験を行った。ファーム運河放電水が排出されて水の複合サブサンプルを表すために、排水イベントの期間全体にわたって 2 つの 200 L 沈降タンクのシリーズで収集されました。Imhoff セトリング コーン、最終的に中断された微粒子を沈降する使用されます。これはコーンによる沈降タンクからサイフォン水によって達成されます。微粒子は、物理化学的解析、収集されます。

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

運命と浮遊粒子状物質の輸送、農業システム1,2の特に富栄養化におけるその役割のための多くの研究の対象とされています。内部の栄養素のサイクリングなど、多くの環境問題を調査し、覆う水列3にリリースする必要がある水生システム内で粒子状物質に含まれる栄養素の総合的な評価基板の安定性、水の列、および最終的に下流生態系4水品質問題内で光の可用性。(有機物・堆積物) の微粒子の形態で保存されているリン (P) の量は、水の列5の通常よりも大きいです。ケニーによって行われた調査。6は、湖 Lochloosa、フロリダ州で堆積した堆積が 1900 年の年齢範囲と 2006 年の間あったことを示した。これらの若い堆積物には、水の列に存在していたよりも約 55 倍の P が含まれています。特定のシステム上の微粒子があります潜在的な影響を評価する方法の 1 つは排水イベント時に排出される土砂に格納されているリンの定量のインベントリを実施します。これら排出微粒子の収集と分析によって、下流の肥沃化に敏感な生態系への影響を見積もることができます。

嵐のイベントは通常、時間のごく一部を表してまだ P 負荷放電農業用排水路の大部分を貢献するかもしれない。これフィールドの洪水を防ぐために大量の水は時間の短い期間にわたって排出されるためです。降雨強度と流れが重要な陸路流出7浮遊堆積物の濃度を制御することができます要因を駆動します。設計メソッドを監視フロー加重複合水サンプルをキャプチャする複雑な高強度の雨のイベントに関連付けられたエラーを避けるために役立つでしょう。嵐のようなイベントで高吐出中、濃度の迅速かつ抜本的な変化は増加量の平均の汚染物質濃度の代表できない場合があります。したがって、流れ加重水試料はこれまでより正確に8時間の期間にわたって荷重の総和である放電イベントの濃度を表します。最も一般的なフロー加重サンプルは、自動的に収集される離散またはコンポジット サンプルです。ファームからエクスポートされた浮遊微粒子をキャプチャすることにより放電時排水 P ロード中にイベントの重大度を定量化することをことができます。メソッドは、この研究によりキャプチャで様々 な物理・化学的性質の後で特徴付けられる微粒子を説明します。グラブ サンプリング対連続複合フロー法を用いた排水放電をサンプリングの目新しさは、排水イベントの期間全体にわたってフィールドの条件のより良い表現であることです。グラブ サンプリング時間の「スナップショット」は、完全にことができないのに対し、全体イベント効果を表します。

米国南フロリダのエバーグレーズ農業エリア (EAA) はチャネル化され、農業、商業および住宅の開発のため排水元のエバーグレーズの広大です。ほぼから、南と東南9EAA、11 億 m3の水を毎年排出されます。EAA の土壌は、通常が含まれます Histosols 35% 鉱物コンテンツ10より小さいオーバー 85% 有機重量問題、あります。運河の堆積物は通常 (0.14 g cm-3 0.35 g cm-3)、間低嵩密度を持っている (31-35%) の高い有機物含有量と 726-1,089 mg kg-1 11間に及ぶ合計 P (TP) 値。

このデモでは、EAA 内ファームが選ばれました。EAA 内の水の流れの hydroscape は、ポンプと重力によって異なります。少なくとも 1 つの主要な運河の EAA の各ファーム構成と複数フィールド溝。フィールドは、主要な運河に垂直に実行を溝します。ポンプは通常二つの目的を提供します。彼らは、ファームを灌漑水を提供、また排水オフサイトを放電します。フィールドは、排水する必要がある、主要な運河の水位が下がるし、動水勾配によって駆動される、溝に排水をフィールドから。フィールドにトランジットの土壌断面を通過するフィールドで発生する降雨の表面のほとんどでのみわずかな傾斜のための溝します。 灌漑、中にシステムが逆になります。EAA のタイル排水のネットワークはありません。地下水は、土壌石灰岩岩盤下っ端の拘束層による特定の高さで維持されます。 水は主要な運河; を通じて持ち込まれました。フィールド溝を満たした状態で、フィールドの水テーブルのレベルを高めるために地盤に浸透することを許されます。通常、3 月、4 月、5 月 (乾燥する季節)、中には、非常に小さな排水放電で EAA で農業用水の需要が発生します。対照的に、6 月と 10 月 (雨季) 退院水量が有意に高かったです。運河銀行小段および溝の存在は、ファームに P ロードの潜在的なソース運河12表面流出を最小限にできます。

この視覚の実験で P 分別13、有機物含有量、密度などの物理化学的特性の後で使用することができます排水イベント中に浮遊微粒子の流れ加重をキャプチャの新手法を提案します。 ,14

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1 データロガー インストールと働き

  1. の研究農場を識別および運河のレベルを監視する必要がある流れの比例的に複合フロー サンプルを収集するために、オートサンプラーをトリガーするデータロガーをインストール。ポンプ ヘッド回転およびポンプ校正式

Figure 1
図 1: イスコ サンプラー プログラム自動サンプリングするために使用複合排水と微粒子の手順水サンプリング この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

  1. ポンプ ステーションに隣接して流入・流出管に取り付けられている圧力トランスデューサーを使用してファームの運河のレベルを監視します
  2. モニター ポンプは、ポンプの頭の上にインストールされている近接スイッチを使用して高速化; 回転/分 (rpm) の速度がデータロガーによって記録されます
    。 注: 近接スイッチ部分は、金属のときに渡された互いの上数 rpm の数。彼らはポンプ頭部に溶接されます
  3. 転換を用いた測定降雨バケツの雨量計データロガーに接続されている
    。 注: データロガーは、UF/IFAS エバーグレーズの研究および教育センターである基本ラジオ局ラジオ テレメトリで通信します。テレメトリはサンプルのコレクションを制御するため、データの収集とストレージに対してのみ必要ではありません

2。排水水サンプリングの流れ加重

  1. 各ポンプ用データロガーとポンプ校正式を使用して計算する冷気流。トリガー流出量が達成された後、データロガーによって作動されるオートサンプラーで排水フロー加重サンプリングを実現します
    。 注: ポンプ速度と流れ料金は、24 時間以上異なります。イスコ サンプリングは、排水量、速度を変えない量によってトリガーされます。オートサンプラーは水の一定量の放電後サブのサンプルを収集するためにプログラムされます。湧水量はポンプの rpm の数に基づいて校正されています
  2. サンプラーを用いた、その場で 自動ポンプ ステーションである複合水サンプル (最低 500 mL) を収集し、排水のイベント中に毎日複合水サンプルをキャプチャするプログラムします
    。 注: イスコ サンプラーは 400 まで 2 分ごと 2 L サンプルは、データロガー経由で迂回管を使用して貯水タンクに羽毛のある l.
  3. プログラム サンプル トリガー ボリューム 24 時間あたり 30 サンプルの最大を許可する放電期間
    1. 次の手順で複合フロー サンプルを収集するデータロガー プログラム: 入力プログラム → プログラム → フロー ベース ・ サンプリング → サンプルごとの 1 パルス → 30 複合サンプル → 130 mL 試料体積 → 調整サンプル ボリューム [いいえ] → [いいえ] の開始時刻を入力 → 完全なシーケンスをプログラムします
  4. 収集・運搬は氷入りのクーラーの分析の実験室に戻るまで 4 ° C でオンサイト冷蔵庫で流れ加重合成サンプルを格納します
  5. は、水溶性の反応 P サンプル コレクションの時から 24 時間以内の水試料を分析します。合計 P (TP) 分析のための試料を酸性化し、最大 28 日間 15 の 4 ° C で保存することができます

3。浮遊粉じんをキャプチャ

  1. キャプチャし浮遊微粒子を特徴付ける排水期間の期間にわたってファーム運河放電水を収集するために 2 つの 200 L PVC 沈降タンクの系列を配置します
    1. 浮遊微粒子を収集するデータロガーは、次の手順でサンプル プログラム: プログラム → タイム ・ ベース ・ サンプリング → 2 分ごとのサンプル → 複合サンプル [200] → 校正サンプル ボリューム [いいえ] → 開始時刻を入力して [いいえ]→ のシーケンスが完了 → サンプリング ボタンをプッシュします
  2. 24 h コレクション期間にわたって水の量に基づいて設定タンク (2 L 2 分ごと) に流れ加重排水を収集します

Figure 2
図 2: 2 200 L タンク排水を収集するために使用します。浮遊微粒子がタンクの底に沈降して 5 ガロンのバケツで転送されます。 この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

  1. 微粒子、タンクに定住し始めると、ホースを使用して余分な水を吸い上げるです
  2. 5 ガロンのバケツに微粒子を移転、研究室に戻ってそれらを輸送、4、冷蔵庫にそれらを置く ° C
  3. サイフォン 24 h のためにセトリングした後余分な水分をオフし、コーンをセトリング Imhoff に微粒子を転送します
  4. 粒子が 4 でストレージの 500 mL をあらかじめ重量を量られたねじ上の瓶に転送される前に 1 つの最後の時間の余分な水を吸い上げる後少なくとも 1 時間のためにセトリング、° C
  5. 粒子サンプル瓶の重量を量ます
  6. ヘドリー、スチュワートの 14 のとおりリン分画解析を続行します

Figure 3
図 3: Imhoff 収集するために使用される円錐形を定着、浮遊微粒子の沈殿槽でキャプチャします。 この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

本研究で示した方法では、水とが農場の運河でイベントをポンピング中に放出されている粒子状物質を捕獲出来ます。水と収集された微粒子は流れ加重ポンプ イベントとかつてのスナップショットだけでなく全期間の代表ですが、つまり排出されている材料の種類の非常に代表的となっています。様々 な物理・化学的パラメーターを分析するのには、水や浮遊微粒子を格納できます。この記事で我々 は EAA 内の 3 つの農場運河から浮遊微粒子の特性のいくつかを要約しました。微粒子の物理化学的解析のいくつかの提案高有機質、低嵩密度が、P 11のような栄養素に富んでいます。0.08 g cm-3 0.11 g cm-3に間であった微粒子の密度。55-77% と 2,173 mg kg-1 2,548 mg kg-1 (図 4) の間であった TP 濃度間であった有機物組成。水及びファーム運河で中断された沈殿物の品質が高い土壌型の代表と周辺土地利用慣行。EAA 内土壌は高有機質、> 50% 有機材料 (OM) 浮遊微粒子に高いオブジェクト モデルが含まれていることは意外ではないので、微粒子も死んで水生植物物質 (砕屑性)、高 P 濃度16を含んでいるので構成されます。浮遊微粒子にみられる低嵩密度は高い OM コンテンツに直結します。

Figure 4
図 4:運河のファームから収集された微粒子の密度 (g cm-3)、有機物 (%)、および全りん濃度 (mg kg-1) を一括します。エラーバーは標準偏差に対応します。Bhadhaから変更16 この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

集塵、終了近くに置かれた排水用オートサンプラーはポンプ駅データロガーです。電源は、ソーラー パネルで充電 12 V 電池によって提供されました。オートサンプラーは、出口ポンプが走ったとポンプ停止してオフにそれらをオン、オートサンプラー敷地内のデータロガーによって制御されました。サンプラー吸気ラインの開口部は、ポンプ ステーションから運河の底と上向上 0.5 m を配置されました。摂取量線は運河の底と鉄筋まで摂取量線を結ぶ zip に金属鉄筋をインストールすることによって場所で開催されました。2 l、200 L タンク 3 分ごとに採取した毎日をセトリングに採取フィールドに、サンプルの水の大半は携帯用の吸引ポンプを使用してドラムから削除されました。存在する水や土砂が 26 L バケツの蓋に配置し、冷蔵庫内に置かれた研究所に戻った。次の日、付加的な水は、研究室の吸引ポンプを使用して削除されました。

重要なとき、できるだけ粒子を停止削除を避けるために粒子状物質を吸い上げます。ホースの端にピペット チップを追加し、水表面の近くの先端を維持する注意してください。余分な水を保存するときにサンプルでは左が普通です。サンプルの乾燥重量相当の推定を可能にする水分量を知ること、そしてサンプルおよび抽出剤なしのすべてのコンテナーの測定を保つことを助ける実験の精度を追跡します。

この手順を使用して、排水を収集するの目新しさは、グラブ サンプリングではなくフロー加重放電水を捕獲する 1 つをできるということです。流れ加重水サンプルはより、イベントの代表である時間とともに多数のサブ標本の複合体サンプルグラブ サンプルは全体排水イベントの代表をできない場合があります、1 つのサンプルだけです。本フロー加重サンプリング法は、1 つは自分の目指す目標に合わせて自動サンプラーをプログラムできるため、離散排水イベントを収集するため動作します。たとえば、自動サンプラーはポンプを実行しているすべての時間の水の 30 mL サブ サンプルを収集するプログラムできます。または流れ加重水試料は一定の増分量放電のサンプラーを通過後に水 30 mL サブ サンプルを収集するプログラムされることが。各フロー加重のサンプルは、それに対応する水の増分ボリューム全体の平均の汚染濃度を表すと見なされます。このメソッドでは、濃度が不規則に変更する場合でも、汚染物質の濃度を正確に測定することが出来ます。サンプルの流れ加重の利点は、負荷計算の簡素化および吐出量は、それぞれの代表的なサンプルのための定数になりより正確な推定には合計です。別のこの方法の利点は、冷蔵状態で 4 ° C で毎日流れ加重水サンプルを維持することは加えられました。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

本研究に関連する情報開示はありません。

Acknowledgments

我々 はパブロ バイタルとフィールド サンプリングするジョニー ・ モズレーとヴィヴィアナ ナダル イリーナ Ognevich 実験室分析のヘルプを感謝したいと思います。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Datalogger Campbell Scientific model CR1000
Auto-sampler ISCO model 3700
Pressure transducer KPSI model 700
Tipping bucket rain guage Texas Electronics model TR-525
Potassium Chloride Fisher 7447-40-7
Sodium Hydroxide Fisher 1310-73-2
Hydrochloric Acid Fisher 7647-01-0
Sulfuric Acid Fisher 7664-93-9
Potassium Persulfate Fisher 7727-21-1
Ammonium Molybdate Tetrahydrate Fisher 12054-85-2
L-Ascorbic Acid Fisher 50-81-7
100 mg/L Anhydrous Phosphate Standard ERA 061
Antimony Potassium Tartrate Trihydrate Fisher 28300-74-5
Durapore Membrane Filters Millipore HVLP04700
Whatman #41 Filter Paper Whatman 1441-150
Fixed Speed Reciprocal Shaker E6010 Eberbach Corporation E6010.00
Disposable Culture Tubes Fisher 14-961-29
Allegra 25R Centrifuge Becker Coulter U.S. 605168-AC
Parafilm Bemis Company Inc PM 999 13-374-12
Oak Ridge Centrifuge Tubes Nalgene 3119-0050
Fisherbrand 20mL HDPE Scintillation Vials with Urea Cap Fisher 03-337-23C
Fisherbrand Natural Polypropylene Jars with White Polypropylene Unlined Cap Fisher 02-912-024A
0.45 membrane filters Cole-Parmer Item # UX-15945-25
100 ml digestion tubes Fisher  TC1000-0735
Glass funnels Fisher 03-865
Spectronic 20 Genesys Thermo-Fisher 4001-000
QuikChem Latchat 8500

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Sims, J. T., et al. Phosphorus loss in agricultural drainage: historical perspective and current research. J. Environ. Qual. 27, 277-293 (1997).
  2. Van Esbroeck, C. J., et al. Surface and subsurface phosphorus export from agricultural fields during peak flow events over the non-growing season in regions with cool, temperate climates. J. Soil Water Conserv. 72, 65-76 (2017).
  3. Bhadha, J. H., et al. Phosphorus mass balance and internal load in an impacted subtropical isolated wetland. Water Air Soil Pollut. 218, 619-632 (2011).
  4. Eyre, B. D., McConchie, D. The implications of sedimentological studies for environmental pollution assessment and management: Examples from fluvial system in north Queensland and western Australia. Sediment. Geol. 85, 235-252 (1993).
  5. Bhadha, J. H., et al. Soil phosphorus release and storage capacity from an impacted subtropical wetland. Soil Sci. Soc. Amer. J. 74 (2010).
  6. Kenney, W. F., et al. Whole-basin, mass-balance approach for identifying critical phosphorus-loading thresholds in shallow lakes. Journal of Paleolim. 51, 515-528 (2014).
  7. Freebairn, D. N., Wockner, G. H. A study of soil erosion on vertisols of the Eastern Darling Downs, Queensland. Effects of surface conditions on soil movement within contour bay catchments. Aust. J.Soil Res. 24, 135-158 (1986).
  8. Erickson, A. J., et al. Optimizing stormwater treatment practices: a handbook of assessment and maintenance. Springer. New York. (2013).
  9. Abtew, W., Obeysekera, J. Drainage Generation and Water Use in the Everglades Agricultural Area Basin. J. Amer. Water Res. Asso. 32, 1147-1158 (1996).
  10. Daroub, S. H., et al. Best management practices and long-term water quality trends in the Everglades Agricultural Area. Cri. Rev. Environ. Sci. Technol. 41, 608-632 (2011).
  11. Bhadha, J. H., et al. Influence of suspended particulates on phosphorus loading exported from farm drainage during a storm event in the Everglades Agricultural Area. J. Soil Sed. 17, 240-252 (2017).
  12. Diaz, O. A., et al. Sediment inventory and phosphorus fractions for water conservation area canals in the Everglades. Soil Sci. Soc. Amer. J. 70, 863-871 (2006).
  13. Reddy, K. R., et al. Forms of soil phosphorus in selected hydrologic units of Florida Everglades. Soil Sci. Soc. Amer. J. 62, 1134-1147 (1998).
  14. Hedley, M. J., Stewart, J. W. Method to measure microbial phosphate in soils. Soil Biol. Biochem. 14, 377-385 (1982).
  15. EPA. Method 365.1, Revision 2.0: Determination of Phosphorus by Semi-Automated Colorimetry. O'Dell, J. W. (1993).
  16. Bhadha, J. H., et al. Effect of aquatic vegetation on phosphorus loads in the Everglades Agricultural Area. J. Aqu. Pla. Man. 53, 44-53 (2015).
排水のイベント中に水の流れ加重と農業用水路から浮遊微粒子をキャプチャ
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Bhadha, J. H., Sexton, A., Lang, T. A., Daroub, S. H. Capturing Flow-weighted Water and Suspended Particulates from Agricultural Canals During Drainage Events. J. Vis. Exp. (129), e56088, doi:10.3791/56088 (2017).More

Bhadha, J. H., Sexton, A., Lang, T. A., Daroub, S. H. Capturing Flow-weighted Water and Suspended Particulates from Agricultural Canals During Drainage Events. J. Vis. Exp. (129), e56088, doi:10.3791/56088 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter