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

本方法结合二氧化碳通量、放射性碳含量及影响范围区建模，其总体目标是利用作为最终降解产物的二氧化碳中贫化的放射性碳信号，原位追踪石油来源污染物的降解过程。该方法有助于解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，它依赖于测量来自实际污染物骨架的碳，而不是像其他证据链那样进行多次间接测量。该方法可用于计算实际的原位生物降解速率。

进行野外灌注时，按如下步骤准备气泵：首先，在气泵外壳上钻一个孔，用于插入一段长约数厘米、直径为1/16英寸的塑料不透气管。将一段5至6英寸长的管子插入该孔中。

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。接下来，对已密封的泵进行压力测试。

在阻塞出口的同时，轻轻向管路中吹气。接着，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。

用隔垫盖住血清瓶并紧紧压紧。现在接上电极引线。在野外，为每个井提供电力需要铺设通往每台泵的长导线。

在田间采样井内部，使用带有两个直径1/16英寸气路孔的改装盖帽封闭其出口。将井内下降的气体导管置于略高于地下水位的位置，回流导管则置于盖帽下方稍低处。随后，用真空脂密封软管与盖垫，确保所有接触面均形成密闭的气密密封。

从井中将下部导管连接至泵的进样口，并将气体管线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线，连接至气体管线，并插入帽盖下方不远处。

现在，运行装置以初步收集30个孔体积的液体。随后，弃去初始的收集物。将针头从隔垫中拔出，并插入一个新的瓶子中。

然后，记录采集开始时间。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1毫升的子样品转移至40毫升带隔垫密封的血清瓶中。

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。开始收集后两周至两个月内，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。分析捕集器时，用水溶解残留的未反应完的固体氢氧化钠。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。随后在对该采样时段进行计算时，务必通过手动从其他井测得的采集速率中减去最低采集速率，以校正平衡动力学的影响。使用通过 ModelMuse 界面耦合 MT3DMS 与 MODFLOW 2005 的模型，模拟与井筛相关联的二氧化碳在平衡状态下的扩散过程。

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”。接着将程序指向 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 flow 选项中，确保已选择 Layer Property Flow 包。

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。设置一个长度为 360 的应力期，以运行 15 天的模拟。

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，请点击可视化图标，然后选择模拟并以三维坐标输出影响范围的边界值。在测试现场，历史氯化烃污染在中心井群区域内最高。

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。场地地球化学参数（如pH、钙及其他阳离子浓度）未显示任何碳酸盐溶解迹象，此类溶解可能对放射性碳测量结果的解释造成偏差。后续计算采用了两次为期两周的旱季测量结果的平均值。

两个时间段的呼吸作用和放射性碳测量值没有显著差异。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，靠近场地边缘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，需注意尽量减少大气中二氧化碳的污染，应快速封盖并尽量减少与大气的接触。所有稀释液均应使用惰性气体鼓泡以去除溶解的 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，以回答更多问题，如哪些因素控制原位降解速率？