Skumfraktionering

Tillämpning

Skumfraktionering är en nyare metod som används i större pilotprojekt och i fullskalig sanering av pumpat grundvatten och lakvatten. Metoden används idag för att rena förorenade vatten från PFAS, men har potential att rena även andra, framförallt ytaktiva föroreningar. Metoden kan användas för alla typer av förorenade vatten (ytvatten, grundvatten, dagvatten, avloppsvatten, lakvatten och processvatten). Försök har också gjorts för att använda metoden in situ, för att sanera grundvatten (Buckley 2022). Tekniken är fördelaktig vid rening av stora mängder vatten jämfört med andra separationsmetoder.

Status och historik

Skumfraktionering är en process som använder luft (eller annan gas) för att generera fina bubblor som stiger genom en vattenkolonn. Skummet ansamlas i toppen av vattenpelaren och skummas där av för bortskaffning eller vidare anrikning genom fler kolonner. Skumfraktionering är en välstuderad teknik och har använts i ett antal olika industriella tillämpningar, såsom rening av biologiska proteiner och metaboliter, mineralbearbetning och jordbruk. Tekniken kan användas både för att anrika önskade produkter, exempelvis proteiner, eller för att avlägsna oönskade produkter såsom föroreningar. Den vanligaste kommersiella tillämpningen för skumfraktionering vid vattenrening återfinns inom akvakulturindustrin där det används för att avlägsna skumbildande proteiner i odlingen (exempelvis från överblivet foder) (Buckley, 2022).

Tekniken utvecklades på 40-talet och redan från 1960-70 talet finns flera sammanställande rapporter kring tillämpningar, med fokus på avlägsnande av föroreningar från processvatten. Sedan dess har tekniken utvecklats till att också omfatta sanering av grundvatten i förorenade områden (Buckley, 2022).

Det kommersiella intresset för skumfraktionering har ökat stort inom vattenreningsindustrin under det senaste decenniet på grund av teknikens potential att avlägsna ytaktiva föroreningar. Tekniken är fördelaktig vid rening av stora mängder vatten jämfört med andra separationsmetoder.

Användning av skumfraktionering som teknik för grundvattensanering har också nyligen rönt stort vetenskapligt och kommersiellt intresse gällande behandling av PFAS. Det finns många olika typer av PFAS i miljön och den höga ytaktiviteten hos många PFAS gör skumfraktionering lämpad som teknik för separation av dessa föreningar från vatten.

Det första fullskaliga projektet med grundvattenrening med avseende på PFAS genomfördes i Oakey, Australien med start 2019 där anläggningen dimensionerades för en vattenmängd om 250 000 l/dag. Projektet pågår fortfarande (ITRC, 2022). Flera fullskaliga projekt har sedan dess genomförts, även i Sverige, för lakvatten och dagvatten (Envytech, 2022).

Ett mindre fältförsök har också gjorts in situ, i ett befintligt grundvattenrör. Tryckluft injicerades vid botten av röret och PFAS-anrikat skum kunde avlägsnas från toppen (Phillips, 2018). Grundvattenröret hade en kontinuerlig tillförsel av påverkat grundvatten genom naturliga hydrogeologiska processer. En fördel med att använda skumfraktionering in situ skulle vara att inget utgående vatten skapas och behöver omhändertas som vid tillbakapumpning eller utsläpp i recipient. Skumfraktionering in situ marknadsförs av den internationella entreprenören OPEC som Downhole Foam Fractionation (DFF).

Behandlingsprinciper

Skumfraktionering utförs i kolonner. En kolonn för skumfraktionering kan delas upp i två delar, en vattensektion i botten av kolonnen och en skumsektion ovanför.

Vattensektionen innehåller huvuddelen av vätskan i kolonnen. Gas (vanligtvis luft) införs i vattnet via munstycken. Storleken på bubblorna kan kontrolleras något beroende på munstyckets egenskaper, men beror också till stor del på gasens flöde och systemets fysikaliska och kemiska egenskaper. Vätskans jonstyrka (halt av olika salter) påverkar också bubblornas storlek och antal vid ett givet gasflöde. De bildade bubblorna stiger genom vattnet, och ger en viss turbulens. Det går även att rikta munstyckena för att få en virvel genom vattnet och Turbulensen snabbar på processen för att nå jämvikt i systemet. Ovanför vattensektionen bildas ett skum där de ytaktiva föroreningarna ansamlas och kan skummas av.

Skumfraktionering fungerar genom att utnyttja ytaktiva ämnens affinitet för ytor. Tensider är exempel på ytaktiva föreningar som lätt kan avlägsnas med skumfraktionering. Ytaktiva ämnen har en affinitet för luft-vattengränssnittet (vattenytan, eller ytan på en lutbubbla), och graden av affinitet bestäms av deras kemiska struktur. PFAS med längre kolkedjor är exempelvis mer ytaktiva än PFAS med korta kolkedjor. För en given koncentration av ytaktivt ämne finns det en jämvikt mellan vattnet och mängden ytaktivt ämne som adsorberas vid ytan. Jämvikten uppnås efter en tid som är beroende av tensidkoncentrationen, temperaturen och närvaron av andra föroreningar i vattenfasen (t.ex. salter).

Vid adsorption av ytaktiva ämnen till gränssnittet mellan vatten och luft minskar deras lägesenergi. Minskningen av fri energi är den grundläggande drivkraften för ytaktiva molekyler att adsorbera vid gränssnittet. Skumfraktioneringens bubblor tillhandahåller en stor ytarea (gränssnittsarea) för adsorption av ytaktiva föreningar. De ytaktiva ämnen som adsorberas vid bubblornas yta koncentreras där. PFAS adsorberar med sina polära delar kvar i vattenfasen av bubblan och sina opolära svansar inuti luftbubblan. De molekylära mekanismerna bakom skumfraktionering är utförligt beskrivna i Buckley et al. (2022). Om tillräckligt många ytaktiva molekyler finns bildas ett PFAS-berikat skum ovanpå vattnet, som kan separeras och behandlas ytterligare. Omvänt kommer bulkvattenfasen att tömmas på PFAS.

PFAS Saff

Figur 1. Principskiss på anläggning för skumfraktionering. Förorenat vatten leds in i första kolonnen och renas genom luftinjektering. Efter en viss tid är vattnet tillräckligt rent och släpps ut. Uppsamlat skum samlas upp som vattenfas och injekteras med luft ännu en gång för att erhålla ett koncentrat av PFAS. Renat vatten från den andra kolonnen  kan återföras för ytterligare rening genom att blandas ut med nytt lågförorenat vatten och köras i kolonn 1. Figur Peter Harms-Ringdahl

Tekniskt utförande

Det förorenade vattnet pumpas in i en anläggning med tankar/kolonner där bubblor tillsätts. Det bildade skummet avskiljs och kan därefter genomgå processen flera gånger ytterligare tankar/kolonner.  För varje bearbetning sker en ökad koncentrering av föroreningarna i skummet, se figur 1.

Skumfraktionering kan utföras i batch, halvbatch eller i kontinuerlig drift. I en batchprocess skickas gas (vanligtvis luft) genom vätskan, tills tillsatsen av luftbubblor inte genererar något skum ovanför uppsamlingspunkten i kolonnen. Då är vätskefasen låg på ytaktiva föreningar och har inte tillräcklig skumningskapacitet. Vid kontinuerlig drift fylls vätskan i kolonnen ständigt på med förorenad vätska, så att ett stabilt tillstånd av skumbildning, skumskörd och vätskekoncentration åstadkoms.

Viktiga driftsparametrar för optimering av ett skumfraktioneringssystem inkluderar bland annat följande (Buckley 2022):

  • Gasens flödeshastighet
  • Matningshastighet för bulkvätskan
  • Förhållandet mellan skum och vätska (höjden på gränssnittet mellan de två)
  • Bubblornas storlek

Det finns även andra parametrar som kan varieras såsom saltinnehåll och pH, men effekten av dessa är specifik för systemet/den ytaktiva föreningen i fråga. Halten av andra komponenter, såsom upplösta organiska ämnen, påverkar den fordrade uppehållstiden i systemet. Högre innehåll av organiskt material kräver längre uppehållstid för att effektivt avlägsna PFAS.

Skumfraktioneringen producerar en viss mängd avfall i form av koncentrerat skum. Förväntade mängder avfall beror på vilken typ av vatten som behandlas, men utförda projekt visar att förväntad avfallsmängd för lakvatten uppgår till mindre än 1 m3 per 40 000 m3 behandlat vatten, och för grundvatten till ca 10 liter per 40 000 m3 behandlat vatten (Envytech, 2022).

Vanliga behandlingskombinationer

Skumfraktionering genererar ett koncentrerat skum innehållande PFAS och andra föroreningar som bör destrueras. Försök pågår för att kombinera tekniken med Elektrokemisk Oxidation, för att kunna destruera avfallet på plats (Envytech, 2022).

Skumfraktionering kan också kombineras med poleringssteg i form av filter för att ytterligare öka kapaciteten att avlägsna kortare PFAS från vattnet.

Enligt ITRC kan skumfraktionering kopplas ihop med destruktiva metoder för att förbättra behandlingseffektiviteten och ändamålsenligheten. Till exempel använder ozonfraktionering ozon istället för luft för att skapa skum. Användning av reaktivt ozon ger en ytterligare reningseffekt, eftersom nedbrytning av precursorer till PFAS och nedbrytning av andra föroreningar, som finns i systemet, kan ske (ITRC 2022). Det är dock viktigt att inga oönskade ämnen bildas av ozoneringen.

Projekteringsaspekter

Projekteringsaspekter gällande grundvattenpumpning återfinns här.

Generella projekteringsaspekter att beakta inför dimensionering och projektering av en vattenreningsanläggning för skumfraktionering är liknande de aspekter som är viktiga vid filteranläggningar och inkluderar bl.a.:

  • Detaljerad kännedom om föroreningens kemiska sammansättning
  • Förväntat vattenflöde och förväntad uppehållstid i kolonnerna
  • Behov av förbehandling (ofta inte nödvändigt vid skumfraktionering)
  • Behov av värme/isolering, el och tillgång till VA-anslutning (dagvattennät mm)

I många fall erfordras tester i laboratorieskala, ibland benämnda batchförsök, för att utprova tekniken på det aktuella vattnet, och för att beräkna lakvattnets uppehållstid m.m. Vid försöket leds det förorenade vattnet i en bänkskaleanläggning. Vattenprov för analys tas regelbundet ut på både in- och utgående vatten.

Behandlingsförutsättningar

Skumfraktionering kan användas för att efterbehandla förorenat grundvatten, lakvatten och dagvatten. Förutsättningarna för grundvattenpumpning beskrivs här.

Skumfraktionering är en effektiv teknik för att avlägsna PFAS med långa kolkedjor från vattenDetta är väl dokumenterat i flera studier, med en visad effekt omkring 95 % (Buckley et al., 2022; Burns et al., 2021; McCleaf et al., 2021). Skumfraktionering är dock mindre lämplig för avlägsnande av de mer mobila PFAS med kort kolkedja, eftersom dessa föreningar har lägre koefficienter för luft-vattensorption (Buckley et al., 2022; Burns et al., 2021). För en bättre rening av korta PFAS kan längre behandlingstider behövas vilket ger minskad flödeskapacitet genom systemet. Ett extra poleringssteg, i form av exempelvis filter, kan också behöva läggas till för att fånga in korta PFAS.

Skumfraktionering kräver oftast ingen förbehandling av det ingående förorenade vattnet och klarar jämfört med filtermetoder betydligt mer partiklar i vattnet, men för vatten med stora partiklar kan en avskiljare användas för att minimera slitage på pumpar och behovet av rengöring under driften.

Om metoden används tillsammans med grundvattenpumpning och behandling kan den, liksom filtermetoder, betraktas som relativt ineffektiv för att åstadkomma reduktion av mängden förorening inom källzonen (massreduktion). Det innebär att det skulle ta väldigt lång tid att helt ta bort föroreningen men att metoden kan användas för att hindra spridning. Metoden används tillsammans med grundvattenpumpning och behandling, snarare för att förhindra föroreningsspridning från källzonen eller för att nyttiggöra grundvatten för dricksvattenändamål. Det är även möjligt att med skumfraktionering rena lakvatten, länsvatten, eller skyddspumpa i en förorenad grundvattenplym för att förhindra spridning.

Drift och uppföljning

Generella aspekter för drift, kontroll och uppföljning av grundvattenpumpning beskrivs närmare här.

Liksom filteranläggningar fordrar anläggningar för skumfraktionering regelbunden tillsyn och underhåll, inklusive regelbunden provtagning av inkommande och utgående vatten. Ofta krävs att en drift- och kontrollplan upprättas och följs.

Eftersom anläggningen kan förväntas vara i drift under relativt långa tidsperioder och även vintertid behöver anläggningen ofta ”byggas in” i en värmeisolerad byggnad.

Skumfraktioneringen genererar ett avfall bestående av ett hyperkoncentrat av PFAS. Då avfallet omfattar mycket höga halter av PFAS rekommenderas att avfallet går för destruktion, vilket kan utföras med flera olika tekniker. Förbränning av avfallet vid hög temperatur (ca 1000° C) är den vanligaste destruktionsmetoden för PFAS-förorenat material, men det pågår också försök med att tt destruera koncentratet med tekniker som Super Critical Water Oxidation, Sonolys, Elektrokemisk Oxidation, (EO) och plasmaförbränning.

Miljö- och hälsoaspekter

Miljö och hälsorisker kopplade till grundvattenpumpning beskrivs närmare här.

Aerosoler innehållande PFAS kan bildas när bubblor spricker vid gränssnittet mellan luft och vatten, vilket i skumfraktioneringskolonnen sker vid skumskiktets yta (Faust 2022). Dessa aerosoler kan utgöra ett hälso- och miljöproblem lokalt kring anläggningen och måste beaktas vid projektering.

Beträffande behov av skyddsutrustning och arbetsmiljöfrågor i samband med efterbehandling av förorenade områden hänvisas läsaren till SGF rapport 1:2022 – Marksanering – Om hälsa och säkerhet vid arbete i förorenade områden.

Energi- och resursaspekter

Eldrivna pumpar för lufttillförsel till kolonnerna svarar för merparten av energiförbrukningen vid anläggningen. Även uppvärmning av byggnad/pumphus samt utrustning för kontroll och övervakning förbrukar energi. Energiåtgången för de skumfraktioneringssystem som tillhandahålls av exempelvis Envytech uppges uppgå till mellan 0,4–0,7 kWh per behandlad kubikmeter förorenat vatten (Envytech, 2022).

Skumfraktionering kräver inte åtgång av resurser såsom filtermaterial.

Kostnadsaspekter

De faktorer som påverkar kostnaden för skumfraktionering är flödesmängden som ska behandlas, samt kravet på reningsgrad. Ju högre reningsgrad som eftersträvas desto högre kostnad. Krav på provtagningsfrekvens och analysomfattning kan också inverka på kostnaderna.

Till skillnad från vattenbehandlingsmetoder med filter skapas inte något avfall i form av förbrukat filtermaterial som måste hanteras och destrueras, endast en mindre mängd koncentrerat skum, som dock måste destrueras.

För- och nackdelar

´Fördelar

  • Metoden bygger på väl beprövad teknik med kommersiell tillgänglighet.
  • Skumfraktionering kräver ingen förbehandling av det förorenade vattnet.
  • Skumfraktionering påverkas inte i någon högre grad av pH eller höga halter BOD, COD, DOC, suspenderade material, eller andra föroreningar i vattnet.
  • Skumfraktionering kan behandla både mycket höga och lägre halter PFAS.
  • Metoden genererar inga större avfallsmängder.

Nackdelar

  • Skumfraktionering fungerar mindre bra för kortare PFAS.
  • Metoden är i dagsläget endast utvecklad för sanering av PFAS.
  • Metoden betraktas liksom filtermetoder som relativt ineffektiv för att åstadkomma massreduktion vid grundvattenrening.
  • Både skyddspumpning och saneringspumpning av grundvatten tenderar att behöva pågå under lång tid (flera år-decennier), vilket på sikt medför höga kostnader för drift, tillsyn och underhåll.

Referenser

Buckley, T., Xiaoyong Xu, X.,Victor Rudolph, V., Mahshid Firouzi, M. & Shukla, P. 2022: Review of foam fractionation as a water treatment technology, Separation Science and Technology, 57:6, 929-958, DOI: 10.1080/01496395.2021.1946698

Burns, David J., Paul Stevenson, and Peter J. C. Murphy. 2021. “PFAS removal from groundwaters using Surface-Active Foam Fractionation.” Remediation Journal 1-15. https://doi.org/10.1002/rem.21694

Envytech 2022: https://envytech.se/pfas-vatten/ [läst 01 10 2022]

Faust, J.A. 2022: PFAS on atmospheric aerosol particles: a review. Environmental Science: Processes &impacts. https://doi.org/10.1039/D2EM00002D

Interstate Technology & Regulatory Council (ITRC) 2022: PFAS — Per and Polyfluoroalkyl Substances. Hämtat från https://pfas-1.itrcweb.org/12-treatment-technologies/  [läst den 01 10 2022]

McCleaf, P., Kjellgren, Y., Ahrens, L., 2021. Foam fractionation removal of multiple per‐ and polyfluoroalkyl substances from landfill leachate. AWWA Water Sci. 3, 1–14. https://doi.org/https://doi.org/10.1002/aws2.1238

Phillips, S., P. Murphy, G. Brickle, and D. Burns. 2018. Validation of Foam Fractionation as an Effective Treatment Technology. OPEC Systems.