Annons Kamstrup 2024

Avskiljning (GAC) av PFAS ur dricksvatten i fullskala

Internationell VA-utveckling 7/21

Avskiljning av per- och polyfluorerade alkylsubstanser (PFAS) ur dricksvatten – utvärdering av kolfiltrering (GAC) och flödeshastighet efter två års drift i full skala.

Av: Ann Elfström Broo

Per- och polyfluorerade alkylsubstanser (PFAS) har påvisats i dricksvattnet på många ställen och utgör en risk för människors hälsa. Avskiljning av föroreningarna genom traditionell vattenberedning har visat sig otillräcklig, samtidigt som gränsvärdena för hur mycket som får finnas i dricksvattnet kommer att skärpas.

I artikeln har prestandan hos granulerat aktivt kol (GAC) för avskiljning av PFAS vid ett av Uppsalas vattenverk utvärderats över tid. Generellt konstateras att GAC filtrering är en pålitlig metod för PFAS avskiljning, men att effektiviteten påverkas av drifttid, typ av kol och ytbelastning. Även en ekonomisk utvärdering av driftskostnaderna av filtreringen för olika behandlingsstrategier har utförts.

Hur gjorde man?
Undersökningen har utförts vid Bäcklösa vattenverk i Uppsala, där vissa brunnar är starkt påverkade av PFAS, med summahalter av PFAS -föreningar i storleksordningen 250 ng/l. Beredningsprocessen innefattar luftning, avhärdning med fluidiserad bäddreaktor, tvåmediafiltrering (granulerat kol/sand), GAC- filtrering och klorering. GAC-filtreringen består av tio parallella filter med två olika material, Filtrasorb® 400 och AquaSorb® 2000.

Prov uttogs i processen på råvatten och efter respektive beredningssteg och analyserades med avseende på ett stort antal PFAS-substanser. Även parametrarna TOC och UV-absorbans vid 254 nm analyserades för att undersöka effekten av naturligt organiskt material på avskiljningen.

För att undersöka effekten av kolets ålder på avskiljningsgraden utnyttjades ett ”nytt” och ett ”gammalt” kol, där materialet utgjordes av Filtrasorb® 400. och ett ”gammalt” kol. Avskiljningsgraden utvärderades i relation till parametrarna antal behandlade bäddvolymer (BVtreated) och EBCT (empty bed contact time). Det ”nya” kolet hade vid start av försöken ca 60 driftsdagar med ca 5 700 BV, medan motsvarande för det ”gamla” var ca 260 driftsdagar och ca 22 000 BV.

Den ekonomiska utvärderingen gjordes i relation till olika behandlingsmål (avskiljning ner till 10, 25, 50 och 85 ng/l ∑11PFAS), där kostnaden för regenerering av kol i ett filter delades med behandlad vattenvolym innan genombrott i filtret uppnåddes. Årliga driftskostnader beräknades definierades som årliga regenereringskostnader plus den årliga mediankostnaden för inköp av nytt kol över en tioårsperiod med en ränta om 5%.

Resultat
Av resultaten framgår, som förväntat, att de konventionella beredningsstegen inte gav tillfredsställande avskiljning av PFAS, medan GAC-filtrering var mycket effektiv med avskiljningsgrader mellan 67 och 100%. Generellt avskildes långkedjiga PFAS-substanser bättre än kortkedjiga och linjära PFAS avskildes bättre än förgrenade. Vidare var avskiljningen mer effektiv i filtren med ”nytt” kol och dessa filter var även bättre på att avskilja såväl kortkedjiga PFAS som perfluorerade alkylsyror (PFCA). Trots identiska driftsförutsättningar erhölls något högre reningsgrad för filtermaterialet Filtrasorb® 400 jämfört med AquaSorb® 2000. Detta förklaras med att det förstnämnda materialet har en mer definierad effektiv partikelstorlek, större porstorleksfördelning och en större ytarea.

En intressant observation var att man fann en korrelation mellan förekomst av ∑PFAS och TOC-halt och UV-absorption i det behandlade vattnet, vilket innebär att analys av de senare parametrarna skulle kunna användas som indikation på reningseffekten med avseende på PFAS.

Den långsiktiga prestandan hos GAC-filtreringen avtog snabbast för de kortkedjiga PFAS-substanserna, med ett totalt genombrott för en av substanserna (PFHxA) efter ca 20 000-30 000 BV. Minskningen av avskiljningsgrader sjönk betydligt långsammare för de mer långkedjiga substanserna, vilket förklaras med att dessa har en högre adsorptionskapacitet, att de konkurrerar ut de mer kortkedjiga på de aktiva ställen, eller en generell blockering av porerna med organiskt material. För PFOS bibehölls en tillfredsställande reduktion om 80-100% även efter 30 000 BV.

Genom att sänka flödeshastigheten och på så sätt öka behandlingstiden (EBCT) erhölls också bättre avskiljning, där den största effekten erhölls för de kortkedjiga PFAS-substanserna och för det ”gamla” kolet. Genom den längre kontakttid som ett lägre flöde innebär ges också längre tid för substanserna som ska avskiljas att diffundera in till porerna i kolet och där adsorbera. Genom att sänka flödeshastigheten på äldre kol kan livslängden förlängas väsentligt. Exempelvis visar resultat från studien att livslängden kan förlängas med upp till 50% genom att sänka flödet från 39 till 18 l/s för ett behandlingsmål om 50 ng/l ∑11PFAS. Författarna poängterar att bedömning om när eller hur ofta kolet behöver bytas ut bör baseras på utvärdering av BVtreated i kombination med vilken flödeshastighet som utnyttjas och behandlingsmål, snarare än enbart driftstid.

Behandlingsmålet för Bäcklösa vattenverk i relation till ∑11PFAS är 25 ng/l, medan de nationella kraven är 90 ng/l. Detta innebär också en betydligt högre kostnad till följd av det ökade behovet av regenerering av kolet, vilket utgör den största kostnaden. Denna kostnad kan dock sänkas genom att anta en driftsstrategi där flödeshastigheten sänks med ålder på kolet. Som exempel anges att för ett behandlingsmål om 50 ng/l kan behandlingskostnaderna genom denna strategi sänkas med 26%.

Slutsatser
Studien bekräftar att konventionell dricksvattenberedning inte kan utnyttjas för avskiljning av PFAS, men att GAC-filtrering är en effektiv och pålitlig metod med relativt enkel drift och där den redan konkurrensutsatta marknaden för kol kan utnyttjas för att minimera driftskostnaderna.

Resultaten visar att avskiljningen var högre i relation till långkedjiga PFAS jämfört med de kortkedjiga och att avskiljningsgraden för perfluorerade karboxylsyror, PFCA, var lägre än för PFAS.

En lägre flödeshastighet, dvs. längre kontakttid i filtren, gav i första hand bättre reningsresultat för de ”gamla” kolet, där överslagsmässiga beräkningar ger att drifttiden kan förlängas med upp till 50% om flödeshastigheten minskas med ca 50%.

Att skärpa kravet på reningsgrad visade sig ha en dramatisk effekt på kostnaden för reningen. Till exempel uppskattades att en skärpning av kravet på rening från 90 till 10 ng/l ∑11PFAS i dricksvattnet innebär en kostnadsökning om över 300%. Den huvudsakliga kostnaden utgörs av kostnad för regenerering av kolet, varför åtgärder i syfte att förlänga livstiden av kolet får stora konsekvenser. Ett sätt att åstadkomma detta är att sänka vattenflödet över filtreringssteget då kolet börjar bli gammalt.

Författarna påpekar att behandling med GAC-filtrering är beroende på vattenkvalitet och alla råvatten är olika, därför bör empiriska samband tas fram i respektive fall.

Källa: Belkouteb. N., Fanke, V., McCleaf, P., Köhler, S., Ahrens, L. Removal of per- and polyfluoroalkyl substances (PFASs) in a full-scale drinking water treatment plant: Long-term performance of granular activated carbon (GAC) and influence of flow-rate. Water Research 182 (2020) 115913,

Annons Wateraid