Chemicals

Apele pluviale urbane prezintă o provocare de poluare

Credit: Don Yee/San Francisco Estuary Institute

Cercetătorii de la San Francisco Estuary Institute Matthew Benjamin (stânga) și Diana Lin colectează scurgerile de ape pluviale care se scurg din Berkeley, California, până în Golful San Francisco pentru a căuta contaminanți chimici.

În cele mai sălbatice și furtunoase nopți din zona golfului San Francisco, oamenii de știință de la San Francisco Estuary Institute (SFEI) ies la vârste. Noaptea este atunci când intensitatea furtunilor în zona Bay este în general cea mai mare, iar echipa începe doar atunci când se prevede că o furtună va arunca mai mult de 2 cm în 6 ore într-un anumit loc.

Cercetătorii se îndreaptă spre diferite locuri unde știu că debitul apelor pluviale este deosebit de puternic. La fiecare loc, ei prelevează mostre pentru a analiza nivelurile a cinci clase de substanțe chimice: substanțe chimice derivate din anvelope și vehicule, cum ar fi 6PPD-chinonă; bisfenolio materie primă în fabricarea materialelor plastice;esteri organofosforicio componentă cheie a retardanților de flacără; substanțe per- și polifluoroalchilice (PFAS); și surfactanți etoxilați din vopsele, acoperiri și lustruire pentru podea. Pe parcursul mai multor ore, ei recoltează unele probe în tuburi de 50 ml, iar altele în ulcioare de sticlă de 2 L.

Anul acesta va fi al patrulea și ultimul sezon umed pe care oamenii de știință de la SFEI îl desfășoară în aceste curse nocturne înainte de a-și sintetiza descoperirile. „Prezentăm bazele pentru înțelegerea a ceea ce este acolo în apele pluviale”, spune chimista Rebecca Sutton. SFEI a lansat proiectul de monitorizare după ce o analiză chimică a probelor colectate în 2016 a evidențiat scurgerea apelor pluviale netratate din zonele populate ca o sursă trecută cu vederea de substanțe chimice pe care agențiile de monitorizare a apei au început abia recent să o urmărească (Mediul. Sci.: Impactul proceselor 2021, DOI: 10.1039/d0em00463d). „Ne-a deschis cu adevărat ochii asupra apelor pluviale ca o cale subexplorată în ceea ce privește contaminanții emergenti”, spune Sutton.

10006-feature1-quinone.jpg

În SUA, adoptarea Clean Water Act în 1972 a mandatat agențiile federale, de stat și locale să împiedice substanțele chimice să polueze pâraiele, râurile, lacurile și coasta națiunii. Canalele și fabricile au reprezentat cea mai mare problemă, dar pe măsură ce acea poluare a fost curățată, atenția s-a îndreptat către scurgerea apelor pluviale, care în multe privințe este mai dificil de abordat.

Apele uzate și efluenții industriali provin în general din locații specifice. Dar scurgerea, care este transportată în principal de apele pluviale, este ceea ce inginerii de mediu numesc poluare nepunctivă – cu alte cuvinte, curge din toate colțurile. „Este poluarea care vine de la o grămadă de surse mici care creează în mod individual o problemă mai mare decât se aștepta, deoarece niciuna dintre aceste surse individuale nu pare importantă în sine”, spune Edward Kolodziej, inginer civil și de mediu la Universitatea din Washington Seattle și Tacoma.

Inițial, oamenii de știință de mediu care studiau poluarea chimică generată de scurgerile urbane și-au concentrat îngrijorarea în principal asupra nutrienților, cum ar fi azotul și fosforul și metalele. Dar studiile din ultimii 5 ani și ceva au început să culeagă o mare varietate de substanțe chimice organice. Diversitatea absolută a compușilor pe care îi poartă acest flux este amețitoare, iar cercetătorii abia încep să aprecieze amploarea problemei, spune Allen P. Davis, inginer civil și de mediu la Universitatea din Maryland, College Park. Davis a studiat problema în regiunea Chesapeake Bay de aproape 3 decenii. „În acest moment, dacă puteți numi o substanță chimică, probabil că poate fi găsită în apele pluviale”, spune el. „Pe măsură ce continuăm să identificăm din ce în ce mai mulți poluanți diferiți pe care dorim să-i eliminam din apele noastre, va trebui să ne uităm la idei noi pentru a face acest lucru.”

În mediul natural, apa din ploaia abundentă este absorbită de sol, prelingându-se pentru a umple apa subterană. Dar majoritatea pavajului și a altor caracteristici ale mediului construit sunt impermeabile la lichid. În consecință, spune Jessica Ray, inginer de mediu la Universitatea din Washington, „obținem volume mari de scurgeri care trec pe aceste suprafețe proiectate. Acestea intră în canalele pluviale și, în cele din urmă, canalele pluviale transportă apele pluviale către un corp de apă din apropiere.” Schimbările climatice agravează problema, adăugând precipitații mai intense și evenimente meteorologice, spune ea.

Eforturile de a opri poluarea din scurgerile urbane s-au concentrat în mare parte pe crearea a ceea ce inginerii civili și de mediu numesc infrastructură verde – lucruri precum grădini de ploaie, iazuri pluviale și alte sisteme bazate pe vegetație care captează apele pluviale și acționează ca un filtru pentru poluanți. O altă opțiune este pavajele permeabile care permit scurgerea apei pluviale în pământ, astfel încât să nu lovească cursurile navigabile în formă concentrată.

10006-feature1-coho.jpg

Credit: Mark Stone/Universitatea din Washington

Zhenyu Tian, ​​om de știință la Centrul pentru Apele Urbane de la Universitatea din Washington Tacoma, deține un stâlp de prelevare folosit pentru a colecta apa pârâului pentru a analiza substanțele chimice care afectează somonul coho.

Pentru mulți poluanți din scurgerea urbană, grădinile de ploaie funcționează excelent, spune Andy Erickson, inginer civil la Universitatea din Minnesota Twin Cities. Materia organică din astfel de grădini îndepărtează metalele și oferă un substrat pentru comunitățile microbiene, care pot descompune hidrocarburile aromatice policiclice care se acumulează din benzină și ulei. Un strat de nisip extrage, de asemenea, particulele.

Alți poluanți au nevoie de ceva mai mult decât poate oferi o simplă grădină. Minnesota și-a propus să abordeze poluarea cu fosfor, care provine din deșeurile din curte, cum ar fi tăierea gardurilor vii și tăierea de iarbă, precum și din multe săpunuri și detergenți. Ca student absolvent, Erickson a descoperit asta așchii de fier amestecat în nisip la o fracțiune de masă de 5% pot scoate aproximativ 90% din fosfor din apele pluviale. De când Erickson a publicat prima lucrare în 2007, aproximativ 150 de filtre de nisip la scară largă, îmbunătățite cu fier, care tratează scurgerile au fost încorporate în grădinile de ploaie din stat, iar alte regiuni le adoptă și ele.

Dar aceste sisteme nu sunt concepute pentru a gestiona multe dintre substanțele mai noi care apar în apele pluviale, cum ar fi produse farmaceutice, ignifugePFAS și microplastice. „Problema cu aceste substanțe chimice complexe mai noi, cu lanț lung, este că în mediu pot face lucruri destul de ciudate, cum ar fi transformarea în alte substanțe chimice, volatilizarea sau lipirea de particule”, spune Erickson. „A avea materiale care elimină acele substanțe chimice va fi un lucru uriaș pentru apele pluviale.”

O soluție pe care cercetătorii o experimentează este adăugarea de biochar, obținut de obicei prin pirolizarea deșeurilor agricole, cum ar fi lemnul și cojile de porumb, în ​​grădini de ploaie și alte infrastructuri verzi. Compoziția lui Biochar, asemănătoare cărbunelui, cu conținut ridicat de carbon, creează un material care este încărcat cu pori minuscoli, oferindu-i o suprafață mare cu care să scoată poluanții din apă. Trucul este să ne dai seama ce tip funcționează pentru ce substanțe chimice, cum să-l configurezi în infrastructura verde și cum să-l schimbi atunci când este „utilizat”, spune Ray. Laboratorul ei de la Universitatea din Washington studiază un biochar făcut din zaț de cafea pentru a determina tipurile de contaminanți pe care îi poate elimina și cât timp funcționează sub un flux continuu de apă pluvială. Cercetătorii testează, de asemenea, proprietățile unui nisip acoperit cu oxid de fier care degradează compușii la contact.

O altă abordare este creșterea ecosistemelor care apar în infrastructura verde. Gregory H. LeFevre, inginer civil și de mediu la Universitatea din Iowa, studiază comunitățile microbiene din aceste structuri. El spune că stimularea anumitor bacterii pentru a promova formarea biofilmului sau adăugarea anumitor plante și ciuperci poate ajuta la degradarea substanțelor chimice în special recalcitrante. Laboratorul său examinează, de asemenea, ce se întâmplă exact cu contaminanții în timp ce aceștia se amestecă în sisteme îmbunătățite în astfel de moduri. Amestecurile chimice ar putea „crea o mulțime de metaboliți diferiți, dintre care unii nimeni nu i-a văzut până acum”, spune el, iar înțelegerea modului în care interacționează și evoluează este un domeniu emergent al științei mediului.

Și apoi există problema continuă de a identifica ce substanțe chimice să țintă. Adesea, efectele substanțelor chimice asupra vieții sălbatice sunt subtile – provocând modificări ale fertilității sau ale răspunsului imunitar, de exemplu – și nu este evident care dintre ele sunt cele mai dăunătoare. „Ca societate, producem câteva sute de mii de substanțe chimice individuale, astfel încât portofoliul potențial de poluanți chimici este foarte, foarte mare”, spune Kolodziej. „Cum le acordăm prioritate celor mai importante în această uriașă supă chimică?” Nu ajută, notează el, faptul că companiile își clasifică rețetele chimice drept secrete comerciale. „Pentru a proteja mediul, noi

Ocazional, apar vinovați clari. În 2020, Kolodziej și colegii săi au identificat 6PPD-chinona, o substanță chimică derivată din plasticul pentru cauciucuri, ca principală cauză a morții în masă a somonului coho în nord-vestul Pacificului. Substanța chimică, o componentă a scurgerii de pe drumuri, a ajuns în căile navigabile de zeci de ani, totuși a fost nevoie de 5-6 ani de efort concertat și ceva chimie intensă pentru a o identifica. Acest efort a implicat reducerea de la aproximativ 2.000 de compuși din levigatul din plastic pentru anvelope. Încă nu este clar cum este transportat substanța chimică prin mediu. O parte se scurge din bucăți de cauciuc, iar acele bucăți ar putea fi filtrate de grădinile de ploaie de pe marginea drumului sau capturate de benzi tampon sau bazine de retenție pe care echipajele de autostradă le curățează periodic. Unele sunt, de asemenea, dizolvate în apă și probabil vor necesita o soluție diferită.

În acest moment, dacă puteți numi o substanță chimică, probabil că poate fi găsită în apele pluviale.

Allen P. Davis, profesor de inginerie civilă și de mediu, Universitatea din Maryland, College Park

Deoarece scurgerea de pe drumuri și alte surse este atât de complexă din punct de vedere chimic și în mare parte necaracterizat, Kolodziej și alții susțin testarea apei nu doar pentru anumite substanțe chimice cunoscute. Unii cercetători explorează folosind o suită de teste biologice, cum ar fi cele care măsoară modificările receptorilor de estrogen, pentru a monitoriza mediile acvatice în care se deversa scurgerile. Thomas Young, inginer de mediu la Universitatea din California, Davis, numește această abordare „o poliță de asigurare” care poate „detecta probleme într-un mediu în care nu știi, a priori, ce substanțe chimice ar putea sau nu să fie acolo”. El observă, totuși, că până acum domeniul nu s-a hotărât asupra analizelor care să fie utilizate.

Indiferent de câți poluanți pot identifica cercetătorii și de modalitățile pe care le găsesc pentru a-i elimina, ceea ce este clar este că numai tratamentul și remedierea nu vor rezolva problema, spune Sutton de la SFEI. Nivelul de infrastructură necesar pentru tratarea apelor pluviale peste tot în SUA ar necesita „o investiție incredibilă”, spune ea. „Ar fi nerealist.”

Într-adevăr, chiar și întreținerea infrastructurii existente va dura mai mult decât se face în prezent, spune Davis de la Universitatea din Maryland. Cu o întreținere adecvată, grădinile de ploaie și construcțiile similare au fost proiectate să dureze aproximativ 20-30 de ani, iar unele dintre cele mai vechi instalații ajung la sfârșitul duratei lor naturale de viață. Cum să le reîmprospătezi, să le reconstruiești sau să le actualizezi exact este o întrebare pe care domeniul nu o abordează încă. „Nimeni nu s-a gândit cu adevărat atât de mult înainte”, spune Davis. Și ce se întâmplă, din punct de vedere chimic, cu mulți dintre compușii capturați este necunoscut. „Acesta este, de asemenea, un domeniu în care trebuie să continuăm să facem cercetări pentru a face din acest proces un proces durabil.”

Dar la fel de importante, spune Sutton, sunt eforturile pe termen mai lung, cum ar fi colaborarea cu producătorii pentru a reduce varietatea de substanțe chimice pe care le folosesc și pentru a dezvolta înlocuitori mai puțin toxici pentru unii, spune ea. Eforturile ar putea implica, de asemenea, reformularea produselor în așa fel încât să elimine mai puțini contaminanți sau să găsească modalități de a le capta înainte de a intra în mediu. „Ar fi mult mai inteligent”, spune ea, „să abordăm această poluare la sursă”.

Alla Katsnelson este un scriitor independent cu sediul în Northampton, Massachusetts, care acoperă științele vieții.

https://cen.acs.org/environment/water/Urban-stormwater-presents-pollution-challenge/100/i6?utm_source=LatestNews&utm_medium=LatestNews&utm_campaign=CENRSS Apele pluviale urbane prezintă o provocare de poluare

Back to top button