Fate and Effects of Per- And Polyfluoroalkyl Substances in Aerated and Non-Aerated Treatment Wetland Mesocosms

Abstract

Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) are anthropogenic chemicals found in a multitude of consumer and industrial products. Due to their strong carbon- fluorine bond structure, PFAS such as perfluorooctanesulfonic acid (PFOS), perfluorooctanoic acid (PFOA), and 6:2 fluorotelomer sulfonate (6:2 FTS) are resilient to conventional physical, chemical, and biological degradation, and are therefore recalcitrant in the environment. The characteristics of these chemicals have provided numerous benefits to many industries, particularly in the application of aqueous film-forming foam (AFFF) as a fire retardant. Large amounts of AFFF are periodically discharged on military firefighter training sites and have subsequently accumulated throughout the years. This can potentially contaminate ecosystems such as natural wetlands, surface waters, and groundwater resulting in concentrations exceeding environmental guidelines. While treatment wetland (TW) research on PFAS is growing, fundamental data on fate and effects of PFAS in aerated, mesocosm-scale subsurface TWs is limited. Furthermore, while artificial aeration becoming increasingly employed in commercial TW application, a granular characterization of aeration in TW systems is missing in the literature. This thesis is comprised of two main studies: (1) an exploration of aeration effects on water chemistry, water performance, and microbial community structure, function, and activity, and (2) a study exploring the fate and effects of PFOS, PFOA, and 6:2 FTS in TW mesocosms. Both studies occurred in parallel and examined 12 mesocosms in a 2x2 factorial design with factors of aeration and PFAS in triplicate for a 12-week in-situ period. PFAS was added weekly (at a starting concentration of 1 mg/L) into the mesocosms. Following the 12-weeks, the control and PFAS systems were deconstructed to determine organic content and a PFAS mass balance within the loaded mesocosms. The effect of aeration on water treatment performance in TW mesocosms results in higher DO water chemistry, higher pH, and ORP. Lower overall total nitrogen removal was observed given a highly aerobic environment in the aerated system, which inhibited denitrification and thus incomplete nitrogen removal. Lower overall microbial and catabolic activity as well as lower metabolic richness, function, and less diversity were expressed. Organic mass was slightly higher in aerated systems across layers pointing to an overall effect of microbial efficiency, and resiliency (over time). There were little effects of PFOA, PFOS, and 6:2 FTS on the treatment of standard water quality parameters (organics, nitrogen). More PFOS than PFOA or 6:2 FTS was removed (via adsorption) from both aerated and non-aerated systems, with aerated systems removing more PFAS than the non-aerated systems. The results of these studies will offer a significant contribution towards improving TW design and performance into the future.

Les substances per- et polyfluoroalkyles (PFAS) sont des produits chimiques anthropogéniques que l'on retrouve dans une multitude de produits de consommation et de produits industriels. En raison de leur forte structure de liaison carbone-fluore, les PFAS tels que l'acide perfluorooctanesulfonique (PFOS), l'acide perfluorooctanoïque (PFOA) et le sulfonate de fluorotélomère 6:2 (6:2 FTS) sont résistants à la dégradation physique, chimique et biologique conventionnelle et sont donc récalcitrants dans l'environnement. Les caractéristiques de ces produits chimiques ont apporté de nombreux avantages à de nombreuses industries, en particulier dans l'application de la mousse à formation de film aqueuse (AFFF) en tant que retardateur de flammes. De grandes quantités d'AFFF sont périodiquement déversées sur les sites d'entraînement des pompiers militaires et se sont ensuite accumulées au fil des ans. Cela peut potentiellement contaminer les écosystèmes tels que les zones humides naturelles, les eaux de surface et les eaux souterraines, entraînant des concentrations supérieures aux directives environnementales. Alors que la recherche sur les PFAS dans les zones humides de traitement (TW) est en plein essor, les données fondamentales sur le devenir et les effets des PFAS dans les TW aérés, à l'échelle du mésocosme et sous la surface, sont limitées. De plus, alors que l'aération artificielle est de plus en plus utilisée dans les applications commerciales des zones humides de traitement, la littérature manque d'une caractérisation granulaire de l'aération dans les systèmes de zones humides de traitement. Cette thèse comprend deux études principales: (1) une exploration des effets de l'aération sur la chimie de l'eau, la performance de l'eau et la structure, la fonction et l'activité de la communauté microbienne, et (2) une étude explorant le devenir et les effets du PFOS, du PFOA et du 6:2 FTS dans des mésocosmes TW. Les deux études ont été menées en parallèle et ont porté sur 12 mésocosmes dans un plan factoriel de 2x2 avec des facteurs d'aération et des PFAS en trois exemplaires pendant une période in situ de 12 semaines. Des PFAS ont été ajoutés chaque semaine (à une concentration initiale de 1 mg/L) dans les mésocosmes. Après les 12 semaines, les systèmes de contrôle et de PFAS ont été déconstruits pour déterminer le contenu organique et le bilan de masse des PFAS dans les mésocosmes chargés. L'effet de l'aération sur la performance du traitement de l'eau dans les mésocosmes TW se traduit par une chimie de l'eau plus riche en OD, un pH et un ORP plus élevés. Une élimination globale plus faible de l'azote total a été observée en raison d'un environnement très aérobie dans le système aéré, ce qui a inhibé la dénitrification et donc une élimination incomplète de l'azote. Une activité microbienne et catabolique globale plus faible ainsi qu'une richesse et une fonction métaboliques plus faibles et une diversité moindre ont été exprimées. La masse v organique était légèrement plus élevée dans les systèmes aérés, toutes couches confondues, ce qui indique un effet global de l'efficacité microbienne et de la résilience (au fil du temps). Les effets du PFOA, du PFOS et du 6:2 FTS sur le traitement des paramètres standard de la qualité de l'eau (matières organiques, azote) ont été faibles. Les systèmes aérés et non aérés ont éliminé (par adsorption) plus du PFOS que de PFOA ou de 6:2 FTS, les systèmes aérés éliminant plus du PFOS que les systèmes non aérés. Les résultats de ces études contribueront de manière significative à l'amélioration de la conception et des performances des systèmes d'aération à l'avenir.