Schuimfractionatie en ozofractionatie

Toepasbaarheid

Op het moment van schrijven zitten deze technieken vooral nog in de pilootfase met 20 toepassingen op grote schaal in het buitenland voor onder andere bedrijfsafvalwater en bemalingswater (TRL 7 – 8). Op het moment van schrijven is er één case bekend waarin schuimfractionatie op grote schaal wordt toegepast op bedrijfsafvalwater in Vlaanderen.

• Toepasbaar in vaste en mobiele installaties;
• verblijftijden tussen 30 – 45 min;
• typisch debieten van 0,5 – 40 m³/u worden behandeld. Op basis van leveranciersinformatie wordt ingeschat dat debieten van meer dan 300 m³/u haalbaar zijn indien bijkomende vaten worden geïnstalleerd;
• Grote volumereductie mogelijk (40 000:1 tot 40 000 000:1) bij meertrapsschuimfractionatie waardoor de omvang van de PFAS-houdende afvalstof dat dient verwerkt te worden sterk gereduceerd kan worden. Bij ozofractionatie zijn de volumereducties beperkter (50 – 200:1);
• Het beperkte grondstoffenverbruik gecombineerd met de grote volumereductie van meertrapsschuimfractionatie en een klein energieverbruik maakt de impact van deze techniek op het milieu beperkt.

PFAS verwijderingsefficiëntie

In de praktijk kunnen lange keten PFAS efficiënter verwijderd worden dan korte keten PFAS:

• Lange keten PFAS:  99,5% - >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 0 - 50% zonder optimalisatie voor korte keten PFAS. Variabele rendementen 36 -  99% met optimalisatie voor korte keten PFAS door wijziging procescondities en gebruik van additieven.

In combinatie met een nabehandeling zoals bijvoorbeeld ionenwisselingsharsen kunnen verwijderingsefficiënties van 99,9 – 99,99% voor alle PFAS bekomen worden. In deze combinaties kunnen eindconcentraties lager dan de huidige rapportagegrenzen van 20 ng/l voor de kwantitatieve PFAS en 50 ng/l voor de indicatieve PFAS gehaald worden. Bij beperkte influent PFAS concentraties kunnen door de toepassing van de techniek zonder nabehandelingsstap concentraties lager dan 0,1 µg/l gehaald worden voor individuele PFAS. Over het algemeen zouden hogere verwijderingsefficiënties mogelijk zijn met ozofractionatie dan met schuimfractionatie. Bijkomend kan ozofractionatie een beter verwijderingspotentieel hebben voor korte keten PFAS dan schuimfractionatie. Desalniettemin kan de transformatie van precursoren leiden tot de vorming van kortere keten PFAS en ultrakorte keten PFAS die moeilijker te verwijderen zijn (Input leden BC, 2022; Leung et al., 2022).

Matrixeffecten en voorbehandelingstechnieken

Onderstaande parameters kunnen een invloed hebben op de PFAS verwijdering bij de toepassing van schuimfractionatie en ozofractionatie:

• Toevoeging van specifieke polymeren en oppervlakte-actieve stoffen kunnen de verwijdering van korte en lange keten PFAS verbeteren;
• Een hoge zoutconcentratie zou kunnen zorgen voor een verhoogde verwijdering van PFAS.

Schuimfractionatie en ozofractionatie zijn niet gevoelig voor andere componenten in de matrix zoals andere koolwaterstoffen, zwevende stoffen of metalen. De techniek kan op zichzelf toegepast worden op stromen met hoge concentratie zwevende stoffen. Desalniettemin kunnen voorbehandelingen voor de fractionatie nodig zijn om eventuele nabehandelingsstappen zoals GAC of ionenuitwisseling te beschermen. In de praktijk wordt deze techniek daardoor vaak voorafgegaan door een verwijderingstechniek voor zwevende stoffen zoals een zandfilter, zakkenfilter of sedimentatietank.

Optimalisatie

Hieronder worden enkele punten samengevat die de zuivering van met PFAS belast bedrijfsafvalwater/bemalingswater met schuimfractionatie en ozofractionatie in bepaalde situaties kan optimaliseren (voor korte keten PFAS):

• Voorafgaande testen op de te behandelen matrix bepalen de optimale verblijftijden, de optimale procesparameters in de fractionatievaten, hoeveel fractionatievaten best worden toegepast en welke additieven moeten worden gebruikt;
• De gasbelgrootte is een belangrijke procesparameter die bepaald wordt door de gaskeuze, type gasinjectie, gasdebiet en de matrix van de te behandelen stroom;
• Door de frequentie en timing van dit injectiesysteem te optimaliseren kan de grootte en de snelheid van de gevormde gasbellen beïnvloed worden ter optimalisatie van de verwijdering van specifieke PFAS;
• De nood voor een nabehandeling wordt onder andere bepaald door het type PFAS aanwezig in het influent. Indien enkel lange keten PFAS aanwezig zijn kunnen deze efficiënt tot op ng/l niveau verwijderd worden zonder de nood aan een specifieke nabehandeling;
• Temperatuurscontrole tijdens dit proces is vooral belangrijk voor de schuimvorming en stabiliteit, wat mogelijk minder eenvoudig is in in-situ toepassingen;
• Het is belangrijk om de samenstelling van het influent zo constant mogelijk te houden omdat te sterke wijzigingen kunnen resulteren in de nood voor verdere optimalisatie. In sommige gevallen is het aanleggen van een buffertank noodzakelijk;
• Verwijdering van korte keten PFAS kan geoptimaliseerd worden door een meer intensieve beluchting, of de toevoeging van specifieke polymeren of oppervlakte-actieve stoffen;
• Controle op een stabiele schuimvorming is belangrijk. Lage PFAS concentraties in het te behandelen afvalwater kunnen soms te beperkt zijn om stabiele schuimvorming te realiseren. Door toevoeging van oppervlakte-actieve stoffen kan de schuimvorming en vervolgens PFAS verwijdering verbeterd worden.

Combinatie met andere technieken

Deze techniek wordt over het algemeen toegepast als een eerste bulkverwijdering van PFAS bij relatief hogere concentraties (>10 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. Indien de techniek op zichzelf wordt toegepast zijn er typisch geen voorbehandelingen noodzakelijk. Indien er nabehandelingen op basis van adsorptietechnieken worden toegepast zullen bijkomende voorbehandelingen noodzakelijk zijn om deze nabehandelingen te beschermen.

De beperkte volumes van de PFAS-houdende schuimfractie kunnen afgevoerd worden voor verbranding, verder geconcentreerd worden via indamping/vacuümverdamping of behandeld worden door een andere PFAS afbraak-/destructietechniek zoals niet-thermisch plasmabehandelingstechnologie of superkritische wateroxidatie.

Voorbeeldsituaties

Hieronder worden enkele niet-limitatieve voorbeeldsituaties geschetst waarin schuimfractionatie en ozofractionatie zouden toegepast kunnen worden voor de zuivering van met PFAS belast bedrijfsafvalwater en bemalingswater. Hier worden enkel algemene situaties geschetst. Voor elke specifieke situatie zal afzonderlijk moeten geëvalueerd worden of de voorgestelde behandeling van toepassing is.

Deze technieken worden mogelijks economisch interessant wanneer hoge influent concentraties moeten behandeld worden waardoor er (te) snelle filterwissels nodig zijn bij adsorptietechnieken zoals GAC en ionenwisselingsharsen. Daardoor wordt deze techniek vaak ingezet voor een eerste bulk verwijdering van hoge concentratie PFAS te realiseren. Ook in het kader van lange bemalingen kan het interessant zijn om deze techniek toe te passen als hoge concentraties PFAS worden vastgesteld in het bemalingswater. Zeker wanneer de matrix mogelijk een negatieve invloed heeft op andere technieken. Deze technieken zijn op het moment van schrijven mogelijk beperkt tot debieten van max. 40 m³/u, maar de leverancier geeft aan dat de mobiele installaties in containers in parallel geschakeld kunnen worden om ook hogere debieten te kunnen behandelen. Daarnaast zijn deze technieken niet gevoelig voor andere componenten in de matrix waardoor deze ook in aanmerkingen komen voor bemalingswater en bedrijfsafvalwater met complexe matrices (vb. bedrijfsafvalwater zonder biologische behandeling met hoger CZV-gehalte).

• Bedrijfsafvalwater/bemalingswater met weinig complexe of complexe matrix en hoge PFAS concentraties: Zandfilter + fractionatie (mogelijk met optimalisatie korte keten) + GAC of ionenwisselingshars;
• Bedrijfsafvalwater/bemalingswater met weinig complexe of complexe matrix en lage PFAS concentraties: Fractionatie;
• Bedrijfsafvalwater/bemalingswater met weinig complexe of complexe matrix en hoofdzakelijk lange keten PFAS: Fractionatie;
• Bedrijfsafvalwater/bemalingswater met weinig complexe of complexe matrix en hoofdzakelijk korte keten PFAS: Zandfilter + fractionatie (inclusief optimalisatie voor korte keten) + GAC of ionenwisselingshars;

De beperkte volumes van de PFAS-houdende schuimfractie kunnen afgevoerd worden voor verbranding of behandeld worden door een andere PFAS afbraak-/destructietechniek zoals niet-thermisch plasmabehandelingstechnologie of superkritische wateroxidatie.

Case-informatie

Case 10 – zuivering van met PFAS belast percolaatwater

Opstelling

In deze case voor de zuivering van met PFAS belast percolaatwater van een stortplaats werd een mobiele opstelling voor schuimfractionatie gebruikt. Deze opstelling bestond uit een buffertank voor het influent, 4 parallel geschakelde primaire fractionatievaten, 1 secundair fractionatievat, 1 tertiair fractionatievat en een opslagtank voor de PFAS-houdende schuimfractie (Figuur 32).

Figuur 32: Vereenvoudigde schematische voorstelling van de waterbehandeling toegepast voor de verwijdering van PFAS in bedrijfsafvalwater via schuimfractionatie in Case 10.

De opstelling werd met volgende parameters toegepast:

• De opstelling werd eerst op laboschaal en pilootschaal getest waarna de opstelling op grote schaal werd geïnstalleerd en toegepast;
• Er werd geen specifieke voor- of nabehandeling toegepast in deze case;
• Contacttijd: 18 min/fractionatievat;
• Er werd een debiet van 20 m³/u behandeld;
• Er werd geen optimalisatie voor korte keten PFAS toegepast;
• De opstelling bevatte een geautomatiseerde controle-eenheid dat controle op afstand toeliet.

Influentconcentraties

De som van 11 PFAS parameters varieerde tussen 1,9 – 3,4 µg/l over een periode van één maand met de hoogste concentraties voor PFHxA (1,1 µg/l), PFPeA (590 ng/l),  PFOA (510 ng/l), en PFHpA (450 ng/l). Tabel 25 geeft een overzicht van de PFAS influentconcentraties voor 11 PFAS parameters op vijf verschillende meetmomenten.

Tabel 25: Influentconcentraties voor 11 PFAS doorheen de tijd bij Case 10 uitgedrukt in ng/l.

Matrix

De aard van de matrix werd geanalyseerd voor een beperkt aantal parameters. Het behandelde percolaatwater bevatte een complexe matrix dewelke gemiddeld bestond uit:

• Zwevende stoffen: 75 -300 mg/l;
• Totaal organisch koolstof (TOC): 69 – 100 mg/l;
• Opgeloste organische stoffen: 45 – 81 mg/l.

Het behandelde percolaatwater bevatte een zichtbare contaminatie met micro-organismen. Desondanks werd er geen voorbehandeling voor de schuimfractionatie toegepast.

Effluentconcentraties

De som van de concentraties van 11 PFAS parameters varieerde tussen 0,81 en 1,3 µg/l over een periode van 1 maand. De hoogste effluentconcentraties werden gemeten voor PFBA (330 ng/l), PFPeA (520 ng/l) en PFHxA (370 ng/l). Tabel 26 geeft een overzicht van de effluentconcentraties van 11 PFAS parameters op dezelfde vijf meetmomenten als de influentconcentraties in Tabel 25.

Tabel 26: Effluentconcentraties voor 11 PFAS parameters en gemiddelde verwijderingsrendementen doorheen de tijd in Case 10 uitgedrukt in ng/l. Verwijderingsrendementen werden bepaald op de gemiddelde concentraties van de verschillende meetmomenten.

Over een periode van meer dan 12 maanden werd meer dan 100 000 m³ percolaatwater behandeld met deze opstelling. Tabel 27 geeft een overzicht van de gemiddelde verwijderingsrendementen voor 11 PFAS parameters over deze gehele periode. Bij de behandeling van 40 000 m³ percolaatwater werd ongeveer 1 – 2 m³ PFAS-houdende schuimfractie gevormd dat afgevoerd werd voor verbranding.

Tabel 27: Gemiddelde verwijderingsrendement over een periode van meer dan 12 maanden voor de opstelling met schuimfractionatie in Case 10.

Financiële aspecten

Er werden geen kostprijsgegevens gedeeld in deze case.

Case 11 - zuivering van met PFAS belast percolaatwater

Opstelling

In deze case voor de zuivering van met PFAS belast percolaatwater van een stortplaats werd een mobiele opstelling voor schuimfractionatie gebruikt. Hierbij werd dezelfde mobiele opstelling toegepast als beschreven in Case 10: een buffertank voor het influent, 4 parallel geschakelde primaire fractionatievaten, 1 secundair fractionatievat, 1 tertiair fractionatievat en een opslagtank voor de PFAS-houdende schuimfractie (Figuur 32).

De opstelling werd met volgende parameters toegepast:

• De opstelling werd eerst op laboschaal en pilootschaal getest waarna de opstelling op grote schaal werd geïnstalleerd en toegepast;
• Er werd geen specifieke voor- of nabehandeling toegepast in deze case;
• Contacttijd: 19 min/fractionatievat;
• Er werd een debiet van 18 m³/u behandeld;
• Er werd geen optimalisatie voor korte keten PFAS toegepast;
• De opstelling bevatte een geautomatiseerde controle-eenheid dat controle op afstand toeliet.

Influentconcentraties

De som van concentraties van 11 PFAS parameters varieerde tussen 3,8 – 4,7 µg/l over een periode van één maand met de hoogste concentraties voor PFPeA (690 ng/l),  PFHpA (1000 ng/l), en 6:2 FTS (880 ng/l). Tabel 28 geeft een overzicht van de PFAS influentconcentraties voor 11 PFAS parameters op vijf verschillende meetmomenten.

Tabel 28: Influentconcentraties voor 11 PFAS doorheen de tijd bij Case 11 uitgedrukt in ng/l.

Matrix

Het behandelde percolaatwater bevatte een minder complexe matrix dewelke gemiddeld bestond uit:

• Totaal organisch koolstof (TOC): 43 – 154 mg/l;
• BZV: 7 – 174 mg/l;
• Totaal stikstof: 15 – 61 mg/l;
• Ammoniumstikstof: 4 – 39 mg/l;
• Totaal fosfor: 0,5 – 3,8 mg/l;
• Hydrocarbon oil index: 0,1 – 0,5 mg/l;
• Lood: 1,8 – 6,0 mg/l;
• Cadmium: 0,07 – 0,2 mg/l;
• Koper: 12 – 35 mg/l;
• Chroom: 5,9 – 15 mg/l.

Effluentconcentraties

De som van de concentraties van 11 PFAS parameters varieerde tussen 0,81 en 1,3 µg/l over een periode van 1 maand. De hoogste effluentconcentraties werden gemeten voor PFBA (330 ng/l), PFPeA (520 ng/l) en PFHxA (370 ng/l). Tabel 29 geeft een overzicht van de effluentconcentraties van 11 PFAS parameters op dezelfde vijf meetmomenten als de influentconcentraties in Tabel 25.

Tabel 29: Effluentconcentraties voor 11 PFAS parameters en gemiddelde verwijderingsrendementen doorheen de tijd in Case 10 uitgedrukt in ng/l. Verwijderingsrendementen werden bepaald op de gemiddelde concentraties van de verschillende meetmomenten.

Over een periode van ongeveer 4 maanden werd 27 000 m³ percolaatwater behandeld met deze opstelling. Hierbij werd 0,22 m³ PFAS-houdende schuimfractie gevormd dat afgevoerd werd voor verbranding.

Financiële aspecten

Er werden geen kostprijsgegevens gedeeld in deze case.

Case 12 – piloottest PFAS-verontreinigd grondwater en effluent van grondwater behandelingsinstallatie

Opstelling

In deze case werd in een bestaande grondwatersanering voor gechloreerde vluchtige organische stoffen (VOCl) eveneens de aanwezigheid van PFAS vastgesteld door het gebruik van PFAS-houdende brandblusschuimen in het verleden. Voor een tijdelijke behandeling werden er filters met ionenwisselingshars toegepast. Er werd een pilootopstelling voor schuimfractionatie getest om te onderzoeken of de ionenwisselingshars kon vervangen worden door schuimfractionatie. Hierbij werd dezelfde mobiele opstelling toegepast als beschreven in Case 10: een buffertank voor het influent, 4 parallel geschakelde primaire fractionatievaten, 1 secundair fractionatievat, 1 tertiair fractionatievat en een opslagtank voor de PFAS-houdende schuimfractie (Figuur 32).

De opstelling werd met volgende parameters toegepast:

• De opstelling werd op initieel op laboschaal en vervolgens op pilootschaal getest om de werking van schuimfractionatie op het grondwater te evalueren. Deze testen waren noodzakelijk om de behandeling te kunnen afstellen op de locatie specifieke eigenschappen. Hierbij konden optimale waarden voor beluchtingstijd, beluchtingsintensiteit en noodzaak voor optimalisatie voor korte keten PFAS worden bepaald. Bovendien lieten deze testen toe de toepasbaarheid, economische haalbaarheid en benodigd energieverbruik in te schatten;
• In deze case werd zowel het effluent van de bestaande waterbehandeling voor grondwatersanering (luchtstripper voor VOCl verwijdering) getest als het grondwater op zich;
• Contacttijd: 20 min/fractionatievat;
• Er werd een debiet van 72 m³/u behandeld;
• Er werd optimalisatie voor korte keten PFAS toegepast door toevoeging van oppervlakte-actieve stoffen omdat er niet voldoende schuimvorming optrad zonder optimalisatie waardoor initieel niet de gewenste PFAS eindconcentraties konden gehaald worden.

Influentconcentraties

De som van concentraties van 11 PFAS parameters in het effluent van de grondwatersanering was op één meetmoment 519 ng/l met de hoogste concentraties voor PFPeA (44 ng/l) en  PFNA (320 ng/l). Tabel 30 geeft een overzicht van de PFAS influentconcentraties voor 11 PFAS parameters op één meetmoment.

Tabel 30: Influentconcentraties van de schuimfractionatie van het effluent van de grondwatersanering van 12 PFAS parameters in Case 12 op één meetmoment uitgedrukt in ng/l.

De som van concentraties van 12 PFAS parameters in het grondwater van de site zelf was op één meetmoment 11,7 µg/l met de hoogste concentraties voor PFPeA (582 ng/l), 6:2 FTS (1040 ng/l) en  PFNA (7820 ng/l). Tabel 31 geeft een overzicht van de PFAS influentconcentraties voor 12 PFAS parameters op één meetmoment.

Tabel 31: Influentconcentraties van de schuimfractionatie van het grondwater van 12 PFAS parameters in Case 12 op één meetmoment uitgedrukt in ng/l.

Matrix

De aard van de matrix van beide geteste afvalwaterstromen werd niet bepaald. Het grondwater van de site zelf bevatte hoge concentraties VOCl. Deze bleken geen invloed te hebben op verwijdering van PFAS in de piloottest.

Effluentconcentraties

De som van concentraties van 11 PFAS parameters in het effluent van de piloottest op het effluent van de grondwatersanering was op één meetmoment 17 ng/l met de hoogste concentraties voor PFPeA (4,7 ng/l) en  PFBA (9,4 ng/l). Tabel 32 geeft een overzicht van de PFAS effluentconcentraties en verwijderingsrendementen voor 11 PFAS parameters op één meetmoment tijdens de piloottest.

Tabel 32: Effluentconcentraties en verwijderingsrendementen van 11 PFAS parameters van de piloottest op het effluent van de grondwatersanering in Case 12 op één meetmoment uitgedrukt in ng/l.

De som van concentraties van 12 PFAS parameters in het effluent van de piloottest op het grondwater van de site zelf was op één meetmoment 207 ng/l met de hoogste concentraties voor PFPeA (56,7 ng/l) en  PFBA (84,3 ng/l). Tabel 33 geeft een overzicht van de PFAS effluentconcentraties en verwijderingsrendementen voor 12 PFAS parameters op één meetmoment tijdens de piloottest.

Tabel 33: Effluentconcentraties en verwijderingsrendementen van 12 PFAS parameters van de piloottest op grondwater in Case 12 op één meetmoment uitgedrukt in ng/l.

Financiële aspecten

Er werden geen kostprijsgegevens gedeeld in deze case.