Coagulatie/flocculatie

Algemene beschrijving

Het doel van coagulatie is het destabiliseren van een colloïdale oplossing, zodat vervuilende stoffen kunnen samenklonteren tot vlokken. Colloïdale of zwevende deeltjes hebben een negatieve lading en zijn stabiel in water: ze bezinken niet uit zichzelf. Het coaguleren gebeurt door toevoegen van een coagulant, bijvoorbeeld Fe(III)Cl₃, polyaluminiumchloride (PAC) of laag-moleculaire polymeren. Door toevoeging van het coagulant zal de afstoting tussen de colloïdale deeltjes worden verlaagd (gedestabiliseerd). De vlokken die hierbij ontstaan zijn klein en kunnen alleen verder groeien door rustig te roeren zodat deeltjes verder samen kunnen klonteren. Een flocculant (hoog-moleculaire stoffen (polymeren) met diverse functionele groepen) kan verder toegevoegd worden zodat afscheiding via flotatie of bezinking gemakkelijker gebeurt. Coagulatie en flocculatie worden vaak in combinatie gebruikt. In sommige gevallen is het gebruik van louter coagulant of flocculant echter voldoende om goed bezinkbare of floteerbare vlokken te vormen (WASS, 2010).

Stand van de techniek

Onderzoek heeft aangetoond dat de toepassing van conventionele coagulanten gevolgd door sedimentatie of filtratie niet zorgt voor efficiënte verwijdering van PFAS. Enkel wanneer de coagulatie werd toegepast in combinatie met een flotatiestap (dissolved air flotation; DAF) konden hogere verwijderingsrendementen voor PFOS bekomen worden (Riegel et al., 2020). Deze verwijdering is mogelijks niet toe te schrijven aan de coagulatiestap, maar mogelijks door de adsorptie van PFAS aan de fijne luchtbelletjes die worden toegepast in dit proces, vergelijkbaar met schuimfractionatie (zie paragraaf 3.4.1.6). De techniek op zich is een reeds gevestigde techniek voor de verwijdering van deeltjes en specifieke componenten via sedimentatie of flotatie. Voor de specifieke verwijdering van PFAS bevindt deze techniek zich op het moment van schrijven in de piloot-fase met enkele commercieel beschikbare coagulanten/reactanten (TRL 6 – 8).

Er zijn verschillende coagulanten/reactanten ontwikkeld voor de specifieke verwijdering van PFAS doordat deze kunnen interageren met de chemische structuur van PFAS. Deze coagulanten zijn bekend onder specifieke merknamen afkomstig van verschillende leveranciers (Riegel et al., 2020). In Vlaanderen zijn er geen cases bekend waar deze techniek specifiek toegepast wordt voor de verwijdering van PFAS in bedrijfsafvalwater of bemalingswater. In Vlaanderen wordt deze techniek momenteel concreet toegepast voor de reiniging van brandweerwagens en sprinklerinstallaties die in het verleden PFAS-houdend brandblusschuim hebben gebruikt, zodat deze terug kunnen ingezet worden voor blusactiviteiten met PFAS-vrije blusschuimen. De toepassing van coagulanten in combinatie met het spoelen zorgt voor een betere desorptie van PFAS vanop de oppervlakken in de opslagtank en de hele blusinstallatie (Sodecon, persoonlijke communicatie, 2022). In Nederland werd deze techniek reeds door HMVT toegepast voor de zuivering van met PFAS belast grondwater (OVAM, 2021). In het buitenland, zoals bijvoorbeeld Duitsland, zijn cases bekend waarbij in een pilootopstelling en op grote schaal coagulatie/flocculatie wordt toegepast voor de verwijdering van PFAS uit grondwater en afvalwater verontreinigd met PFAS-houdende blusschuimen (Riegel et al., 2020; Roest et al., 2021). Bij enkele buitenlandse leveranciers zijn mobiele (pilootopstellingen) in containervorm beschikbaar (Riegel et al., 2020).

Op basis van deze informatie kan besloten worden dat in het algemeen coagulatie/flocculatie kan toegepast worden op bedrijfsafvalwater en bemalingswater. Deze techniek wordt vaak als een onderdeel van een behandelingstrein toegepast in combinatie met andere technieken voor de verwijdering van PFAS, maar een toepassing op zichzelf is ook mogelijk (Riegel et al., 2020). Echter dient dit voor elke specifieke situatie bevestigd te worden door de karakterisatie van het specifiek te behandelen bedrijfsafvalwater/bemalingswater en eventueel aanvullende labo-/piloottesten, rekening houdende met het type PFAS,  de influent concentraties, de matrix, de gewenste eindconcentraties, de looptijd en omvang van bemaling. Hierbij is het vooral belangrijk dat de optimale dosis van het coagulant en procescondities bepaald worden. Hierbij kan eveneens rekening gehouden worden met de toevoeging van andere reagentia voor de simultane verwijdering van andere polluenten (Held & Reinhard, 2020).

Ontwerp en uitvoering voor PFAS verwijdering

In het algemeen wordt in deze toepassing het coagulant of reactant in bepaalde dosis toegevoegd aan één of meerdere constant stirred tank reactors (CSTR’s) in serie waarbij PFAS-houdend slib verwijderd wordt via sedimentatie, filtratie of een combinatie daarvan. Voor waterige stromen met beperkte verontreiniging en waterbehandelingsprocessen die reeds een filtratiestap bevatten is de sedimentatiestap vaak niet noodzakelijk (Riegel et al., 2020). Deze techniek wordt over het algemeen toegepast als een eerste bulkverwijdering van PFAS bij relatief hogere concentraties (>0,3 µg/l tot in de mg/l PFAS range) (Roest et al., 2021) waarna nog een polishingstap noodzakelijk is om de gewenste PFAS eindconcentraties te bekomen (Riegel et al., 2020; Roest et al., 2021). Over het algemeen zorgt deze techniek voor een bescherming van de nageschakelde polishingstappen zoals actief kool of ionenwisselingsharsen zodat deze voor een langere duur in operatie kunnen gehouden worden en waardoor deze een significant beter zuiveringsresultaat kunnen opleveren (OVAM, 2021; Riegel et al., 2020). Dit resulteert mogelijk in een meer economisch verantwoord waterbehandelingsproces bij hoge PFAS concentraties of moeilijke matrixcondities (OVAM, 2021). De dosis van het toegevoegde coagulant/reactant kan geoptimaliseerd worden afhankelijk van het type PFAS dat dient verwijderd te worden en de aard van de matrix, en varieert typisch tussen 25 mg/l tot 2 g/l (Riegel et al., 2020). De contacttijd in de reactoren ligt over het algemeen tussen 30 – 60 min. Afhankelijk van de aard van de vlokken die gevormd worden en scheidingstechniek die toegepast wordt, kan de afscheiding 5-10 min (zandfilter of flotatie) tot 40 min (sedimentatie) in beslag nemen (Roest et al., 2021). Wanneer bijkomende polishingstappen toegepast worden kan de contacttijd verder oplopen.

In de specifieke case van HMVT waar een containeropstelling wordt toegepast voor de verwijdering van PFAS uit grondwater werd een waterbehandelingstrein toegepast bestaande uit een zandfilter, drie doseringseenheden, een microfiltratie-eenheid en nageschakelde actief koolfilters (2m³ totaal) voor een debiet van 1,5 – 2,0 m³/u (Figuur 16).

Figuur 16: Waterbehandelingstrein toegepast door HMVT voor de verwijdering van PFAS in grondwater via coagulatie gevolgd door een actief kool nabehandeling.

PFAS verwijderingsefficiëntie en korte keten vs. lange keten

Door toevoeging van het coagulant/reactant en eventuele bijkomende additieven wordt PFAS verwijderd door middel van elektrostatische en/of hydrofobe interacties tussen het coagulant/reactant en PFAS (Roest et al., 2021). Het verwijderingsrendement is sterk afhankelijk van het type PFAS, influent concentraties en de aard van de matrix (Roest et al., 2021). Enkel wanneer voorafgaande testen op de te behandelen matrix worden uitgevoerd, kan bepaald worden of deze techniek efficiënt is voor de verwijdering van PFAS in die specifieke situatie (Leveranciersinformatie, 2019). Via deze testen kunnen bijkomend de optimale dosis en verblijftijden in de reactor(en) bepaald worden (Riegel et al., 2020). Deze techniek is voornamelijk efficiënt in de verwijdering van hoge concentraties PFAS (Held & Reinhard, 2020).

Doordat deze techniek typisch als een eerste bulkverwijdering wordt toegepast zijn de verwijderingsrendementen over het algemeen beperkter (Riegel et al., 2020). Echter kan afhankelijk van de influent PFAS concentraties, type PFAS en gewenste effluent concentraties mogelijk geen nabehandeling nodig zijn (Cornelsen et al., 2021). Afhankelijk van het type coagulant/reactant en de dosis die wordt toegepast kunnen verwijderingsrendementen bekomen worden van >90% tot 99,99% voor lange keten PFAS. De verwijdering van korte keten PFAS zoals bijvoorbeeld PFPeA is beperkter tot 40 – 60% afhankelijk van de gebruikte dosis (Riegel et al., 2020). Een hogere dosis zorgt voor een hoger verwijderingsrendement, zeker voor korte keten PFAS (Roest et al., 2021). Het onderzoek van Cornelsen et al., 2021 heeft aangetoond dat de toepassing van een specifiek reactant voor coagulatie niet alleen zorgt voor een verwijdering van meetbare PFAS, maar ook kan zorgen voor een significante daling in het totaal organisch gebonden fluor. Bijkomend kan de toepassing van het coagulant/reactant zorgen voor de ontkleuring en verwijdering van ijzer en zwevende deeltjes, wat voordelig is voor de nageschakelde nabehandelingen (Riegel et al., 2020).

In de specifieke case van HMVT werd 92% van de totale PFAS tegengehouden in het PFAS-houdend slib van de behandeling met het reactant en 8% werd nog verwijderd door de nabehandeling tot een eindconcentratie van 1 µg/l (HMVT, persoonlijke communicatie, 2022). Door het toepassen van verdergaande nabehandelingsstappen zouden lagere eindconcentraties mogelijk zijn (HMVT, persoonlijke communicatie, 2022; Input leden BC, 2022).

Afhankelijk van het gekozen coagulant/reactant kan de toepassing van coagulatie/flocculatie concentraties lager dan 0,1 µg/l voor individuele PFAS behalen, maar enkel in situaties met beperkte influent PFAS concentraties (Input leden BC, 2022; Riegel et al., 2020). Echter dient dit voor elke specifieke situatie bevestigd te worden door de karakterisatie van het specifiek te behandelen bedrijfsafvalwater/bemalingswater en eventueel aanvullende labo-/piloottesten, rekening houdende met het type PFAS, de influent concentraties, en de aard van de matrix. Op het moment van schrijven is er nog meer onderzoek nodig op de effectiviteit van de behandeling van afvalwater/bemalingswater met lage concentratie PFAS. In situaties met hoge influent PFAS concentraties kunnen de effluentconcentraties mogelijk hoger liggen dan 0,1 µg/l en zijn bijkomende polishingstappen met bijvoorbeeld adsorptietechnieken noodzakelijk (Riegel et al., 2020).

Matrixeffecten en voorbehandelingstechnieken

Onderzoek naar het effect van de matrix op de verwijdering van PFAS via coagulatie/flocculatie is beperkt. Het wordt ingeschat dat er geen of slechts beperkte interferentie zal optreden met andere organische stoffen (Cornelsen et al., 2021). Echter kunnen hoge concentraties van ander oppervlakte-actieve stoffen zorgen voor de nood aan hogere dosis coagulant/reactant (Riegel et al., 2020). Het effect van geleidbaarheid en pH op de verwijderingsefficiëntie is op het moment van schrijven niet bekend (Riegel et al., 2020).

Door de toepassing van een coagulant/reactant gevolgd door een scheidingsstap wordt ijzer mee neergeslagen en verwijderd uit het afvalwater. Hierdoor is geen bijkomende voorbehandeling noodzakelijk voor bijvoorbeeld bemalingswater dat rijk aan ijzer is. Echter wordt mangaan niet verwijderd tijdens dit proces. Daardoor kan in de aanwezigheid van hoge concentraties mangaan een voorbehandeling noodzakelijk zijn om de nageschakelde nabehandelingen te beschermen (Riegel et al., 2020). Deze techniek is robuust onder wijzigende matrixcondities en debiet (Cornelsen et al., 2021).

Financiële aspecten

Het voordeel van coagulatie is de hoge adsorptie-efficiëntie voor beperkte kosten (Liu et al., 2022a). Op het moment van schrijven is er enkel beperkte concrete informatie beschikbaar over de installatie- en operatiekosten van deze techniek. De economische voordelen van deze techniek zijn mogelijk het meest uitgesproken bij de behandeling van afvalwater of bemalingswater met hoge concentratie PFAS (Held & Reinhard, 2020).

Een containeropstelling voor de toepassing van een specifiek reactant met zandfilter, doseringseenheden, microfiltratie-eenheid en nageschakelde actief koolfilters (2m³ totaal) voor een debiet van 1,5 – 2,0 m³/u heeft een maandelijkse huurprijs van 7500 EUR/maand (Prijsgegevens van 2018). Deze kostprijs is exclusief de kosten voor reactant, afvoer en verwerking van beladen actief kool en afvoer en verwerking van PFAS-houdend slib. De gemiddelde kostprijs voor de zuivering van met PFAS belast afvalwater met dergelijke installatie wordt ingeschat op 20 – 25 EUR/m³ behandeld (HMVT, persoonlijke communicatie, 2022). Een microfiltratiestap elimineert de nood voor een bijkomende sedimentatiestap. Op basis van de informatie uit een andere bron worden de operationele kosten (zonder de huur van de filter) ingeschat op 0,055 – 0,68 EUR/m³ behandeld, waarbij slechts 0,04 EUR/m³ toegewezen wordt aan het gebruik van het coagulant. De omvang van de operationele kosten worden hoofdzakelijk bepaald door de influent concentratie van PFAS (Held & Reinhard, 2020).

De afvoer en verwerkingskosten voor verbranding van PFAS-houdend afval worden ingeschat op 700 – 2000 EUR/ton (Input leden BC, 2022; Roest et al., 2021). Daarnaast zijn er bijkomende kosten voor de noodzakelijke monitoring voor de sturing van de waterbehandeling (Wanninayake, 2021; zie paragraaf 4.1.1). Afhankelijk van de samenstelling van de matrix en de combinatie van technieken die worden toegepast kunnen de investerings- en operationele kosten hoger zijn doordat bijkomende voorbehandelingen noodzakelijk zijn (Roest et al., 2021).

Milieu-impact

De toepassing van de techniek vereist de toevoeging van coagulant/reactant en eventuele bijkomende additieven. Bij de toepassing van deze techniek wordt een PFAS-houdend slib gevormd dat ontwaterd en verder behandeld of verbrand dient te worden om PFAS te vernietigen. De hoeveelheid slib per verwerkt influent is op het moment van schrijven nog niet bekend, maar is afhankelijk van de aard van de matrix, de dosering van het coagulant/reactant, en de PFAS influentconcentraties en de mogelijkheid tot het ontwateren van het slib (Roest et al., 2021). Op basis van de case van HMVT werd voor de behandeling van een totaal van 4000 m³ grondwater een beperkte hoeveelheid van 500 L PFAS-houdend slib gevormd (HMVT, persoonlijke communicatie, 2022). Doordat vaak nog een nabehandelingsstap nodig is zoals actief kool of ionenwisseling om voldoende lage concentratie PFAS te halen, ontstaat er mogelijk nog een PFAS-houdend adsorbens afvalfractie (Roest et al., 2021). Deze hoeveelheid is echter significant kleiner in vergelijking met PFAS-verwijdering waarin uitsluitend adsorbentia worden toegepast. Een levenscyclusanalyse op de verwijdering van PFAS uit afvalwater van PFAS-houdende brandblusschuimen toonde aan dat de algemene milieu-impact bij de toepassing van de combinatie coagulatie en actief kool, lager is dan wanneer uitsluitend actief kool wordt toegepast (Maga et al., 2021).

Het energieverbruik geassocieerd met deze techniek is afhankelijk van de aard van de opstelling waarin deze techniek zal worden toegepast. Indien er enkel een CSTR nodig is en geen bijkomende filters, omdat deze al in de waterbehandeling aanwezig zijn, zal het energieverbruik beperkt zijn tot het verbruik van de motor van de CSTR. Echter zullen de filters vaker een terugspoeling nodig hebben waardoor het energieverbruik van de benodigde pompen iets verder oploopt. Wanneer het gevormde PFAS-houdend slib ontwaterd wordt, zal dit zorgen voor bijkomend energieverbruik (Roest et al., 2021). Op het moment van schrijven kan er geen inschatting gemaakt worden van het specifiek energieverbruik van deze techniek.

Voor- en nadelen van de techniek

Tabel 9: Voor- en nadelen van coagulatie/flocculatie voor de verwijdering van PFAS.

Kennishiaten

• De verwijderingsrendementen voor korte keten PFAS zijn minder bekend;
• De invloed van de matrix op de verwijdering van PFAS;
• De hoeveelheid PFAS-houdend slib dat tijdens dit proces gevormd wordt en verder behandeld dient te worden;
• De concrete toepassing voor bedrijfsafvalwater op grote schaal.