Modeling PFAS Transport in Groundwater - Exploring current approaches and evaluating parameter importance

Abstract

PFAS contamination in drinking water is a current problem, and new regulations for
drinking water limits were recently implemented in each member country of the EU in January this year. Understanding the spread of PFAS in groundwater is therefore important to prevent it from reaching drinking water sources. Groundwater modeling is a valuable tool for this purpose. However, due to the specific characteristics of PFAS, such as sorption, there is a knowledge gap regarding the optimal implementation of this tool. Therefore, this thesis aims to investigate the currently used modeling strategies and examine the parameters that seem to have the most significant impact on PFAS transport. This research also seeks to understand the importance of identifying the specific PFAS compounds present in the contaminant.

A literature review was conducted, revealing that the most commonly used method involved transport simulations using MODFLOW. As a result, a similar approach using FEFLOW was adopted with the aim of conducting a sensitivity analysis to identify which parameters are most crucial in determining the obtained PFAS concentration in each node. A total of 500 simulations were performed for four different scenarios, considering two different aquifers and the transport of two different PFAS compounds. The results of these simulations were used to train a random forest regression model, which exhibited a high level of accuracy in predicting the resulting concentration at specific nodes. A sensitivity analysis was conducted on the model, revealing that hydraulic conductivity was the most important parameter in steady-state modeling, followed by recharge for sandy
aquifers and longitudinal dispersivity for sand and gravel aquifers. Sorption did not have a significant impact on the results in this context. However, in transient modeling, sorption was found to be of great importance, suggesting that the specific PFAS compound may play a significant role in such scenarios. Lastly, the results differed significantly between steady-state and transient-state modeling, indicating that the choice of modeling approach is also of great importance.

Popular Abstract (Swedish)

Modellering av PFAS i grundvattnet - undersökning om vilka metoder som används och vilka parametrar som påverkar

PFAS kan sprida sig till dricksvattnet genom grundvattnet, och det är därför viktigt att vi har kunskap om hur vi kan simulera denna spridning för att skydda våra dricksvattentäkter.

Poly- och perfluorerade alkylsubstanser, även kallade PFAS, är en grupp kemikalier som är nästintill omöjliga att bryta ner och därmed ansamlas i människor och andra organismer. Tack vare PFAS unika egenskaper, som deras förmåga att vara både fett- och vattenavvisande, har de använts i olika hushållsprodukter, brandskum och industrier. Dock har PFAS visat sig ha negativa hälsoeffekter, såsom cancer, fertilitetsproblem och hormonstörningar.

Eftersom PFAS är svåra att bryta ner, finns de överallt i miljön. Tillsammans med deras hälsorisker utgör PFAS ett aktuellt problem. En väg att utsättas för PFAS är genom dricksvattnet, och EU har nyligen infört gränsvärden för PFAS i dricksvattnet som medlemsländerna måste följa. Därför är det viktigt att förstå spridningen av PFAS i grundvattnet för att förhindra att det når dricksvattentäkter. Grundvattenmodellering är ett vanligt verktyg för att undersöka detta, men på grund av PFAS unika egenskaper finns det en kunskapsbrist kring hur man bäst använder detta verktyg.

Syftet med denna studie är att undersöka hur grundvattenmodellering tidigare har använts för att simulera transporten av PFAS i grundvattnet. Studien syftade även till att identifiera vilka parametrar som har störst påverkan på transporten. De flesta undersökta parametrarna är beroende av den omgivande miljön där transporten skedde, men en parameter som undersöks är adsorption, som beskriver ämnets förmåga att binda till jorden och på så sätt sakta ner transporten. Adsorption är beroende av ett ämnets egenskaper och varierar mellan olika PFAS-föreningar.

Studien inleds med en litteraturöversikt av tidigare användningar av grundvattenmodellering för att simulera transporten av PFAS i grundvattnet. Endast en modelleringsstrategi identifierades, vilket sedan användes för att genomföra egna simuleringar i programmet FEFLOW. Syftet är att undersöka olika parametrarnas inverkan på transporten. Hundratals simuleringar utfördes för olika scenarier där varje parameter justerades inför varje simulering. Resultaten från dessa simuleringar användes sedan för att träna en maskininlärningsmodell för att förutsäga koncentrationer baserat på specifika värden på parametrarna. Modellen analyserades sedan för att identifiera vilka parametrar som främst påverkade resultatet. Genom att göra detta kan man få en uppfattning om vilka parametrar som har störst betydelse för transporten.

Resultaten visar att betydelsen av parametrarna är beroende av modelleringsmetoden. Vid modellering över en oändligt lång tid, tills jämvikt uppnåddes, är den hydrauliska konduktiviteten, som beskriver vattengenomsläppligheten i marken, den parameter som har störst inverkan. Adsorption har ingen märkbar påverkan i detta fall. Å andra sidan, vid modellering över en bestämd tidsperiod, har plötslig adsorption en betydande påverkan på resultatet. Detta indikerar att olika modelleringsstrategier ger olika resultat, vilket understryker vikten av att fortsätta undersöka detta för att fastställa den metod som ger mest korrekta resultat.

• author: Eklund, Clara
• supervisor: Léa Levy
• organization: Civil Engineering (M.Sc.Eng.); Engineering Geology
• alternative title: Modellering av PFAS i grundvattnet - Undersökning om vilka metoder som används och parametrarnas betydelse
• course: VTGM05 20231
• year: 2023
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: PFAS, Groundwater modeling, FEFLOW, Python, Machine learning
• publication/series: ISRN
• report number: ISRN LUTVDG/(TVTG-5180)/1-65/(2023)
• language: English
• additional info: Examiner: Jan-Erik Rosberg
• id: 9138580
• date added to LUP: 2023-09-19 11:21:01
• date last changed: 2023-09-19 11:21:01