Modelling PFAS transport and mass discharge from the saturated zone: A case study of the fire drill site at Arlanda Airport

Abstract

Perfluoroalkyl substances (PFAS) are man-made, highly persistent and mobile compounds that have been extensively used in decades, for example as a fire repellent in aqueous film-forming foam (AFFF). They have been detected in soil, surface water and groundwater, where they pose risks to human health through contamination of drinking water supplies and to ecosystems. In this case study, PFAS spreading from a fire training site at Arlanda Airport was assessed by simulating perfluorobutanesulfonic acid (PFBS). This was done to estimate the contaminant mass in the saturated zone and predict the mass discharge to a nearby stream, while assessing the uncertainty of these predictions.
Groundwater flow and PFBS transport were simulated using a numerical groundwater model in combination with a solute transport model (MODFLOW-2005 and MT3DMS) under a best estimate and a worst-case scenario, the latter based on high mass discharge to Kättstabäcken. The numerical groundwater model was calibrated against observed hydraulic heads, and sensitivity and uncertainty analysis were conducted using a limited set of Null Space Monte Carlo realisations.
Results indicate that the median mass PFBS in the saturated zone is 39.1 g in the best estimate scenario and 5.50 g in the predicted worst-case scenario. The corresponding median mass discharge per year to the stream is estimated to be 3.023 mg/m3 and 4.977 mg/m3, respectively. Uncertainty in the predicted PFBS mass and mass discharge is mainly driven by groundwater flow parameters, especially hydraulic conductivity and recharge. Uncertainties related to initial contaminant conditions and parameters were not systematically assessed and may therefore contribute to the overall uncertainty. Due to the limited number of model realisations, the uncertainty assessment should be regarded as indicative rather than statistically robust. Nevertheless, the results show that PFBS is very mobile may be transported from the source area and may affect downstream drinking water recipients.

Popular Abstract (Swedish)

Vad finns egentligen i grundvattnet under Sveriges största flygplats?
PFAS är en grupp konstgjorda svårnedbrytbara ämnen som finns i allt från regnjackor till stekpannor och brandsläckningsskum. Vid intag av vissa PFAS finns en ökad risk för vissa typer av cancer, hormonrubbningar och problem med fertilitet hos både människor och djur. På många flygplatser har det övats med brandsläckningsskum som innehåller PFAS. När de hamnar i marken hotar de vårt dricksvatten.
Denna studie undersöker hur stor mängd av PFAS ämnet PFBS som finns kvar i grundvatten vid Sveriges största flygplats 46 år efter att utsläpp började, samt hur mycket som varje år släpps ut till en närliggande bäck. Resultatet visar att PFAS finns kvar i marken och sprids vidare än idag, även om användning upphörde för över 20 år sedan. Resultat från simuleringar visar att det i värsta fall transporteras ca 5 mg/m3 av PFBS till ett närliggande vattendrag som ligger ca 1 km bort från där utsläppet skett. I jämförelse ligger gränsen för tillåten halt i dricksvatten idag på 100 ng/l för den PFAS-grupp som undersökts, vilket innebär att 5 mg/m3 vid gränsen där grundvattnet strömmar ut i bäcken överstiger gränsen med den enorma procentsatsen 50 000 %.
Anledningen till att PFBS är viktigt att undersöka är att det är ett av de minsta PFAS ämnena som är mest rörliga i PFAS gruppen. Det gör att det enkelt transporteras i miljön och riskerar att spridas långt och ha stor påverkan på den omgivande miljön. Mycket är fortfarande okänt kring PFBS vilket gör det intressant att undersöka hur det interagerar med sin omgivning för att öka förståelsen om hur den transporteras över tid. Att gräva i mark samt ta vattenprover kostar både tid och pengar. Därtill är det är svårt att se in i framtiden för att förstå hur föroreningen rör sig och agerar i miljön. För att kunna skydda vårt dricksvatten behöver vi veta var giftiga ämnen befinner sig om 10 eller 100 år.
Genom att simulera PFBS spridningen med en modell får vi en digital karta över området som kan underlätta att hitta föroreningen. Genom att mata in data om hur vattnet i området rinner och hur starkt PFAS-ämnet fastnar i jorden kan datorn simulera giftets osynliga resa genom marklagren fram till bäcken. Modellen visar att föroreningen finns kvar på platsen och fortsätter att spridas vidare ut i miljön. Resultaten från modelleringen visar även att en stor mängd PFBS sprids till ett närliggande vattendrag. Från detta vattendrag kan föroreningen sedan spridas vidare till dricksvattentäkter. Resultatet kan användas för att öka förståelsen av hur vi kan skydda den.
Analyser gjordes för att testa hur resultatet kan variera beroende på den inmatade datan i modellen. Ett sätt att undersöka hur resultatet varierar är att skapa fler modeller som testas. Analyserna visade att det finns flera rätta svar på vilken massa föroreningen kan ha, samt hur mycket som sprids till bäcken varje år. Förhållanden under markytan är osäkra och modeller kan ge en skev bild av verkligheten. Däremot kan flera kalibrerade modeller tillsammans ge ett rimligt spann, vilket visar att det kan vara mer korrekt att redovisa flera möjliga svar än ett bestämt värde. Med hjälp av resultaten från studien kring tillförseln till bäcken kan man fatta bättre beslut kring riskbedömningar och reningsåtgärder för att minska miljö- och hälsopåverkan.

• author: Hult, Emilia
• supervisor: Martijn van Praagh; Nikolas Benavides Höglund
• organization: Department of Earth and Environmental Sciences (MGeo)
• course: MVEM14 20261
• year: 2026
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: Groundwater modelling, Groundwater modeling, MODFLOW, MT3DMS, Contaminant transport, Fire extinguishing foam, AFFF, PFAS, PFBS, Uncertainty analysis, Null Space Monte Carlo
• language: English
• id: 9239365
• date added to LUP: 2026-06-18 11:25:52
• date last changed: 2026-06-18 11:25:52