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

a POWER’ s first Water Award egy olyan üzemnek jár, amely innovatív megoldást fejlesztett ki egy közös problémára: a füstgáz kéntelenítő szennyvíz gazdaságos és környezettudatos ártalmatlanítására.

PWR_080114_WaterAward_Splash

U. S. a szénerőműveknek egyre több szigorú környezetvédelmi előírásnak kell megfelelniük, és bár egyetlen iparágban senki sem várja a további szabályozási terheket, az új szabályok új gondolkodásra késztethetik az ismerős folyamatokat, amelyek váratlan előnyökkel járnak. A Westar Energy megközelítése a szennyvíz kezelésére a továbbfejlesztett füstgáz-kéntelenítő (FGD) rendszerből tökéletes példa.

a Kansas Coal King

Westar Energy (Westar) egy befektető tulajdonában lévő közmű, amely közel 700 000 ügyfelet szolgál ki Kansas keleti és Kelet-középső részén, és az állam legnagyobb energiaszolgáltatója. A szén, a földgáz, a nukleáris, a hulladéklerakó gáz és a széltermelő létesítmények tulajdonában van vagy vásárol energiát. A Westar Jeffrey Energy Center (JEC) egyike a flotta négy széntüzelésű erőművének; a többiek LaCyne, Lawrence és Tucumseh.

JEC, St. Mary ‘ s közelében, Kansas északkeleti részén, a Westar (92%) és a Great Plains Inc tulajdonában van. (8%). Az 1. egység 1978-ban, a 2.egység 1980-ban, a 3. egység pedig 1983-ban kezdte meg működését. Az üzem alacsony kéntartalmú szenet éget, és a Powder River Basin Coal Users’ Group 2003-ban elismerte a csoport év üzemének.

nagy ötletek egy nagy erőműből

1857 MW-nál a JEC Kansas legnagyobb erőműve (1.ábra). A nagy méret nagy ellenőrzéssel jár, és a JEC-nek, mint sok szénerőműnek, az évek során frissítenie kellett környezetvédelmi rendszereit, hogy megfeleljen a szövetségi és állami előírásoknak. A JEC arra is példa, hogy az idővel az energiával kapcsolatos új kérdések hogyan kerülnek a társadalmi aggodalmak listájának élére.

PWR_080114_WaterAward_Fig1

1. Ez a 2013 júniusában készült fotó a megépített vizes élőhely (fejlesztés alatt) közelségét mutatja A három egységből álló Jeffrey Energy Centerhez. Az elkészült vizes élőhely most az 100%-ban az 1,857 MW-os üzem mosógépeiből származó szennyvíz gazdaságos és környezetbarát módon kezeli. Udvariasság: Westar Energy

az új épített vizes élőhelyek rendszerének profiljában Westar megjegyzi, hogy az 1.egység felszentelésekor Walter Mondale akkori alelnök rámutatott a JEC-re, mint amely a jövő energiahullámát képviseli. Abban az időben az olajtüzelésű termelésről-amikor sok üzem importált olajra támaszkodott—a hazai szénre való áttérést jelentős javulásnak tekintették.

gyors előre a jelenlegi energia-és környezeti helyzetünkhöz: ahogy Westar megjegyzi, a szén “ma már gyakran kérlelhetetlenül elfogadott az energiaportfóliónk szükséges részeként. Míg a politikai környezetben még mindig vannak néhányan, akik a szén felhasználását ünneplik, több kritikus, és a többség elkerüli az álláspontot, ha lehetőséget kap. A valóságban, ha Amerika meg akarja tartani a megfizethető, megbízható villamos energiát, a szén szükséges elem. A mi feladatunk, hogy egyensúlyba hozzuk a költségeket, a környezeti hatásokat és a működési hatékonyságot. Ez az egyensúly gyakran innovációt és partnerséget igényel. A JEC vizes élőhelyek mindkettő története.”

Westar azt mondja, hogy a JEC eredeti költségének Közel 25%-át levegőminőség-ellenőrzési intézkedésekre fordították, beleértve az alacsony kéntartalmú szén elégetését. A legutóbbi környezetvédelmi fejlesztések között szerepelt az FGD rendszerek újjáépítése és korszerűsítése mindhárom egységen.

az eredeti súrolókat úgy tervezték, hogy eltávolítsák a kén-dioxid (SO2) kibocsátásának 60% – át. Az új mészkő iszapmosókat úgy tervezték, hogy eltávolítsák az SO2 95% – át. A projekt munkálatai (az URS által, Burns & McDonnell tulajdonosmérnökként/építésvezetőként) 2007 harmadik negyedévében kezdődtek és 2009 második negyedévében fejeződtek be. Mindhárom korszerűsített gázmosó üzemel, és teljesíti vagy meghaladja a kibocsátási elvárásokat. Westar szerint az új rendszer 97% – kal csökkenti az SO2-kibocsátást. (A Co-benefit higanykibocsátás legalább 25% – kal, a szálló por pedig legalább 20% – kal csökkent.)

az új súroló rendszer telepítése kiváltotta az állami víz lebontás elleni szabványt. Ez a követelmény szükségessé tette az FGD szennyvíz új vízszabályozási technológiáinak értékelését és telepítését. Az új rendszer telepítése előtt Westar a hígtrágyát víztelenítette, a gipszet lerakta, és a higany eltávolítása után a vizet a Lost Creekbe ürítette.

az FGD rendszer kisülése szükségessé tette a szulfátot, szelént, higanyt és arzént tartalmazó összetevők értékelését és kezelését. A Westar együttműködött a Kansas Egészségügyi és környezetvédelmi Minisztériumával (KDHE), hogy megállapodást kössön, amely ideiglenesen lehetővé tette a mosó szennyvíz elvezetését a Lost Creekbe, míg a Westar megvizsgálta a kezelés lehetséges módszereit.

amikor a Westar mérnökei a szennyvíz kezelésének költséghatékony módját keresték, a biológia és a kémia ötvözésével egy olyan megközelítést alkalmaztak, amely egy épített vizes élőhely-kezelő rendszer (cwts).

a legjobb illeszkedés megtalálása

mielőtt a Westar környezetvédelmi és mérnöki munkatársai döntöttek volna a CWTS-ről, égési sérülések segítségével & McDonnell, számos innovatív módszert kutattak a mentesítés hatékony kezelésére:

  • földalatti mély kút injekció.
  • folyamat leeső film elpárologtatókon és kristályosítón keresztül.
  • folyamat fordított ozmózissal és kristályosítóval.
  • eljárás lehulló fóliapárlókkal, a sóoldat felhasználásával a pernye kondicionálása a helyszíni hulladéklerakóban történő ártalmatlanítás céljából.
  • kezelés szulfát kicsapással és CWTS-sel, az elfolyó víz visszajuttatásával az üzembe újrafelhasználás céljából.

Westar akarta kezelni a mentesítés a leginkább környezetbarát és legkevésbé költséges megoldás. Az elemzés azt mutatta, hogy a legalacsonyabb költségű alternatíva egy megépített vizes élőhely volt, szulfát-Csapadék előkezeléssel párosítva (1.táblázat).

PWR_080114_WaterAward_Table1

táblázat 1. Kezelési lehetőségek. A műszakilag életképes alternatívák becsült 15 éves nettó jelenérték-költségeinek értékelése azt mutatta, hogy a megépített vizes élőhelyek kezelési rendszere (cwts) volt a legjobb megoldás. Forrás: Westar Energy

a választott eljárás során az FGD szennyvizet először egy hagyományos szennyvíztisztító telepen kezelik a szulfát eltávolítása érdekében. Ezután bevezetnék a vizes élőhelyek folyamatába, amelyet a fémek eltávolítására terveztek és céloztak meg. A vizes élőhelyek kibocsátását, miután hatékonyan kezelték az aggodalomra okot adó alkotóelemeket, ezt követően újrafelhasználás céljából vissza lehet juttatni az üzembe.

bár ez volt a legolcsóbb és leginkább környezetbarát megoldás, egy épített vizes rendszert soha nem használtak ebben az alkalmazásban, és nem volt tesztelve.

a Westar egy kísérleti rendszer kifejlesztésével kezdte, hogy utánozza a természetes vizes élőhelyeken előforduló biológiai folyamatokat, azzal a végső céllal, hogy teljes körű rendszert telepítsen.

környezetvédelmi csoportok felvétele a fedélzetre

a JEC helyszíne régóta különleges mind a vadon élő állatok, mind az emberek számára. Körülbelül 7700 hektár JEC összesen 10 500 hektárt bérelnek gabona-vagy szénatermelésre, és szinte az összes terület nyitva áll a nyilvános Halászat, Vadászat és Túrázás számára. A Kansas folyóból szivattyúzott víz két tavat tölt be, amelyek több mint 600 hektárt tartalmaznak a növényi sminkvíz számára. Ezek biztosítják az állam legjobb halászatát a meleg hónapokban, a nagyobb tó pedig télen vízimadarak vadászatát kínálja. A mozgáskorlátozottak számára hozzáférhető dokkok mind a tavaknál, mind a hozzáférhető vízimadarak vakja vonzóvá teszi a területet a fogyatékkal élő kacsa-és libavadászok számára.

ezenkívül az Oregon Trail Nature parkot nyilvános használatra építették az Oregon Trail közelében lévő növényterületen, hogy bemutassák Kansas természetes ökoszisztémáit. Két tavat, három tanösvényt, egy menedékházat és piknikterületet tartalmaz.

mielőtt a közmű komolyan vette az épített vizes élőhelyek projektet, felvette a kapcsolatot a helyi Sierra Club fejezetével és a Kaw barátai, Kansas Riverkeeper tagjaival. A szándék az volt, hogy bevonják és oktatják őket, mielőtt engedélyt kérnének a KDHE-től a kibocsátások ideiglenes módosítására a kísérleti kísérleti szakaszra. Westar megjegyzi, hogy az országosan aktív szervezetek ezen helyi fejezetei jelentős érdeklődést mutatnak a Kansas folyó vízminősége iránt, támogatásuk elengedhetetlen volt a projekt jóváhagyásához.

a Westar oktatási túrákat szervezett a csoportok számára, amelyek eredményeként támogatták ezt a kezelési megközelítést, mint a leginkább környezetkímélő. A segédprogram a kísérleti eredmények csoportjait is frissítette a kísérlet során. Amikor Westar megkereste a KDHE-t, miután már támogatást kapott ezektől a környezetvédelmi csoportoktól, segített bizonyítani, hogy a választott megközelítés megfelelő volt.

kísérleti szakasz

a két hektáros kísérleti vizes rendszert, amelyet az FGD szennyvíz nagyjából 10%-ának kezelésére terveztek, 2010 decemberében telepítették. Három sejttípust tartalmazott: szabad vízfelszíni sejteket, vegetált víz alatti ágysejteket és függőleges áramlású ágysejteket (2.ábra). Ahogy Westar leírja a különbségeket:

PWR_080114_WaterAward_Fig2

2. Kísérleti szakasz. A kísérleti vizes élőhely-rendszert 2010 decemberében telepítették, és három sejttípust tartalmazott (balról jobbra): szabad vízfelszíni cellákat, vegetált víz alatti ágycellákat és függőleges áramlású ágycellákat. Udvariasság: Westar Energy

  • a szabad vízfelszíni sejtek a tartósan elárasztott mocsárhoz hasonló módon működnek, sekély vízmélységgel és olyan vízi fajok kombinációjával, mint a gyékény, a gyékény, a tavirózsa és a nyílhegy.
  • a vegetált víz alatti ágyas sejtek hasonlóan működnek, mint a teljesen telített mocsár, magas talajvízszinttel és növényfajokkal, mint például a váltófű, a szárazföldi sós fű és a sás.
  • a függőleges áramlású ágysejtek hasonlóak a vegetált víz alatti ágysejtekhez, azzal a különbséggel, hogy a bejövő vizet egyenletesen alkalmazzák a sejt felületén, lehetővé téve a függőleges beszivárgást a vízszintes áramlás helyett.

a vizet egyenlő méretű cellákon keresztül, egymás után, két párhuzamos vonaton keresztül juttattuk át, lehetővé téve az egyes cellák egyedi hatékonyságának ellenőrzését. A célösszetevők széles skálájával a Westarnak meg kellett értenie az egyes sejtek erősségeit és gyengeségeit egy teljes körű rendszer megtervezéséhez.

a kísérleti cellákat 2010 nyarán építették fel, a vizes élőhelyek vegetációs dugóit novemberben ültették át, és a segédprogram várhatóan 2011 tavaszán kezdi meg a kezelés előnyeit. A monitorozás azonban azonnal kimutatta a fémek eltávolítását, leginkább azokban a sejtekben, amelyeket úgy terveztek, hogy függőlegesen mozgatják az áramlásokat a növényi gyökérzónákon és a talajrétegeken (a függőleges áramlású ágyas sejtek).

az alkotóelemek eltávolítása tavasszal folytatódott, és a növények “felrobbantak, hogy 2011 nyarára kitöltsék a vizes területet”, a Westar jelentése szerint. A különböző sejtminták eltávolítási arányát összehasonlítottuk más kezelések eltávolítási arányaival. A Kansas State University oktatói és hallgatói mind terepi, mind laboratóriumi munkát végeztek, hogy segítsék a segédprogramot a befogási mechanizmusok és nagyságrendek megértésében.

összességében kimutatták, hogy a kísérleti vizes élőhelyprojekt során 19 vízminőségi összetevőt kezeltek hatékonyan, beleértve a szelént, a higanyt, a fluoridot, a nitrátot és a nitrit, amelyek aggodalomra adnak okot. Az egyetlen aggodalomra okot adó összetevő, amelyet nem kezeltek hatékonyan, a klorid és a szulfát volt. A kloridszint történelmileg elég alacsony volt ahhoz, hogy a kezelés nem feltétlenül szükséges, míg a vizes élőhelyek célzott szulfát-kicsapódási eljárással történő párosítása leküzdené a vizes élőhelyek szulfát-eltávolításának hiányát.

Westar és Burns & McDonnell értékelte a végső kezelési lehetőségeket, és arra a következtetésre jutott, hogy a teljes vizes élőhelyek és a sók kiegészítő kémiai eltávolítása a leggazdaságosabb és környezetvédelmi szempontból jóindulatú megközelítés. A KDHE 2012 nyarán jóváhagyta ezt a tervet.

teljes körű előre

2012 közepén a Westar úgy döntött, hogy folytatja a teljes körű vizes élőhelyeket. 2013-ig a kísérleti projekt volt a tesztpálya, amely a teljes körű, 24 hektáros vizes élőhelyek tervezéséhez és építéséhez vezetett. Ez a 2014 júliusában befejezett teljes körű projekt most a telephely mosó szennyvízkibocsátásának 100% – át kezeli (3.és 4. ábra).

PWR_080114_WaterAward_Fig3

3. Építés alatt. Ez a felvétel az építés alatt álló teljes vizes élőhely egyik celláját mutatja. A sejtek agyagból és HDPE rugalmas membránbélésből álló kompozit béléssel vannak bélelve. Forrás: Westar Energy

PWR_080114_WaterAward_Fig4

4. Virágzó vizes élőhely. Az üzem füstgáz-kéntelenítő rendszeréből távozó víz a felszín alatt jut be a vizes élőhely sejtjeibe. Jóvoltából: Westar Energy

a kiterjedt kísérleti kutatás egy optimalizált, teljes körű tervezéshez vezetett, amely két párhuzamos függőleges áramlási cellából (19,2 hektár együttesen) állt, amelyet két párhuzamos vegetatív víz alatti sejt követett (4,5 hektár együttesen). Ezek a sejttípusok bizonyultak a leghatékonyabbnak a célösszetevők széles körű eltávolításában.

a kísérleti rendszeren végzett vizsgálatok azt mutatták, hogy az alkotóelemek a függőleges áramlási cellák talajába szorultak, és a vizes élőhelyek méretezése az eltávolított alkotóelemek mennyisége alapján történik, amely a talaj tömegére tárolható. Amint egy sejt már nem képes eltávolítani és visszatartani az összetevőket, a talaj eltávolítható és lerakható. Mivel minden cella szintetikusan bélelt, a helyén történő Bezárás szintén lehetőség.

a teljes vizes élőhelyet úgy tervezték, hogy egy jelentős kivétellel utánozza a természetet.

míg a függőleges áramlású sejtek kivételesnek bizonyultak az aggodalomra okot adó összetevők befogásában, a felszínen való koncentrációjuk felvetette az expozíció kérdését a számtalan vadon élő faj számára, amelyek vonzódnának a vizes élőhelyekhez. Westar aggódott amiatt, hogy az elfogott alkotóelemeket vadon élő állatok mozgásával távolíthatják el a vizes élőhelyektől.

a magas koncentráció a felszínen a növények és a felső talajréteg gyakoribb eltávolítását és cseréjét is szükségessé tenné. Mivel a vizet a cellák között kellett szivattyúzni, Burns & a McDonnell tanácsadói azt javasolták, hogy töltse fel a cellák alját, és gyűjtse össze a kezelt vizet a felszínen egy “alulról felfelé” megközelítés érdekében. Ez mindkét problémát megoldotta azáltal, hogy az összetevőket több méterrel a felszín alá koncentrálta, megvédte a vadon élő állatokat, és jelentősen csökkentette a karbantartást.

a vadon élő állatokra gyakorolt negatív hatások elkerülése aggodalomra adott okot a gyakori és néhány nem gyakori faj magas koncentrációja miatt. A veszélyeztetett legkisebb Csérnek nagy fészkelő kolóniája van a vizes élőhelyek közelében, és a JEC több mint 7000 hektárt tartalmaz a nyilvánosság számára a halászat és a vadászat számára, és a kansasi Vadvédelmi, Park-és turisztikai Minisztériummal együttműködve kezeli.

egy videót a rendszer által termelt közüzemi, Andy Evans, Westar vezetője plant support and engineering, felhívja a CWTS “engineering with nature.”Brad Loveless, a környezetvédelmi szolgáltatások ügyvezető igazgatója elmagyarázza, hogy a vizes élőhely “olyan természeti adottságokra támaszkodik, amelyek évezredek óta zajlanak.”

többszörös előnyök

Westar megállapította, hogy a CWTS többféle előnyt kínál az alternatívákkal összehasonlítva.

Természetes” Zöld ” Megoldás. A teljes körű vizes élőhelyek a rendelkezésre álló, természetesen előforduló talajt, növényi anyagokat és talajmikrobákat használják. A vizes élőhely elnyeli a nap energiáját, és eltávolítja a szén-dioxidot a légkörből. Ellenőrzött talajnedvességi körülmények között minden vizes élőhely sejtje képes fokozni a talaj mikrobáinak és a növényi gyökereknek a kapcsolatát, ami növeli és maximalizálja a rendszer azon képességét, hogy kémiailag feldolgozza, felvegye és elkülönítse a szennyvíz szennyvizében található szervetlen anyagokat és fémeket.

Energiamegtakarítás. A teljes körű vizes élőhely jelentős megtakarítást biztosít az energiafelhasználásban, összehasonlítva más lehetőségekkel, például nulla folyadékkisüléssel vagy Mélykút-befecskendezéssel. A berendezésekre és folyamatokra fordított kevesebb energia azt jelenti, hogy több energia áll az ügyfelek rendelkezésére. A vizes élőhely például a lehulló fóliapárlók által igényelt éves energiaköltségek kevesebb mint 5% – át teszi ki.

Fenntartható Megoldás. Az épített vizes élőhelyek általában több területet igényelnek, mint a mechanikus tisztítórendszerek (ami azt jelenti, hogy nem minden helyszínen megfelelőek), valamint a növények, gyökerek és talajmikrobák fejlődésének növekedési periódusa. Amint azonban teljesen működőképessé válnak, az épített vizes élőhelyeket úgy tervezték, hogy “passzív” és hosszú távon fenntartható kezelési rendszerek legyenek. A mechanikus kezeléshez képest nagyon kevés energiát és karbantartást igényelnek, és gazdaságosabb működésük és karbantartásuk.

Társadalmi Megoldás. Számos kritikus érdekelt fél a vizes élőhelyeket, valamint az általuk a társadalom számára biztosított egyedi funkciókat és értékeket részesíti előnyben. Például a vizes élőhelyek biológiai szűrőként működnek, amelyek segítenek tisztán tartani a patakokat, folyókat, tavakat és tavakat. Értékes élőhelyet biztosítanak a különféle vadon élő állatok számára is.

Vízvédelem. A vizes élőhely lehetővé teszi a kezelt víz visszanyerését az üzemben történő újrafelhasználás céljából. (A világ egyre növekvő számú erőműve számára, amelyek a víz rendelkezésre állásának korlátaival szembesülnek, ez lehet egy olyan megoldás, amelyet érdemes megfontolni.)

Kedvező Közgazdaságtan. A vizes élőhelyek kezelési rendszere várhatóan nettó jelenérték-előnyöket eredményez 40 millió dollár 15 év alatt az alternatív nulla folyadékkisülési kezelésekhez képest. Ez a megtakarítás magában foglalja mind a tőke, mind a működési megtakarításokat, amelyek Westar szerint az alacsonyabb kamatok révén az ügyfelek javát szolgálják.

a model for Future Systems

a Westar már számos iparági technikai bemutatón és helyszíni bemutatón osztotta meg fejlesztési kihívásait és Sikereit az érdeklődő közművek számára. Ennek célja egy alternatív vízkezelési folyamat modellje az ipar többi része számára, amely mind jobb teljesítményt, mind lényegesen alacsonyabb költségeket kínál, mint más alternatívák. Mindkét mutató egyre fontosabb a fosszilis tüzelésű generáló egységek számára.

bár a helyspecifikus tényezők mindig szerepet játszanak az alternatív kezelési megközelítések életképességében, a Westar esetében a lényeg egyértelmű: a teljes vizes élőhely-rendszer és a szulfát eltávolításának teljes költsége 36,2 millió dollár volt.

az Edison Electric Institute júniusban elismerte a JEC CWTS fontosságát azzal, hogy éves Edison-díjat adott a projektnek. A POWER büszkén csatlakozik a gratuláció kórusához a Westar és munkatársai számára az első Vízdíjunkkal! Dicséret az innovatív gondolkodásért, az áldozatokat nem hozó tervezésért, az érdekelt felek hatékony kommunikációjáért és az időben történő megvalósításért. 6036

– Gail Reitenbach, PhD a POWER szerkesztője (@Gailreit, @POWERmagazine).