文摘

多环芳烃(多环芳烃)持久性有机污染物的环境问题与已知的致癌活性。虽然在城市径流文学文档PAH的命运,对分布在沉积物大小,这是判定其所必需的可处理性在接收水域和命运。本文量化的浓度选择多环芳烃在城市河沉积物和检查可能的沉积物中多环芳烃含量与沉积物特征之间的关系,如颗粒大小、挥发性的有机内容(VOC)和沉积物化学需氧量(SCOD)。SCOD、挥发性有机化合物和多环芳烃浓度粒径的沉积物呈双峰分布。大直径沉积物有最高的挥发性有机化合物和多环芳烃的浓度最高。多环芳烃含量的空间变异沉积物大小也具有统计学意义;然而,多环芳烃物质的质量是影响的相对丰度不同的沉积物颗粒大小类混合物。

1。介绍

多环芳烃(多环芳烃)是一类经常检测有机污染物在城市雨水径流。根据米等。1),在北美城市淡水沉积物中多环芳烃含量随着时间的增加,表明额外的排放与工业化和城市化,包括增加使用车辆和磨损的沥青1- - - - - -3]。例如,斯坦et al。4]发现多环芳烃在风暴通量范围从1.3克/公里²大部分未开发的阿罗约Sequit分水岭- 224 g / km²高度城市化的Verdugo洗分水岭在加州,美国。同样,根据休斯顿et al。5),多环芳烃和其它污染物通量的增加交通和工业地区和远郊相比,暗示这些发展积极影响径流中多环芳烃的贡献。个人多环芳烃在雨水径流的相对分布可以表示他们的原始来源分类,高分子量多环芳烃指示高热(燃烧)的来源,而低分子量多环芳烃指示造岩的来源。然而,以这种方式追踪来源变得可疑,如果预期环境生物或物理退化过程变化的相对丰度不同的多环芳烃在决选。不管多环芳烃来源的类型在城市地区,雨水是多环芳烃的主要交付系统接收水体。重要的是要理解多环芳烃的源和汇的行为,也就是说,在雨水和附近的小溪,为了解决他们的有效控制和补救。由于水环境污染径流也带来了风险,这些化合物的存在会导致监管要求沉积物评估和修复,或雨水管理要求控制或治疗(6]。

多环芳烃在城市径流可能发生在可溶性和particulate-associated形式。研究已经确定了颗粒相关联的多环芳烃作为最丰富的7- - - - - -10),预计基于疏水性和较低的蒸汽压,尤其是对多环芳烃有超过三个芳香环。研究也证明泥沙质地和有机质含量的影响影响多环芳烃对沉积物(11]。调查发现高多环芳烃浓度与大有机物质(叶和其他植物垃圾)被困在雨水可航行的控制(12),进一步表明沉积物成分影响多环芳烃与颗粒物,特别是固体有机含量高。李等人。13]还观察到一个强大的积极关系沉积物总有机碳和黑碳和多环芳烃浓度。此外,源地区可能影响多环芳烃的分布格局与沉积物颗粒大小。例如,Guggenberger et al。14)注意到均匀分布在农村土壤多环芳烃的粒径,而穆勒et al。15)观察到的非齐次城市土壤中多环芳烃的分布。生物降解是一种多环芳烃减少沉积物的主要降解过程(16],这可能是受许多因素影响包括沉积物大小,因此由沉积物多环芳烃的相对丰度的大小。相对广泛的数据可用来确认主要分布的命运之间的多环芳烃的溶解和颗粒的形式。然而,有限的信息是可用的关于命运的多环芳烃分布粒子大小,这是本研究的重点。

研究看着雨水径流的粒度分布,认为研究之间的差异因素,包括源区域,地理位置,前期干旱时期。传输能量提供给移动更大的粒子通过城市排水系统是有限的,与大型粒子沉积沿流路径或排水系统。因此雨水样品获得附近的沉积物来源含有更多更大的粒子,而获得的样本在排放口少更大的固体。全国城市径流污染(NURP)研究了雨水径流收集的数据在排放口从不同的位置在美国和指出,超过90%的雨水微粒(数量和质量)都在1到100μ米范围内(17]。因为他们的强劲与固体雨水径流、多环芳烃的命运和运输将直接关系到他们的粒度。联想到更小的微粒可能导致进一步的运输,减少沉降的排水系统,并使用过滤系统潜在的治疗。对多环芳烃与更大的粒子,它可以预期的风暴,在大多数情况下,他们将会解决接近源和沉积将是一个非常有效的控制实践。因此,采样位置相对于源区域可能会影响大量的粒子尺寸样品中多环芳烃质量,这使得它更好的理解是至关重要的多环芳烃的粒度影响协会。

由于跟踪选定的多环芳烃的浓度在雨水粒子和需要大量样本分离雨水固体整除的多环芳烃的分析,需要大量样本,在大部分雨水采样情况下难以实现。代孕的PAH联系的代表粒径会分析地表的沉积物在城市雨水排泄口接收水域。这样的抽样可能不会给源雨水的真正代表粒子分布,但这将是足够的量化预期的多环芳烃浓度对沉积物粒径源地区排水口排水。仔细选择的排水口隔离特定资源和土地利用将允许一种改进的理解源排水系统中的多环芳烃生成和传输。这个项目采用这种方法来收集雨水多环芳烃分布的粒子大小和测试领域贡献源分布的影响。这个项目集中在收集城市流沉积物雨水排放口下游立即安置在完全发达的分水岭。获得的样本在不同的城市流在塔斯卡卢萨和Northport,职能部门,如后所述。样本特征的范围是为了代表当地城市流条件的典型的范围(粒子大小、污染物浓度等)。本研究还分析了城市河沉积物特征之间的关系如粒度分布(psd),挥发性有机碳(VOC),沉积物化学需氧量(SCOD)多环芳烃浓度。这样的关系可以使雨水经理估计PAH的大小问题,协会根据更直接和容易测量沉积物的特征。

本文观察到沉积物样品的大小分布和多环芳烃浓度粒径范围。测试结果可能沉积物中多环芳烃浓度之间的关系和各自的沉积物特征也在本文中描述。

2。方法

2.1。源区、样本收集和样本处理

15个独立的沉积物样品收集从三个不同的城市小溪(克里布疯狂磨溪、猎人溪和卡罗尔Creek)在塔斯卡卢萨和Northport半岛,美国。克里布疯狂磨溪排独栋,中级到高级密度住宅区,而猎人溪收到繁忙道路雨水径流小溪旁边,商业领域(包括汽车修理厂),从公园居住区和径流。卡罗尔溪是影响径流从高密度住宅区的一侧溪和森林土地在河的另一边。这三个小溪和样品,因此,代表了一种广泛的典型城市的特点。

沉积物次级样本得到使用手册,聚丙烯七星取样器。每个子样品收集从顶部2厘米的沉积物(大约1000克湿重/样本)。五个次级样本收集每溪在100米到达每个样本内和合成分析。样本被放置在铝盘,干大约在100°C去除水分。假设,因为利益的分析物(选择的多环芳烃,如下所述)在这项研究中有沸点高于200°C,干燥沉积物样品约为100°C小停留时间(约12小时)在正常压力条件下不会导致任何重大损失感兴趣的分析物的沉积物样品。延长加热加压的条件下,可能导致从固体矩阵分析物的解吸温度低于沸点。如果有任何此类损失在我们的研究中,它将主要是为更容易挥发低分子量分析物如萘(沸点218°C)。然而,所有样品都以类似的方式处理,这样的效果将同样适用于所有样本结果,不会影响样品的比较分析结果摘要。沉积物是干筛分45、90、180、355、710,1.400,2800μ米不锈钢筛子和机械震动(100 rpm, 60分钟)之前,多环芳烃和其它分析。throw-action筛选,使用的机械振动垂直的投掷运动覆盖了轻微的圆周运动,这有助于粒子分布在筛以及回落与筛眼和通过打开如果足够小的粒子。沉积物分离使用机械振动器是一种普遍采用的过程,因为它被认为产生沉淀物分离,是可再生的和精确的。大型有机材料(LOM;叶子和其他碎片> 2.800μ最大m)手动分离粒子部分并分别进行了分析。沉积物收集个人筛子和LOM分数重,储存在冰箱里,直到进行了分析。

2.2。沉积物化学分析

所有沉积物分析了分数13多环芳烃(选择基于文献报道描述他们共同出现在城市雨水和它也指出是剧毒)。13多环芳烃分析包括萘、芴、菲、蒽、荧蒽、芘、苯并蒽,屈,苯并(b)荧蒽、苯并(a)芘,Indeno (1、2、3 cd)芘,Dibenz (a, h)蒽、苯并苝醌类化合物(g、h、i)。样品制备和分析技术,报道Bathi [18),使用AutoDesorb(科学仪器服务公司,林格,新泽西,美国)热提取方法提取的多环芳烃直接注入GC-MSD沉积物。

2.3。沉积物物质组成和SCOD分析

的挥发性有机内容沉积物分数决定使用“热色谱法”(挥发性固体的扩张分析)技术/雷(19]。SCOD大小分级分析每个反应堆的沉积物进行了消化哈希法8000 (http://www.hach.com/)。

3所示。结果与讨论

3.1。沉积物粒度分布

图1显示了观察到的粒度分布,从三个地方城市河的沉积物。总的来说,大部分的粒子分布在90到710的范围μ米,中位数从200到710不等μm。只有10%的样品质量,平均而言,是大于1000μm。缺乏小颗粒样本反映了罚款在高溪的交通流。克里布疯狂磨溪有更大粒子和卡罗尔溪有更多的小颗粒。增加大型沉积物在克里布疯狂磨溪采样位置被认为是造成径流从高度为高密度城市的具体排列溪底的位置,避免稀释与溪底侵蚀泥沙颗粒较小的粒子。此外,衬里底部也有相当大的大量的藻类的生长,这是包含在大的沉积物样品。另一方面,卡罗尔溪样品位置的来源地区大量的透光区域。猎人溪是一个中间的地理有很高比例的铺地区排水区域,但自然溪底。

城市径流样品相比,过去的研究(例如,NURP),小粒子的河沉积物样品比例较低和较高的比例较大的粒子,显示更大的粒子可能沉积的河沉积物和下游运输较小的粒子。这些优惠去除机制导致了河流沉积物的粒度分布粒子的雨水排放相比,在文献中报道。作为一个例子,抽样流的总体平均粒径沉积物对200年和710年之间μ米,大约50到100倍大部分雨水排泄口颗粒的平均粒径。

3.2。沉积物中多环芳烃

观察到的个人多环芳烃的浓度大小分数沉积物与所有样本从三个位置展示在表相结合1。观察到沉积物中多环芳烃浓度大小分数非常变量(表1),类似于一个期望雨水污染物。总的来说,多环芳烃分析结果显示双峰分布的多环芳烃浓度较小(< 90μ米)和更大的(> 710μ米)分数多环芳烃浓度高,特别是对于大型有机物质(LOM)。趋势是类似于一个期望的半挥发性的污染物分布在沉积物低水溶性的价值观和他们倾向于被吸引到有机物根据文学,显示粒子的有机质含量之间有很强的正相关关系及其相关多环芳烃浓度。根据文献,预计更小的微粒有机质含量较高的质量(20.),部分原因是本地材料(砂浆和粘土),另一方面则是因为他们在水中溶解的有机物吸收能力。文献通常表明一个贫穷的大型矿物沉积物大小和多环芳烃浓度之间的关系。这个项目,然而,发现大型沉积物颗粒,特别是LOM植被有机物(大)样品有机质(树叶、草块等),多环芳烃浓度很高。这些多环芳烃浓度与测量沉积物有机质含量,也显示了双峰分布。

多环芳烃浓度的显著差异粒度是用单向方差分析分析,验证和测试的结果展示在表2。除了萘在克里布疯狂磨溪和苯并(a)芘,indeno (1、2、3 cd)芘和苯并苝醌类化合物(g、h、i)在猎人河,所有三个地方显示显著差异的多环芳烃分析其浓度泥沙颗粒大小(值小于0.05)。集群分析沉积物粒度的多环芳烃浓度显示一个单独的一组> 2800μm LOM分数的多环芳烃,表明LOM多环芳烃浓度之间存在差异和其他沉积物体积分数多环芳烃,看到完整Bathi 2008年统计分析(18]。双向方差分析分析多环芳烃浓度的颗粒大小和样本位置表明泥沙颗粒大小和浓度是影响基础上,除了萘、芴、菲,和indeno (1、2、3 cd)芘、多环芳烃浓度是影响样品的位置。除了少数例外,沉积物之间的相互作用位置和粒度统计影响多环芳烃浓度(表3)。

数据2(一个)和2 (b)说明了惯性负载的多环芳烃沉积物粒度河沉积物样品。正如预期的那样,大多数的多环芳烃质量与小和中间大小的沉积物,LOM(0.6%)和大型矿物沉积物总量的大小只有一小部分沉积物。因为超过90%的所有雨水粒子预计在1到100μ米范围,考虑到观察到更高的沉积物中多环芳烃浓度较小的粒子,大部分的雨水径流PAH负荷预计将与细颗粒。这是类似于斯坦发现et al。4),观察到一个强大的和一致的模式高多环芳烃浓度溶解和细颗粒物。斯坦还发现,30至60%的总多环芳烃负载出院第一径流量的20%研究风暴和位置。

这种联系的多环芳烃大小粒径影响他们的可处理性。在一个先进的雨水处理装置,Multi-Chambered治疗训练(MCTT),皮特et al。21删除]发现,非常高的多环芳烃与沉积过程发生消除< 5μ米粒子。Postsedimentation媒体使用沙子和泥炭混合物治疗减少了多环芳烃浓度低于检测极限。多环芳烃控制数据稀疏,但预计在精心设计的简单的沉降湿滞留池通常导致温和的多环芳烃删除。媒体过滤可有效去除粒子在1到5的范围μm,表明过滤/生物过滤系统可能非常有效的治疗多环芳烃的颗粒物。

3.3。相关的沉积物组成、鳕鱼和多环芳烃含量

热层析技术表明,沉积物样本,加热后从240年到365°C,失去了挥发性有机的内容。小(< 90μ米)和更大的(> 710μ米)大小分数比例较高挥发性有机内容和鳕鱼比中型粒子(表4)。观察到的双峰分布的挥发性有机沉积物粒径和鳕鱼的内容类似于沉积物的分布观察多环芳烃浓度分数(表1和4)。同样,一个强大的、显著线性关系之间的观察测量沉积物分数鳕鱼和日志转换挥发性有机碳含量百分比(图3)。

回归分析也用来检查鳕鱼和沉积物样品的多环芳烃含量之间的关系。相关的回归在每个采样位置鳕鱼粒径和多环芳烃含量,斜率的回归是重要的()193年共351例(9粒度范围,13个分析物,和3位置)。更多的重要的病例发现沉积物分数较高的挥发组分含量较大和较小的沉积物(分数相比,中间尺寸)。没有特定趋势基于PAH的分子量或芳香环的多环芳烃,说明没有明确的证据表明不同亲和力的研究多环芳烃在沉积物有机质含量的基础上,无论他们的分子量。

4所示。结论

如预期发达城市高径流流的小溪,小溪沉积物样品被罚款由少于预计将在地表雨水径流样品。然而,每个粒子大小类别中的污染物的浓度可能代表相同的粒度分类在雨水中找到。这些结果可以用来描述PAH粒度特征的雨水(与一个合适的粒度分布),表明可能运输和命运放电后排放的多环芳烃,表明潜在的雨水处理particulate-bound多环芳烃。在这项研究中,大部分的沉积物样品(质量)是由粒子的尺寸范围90 - 710μm。观察到挥发性的有机内容和SCOD和多环芳烃的浓度大小分级城市河沉积物颗粒呈双峰分布:更小的和更大的粒子浓度的有机物含量较高,多环芳烃,SCOD中间粒子。零碎的植物材料的存在较大的体积分数和粘土/泥沙含量高的高表面积较小体积分数被认为能引起高挥发性有机的内容,因此在这些大小相关的多环芳烃浓度范围。在所有大小分数,多环芳烃浓度最高被观察到在LOM分数;然而,LOM分数只代表一小部分沉积物样品,质量,和数量的多环芳烃与这些分数也是小分数比其他大小。

这些结果强调与治疗相关的挑战多环芳烃在城市径流使用传统沉积方法。这些小颗粒尺寸更顺利地使用媒体过滤等处理技术,尽管可以通过精心设计的大量沉积行为。沉积,因此,应该先于任何媒体过滤器处理方法作为预处理单元的过程。对LOM表明,可航行的控制需要去除有机物(树叶、剪草)和相关的多环芳烃。总的来说,包含免费的治疗训练单元过程,如可漂浮的和毅力控制、沉降消除小颗粒,最后媒体治疗(如MCTT [21)应该从雨水导致优秀的多环芳烃删除。这种治疗方法可能会导致显著减少多环芳烃污染的城市河流沉积物。

承认

这种材料是基于工作支持下由美国国家科学基金会资助。eps - 0447675。任何意见、发现和结论或建议用这种材料的作者(年代),不一定反映美国国家科学基金会的观点。