Evidence for natural attenuation of 1,4-dioxane in a glacial aquifer system

• Published in: Hydrogeology journal Vol. 27; no. 8; pp. 3009 - 3024
• Main Authors: Jackson, Leah E., Lemke, Lawrence D.
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: 01.12.2019
• ISSN: 1431-2174; 1435-0157
• DOI: 10.1007/s10040-019-02028-6

Abstract Although 1,4-dioxane is generally thought to be recalcitrant, recent studies suggest it may degrade in the subsurface under ideal conditions. A fuller understanding of natural attenuation processes affecting 1,4-dioxane is therefore needed to assess its potential for in situ bioremediation. This investigation employed multiple lines of evidence to evaluate attenuation of 1,4-dioxane at the Gelman Site beneath the city of Ann Arbor, Michigan, USA. Data from a network of groundwater monitoring wells were used to determine attenuation metrics at individual wells and at the scale of a prominent 1,4-dioxane plume. A series of plume maps and historical remediation data were used to calculate changes in aqueous phase mass storage, mass influx rates, and mass removal rates over a 12-year period (2005–2017). Individual point and plume-scale metrics indicate that attenuation may be occurring at rates too small to meaningfully contribute to remediation results at the site. Conversely, plume-scale mass balance calculations reveal a 1,4-dioxane storage surplus for the first 6 years, followed by a storage deficit during the remaining 6 years that cannot be explained by mass influx or removal estimates, respectively. Mass balance deficits observed in this aquifer system are attributable to biodegradation and/or unrecognized discharge to surface water and storm drain systems at rates similar to remedial pump-and-treat mass removal during 2011–2017. Résumé Bien que le 1,4 dioxane soit généralement considéré comme persistant, des études récentes suggèrent qu’il peut, dans des conditions appropriées, se dégrader dans le sous-sol. Une compréhension plus complète des processus d’atténuation naturelle touchant le 1,4-dioxane est ainsi nécessaire pour évaluer son aptitude à une bioremédiation in situ. La présente étude a recouru à plusieurs éléments de preuve pour évaluer l’atténuation du 1,4-dioxane dans le site de Gelman sous la ville de Ann Arbor, Michigan, USA. Les données issues d’un réseau de puits de surveillance des eaux souterraines ont été utilisées pour définir la métrique de l’atténuation au droit de puits individuels et à l’échelle d’un important panache de 1,4-dioxane. Une série de cartes du panache et les données d’une remédiation historique ont été utilisées pour calculer les variations, dans la phase aqueuse du stockage, des taux de flux entrants et des taux d’élimination massiques sur une période de 12 ans (2005–2017). Les métriques au droit d’un point individuel et à l’échelle du panache indiquent que l’atténuation peut avoir lieu à des valeurs trop basses pour contribuer significativement aux résultats de la remédiation sur le site. Inversement, les calculs du bilan massique à l’échelle du panache révèlent un excédent de stockage du 1,4-dioxane pour les 6 premières années, suivi d’un déficit de stockage pendant les six années restantes, qui ne peut s’ expliquer par les estimations du flux entrant ou de l’atténuation massique respectivement. Les déficits du bilan massique observés dans ce système aquifère sont imputables à la biodégradation et/ou à une décharge non identifiée vers les eaux de surface et les systèmes de collecte des eaux d’orage, dans des proportions comparables à celles de l’élimination massique par pompage et traitement de remédiation durant la période 2011–2017. Resumen Aunque el 1,4-dioxano se considera generalmente recalcitrante, estudios recientes sugieren que puede degradarse en el subsuelo en condiciones ideales. Por lo tanto, es necesario conocer mejor los procesos de atenuación natural que afectan al 1,4-dioxano para evaluar su potencial de biorremediación in situ. Esta investigación empleó múltiples líneas de evidencias para evaluar la atenuación del 1,4-dioxano en el sitio de Gelman debajo de la ciudad de Ann Arbor, Michigan, Estados Unidos. Los datos de una red de pozos de monitoreo de aguas subterráneas se utilizaron para determinar las métricas de atenuación en pozos individuales y a la escala de una prominente pluma de 1,4-dioxano. Se utilizó una serie de mapas de plumas y datos históricos de remediación para calcular los cambios en el almacenamiento masivo en fase acuosa, las tasas de afluencia masiva y las tasas de remoción masiva durante un período de 12 años (2005–2017). Las métricas individuales a escala de punto y de pluma indican que la atenuación puede estar ocurriendo a tasas demasiado pequeñas para contribuir significativamente a los resultados de la remediación en el sitio. Por el contrario, los cálculos del balance de masas a escala de pluma revelan un excedente de almacenamiento de 1,4-dioxano durante los primeros seis años, seguido de un déficit de almacenamiento durante los seis años restantes que no puede explicarse por la afluencia masiva o las estimaciones de extracción, respectivamente. Los déficits de balance de masas observados en este sistema acuífero son atribuibles a la biodegradación y/o a la descarga no reconocida en los sistemas de aguas superficiales y de drenaje pluvial a tasas similares a las de la remoción en masa de bombeo y tratamiento durante el período 2011–2017. 摘要 尽管通常认为1,4-二恶烷是顽固的,但最近研究表明它可在地下理想条件下降解。因此,需要更全面地了解影响1,4-二恶烷的自然衰减过程,以评估其原位生物修复的潜力。该调查采用多种证据来评估美国密歇根州Ann Arbor市Gelman遗址的1,4-二恶烷的衰减。来自地下水监测井网络的数据用于确定各井和显著1,4-二恶烷晕规模的衰减指标。一系列晕图和历史修复数据用于计算12年期间(2005–2017)水相质量储存,质量流入率和质量去除率的变化。单个点和晕尺度指标表明衰减可能发生的速度太小,无法有效地促成现场的修复结果。相反,晕规模的质量平衡计算显示前六年1,4-二恶烷储存量存在盈余,其次是后六年的储存量不足,这无法分别用质量流量或去除率估算来解释。含水层系统中观察到的质量平衡损失可归因于生物降解和/或地表水和雨水排泄系统未被识别的排放,其速率类似于2011–2017年期间抽出处理修复的质量去除量。 Resumo Embora o 1,4-dioxano seja geralmente considerado recalcitrante, estudos recentes sugerem que ele pode se degradar no subsolo sob condições ideais. Uma compreensão mais completa dos processos de atenuação natural que afetam o 1,4-dioxano é, portanto, necessária para avaliar seu potencial para a biorremediação localizada. Esta investigação empregou várias linhas de evidência para avaliar a atenuação do 1,4-dioxano no Gelman Site, sob a cidade de Ann Arbor, Michigan, EUA. Os dados de uma rede de poços de monitoramento de águas subterrâneas foram utilizados para determinar métricas de atenuação em poços individuais e na escala de uma proeminente pluma de 1,4-dioxano. Uma série de mapas de pluma e dados históricos de remediação foi usada para calcular as mudanças no armazenamento em massa da fase aquosa, taxas de influxo em massa e taxas de remoção em massa ao longo de um período de 12 anos (2005–2017). Métricas pontuais individuais e em escala de pluma indicam que a atenuação pode estar ocorrendo em taxas muito pequenas para contribuir significativamente para os resultados da correção no local. Por outro lado, os cálculos de balanço de massa em escala de pluma revelam um excedente de armazenamento de 1,4-dioxano nos primeiros seis anos, seguido por um déficit de armazenamento durante os seis anos restantes que não podem ser explicados pelas estimativas de influxo ou remoção em massa, respectivamente. Os déficits de balanço de massa observados neste sistema aquífero são atribuíveis à biodegradação e / ou descarga não reconhecida para os sistemas de águas superficiais e de drenagem de águas pluviais em taxas semelhantes à remediação coletiva de bombeamento e tratamento durante 2011–2017.