WATER AWARD: Jeffrey Energy Center’s Constructed Wetland Treatment System

Der erste Water Award von POWER geht an eine Anlage, die eine innovative Lösung für ein häufiges Problem entwickelt hat: die wirtschaftliche und umweltverträgliche Entsorgung von Rauchgasentschwefelungsabwässern.

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U.S. Kohlekraftwerke stellen fest, dass sie eine zunehmende Anzahl strenger Umweltvorschriften einhalten müssen, und während sich niemand in einer Branche auf zusätzliche regulatorische Belastungen freut, können neue Regeln zu neuen Überlegungen über vertraute Prozesse führen, die zu unerwarteten Vorteilen führen. Der Ansatz von Westar Energy zur Behandlung von Abwasser aus seinem modernisierten Rauchgasentschwefelungssystem (FGD) ist ein perfektes Beispiel.

A Kansas Coal King

Westar Energy (Westar) ist ein investorengeführtes Versorgungsunternehmen, das fast 700.000 Kunden in Ost- und Ost-Zentral-Kansas bedient und der größte Energieversorger des Bundesstaates ist. Es besitzt oder kauft Strom aus Kohle, Erdgas, Kernkraft, Deponiegas und Windkraftanlagen. Das Jeffrey Energy Center (JEC) von Westar ist eines der vier Kohlekraftwerke der Flotte; Die anderen sind LaCyne, Lawrence und Tucumseh.

JEC befindet sich in der Nähe von St. Mary’s im Nordosten von Kansas und gehört Westar (92%) und Great Plains Inc. (8%). Einheit 1 wurde 1978 in Betrieb genommen, Einheit 2 1980 und Einheit 3 1983. Die Anlage verbrennt schwefelarme Kohle und wurde 2003 von der Powder River Basin Coal Users ‚Group als Anlage des Jahres dieser Gruppe ausgezeichnet.

Große Ideen aus einer großen Anlage

Mit 1.857 MW ist JEC das größte Kraftwerk in Kansas (Abbildung 1). Mit großer Größe geht eine große Prüfung einher, und JEC musste, wie viele Kohlekraftwerke, im Laufe der Jahre seine Umweltsysteme aufrüsten, um den Bundes- und Landesvorschriften zu entsprechen. JEC ist auch ein Beispiel dafür, wie im Laufe der Zeit neue Energiethemen ganz oben auf der Liste der gesellschaftlichen Anliegen stehen.

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1. Eine unkonventionelle Anlage Dieses Foto, aufgenommen im Juni 2013, zeigt die Nähe des errichteten Feuchtgebiets (in Entwicklung) zum dreiteiligen Jeffrey Energy Center. Das fertige Feuchtgebiet behandelt nun 100% des Abwassers aus den Wäschern der 1.857-MW-Anlage auf wirtschaftliche und umweltfreundliche Weise. Freundlicher: Westar Energy

In einem Profil des neu errichteten Feuchtgebietssystems stellt Westar fest, dass der damalige Vizepräsident Walter Mondale bei der Einweihung von Einheit 1 auf die JEC als die Energiewelle der Zukunft hingewiesen hat. Zu dieser Zeit wurde die Umstellung von der ölbefeuerten Erzeugung – als viele Anlagen auf importiertes Öl angewiesen waren — auf heimische Kohle als wesentliche Verbesserung angesehen.

Schneller Vorlauf zu unserer aktuellen Energie- und Umweltsituation: Wie Westar feststellt, wird Kohle „heute oft widerwillig als notwendiger Bestandteil unseres Energieportfolios akzeptiert. Während die politische Landschaft immer noch einige umfasst, die den Einsatz von Kohle feiern, sind mehr kritisch, und die Mehrheit vermeidet eine Haltung, wenn sie die Gelegenheit dazu hat. In Wirklichkeit ist Kohle ein notwendiges Element, wenn Amerika erschwinglichen, zuverlässigen Strom behalten will. Es ist unsere Aufgabe, die Kosten, die Umweltauswirkungen und die betriebliche Effektivität in Einklang zu bringen. Oft erfordert dieses Gleichgewicht Innovation und Partnerschaft. Die JEC Wetlands sind eine Geschichte von beidem.“

Westar sagt, dass fast 25% der ursprünglichen Kosten von JEC für Luftqualitätskontrollmaßnahmen ausgegeben wurden, einschließlich der ausschließlichen Verbrennung von schwefelarmer Kohle. Zu den jüngsten Umweltverbesserungen gehörte der Umbau und die Modernisierung der REA-Systeme aller drei Einheiten.

Die ursprünglichen Wäscher wurden entwickelt, um 60% der Schwefeldioxid (SO2) -Emissionen zu entfernen. Die neuen Kalksteinschlammwäscher wurden entwickelt, um 95% SO2 zu entfernen. Die Arbeiten an dem Projekt (von URS, mit Burns & McDonnell als Owner’s Engineer / Construction Management) begannen im dritten Quartal 2007 und wurden im zweiten Quartal 2009 abgeschlossen. Alle drei aktualisierten Wäscher sind in Betrieb und erfüllen oder übertreffen die Erwartungen an die Emissionsrate. Laut Westar reduziert das neue System die SO2-Emissionen um 97%. (Co-) Quecksilberemissionen wurden um mindestens 25% und Feinstaub um mindestens 20% reduziert.)

Die Installation des neuen Waschsystems löste den staatlichen Wasser-Antidegradationsstandard aus. Diese Anforderung führte zur Bewertung und Installation neuer Wasserregelungstechnologien für das REA-Abwasser. Vor der Installation des neuen Systems hatte Westar die Gülle entwässert, den Gips deponiert und nach der Klärung und Behandlung zur Entfernung von Quecksilber Wasser nach Lost Creek abgelassen.

Die Entladung des REA-Systems erforderte die Bewertung und Behandlung von Bestandteilen, die Sulfat, Selen, Quecksilber und Arsen enthalten. Westar hat sich mit dem Kansas Department of Health and Environment (KDHE) zusammengetan, um eine Vereinbarung zu treffen, die es dem Wäscherabwasser vorübergehend ermöglichte, nach Lost Creek abzuleiten, während Westar mögliche Behandlungsmethoden untersuchte.

Als die Ingenieure von Westar nach einer kostengünstigen Möglichkeit suchten, mit dem Abwasser umzugehen, entschieden sie sich für einen Ansatz, der Biologie und Chemie verbindet: ein konstruiertes Feuchtgebietsbehandlungssystem (CWTS).

Die beste Lösung finden

Bevor sich die Umwelt- und Ingenieurmitarbeiter von Westar mit Hilfe von Burns & McDonnell für das CWTS entschieden, erforschten sie eine Reihe innovativer Möglichkeiten, um die Entladung effektiv zu behandeln:

  • Unterirdische Tiefbrunneninjektion.
  • Prozess durch Fallfilmverdampfer und Kristallisator.
  • Prozess durch Umkehrosmose und Kristallisator.
  • Verfahren mit Fallfilmverdampfern, bei dem die Sole zur Konditionierung von Flugasche zur Entsorgung auf einer Deponie verwendet wird.
  • Behandlung mit Sulfatfällung und einem CWTS, wobei das Abwasser zur Wiederverwendung in die Anlage zurückgeführt wird.

Westar wollte den Abfluss mit der umweltfreundlichsten und kostengünstigsten Lösung behandeln. Die Analyse ergab, dass die kostengünstigste Alternative ein konstruiertes Feuchtgebiet in Kombination mit einer Sulfatfällungsvorbehandlung war (Tabelle 1).

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Tabelle 1. Behandlungsmöglichkeiten. Die Bewertung der geschätzten 15-jährigen Nettobarwertkosten technisch tragfähiger Alternativen ergab, dass ein konstruiertes Feuchtgebietsbehandlungssystem (CWTS) die beste Option war. Quelle: Westar Energy

Bei dem gewählten Verfahren würde das REA-Abwasser zunächst in einer herkömmlichen Kläranlage behandelt, um Sulfat zu entfernen. Dann würde es in den Feuchtgebietsprozess eingeführt, der für die Entfernung von Metallen entwickelt und gezielt wurde. Der Feuchtgebietsabfluss, der wirksam auf besorgniserregende Bestandteile behandelt wurde, könnte dann zur Wiederverwendung in die Anlage zurückgeführt werden.

Obwohl dies die kostengünstigste und umweltfreundlichste Lösung war, wurde ein konstruiertes Feuchtgebietssystem in dieser Anwendung nie verwendet und war nicht getestet.

Westar begann mit der Entwicklung eines Pilotsystems zur Nachahmung biologischer Prozesse in natürlichen Feuchtgebieten mit dem Endziel, ein umfassendes System einzusetzen.

Umweltgruppen an Bord holen

Der JEC-Standort ist seit langem ein besonderer Ort für Wildtiere und Menschen. Ungefähr 7.700 Hektar der insgesamt 10.500 Hektar des JEC sind für die Getreide- oder Heuproduktion gepachtet, und fast die gesamte Fläche ist für öffentliches Angeln, Jagen und Wandern geöffnet. Wasser aus dem Kansas River gepumpt füllt zwei Seen mit mehr als 600 Hektar für Pflanzen Make-up Wasser. Diese bieten einige der besten Angelmöglichkeiten des Staates in den warmen Monaten, und der größere See bietet Wasservogeljagd im Winter. Behindertengerechte Docks an beiden Seen und ein barrierefreier Wasservogelpark machen das Gebiet attraktiv für behinderte Enten- und Gänsejäger.

Zusätzlich wurde der Oregon Trail Nature Park für die öffentliche Nutzung auf dem Werksgelände in der Nähe des Oregon Trail errichtet, um die natürlichen Ökosysteme von Kansas zu präsentieren. Es umfasst zwei Teiche, drei Naturpfade, ein Schutzhaus und Picknickplätze.

Bevor das Versorgungsunternehmen mit dem Constructed Wetlands-Projekt ernst wurde, kontaktierte es das örtliche Sierra Club Chapter und Mitglieder von Friends of the Kaw, Kansas Riverkeeper. Die Absicht war, sie zu engagieren und zu erziehen, bevor die KDHE um Erlaubnis gebeten wurde, ihre Einleitungen vorübergehend für die experimentelle Pilotphase zu ändern. Westar stellt fest, dass diese lokalen Kapitel national aktiver Organisationen ein erhebliches Interesse an der Wasserqualität des Kansas River haben und ihre Unterstützung für die Genehmigung des Projekts von wesentlicher Bedeutung war.

Westar veranstaltete Bildungsreisen für die Gruppen, was dazu führte, dass sie diesen Behandlungsansatz als den umweltfreundlichsten unterstützten. Das Dienstprogramm aktualisierte auch die Gruppen zu den Testergebnissen während des gesamten Experiments. Als Westar sich an KDHE wandte, zeigte die bereits erhaltene Unterstützung dieser Umweltgruppen, dass der gewählte Ansatz angemessen war.

Pilotphase

Das zwei Hektar große Pilot-Feuchtgebietssystem zur Behandlung von etwa 10% des REA-Abwassers wurde im Dezember 2010 installiert. Es umfasste drei Zelltypen: freie Wasseroberflächenzellen, bewachsene Tauchbettzellen und vertikale Flussbettzellen (Abbildung 2). Wie Westar die Unterschiede beschreibt:

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2. Pilotphase. Das Pilot-Feuchtgebietssystem wurde im Dezember 2010 installiert und umfasste drei Zelltypen (von links nach rechts): freie Wasseroberflächenzellen, bewachsene Tauchbettzellen und vertikale Fließbettzellen. Freundlicher: Westar Energy

  • Freie Wasseroberflächenzellen funktionieren ähnlich wie ein permanent überfluteter Sumpf mit einer geringen Wassertiefe und einer Kombination von Wasserarten wie Rohrkolben, Rohrkolben, Seerose und Pfeilspitze.
  • Bewachsene untergetauchte Bettzellen funktionieren ähnlich wie ein vollständig gesättigter Sumpf mit hohem Grundwasserspiegel und Pflanzenarten wie Weidengras, Binnensalzgras und Seggen.
  • Vertikale Flussbettzellen ähneln bewachsenen untergetauchten Bettzellen, mit der Ausnahme, dass das einströmende Wasser gleichmäßig über die Oberfläche der Zelle aufgetragen wird, wodurch eine vertikale Infiltration anstelle einer horizontalen Strömung ermöglicht wird.

Wasser wurde durch gleich große Zellen in Reihe durch zwei parallele Züge übertragen, so dass jede Zelle auf individuelle Wirksamkeit überwacht werden konnte. Mit einer breiten Palette von Zielbestandteilen musste Westar die Stärken und Schwächen jeder Zelle verstehen, um ein umfassendes System zu entwickeln.

Die Pilotzellen wurden im Sommer 2010 konstruiert, Feuchtgebietsvegetationsstopfen wurden im November verpflanzt, und das Dienstprogramm erwartete, Behandlungsvorteile im Frühjahr 2011 zu sehen. Die Überwachung zeigte jedoch, dass Metalle sofort entfernt wurden, insbesondere in den Zellen, die dazu bestimmt waren, Ströme vertikal durch die Pflanzenwurzelzonen und Bodenschichten zu bewegen (die vertikalen Strömungsbettzellen).

Die Entfernung von Bestandteilen wurde im Frühjahr fortgesetzt, und die Pflanzen „explodierten, um die Feuchtgebietsfläche bis zum Sommer 2011 zu füllen“, so ein Westar-Bericht. Die Entfernungsraten für die verschiedenen Zelldesigns wurden mit denen für andere Behandlungen verglichen. Die Fakultät und die Studenten der Kansas State University haben sowohl Feld- als auch Laborarbeiten durchgeführt, um dem Dienstprogramm zu helfen, die Erfassungsmechanismen und -größen zu verstehen.

Insgesamt wurde gezeigt, dass 19 Bestandteile der Wasserqualität im Rahmen des Pilot-Feuchtgebietsprojekts wirksam behandelt wurden, darunter Selen, Quecksilber, Fluorid, Nitrat und Nitrit, die besorgniserregende Bestandteile sind. Die einzigen bedenklichen Bestandteile, die nicht wirksam behandelt wurden, waren Chlorid und Sulfat. Der Chloridgehalt war historisch niedrig genug, dass eine Behandlung nicht unbedingt erforderlich ist, während die Paarung der Feuchtgebiete mit einem gezielten Sulfatfällungsprozess den Mangel an Sulfatentfernung durch die Feuchtgebiete überwinden würde.

Westar und Burns & McDonnell bewerteten die endgültigen Behandlungsoptionen und kamen zu dem Schluss, dass umfassende Feuchtgebiete in Kombination mit einer zusätzlichen chemischen Entfernung von Salzen den wirtschaftlichsten und umweltfreundlichsten Ansatz darstellten. Die KDHE genehmigte diesen Plan im Sommer 2012.

Full-Scale Ahead

Mitte 2012 beschloss Westar, mit den Full-Scale-Feuchtgebieten fortzufahren. Bis 2013 war das Pilotprojekt das Testgelände, das zur Planung und zum Bau der großflächigen, 24 Hektar großen Feuchtgebiete führte. Das im Juli 2014 abgeschlossene Großprojekt behandelt nun 100% der Abwässer des Standorts (Abbildungen 3 und 4).

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3. Bau. Diese Aufnahme zeigt eine der Zellen im im Bau befindlichen großflächigen Feuchtgebiet. Die Zellen sind mit einem Verbundliner aus Ton und flexiblem HDPE-Membranliner ausgekleidet. Mit freundlicher Genehmigung: Westar Energy

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4. Blühendes Feuchtgebiet. Wasser, das aus dem Rauchgasentschwefelungssystem der Anlage geleitet wird, gelangt von unterhalb der Oberfläche in die Feuchtgebietszellen. Courtesy: Westar Energy

Die umfangreiche Pilotforschung führte zu einem optimierten Full-Scale-Design, bestehend aus zwei parallelen vertikalen Durchflusszellen (19,2 Acres kombiniert), gefolgt von zwei parallelen vegetativen Unterwasserzellen (4,5 Acres kombiniert). Diese Zelltypen erwiesen sich als am effektivsten bei der breit angelegten Entfernung von Zielbestandteilen.

Tests am Pilotsystem haben gezeigt, dass die Bestandteile im Boden der vertikalen Durchflusszellen eingeschlossen sind, und die Dimensionierung des Feuchtgebiets basiert auf der Menge der entfernten Bestandteile, die pro Bodenmasse gespeichert werden können. Sobald eine Zelle die Bestandteile nicht mehr entfernen und enthalten kann, kann der Boden entfernt und deponiert werden. Da jede Zelle synthetisch ausgekleidet ist, ist auch ein Verschluss möglich.

Das großflächige Feuchtgebiet wurde entworfen, um die Natur mit einer signifikanten Ausnahme nachzuahmen.

Während sich die vertikalen Durchflusszellen bei der Erfassung besorgniserregender Bestandteile als außergewöhnlich erwiesen, warf ihre Konzentration an der Oberfläche die Frage der Exposition für die unzähligen Arten von Wildtieren auf, die von dem Feuchtgebiet angezogen würden. Westar befürchtete, dass die gefangenen Bestandteile durch Wildtierbewegungen aus den Feuchtgebieten entfernt werden könnten.

Hohe Konzentrationen an der Oberfläche würden auch ein häufigeres Entfernen und Ersetzen der Pflanzen und der oberen Bodenschicht erfordern. Da das Wasser zwischen den Zellen gepumpt werden sollte, schlug Burns & McDonnell consultants vor, die Zellen vom Boden aus zu füllen und das behandelte Wasser an der Oberfläche für einen „Bottom-up“ -Ansatz zu sammeln. Dies löste beide Bedenken, indem es sich auf mehrere Meter unter der Oberfläche konzentrierte, Wildtiere schützte und den Wartungsaufwand erheblich reduzierte.

Die Vermeidung negativer Auswirkungen auf die Tierwelt war aufgrund der hohen Konzentrationen häufiger sowie einiger seltener Arten in der Region ein Problem. Die vom Aussterben bedrohte Seeschwalbe hat eine große Nistkolonie in der Nähe der Feuchtgebiete, und JEC enthält mehr als 7.000 Hektar, die der Öffentlichkeit zum Angeln und Jagen zugänglich sind und in Zusammenarbeit mit dem Kansas Department of Wildlife, Parks and Tourism verwaltet werden.

In einem Video über das System, das vom Versorgungsunternehmen produziert wurde, nennt Andy Evans, Westar Manager of Plant Support and Engineering, das CWTS „Engineering with nature.“ Brad Loveless, Executive Director von Environmental Services, erklärt, dass das Feuchtgebiet „auf natürlichen Merkmalen beruht, die seit Tausenden von Jahren bestehen.“

Mehrere Vorteile

Westar hat festgestellt, dass das CWTS im Vergleich zu Alternativen mehrere Vorteile bietet.

Eine natürliche „grüne“ Lösung. Das großflächige Feuchtgebiet nutzt verfügbare, natürlich vorkommende Böden, Pflanzenmaterialien und Bodenmikroben. Das Feuchtgebiet wird Energie von der Sonne aufnehmen und Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernen. Unter kontrollierten Bodenfeuchtigkeitsbedingungen kann jede Feuchtgebietszelle verwaltet werden, um die Wechselbeziehung von Bodenmikroben mit Pflanzenwurzeln zu verbessern, was die inhärente Fähigkeit des Systems erhöht und maximiert, anorganische Stoffe und Metalle, die in Wäscherabwässern vorkommen, chemisch zu verarbeiten, aufzunehmen und zu sequestrieren.

Energieeinsparung. Das großflächige Feuchtgebiet bietet erhebliche Einsparungen beim Energieverbrauch im Vergleich zu anderen Optionen wie dem Null-Flüssigkeitsaustrag oder der Tiefbrunneninjektion. Weniger Energieaufwand für Geräte und Prozesse bedeutet, dass den Kunden mehr Energie zur Verfügung steht. Das Feuchtgebiet macht beispielsweise weniger als 5% der jährlichen Energiekosten von Fallfilmverdampfern aus.

Eine nachhaltige Lösung. Konstruierte Feuchtgebietssysteme erfordern normalerweise mehr Landfläche als mechanische Behandlungssysteme (was bedeutet, dass sie nicht für alle Standorte geeignet sind) und eine Einwachszeit für die Entwicklung von Pflanzen, Wurzeln und Bodenmikroben. Sobald sie jedoch voll funktionsfähig sind, sind konstruierte Feuchtgebiete als „passive“ und dauerhafte nachhaltige Behandlungssysteme konzipiert. Sie erfordern im Vergleich zur mechanischen Behandlung sehr wenig Energie und Wartung und sind wirtschaftlicher in Betrieb und Wartung.

Eine soziale Lösung. Es wurde festgestellt, dass viele kritische Interessengruppen Feuchtgebiete und die einzigartigen Funktionen und Werte, die sie der Gesellschaft bieten, bevorzugen. Zum Beispiel fungieren Feuchtgebiete als biologische Filter, die dazu beitragen, Bäche, Flüsse, Teiche und Seen sauber zu halten. Sie bieten auch wertvollen Lebensraum für vielfältige Wildtiere.

Wasserschutz. Das Feuchtgebiet ermöglicht es, das aufbereitete Wasser zur Wiederverwendung in der Anlage zurückzugewinnen. (Für die wachsende Zahl von Kraftwerken auf der ganzen Welt, die mit Wasserverfügbarkeitsbeschränkungen konfrontiert sind, kann dies eine Lösung sein, die eine Überlegung wert ist.)

Günstige Wirtschaft. Es wird erwartet, dass das Feuchtgebietsbehandlungssystem über einen Zeitraum von 15 Jahren zu einem Nettobarwert von 40 Millionen US-Dollar im Vergleich zu alternativen Null-Flüssigkeits-Entladungsbehandlungen führen wird. Diese Einsparungen umfassen sowohl Kapital- als auch Betriebseinsparungen, von denen laut Westar die Kunden durch niedrigere Zinssätze profitieren werden.

Ein Modell für zukünftige Systeme

Westar hat seine Entwicklungsherausforderungen und -erfolge bereits durch zahlreiche Fachvorträge der Branche und Standortführungen für interessierte Versorgungsunternehmen geteilt. Auf diese Weise wird ein Modell eines alternativen Wasseraufbereitungsverfahrens für den Rest der Branche bereitgestellt, das sowohl eine verbesserte Leistung als auch deutlich niedrigere Kosten als andere Alternativen bietet. Beide Kennzahlen werden für fossile Kraftwerke immer wichtiger.

Obwohl standortspezifische Faktoren immer eine Rolle für die Durchführbarkeit alternativer Behandlungsansätze spielen, ist für Westar das Endergebnis klar: Die Gesamtkosten für das umfassende Feuchtgebietssystem und die Sulfatentfernung betrugen 36,2 Millionen US-Dollar.

Das Edison Electric Institute würdigte im Juni die Bedeutung des JEC CWTS, indem es dem Projekt seinen jährlichen Edison Award verlieh. POWER ist stolz darauf, sich dem Chor der Glückwünsche für Westar und seine Mitarbeiter mit unserem ersten Wasserpreis anzuschließen! Lob für innovatives Denken, ein Design, das keine Opfer bringt, effektive Stakeholder-Kommunikation und zeitnahe Umsetzung. ■

– Gail Reitenbach, PhD ist Herausgeber von POWER (@GailReit, @POWERmagazine).