Norrvatten är en av Sveriges största dricksvattenproducenter. Med ett ökande behov av en större produktionskapacitet och nya regleringar, planerar dem att förbättra sin reningsprocess. En aspekt som kräver omfattande undersökning är val av reningsmetod för att nå den nya gränsen från Livsmedelsverket för fyra PFAS kemikalier. PFAS är en grupp kemikalier som är mänskligt producerade sedan 1950-talet, vilka är persistenta och farliga för människors hälsa. Deras stabilitet i miljön leder till att de ackumulerar i naturen och hamnar i mat och dricksvatten. För att uppnå de nya regleringarna måste Norrvatten minska sin PFAS4 koncentration från cirka 5.7 ng/L till 4 ng/L. PFAS-separationen är planerad att genomföras via antingen aktivt kol eller en kombination där flotation även implementeras. Aktivt kol har en bevisad möjlighet att separera och destruera PFAS4, men nyligen har indikationer på en potential hos flotation uppenbarats. Dock är forskningen kring dess effektivitet begränsad vilket medför ett behov av att utvärdera dess användbarhet. Denna rapport syftar till att förse Norrvatten med ett underlag på effektiviteten och gynnsamheten med flotation inför beslutet att implementera flotation. Av den anledningen undersöktes separationseffektiviteten som uppnås i en befintlig flotationsbassäng i Norrvattens vattenverk. Genom att mäta PFAS4 koncentrationen i inflödet, utflödet och slammet kunde en borttagningseffektivitet på 19-38% bestämmas för olika belastningar. Slamkoncentrationen mättes till ungefär 200-700 ng/L. Felkällor kunde identifieras i mätningarna eftersom massbalansen inte stämde överens trots att mätosäkerheten från analysen adderades. Dessutom gjordes en omanalys av två prover som skilde sig från det förväntade resultatet, vilket gav avsevärda skillnader i resultatet. Trots att några felkällor kunde identifieras kunde inte en fullständig förklaring till avvikelserna fastställas. Trots detta kunde slutsatser dras att den uppmätta separationseffektiviteten och slamkoncentrationen kunde förse ett korrekt intervall. Dessutom indikerade resultaten att flotation inte kan appliceras enskilt för att nå koncentrationsmålet utan bör kombineras med kompletterande kolfilter f ̈or att nå gränsvärdet. Flotation ger upphov till en mer koncentrerad ström av PFAS som kräver behandling för att eliminera kemikalierna från miljöns kretslopp. Flera potentiella behandlingsmetoder identifierades för hur slammet kan hanteras. Jämförelsen inkluderade aktivt kolfilter, jonbytare, membran, oxidationsprocesser, sonolys, förbränning, deponi, jordrening, flotation, skumfraktionering, behandling på reningsverk och återanvändning för jordförbättring. Metoderna jämfördes utifrån bevisad robusthet, kostnad och applicerbarhet. Ett möjligt slamhanteringsalternativ visade sig vara ett sekundärt steg med flotation, förbränning av det uppkoncentrerade slammet och behandling av permeatet med jonbytare. Med den föreslagna slamhanteringen kunde implementering av flotation utvärderas baserat på maximal PFAS destruktion, ekonomi, koldioxidutsläpp och energiförbrukning. Det visade sig att energiförbrukningen är större för processen som inkluderar flotation men koldioxidutsläppen är mindre. Dock är det möjligt att avgränsningarna för koldioxid kan ha gynnat flotationsprocessen eftersom utsläpp från reaktivering av kolfilter inkluderades men inte utsläpp från förbränning eller energiproduktion. PFAS destruktionen blev ungefär 1-2% större för processen med exklusivt kolfilter eftersom flotationsprocessen innehåller ytterligare en ström som släpper ut PFAS efter behandling med jonbytare. Det mest ekonomiska alternativet visade sig bero på koncentrationsgränsen där implementering av flotation var dyrare för en PFAS4 koncentration på 4 ng/L i dricksvattnet, men billigare vid en gräns på 3 ng/L. Slutligen upptäcktes det att volymen av sekundärt slam som beräknades att skickas till förbränning har en stor påverkan på driftkostnaderna. Därför bör optimeringar genomföras för att minimera den sekundära slamvolymen om flotation implementeras. / Norrvatten is one of the largest drinking water producers in Sweden. With the need to increase their production capacity and new regulations, they are planning to improve their treatment process. One aspect that requires extensive investigation, is the treatment approach to reach the new limit from the Swedish Food Agency of four PFAS chemicals. PFAS is a group of chemicals that have been humanely produced since the 1950s, which are persistent and hazardous to human health. Their environmental stability causes them to accumulate in nature and ends up in foods and drinking water. To fulfill the new regulations, Norrvatten has to decrease the PFAS4 concentration in their drinking water from approximately 5.7 ng/L to 4 ng/L. The removal is planned to be achieved through either activated carbon filters or a combination where dissolved air flotation is included. Activated carbon has a proven separation and destruction possibility for PFAS4 but recently, DAF has appeared to be a promising alternative. However, there is limited research on its efficiency, which establishes a need for investigations on the potential of DAF for PFAS removal. To navigate Norrvatten through the decision between exclusively applying GAC filters or implementing a combination with DAF, this thesis intends to provide a basis of its efficiency and favorability. Therefore, this thesis investigated the removal efficiency that was obtained in one existing DAF basin in Norrvattens waterworks. By measuring the PFAS4 concentration in the inlet, outlet, and sludge flow, a removal efficiency of 19-38% was acquired for different flow levels. In addition, the sludge concentration was measured to approximately 200-700 ng/L in the water phase. Presence of sources of errors could be identified in the measurements as the mass balance did not add up despite the addition of the measurement uncertainty in the analysis. Also, two samples were analyzed twice as the results differed from the expected results, which provided significant variations. Although some sources of error were identified, a full explanation for the differing results could not be disclosed. However, through some consistency, it was possible to conclude that the removal efficiency and sludge concentration could provide an accurate interval to illustrate the reality. In addition, the results indicate that DAF cannot be applied alone to reach the concentration goal, but has to be combined with additional GAC filters to reach the target. DAF provides a separation of PFAS into a sludge stream that requires treatment to remove the chemicals from the environmental cycle. To investigate how the sludge could be managed, several treatment methods were identified. The comparison included GAC, AIX, membranes, oxidation processes, sonolysis, incineration, landfill, soil cleaning, DAF, foam fractionation, treatment at a wastewater facility, and reuse for soil improvement. The methods were compared based on proven robustness, cost, and applicability. It was concluded that a viable alternative was to transfer the sludge to a second stage of DAF, incinerate the concentrated sludge, and treat the permeate with AIX. From the sludge management proposal, the implementation of DAF was analyzed based on maximum PFAS destruction, economics, carbon emissions, and energy requirements. It was found that the energy requirement was larger for the process including DAF but the carbon emissions are smaller. However, the delimitations on the carbon emissions may have been in favor of the DAF process as the GAC reactivation emissions are included but emissions due to incineration or energy production are excluded. The PFAS destruction was approximately 1-2% larger for the process that excluded DAF as an additional stream containing PFAS would be released into the environment after AIX, which is not present when only GAC is implemented. The economic out-come depended on the concentration limit, where implementation of DAF was more expensive for a treatment target of 4 ng/L in the drinking water and more economical for 3 ng/L. Lastly, it was found that the volume of the concentrated sludge that would be sent for incineration had a large impact on the operational cost. Therefore, if DAF is implemented optimizations are of relevance to minimize the volume of that stream.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-329563 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Vikström, Madeleine |
| Publisher | KTH, Kemiteknik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-CBH-GRU ; 2023:180 |
Page generated in 0.004 seconds