使用联合 CO₂ 通量与放射性碳分析法测定含碳污染物的矿化

本综合方法的总体目标是利用二氧化碳（一种最终降解产物）中贫化的放射性碳信号，通过结合二氧化碳通量与放射性碳含量及影响区域建模，原位追踪石油来源污染物的降解过程。该方法有助于回答生物修复与环境评估领域中的关键问题，例如：现场有多少污染物正在被降解？

无论是通过自然衰减，还是结合工程修复方法。该技术的主要优势在于，它依赖于直接测量来自实际污染物骨架的碳，而不是像以往那样通过多种间接测量作为证据链。该方法可用来计算实际的原位生物降解速率。

进行野外安装时，按如下步骤准备气泵：首先，在泵壳上钻一个孔，用于插入一段短的直径为1/16英寸的塑料不透气气体管路；然后，将一段长约5至6英寸的管路插入该孔中。

然后，使用船用密封剂密封泵的所有外部部件，接着涂上一层硅酮密封剂。随后对密封后的泵进行压力测试。

在堵塞出口管的同时，轻轻向管路中吹气。接下来，为每个收集孔和对照组准备一个二氧化碳捕获装置。在100毫升血清瓶中称取25克氢氧化钠。

用隔垫盖紧血清瓶并压紧封口。现在连接电极引线。在野外，为每个孔提供电力需要铺设长导线连接至各泵。

在田间采样井内部，使用带有两个直径1/16英寸孔洞用于气体管路的改良盖帽封闭其出口。在井内，下降的气体管路置于略高于地下水位的位置，回流管则置于盖帽下方稍低处。然后，用真空脂密封软管和盖帽垫圈，确保所有接触面均形成密闭的气密密封。

从井中将下部管路连接至泵的进样口，并将气体管路从泵连接至二氧化碳捕集阱。使用16号针头刺穿隔垫。然后，使用另一根针头，从捕集阱引出一根回流管路，连接至气体管路，并插入帽盖下方不远处。

现在，运行装置以初次收集30个孔体积的液体。随后，弃去初次的收集物。将针头从隔膜中拔出，并插入一个新的瓶子中。

然后，记录采集开始的时间。为分析所收集的气体，使用库仑法测定水样中截留的二氧化碳。首先，将三份一毫升的子样品分别转移至装有隔垫的 40 毫升血清瓶中。

然后，向每个子样品中加入一毫升体积分数为50%的磷酸进行酸化。将管路通入高氯酸镁干燥管中，接着使用孔径为60埃的硅胶干燥管。

然后，将气流通入库仑池中，并利用测得的库仑数来定量二氧化碳水平。开始采集后两周至两个月，收集捕集器。关闭泵的电源并移除针头。

如有需要，可将捕集器密封以长期保存。若要分析捕集器，先用水溶解其中残留的未反应完的固体氢氧化钠。随后用经二氧化碳净化的氦气对水进行鼓泡，以去除溶解的二氧化碳。

然后，合并完全液化的捕集器内容物，并测量总体积。接着，将5至10毫升的子样品转移至含隔垫的40毫升小瓶中。随后，用体积分数为50%的磷酸溶液将子样品酸化。

现在，通过之前所述的库仑法对产生的气体流进行鼓泡并分析。随后在计算该采样周期的数据时，务必通过手动从其他井测得的收集速率中减去最低收集速率，以校正平衡动力学的影响。使用通过ModelMuse界面与MODFLOW 2005耦合的MT3DMS模拟与井筛相关的二氧化碳在平衡状态下的扩散。

使用 MODFLOW 程序位置配置 ModelMuse。具体操作为：单击 Model 菜单，然后选择 MODFLOW Program Locations。随后将程序指向 MODFLOW 2005 程序的安装目录。

在相同的对话框下，将 ModelMuse 配置为 MT3DMS 程序的位置。接下来，在“模型”菜单下配置 MODFLOW 包和程序。在流动选项中，确保已选择层属性流动包（Layer Property Flow package）。

在边界条件中，选择“指定水头”。然后选择 CHD 随时间变化的指定水头包。接下来，选择 MT3DMS 和 BTN 基本溶质运移包。

然后，将移动物种设置为二氧化碳。现在，配置 MODFLOW 选项。从模型菜单中，选择 MODFLOW 选项并设置模型单位。

接下来，配置 MODFLOW 时间。从模型菜单中选择 MODFLOW 时间。设置 360 个长度的应力期，可使模拟运行 15 天。

接下来，配置 MODFLOW 数据集。从“数据”菜单中选择“数据集”，然后输入目标场地的相关数据。

对于水文条件，请输入三个维度的渗透系数k值。MODFLOW初始水头和MODFLOW指定水头。对于MT3DMS，请输入扩散系数、二氧化碳、二氧化碳初始浓度以及纵向弥散度。

最后，编辑全局变量。从“数据”菜单中选择“全局变量”，输入该地点使用的二氧化碳收集速率，并输入初始二氧化碳浓度。现在运行模拟。

单击顶部图标栏上的绿色箭头以启动模拟。随后，当系统提示时保存输入文件，模拟将开始运行。运行结束后，通过选择文件菜单，然后选择导出，再选择 MT3DMS 输入文件，来编译和导出数据。

为了观察并输出模型结果，点击可视化图标。然后选择模拟并以三维坐标输出影响区域边界值。在测试地点，历史上的氯化烃污染在中心井群范围内最高。

测得的二氧化碳产量范围为每天0至34毫克，在历史污染程度最高的中心井群区域最低。场地的地球化学参数（如pH、钙离子及其他阳离子浓度）未显示任何碳酸盐溶解迹象，此类溶解可能影响放射性碳测量结果的解读。后续计算采用了两次为期两周的旱季测量结果的平均值。

呼吸作用和放射性碳测量值在两个星期期间没有显著差异。根据以往关于地下水水力作用对二氧化碳溶质特性影响的报告，建立了影响区模型。利用影响区模型的估算结果，计算了每口井中氯化烃的去除质量。

最终，位于场地边缘附近的井中氯化烃降解程度和二氧化碳生成量最高，模型结果也支持这一观察。在进行该操作时，需注意尽量减少与大气接触，并迅速封盖，以避免大气中二氧化碳的污染。所有稀释液均应使用惰性气体吹扫，以去除溶解的 CO2。

采用此方法后，还可进行其他方法，例如测定位点的生物地球化学条件，以回答其他问题，例如什么因素控制原位降解速率？