A protocol is described wherein CO2 mineralized from organic contaminant (derived from petroleum feedstocks) biodegradation is trapped, quantified, and analyzed for 14C content. A model is developed to determine CO2 capture zone’s spatial extent. Spatial and temporal measurements allow integrating contaminant mineralization rates for predicting remediation extent and time.
ووصف الطريقة التي يستخدم غياب الكربون المشع في المواد الكيميائية الصناعية وأنواع الوقود المصنوعة من المواد الأولية النفطية التي كثيرا ما يلوث البيئة. هذه الإشارة الكربون المشع – أو بالأحرى عدم وجود إشارة – وتوزع بالتساوي في جميع أنحاء حوض مصدر الملوثات (خلافا للالتتبع المضافة) ولا تتأثر العمليات الفيزيائية (على سبيل المثال، C معدل التحلل الإشعاعي 14 غير قابل للتغيير) بيولوجية أو كيميائية أو. إذا كان ملوثا المستمدة من الوقود الأحفوري وينحل تماما إلى CO 2، وغير مؤذية المنتج النهائي، أن CO 2 سوف لا تحتوي على الكربون المشع. سوف CO 2 المستمدة من المواد العضوية الطبيعية (NOM) تدهور تعكس محتوى NOM الكربون المشع (عادة <30000 سنة). وبالنظر إلى محتوى الكربون المشع المعروف NOM (خلفية الموقع)، وهو نموذج خلط اثنين نهاية عضوا يمكن استخدامها لتحديد CO 2 مستمدة من مصدر الأحفوري في غاز التربة أو المياه الجوفية عينة معينة. اقتران صCO ercent 2 المستمدة من الملوثات مع معدل التنفس CO 2 تقديرا للالمبلغ الإجمالي من الملوثات المتدهورة في وحدة الزمن. وأخيرا، وتحديد منطقة نفوذ (ZOI) تمثل حجم من التي يتم جمعها موقع CO 2 يسمح بتحديد تدهور الملوثات في وحدة الزمن والحجم. جنبا إلى جنب مع تقديرات لمجموع كتلة الملوثات، وهذا يمكن في نهاية المطاف أن تستخدم لحساب الوقت للوصول الى علاجها أو استخدامها من قبل مديري المواقع لاتخاذ القرارات.
تكاليف تنظيف البيئة مذهلة، مع العديد من المواقع الملوثة في الولايات المتحدة والخارج. وهذا يجعل استراتيجيات العلاج والمراقبة المبتكرة الضرورية للوصول إلى استجابة كاملة (RC) حالة (على سبيل المثال، أي إجراء آخر حاجة) اقتصاديا. تقليديا، وقد أثبتت خطوط الأدلة المتقاربة في المعالجة البيولوجية خارج الموقع، وتحويل الملوثات اللاأحيائي، أو غيرها من التوهين الطبيعي الأشكال. خطوط الأدلة لا يمكن أن تستخدم لتأكيد على الاطلاق تدهور أو لجمع المعلومات معدل تدهور الملوثات تحت الشروط في الوضع الطبيعي 1. وقد جمع مجموعة واسعة من البيانات للتنبؤ الزمني المعالجة (ق) وكثيرا ما أوصى، ولكن ربط هذه البيانات فعالية من حيث التكلفة لتأكيد على الاطلاق معالجة إشكالية 2-4. الحصول على الموقع بيانات النموذج المفاهيمي الأكثر واقعية وكاملة مع تكلفة أقل قدر ممكن هو الهدف النهائي إدارة الموقع. وعلاوة على ذلك، منظم وstakeholوتمثل مطالب دير برامج تشغيل إضافية للحصول على الأكثر في الوقت المناسب، معلومات قيمة وفعالة من حيث التكلفة. طرق غير مكلفة نسبيا قادرة على توفير أدلة دامغة لمعدلات دوران الملوثات توفر أفضل قيمة لتحقيق أهداف التنظيف.
بسبب عدم والتوقيعات النظائر واضحة للغاية المتاحة في الملوثات الكربونية، وقد تم تطبيقها نظائر الكربون في الآونة الأخيرة لفهم عمليات تخفيف الملوثات في المواقع الميدانية 5-13. نظائر الكربون مستقرة يمكن أن تستخدم لتحديد ما إذا كان المخففة استنادا لمصدر على حركية رايلي التقطير (راجع 5،6 للاستعراضات). هذه المنهجية، في حين مريحة، قد تكون محدودة عندما الملوثات هي من مصادر مختلفة – أو لا تمثل نظائريا فريد "الانطلاق" تسرب (من الذي يمكن أن تستمد مستقرة نسب نظائر الكربون الأولية). يمثل تحليل الكربون المشع وفرة الطبيعي بديلا (وربما مكملة) النظائر الواحدrategy لقياس تدهور الملوثات الكربونية في شركة 2. والوقود والمواد الكيميائية الصناعية المشتقة من المواد الأولية النفطية أن يكون خاليا تماما من 14 C نسبة إلى (الدراجات بنشاط) الكربون المعاصر، والذي يحتوي على 14 C التي تم إنشاؤها من خلال ردود الفعل الأشعة الكونية في الغلاف الجوي. تحليل الكربون المشع لا يخضع للتجزئة كما هو مستقر تحليل نظائر الكربون، ولا يتأثر 14 C تسوس بشكل كبير من خلال عمليات فيزيائية أو كيميائية أو. وعلاوة على ذلك، إشارة 14 C – أو عدم وجودها – في المواد المشتقة من البترول وتوزع بالتساوي في جميع أنحاء حوض السباحة الملوثة مما يجعلها غير قابلة للامتزاج التتبع الكامل. تقنية الموضحة هنا تعتمد على ملاحظة أن أي CO 2 المتولدة من الوقود الأحفوري الملوث المستمدة سيكون خاليا من 14 مئوية في حين CO 2 الناتجة عن الكائنات الدقيقة المهينة NOM سوف تحتوي على كميات يسهل قياسها من 14 C. قياس14 CO 2 أيضا يسمح احد لربط مباشرة تدهور الملوثات الكامل (أي تمعدن) إلى المنتج النهائي غير مؤذية.
وقد استخدم 14 CO 2 تحليل لمتابعة الأحفوري منتجات تحلل الملوثات المستمدة من الوقود 7-13. هذا ويرجع ذلك إلى قرار التحليلي بين أعضاء نهاية (الأحفورية والمعاصرة) وهو ما يقرب من 1100 جزء في الألف (‰). عموما، يتم استخدام مسرع قياس الطيف الكتلي (AMS) لحل الكربون المشع وفرة الطبيعي. الغلاف الجوي CO 2 (~ + 200 ‰) الذين يعيشون الكتلة الحيوية (~ + 150 ‰) والتربة العضوية المستمدة مسألة CO 2 (~ -200- + 100 ‰) كلها متميزة من الناحية التحليلية المستمدة من الوقود الأحفوري CO 2 (-1000 ‰). ويرجع ذلك إلى الاضمحلال الكامل لجميع 14 C، الذي لديه نصف عمر ما يقرب من 6000 سنة هذا. الوقود والمواد الكيميائية الصناعية المشتقة من المواد الأولية النفطية، والتي هي ملايين السنين إزالتها من الدراجات الكربون النشط، الحصول على توقيع الكربون المشع متميز (-1000 ‰ ≈ 0٪ الحديث – يعني أي كشف على AMS). قياس واضح وصريح ومن حيث تلوث العينة، تقريبا كل التحيزات المحتملة تجاه المحافظة (تلوث العينة مع CO الحديث 2). على سبيل المثال، CO في الغلاف الجوي 2 الدخول في عينة من شأنه أن يزيد من الكربون المشع توقيع النظائر، وبالتالي تتسبب في التقليل من معدل تدهور.
CO 2 تطورت من تدهور الملوثات الوقود الأحفوري تستند سوف تكون خالية من الكربون المشع. في موقع أساسي مع عدم وجود تلوث، CO 2 respired من المواد العضوية الطبيعية (NOM) سوف يكون سن مناسبة لNOM. ضمن عمود أو على هامش، والملوثات المستمدة من CO 2 يكون 0٪ الكربون الحديث. CO 2 من مصادر NOM وCO 2 المستمدة من مصادر الأحفوري يمكن تمييزها مع أعضاء نهاية اثنين خلط نموذج 11. بالتالي فمن الممكن estimaالشركة المصرية للاتصالات نسبة CO 2 تجمع بأكمله (الكربون respired) ناجمة عن الملوثات. استخدام فقط هذه النسبة، الأحفوري النفط والغاز أو الأكسدة الكيميائية الصناعية في المواقع الميدانية تم تأكيد 7-13. هذه النسبة من الملوثات المستمدة CO 2 ويمكن بعد ذلك أن يقترن مع معدل تمعدن CO 2 (جميع CO 2 التي تم جمعها في وحدة الزمن والحجم) لتحديد جوهري معدل تمعدن الملوث. وبفرض هذه النسبة توهين الاستمرار في الظروف موقع معين، يمكن للمرء أن ثم تقدير الوقت اللازم لإغلاق الموقع.
تتوفر لتحديد التربة الأفق CO 2 تدفقات مع أساليب ذات مفتوح أو مغلق نظام تصاميم 14 التقنيات. وقد استخدمت غرف تدفق نظام مغلق ونماذج تدفق الغاز لتحديد صافي التنفس في التربة الملوثة 12،13،15-17. في هذه الدراسات والقياسات المكانية المرتبطة مباشرة مع حجم الملوثات ومع backgrouالمناطق ND أظهرت تعزيز تحلل من الملوثات العضوية. واستخدمت أساليب النمذجة المختلفة لتوسيع نطاق قياسات التدفق الرأسي لحجم الموقع. وكان الهدف من هذه الدراسة إلى تطوير أساليب جمع وافرة CO 2 لتحليل AMS (~ 1 ملغ) من دون تأثير من الغلاف الجوي CO 2 تلوث (آبار مختومة) أثناء استخدام نسبة التحصيل لتحديد التنفس الملوثات. وأخيرا، والنمذجة منطقة نفوذ (ZOI) لتوسيع نطاق في نهاية المطاف القياس إلى 3 أبعاد (حجم) سمح تحديد تحويل الهيدروكربونات المكلورة (CH) على كل وحدة وحدة وأساس وحدة زمنية في. وZOI يسمح احد لتحديد مقدار حجم تؤخذ قياسات التنفس والكربون المشع من. يتكون أسلوب محاصرة تطور CO 2 بإعادة تدوير غاز فراغ الرأس جيدا من خلال فخ هيدروكسيد الصوديوم، وقياس محتوى الكربون المشع من ثاني أكسيد الكربون التي تم جمعها 2، وذلك باستخدام نموذج اثنين نهاية عضوا تقسيم CO 2 التي تم جمعها لملوثات أوريالجن، ثم التوسع في القياس إلى وحدة تخزين تحسب نموذج المياه الجوفية للموقع المحدد. وتعميمها على الغاز بشكل جيد فراغ الرأس بحيث توازن فقط عمليات "سحب" CO 2 من ZOI المجاورة.
يوصف بروتوكول الذي يهدف إلى الجمع بين قياسات معدل، تمعدن نسبة من الملوثات (ق) وZOI لتحديد الكلي تدهور الموقع الملوث. العناصر الأساسية هي قياس ثاني أكسيد الكربون 2 إنتاج (تمعدن عند تصحيح) مع مرور الوقت، وجمع في وقت واحد ثاني أكسيد الكربون respired 2 بكميات كافية (~ 1 ملغ) للتحليل الكربون المشع AMS توفير مبلغ المستمدة من تدهور الملوثات، وخلق نموذج ZOI لربط ثاني أكسيد الكربون القبض على 2 ليعرف حجم التربة أو المياه الجوفية (أو كليهما). يتم الجمع بين هذه المكونات الثلاثة الرئيسية للتوصل إلى حساب العام في كل نقطة أخذ العينات لكمية من الملوثات المتدهورة في وحدة الحجم في وحدة الزمن (جم -3 د -1، على سبيل المثال). التوسع في العمليات الحسابية، من خلال القياسات فصل المتكررة وجغرافيا (الآبار التي تغطي موقع subsampled على فترات زمنية أطول)، وسوف تسمح مديري المواقع لتقدير المكاني وtemporآل ديناميات تدهور والاستجابة بشكل مناسب للمنظمين وأصحاب المصلحة.
يستخدم بروتوكول صفها مضخات إعادة تدوير أو طويلة الأجل نشر العينات سلبية (استراتيجية قيد التطوير حاليا) إلى اعتراض من CO 2 من غاز فراغ الرأس جيدا. والسبب هو عدة أضعاف. في المقام الأول، ما يكفي من CO 2 يجب أن تجمع من أجل الحصول على قياسات الكربون المشع (~ 1 ملغ). ويمكن قياس معدلات التنفس باستخدام التربة السطحية: الفخاخ تبادل الهواء أو عن طريق استخدام أدوات التنفس التربة (Licor غرفة تدفق على سبيل المثال). هذه الأساليب تعاني من الحاجة إلى جمع بشكل غير متزامن كافية CO 2 لتحليل الكربون المشع – وبالتالي ربما يتحامل القياس. على سبيل المثال، وغرفة تدفق يمكن تجهيزه لقياس التربة: CO الهواء 2 الصرف في حين يمثل تدفق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي 2 17. ما لم معدلات التنفس مرتفعة، وافرة CO 2 لقياس الكربون المشع قد لا يكون المحاصرين. فيهذه الحالة، والعينات التي يمكن اتخاذها من عينات التربة الغاز الكبيرة أو من المياه الجوفية (مع DIC) 12. وعلاوة على ذلك، وقياس CO 2 تدفق في التربة: سطح الهواء يخضع لتدفق من جانبي الغلاف الجوي إلى غرفة التدفق أو الفخ. أخذ العينات جيدا فراغ الرأس "يعزل" في إشارة إلى المنطقة من التلوث (اعتمادا على التثبيت بشكل جيد إلى حد ما)، ولكن تتم إزالة مناسبة من تدفق الغلاف الجوي (ولدت من الغلاف الجوي الحديثة 14 CO 2). والصعوبة الرئيسية في أخذ العينات من البئر دون الحاجة إلى فتحه من أجل تغيير الفخاخ (لأخذ العينات الزمنية).
باستخدام مضخات إعادة تدوير يسمح احد لأخذ عينات من فراغ الرأس جيدا وتغيير CO 2 الفخاخ على فترات منتظمة دون الحاجة لفضح موقع العينة إلى الغلاف الجوي 14 CO 2. كما يسمح احد لعينة كبيرة CO 2 والتي يمكن تحليلها لتدفق ومحتوى الكربون المشع الطبيعي. العلاقات العامة إعادة تدويرotocol لا تخلو من صعوبة. وثمة مشكلة رئيسية يتم تسليم السلطة وافرة لتشغيل المضخات بشكل مستمر في هذا المجال. للتجربة الأولية (الموصوفة هنا)، قدمت لوحات الطاقة الشمسية طاقة كافية لتشغيل مضخات المياه للكل فترة لمدة أسبوعين. وأظهرت السجلات الجهد الذي بعد عدة أيام، يمكن أن الطاقة الشمسية لا يتماشى مع الطاقة اللازمة وكانت مضخات لا تعمل لعدة ساعات كل يوم. كان هذا يهم لنمذجة تدفق وجمع العام، ولكن يبرز صعوبة في توفير الطاقة الكافية الأجهزة المنتشرة ميدانيا ل. في التي تعمل حاليا مجموعات، وقد توقف التيار الكهربائي عن المضخات التي كتبها الاطقم الارضية القص في مجال مراقبة بشكل جيد. وقد قطعت عدة خطوط الكهرباء. نعمل حاليا على تقييم عملية نشر القوات فراغ الرأس السلبي CO 2 الفخاخ التي يمكن إنزالها في البئر واسترجاعها في وقت لاحق مع ثاني أكسيد الكربون يمتص 2. هو تحليل المخاطر والمنافع جارية (خطر تشتق غالبا من الحاجة إلى فتح رأس البئر والسماح في الغلاف الجوي14 CO 2).
القيود الرئيسية تقنية ليست أن تكون قادرة على تمييز مصدر التنفس المحدد في أنظمة الملوثات المختلطة وعدم القدرة على حساب لمنتجات تدهور الكربونية المتوسطة (أي DCE، VC، والميثان). على سبيل المثال، في الموقع الحالي، كان هناك التاريخية وقود تلوث الهيدروكربون بالإضافة إلى تلوث CH. وعلى وجه الحصر تقريبا قدمت كلية العلوم الصحية من المواد الأولية النفطية. في موقع وصفها، CH منعزلة في المقام الأول في منطقة درس – في حين أن بعض النفط المتبقي موجود الواضح إلى الشمال. لم يتم العثور على النفط في الآبار عينات لهذا العمل. ومع ذلك، في موقع الملوثات المختلط، قد معدل تمعدن العام يكون من الصعب ادراك التعادل لفرد واحد أو فئة من الملوثات. باستخدام هذه الطريقة، يمكن للمرء أن قياس تدهور CH الكامل (لCO 2). إذا، يتم تحويل الكربون الملوثة إلى CH 4 (الظروف اللاهوائية)، وCH 4 قد يكون & #34؛ وخسر "إذا كان ينشر بعيدا عن ZOI من المرجح أن يتم تحويلها هذا الكربون CO 2 في أجزاء ناقصة الأكسدة في منطقة فادوز إذا كان هذا لا يحدث داخل ZOI، فإن الطريقة المذكورة ليست مسؤولة عن ذلك في هذه الحالة. ، ويمكن اعتبار الطريقة الموصوفة مقدر المحافظ، الذي من منظور تنظيمي، غير مرغوب فيه. وبالإضافة إلى ذلك، ووضع نماذج ZOI لا يخلو من عدم اليقين. وتعتمد المحاكاة على القيم "فريدة" مثل المسامية والكثافة الظاهرية التي يتم قياسها في العينات الفرعية يفترض أن تكون متجانسة – ولكن في الواقع هي غير متجانسة على المستويين الكلي وmicroscales وجود قيود ينظر قد يكون تحليل التكاليف لالمشع وفرة الطبيعية (والتي يمكن أن تصل إلى 600 $ لكل عينة) طبيعة محددة من المعلومات التي تم جمعها من يجعل الكربون المشع. تكلفة منخفضة جدا في الواقع. مع عدة عينات حسن اختيار، يمكن للمرء تحديد ما إذا كان العلاج كبيرا يحدث. إذا، على سبيل المثال ث CO 2 المقترنإيث سحابة الملوثات غير المنضب المشع نسبة إلى موقع أساسي 10. موقع مع انخفاض الرقم الهيدروجيني المحيطة (> ~ 4.8) والحجر الجيري كبير (كربونات الكالسيوم 3) قد يكون مرشحا الفقراء لتطبيق هذه التقنية. قد حل الودائع كربونات القديمة في انخفاض درجة الحموضة والتحيز التحليل.
أهمية هذه التقنية هي كبيرة، كنوع القياس الوحيد (الطبيعية وفرة الكربون المشع) ويمكن على الفور أن تستخدم لتأكيد في تحويل الموقع من الملوثات إلى CO 2. هذا التحليل هو نهائي. الكربون المشع لا يمكن أن تصبح المنضب إلا عن طريق الاضمحلال الإشعاعي – وهو ثابت على الرغم من الفيزيائية والكيميائية أو تغيير البيولوجي من أي مادة أولية. قياسات الكربون المشع ثابت (على سبيل المثال DI 14 C) ويمكن إجراء على عينات دفعة ويؤكد على الفور إذا المنضب C-14 CO 2 هو السائد في موقع (تشير بما لا يقبل الجدل تمعدن الملوثات إلى CO 2). هذا انفورمانشوئها وحده هو قيمة لا يصدق لمديري الموقع ودون ذلك، كانت مطلوبة لاستخدام خطوط غير المباشرة العديد من الأدلة لاستنتاج أن تمعدن الملوث يحدث. لا قياس واحدة أخرى يمكن أن توفر علاقة ملموسة بين الملوثات الكربونية والتي تحتوي على الكربون CO 2 المنتجة من خلال التدهور الكامل.
التطبيقات المستقبلية تجري فيها مجموعتنا ستزيد أخذ العينات القرار الزماني لتشمل مدة عام كامل حاليا. من خلال جمع CO 2 و تحديد سعر تمعدن (ق) على مدى المكاني للموقع، ونحن سوف تكون قادرة على صقل نماذج لتدهور الملوثات مع مرور الوقت. وهذه المعلومات ضرورية خطيرة من قبل مدراء الموقع من أجل إدارة أكثر فعالية المواقع الملوثة. في الاستخدام المحدود، وقد اعترفت الجهات التنظيمية في ثلاثة مواقع حيث تم تطبيق تقنية الأساليب النتائج النهائية. وقد أدى ذلك إلى وفورات في التكاليف، وساعد على توجيه العبوة البديلة علاجيةrnatives.
The authors have nothing to disclose.
Financial support for this research was provided by the Strategic Environmental Research and Development Program (SERDP ER-2338; Andrea Leeson, Program Manager). Michael Pound, Naval Facilities Engineering Command, Southwest provided logistical and site support for the project. Brian White, Erika Thompson and Richard Wong (CBI Federal Services, Inc) provided on-site logistical support, historical site perspective and relevant reports. Todd Wiedemeier (T.H. Wiedemeier & Associates) provided documentation, discussion and historical site perspectives.
Air pump; Power Bubbles 12V | Marine Metal | B-15 | |
Marine Sealant | 3M | 5200 | for sealing pumps |
Silicone Sealant | Dap | 08641 | for sealing pumps |
Tubing for gas recirculation | Mazzer | EFNPA2 | |
Stopcocks (for gas lines) | Cole-Parmer | 30600-09 | for assembling gas lines |
Male luer lock fittings | Cole-Parmer | WU-45503-00 | for assembling gas lines |
Female luer lock fittings | Cole-Parmer | EW-45500-00 | for assembling gas lines |
4" Lockable J-Plug well cap | Dean Bennett Supply | NSN | 2" if smaller wells |
HOBO 4-Channel Pulse Data Logger | Onset | UX120-017 | Older model no longer available. Use to monitor pump operation |
Serum bottles 100 mL (cs/144) | Fisher Scientific | 33111-U | For CO2 traps |
Septa (pk/100) | Fisher Scientific | 27201 | For CO2 traps |
Coulometry | |||
Anode solution | UIC, Inc | CM300-001 | |
Cathode solution | UIC, Inc | CM300-002 | |
For IC analysis | |||
Dionex Filter Caps 5 ML 250/pk | Fisher Scientific | NC9253179 | Caps for IC |
Dionex 5 mL vials, 250/pk | Fisher Scientific | NC9253178 | Vials for IC |
If using solar power | |||
Renogy Solar Panel kit(s) | Renogy | KT2RNG-100D-1 | Bundle provides 200W |
VMAX Solar Battery | VMAX | VMAX800S | For energy storage |