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

POWER’ n ensimmäinen Vesipalkinto myönnetään laitokselle, joka kehitti innovatiivisen ratkaisun yhteiseen ongelmaan: savukaasujen rikinpoistoveden taloudelliseen ja ympäristövastuulliseen hävittämiseen.

PWR_080114_WaterAward_Splash

U. S. hiilivoimalat ovat havainneet, että niiden on noudatettava yhä tiukempia ympäristömääräyksiä, ja vaikka kukaan teollisuudenaloilla ei odota lisää sääntelytaakkaa, uudet säännöt voivat herättää uusia ajatuksia tutuista prosesseista, jotka johtavat odottamattomiin hyötyihin. Westar Energyn lähestymistapa parannetun savukaasujen rikinpoistojärjestelmän (FGD) jätevesien käsittelyyn on erinomainen esimerkki.

Kansasin Hiilikuningas

Westar Energy (Westar) on sijoittajien omistama sähköyhtiö, joka palvelee lähes 700 000 asiakasta Kansasin itä-ja itäosissa ja on osavaltion suurin energiantuottaja. Se omistaa tai ostaa sähköä kivihiilestä, maakaasusta, ydinvoimaloista, kaatopaikkakaasusta ja tuulivoimaloista. Westarin Jeffrey Energy Center (JEC) on yksi laivaston neljästä hiilivoimalasta; muut ovat LaCyne, Lawrence ja Tucumseh.

Koillis-Kansasissa St. Mary ’ sin lähellä sijaitsevan JEC: n omistavat Westar (92%) ja Great Plains Inc. (8%). Yksikkö 1 aloitti toimintansa vuonna 1978, yksikkö 2 Vuonna 1980 ja Yksikkö 3 Vuonna 1983. Voimala polttaa vähärikkistä kivihiiltä, ja Powder River Basin Coal Users’ Group nimesi sen vuonna 2003 vuoden voimalaksi.

Big Ideas from a Big Plant

At 1,857 MW, JEC is the largest power plant in Kansas (Kuva 1). Suuren koon mukana seuraa suuri valvonta, ja JEC on monien hiilivoimaloiden tavoin joutunut vuosien mittaan päivittämään ympäristöjärjestelmiään liittovaltion ja osavaltioiden säädösten mukaisiksi. JEC on myös esimerkki siitä, miten uudet energiaan liittyvät asiat nousevat ajan myötä yhteiskunnan huolenaiheiden kärkeen.

PWR_080114_WaterAward_Fig1

1. Tämä kuva, otettu kesäkuussa 2013, näyttää läheisyys rakennettu kosteikko (kehitteillä) kolmen yksikön Jeffrey Energy Center. Valmistunut kosteikko käsittelee nyt 100% 1 857 MW: n voimalan pesureiden jätevesistä taloudellisella ja ympäristöystävällisellä tavalla. Kohteliaisuus: Westar Energy

kertoessaan uudesta rakennetusta kosteikkojärjestelmästä Westar toteaa, että yksikön 1 vihkiäisissä silloinen varapresidentti Walter Mondale osoitti JEC: n edustavan tulevaisuuden energia-aaltoa. Tuolloin huomattavana parannuksena nähtiin siirtyminen öljykäyttöisestä tuotannosta-jolloin monet tehtaat turvautuivat tuontiöljyyn—kotimaiseen kivihiileen.

nopeasti eteenpäin nykyiseen Energia-ja ympäristötilanteeseemme: kuten Westar toteaa, hiili ”hyväksytään nykyään usein vastahakoisesti välttämättömäksi osaksi energiaportfoliotamme. Vaikka poliittisessa maisemassa on vielä muutama kivihiilen käyttöä juhliva, useampi on kriittinen, ja enemmistö välttelee kannanottoa, jos siihen annetaan mahdollisuus. Todellisuudessa hiili on välttämätön tekijä, jos Yhdysvallat aikoo säilyttää kohtuuhintaisen ja luotettavan sähkön. Meidän tehtävämme on tasapainottaa kustannukset, ympäristövaikutukset ja toiminnan tehokkuus. Tämä tasapaino edellyttää usein innovointia ja kumppanuutta. JEC wetlands on tarina molemmista.”

Westar sanoo, että lähes 25% JEC: n alkuperäisistä kustannuksista käytettiin ilmanlaadun valvontatoimenpiteisiin, muun muassa vähärikkisen hiilen polttamiseen yksinomaan. Viimeisimpien ympäristöpäivitysten joukossa oli kaikkien kolmen yksikön FGD-järjestelmien uudelleenrakentaminen ja päivittäminen.

alkuperäiset pesurit oli suunniteltu poistamaan 60% rikkidioksidipäästöistä (SO2). Uusien kalkkikivilietepesureiden tarkoituksena oli poistaa 95% SO2: sta. Urs: n (Burnsin & McDonnellin toimiessa omistajan insinöörinä/rakennushallinnossa) työt alkoivat vuoden 2007 kolmannella neljänneksellä ja valmistuivat vuoden 2009 toisella neljänneksellä. Kaikki kolme parannettua rikkipesuria ovat käytössä ja täyttävät tai ylittävät päästöodotukset. Westarin mukaan uusi järjestelmä vähentää SO2-päästöjä 97 prosenttia. (Yhteishyödylliset elohopeapäästöt vähenivät vähintään 25 prosenttia ja hiukkaspäästöt vähenivät vähintään 20 prosenttia.)

uuden pesurijärjestelmän asennus laukaisi valtion vedenestandardin. Tämä vaatimus johti tarpeeseen arvioida ja asentaa uusia VEDENSÄÄTÖTEKNIIKOITA FGD jäteveden. Ennen uuden järjestelmän asentamista Westar oli puhdistanut lietelantaa, kaatopaikalle kipsiä ja laskenut vettä Lost Creekiin elohopean poistokäsittelyn jälkeen.

FGD-järjestelmän purkaus edellytti sulfaatin, seleenin, elohopean ja arseenin sisältämien ainesosien arviointia ja käsittelyä. Westar teki yhteistyötä Kansas Department of Health and Environment (KDHE) kanssa saadakseen aikaan sopimuksen, joka väliaikaisesti salli pesurin jäteveden päästämisen Lost Creekiin samalla, kun Westar tutki mahdollisia hoitomenetelmiä.

kun westarin insinöörit etsivät kustannustehokasta tapaa käsitellä jätevettä, he päätyivät lähestymistapaan, joka yhdistää biologian ja kemian: rakennettuun kosteikkojen käsittelyjärjestelmään (Construction wetland treatment system, cwts).

parhaan istuvuuden löytäminen

ennen kuin Westarin ympäristö – ja insinöörityöntekijät päättivät CWTS: stä, he tutkivat palovammojen & McDonnellin avulla useita innovatiivisia tapoja hoitaa purkaus tehokkaasti:

  • maanalainen syväkaivon ruiskutus.
  • käsitellään putoavien kalvohaihduttimien ja kiteyttimen avulla.
  • prosessi käänteisosmoosin ja kiteyttimen avulla.
  • käsitellään putoavilla kalvohaihduttimilla käyttäen suolaliuosta lentotuhkan valmistamiseksi kaatopaikalle.
  • sulfaattisaostus ja CWTS-Puhdistus siten, että jätevedet lähetetään takaisin laitokseen uudelleenkäyttöä varten.

Westar halusi hoitaa päästön ympäristöystävällisimmällä ja edullisimmalla ratkaisulla. Analyysin mukaan edullisin vaihtoehto oli rakennettu kosteikko yhdistettynä sulfaatin saostuksen esikäsittelyyn (Taulukko 1).

PWR_080114_WaterAward_Table1

Taulukko 1. Hoitovaihtoehto. Teknisesti toteuttamiskelpoisten vaihtoehtojen arvioidut 15 vuoden nettonykyarvokustannukset osoittivat, että rakennettu kosteikkojen käsittelyjärjestelmä (cwts) oli paras vaihtoehto. Lähde: Westar Energy

valitussa prosessissa FGD-jätevedet käsiteltäisiin ensin perinteisessä jätevedenpuhdistamossa sulfaatin poistamiseksi. Sitten se otettaisiin osaksi kosteikkoprosessia, joka suunniteltiin ja kohdennettiin metallien poistoon. Kun kosteikkopäästöt on käsitelty tehokkaasti huolta aiheuttavien ainesosien osalta, ne voidaan palauttaa laitokseen uudelleenkäyttöä varten.

vaikka kyseessä oli edullisin ja ympäristöystävällisin ratkaisu, rakennettua kosteikkojärjestelmää ei ollut koskaan käytetty tässä sovelluksessa ja se oli testaamaton.

Westar aloitti kehittämällä luonnontilaisilla kosteikoilla esiintyviä biologisia prosesseja jäljittelevän pilottijärjestelmän, jonka lopullisena tavoitteena oli täysimittaisen järjestelmän käyttöönotto.

ympäristöryhmien saaminen alukselle

JEC-sivusto on pitkään ollut erityinen sekä villieläimille että ihmisille. Noin 7700 eekkeriä JEC: n 10500 eekkeriä on vuokrattu viljan-tai heinäntuotantoa varten, ja lähes koko tämä pinta-ala on avoinna julkista kalastusta, metsästystä ja retkeilyä varten. Kansas-joesta pumpattu vesi täyttää kaksi yli 600 hehtaarin kokoista järveä kasvien muodostamaa vettä varten. Ne tarjoavat joitakin osavaltion parhaista kalastusmahdollisuuksista lämpiminä kuukausina, ja suurempi järvi tarjoaa vesilintujen metsästystä talvella. Invalidien esteetön laituri molemmilla järvillä ja esteetön vesilintusuoja tekevät alueesta houkuttelevan invalidisorsan-ja hanhenmetsästäjille.

lisäksi Oregon Trailin luonnonpuisto rakennettiin yleiseen käyttöön Oregonin polun läheiselle kasvupaikalle esittelemään Kansasin luonnon ekosysteemejä. Siihen kuuluu kaksi lampea, kolme luontopolkua, suojamaja ja piknik-alueita.

ennen kuin utility vakavoitui rakennetun kosteikon hankkeeseen, se otti yhteyttä paikalliseen Sierra Club Chapteriin ja Friends of the Kaw ’ n jäseniin, Kansas Riverkeeperiin. Tarkoituksena oli sitouttaa ja kouluttaa niitä ennen kuin kdhe pyytää lupaa muuttaa päästöjään väliaikaisesti koeluonteista pilottivaihetta varten. Westar toteaa, että näillä valtakunnallisesti aktiivisten järjestöjen paikallisilla luvuilla on merkittävää kiinnostusta Kansasjoen vedenlaatuun, ja niiden tuki oli välttämätöntä hankkeen hyväksymiselle.

Westar järjesti ryhmille opetuskierroksia, joiden tuloksena he kannattivat tätä hoitomallia ympäristön kannalta järkevimpänä. Hyödyllisyys myös päivitti ryhmiä koetuloksista koko kokeilun ajan. Kun Westar lähestyi KDHE: tä, se, että hän oli jo saanut tukea näiltä ympäristöryhmiltä, auttoi osoittamaan, että valittu lähestymistapa oli asianmukainen.

pilottivaihe

kahden hehtaarin pilotti kosteikkojärjestelmä, jonka tarkoituksena on käsitellä noin 10% FGD: n jätevesistä, otettiin käyttöön joulukuussa 2010. Siihen kuului kolme solutyyppiä: vapaat veden pintasolut, kasvulliset vedenalaiset vuodesolut ja pystyvirtaussolut (kuva 2). Näin Westar kuvailee eroja:

PWR_080114_WaterAward_Fig2

2. Pilottivaihe. Pilot wetland system asennettiin joulukuussa 2010 ja siihen kuului kolme solutyyppiä (vasemmalta oikealle): vapaat vesikennot, kasvipeitteiset sukelluskennot ja pystyvirtauskennot. Kohteliaisuus: Westar Energy

  • vapaat veden pintasolukot toimivat samalla tavalla kuin pysyvästi tulviva suo, jossa on matala veden syvyys ja yhdistelmä vedessä eläviä lajeja, kuten kissapyrstöä, bulrushia, lumpetta ja nuolenkääpää.
  • kasvulliset vedenalaiset pohjasolut toimivat samalla tavalla kuin täysin kyllästynyt suo, jossa on korkea pohjavesi ja kasvilajeja, kuten kytkinruoho, sisävesiruoho ja sedgit.
  • pystysuuntaiset virtaussolut ovat samanlaisia kuin kasvipeitteiset sukellussolut, paitsi että saapuva vesi levitetään tasaisesti solun pinnalle, mikä mahdollistaa pystysuuntaisen tunkeutumisen vaakasuoran virtauksen sijaan.

vesi siirtyi samankokoisten solujen läpi sarjana kahden rinnakkaisen junan kautta, jolloin kunkin solun tehokkuutta voitiin seurata yksilöllisesti. Westarin oli ymmärrettävä jokaisen solun vahvuudet ja heikkoudet voidakseen suunnitella täysimittaisen järjestelmän.

koesolut rakennettiin kesällä 2010, kosteikkokasvillisuuden tulpat istutettiin marraskuussa ja hyötykasvillisuuden odotettiin alkavan nähdä hoidon hyötyjä keväällä 2011. Seuranta osoitti kuitenkin metallien poistuvan heti, erityisesti soluissa, jotka on suunniteltu liikuttamaan virtauksia pystysuunnassa kasvien juurivyöhykkeiden ja maakerrosten läpi (vertikaalivirtaussolut).

ainesosan poisto jatkui keväällä, ja kasvit ”räjähtivät täyttääkseen kosteikon pinta-alan kesään 2011 mennessä”, Westarin raportissa kerrotaan. Eri solumallien poistoasteita verrattiin muihin hoitoihin. Kansas State Universityn tiedekunta ja opiskelijat tekivät sekä kenttä-että lab-työtä auttaakseen hyödyllisyyttä ymmärtämään kaappausmekanismeja ja magnitudeja.

kaiken kaikkiaan 19 veden laadun osatekijää osoitettiin käsitellyn tehokkaasti pilottihankkeen aikana, mukaan lukien seleeni, elohopea, fluoridi, nitraatti ja nitriitti, jotka ovat huolestuttavia ainesosia. Ainoat huolestuttavat aineet, joita ei käsitelty tehokkaasti, olivat kloridi ja sulfaatti. Kloridipitoisuudet olivat historiallisesti niin alhaiset, ettei käsittelyä välttämättä tarvita, kun taas kosteikkojen yhdistäminen kohdennettuun sulfaattisadeprosessiin korjaisi sen, että kosteikot eivät poistaisi sulfaattia.

Westar ja Burns & McDonnell arvioivat lopullisia hoitovaihtoehtoja ja tulivat siihen tulokseen, että täysimittainen kosteikko yhdistettynä suolojen ylimääräiseen kemialliseen poistoon oli taloudellisin ja ympäristön kannalta suotuisin lähestymistapa. Kdhe hyväksyi suunnitelman kesällä 2012.

täysimittainen edessä

vuoden 2012 puolivälissä Westar päätti jatkaa täysimittaisen kosteikon parissa. Koko vuoden 2013 pilottihanke oli koekenttä, joka johti täysimittaisen, 24 hehtaarin rakennetun kosteikon suunnitteluun ja rakentamiseen. Heinäkuussa 2014 päättyneessä täysimittaisessa hankkeessa käsitellään nyt 100 prosenttia alueen jätevesipuhdistamon jätevesipäästöistä (kuvat 3 ja 4).

PWR_080114_WaterAward_Fig3

3. Rakenteilla. Kuvassa on yksi rakenteilla olevan kosteikon kennoista. Solut on vuorattu komposiittivuorauksella, joka koostuu savesta ja HDPE-joustavasta kalvovuorauksesta. Kohteliaisuus: Westar Energy

PWR_080114_WaterAward_Fig4

4. Kukoistava kosteikko. Laitoksen savukaasujen rikinpoistojärjestelmästä johdettava vesi tulee kosteikkosoluihin pinnan alta. Westar Energy

laaja pilottitutkimus johti optimaaliseen täysimittaiseen suunnitteluun, joka koostui kahdesta rinnakkaisesta pystysuuntaisesta virtaussolusta (19,2 eekkeriä yhteensä), joita seurasi sarjassa kaksi rinnakkaista kasvullista sukellussolua (4,5 eekkeriä yhteensä). Nämä solutyypit osoittautuivat tehokkaimmiksi kohde-aineosien laajapohjaisessa poistossa.

testaus pilottijärjestelmällä osoitti, että aineosat ovat juuttuneet pystysuuntaisten virtaussolujen maaperään, ja kosteikon mitoitus perustuu poistettujen aineosien määrään, joka voidaan varastoida maa-aineksen massaa kohti. Kun solu ei enää pysty poistamaan ja pidättämään aineosia, maa-aines voidaan poistaa ja sijoittaa kaatopaikalle. Koska jokainen solu on synteettisesti vuorattu, myös sulkeminen paikalleen on vaihtoehto.

täysimittainen kosteikko suunniteltiin jäljittelemään luontoa yhtä merkittävää poikkeusta lukuun ottamatta.

vaikka pystysuuntaiset virtaussolut osoittautuivat poikkeuksellisiksi vangitessaan huolta aiheuttavia aineksia, niiden pitoisuus pinnalla herätti kysymyksen kosteikon houkuttelemien lukemattomien villieläinlajien altistumisesta. Westar pelkäsi, että kiinniotetut Äänestäjät saatettaisiin siirtää pois kosteikoilta villieläinten liikkeiden kautta.

korkeat pitoisuudet pinnalta edellyttäisivät myös kasvien ja ylemmän maakerroksen tiheämpää poistamista ja vaihtoa. Koska vesi piti pumpata kennojen välillä, Burns & McDonnellin konsultit ehdottivat täyttämistä kennojen pohjasta ja käsitellyn veden keräämistä pinnalta ”alhaalta ylös” – lähestymistapaa varten. Tämä ratkaisi molemmat huolenaiheet keskittämällä aineosia useita metrejä pinnan alle, suojelemalla villieläimiä ja vähentämällä huomattavasti kunnossapitoa.

villieläimiin kohdistuvien kielteisten vaikutusten välttäminen oli huolestuttavaa, koska alueella oli runsaasti sekä yleisiä että joitakin harvinaisia lajeja. Uhanalaisella vähiten Ternillä on suuri pesimäyhdyskunta kosteikkojen lähellä, ja JEC sisältää yli 7000 eekkeriä, jotka ovat avoinna yleisölle kalastusta ja metsästystä varten ja joita hoidetaan yhteistyössä Kansasin Villieläinministeriön, puistojen ja matkailun kanssa.

sähkölaitoksen tuottamasta järjestelmästä kertovassa videossa Andy Evans, westarin plant support and engineering-yksikön johtaja, kutsuu CWTS: ää ”engineering with nature-järjestelmäksi.”Ympäristöpalveluiden toiminnanjohtaja Brad Loveless kertoo, että kosteikko ”nojaa luonnonpiirteisiin, jotka ovat jatkuneet jo tuhansia vuosia.”

Multiple Benefits

Westar on todennut, että CWTS tarjoaa useita etuja verrattuna vaihtoehtoihin.

Luonnollinen ”Vihreä” Ratkaisu. Täysimittaisessa kosteikossa hyödynnetään saatavilla olevaa, luonnossa esiintyvää maaperää, kasvimateriaaleja ja maaperän mikrobeja. Kosteikko ottaa talteen auringosta energiaa ja poistaa hiilidioksidia ilmakehästä. Kontrolloiduissa maaperän kosteusolosuhteissa jokainen kosteikkosolu voidaan hallita parantamaan maaperän mikrobien ja kasvien juurten välistä suhdetta, mikä lisää ja maksimoi järjestelmän luontaisen kyvyn kemiallisesti käsitellä, ottaa ja sitoa jätevesipesurin jätevesistä löytyviä epäorgaanisia ja metalleja.

Energiansäästö. Täysimittainen kosteikko säästää merkittävästi energiankulutusta verrattuna muihin vaihtoehtoihin, kuten nestepoistoon tai syväkaivon injektointiin. Vähemmän energiaa laitteisiin ja prosesseihin tarkoittaa enemmän energiaa on saatavilla asiakkaille. Esimerkiksi kosteikon osuus putoavien kalvohaihduttimien vuotuisista energiakustannuksista on alle 5 prosenttia.

Kestävä Ratkaisu. Rakennetut kosteikkojärjestelmät vaativat yleensä enemmän Maapinta-alaa kuin mekaaniset käsittelyjärjestelmät (eli ne eivät sovellu kaikille kasvupaikoille) ja kasvukauden kasvien, juurten ja maaperän mikrobien kehittymiselle. Kun kosteikot ovat täysin toimintakykyisiä, ne on kuitenkin suunniteltu ”passiivisiksi” ja pitkäkestoisiksi kestäviksi käsittelyjärjestelmiksi. Ne vaativat hyvin vähän energiaa ja huoltoa verrattuna mekaaniseen käsittelyyn ja ovat taloudellisempia käyttää ja ylläpitää.

Yhteiskunnallinen Ratkaisu. Monien kriittisten sidosryhmien havaittiin suosivan kosteikkoja ja niiden yhteiskunnalle tarjoamia ainutlaatuisia toimintoja ja arvoja. Esimerkiksi kosteikot toimivat biologisina suodattimina, jotka auttavat pitämään purot, joet, lammet ja järvet puhtaina. Ne tarjoavat myös arvokasta elinympäristöä erilaisille villieläimille.

Vesiensuojelu. Kosteikko mahdollistaa käsitellyn veden uudelleenkäytön laitoksella. (Veden saatavuusrajoituksista kärsivien voimaloiden kasvava määrä ympäri maailmaa voi olla harkinnan arvoinen ratkaisu.)

Suotuisa Taloustiede. Kosteikkojen käsittelyjärjestelmän odotetaan tuottavan 40 miljoonan dollarin nettonykyarvohyödyt 15 vuoden aikana verrattuna vaihtoehtoisiin nestepäästöjen nollakäsittelyihin. Säästöt sisältävät sekä pääoma-että käyttösäästöjä, jotka Westarin mukaan hyödyttävät asiakkaita alhaisempien korkojen kautta.

a Model for Future Systems

Westar on jo kertonut kehityshaasteistaan ja menestyksestään lukuisilla alan teknisillä esittelyillä ja kiinnostuneille yleishyödyllisille laitoksille suunnatuilla työmaakierroksilla. Se tekee niin tarjotakseen mallin muulle teollisuudenalalle vaihtoehtoisesta vedenkäsittelyprosessista, joka tarjoaa sekä paremman suorituskyvyn että huomattavasti alhaisemmat kustannukset kuin muut vaihtoehdot. Molemmat mittarit ovat yhä tärkeämpiä fossiilisia polttoaineita tuottaville yksiköille.

vaikka paikkasidonnaisilla tekijöillä on aina merkitystä vaihtoehtoisten hoitomenetelmien toteuttamiskelpoisuudelle, westarin kannalta lopputulos on selvä: täysimittaisen kosteikkojärjestelmän ja sulfaatin poiston kokonaiskustannukset olivat 36,2 miljoonaa dollaria.

Edison Electric Institute tunnusti kesäkuussa JEC CWTS: n merkityksen antamalla hankkeelle vuotuisen Edison-palkintonsa. POWER on ylpeä voidessaan liittyä westarin ja sen henkilökunnan onnittelukuoroon ensimmäisellä Water Award-Palkinnollamme! Kunnia innovatiivisesta ajattelusta, suunnittelusta, joka ei tee uhrauksia, tehokkaasta sidosryhmäviestinnästä ja oikea-aikaisesta toteutuksesta. ■

– Gail Reitenbach, PhD is Powerin toimittaja (@Gailreit, @POWERmagazine).