Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

PFAS, or per- and polyfluoroalkyl substances, are a group of chemicals found in a wide range of industrial and consumer products. Due to their persistent nature and widespread use, concerns have been raised about their impact on human health and the environment. Humans are exposed to PFAS through the air and dust (both indoor and outdoor) as well as consumption (water and diet). As a result, various jurisdictions around the world are taking steps to regulate these substances. The new regulation limits the sum of PFAS 4 to 4 ng/L in Sweden with a transitional period that will end in 2026. This thesis, performed in collaboration with Uppsala Water and Waste Ltd, aimed to evaluate the removal efficiency of PFAS with two-stage granular active carbon (GAC) filtration and determine the number of bed volumes before individual PFAS breakthroughs and how the flow rate and empty bed contact time (EBCT) affects the time until GAC regeneration, as well as the selective removal of long versus short PFAS. The hypothesis of this study was that a two-stage GAC filtration would enhance removal efficiency and extend the time until GAC regeneration compared to a single-stage GAC filtration. The assumption is that a two-stage process would double the number of bed volumes before PFAS 4 breakthrough. A reduction in flow rate would lead to higher removal efficiency by extending the empty bed contact time (EBCT), ultimately prolonging the time until breakthrough for both stages due to increased adsorption. This thesis is based on a pilot experiment that consisted of eleven plastic columns divided into two stages. Nine of the columns were filled with three different granular activated carbon (GAC) – new Aquasorb® 6300 and both new and regenerated (“Old”) Filtrasorb® 400-E. The experiment started in June 2022 and continued until January 2023. Approximately 40 000 bed volumes of water were treated during this time. The analysis included a total of 34 PFASs. The results showed that a two-stage process was more effective in removing PFAS and extending the time until GAC regeneration compared to a single-stage process. The study also found that long-chained PFASs have a higher level of adsorption than short-chained ones, which is consistent with previous research. The lower flow rate gave a lower removal efficiency than the higher one, contradicting the hypothesis, but this is probably due to the amount of water already treated by the columns before the flow rate was reduced. Thus, the effects of the flow rates could not be directly compared. Based on previous research, a lower flow rate should provide better removal efficiency. The study concluded that a two-staged GAC filtration can approximately treat three and a half times as many bed volumes as a single stage before the limit of PFAS 4, 4 ng/L were reached. These results are unique for Bäcklösa drinking water treatment plant during this time period, and PFAS concentration and removal efficiency could vary elsewhere. The evaluation of removal techniques in drinking water production contributes to protecting human health from harmful water pollution.

Per- och polyfluoralkylsubstanser (PFAS) är en grupp kemikalier som vanligtvis återfinns i en rad olika industri- och konsumentprodukter. På grund av deras härdighet mot nedbrytning och utbredda användning har oro väckts om deras påverkan på människors och naturs hälsa. Människor exponeras huvudsakligen för PFAS genom luft och damm (både inomhus och utomhus) samt genom konsumtion (vatten och kost). Som ett resultat av detta vidtar olika myndigheter och beslutsfattare runt om i världen åtgärder för att reglera PFAS ämnen. I Sverige har en ny reglering fastställt gränsen för PFAS 4 till 4 ng/L, med en övergångsperiod som avslutas 2026. Detta examensarbete, som utfördes i samarbete med Uppsala Vatten och Avfall AB, syftade till att utvärdera avskiljningseffektiviten av PFAS med en tvåstegs filtreringsprocess med granulärt aktivt kol (GAC). Arbetet syftade även till att bestämma antalet bäddvolymer vatten tills gränsvärden för individuella PFAS:er överskrids, effekterna av flödeshastighet på tiden till regenerering av GAC och den selektiva borttagningen av långa och korta PFAS. Hypotesen i det här arbetet var att en tvåstegs GAC-filtrering skulle förbättra avskiljningseffektiviten och förlänga tiden till GAC-regenerering jämfört med en enstegsprocess. I hypotesen antogs att en tvåstegsprocess skulle kunna fördubbla antalet bäddvolymer före överskridande av nya gränsvärdet för PFAS 4. Pilotexperimentet bestod av elva plastkolonner uppdelade i två steg, där nio av kolonner fylldes med tre olika granulärt aktivt kol (GAC) – ny Aquasorb® 6300 och både nytt och regenererat ("gammalt") Filtrasorb® 400-E. Experimentet startade i juni 2022 och pågick till januari 2023. Under denna tid behandlades cirka 40 000 bäddvolymer av vatten, och analysen omfattade totalt 34 PFAS:er. Resultaten från arbetet visade att en tvåstegsprocess mer effektivt tar bort PFAS ur dricksvatten samt förlänger tiden till GAC-regenerering jämfört med en enstegsprocess. Dessutom visade resultaten att långkedjade PFAS:er har en högre adsorption än kortkedjade, vilket stämmer överens med tidigare forskning. Den lägre flödeshastigheten gav en sämre avskiljningseffektivitet än den högre, i motsats till vad hypotesen förutsade, men detta berodde förmodligen på att kolonnerna redan hade använts för att behandla en stor volym vatten innan flödeshastigheten i experimentet sänktes. Därmed kunde inte effekten av olika flöden jämföras direkt. Baserat på tidigare forskning bör lägre flödeshastighet ge bättre avskiljningseffektivitet. Slutsatsen av arbetet var att en tvåstegs GAC-filtreringsprocess kan behandla ungefär tre och en halv gånger så många bäddvolymer vatten som en enstegsprocess innan gränsvärdet för PFAS 4 på 4 ng/L överskrids. Det är värt att notera att dessa resultat är unika för Bäcklösa grundvatten under denna tidsperiod, och PFAS-koncentrationen och avskiljningseffektiviten kan variera för andra grundvattentäkter (och tidsperioder). Utvärderingen av borttagningsmetoder i dricksvattenproduktionen bidrar till att skydda människors hälsa från skadliga vattenföroreningar.