PREMIO DE AGUA: El Sistema de Tratamiento de Humedales construido del Jeffrey Energy Center

El primer Premio de Agua de POWER es para una planta que desarrolló una solución innovadora a un problema común: la eliminación económica y ambientalmente responsable de las aguas residuales de desulfuración de gases de combustión.

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estados UNIDOS las centrales eléctricas de carbón están descubriendo que necesitan cumplir con un número cada vez mayor de regulaciones ambientales estrictas, y aunque nadie en ninguna industria espera cargas regulatorias adicionales, las nuevas reglas pueden impulsar nuevas ideas sobre procesos familiares que resultan en beneficios inesperados. El enfoque de Westar Energy para el manejo de aguas residuales de su sistema mejorado de desulfuración de gases de combustión (FGD) es un ejemplo perfecto.

A Kansas Coal King

Westar Energy (Westar) es una empresa de servicios públicos propiedad de inversores que atiende a casi 700,000 clientes en el este y centro-este de Kansas y es el proveedor de energía más grande del estado. Posee o compra energía de carbón, gas natural, energía nuclear, gas de vertederos e instalaciones de generación eólica. El Jeffrey Energy Center de Westar (JEC) es una de las cuatro plantas de carbón de la flota; las otras son LaCyne, Lawrence y Tucumseh.

JEC, ubicada cerca de St. Mary’s, en el noreste de Kansas, es propiedad de Westar (92%) y Great Plains Inc. (8%). La Unidad 1 comenzó a funcionar en 1978, la Unidad 2 en 1980 y la Unidad 3 en 1983. La planta quema carbón con bajo contenido de azufre y fue reconocida por el Grupo de Usuarios de Carbón de la Cuenca del Río Powder en 2003 como la Planta del Año de ese grupo.

Grandes Ideas de una Planta grande

Con 1.857 MW, JEC es la planta de energía más grande de Kansas (Figura 1). Con un gran tamaño viene un gran escrutinio, y JEC, al igual que muchas plantas de carbón, ha tenido que actualizar sus sistemas ambientales a lo largo de los años para cumplir con las regulaciones federales y estatales. El JEC es también un ejemplo de cómo, con el tiempo, las nuevas cuestiones relacionadas con la energía pasan a ocupar el primer lugar en la lista de preocupaciones de la sociedad.

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1. Una instalación de planta no convencional Esta foto, tomada en junio de 2013, muestra la proximidad del humedal construido (en desarrollo) al Centro de Energía Jeffrey de tres unidades. El humedal terminado ahora trata el 100% de las aguas residuales de los depuradores de la planta de 1.857 MW de una manera económica y respetuosa con el medio ambiente. Cortesía: Westar Energy

En un perfil del nuevo sistema de humedales construidos, Westar señala que en la inauguración de la Unidad 1, el entonces Vicepresidente Walter Mondale señaló al JEC como representante de la ola de energía del futuro. En ese momento, el paso de la generación a base de petróleo-cuando muchas plantas dependían del petróleo importado—al carbón doméstico se consideraba y era una mejora importante.

Avance rápido a nuestra situación energética y medioambiental actual: Como señala Westar, el carbón «se acepta a regañadientes como parte necesaria de nuestra cartera de energía. Si bien el panorama político todavía incluye a unos pocos que celebran el uso del carbón, más son críticos y la mayoría evita una postura si se les da la oportunidad. En realidad, si Estados Unidos va a retener electricidad asequible y confiable, el carbón es un elemento necesario. Nuestro trabajo es equilibrar el costo, el impacto ambiental y la eficacia operativa. A menudo, ese equilibrio requiere innovación y asociación. Los humedales del JEC son una historia de ambos.»

Westar dice que casi el 25% del costo original de JEC se gastó en medidas de control de calidad del aire, incluida la quema de carbón con bajo contenido de azufre exclusivamente. Una de las mejoras ambientales más recientes fue la reconstrucción y actualización de los sistemas de DGF en las tres unidades.

Los depuradores originales fueron diseñados para eliminar el 60% de las emisiones de dióxido de azufre (SO2). Los nuevos depuradores de lodo de piedra caliza se diseñaron para eliminar el 95% del SO2. El trabajo en el proyecto (por URS, con Burns & McDonnell actuando como ingeniero propietario/gestión de la construcción) comenzó en el tercer trimestre de 2007 y se completó en el segundo trimestre de 2009. Los tres depuradores mejorados están en servicio y cumplen o superan las expectativas de tasa de emisión. Westar dice que el nuevo sistema ofrece una reducción del 97% en las emisiones de SO2. (Las emisiones de mercurio de beneficio conjunto se redujeron en al menos un 25%, y las partículas se redujeron en al menos un 20%.)

La instalación del nuevo sistema de lavado activó el estándar de antidegradación del agua del estado. Este requisito impulsó la necesidad de evaluación e instalación de nuevas tecnologías de control de agua para las aguas residuales de FGD. Antes de la instalación del nuevo sistema, Westar había estado deshidratando purines, vertiendo en vertederos el yeso y descargando agua al arroyo Perdido después de la clarificación y el tratamiento para la eliminación del mercurio.

La descarga del sistema FGD requirió evaluación y tratamiento de constituyentes que incluyen sulfato, selenio, mercurio y arsénico. Westar se asoció con el Departamento de Salud y Medio Ambiente de Kansas (KDHE) para establecer un acuerdo que permitió temporalmente que las aguas residuales del depurador se descargaran en Lost Creek mientras Westar investigaba posibles métodos de tratamiento.

A medida que los ingenieros de Westar buscaban una forma rentable de manejar las aguas residuales, optaron por un enfoque que combina biología y química: un sistema de tratamiento de humedales construido (CWTS).

Encontrar el mejor ajuste

Antes de que el personal de ingeniería y medio ambiente de Westar decidiera por los CWT, con la ayuda de Burns & McDonnell, investigaron una serie de formas innovadoras para tratar eficazmente la descarga:

  • Inyección de pozo profundo subterráneo.
  • Proceso a través de evaporadores de película descendente y cristalizadores.
  • Proceso a través de ósmosis inversa y cristalizador.
  • Proceso con evaporadores de película descendente, utilizando la salmuera para acondicionar las cenizas volantes para su eliminación en un vertedero in situ.
  • Tratamiento con precipitación de sulfato y un CWTS, con efluente de agua enviado de vuelta a la planta para su reutilización.

Westar quería tratar la descarga con la solución más ecológica y menos costosa. El análisis mostró que la alternativa de menor costo fue un humedal construido emparejado con un pretratamiento de precipitación de sulfato (Tabla 1).

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Tabla 1. Opciones de tratamiento. La evaluación de los costos estimados de valor actual neto a 15 años de las alternativas técnicamente viables mostró que la mejor opción era un sistema de tratamiento de humedales construido. Fuente: Westar Energy

En el proceso elegido, las aguas residuales FGD se tratarían primero en una planta de tratamiento de aguas residuales tradicional para eliminar el sulfato. Luego se introduciría en el proceso de humedales que fue diseñado y dirigido para la eliminación de metales. El vertido de humedales, después de haber sido tratado eficazmente para determinar los componentes de interés, podría ser devuelto a la planta para su reutilización.

Aunque esta era la solución menos costosa y más respetuosa con el medio ambiente, nunca se había utilizado un sistema de humedales construido en esta aplicación y no se había probado.

Westar comenzó desarrollando un sistema piloto para imitar los procesos biológicos que ocurren en humedales naturales, con el objetivo final de implementar un sistema a gran escala.

Incorporación de grupos Medioambientales

El sitio de JEC ha sido durante mucho tiempo especial tanto para la vida silvestre como para las personas. Aproximadamente 7,700 acres del total de 10,500 acres de JEC están arrendados para la producción de granos o heno, y casi toda esa superficie está abierta para la pesca, la caza y el senderismo públicos. El agua bombeada desde el río Kansas llena dos lagos que comprenden más de 600 acres para agua de maquillaje de plantas. Estos ofrecen una de las mejores pesquerías del estado durante los meses cálidos, y el lago más grande ofrece caza de aves acuáticas en invierno. Muelles accesibles para discapacitados en ambos lagos y una persiana accesible para aves acuáticas hacen que el área sea atractiva para los cazadores de patos y gansos discapacitados.

Además, el Parque Natural del Sendero de Oregón fue construido para uso público en el sitio de la planta cerca del Sendero de Oregón para mostrar los ecosistemas naturales de Kansas. Incluye dos estanques, tres senderos naturales, una casa de refugio y áreas de picnic.

Antes de que la empresa de servicios públicos se tomara en serio el proyecto de humedales construidos, se puso en contacto con la sección local del Sierra Club y con miembros de Friends of the Kaw, Kansas Riverkeeper. La intención era involucrarlos y educarlos antes de solicitar permiso al KDHE para modificar temporalmente sus descargas para la fase piloto experimental. Westar señala que estos capítulos locales de organizaciones activas a nivel nacional tienen un interés significativo en la calidad del agua del río Kansas, y su apoyo fue esencial para la aprobación del proyecto.

Westar organizó giras educativas para los grupos, lo que resultó en su apoyo a este enfoque de tratamiento como el más ambientalmente racional. La utilidad también actualizó los grupos sobre los resultados de los ensayos a lo largo del experimento. Cuando Westar se puso en contacto con KDHE, el hecho de haber obtenido ya el apoyo de estos grupos ecologistas ayudó a demostrar que el enfoque elegido era apropiado.

Fase piloto

El sistema piloto de humedales de dos acres, diseñado para tratar aproximadamente el 10% de las aguas residuales de la DGF, se instaló en diciembre de 2010. Incluía tres tipos de células: células de superficie de agua libre, células de lecho sumergido con vegetación y células de lecho de flujo vertical (Figura 2). Como Westar describe las diferencias:

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2. Fase piloto. El sistema piloto de humedales se instaló en diciembre de 2010 e incluyó tres tipos de celdas (de izquierda a derecha): celdas de superficie libre de agua, celdas de lecho sumergido con vegetación y celdas de lecho de flujo vertical. Cortesía: Westar Energy

  • Las células de superficie de agua libre funcionan de manera similar a un pantano permanentemente inundado, con una profundidad de agua poco profunda y una combinación de especies acuáticas como la cola de gato, el junco, el nenúfar y la punta de flecha.
  • Las celdas de lecho sumergido con vegetación funcionan de manera similar a un pantano completamente saturado con altos niveles de agua subterránea y especies de plantas como pasto interruptor, pasto salino interior y juncias.
  • Las celdas de lecho de flujo vertical son similares a las celdas de lecho sumergido con vegetación, excepto que el agua entrante se aplica uniformemente sobre la superficie de la celda, lo que permite la infiltración vertical en lugar del flujo horizontal.

El agua se transfirió a través de celdas de igual tamaño en serie a través de dos trenes paralelos, lo que permitió controlar la eficacia individual de cada celda. Con una amplia gama de componentes objetivo, Westar necesitaba comprender las fortalezas y debilidades de cada célula para diseñar un sistema a gran escala.

Las celdas piloto se construyeron en el verano de 2010, se trasplantaron tapones de vegetación de humedales en noviembre y se espera que la empresa de servicios públicos comience a ver beneficios del tratamiento en la primavera de 2011. Sin embargo, el monitoreo mostró la eliminación de metales de inmediato, especialmente en aquellas celdas diseñadas para mover flujos verticalmente a través de las zonas de raíces de las plantas y las capas del suelo (las celdas de lecho de flujo vertical).

La eliminación de componentes continuó en primavera ,y las plantas «explotaron para llenar la superficie del humedal en el verano de 2011», según un informe de Westar. Las tasas de eliminación de los diversos diseños celulares se compararon con las de otros tratamientos. Los profesores y estudiantes de la Universidad Estatal de Kansas hicieron trabajo de campo y de laboratorio para ayudar a la empresa a comprender los mecanismos de captura y las magnitudes.

En general, se demostró que 19 componentes de la calidad del agua habían sido tratados eficazmente mediante el proyecto piloto de humedales, incluidos el selenio, el mercurio, el fluoruro, el nitrato y el nitrito, que son componentes preocupantes. Los únicos componentes preocupantes que no se trataron eficazmente fueron el cloruro y el sulfato. Los niveles de cloruro fueron históricamente lo suficientemente bajos como para que el tratamiento no sea necesariamente necesario, mientras que el emparejamiento de los humedales con un proceso de precipitación de sulfato dirigido superaría la falta de eliminación de sulfato por parte de los humedales.

Westar y Burns & McDonnell evaluaron las opciones de tratamiento final y llegaron a la conclusión de que los humedales a gran escala combinados con alguna eliminación química suplementaria de sales presentaban el enfoque más económico y ambientalmente benigno. El KDHE aprobó este plan en el verano de 2012.

A gran escala por delante

A mediados de 2012, Westar decidió continuar con los humedales a gran escala. Hasta 2013, el proyecto piloto fue el campo de pruebas que llevó al diseño y construcción de los humedales construidos a gran escala de 24 acres. Ese proyecto a gran escala, completado en julio de 2014, ahora trata el 100% de la descarga de aguas residuales del depurador del sitio (Figuras 3 y 4).

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3. En construcción. Esta toma muestra una de las celdas en el humedal a gran escala en construcción. Las celdas están revestidas con un revestimiento compuesto de arcilla y revestimiento de membrana flexible de HDPE. Cortesía: Westar Energy

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4. Un humedal próspero. El agua del sistema de desulfuración de gases de combustión en la planta ingresa a las células del humedal desde debajo de la superficie. Cortesía: Westar Energy

La extensa investigación piloto condujo a un diseño optimizado a gran escala que consta de dos celdas de flujo vertical paralelas (19,2 acres combinados) seguidas en serie por dos celdas sumergidas vegetativas paralelas (4,5 acres combinados). Estos tipos de células demostraron ser los más eficaces en la eliminación de base amplia de los constituyentes diana.

Las pruebas realizadas en el sistema piloto demostraron que los componentes están atrapados en el suelo de las celdas de flujo verticales, y el tamaño del humedal se basa en la cantidad de componentes eliminados que pueden almacenarse por masa de suelo. Una vez que una célula ya no es capaz de eliminar y contener los componentes, el suelo puede eliminarse y depositarse en vertederos. Como cada celda está forrada sintéticamente, el cierre en su lugar también es una opción.

El humedal a gran escala se diseñó para imitar la naturaleza, con una excepción significativa.

Si bien las celdas de flujo vertical demostraron ser excepcionales en la captura de constituyentes preocupantes, su concentración en la superficie planteó la cuestión de la exposición de la miríada de especies de vida silvestre que serían atraídas por el humedal. A Westar le preocupaba que los constituyentes capturados pudieran alejarse de los humedales a través de movimientos de vida silvestre.

Las altas concentraciones en la superficie también requerirían una eliminación y sustitución más frecuentes de las plantas y de la capa superior del suelo. Dado que el agua debía bombearse entre las celdas, Burns & McDonnell consultants sugirió llenar desde el fondo de las celdas y recoger el agua tratada en la superficie para un enfoque «de abajo hacia arriba». Esto resolvió ambas preocupaciones al concentrar los componentes varios pies por debajo de la superficie, proteger la vida silvestre y reducir en gran medida el mantenimiento.

Evitar los efectos negativos en la vida silvestre fue una preocupación debido a las altas concentraciones de especies comunes y algunas poco comunes en el área. El Charrán Menor en peligro de extinción tiene una gran colonia de anidación cerca de los humedales, y JEC contiene más de 7,000 acres abiertos al público para la pesca y la caza y administrados en cooperación con el Departamento de Vida Silvestre, Parques y Turismo de Kansas.

En un video sobre el sistema producido por la empresa de servicios públicos, Andy Evans, gerente de ingeniería y soporte de planta de Westar, llama a los CWT «ingeniería con naturaleza. Brad Loveless, director ejecutivo de servicios ambientales, explica que el humedal «se basa en características naturales que han existido durante miles de años.»

Múltiples beneficios

Westar ha descubierto que el CWTS ofrece múltiples beneficios en comparación con las alternativas.

Una Solución «Verde» Natural. El humedal a gran escala utiliza suelo natural, materiales vegetales y microbios del suelo disponibles. El humedal captará la energía del sol y eliminará el dióxido de carbono de la atmósfera. Bajo condiciones controladas de humedad del suelo, cada célula de humedal se puede manejar para mejorar la interrelación de los microbios del suelo con las raíces de las plantas, lo que aumenta y maximiza la capacidad inherente del sistema para procesar, absorber y secuestrar químicamente los inorgánicos y los metales que se encuentran en los efluentes de aguas residuales del depurador.

Ahorro de energía. El humedal a gran escala proporciona ahorros significativos en el uso de energía en comparación con otras opciones, como la descarga de líquido cero o la inyección de pozos profundos. Menos energía gastada en equipos y procesos significa que hay más energía disponible para los clientes. El humedal, por ejemplo, representa menos del 5% de los costes energéticos anuales que requieren los evaporadores de película descendente.

Una Solución Sostenible. Los sistemas de humedales construidos normalmente requieren más superficie de tierra que los sistemas de tratamiento mecánico (lo que significa que no serán apropiados para todos los sitios) y un período de crecimiento para el desarrollo de plantas, raíces y microbios del suelo. Sin embargo, una vez que son plenamente funcionales, los humedales construidos están diseñados para ser sistemas de tratamiento «pasivos» y sostenibles de larga duración. Requieren muy poca energía y mantenimiento en comparación con el tratamiento mecánico y son más económicos de operar y mantener.

Una Solución Social. Se comprobó que muchos interesados críticos preferían los humedales y las funciones y valores únicos que proporcionan a la sociedad. Por ejemplo, los humedales funcionan como filtros biológicos que ayudan a mantener limpios los arroyos, ríos, estanques y lagos. También proporcionan un hábitat valioso para la fauna diversa.

Conservación del agua. El humedal permite recuperar el agua tratada para reutilizarla en la planta. (Para el creciente número de centrales eléctricas en todo el mundo que se enfrentan a limitaciones de disponibilidad de agua, esta puede ser una solución que valga la pena considerar.)

Economía favorable. Se espera que el sistema de tratamiento de humedales genere beneficios netos por valor actual de 40 millones de dólares en 15 años en comparación con los tratamientos alternativos de descarga cero de líquidos. Este ahorro incluye tanto el capital como los ahorros operativos que, según Westar, beneficiarán a los clientes a través de tarifas más bajas.

Un modelo para Sistemas futuros

Westar ya ha compartido sus desafíos y éxitos de desarrollo a través de numerosas presentaciones técnicas de la industria y visitas a sitios para empresas de servicios públicos interesadas. Lo hace para proporcionar un modelo de proceso de tratamiento de agua alternativo para el resto de la industria que ofrezca un mejor rendimiento y costos significativamente más bajos que otras alternativas. Ambas métricas son cada vez más importantes para las unidades generadoras de combustibles fósiles.

Aunque los factores específicos del sitio siempre desempeñan un papel en la viabilidad de enfoques de tratamiento alternativos, para Westar, el resultado final es claro: los costos totales cargados del sistema de humedales a gran escala y la eliminación de sulfato fueron de 36,2 millones de dólares.

El Edison Electric Institute reconoció la importancia de los CWT de JEC en junio al otorgar su Premio anual Edison al proyecto. POWER se enorgullece de unirse al coro de felicitaciones para Westar y su personal con nuestro primer Premio de Agua. Felicitaciones por el pensamiento innovador, un diseño que no hace sacrificios, una comunicación efectiva con las partes interesadas y una implementación oportuna. ■

– Gail Reitenbach, PhD es la editora de POWER (@GailReit, @POWERmagazine).