Vandpris: Jeffrey Energy centers konstruerede Vådområdebehandlingssystem

kraftens første vandpris går til et anlæg, der udviklede en innovativ løsning på et fælles problem: økonomisk og miljømæssigt ansvarlig bortskaffelse af røggasafsvovling spildevand.

PWR_080114_WaterAward_Splash

U. S. kulkraftværker finder ud af, at de skal overholde et stigende antal strenge miljøregler, og mens ingen i nogen industri ser frem til yderligere lovgivningsmæssige byrder, kan nye regler tilskynde til nytænkning om velkendte processer, der resulterer i uventede fordele. Vores tilgang til håndtering af spildevand fra det opgraderede røggasafsvovlingssystem (FGD) er et perfekt eksempel.

en Kansas Coal King

Vestar Energy (Vestar) er et investorejet værktøj, der betjener næsten 700.000 kunder i øst og øst-centrale Kansas og er den største energileverandør i staten. Det ejer eller køber strøm fra kul, naturgas, nukleare, lossepladsgas og vindproduktionsanlæg. Jeffrey Energy Center (JEC) er en af flådens fire kulfyrede anlæg; de andre er LaCyne, Laurence og Tucumseh.

JEC, beliggende nær St. Mary ‘ s, i det nordøstlige Kansas, ejes af Vestar (92%) og Great Plains Inc. (8%). Enhed 1 startede i 1978, enhed 2 i 1980 og Enhed 3 i 1983. Anlægget brænder kul med lavt svovlindhold og blev anerkendt af pulver River Basin Coal Users’ Group i 2003 som gruppens årets fabrik.

store ideer fra et stort anlæg

på 1.857 mv er JEC det største kraftværk i Kansas (Figur 1). Med stor størrelse kommer stor kontrol, og JEC, som mange kulanlæg, har været nødt til at opgradere sine miljøsystemer gennem årene for at overholde føderale og statslige regler. JEC er også et eksempel på, hvordan nye energirelaterede spørgsmål over tid bevæger sig til toppen af listen over samfundets bekymringer.

PWR_080114_WaterAward_Fig1

1. Et ukonventionelt plantefacilitet dette foto, taget juni 2013, viser nærheden til det konstruerede vådområde (under udvikling) til Jeffrey Energy Center med tre enheder. Det færdige vådområde behandler nu 100% af spildevandet fra 1.857 MVAN anlæggets skrubbere på en økonomisk og miljøvenlig måde. Høflighed: Vestar Energy

i en profil af det nybyggede vådområdesystem bemærker Vestar, at ved indvielsen af Enhed 1 pegede daværende vicepræsident på JEC som repræsenterer fremtidens energibølge. På det tidspunkt blev skift fra oliefyret generation-da mange planter var afhængige af importeret olie—til indenlandsk kul set som og var en stor forbedring.

hurtigt frem til vores nuværende energi-og miljøsituation: som Vestar bemærker, accepteres kul “nu ofte modvilligt som en nødvendig del af vores energiportefølje. Mens det politiske landskab stadig omfatter nogle få, der fejrer brugen af kul, er flere kritiske, og flertallet undgår en holdning, hvis de får mulighed for det. I virkeligheden, hvis Amerika vil bevare overkommelig, pålidelig elektricitet, er kul et nødvendigt element. Det er vores opgave at afbalancere omkostningerne, miljøpåvirkningen og den operationelle effektivitet. Denne balance kræver ofte innovation og partnerskab. JEC-vådområderne er en historie om begge dele.”

Vestar siger, at næsten 25% af de oprindelige omkostninger ved JEC blev brugt på luftkvalitetskontrolforanstaltninger, herunder udelukkende forbrænding af kul med lavt svovlindhold. Blandt de seneste miljøopgraderinger var genopbygning og opgradering af FGD-systemerne på alle tre enheder.

de originale scrubbere blev designet til at fjerne 60% af SO2-emissionerne. De nye kalksten gyllevaskere blev designet til at fjerne 95% af SO2. Arbejdet med projektet (af URS, med Burns & McDonnell, der fungerer som ejerens ingeniør/byggeledelse) begyndte i tredje kvartal 2007 og blev afsluttet i andet kvartal 2009. Alle tre opgraderede skrubbere er i drift og opfylder eller overstiger forventningerne til emissionshastigheden. Det nye system leverer en reduktion på 97% i SO2-emissionerne. (Co-benefit-kviksølvemissionerne blev reduceret med mindst 25%, og partikler blev reduceret med mindst 20%.)

Installation af det nye skrubbesystem udløste statens antidegraderingsstandard for vand. Dette krav drev behovet for evaluering og installation af nye vandkontrolteknologier til FGD spildevand. Før installationen af det nye system havde han afvandet gylle, deponeret gipsen og udledt vand til Lost Creek efter afklaring og behandling for fjernelse af kviksølv.

FGD-systemets udledning krævede evaluering og behandling af bestanddele, der omfatter sulfat, selen, kviksølv og arsen. Kdhe indgik et samarbejde med Kansas Department of Health and Environment (Kdhe) for at etablere en aftale, der midlertidigt gjorde det muligt for skrubberspildevandet at udlede til Lost Creek, mens Vestar undersøgte potentielle metoder til behandling.

da ingeniører ledte efter en omkostningseffektiv måde at håndtere spildevandet på, besluttede de sig for en tilgang, der gifter sig med biologi og kemi: et konstrueret vådområdebehandlingssystem.

find den bedste pasform

før vestars miljø-og ingeniørpersonale besluttede sig for CVTS, ved hjælp af forbrændinger & McDonnell, undersøgte de en række innovative måder til effektivt at behandle decharge:

  • underjordisk dyb brøndinjektion.
  • proces gennem faldende filmfordampere og krystallisator.
  • proces gennem omvendt osmose og krystallisator.
  • proces med faldende filmfordampere ved hjælp af saltlage til konditionering af FLYVEASKE til bortskaffelse på et deponeringsanlæg.
  • behandling med sulfatudfældning og en vandmasse med vandudløb sendt tilbage til anlægget til genbrug.

Vestar ønskede at behandle udledningen med den mest miljøvenlige og billigste løsning. Analyse viste, at det billigste alternativ var et konstrueret vådområde parret med forbehandling af sulfatudfældning (tabel 1).

PWR_080114_WaterAward_Table1

tabel 1. Behandlingsmulighed. Evaluering af de anslåede 15-årige nutidsværdiomkostninger for teknisk levedygtige alternativer viste, at et konstrueret vådområdebehandlingssystem var den bedste løsning. Kilde: Vestar Energy

i den valgte proces ville FGD-spildevandet først blive behandlet i et traditionelt spildevandsrensningsanlæg for at fjerne sulfat. Derefter ville det blive introduceret i vådområdeprocessen, der blev konstrueret og målrettet til fjernelse af metaller. Vådområdets udledning, der er blevet effektivt behandlet for bestanddele af bekymring, kunne derefter returneres til anlægget til genbrug.

selvom dette var den billigste og mest miljøvenlige løsning, var et konstrueret vådområdesystem aldrig blevet brugt i denne applikation og blev ikke testet.

Vestar begyndte med at udvikle et pilotsystem til at efterligne biologiske processer, der forekommer i naturlige vådområder, med det ultimative mål at implementere et system i fuld skala.

kom miljøgrupper om bord

JEC-stedet har længe været et specielt sted for både dyreliv og mennesker. Cirka 7.700 hektar af JEC ‘ s samlede 10.500 hektar lejes til korn-eller høproduktion, og næsten alt dette areal er åbent for offentligt fiskeri, jagt og vandreture. Vand pumpet fra Kansas-floden fylder to søer, der omfatter mere end 600 hektar til plantemakeupvand. Disse giver nogle af statens bedste fiskeri i de varme måneder, og den større sø tilbyder vandfuglejagt om vinteren. Handicapvenlige dokker ved både søer og en tilgængelig vandfugleblind gør området attraktivt for handicappede ænder og gåsjægere.

derudover blev Oregon Trail Nature Park Bygget til offentlig brug på plantepladsen nær Oregon Trail for at fremvise de naturlige økosystemer i Kansas. Det omfatter to damme, tre naturstier, et husly og picnicområder.

før værktøjet blev alvorligt med det konstruerede vådområder projekt, kontaktede det det lokale Sierra Club kapitel og medlemmer af venner af Kav, Kansas Riverkeeper. Hensigten var at engagere og uddanne dem, inden de anmodede om tilladelse fra KDHE til midlertidigt at ændre sine udledninger til den eksperimentelle pilotfase. Disse lokale kapitler af nationalt aktive organisationer har betydelig interesse i Kansas River vandkvalitet, og deres støtte var afgørende for projektets godkendelse.

Vestar var vært for uddannelsesture for grupperne, hvilket resulterede i deres støtte til denne behandlingsmetode som den mest miljøvenlige. Værktøjet opdaterede også grupperne på forsøgsresultater gennem hele eksperimentet. Da Vestar henvendte sig til KDHE, havde han allerede fået støtte fra disse miljøgrupper bidraget til at demonstrere, at den valgte tilgang var passende.

pilotfase

det to acre pilot vådområde system, designet til at behandle omkring 10% af FGD spildevand, blev installeret i December 2010. Det omfattede tre celletyper: frie vandoverfladeceller, vegeterede nedsænkede sengeceller og lodrette strømningsbedceller (figur 2). Som Vesterbro beskriver forskellene:

PWR_080114_WaterAward_Fig2

2. Pilotfase. Pilot vådområdesystemet blev installeret i December 2010 og omfattede tre celletyper (venstre mod højre): frie vandoverfladeceller, vegeterede nedsænkede sengeceller og lodrette strømningslagceller. Høflighed: Vestar Energy

  • frie vandoverfladeceller fungerer på en måde, der ligner en permanent oversvømmet sump, med en lav vanddybde og en kombination af akvatiske arter såsom cattail, bulrush, vandlilje, og pilespids.
  • vegeterede nedsænkede sengeceller fungerer på samme måde som en fuldt mættet sump med høje grundvandsniveauer og plantearter såsom skifte græs, indre saltgræs og sedges.
  • lodrette strømningsbedceller ligner vegeterede nedsænkede sengeceller bortset fra at indgående vand påføres jævnt over cellens overflade, hvilket tillader lodret infiltration i stedet for vandret strømning.

vand blev overført gennem celler i samme størrelse i serie gennem to parallelle tog, hvilket gjorde det muligt at overvåge hver celle for individuel effektivitet. Med en bred vifte af målkomponenter havde vi brug for at forstå hver celles styrker og svagheder for at designe et system i fuld skala.

pilotcellerne blev bygget i sommeren 2010, vådområder vegetation stik blev transplanteret i November, og nytten forventes at begynde at se behandling fordele i foråret 2011. Imidlertid viste overvågningen fjernelse af metaller med det samme, især i de celler, der er designet til at bevæge strømme lodret gennem planterotsområderne og jordlagene (de lodrette strømningsbedceller).

konstituerende fjernelse fortsatte i foråret, og planterne “eksploderede for at fylde vådområdets overfladeareal inden sommeren 2011”, ifølge en Vestar-rapport. Fjernelseshastigheder for de forskellige celledesign blev sammenlignet med dem for andre behandlinger. Kansas State University fakultet og studerende gjorde både felt-og laboratoriearbejde for at hjælpe værktøjet med at forstå fangstmekanismerne og størrelserne.

samlet set viste det sig, at 19 vandkvalitetsbestanddele var blevet behandlet effektivt gennem pilot vådområdeprojektet, herunder selen, kviksølv, fluor, nitrat og nitrit, som er problematiske bestanddele. De eneste bestanddele, der ikke blev behandlet effektivt, var chlorid og sulfat. Kloridniveauer var historisk lave nok til, at behandling ikke nødvendigvis er påkrævet, mens parring af vådområderne med en målrettet sulfatudfældningsproces ville overvinde manglen på sulfatfjernelse af vådområderne.

McDonnell vurderede de endelige behandlingsmuligheder og konkluderede, at vådområder i fuld skala kombineret med en vis supplerende kemisk fjernelse af salte præsenterede den mest økonomiske og miljøvenlige tilgang. KDHE godkendte denne plan i sommeren 2012.

fuldskala fremad

i midten af 2012 besluttede Vestar at fortsætte med vådområderne i fuld skala. Gennem 2013 var pilotprojektet den testplads, der førte til design og konstruktion af de 24 hektar store vådområder i fuld skala. Dette projekt i fuld skala, der blev afsluttet i Juli 2014, behandler nu 100% af områdets skrubberudledning af spildevand (figur 3 og 4).

PWR_080114_WaterAward_Fig3

3. Under opbygning. Dette skud viser en af cellerne i det fuldskala vådområde under opførelse. Celler er foret med en sammensat foring bestående af ler og HDPE fleksibel membranforing. Courtesy: København

PWR_080114_WaterAward_Fig4

4. Blomstrende vådområde. Vand, der ledes fra røggasafsvovlingssystemet ved anlægget, kommer ind i vådområdecellerne under overfladen. 5036>

den omfattende pilotforskning førte til et optimeret design i fuld skala bestående af to parallelle lodrette strømningsceller (19,2 hektar kombineret) efterfulgt i serie af to parallelle vegetative nedsænkede celler (4,5 hektar kombineret). Disse celletyper viste sig at være de mest effektive til bredbaseret fjernelse af målkomponenter.

test på pilotsystemet viste, at bestanddelene er fanget i jorden i de lodrette strømningsceller, og størrelsen af vådområdet er baseret på mængden af fjernede bestanddele, der kan opbevares pr. Når en celle ikke længere er i stand til at fjerne og indeholde bestanddelene, kan jorden fjernes og deponeres. Da hver celle er syntetisk Foret, er lukning på plads også en mulighed.

vådområdet i fuld skala blev designet til at efterligne naturen med en væsentlig undtagelse.

mens de lodrette strømningsceller viste sig usædvanlige ved at fange bestanddele af bekymring, rejste deres koncentration på overfladen spørgsmålet om eksponering for de utallige dyrearter, der ville blive tiltrukket af vådområdet. Vestar var bekymret for, at de fangede bestanddele kunne flyttes væk fra vådområderne via dyrelivsbevægelser.

høje koncentrationer på overfladen ville også nødvendiggøre hyppigere fjernelse og udskiftning af planterne og det øvre jordlag. Da vandet skulle pumpes mellem celler, foreslog Burns & McDonnell-konsulenter at fylde fra bunden af cellerne og opsamle det behandlede vand på overfladen for en “bottom up” – tilgang. Dette løste begge bekymringer ved at koncentrere bestanddele flere meter under overfladen, beskytte dyrelivet og reducere vedligeholdelsen kraftigt.

at undgå negative virkninger på dyrelivet var et problem på grund af høje koncentrationer af almindelige såvel som nogle usædvanlige arter i området. Den truede mindst Tern har en stor redekoloni nær vådområderne, og JEC indeholder mere end 7.000 hektar åbne for offentligheden til fiskeri og jagt og forvaltes i samarbejde med Kansas Department of dyreliv, parker og Turisme.

i en video om det system, der er produceret af værktøjet, kalder Andy Evans, Vestar manager for plantestøtte og teknik, CTS “teknik med naturen.”Brad Loveless, administrerende direktør for miljøtjenester, forklarer, at vådområdet “er afhængig af naturlige træk, der har foregået i tusinder af år.”

flere fordele

Vestar har fundet ud af, at VTS tilbyder flere fordele sammenlignet med alternativer.

En Naturlig “Grøn” Løsning. Vådområdet i fuld skala bruger tilgængelige, naturligt forekommende jord, plantematerialer og jordmikrober. Vådområdet vil fange energi fra solen og fjerne kulsyre fra atmosfæren. Under kontrollerede jordfugtighedsforhold kan hver vådområdecelle styres for at forbedre sammenhængen mellem jordmikrober og planterødder, hvilket øger og maksimerer systemets iboende evne til kemisk at behandle, optage og sekvestrere uorganiske stoffer og metaller, der findes i spildevand fra skrubber.

Energibesparelser. Vådområdet i fuld skala giver betydelige besparelser i energiforbruget sammenlignet med andre muligheder, såsom nul væskeudladning eller dyb brøndinjektion. Mindre energi brugt på udstyr og processer betyder mere energi er tilgængelig for kunderne. Vådområdet repræsenterer for eksempel mindre end 5% af de årlige energikostnader, der kræves af faldende filmfordampere.

En Bæredygtig Løsning. Konstruerede vådområdesystemer kræver normalt mere areal end mekaniske behandlingssystemer (hvilket betyder, at de ikke vil være passende for alle steder) og en vækstperiode for udvikling af planter, rødder og jordmikrober. Når de bliver fuldt funktionelle, er konstruerede vådområder imidlertid designet til at være” passive ” og langvarige bæredygtige behandlingssystemer. De kræver meget lidt energi og vedligeholdelse sammenlignet med mekanisk behandling og er mere økonomiske at betjene og vedligeholde.

En Social Løsning. Mange kritiske interessenter viste sig at foretrække vådområder og de unikke funktioner og værdier, de giver samfundet. For eksempel fungerer vådområder som biologiske filtre, der hjælper med at holde vandløb, floder, damme og søer rene. De giver også værdifulde levesteder for forskellige dyreliv.

Vandbeskyttelse. Vådområdet gør det muligt at genvinde det behandlede vand til genbrug på anlægget. (For det stigende antal kraftværker rundt om i verden, der står over for vandtilgængelighedsbegrænsninger, kan dette være en løsning, der er værd at overveje.)

Gunstig Økonomi. Vådområdebehandlingssystemet forventes at resultere i nutidsværdifordele på $40 millioner over 15 år sammenlignet med alternative nulvæskeudladningsbehandlinger. Denne besparelse inkluderer både kapital-og driftsbesparelser, som Vestar siger vil gavne kunderne gennem lavere satser.

en model for fremtidige systemer

Vestar har allerede delt sine udviklingsudfordringer og succeser gennem adskillige branchetekniske præsentationer og site tours for interesserede forsyningsselskaber. Det gør det for at give en model for en alternativ vandbehandlingsproces for resten af branchen, der tilbyder både forbedret ydeevne og betydeligt lavere omkostninger end andre alternativer. Begge disse målinger bliver stadig vigtigere for fossilfyrede genererende enheder.

selvom stedspecifikke faktorer altid spiller en rolle i levedygtigheden af alternative behandlingsmetoder, er bundlinjen klar: de samlede belastede omkostninger ved vådområdesystemet i fuld skala og fjernelse af sulfat var $36, 2 millioner.

Edison Electric Institute anerkendte betydningen af JEC i Juni ved at give sin årlige Edison-pris til projektet. Vi er stolte af at slutte os til koret af lykønskninger til Vestar og dets personale med vores første vandpris! Kudos for innovativ tænkning, et design, der ikke bringer ofre, effektiv interessentkommunikation og rettidig implementering. LR

— Gail Reitenbach, ph.d. er magtens redaktør (@GailReit, @Magtmagasin).