Felddemonstration von polymerstabilisierter Aktivkohle zur In-situ-Behandlung von Per-- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS)-belastetem Grundwasser.

 

 

Diese Studie konzentriert sich auf Per-- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS), eine Klasse neu auftretender Schadstoffe, die in den letzten Jahren im Umweltbereich Anlass zur Sorge gegeben haben, mit besonderem Schwerpunkt auf der effizienten und kostengünstigen Sanierung von PFAS-kontaminiertem Grundwasser. Obwohl die traditionelle Pump-{4}}and--Technologie (P&T) weit verbreitet ist, weist sie Nachteile wie lange Betriebszyklen und hohe Kosten auf. In dieser Studie wird eine In-situ-Sanierungstechnologie vorgeschlagen und validiert, die die Injektion von kolloidalem Kohlenstoffprodukt (CCP, einer polymerstabilisierten Aktivkohle) umfasst. Dabei wird deren Machbarkeit und Wirksamkeit bei der Behandlung von PFAS-kontaminiertem Grundwasser durch Labor- und Feld-Push-Pull-Tests bewertet.

In the laboratory-scale aquifer model, researchers used PFAS-spiked synthetic groundwater and sediment collected from the field to observe PFAS removal efficiency after injecting CCP suspension. Results showed that the technology achieved a removal rate of 90.9% to 99.9% for six PFAS compounds, verifying its strong adsorption performance. Subsequent field Push-Pull tests were conducted at a U.S. Navy fire training area (a site with significant PFAS contamination), where approximately 1,900 liters of CCP suspension was injected into the underlying aquifer. Sampling and analysis were performed at 3 months and 10 months post-injection, revealing that the total PFAS concentration in groundwater decreased from >50.000 ng/L bis unter die Nachweisgrenze, wodurch eine Entfernungseffizienz von bis zu vier Größenordnungen erreicht wird.

Darüber hinaus wurde eine wirtschaftliche Bewertung durchgeführt, die ergab, dass die Gesamtkosten dieser Technologie über einen 20-jährigen Betriebszeitraum etwa 1,47 Millionen US-Dollar betragen, wobei die langfristigen Betriebskosten weniger als die Hälfte derjenigen herkömmlicher P&T-Systeme betragen. Die Studie untersuchte auch das potenzielle Risiko der Bildung des Nebenprodukts N-Nitrosodimethylamin (NDMA) und schlug präventive Empfehlungen vor.

Insgesamt ist diese Studie die erste, die die Wirksamkeit der Injektion von polymerstabilisierter Aktivkohle (CCP) zur Sanierung von PFAS-kontaminiertem Grundwasser unter Feldbedingungen validiert und ihr praktisches Potenzial für eine breite Anwendung demonstriert.
 

 

 

Abbildung 1. Tafel A zeigt die Konzentrationen (ng/L) von sechs Perfluoralkylsubstanzen (PFBS, PFHxS, PFOS, PFHxA, PFHpA und PFOA) in Grundwasserproben, die während der „Pull“-Phase des Push-Pull-Machbarkeitstests aus Anschluss 7 der Grundwasserleitereinheit entnommen wurden. Insgesamt wurden 200 ml Grundwasser entnommen, was 15,7 % des Grundwasserleitervolumens (1275 ml) entspricht. Die PFAS-Konzentrationen in den Proben wurden in Abständen von 10 ml gemessen.

 

Abbildung B zeigt die durchschnittlichen PFAS-Konzentrationen im Grundwasser der Grundwasserleitereinheit vor dem Push-Pull-Test, die durchschnittlichen PFAS-Konzentrationen im Grundwasser, das während der „Pull“-Phase des Tests aus Hafen 7 entnommen wurde, und die durchschnittliche PFAS-Entfernungseffizienz des CCP-Push{2}}Pull-Tests (%;rechte vertikale Achse).





Abbildung 2. Angestrebte PFAS-Konzentrationen in Grundwasserproben, die während der „Pull“-Phase der Push-Pull-Felddemonstration gesammelt wurden. Der Punkt mit der Bezeichnung „0 L Extracted“ stellt die PFAS-Konzentrationen im Gebiet vor dem Push-Pull-Test dar. Nach der Injektion von 1.900 Litern CCP (5.000 mg/L polyDADMAC + 5.000 mg/L PAC wurden zwei „Pull“-Vorgänge durchgeführt: Der erste Vorgang wurde 3 Monate nach der Injektion durchgeführt, wobei 2.850 Liter Grundwasser entnommen wurden; Der zweite Vorgang wurde 10 Monate nach der Injektion durchgeführt und dabei 1.900 Liter Grundwasser entnommen. Hinweis: In der Abbildung sind nur PFAS dargestellt, die vor und nach dem Push-Pull-Test erkannt wurden.


 

 

Die Innovation dieser Studie spiegelt sich in drei Aspekten wider: technisches Konzept, experimentelles Design und praktische Validierung.

Zunächst schlagen die Autoren die Idee vor, ein polykationisches Polymer (polyDADMAC) zur Stabilisierung von pulverförmiger Aktivkohle (PAC) zur Bildung eines injizierbaren CCP-Systems zu verwenden und so die Einschränkungen herkömmlicher Aktivkohle in unterirdischen Medien wie übermäßige Partikelgröße, Verstopfungsneigung und ungleichmäßige Verteilung zu beseitigen. Dieses System sorgt nicht nur für eine stabile Partikelgröße (durchschnittlich 225 nm), sondern bildet auch eine durchlässige Adsorptionsbarriere (PAB) im Grundwasserleiter, die eine langfristige In-situ-Einfangung und Immobilisierung von PFAS ermöglicht.

Zweitens kombiniert die Studie im Hinblick auf die Innovation experimenteller Methoden Laborsimulationen mit „Push-Pull“-Tests im Feld. Ersteres wird verwendet, um die Formulierung zu optimieren und die Partikelgröße und -konzentration zu steuern, während letzteres eine groß angelegte Validierung an einem real kontaminierten Standort (einem Feuerübungsgelände der US-Marine) durchführt und so einen geschlossenen Kreislauf vom Experiment bis zur Anwendung aufbaut. Die Ergebnisse zeigen, dass die Technologie eine signifikante Reduzierung der PFAS-Konzentrationen in der Größenordnung von vier -Größenordnungen-- im Feld erreicht und 10 Monate nach der Injektion extrem niedrige Konzentrationen beibehält, was eine hervorragende Haltbarkeit und Systemstabilität demonstriert.

Drittens führt die Studie eine systematische Bewertung der Kosten und Nebenproduktrisiken durch und zeigt, dass die langfristigen Betriebskosten der CCP-In-{1}}Sanierungstechnologie um mehr als 50 % niedriger sind als die von P&T, was wirtschaftliche Vorteile bietet. Unterdessen weisen die Autoren darauf hin, dass PolyDADMAC unter bestimmten Bedingungen NDMA erzeugen kann, und schlagen vor, dass chlorhaltige oder chloraminhaltige Wasserquellen für die Herstellung von CCP-Suspensionen vermieden werden sollten und vor der Feldanwendung NDMA-Vorläufertests durchgeführt werden sollten. Diese Sicherheitsdiskussion erweitert die Forschung von der bloßen Beseitigung der Umweltverschmutzung auf die Ebene der Nachhaltigkeit und Risikokontrolle.

Zusammenfassend ist diese Studie die erste, die die Machbarkeit und hohe Effizienz der Polymer-stabilisierten Aktivkohle-In--Injektionsmethode unter Feldbedingungen validiert. Es bietet einen reproduzierbaren, kostengünstigen und nachhaltigen neuen technischen Weg zur Sanierung von PFAS-kontaminiertem Grundwasser und legt damit eine wissenschaftliche Grundlage für die zukünftige Förderung und Anwendung in komplexen geologischen Formationen und umfassenderen Verschmutzungsszenarien.