Leachate from landfills is contaminated in many ways and per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS)-contamination is one of them. Recent studies have demonstrated the environmental and human concerns of PFAS. Therefore, the treatment of leachate is important. One technique to reduce the PFAS concentration is by using aeration and foam fractionation. Hovgården is a landfill northeast of Uppsala, where previous measurements have shown high levels of PFAS in the leachate. Earlier small-scale experiments using aeration foam fractionation as a treatment technique for PFAS removal have been done successfully, but with upcoming requirements of PFAS concentrations there is a need to investigate whether an upscaling is possible or not. In this study, this has been investigated by pumping PFAS contaminated leachate from the landfill in to a 0.046 square metre plastic cylinder and aerated the leachate with an airflow of ten L min-1. A total of six experiments were conducted were the contact time and fraction of extracted foam was parameters that was varying. Four experiments were done with a contact time of ten min and foam fraction of five, ten, twenty and thirty percent and two experiments were made with a foam fraction of five percent and a contact time of twenty respectively thirty min. The average ΣPFAS removal, i.e., the percentage difference in ΣPFAS concentrations between the influent and effluent water in the different runs varied between 31 % and 66 %. The removal of long chained PFAS (≥C6) was higher than the removal of short chained PFAS(≤C5) even if all experiments did reduce the PFAS concentration. Carbon chains with a functional group containing a carboxylic acid is called perfluorocarboxylic acids (PFCA) and with a functional group containing a sulfonic acid is called perfluoroalkane sulfonic acids (PFSA). Precursors are PFAS that after a reaction degrades into PFCA and PFSA. The average removal efficiency of PFCA were 48 %, of PFSA 59 % and of precursors 78 %. The highest removal efficiency was discovered in the experiment with a 30-min contact time and five percent foam fraction with an average ΣPFAS removal of 58 % and an average Σlong chained PFAS removal of 92 %. The lowest removal efficiency was discovered in the experiment with a 10-min contact time and 20 percent foam fraction with an average ΣPFAS removal of 41 % and an average Σlong chained PFAS removal of 67 %. In conclusion a connection between increased contact time and increased removal efficiency was discovered but no clear connections between foam fraction and removal efficiency were found. However, it cannot be stated beyond reasonable doubt that the contact time is the decisive factor. Another conclusion is that the enrichment of short chained PFAS are higher in the water and a higher enrichment of long chained PFAS in the foam. In general, a higher inlet concentration of PFAS in the influent water resulted in a higher removal efficiency.

Per- and polyfluorinated substances (PFASs) have become an urgent topic in the water treatment industry in recent years as a consequence of new scientific discoveries of the correlation between the ingestion of some PFASs and their toxicity in humans and other organisms. PFASs are synthetic compounds present in a variety of products. Due to their desirable physical and chemical properties, PFASs are found in everything from clothes and furniture to aqueous fire-fighting foams. These compounds have also been identified in food and drinking water. The flourine-carbon bond present in these chemicals are exceptionally strong. Hence PFASs are persistent in nature when leaked to the environment. Additionally, the mobility properties of PFASs in the soil leads to contamination of surface and groundwater, necessitating actions from drinking water treatment plants (DWTP).  Nanofiltration plants have shown to successfully reduce the PFASs content in contaminated waters. The accumulation of PFASs in the concentrate is a potent source of these compounds and requires treatment before leaving the DWTP. Foam fractionation (FF) is an aeration technique that utilizes the hydrophobic properties of the PFASs compounds, in which PFASs adsorbs to the interfaces of introduced rising air-bubbles. The foam forming at the surface is then extracted, reducing the contamination.  In this study, the efficacy of the FF system on a concentrate from a two-stage nanofiltration membrane was evaluated. Also, the ability of surfactants to enhance the PFAS reduction was explored. The study was conducted in two parts. The first part was executed in a laboratory scale environment where five surfactants were added to a batchwise FF system. A minimum dose was determined and four experimental runs were then executed for each surfactant: Zero surfactant, 1x minimum dose, 2x minimum dose and 5x minimum dose. The results were evaluated and the surfactant showing the greatest improvement of PFASs removal, in this study a cationic surfactant, was chosen for further investigations in the second part. A continuous pilot FF system was used in the second part, the inner diameter of the colon was 54 mm, the height of the water column was held at 1 m prior to the aeration, the contact time (CT) was 10 minutes and the air-flow rate was set to be 4 L/min in all runs. Four experimental runs were conducted with different doses of the cationic surfactant: Zero surfactant, 1x minimum dose, 2x minimum dose and 3x minimum dose. Each experiment was repeated three times. A total of 12 runs were performed.  The results showed a removal efficiency of > 99 % of long-chained PFASs in all conducted experimental runs. Without the addition of surfactant, the average removal efficiency of ∑ short-chained PFASs was 61 % whereas maximum removal (77 %) was obtained with the highest surfactant dose applied. The mean reduction of ∑PFASs was 90 % in the zero surfactant run and 94 % in the highest dose experiment. The main findings from the study were that: 1) FF is an efficient method for the removal of long-chained PFASs from concentrate 2) Surfactants can be added to increase the removal of short-chained PFASs, 3) Higher dosing of the surfactant positively correlated with the removal efficiency of ∑short-chained PFASs in the FF system, however the relationship was not linear. / Per- and polyfluorerade ämnen (PFAS) är ett högaktuellt forskningsområde inom dricksvattenproduktion. På senare år har ny forskning påvisat korrelationen mellan intag av vissa PFAS-ämnen och hälsoproblem hos både människor och djur. PFAS är syntetiskt framställda kemikalier som förekommer i flertalet av våra vardagliga produkter på grund av dess fördelaktiga fysiska- och kemiska egenskaper. PFAS används i allt från smink och möbler till brandskum men har också påträffats i dricksvatten och mat. Kol-fluor bindningen som förekommer i alla PFAS-ämnen tillhör den organiska kemins starkaste bindningar. Följaktligen bryts PFAS-ämnen ned extremt långsamt när de hamnar i naturen. PFAS förmåga att mobilisera sig i jorden leder till kontaminering av yt- och grundvatten vilket tvingar dricksvattenverk att vidta åtgärder.  Nanofiltration har visat sig vara en kraftfull metod för att rena vatten från PFAS. I koncentratet, det vill säga det vatten som inte renas genom membranen, ackumuleras PFAS vilket förutsätter en separat reningsprocess innan vattnet kan släppas ut i naturen. Skumfraktionering är en luftbaserad teknik som utnyttjar hydrofobiciteten i PFAS. PFAS-ämnen adsorberas till ytan hos de injicerade luftbubblorna och transporteras till vattenytan där det bildar ett skum. Uppsamling av skummet reduceras således kontamineringen.  I den här studien bedömdes effektiviteten av skumfraktionering på koncentratet från ett två- stegs nanofiltrationsmembran. Därutöver undersöktes effekterna av att tillföra surfaktanter till systemet för att optimera reduceringen. Studien genomfördes i två delar. Den första delen ufördes i en mindre skala där 5 olika surfaktanter adderades till en satsvis- skumfraktioneringsprocess. Initialt bestämdes en minimum dosering för alla surfaktanter. Totalt genomfördes 4 experiment: Ingen surfaktant, 1x minimum dosen, 2x minimum dosen, 5x minimum dosen. Den surfaktant som påvisade bäst effekt på reduceringen av PFAS, i detta fall en katjonisk surfaktant, användes sedan.  I den andra delen av arbetet användes en kontinuerlig skumfraktioneringsprocess. Den inre diametern på kolonnen var 54 mm, vattenkolumnen hölls konstant på 1 m innan luftningen, kontakttiden var 10 min och lufthastigheten var satt till 4 L/min. Totalt genomfördes 4 experiment: Ingen surfaktant, 1x minimum dosen, 2x minimum dosen, 3x minimum dosen. Varje experiment upprepades tre gånger.  Resultatet visade att > 99 % av ∑långkedjiga PFAS-ämnen reducerades i alla genomförda experiment. Den genomsnittliga reduktionen av ∑kortkedjiga PFAS-ämnen var 63 % i experimenten utan surfaktant, medan i experimenten med den högsta doseringen var reduktionen 77 %. Den genomsnittliga reduktionen av ∑11 PFAS var 94 % för den högsta doseringen medans den var 90 % i experimentet utan surfaktant. Studien visade att:  1) Skumfraktionering är en effektiv metod för att rena koncentrat från långkedjiga-PFAS 2) Surfaktanter kan fördelaktigen användas för att optimera reningen av kortkedjiga-PFAS ämnen. 3) Högre dosering av surfaktanter korrelerade med högre reduktion av ∑kortkedjiga PFAS i skumfraktioneringsprocessen, ökningen var dock inte linjär.

M. S.

Enzyme haben sich in vielen Industriezweigen zu wichtigen Werkzeugen entwickelt und könnten in Zukunft besonders aufgrund der Transformation der chemischen Industrie hin zu klimaneutralen und nachhaltigen Prozessen an Bedeutung gewinnen. Für einen flächendeckenden Einsatz fehlt es jedoch an kosteneffizienten und effektiven Reinigungsmethoden, da vor allem das Downstream Processing einen bedeutenden Anteil an den Herstellungskosten haben kann. In den vergangenen Jahren wurden eine Vielzahl neuer Verfahren etabliert, um kostenintensive, chromatografische Schritte im Downstream Processing zu ersetzen. Eine vielversprechende, jedoch wenig beachtete Technik für die Enzymreinigung ist die Schaumfraktionierung. Diese Methode beruht auf der Bildung stabiler Schaumblasen, die durch die Adsorption oberflächenaktiver Moleküle an der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche von Luftblasen entstehen. Dadurch können Moleküle im Schaum angereichert und gereinigt werden. Die Schaumfraktionierung zeichnet sich durch milde Betriebsbedingungen, geringe Betriebskosten und einen einfachen apparativen Aufbau aus. Ihr Einsatz wird jedoch durch die Verwendung von Tensiden zur Schaumerzeugung und -stabilisierung sowie die potenzielle Denaturierung und Inaktivierung von Enzymen an der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche und die Unspezifität der Methode verhindert. Fusionsproteine, abgeleitet von natürlichen oberflächenaktiven Proteinen wie (bakteriellen) Hydrophobinen, könnten aufgrund ihrer spezifischen Wechselwirkungen mit der Luft-Wasser-Grenzfläche Tenside als Schaumbildner ersetzen und eine Generalisierung der Methode ermöglichen. Vor diesem Hintergrund war es das Ziel der vorliegenden Arbeit, Fusionsproteine zu identifizieren, die eine tensidfreie, aktivitätserhaltende Schaumfraktionierung von Enzymen ermöglichen. Die Identifikation potenzieller struktureller Determinanten der Fusionsproteine, die die Aufrechterhaltung der Aktivität und die Anreicherung im Schaum bedingen, bilden eine wichtige Grundlage für künftige Untersuchungen und die Etablierung dieser Methode. Die Fusion des oberflächenaktiven Proteins Ranaspumin-2 (Rsn-2) mit dem Modellenzym β-Lactamase (Bla) resultierte in einem Fusionsprotein, das im Gegensatz zum nativen Enzym die Fähigkeit besaß, einen stabilen Schaum zu erzeugen. In Zerschäumungsversuchen konnte mit dem generierten Fusionsprotein eine tensidfreie Anreicherung in der Schaumfraktion erreicht werden. Des Weiteren gewährleistete die Fusion mit Rsn-2 einen Aktivitätserhalt während der Zerschäumung, wodurch Bla-Rsn-2 ~70% seiner Aktivität beibehielt. Vergleichende Untersuchungen mit einer Penicillin-G-Acylase (PGA) und einer Formiatdehydrogenase (RjFDH) bestätigten nicht nur die Ergebnisse, sondern außerdem die Generalisierbarkeit der Methode. Diese Untersuchungen zeigten jedoch auch den Einfluss der Enzyme auf die Schaumstabilität, sowie einen möglichen Einfluss der Fusion auf die Enzymaktivität. Zusammenfassend zeigten die Ergebnisse erstmals, dass ein Fusions-Tag (F-Tag) basierend auf einem oberflächenaktiven Protein ein veritables Mittel für eine gezielte Schaumfraktionierung von Enzymen sein könnte. Basierend auf diesen Untersuchungen wurden eine Vielzahl natürlicher, schaumstabilisierender Proteine als F-Tags in Zerschäumungsexperimenten untersucht. In diesen wurden alle Fusionsproteine mit variierender Ausbeute im Schaum angereichert und die F-Tags waren in der Lage, die Aktivität der fusionierten Enzyme in unterschiedlichem Ausmaß zu erhalten. Strukturmodell der Fusionsproteine in silico deuteten darauf hin, dass für eine optimale Aktivitätserhaltung vor allem ein großer Abstand zwischen den beiden Proteindomänen erforderlich war. Die Einführung einer künstlichen helikalen Linker-Domäne zwischen Enzym und F-Tag bestätigte diese Hypothese. Interessanterweise war der eingeführte kurze Linker R1 als F-Tag in der Lage, Enzyme aktivitätserhaltend und mit hoher Ausbeute im Schaum anzureichern. In darauffolgenden Schaumfraktionierungsexperimenten wurde versucht eine künstliche Verunreinigung (Grün fluoreszierendes Protein, eGFP) mithilfe der zuvor identifizierten drei besten F-Tags von den Fusionsenzymen abzutrennen. Die Ergebnisse zeigten, dass für eine nahezu vollständige Abtrennung der Verunreinigung ein komplexes Zusammenspiel aus Säulengeometrie, Prozessparametern und Zusammensetzung der Ausgangslösung notwendig war. Die Reinheit der Schaumfraktion wurde vor allem durch die Stabilität der erzeugten Schäume und der Drainage der interstitiellen Flüssigkeit bestimmt. Der Einsatz von Waschpuffer half dabei, die im Schaum eingeschlossene Ausgangslösung auszuspülen und die Reinheit der Schaumfraktion zu steigern. Die Anteile der Fusionsproteine im Schaum sowie deren Restaktivität wurde maßgeblich durch die spezifischen Wechselwirkungen der F-Tags mit der Grenzfläche bestimmt. Schlussendlich konnten aus den Untersuchungen jedoch keine spezifischen strukturellen Determinanten abgeleitet werden, die die Anreicherung der F-Tags im Schaum beeinflussten. Erstaunlicherweise zeigte der kleine Linker R1 unabhängig vom untersuchten Enzym in der Schaumfraktionierung die besten Schaumausbeuten und eine Reinheit von bis zu 96 %, während er in allen Experimenten eine Restaktivität der Enzyme von mindestens 80% gewährleisten konnte. Zusammenfassend wurden Proteine mit inhärent schaumstabilisierenden Eigenschaften identifiziert, die die aktivitätserhaltende Rückgewinnung und Reinigung von Enzymen durch die Schaumfraktionierung ermöglichten. Es wurden Eigenschaften der Fusionsproteine, mögliche Wechselwirkungen und Prozessparameter identifiziert, die die Schaumfraktionierung und den Aktivitätserhalt von F-Tag-Fusionsproteinen maßgeblich beeinflussten. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit verdeutlichen das vielversprechende Potenzial der F-Tags bei der Etablierung einer tensidfreien, aktivitätserhaltenden Schaumfraktionierung als effiziente Methode für die Aufarbeitung von Enzymen im Downstream Processing und bilden eine Grundlage für das Verständnis und die notwendigen Weiterentwicklungen der etablierten Methode.

Stormwater is a significant transport medium for pollutants to recipients located near cities. Substances commonly found in stormwater include nutrients, metals, organic substances and particles. A group of pollutants detected in stormwater are per- och polyfluoroalkyl substances (PFAS). PFAS is a group of chemicals which have been proven to have harmful effects on health, such as endocrine disruptive effects. The most sensitive considered parameter today is effects on the immune system, but a few of these substaces are also classified as carcinogenic or potentially carcinogenic. The distribution of PFAS to the environment is significant from both new and historical uses and sources, which continue to contribute to the environment due to high persistence of PFAS. The most significant point sources of PFAS in stormwater are industrial processes and manufacturing of PFAS-containing products, firefighting foam and hydraulic oil. Atmospheric deposition, building materials and traffic also contribute but in a smaller scale.  This thesis is based on a case study of a Swedish stormwater system and is aimed to evaluate which concentrations that can be classified as elevated in the stormwater system. Another aim is to investigate various remedial measures against the elevated levels of PFAS in the stormwater system. This was accomplished by a literature study of remediation techniques for PFAS applicable to a case study of an investigated stormwater system. The case study was carried out in different parts to estimate the risks and possible measures. The parts were action levels, site-specific guideline values, sampling, requirements for actions or remediation, and possible remediations techniques. Action targets and site-specific guideline values were developed based on literature and results obtained using a conceptual model. The action target was stated as follow: Stormwater must not contribute to the distribution of per- och polyfluoroalkyl substances which in a long term can result in levels in surface water that pose a risk to human health. The site-specific guideline value of 4,4 ng/L PFOA-equivalents at the outlet of the storwater, was developed based on background levels and environmental quality standards from EU:s water directive for surface water.  Sampling and analysis of 22 different PFAS compounds was carried out at 10 different sampling locations in the actual stormwater system of the case study. The measured levels were compared to the site-specific guideline value, and an assessment of requirements for actions or remediation was carried out. The measured levels in the stormwater system were calculated, 5,76 ng/L PFOA-equivalents. Finally, an investigation was done of possible remedial actions and suitable remediations techniques. The stormwater system needed further investigations to make a legitimate decision about the need for stormwater treatment of PFAS. Investigations of potential point sources were suggested as adequate in order to apply the most resource efficient remedial action. Various remedial techniques were also considered for the stormwater system. The techniques were evaluated based on the criterias's; remedial capacity, water matrix, estimations of captial- and operating costs, energy requirements and availability on the market.