WATER AWARD: Jeffrey Energy Center postavený systém čištění mokřadů

POWER první ocenění za vodu jde do závodu, který vyvinul inovativní řešení společného problému: ekonomická a ekologicky odpovědná likvidace spalin odsiřování odpadních vod.

PWR_080114_WaterAward_Splash

USA uhelné elektrárny zjišťují, že musí dodržovat stále více přísných ekologických předpisů, a přestože se nikdo v žádném odvětví netěší na další regulační zátěž, nová pravidla mohou podnítit nové přemýšlení o známých procesech, které mají za následek neočekávané přínosy. Přístup společnosti Westar Energy k nakládání s odpadními vodami z modernizovaného systému odsíření spalin (FGD) je dokonalým příkladem.

a Kansas Coal King

Westar Energy (Westar) je investorský nástroj, který slouží téměř 700,000 zákazníkům ve východním a východním centru Kansasu a je největším poskytovatelem energie ve státě. Vlastní nebo nakupuje energii z uhlí, zemní plyn, jaderný, skládkový plyn, a zařízení na výrobu větru. Westar je Jeffrey Energy Center (JEC) je jedním ze čtyř uhelných elektráren flotily; ostatní jsou LaCyne, Lawrence a Tucumseh.

JEC, který se nachází poblíž St.Mary ‚ s, v severovýchodním Kansasu, je ve vlastnictví Westar (92%) A Great Plains Inc. (8%). Jednotka 1 začala fungovat v roce 1978, jednotka 2 v roce 1980 a jednotka 3 v roce 1983. Elektrárna spaluje uhlí s nízkým obsahem síry a byla v roce 2003 uznána skupinou uživatelů uhlí v povodí prašné řeky jako závod roku této skupiny.

velké nápady z velké elektrárny

při 1,857 MW je JEC největší elektrárnou v Kansasu (Obrázek 1). S velkou velikostí přichází velká kontrola, a JEC, jako mnoho uhelných elektráren, musel v průběhu let upgradovat své environmentální systémy, aby vyhověl federálním a státním předpisům. JEC je také příkladem toho, jak se v průběhu času nové otázky související s energií přesouvají na vrchol seznamu zájmů společnosti.

PWR_080114_WaterAward_Fig1

1. Nekonvenční zařízení Tato fotografie, pořízená v červnu 2013, ukazuje blízkost vybudovaného mokřadu (ve vývoji)k Tříčlennému Jeffrey Energy Center. Dokončený mokřad nyní zpracovává 100% odpadních vod z praček zařízení o výkonu 1 857 MW ekonomickým a ekologickým způsobem. Zdvořilost: Westar Energy

v profilu nově vybudovaného systému mokřadů Westar poznamenává, že při zasvěcení jednotky 1 tehdejší viceprezident Walter Mondale poukázal na JEC jako představující energetickou vlnu budoucnosti. V době, kdy, přechod od výroby ropy-když se mnoho elektráren spoléhalo na dováženou ropu—na domácí uhlí bylo považováno, a bylo, zásadní zlepšení.

rychlý posun vpřed k naší současné energetické a environmentální situaci: jak poznamenává Westar, uhlí “ je nyní často neochotně přijímáno jako nezbytná součást našeho energetického portfolia. Zatímco politická Krajina stále zahrnuje několik těch, kteří oslavují používání uhlí, více je kritických a většina se vyhýbá postoji, pokud dostane příležitost. Ve skutečnosti, pokud si Amerika chce udržet dostupnou a spolehlivou elektřinu, uhlí je nezbytným prvkem. Naším úkolem je vyvážit náklady, dopad na životní prostředí a provozní efektivitu. Tato rovnováha často vyžaduje inovace a partnerství. Ječské mokřady jsou příběhem obou.“

Westar říká, že téměř 25% původních nákladů JEC bylo vynaloženo na opatření kontroly kvality ovzduší, včetně spalování uhlí s nízkým obsahem síry výhradně. Mezi nejnovější ekologické inovace patřila přestavba a modernizace systémů FGD na všech třech jednotkách.

původní pračky byly navrženy tak, aby odstranily 60% emisí oxidu siřičitého (SO2). Nové vápencové kalové pračky byly navrženy tak, aby odstranily 95% SO2. Práce na projektu (URS, s Burnsem & McDonnell působícím jako inženýr/stavební management vlastníka) začaly ve třetím čtvrtletí roku 2007 a byly dokončeny ve druhém čtvrtletí roku 2009. Všechny tři modernizované pračky jsou v provozu a splňují nebo překračují očekávání emisních sazeb. Westar říká, že nový systém přináší 97% snížení emisí SO2. (Emise rtuti ve společném prospěchu byly sníženy nejméně o 25% a částice byly sníženy nejméně o 20%.)

instalace nového mycího systému spustila státní standard antidegradace vody. Tento požadavek vedl k potřebě vyhodnocení a instalace nových technologií řízení vody pro odpadní vody FGD. Před instalací nového systému, Westar odvodňoval kejdu, skládkování sádry, a vypouštění vody do Lost Creek po vyčištění a ošetření pro odstranění rtuti.

výboj systému FGD vyžadoval hodnocení a ošetření složek, které zahrnují síran, selen, rtuť a arsen. Westar spolupracoval s Ministerstvem zdravotnictví a životního prostředí v Kansasu (KDHE), aby uzavřel dohodu, která dočasně umožnila vypouštění odpadní vody z pračky do Lost Creek, zatímco Westar zkoumal potenciální metody léčby.

když inženýři společnosti Westar hledali nákladově efektivní způsob nakládání s odpadními vodami, usadili se na přístupu, který si vezme biologii a chemii: konstruovaný systém čištění mokřadů (CWTS).

nalezení nejlepší Fit

než se pracovníci Westaru v oblasti životního prostředí a inženýrství rozhodli pro CWTS, s pomocí popálenin & McDonnell zkoumali řadu inovativních způsobů, jak účinně léčit vypouštění:

  • podzemní injekce hluboké studny.
  • proces přes padající filmové výparníky a krystalizátor.
  • proces pomocí reverzní osmózy a krystalizátoru.
  • proces s padajícími filmovými výparníky, pomocí solanky k úpravě popílku pro likvidaci na skládce na místě.
  • ošetření sulfátovými srážkami a CWTS, s vodním odtokem odeslaným zpět do zařízení k opětovnému použití.

Westar chtěl zacházet s výbojem s nejekologičtějším a nejméně nákladným řešením. Analýza ukázala, že nejlevnější alternativou byl vybudovaný mokřad spárovaný s předběžnou úpravou síranových srážek (Tabulka 1).

PWR_080114_WaterAward_Table1

Tabulka 1. Léčba. Hodnocení odhadovaných 15letých čistých současných nákladů na technicky životaschopné alternativy ukázalo, že nejlepším řešením je vybudovaný systém úpravy mokřadů (CWTS). Zdroj: Westar Energy

ve zvoleném procesu by Odpadní voda FGD byla nejprve zpracována v tradiční čistírně odpadních vod, aby se odstranil síran. Pak by byl zaveden do mokřadního procesu, který byl navržen a zaměřen na odstraňování kovů. Vypouštění mokřadů, které bylo účinně ošetřeno pro složky, které jsou předmětem zájmu, by pak mohlo být vráceno do zařízení k opětovnému použití.

přestože se jednalo o nejlevnější a nejekologičtější řešení, konstruovaný mokřadní systém nebyl v této aplikaci nikdy použit a byl nevyzkoušen.

Westar začal vývojem pilotního systému, který napodobuje biologické procesy probíhající v přírodních mokřadech, s konečným cílem nasazení systému v plném rozsahu.

získání ekologických skupin na palubu

lokalita JEC je již dlouho zvláštní pro volně žijící zvířata i lidi. Přibližně 7,700 akrů z celkových 10,500 akrů JEC je pronajato pro výrobu obilí nebo sena a téměř veškerá tato výměra je otevřena pro veřejný rybolov, lov a pěší turistiku. Voda čerpaná z řeky Kansas vyplňuje dvě jezera obsahující více než 600 akrů pro rostlinnou make-up vodu. Ty poskytují jedny z nejlepších rybolovů státu během teplých měsíců, a větší jezero nabízí lov vodních ptáků v zimě. Hendikepované doky u obou jezer a přístupná slepice vodního ptactva činí oblast atraktivní pro hendikepované lovce kachen a hus.

kromě toho byl Přírodní Park Oregon Trail postaven pro veřejné použití na místě rostliny poblíž Oregonské stezky, aby předvedl přírodní ekosystémy Kansasu. Zahrnuje dva rybníky, tři naučné stezky,přístřešek, a piknik.

než se nástroj vážně zabýval projektem konstruovaných mokřadů, kontaktoval místní kapitolu Sierra Club a členy přátel Kaw, Kansas Riverkeeper. Záměrem bylo zapojit je a vzdělávat je, než požádají kdhe o povolení dočasně upravit své vypouštění pro experimentální pilotní fázi. Westar poznamenává, že tyto místní kapitoly národně aktivních organizací mají významný zájem o kvalitu vody v řece Kansas, a jejich podpora byla nezbytná pro schválení projektu.

Westar pořádal vzdělávací zájezdy pro skupiny, což vedlo k jejich podpoře tohoto přístupu k léčbě jako nejekologičtějšího k životnímu prostředí. Nástroj také aktualizoval skupiny na zkušební výsledky v průběhu experimentu. Když Westar oslovil KDHE, poté, co již získal podporu od těchto environmentálních skupin, pomohl prokázat, že zvolený přístup je vhodný.

pilotní fáze

dvouakrový pilotní mokřadní systém, určený k čištění zhruba 10% odpadních vod FGD, byl nainstalován v prosinci 2010. To zahrnovalo tři typy buněk: volné vodní povrchové buňky, vegetované ponořené buňky a vertikální průtokové buňky (Obrázek 2). Jak Westar popisuje rozdíly:

PWR_080114_WaterAward_Fig2

2. Pilotní fáze. Pilotní mokřadní systém byl instalován v prosinci 2010 a zahrnoval tři typy buněk (zleva doprava): buňky volného povrchu vody, vegetované buňky ponořeného lože a buňky vertikálního průtokového lože. Zdvořilost: Westar Energy

  • volné vodní povrchové buňky fungují podobným způsobem jako trvale zaplavené bažiny, s mělkou hloubkou vody a kombinací vodních druhů, jako je cattail, bulrush, leknín, a hrot šípu.
  • Vegetované ponořené buňky fungují podobně jako plně nasycené bažiny s vysokou hladinou podzemní vody a druhy rostlin, jako je tráva, vnitrozemská slaná tráva a ostřice.
  • buňky vertikálního průtokového lože jsou podobné vegetovaným buňkám ponořeného lože s tím rozdílem, že příchozí voda je aplikována rovnoměrně po povrchu buňky, což umožňuje vertikální infiltraci místo horizontálního proudění.

voda byla přenášena buňkami stejné velikosti V sérii dvěma paralelními vlaky, což umožnilo sledování každé buňky z hlediska individuální účinnosti. Díky široké škále cílových složek musel Westar pochopit silné a slabé stránky každé buňky, aby mohl navrhnout systém v plném rozsahu.

pilotní buňky byly postaveny v létě 2010, mokřadní vegetační zátky byly transplantovány v listopadu a nástroj očekával, že začne vidět přínosy léčby na jaře 2011. Monitorování však ukázalo okamžité odstranění kovů, zejména v buňkách určených k vertikálnímu pohybu toků kořenovými zónami rostlin a půdními vrstvami(buňky vertikálního průtokového lože).

odstranění složek pokračovalo na jaře a rostliny „explodovaly, aby vyplnily mokřadní plochu do léta 2011“, Podle zprávy Westar. Míry odstranění pro různé návrhy buněk byly porovnány s hodnotami pro jiné ošetření. Kansas State University fakulty a studenti dělali oba pole a laboratorní práce na pomoc nástroj pochopit mechanismy zachycení a veličiny.

Celkově bylo prokázáno, že 19 složek kvality vody bylo účinně ošetřeno prostřednictvím pilotního projektu mokřadů, včetně selenu, rtuti, fluoridu, dusičnanu a dusitanů, které jsou složkami, které jsou předmětem zájmu. Jedinými složkami obav, které nebyly účinně léčeny, byly chlorid a síran. Hladiny chloridů byly historicky dostatečně nízké, že ošetření není nutně nutné, zatímco spárování mokřadů s cíleným procesem srážení síranů by překonalo nedostatek odstraňování síranů mokřady.

Westar a Burns & McDonnell vyhodnotili konečné možnosti léčby a dospěli k závěru, že mokřady v plném rozsahu v kombinaci s některými doplňkovými chemickými odstraňováními solí představují nejekonomičtější a ekologičtější přístup. KDH tento plán schválilo v lete 2012.

Full-Scale Ahead

v polovině roku 2012 se Westar rozhodl pokračovat v rozsáhlých mokřadech. Do roku 2013 byl pilotním projektem testovací plocha, která vedla k návrhu a výstavbě mokřadů postavených v plném rozsahu o rozloze 24 hektarů. Tento projekt v plném rozsahu, dokončený v červenci 2014, nyní zpracovává 100% vypouštění odpadních vod v místě (obrázky 3 a 4).

PWR_080114_WaterAward_Fig3

3. Ve výstavbě. Tento snímek ukazuje jednu z buněk v rozsáhlém mokřadu ve výstavbě. Buňky jsou lemovány kompozitní vložkou sestávající z hlíny a HDPE pružné membránové vložky. S Laskavým Svolením: Westar Energy

PWR_080114_WaterAward_Fig4

4. Prosperující mokřad. Voda odváděná ze systému odsiřování spalin v závodě vstupuje do mokřadních buněk zespodu povrchu. Zdvořilost: Westar Energy

rozsáhlý pilotní výzkum vedl k optimalizovanému návrhu v plném rozsahu sestávajícímu ze dvou paralelních vertikálních průtokových buněk (19.2 akrů dohromady) následovaných v sérii dvěma paralelními vegetativními ponořenými buňkami (4.5 akrů dohromady). Tyto typy buněk se ukázaly jako nejúčinnější při širokém odstraňování cílových složek.

testování na pilotním systému prokázalo, že složky jsou zachyceny v půdě vertikálních průtokových buněk a dimenzování mokřadů je založeno na množství odstraněných složek, které mohou být uloženy na hmotnost půdy. Jakmile buňka již není schopna odstranit a obsahovat složky, může být půda odstraněna a skládána na skládku. Protože každá buňka je synteticky lemována, Uzavření na místě je také možnost.

mokřad v plném rozsahu byl navržen tak, aby napodoboval přírodu s jednou významnou výjimkou.

zatímco vertikální průtokové buňky se ukázaly jako výjimečné při zachycení složek, které jsou předmětem zájmu, jejich koncentrace na povrchu vyvolala otázku expozice pro nesčetné druhy volně žijících živočichů, které by byly přitahovány k mokřadu. Westar se obával, že zachycené složky by mohly být přesunuty z mokřadů prostřednictvím pohybu divoké zvěře.

vysoké koncentrace na povrchu by také vyžadovaly častější odstraňování a výměnu rostlin a horní vrstvy půdy. Vzhledem k tomu, že voda měla být čerpána mezi buňkami, Burns & McDonnell konzultanti navrhli plnění ze dna buněk a shromažďování upravené vody na povrchu pro přístup“ zdola nahoru“. To vyřešilo oba obavy soustředěním složek několik stop pod povrchem, ochrana volně žijících živočichů, a výrazně snížit údržbu.

vyhýbání se negativním účinkům na Volně žijící zvířata bylo problémem kvůli vysokým koncentracím běžných i některých neobvyklých druhů v této oblasti. Ohrožený nejméně Tern má velkou hnízdní kolonii poblíž mokřadů a JEC obsahuje více než 7,000 akrů otevřených pro veřejnost pro rybolov a lov a spravovaných ve spolupráci s Kansas Department of Wildlife, Parks and Tourism.

ve videu o systému vytvořeném nástrojem Andy Evans, manažer Westar pro podporu a inženýrství rostlin, nazývá CWTS “ inženýrství s přírodou. Brad Loveless, výkonný ředitel environmentálních služeb, vysvětluje, že mokřad “ se spoléhá na přírodní rysy, které probíhají tisíce let.“

více výhod

Westar zjistil, že CWTS nabízí více výhod ve srovnání s alternativami.

Přírodní“ Zelený “ Roztok. Mokřad v plném rozsahu využívá dostupnou, přirozeně se vyskytující půdu, rostlinné materiály a půdní mikroby. Mokřad zachytí energii ze slunce a odstraní oxid uhličitý z atmosféry. Za kontrolovaných podmínek vlhkosti půdy, každá mokřadní buňka může být řízena k posílení vzájemného vztahu půdních mikrobů s kořeny rostlin, což zvyšuje a maximalizuje inherentní schopnost systému chemicky zpracovávat,zabírat, a sekvestr anorganických látek a kovů nacházejících se v odpadních vodách pračky.

Úspory Energie. Mokřad v plném rozsahu poskytuje významné úspory ve spotřebě energie ve srovnání s jinými možnostmi, jako je nulový výtok kapaliny nebo hluboké vstřikování studny. Méně energie vynaložené na zařízení a procesy znamená, že pro zákazníky je k dispozici více energie. Například mokřad představuje méně než 5% ročních nákladů na energii, které vyžadují padající odpařovače filmu.

Udržitelné Řešení. Konstruované mokřadní systémy obvykle vyžadují větší plochu půdy než systémy mechanického ošetření (což znamená, že nebudou vhodné pro všechna místa) a období růstu pro vývoj rostlin, kořenů a půdních mikrobů. Jakmile se však stanou plně funkční, konstruované mokřady jsou navrženy tak, aby byly „pasivní“ a dlouhodobě udržitelné systémy léčby. Vyžadují velmi málo energie a údržby ve srovnání s mechanickým zpracováním a jsou hospodárnější na provoz a údržbu.

Sociální Řešení. Bylo zjištěno, že mnoho kritických zúčastněných stran preferuje mokřady a jedinečné funkce a hodnoty, které poskytují společnosti. Například mokřady fungují jako biologické filtry, které pomáhají udržovat potoky, řeky, rybníky a jezera čisté. Poskytují také cenné stanoviště pro různorodou divokou zvěř.

Ochrana Vody. Mokřad umožňuje rekultivaci upravené vody pro opětovné použití v závodě. (Pro rostoucí počet elektráren po celém světě, které čelí omezením dostupnosti vody, to může být řešení, které stojí za zvážení.)

Příznivá Ekonomie. Očekává se, že systém ošetření mokřadů bude mít za následek čisté přínosy současné hodnoty ve výši 40 milionů dolarů za 15 let ve srovnání s alternativními úpravami nulového vypouštění kapaliny. Tato úspora zahrnuje jak kapitálové, tak provozní úspory, které podle Westara budou přínosem pro zákazníky díky nižším sazbám.

model pro budoucí systémy

Westar již sdílel své vývojové výzvy a úspěchy prostřednictvím mnoha průmyslových technických prezentací a prohlídek stránek pro zainteresované nástroje. Činí tak s cílem poskytnout model alternativního procesu úpravy vody pro zbytek odvětví, který nabízí jak lepší výkon, tak výrazně nižší náklady než jiné alternativy. Obě tyto metriky jsou pro fosilní generátory stále důležitější.

ačkoli faktory specifické pro místo vždy hrají roli v životaschopnosti alternativních přístupů léčby, pro Westar je pointa jasná: celkové náklady na rozsáhlý mokřadní systém a odstranění síranů činily 36,2 milionu USD.

Edison Electric Institute uznal význam JEC CWTS v červnu tím, že udělil projektu výroční cenu Edison Award. POWER je hrdá na to, že se může připojit k sboru gratulací pro Westar a jeho zaměstnance s naší první cenou za vodu! Kudos pro inovativní myšlení, design, který nepřináší žádné oběti, efektivní komunikace zainteresovaných stran, a včasná implementace. ■

– Gail Reitenbach, PhD je editorem POWER (@GailReit, @POWERmagazine).