WATER AWARD: Il sistema di trattamento delle zone umide costruito da Jeffrey Energy Center

Il primo Water Award di POWER va a un impianto che ha sviluppato una soluzione innovativa per un problema comune: lo smaltimento economico ed ecologico delle acque reflue di desolforazione dei gas di scarico.

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U. S. le centrali elettriche a carbone stanno scoprendo che devono rispettare un numero crescente di severe normative ambientali, e mentre nessuno in nessun settore attende ulteriori oneri normativi, le nuove regole possono indurre nuove riflessioni su processi familiari che si traducono in benefici inaspettati. L’approccio di Westar Energy alla gestione delle acque reflue dal suo sistema di desolforazione dei gas di scarico (FGD) aggiornato è un esempio perfetto.

A Kansas Coal King

Westar Energy (Westar) è un’utility di proprietà degli investitori che serve quasi 700.000 clienti in Kansas orientale e centro-orientale ed è il più grande fornitore di energia nello stato. Possiede o acquista energia da carbone, gas naturale, nucleare, gas di discarica e impianti di generazione eolica. Il Jeffrey Energy Center (JEC) di Westar è una delle quattro centrali a carbone della flotta; le altre sono LaCyne, Lawrence e Tucumseh.

JEC, situato vicino a St. Mary’s, nel nord-est del Kansas, è di proprietà di Westar (92%) e Great Plains Inc. (8%). L’Unità 1 è entrata in funzione nel 1978, l’Unità 2 nel 1980 e l’Unità 3 nel 1983. L’impianto brucia carbone a basso tenore di zolfo ed è stato riconosciuto dal Powder River Basin Coal Users’ Group nel 2003 come impianto dell’anno di quel gruppo.

Grandi idee da un grande impianto

Con 1.857 MW, JEC è la più grande centrale elettrica del Kansas (Figura 1). Con grandi dimensioni arriva un grande controllo, e JEC, come molte centrali a carbone, ha dovuto aggiornare i suoi sistemi ambientali nel corso degli anni per conformarsi alle normative federali e statali. JEC è anche un esempio di come, nel tempo, le nuove questioni legate all’energia si spostino in cima alla lista delle preoccupazioni della società.

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1. Una struttura non convenzionale Questa foto, scattata a giugno 2013, mostra la vicinanza della zona umida costruita (in fase di sviluppo) al Jeffrey Energy Center a tre unità. La zona umida completata tratta ora il 100% delle acque reflue degli impianti di lavaggio da 1.857 MW in modo economico e rispettoso dell’ambiente. Cortesia: Westar Energy

In un profilo del nuovo sistema di zone umide costruito, Westar nota che all’inaugurazione dell’Unità 1, l’allora vicepresidente Walter Mondale ha indicato il JEC come rappresentante dell’onda energetica del futuro. A quel tempo, il passaggio dalla produzione a petrolio-quando molte piante si basavano sul petrolio importato—al carbone domestico era visto come, ed era, un importante miglioramento.

Avanti veloce verso la nostra attuale situazione energetica e ambientale: come osserva Westar, il carbone “è ora spesso mal accettato come parte necessaria del nostro portafoglio energetico. Mentre il panorama politico include ancora alcuni che celebrano l’uso del carbone, altri sono critici e la maggioranza evita una posizione se data l’opportunità. In realtà, se l’America sta per mantenere a prezzi accessibili, elettricità affidabile, il carbone è un elemento necessario. Il nostro compito è bilanciare il costo, l’impatto ambientale e l’efficacia operativa. Spesso questo equilibrio richiede innovazione e partnership. Il JEC wetlands è una storia di entrambi.”

Westar afferma che quasi il 25% del costo originale del JEC è stato speso per misure di controllo della qualità dell’aria, compresa la combustione esclusivamente di carbone a basso tenore di zolfo. Tra i più recenti aggiornamenti ambientali è stata la ricostruzione e l’aggiornamento dei sistemi FGD su tutte e tre le unità.

Gli scrubber originali sono stati progettati per rimuovere il 60% delle emissioni di anidride solforosa (SO2). I nuovi scrubber per liquami di calcare sono stati progettati per rimuovere il 95% di SO2. Il lavoro sul progetto (da URS, con Burns & McDonnell in qualità di ingegnere proprietario / direzione lavori) è iniziato nel terzo trimestre del 2007 ed è stato completato nel secondo trimestre del 2009. Tutti e tre gli scrubber aggiornati sono in servizio e soddisfano o superano le aspettative sul tasso di emissione. Westar afferma che il nuovo sistema sta offrendo una riduzione del 97% delle emissioni di SO2. (Le emissioni di mercurio co-benefit sono state ridotte di almeno il 25% e il particolato è stato ridotto di almeno il 20%.)

L’installazione del nuovo sistema di lavaggio ha attivato lo standard di antidegradazione dell’acqua di stato. Questo requisito ha spinto la necessità di valutazione e installazione di nuove tecnologie di controllo delle acque per le acque reflue FGD. Prima dell’installazione del nuovo sistema, Westar aveva asciugato i liquami, messo in discarica il gesso e scaricato l’acqua in Lost Creek dopo la chiarificazione e il trattamento per la rimozione del mercurio.

Lo scarico del sistema FGD richiedeva una valutazione e un trattamento per i costituenti che includono solfato, selenio, mercurio e arsenico. Westar ha collaborato con il Dipartimento della Salute e dell’ambiente del Kansas (KDHE) per stabilire un accordo che consentisse temporaneamente allo scrubber di scaricare le acque reflue in Lost Creek mentre Westar ha studiato i potenziali metodi di trattamento.

Mentre gli ingegneri di Westar cercavano un modo economico per gestire le acque reflue, si stabilirono su un approccio che sposava biologia e chimica: un sistema di trattamento delle zone umide costruito (CWTS).

Trovare la soluzione migliore

Prima che il personale ambientale e ingegneristico di Westar decidesse il CWTS, con l’aiuto di Burns & McDonnell, hanno studiato una serie di modi innovativi per trattare efficacemente lo scarico:

  • Iniezione di pozzo profondo sotterraneo.
  • Processo tramite evaporatori a film cadente e cristallizzatore.
  • Processo attraverso osmosi inversa e cristallizzatore.
  • Processo con evaporatori a film cadente, utilizzando la salamoia per condizionare le ceneri volanti per lo smaltimento in una discarica in loco.
  • Trattamento con precipitazione di solfato e a CWTS, con effluente d’acqua rispedito all’impianto per il riutilizzo.

Westar voleva trattare lo scarico con la soluzione più ecologica e meno costosa. L’analisi ha mostrato che l’alternativa più economica era una zona umida costruita abbinata al pretrattamento per precipitazione di solfato (Tabella 1).

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Tabella 1. Opzioni di trattamento. La valutazione dei costi stimati in valore attuale netto di 15 anni di alternative tecnicamente valide ha mostrato che un sistema di trattamento delle zone umide costruito (CWTS) era l’opzione migliore. Fonte: Westar Energy

Nel processo scelto, le acque reflue FGD sarebbero prima trattate in un impianto di trattamento delle acque reflue tradizionali per rimuovere il solfato. Quindi sarebbe stato introdotto nel processo delle zone umide che è stato progettato e mirato per la rimozione dei metalli. Lo scarico delle zone umide, dopo essere stato trattato efficacemente per i costituenti di preoccupazione, potrebbe quindi essere restituito all’impianto per il riutilizzo.

Sebbene questa fosse la soluzione meno costosa e più rispettosa dell’ambiente, un sistema di zone umide costruito non era mai stato utilizzato in questa applicazione e non era stato testato.

Westar ha iniziato sviluppando un sistema pilota per imitare i processi biologici che si verificano nelle zone umide naturali, con l’obiettivo finale di implementare un sistema su larga scala.

Ottenere gruppi ambientalisti a bordo

Il sito JEC è stato a lungo uno speciale per la fauna selvatica e le persone. Circa 7.700 acri di totale 10.500 acri di JEC sono affittati per la produzione di grano o fieno, e quasi tutta la superficie è aperta per la pesca pubblica, la caccia e l’escursionismo. L’acqua pompata dal fiume Kansas riempie due laghi che comprendono più di 600 acri per l’acqua di trucco delle piante. Questi forniscono alcuni dei migliori pesca dello stato durante i mesi caldi, e il lago più grande offre la caccia agli uccelli acquatici in inverno. Le banchine accessibili ai portatori di handicap in entrambi i laghi e un cieco per uccelli acquatici accessibile rendono l’area attraente per i cacciatori di anatre e oche disabili.

Inoltre, l’Oregon Trail Nature Park è stato costruito per uso pubblico sul sito dell’impianto vicino all’Oregon Trail per mostrare gli ecosistemi naturali del Kansas. Comprende due stagni, tre percorsi naturalistici, una casa rifugio e aree pic-nic.

Prima che l’utilità diventasse seria sul progetto delle zone umide costruite, contattò il capitolo locale del Sierra Club e i membri di Friends of the Kaw, Kansas Riverkeeper. L’intento era quello di coinvolgerli ed educarli prima di richiedere il permesso al KDHE di modificare temporaneamente i suoi scarichi per la fase pilota sperimentale. Westar osserva che questi capitoli locali di organizzazioni attive a livello nazionale hanno un interesse significativo per la qualità dell’acqua del fiume Kansas, e il loro sostegno è stato essenziale per l’approvazione del progetto.

Westar ha ospitato visite didattiche per i gruppi, che hanno portato il loro sostegno a questo approccio terapeutico come il più ecologico. L’utilità ha anche aggiornato i gruppi sui risultati di prova durante l’esperimento. Quando Westar si è avvicinato a KDHE, avendo già ottenuto il sostegno di questi gruppi ambientalisti ha contribuito a dimostrare che l’approccio scelto era appropriato.

Fase pilota

Il sistema di zone umide pilota di due acri, progettato per trattare circa il 10% delle acque reflue FGD, è stato installato nel dicembre 2010. Comprendeva tre tipi di cellule: cellule di superficie dell’acqua libera, cellule di letto sommerse vegetate e cellule di letto a flusso verticale (Figura 2). Come Westar descrive le differenze:

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2. Fase pilota. Il sistema pilota di zone umide è stato installato nel dicembre 2010 e comprendeva tre tipi di celle (da sinistra a destra): celle di superficie dell’acqua libera, celle a letto sommerse vegetate e celle a letto a flusso verticale. Cortesia: Westar Energia

  • Le cellule superficiali dell’acqua libera funzionano in modo simile a una palude allagata in modo permanente, con una profondità d’acqua bassa e una combinazione di specie acquatiche come tifa, giunco, ninfea e punta di freccia.
  • Le cellule del letto sommerse vegetate funzionano in modo simile a una palude completamente satura con alti livelli di acque sotterranee e specie vegetali come erba di commutazione, erba salata interna e carici.
  • Le celle a letto verticale sono simili alle celle a letto sommerse vegetate, tranne per il fatto che l’acqua in ingresso viene applicata uniformemente sulla superficie della cella, consentendo l’infiltrazione verticale anziché il flusso orizzontale.

L’acqua è stata trasferita attraverso celle di dimensioni uguali in serie attraverso due treni paralleli, consentendo di monitorare ogni cella per l’efficacia individuale. Con una vasta gamma di costituenti bersaglio, Westar aveva bisogno di comprendere i punti di forza e di debolezza di ogni cellula per progettare un sistema su larga scala.

Le cellule pilota sono state costruite nell’estate 2010, i tappi per la vegetazione delle zone umide sono stati trapiantati a novembre e l’utilità dovrebbe iniziare a vedere i benefici del trattamento nella primavera 2011. Tuttavia, il monitoraggio ha mostrato la rimozione dei metalli subito, in particolare in quelle cellule progettate per spostare i flussi verticalmente attraverso le zone della radice della pianta e gli strati del suolo (le cellule del letto di flusso verticale).

La rimozione dei costituenti è continuata in primavera e le piante “sono esplose per riempire la superficie delle zone umide entro l’estate 2011”, secondo un rapporto di Westar. I tassi di rimozione per i vari disegni cellulari sono stati confrontati con quelli per altri trattamenti. La facoltà e gli studenti della Kansas State University hanno lavorato sia sul campo che in laboratorio per aiutare l’utilità a comprendere i meccanismi e le grandezze di cattura.

Complessivamente, è stato dimostrato che 19 costituenti della qualità dell’acqua sono stati trattati efficacemente attraverso il progetto pilota per le zone umide, tra cui selenio, mercurio, fluoro, nitrato e nitrito, che sono costituenti preoccupanti. Gli unici costituenti di preoccupazione non trattati efficacemente erano cloruro e solfato. I livelli di cloruro erano storicamente abbastanza bassi che il trattamento non è necessariamente richiesto, mentre l’associazione delle zone umide con un processo mirato di precipitazione del solfato supererebbe la mancanza di rimozione del solfato dalle zone umide.

Westar e Burns & McDonnell hanno valutato le opzioni di trattamento finale e hanno concluso che le zone umide su vasta scala combinate con una rimozione chimica supplementare di sali presentavano l’approccio più economico e rispettoso dell’ambiente. Il KDHE ha approvato questo piano nell’estate 2012.

Full-Scale Ahead

A metà del 2012, Westar ha deciso di procedere con le zone umide su vasta scala. Attraverso 2013 il progetto pilota è stato il banco di prova che ha portato alla progettazione e alla costruzione delle zone umide costruite su larga scala, 24 acri. Questo progetto su vasta scala, completato nel luglio 2014, tratta ora il 100% dello scarico delle acque reflue dello scrubber del sito (Figure 3 e 4).

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3. In costruzione. Questo scatto mostra una delle celle nella zona umida su vasta scala in costruzione. Le cellule sono allineate con una fodera composita che consiste della fodera flessibile della membrana dell’HDPE e dell’argilla. Cortesia: Westar Energy

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4. Zona umida fiorente. L’acqua convogliata dal sistema di desolforazione dei gas di scarico dell’impianto entra nelle celle delle zone umide da sotto la superficie. Courtesy: Westar Energy

L’ampia ricerca pilota ha portato a un design ottimizzato su larga scala costituito da due celle a flusso verticale parallele (19,2 acri combinati) seguite in serie da due celle sommerse vegetative parallele (4,5 acri combinati). Questi tipi di cellule si sono dimostrati i più efficaci nella rimozione su ampia base dei costituenti bersaglio.

I test sul sistema pilota hanno dimostrato che i costituenti sono intrappolati nel terreno delle celle a flusso verticale e il dimensionamento della zona umida si basa sulla quantità di costituenti rimossi che possono essere immagazzinati per massa di terreno. Una volta che una cellula non è più in grado di rimuovere e contenere i costituenti, il terreno può essere rimosso e messo in discarica. Come ogni cella è sinteticamente foderato, chiusura in luogo è anche un’opzione.

La zona umida su vasta scala è stata progettata per imitare la natura con una significativa eccezione.

Mentre le celle a flusso verticale si sono dimostrate eccezionali nel catturare i costituenti di preoccupazione, la loro concentrazione in superficie ha sollevato la questione dell’esposizione per la miriade di specie di fauna selvatica che sarebbero state attratte dalla zona umida. Westar era preoccupato che i costituenti catturati potessero essere allontanati dalle zone umide tramite movimenti della fauna selvatica.

Alte concentrazioni in superficie richiederebbero anche una rimozione e una sostituzione più frequenti delle piante e dello strato superiore del suolo. Poiché l’acqua doveva essere pompata tra le cellule, Burns & McDonnell consultants ha suggerito di riempire dal fondo delle cellule e raccogliere l’acqua trattata in superficie per un approccio “bottom up”. Ciò ha risolto entrambe le preoccupazioni concentrando i costituenti diversi piedi sotto la superficie, proteggendo la fauna selvatica e riducendo notevolmente la manutenzione.

Evitare effetti negativi sulla fauna selvatica era una preoccupazione a causa delle alte concentrazioni di specie comuni e non comuni nella zona. La Sterna minima in via di estinzione ha una grande colonia di nidificazione vicino alle zone umide, e JEC contiene più di 7.000 acri aperti al pubblico per la pesca e la caccia e gestiti in collaborazione con il Kansas Department of Wildlife, Parks and Tourism.

In un video sul sistema prodotto dall’utility, Andy Evans, Westar manager of plant support and engineering, chiama il CWTS “engineering with nature.”Brad Loveless, direttore esecutivo dei servizi ambientali, spiega che la zona umida “si basa su caratteristiche naturali che vanno avanti da migliaia di anni.”

Molteplici vantaggi

Westar ha scoperto che il CWTS offre molteplici vantaggi rispetto alle alternative.

Una soluzione naturale “verde”. La zona umida su vasta scala utilizza terreno disponibile, naturale, materiali vegetali e microbi del suolo. La zona umida catturerà energia dal sole e rimuoverà l’anidride carbonica dall’atmosfera. In condizioni di umidità del suolo controllate, ogni cellula delle zone umide può essere gestita per migliorare l’interrelazione dei microbi del suolo con le radici delle piante, il che aumenta e massimizza la capacità intrinseca del sistema di elaborare chimicamente, assorbire e sequestrare inorganici e metalli presenti negli effluenti delle acque reflue degli scrubber.

Risparmio energetico. La zona umida su vasta scala offre risparmi significativi nell’utilizzo di energia rispetto ad altre opzioni come lo scarico di liquidi zero o l’iniezione di pozzi profondi. Meno energia spesa per attrezzature e processi significa più energia è disponibile per i clienti. La zona umida, ad esempio, rappresenta meno del 5% dei costi energetici annuali richiesti dagli evaporatori a film cadente.

Una soluzione sostenibile. I sistemi di zone umide costruiti richiedono normalmente più superficie rispetto ai sistemi di trattamento meccanico (il che significa che non saranno appropriati per tutti i siti) e un periodo di crescita per lo sviluppo di piante, radici e microbi del suolo. Una volta che diventano pienamente funzionali, tuttavia, le zone umide costruite sono progettate per essere sistemi di trattamento sostenibili “passivi” e duraturi. Richiedono pochissima energia e manutenzione rispetto al trattamento meccanico e sono più economici da utilizzare e mantenere.

Una soluzione sociale. Molte parti interessate critiche sono risultate preferire le zone umide e le funzioni e i valori unici che forniscono alla società. Ad esempio, le zone umide fungono da filtri biologici che aiutano a mantenere puliti torrenti, fiumi, stagni e laghi. Essi forniscono anche prezioso habitat per la fauna selvatica.

Conservazione dell’acqua. La zona umida consente di recuperare l’acqua trattata per il riutilizzo nell’impianto. (Per il crescente numero di centrali elettriche in tutto il mondo di fronte a vincoli di disponibilità idrica, questa potrebbe essere una soluzione da prendere in considerazione.)

Economia favorevole. Il sistema di trattamento delle zone umide dovrebbe comportare benefici netti del valore attuale di million 40 milioni in 15 anni rispetto ai trattamenti alternativi di scarico liquido zero. Questo risparmio comprende sia il capitale e risparmio operativo che Westar dice andrà a beneficio dei clienti attraverso tassi più bassi.

Un modello per sistemi futuri

Westar ha già condiviso le sue sfide di sviluppo e successi attraverso numerose presentazioni tecniche del settore e visite in loco per le utility interessate. Lo fa per fornire un modello di un processo alternativo di trattamento delle acque per il resto del settore che offre sia prestazioni migliorate che costi significativamente inferiori rispetto ad altre alternative. Entrambe queste metriche sono sempre più importanti per le unità di generazione a combustibili fossili.

Sebbene i fattori site-specific giochino sempre un ruolo nella fattibilità di approcci terapeutici alternativi, per Westar, la linea di fondo è chiara: i costi totali caricati del sistema di zone umide su vasta scala e la rimozione del solfato erano million 36.2 milioni.

L’Edison Electric Institute ha riconosciuto l’importanza del JEC CWTS nel mese di giugno, dando il suo premio annuale Edison al progetto. POWER è orgogliosa di unirsi al coro di congratulazioni per Westar e il suo staff con il nostro primo Water Award! Complimenti per il pensiero innovativo, un design che non fa sacrifici, efficace comunicazione degli stakeholder, e tempestiva attuazione. ■