Coagulatie/flocculatie

Toepasbaarheid

Deze techniek bevindt 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. In Nederland werd deze techniek reeds toegepast voor de zuivering van met PFAS belast grondwater. In het buitenland, zoals bijvoorbeeld Duitsland, zijn cases bekend waarbij in coagulatie/flocculatie wordt toegepast voor de verwijdering van PFAS uit grondwater en afvalwater verontreinigd met PFAS-houdende blusschuimen. Ondanks de beperkte beschikbare informatie geeft dit een indicatie dat deze technieken toegepast kunnen worden op zowel bedrijfsafvalwater als bemalingswater.

• Toepasbaar in vaste en mobiele installaties;
• Contacttijd tussen 30 – 60 min;
• Debieten van 0,1 – 10 m³/u kunnen worden behandeld. Hogere debieten zijn op het moment van schrijven niet beschikbaar, werden niet verder onderzocht en zijn mogelijk niet economisch interessant;
• Hoofdzakelijk ingezet voor de initiële bulkverwijdering van PFAS in afvalwaterstromen met relatief hogere PFAS concentraties (>0,3 µg/l) en complexere matrices;
• 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;
• Er ontstaat een PFAS-houdend slib dat via sedimentatie en/of filtratie verwijderd wordt.

PFAS verwijderingsefficiëntie

Het verwijderingsrendement is sterk afhankelijk van het type PFAS, influent concentraties en de aard van de matrix. Deze techniek is voornamelijk efficiënt in de verwijdering van hoge concentraties PFAS en de verwijderingsrendementen zijn over het algemeen beperkter. In de praktijk kunnen lange keten PFAS efficiënter verwijderd worden dan korte keten PFAS:

• Lange keten PFAS: >90% tot 99,99% (onder de huidige rapportagegrens van 20 ng/l voor de kwantitatieve PFAS en 50 ng/l voor de indicatieve PFAS);
• Korte keten PFAS: variabele rendementen van 40% - 60% afhankelijk van de gebruikte dosis.

Een hogere dosis zorgt voor een hoger verwijderingsrendement, zeker voor korte keten PFAS. 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. 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.

Matrixeffecten en voorbehandelingstechnieken

Deze techniek is robuust onder wijzigende matrixcondities en debiet. Onderstaande componenten kunnen een invloed kunnen hebben op de toepassing van coagulatie/flocculatie:

• Geen of slechts beperkte interferentie zal optreden met andere organische stoffen;
• Hoge concentraties van ander oppervlakte-actieve stoffen zorgen voor de nood aan hogere dosis coagulant/reactant;
• Het effect van geleidbaarheid en pH op de verwijderingsefficiëntie is op het moment van schrijven niet bekend;
• De toepassing van de techniek zorgt voor de ontkleuring en de verwijdering van zwevende stoffen, wat voordelig is voor de eventuele nageschakelde nabehandelingen;
• De toepassing van de techniek zorgt voor een verwijdering van ijzer. Echter wordt mangaan niet verwijderd tijdens dit proces.

Optimalisatie

Hieronder worden enkele punten samengevat die de zuivering van met PFAS belast bedrijfsafvalwater/bemalingswater met coagulatie/flocculatie in bepaalde situaties kan optimaliseren:

• Voorafgaande testen op de te behandelen matrix bepalen de optimale dosis en verblijftijden in de reactor(en);
• De dosis van het toegevoegde coagulant/reactant wordt geoptimaliseerd afhankelijk van het type PFAS en de aard van de matrix, en varieert typisch tussen 25 mg/l tot 2 g/l;
• 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 eventueel nageschakelde nabehandelingen te beschermen. Indien deze techniek op zichzelf wordt toegepast zonder nageschakelde nabehandelingen is deze voorbehandeling niet noodzakelijk;
• De voordelen van deze techniek zijn het meest uitgesproken bij de behandeling van bedrijfsafvalwater of bemalingswater met hoge concentratie PFAS;
• De hoeveelheid slib per verwerkt influent is afhankelijk van de aard van de matrix, de dosering van het coagulant/reactant, de PFAS influentconcentraties en de mogelijkheid tot het ontwateren van het slib.

Combinatie met andere technieken

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) waarna nog een polishingstap op basis van adsorptietechnieken noodzakelijk is om de gewenste PFAS eindconcentraties te bekomen. Echter kan afhankelijk van de PFAS influentconcentraties, type PFAS en gewenste effluent concentraties mogelijk geen nabehandeling nodig zijn.

Voorbeeldsituaties

De praktijkervaringen met coagulatie/flocculatie zijn op het moment van schrijven eerder beperkt. De voordelen van deze techniek zijn het meest uitgesproken bij de behandeling van bedrijfsafvalwater en bemalingswater met hoge PFAS concentraties met beperkte capaciteiten (max. 10 m³/u). Zeker in het geval van een groot aandeel lange keten PFAS. De toepassing van coagulatie/flocculatie zorgt voor een initiële bulkverwijdering van PFAS waarna de resterende PFAS concentraties kunnen verwijderd worden door de toepassing van één of meerdere filters met een specifiek adsorbens (GAC, ionenwisselingshars en/of oppervlakte gemodificeerde kleimineralen). Het aantal filters en de aard van het adsorbens is afhankelijk van de resterende PFAS concentraties, type PFAS, aard van de matrix en gewenste eindconcentraties. De coagulatie/flocculatie stap zorgt voor een bescherming van de eventueel nageschakelde polishingstappen zodat deze voor een langere duur in operatie kunnen gehouden worden en waardoor deze een significant beter verwijderingsrendement kunnen opleveren met beperkter materiaalverbruik dan wanneer deze op zichzelf zouden worden toegepast. In het geval van lage PFAS influentconcentraties (50 - 200 ng/l), hoofdzakelijk lange keten PFAS en gewenste eindconcentraties rond 100 ng/l kunnen nabehandelingen niet noodzakelijk zijn.

Bovendien is deze techniek robuust onder wijzigende matrixcondities en debiet waardoor deze geschikt is voor de behandeling van bemalingswater. Daarnaast kunnen complexere matrices met hogere CZV-gehaltes, zwevende stoffen en ijzer behandeld worden zonder invloed op de initiële bulkverwijdering van PFAS. Hier door komen bedrijfsafvalwaters zonder biologische behandeling met hoger CZV-gehalte en andere parameters hiervoor ook mogelijk in aanmerking.

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 met beluchte buffertank noodzakelijk voor bemalingswater dat rijk aan ijzer is. In het geval van hoge concentratie ZS is het aangewezen om een zandfilter voor de coagulatie/flocculatie stap te plaatsen indien nabehandelingen op basis van adsorptie worden toegepast.

Case-informatie

Case 7 – zuivering van PFAS-verontreinigd grondwater

Opstelling

In een specifieke case in voor de verwijdering van PFAS uit grondwater werd een waterbehandelingstrein, in een containeropstelling, toegepast bestaande uit een zandfilter, drie doseringseenheden, een microfiltratie-eenheid en nageschakelde actief koolfilters (2 m³ totaal) met een debiet van 1,5 – 2,0 m³/u (Figuur 29). Op basis van voorgaande labotesten met deze techniek en andere technieken zoals adsorptie, NF en RO werd deze techniek als meest beloftevolle geselecteerd. De waterbehandeling werd voor een periode van zeven maanden uitgevoerd. De GAC filter diende hier niet vervangen te worden. Het PFAS-houdend slib en GAC werden naar een stortplaats afgevoerd.

Figuur 29: Waterbehandelingstrein toegepast voor de verwijdering van PFAS in grondwater via coagulatie gevolgd door een actief kool nabehandeling in Case 7.

Influentconcentraties

De influentconcentratie van de som van kwantitatieve PFAS varieerde tussen 13,7 – 27,8 µg/l. De concentraties van individuele PFAS werden niet gedeeld in deze case.

Matrix

In deze case werd geen gedetailleerde informatie over de aard van de matrix gedeeld. Er was olie aanwezig in het influent dat geen invloed had op PFAS verwijdering via deze opstelling.

Effluentconcentraties

De gewenste eindconcentratie van 1 µg/l voor de som van kwantitatieve PFAS kon behouden worden over een periode van zeven maanden. 92% van de totale PFAS in het influent werd weerhouden in het PFAS-houdend slib van de behandeling met het reactant en 8% werd bijkomend verwijderd door de nabehandeling met GAC tot de gewenste eindconcentratie van maximaal 1 µg/l. Door het toepassen van verdergaande nabehandelingsstappen zouden lagere eindconcentraties mogelijk geweest zijn. Het verwijderingsrendement varieerde sterk in functie van de aard en concentratie van de PFAS in het influent. Bij voornamelijk hoge concentraties lange keten PFAS zoals PFOS en PFOA in het influent konden verwijderingsrendementen van 93% bekomen worden. Wanneer voornamelijk hoge concentraties korte keten PFAS zoals PFBS en PFHxA aanwezig waren in het influent was het verwijderingsrendement gemiddeld 43%.

Financiële aspecten

De containeropstelling had 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 deze containeropstelling werd ingeschat op 20 – 25 EUR/m³ behandeld.

Case 8 – zuivering van PFAS-verontreinigd grondwater

Opstelling

In een specifieke case voor de verwijdering van PFAS uit grondwater werd een waterbehandelingstrein toegepast bestaande uit een doseringseenheid in een CSTR, een zandfilter en twee in serie geschakelde GAC filters met een debiet van 5 m³/u (Figuur 30). Het reactant werd gedoseerd in een concentratie van gemiddeld 25 mg/l. De zandfilter zorgt voor de afscheiding van het gevormde PFAS-houdend slib en ZS. De GAC filters zorgen voor een finale polishing van het behandelde water. De waterbehandeling werd uitgevoerd over een periode van minimaal 2,5 maanden.

Figuur 30: Waterbehandelingstrein toegepast voor de verwijdering van PFAS in grondwater via coagulatie gevolgd door een actief kool nabehandeling in Case 8.

Influentconcentraties

De som PFAS influentconcentratie voor 14 target PFAS varieerde tussen 380 – 480 µg/l met hoge concentraties PFOS (240 µg/l) en PFHxS (120 µg/l) en relatief lagere concentraties (enkele µg/l) van andere korte en lange keten PFAS. Tabel 22 geeft een overzicht van de influentconcentraties van enkele PFAS op een gegeven tijdstip tijdens de waterbehandeling.

Tabel 22: PFAS influentconcentraties op een gegeven tijdstip van de waterbehandeling in Case 8.

Matrix

Het behandelde grondwater bevatte een weinig complexe matrix dewelke gemiddeld bestond uit:

• Opgeloste organische stoffen: 9 mg/l;
• BTEX: 4 µg/l;
• VOS: 27 µg/l;
• Fe: 26 mg/l;
• pH: 5,6.

De behandeling ondervond geen invloed van de aanwezige DOC, VOC en BTEX en relatieve hoge concentratie ijzer.

Effluentconcentraties

De coagulatie en filtratiestap op zichzelf zorgde reeds voor een verwijdering van 86,7% - 98,1% van de 14 target PFAS aanwezig in het influent. In het effluent van de GAC filtratiestap werden waarden lager dan de rapportagegrens van 20 ng/l gemeten met uitzondering van één moment waar de som van de 14 target PFAS gelijk was aan 0,09 µg/l. De concentratie van PFOS was steeds < 20 ng/l. Hierdoor varieerde het verwijderingsrendement van de gehele behandelingstrein over een periode van 2,5 maanden tussen 99,98 – 100% (onder de rapportagegrens van 20 ng/l) voor de 14 target PFAS. Tabel 23 geeft een overzicht van de som van de 14 target PFAS op vier afzonderlijke meetpunten in het influent, het effluent van de coagulatie en filtratiestap, en het effluent van de GAC filtratie.

Tabel 23: PFAS concentraties van de som van de 14 target PFAS op vier verschillende meetmomenten in het influent, het effluent van de coagulatie en filtratiestap, en het effluent van de GAC filtratie in Case 8 uitgedrukt in µg/l.

Tabel 24 geeft een overzicht van de influentconcentraties, en effluentconcentraties en verwijderingsrendementen van de coagulatie en filtratiestap voor acht specifieke target PFAS. Dit schetst enkel het verwijderingsrendement van de coagulatie en filtratiestap en niet van de volledige behandelingstrein.

Tabel 24: Influentconcentraties, en effluentconcentraties en verwijderingsrendementen van de coagulatie en filtratiestap voor acht specifieke target PFAS op het meetmoment in week 4 in Case 8 uitgedrukt in µg/l.

Financiële aspecten

Er werden geen kostprijsgegevens gedeeld in deze case.