PER- AND POLYFLUOROALKYL SUBSTANCES IN THE ROYAL CANADIAN NAVY

Abstract

Per-and polyfluoroalkyl substances (PFAS) are essential ingredients used in aqueous film forming foam (AFFF), but are also global environmental contaminants that are ubiquitous in water, soil, sediment, wildlife and humans around the world. For the Royal Canadian Navy (RCN), AFFF is an essential firefighting medium used onboard its warships and submarines to protect areas vulnerable to Class B fires. Effects of AFFF use at land based military installations have been studied and are well documented, but little is known about the consequences of AFFF use at sea. Herein, an investigation was made to identify where PFAS exists in the RCN, with an emphasis on AFFF, what the fate of PFAS from AFFF would be if used AFFF was allowed to wash overboard at sea, and potential methods to reduce or eliminate PFAS from used AFFF entering the environment from RCN use. The quantities and types of AFFF in the RCN, along with historical usage quantities were determined. Currently, the RCN uses both 6% and 3% AFFF formulas manufactured by Ansul, meeting the US military specification (MIL-F-24385F). These formulations can contain up to 8 kg of PFAS per m3 of AFFF. In total, RCN vessels carry in excess of 90 m3 of AFFF. In ten years of fire reports, 1 in 62 fires employed the fitted AFFF system onboard to extinguish the fire. While the RCN does not track quantities of AFFF used or sent overboard, reports from an engine room fire in the early 2000s indicate that AFFF was released overboard. Based on the gathered information, it can be concluded that there is a reasonable chance that RCN use of AFFF at sea could be contributing to the PFAS burden in the environment. To assess the fate and transport of PFAS from AFFF washed overboard at sea, a hydrodynamic model was used to predict the transport of PFAS released into Halifax Harbour, Nova Scotia for different release locations and differing wind and wave conditions. PFAS transport was simulated as a conservative tracer. Model results indicate that PFAS released in the presence of strong wind and waves will travel farther than PFAS released during a period with little wind and no waves (17.7 – 31.1 km and 15.6 – 21.9 km respectively). After 10 days of simulation, PFAS levels from release sites further into the Harbour remained the most elevated (40,000 – 60,000 pg/L), while PFAS levels from the Outer Harbour release site had decreased to 800 pg/L for a period with little wind and no waves. Regardless of the PFAS release site, after 12 hours, shorelines within the Harbour were affected by PFAS with concentrations ranging from 40,000 to 500,000 pg/L. The methods described here could be applied to PFAS transport in other coastal areas, and the results could be used to shape policies and best practices with respect to AFFF use at sea. Based on the successful use of granular activated carbon (GAC) to remove PFAS from groundwater, a numerical model was developed to simulate PFAS adsorption to GAC in order to determine the amount of GAC that would be required to remediate PFAS from used AFFF and to investigate the feasibility of its use onboard an RCN vessel. The model considered both bulk flow and hydrodynamic dispersion in one dimension, and adsorption of PFAS to GAC was represented using a retardation factor. The model was calibrated and validated using data from a full scale setup whose purpose was to remove PFAS from groundwater. Validation of the model suggested that the output for PFAS concentration in the effluent was not reliable (Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) of -1.92); however, the quantity of PFAS adsorbed per mass unit of GAC was more dependable (NSE of 0.31). Adding a safety factor of 3, the model predicts that 795 kg of GAC is required to remove all PFAS from 3.6 m3 of AFFF. Although this represents a reasonable mass of GAC for use onboard a ship, the feasibility of this method for remediation of PFAS from used AFFF in the RCN could not be determined with any certainty due to model uncertainty. Further work to refine the model is recommended.

Les substances perfluoroalkyliques et polyfluoroalkyliques (SPFA) sont des ingrédients essentiels utilisés dans la fabrication de mousses à formation de pellicules aqueuses (MFPA), mais elles sont également des contaminants environnementaux globaux omniprésents dans l'eau, le sol, les sédiments, la faune et les humains du monde entier. Pour la Marine royale du Canada (MRC), la MFPA est un moyen essentiel de lutte contre les incendies et est utilisée à bord de ses navires de guerre et des sous-marins pour protéger les zones vulnérables aux feux de classe B. Les effets de la MFPA sur les installations militaires terrestres ont été étudiés et sont bien documentés, mais on en sait peu sur les conséquences de l'utilisation de la MFPA en mer. Cette étude a été faite pour localiser les SPFA au travers de la MRC, mettant une emphase particulière sur les SPFA contenus dans la MFPA s’ils sont utilisés en mer, et les méthodes potentielles pour réduire ou éliminer SPFA provenant des MFPA usagées produit par la MRC. Les quantités et les types de la MFPA dans la MRC, ainsi que les quantités d'utilisation historiques ont été déterminés. Actuellement, la MRC utilise à la fois MFPA à 6% et 3% fabriqué par Ansul et conforme à la spécification militaire américaine (MIL-F-24385F). Ces formulations peuvent contenir jusqu'à 8 kg de SPFA par m3 de la MFPA. Au total, les navires de la MRC transportent plus de 90 m3 de la MFPA. Au cours de dix années de rapports sur les incendies, un incendie sur 62 a utilisé le système de la MFPA installé à bord pour éteindre l'incendie. Bien que la MRC ne surveille pas les quantités de la MFPA utilisées ou envoyées à la mer, les rapports d'un incendie dans la salle des machines au début des années 2000 indiquent que la MFPA a été rejetée à la mer. D'après les renseignements recueillis, on peut conclure qu'il y a une chance raisonnable que l'utilisation de la MFPA en mer par la MRC contribue aux SPFA dans l'environnement. Un modèle hydrodynamique a été utilisé pour prédire le transport de SPFA libéré dans le port d'Halifax, en Nouvelle-Écosse, pour les différents sites de rejet ainsi que différentes conditions de vent et de vagues. Le transport de SPFA a été simulé comme un traceur conservateur. Les résultats du modèle indiquent que les SPFA libérés en présence de vents forts et de vagues se disperseront plus loin que les rejets de SPFA pendant une période où il y a peu de vent et pas de vagues (respectivement 17,7 - 31,1 km et 15,6 - 21,9 km). Au bout de 10 jours de simulation, les niveaux SPFA des sites de rejet situés les plus près du Bassin de Bedford sont restés le plus élevé (40 000 - 60 000 pg / L), tandis que les niveaux SPFA des sites de rejet à l’extérieur du Bassin de Bedford avaient diminué à 800 pg / L pour une période avec peu de vent et pas de vagues. Quel que soit le site de rejet du SPFA, après 12 heures, les rivages dans le port ont été affectés par le SPFA avec des concentrations allant de 40 000 à 500 000 pg / L. Les méthodes décrites ici pourraient être appliquées au transport de SPFA dans d'autres zones côtières, et les résultats pourraient être utilisés pour façonner les politiques ainsi que de meilleures pratiques en ce qui concerne l'utilisation de la MFPA en mer. Basé sur l'utilisation réussie du charbon actif granulaire (CAG) pour retirer les SPFA des eaux souterraines, un modèle numérique a été développé pour simuler l'adsorption des SPFA au CAG afin de déterminer la quantité de CAG nécessaire pour traiter les SPFA des MFPA usagées et enquêter sur la faisabilité de son utilisation à bord d'un navire de la MRC. Le modèle a pris en compte à la fois le flux massique et la dispersion hydrodynamique dans une dimension, et l'adsorption de SPFA sur CAG a été représentée en utilisant un facteur de retardement. Le modèle a été calibré et validé à l'aide de données provenant d'une installation à grande échelle dont le but était d'enlever les SPFA des eaux souterraines. La validation du modèle a suggéré que la concentration de SPFA dans l'effluent n'était pas fiable (l'efficacité de Nash-Sutcliffe (NSE) était de -1,92); cependant, la quantité de SPFA adsorbée par unité de masse de CAG était plus fiable (NSE était de 0,31). En ajoutant un facteur de sécurité de 3, le modèle prédit que 795 kg de CAG est nécessaire pour enlever tous les SPFA de 3,6 m3 de la MFPA. Bien que cela représente une masse raisonnable de CAG à utiliser à bord d’un navire, la faisabilité de cette méthode pour le traitement des SPFA des MFPA usagés de la MRC n’a pu être déterminée avec précision en raison de l'incertitude du modèle. Plus de recherches scientifiques seront nécessaire pour affiner les modèles.