Modeling of PFAS Transport in Groundwater - Case Study of a Firefighting Training Facility in Revinge

Abstract

Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) is a group of synthetic organic compounds that has been used in a wide range of products, including fire extinguishing foam which represents the greatest source in Sweden. Their chemical properties make them toxic for humans and most living species, although research is still on-going to determine the specific toxicity of each compound in the family. A large part of the PFAS group has the ability to spread with water, posing a great risk of contaminating groundwater as well as surface water. If so, it could have long lasting and large-scale effects on humans as well as the environment. In addition, the remediation actions often become complex, costly and time consuming. Therefore, it is of great interest to study the movement of contaminant plumes, which can be done with groundwater and transport modeling.

At the training facility of the Swedish Civil Contingencies Agency (MSB) in Revinge, fire extinguishing foams containing PFAS have been used. As a result, considerably elevated levels of several PFAS have been measured in the groundwater, including PFOS and PFOA. Due to the risks related to these substances and the vicinity of the river Kävlingeån, which is considered as an important ecosystem, it is of great interest to investigate their transport in the groundwater. Therefore, the aim of this master thesis has been to model the transport of PFOS and PFOA in the groundwater from the facility area. A steady-state MODFLOW model was developed, from which groundwater heads within the study area were obtained. To this flow model, simulations with MODPATH and MT3DMS were integrated to examine the transport of PFOS and PFOA from eight identified source zones during the period of 1986-2024.

According to the results, the groundwater from the training facility flows primarily towards Kävlingeån, but also to the nearby stream Ålabäcken. Consequently, the simulated plumes of PFOS and PFOA from the eight assigned source zones move towards these watercourses. Considering the processes of advection, hydrodynamic dispersion and sorption, the plumes from the eight zones move towards the recipients with an estimated velocity interval of 4-13 m/year for PFOS and 7-20 m/year for PFOA. Advective travel times have also been estimated, resulting in an interval of 44-102 m/year. Due to the uncertainties with both the groundwater and transport model these values should not be used without much caution. Moreover, high RMSE values from comparison of calculated and observed data, demonstrated the current limitations of the transport model and the need for further adjustments.

Popular Abstract (Swedish)

Poly- och perfluorerade alkylsubstanser, även kallade PFAS, är en grupp av kemikalier som har använts i ett flertal olika typer av produkter, bland annat brandskum. Dessa ämnen är särskilt problematiska eftersom de är svårnedbrytbara, vilket innebär att de kan finnas kvar i miljön under lång tid efter ett utsläpp. De kan också ha en relativt hög rörlighet i mark- och vattenmiljön, vilket innebär att de kan spridas långt ifrån sitt källområde. Således blir saneringsarbetet ofta komplext, kostsamt och tidskrävande. Dessutom är de förenade med betydande negativa hälsoeffekter.

Till följd av användningen av ämnena i brandskum, kan brandövningsplatser ofta kopplas till PFAS-förorening. En sådan plats finns i Revinge, ca 2 mil öster om Lund, som tillhör Myndigheten för samhällsskydd och beredskap (MSB). Långvarig användning av PFAS-innehållande brandskum har resulterat i att förhöjda halter av dessa ämnen uppmätts i grundvattnet på området. Eftersom Kävlingeån, som anses vara ett viktigt ekosystem, ligger nära övningsområdet, finns risk för spridning via grundvattnet till detta vattendrag och därefter vidare transport. Med avseende på dessa aspekter, är det av intresse att undersöka hur spridningen av PFAS ser ut i grundvattnet på området, vilket kan göras med grundvatten- och transportmodellering.

Syftet med denna studie är att undersöka hur PFAS rör sig med grundvattnet från MSB:s övningsområde i Revinge samt ge värdefulla insikter och rekommendationer för framtida arbete. Detta görs genom att kartlägga geologin i området, för att sedan utveckla en grundvattenmodell som används för att simulera transporten av två specifika PFAS ämnen (PFOS och PFOA) ifrån åtta antagna källområden under 1986-2024. Grundläggande transportprocesser som påverkar rörelsen av ett löst ämne i grundvattenzonen inkluderas, vilka beror på jordens egenskaper. Därutöver inkluderas även adsorption, som beskriver ett ämnes förmåga att binda till jorden, vilket bidrar till att sakta ner processen. Adsorptionen är beroende av både jordens egenskaper och PFAS-föreningen. En jämförelse görs också mot ett förenklat spridningsförfarande där endast advektion studeras, vilket innebär att ämnet antas röra sig med den genomsnittliga grundvattenflödeshastigheten. Slutligen utvärderas transportmodellens prestanda genom en jämförelse av beräknade och uppmätta koncentrationer på platsen.

Resultaten visar att grundvattenflödet från området rör sig främst mot Kävlingeån i norr, men också till viss del mot det närliggande mindre vattendraget, Ålabäcken. Följaktligen rör sig de simulerade plymerna av PFOS och PFOA mot dessa vattendrag. Vidare visar de erhållna resultaten hur plymerna breder ut sig över området horisontellt och vertikalt över tid. Transporten av ämnena blir betydligt långsammare om adsorption inkluderas. Jämförelse av de beräknade och uppmätta koncentrationerna visar däremot på ett stort behov av vidareutveckling av grundvatten- och transportmodellen. Resultaten bör således tolkas med stor försiktighet, men också på grund av att många antaganden gjorts under arbetets gång. Avslutningsvis har studien visat på utmaningarna kring modellering av PFAS-transport, men också dess möjligheter

• author: Thelin, Frida
• supervisor: Léa Levy; Jan-Erik Rosberg; Daniel Karlsson
• organization: Engineering Geology; Civil Engineering (M.Sc.Eng.)
• alternative title: Modellering av PFAS-transport i grundvatten - Fallstudie av en brandövningsplats i Revinge
• course: VTGM05 20241
• year: 2024
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: PFAS, Groundwater modeling, fire extinguishing foam, contaminant plumes, MODFLOW
• publication/series: ISRN
• report number: ISRN LUTVDG/(TVTG–5187)/1-74/(2024)
• language: English
• additional info: Examiner: Gerhard Barmen
• id: 9175346
• date added to LUP: 2024-09-25 09:48:31
• date last changed: 2024-09-25 09:48:31