Waterprijs: Jeffrey Energy Center ’s Constructed Wetland Treatment System

POWER’ s eerste waterprijs gaat naar een fabriek die een innovatieve oplossing heeft ontwikkeld voor een veel voorkomend probleem: de economische en milieuvriendelijke verwijdering van rookgasontzwaveling afvalwater.

PWR_080114_WaterAward_Splash

U. kolencentrales vinden dat ze moeten voldoen aan een toenemend aantal strenge milieuregels, en terwijl niemand in de industrie kijkt uit naar extra regelgevende lasten, nieuwe regels kunnen leiden tot nieuw denken over bekende processen die resulteren in onverwachte voordelen. Westar Energy ‘ s aanpak voor de behandeling van afvalwater van zijn opgewaardeerde rookgasontzwaveling (FGD) systeem is een perfect voorbeeld.Een Kansas Coal King

Westar Energy (Westar) is een nutsbedrijf dat eigendom is van investeerders en dat bijna 700.000 klanten in Oost-en Centraal-Kansas bedient. Het bezit of koopt stroom uit steenkool, aardgas, kernenergie, stortgas en windgenererende installaties. Westar ‘ s Jeffrey Energy Center (JEC) is een van de vier kolencentrales van de vloot; de andere zijn LaCyne, Lawrence en Tucumseh.Jec, gelegen nabij St. Mary ‘ s, in het noordoosten van Kansas, is eigendom van Westar (92%) en Great Plains Inc. (8%). Eenheid 1 begon in 1978, Eenheid 2 in 1980 en eenheid 3 in 1983. De fabriek verbrandt zwavelarme steenkool en werd in 2003 door de Powder River Basin Coal Users’ Group erkend als de fabriek van het jaar.

grote ideeën van een grote centrale

met 1.857 MW is JEC de grootste elektriciteitscentrale in Kansas (figuur 1). Met grote omvang komt grote controle, en JEC, net als veel kolencentrales, heeft moeten upgraden haar milieusystemen door de jaren heen om te voldoen aan de federale en staat regelgeving. JEC is ook een voorbeeld van hoe in de loop van de tijd nieuwe energiegerelateerde kwesties bovenaan de lijst van maatschappelijke zorgen komen te staan.

PWR_080114_WaterAward_Fig1

1. Een onconventionele plantfaciliteit deze foto, genomen in juni 2013, toont de nabijheid van het aangelegde wetland (in ontwikkeling) tot het Drie-eenheid Jeffrey Energy Center. Het voltooide wetland verwerkt nu 100% van het afvalwater van de scrubbers van de 1.857 MW-installatie op een economische en milieuvriendelijke manier. Hoffelijkheid: Westar Energy

in een profiel van het nieuw aangelegd wetlands systeem merkt Westar op dat bij de opening van Unit 1, de toenmalige vicepresident Walter Mondale wees op de JEC als zijnde de energiegolf van de toekomst. In die tijd werd de verschuiving van oliegestookte opwekking-toen veel centrales afhankelijk waren van geïmporteerde olie—naar binnenlandse steenkool beschouwd als een belangrijke verbetering.”Snel vooruit naar onze huidige energie-en milieusituatie: zoals Westar opmerkt, wordt steenkool nu vaak met tegenzin aanvaard als een noodzakelijk onderdeel van onze energieportefeuille. Terwijl het politieke landschap nog steeds een paar die het gebruik van steenkool te vieren, meer zijn kritisch, en de meerderheid te vermijden een standpunt als de gelegenheid. In werkelijkheid, als Amerika betaalbare, betrouwbare elektriciteit wil behouden, is steenkool een noodzakelijk element. Het is onze taak om de kosten, de milieu-impact en de operationele effectiviteit te balanceren. Vaak vereist dat evenwicht innovatie en partnerschap. De JEC wetlands is een verhaal van beide.”

Westar zegt dat bijna 25% van de oorspronkelijke kosten van JEC werd besteed aan maatregelen ter beheersing van de luchtkwaliteit, inclusief het uitsluitend verbranden van zwavelarme steenkool. Een van de meest recente milieu-upgrades was het herbouwen en upgraden van de FGD-systemen op alle drie de eenheden.

de oorspronkelijke gaswassers werden ontworpen om 60% zwaveldioxide (SO2) – emissies te verwijderen. De nieuwe kalksteen slurry scrubbers zijn ontworpen om 95% SO2 te verwijderen. De werkzaamheden aan het project (door URS, met Burns & McDonnell als ingenieur/bouwmanager) begonnen in het derde kwartaal van 2007 en werden voltooid in het tweede kwartaal van 2009. Alle drie de verbeterde scrubbers zijn in gebruik en voldoen aan of overtreffen de emissieverwachtingen. Westar zegt dat het nieuwe systeem zorgt voor een vermindering van 97% van de SO2-uitstoot. (De Co-benefit kwikuitstoot werd met ten minste 25% verminderd en de deeltjes met ten minste 20%.)

de installatie van het nieuwe wassysteem heeft geleid tot de standaard voor antidegradatie in het water van de staat. Deze eis leidde tot de behoefte aan evaluatie en installatie van nieuwe waterregelingstechnologieën voor het FGD-afvalwater. Vóór de installatie van het nieuwe systeem had Westar drijfmest ontwaterd, gips gestort en water geloosd in verloren Kreek na zuivering en behandeling voor kwikverwijdering.

de FGD-systeemontlading vereiste evaluatie en behandeling voor bestanddelen die sulfaat, selenium, kwik en arseen bevatten. Westar werkte samen met het Kansas Department of Health and Environment (KDHE) om een overeenkomst te sluiten die het afvalwater van de scrubber tijdelijk toeliet om te lozen naar Lost Creek, terwijl Westar mogelijke behandelingsmethoden onderzocht.Toen de ingenieurs van Westar op zoek waren naar een kosteneffectieve manier om met het afvalwater om te gaan, kozen ze voor een aanpak die biologie en chemie combineert: een constructed wetland treatment system (CWTS).

het vinden van de meest geschikte

voordat Westar ‘ s milieu-en ingenieurspersoneel met behulp van Burns & McDonnell tot de CWTS besloot, onderzochten zij een aantal innovatieve manieren om de lozing effectief te behandelen.:

  • ondergrondse diepe put injectie.
  • procedé door verdampers en kristallisatoren van vallende film.
  • proces door omgekeerde osmose en kristalliseermiddel.
  • proces met valfilmverdampers, waarbij de pekel wordt gebruikt om vliegas te conditioneren voor verwijdering op een stortplaats.
  • behandeling met sulfaatprecipitatie en a CWTS, waarbij het afvalwater voor hergebruik naar de fabriek wordt teruggestuurd.

Westar wilde de lozing behandelen met de milieuvriendelijkste en goedkoopste oplossing. Uit de analyse bleek dat het goedkoopste alternatief een bebouwd wetland was in combinatie met een voorbehandeling van sulfaatprecipitatie (Tabel 1).

PWR_080114_WaterAward_Table1

Tabel 1. Behandelingsoptie. Uit een evaluatie van de geschatte 15-jarige netto contante waardekosten van technisch haalbare alternatieven is gebleken dat een aangelegd waterlandbehandelingssysteem (CWTS) de beste optie is. Bron: Westar Energy

in het gekozen proces zou het FGD-afvalwater eerst worden behandeld in een traditionele afvalwaterzuiveringsinstallatie om sulfaat te verwijderen. Dan zou het worden ingevoerd in het wetland proces dat werd ontworpen en gericht voor de verwijdering van metalen. De lozing van wetland, die effectief is behandeld voor bestanddelen die aanleiding geven tot bezorgdheid, kan vervolgens voor hergebruik naar de installatie worden teruggebracht.

hoewel dit de minst dure en milieuvriendelijkste oplossing was, was een aangelegd wetlandsysteem nooit in deze toepassing gebruikt en werd het niet getest.Westar begon met de ontwikkeling van een proefsysteem om biologische processen in natuurlijke wetlands na te bootsen, met als uiteindelijk doel de invoering van een volledig systeem.

milieugroepen aan boord

het JEC-gebied is al lang een speciale locatie voor zowel wilde dieren als mensen. Ongeveer 7.700 acres van JEC ‘ s totaal 10.500 acres worden verhuurd voor graan of hooi productie, en bijna al dat areaal is open voor de openbare visserij, jacht, en wandelen. Water gepompt uit de Kansas rivier vult twee meren met meer dan 600 hectare voor plantaardige make-up water. Deze bieden enkele van de beste vissen van de staat tijdens warme maanden, en het grotere meer biedt watervogels jacht in de winter. Voor gehandicapten toegankelijke Dokken aan beide meren en een toegankelijk watervogelgordijn maken het gebied aantrekkelijk voor gehandicapte eenden-en ganzenjagers.Daarnaast werd het Oregon Trail Natuurpark gebouwd voor publiek gebruik op de plant site in de buurt van de Oregon Trail om de natuurlijke ecosystemen van Kansas te demonstreren. Het omvat twee vijvers, drie natuurpaden, een opvanghuis en picknickplaatsen.

voordat het utility serieus werd over het gebouwde wetlands project, nam het contact op met de lokale Sierra Club chapter en leden van Friends of the Kaw, Kansas Riverkeeper. De bedoeling was om hen te betrekken en te onderwijzen alvorens toestemming te vragen aan de KDHE om haar lozingen tijdelijk aan te passen voor de experimentele proeffase. Westar merkt op dat deze lokale afdelingen van Nationaal actieve organisaties aanzienlijke belangstelling hebben voor de waterkwaliteit van de rivier Kansas, en hun steun was essentieel voor de goedkeuring van het project.Westar organiseerde educatieve rondleidingen voor de groepen, wat resulteerde in hun steun voor deze behandelingsbenadering als de meest milieuvriendelijke. Het hulpprogramma heeft ook de groepen op proefresultaten bijgewerkt gedurende het hele experiment. Toen Westar KDHE benaderde, bleek dat de gekozen aanpak passend was, nadat hij reeds steun had gekregen van deze milieugroepen.

proeffase

het twee hectare grote proeffase wetlandsysteem, ontworpen om ongeveer 10% van het FGD-afvalwater te behandelen, werd in December 2010 geïnstalleerd. Het omvatte drie celtypes: vrije wateroppervlakcellen, vegetated submerged bed cells, en vertical flow bed cells (Figuur 2). Zoals Westar de verschillen beschrijft:

PWR_080114_WaterAward_Fig2

2. Proeffase. De pilot wetland system werd geïnstalleerd in December 2010 en omvatte drie celtypes (van links naar rechts): vrije water oppervlakte cellen, vegetated submerged bed cellen, en verticale stroom bed cellen. Hoffelijkheid: Westar Energy

  • vrije wateroppervlakcellen functioneren op een manier die lijkt op een permanent overstroomd moeras, met een ondiepe waterdiepte en een combinatie van watersoorten zoals lisdodde, bultrusvlinder, waterlelie en pijlpunt.
  • begroeide ondergedompelde bedcellen functioneren op dezelfde manier als een volledig verzadigd moeras met hoge grondwaterstanden en plantensoorten zoals switch grass, inland salt grass en zegges.
  • verticale stroombedcellen zijn vergelijkbaar met begroeide ondergedompelde bedcellen, behalve dat inkomend water gelijkmatig over het oppervlak van de cel wordt aangebracht, waardoor verticale infiltratie in plaats van horizontale stroom mogelijk is.

Water werd in serie overgebracht door cellen van gelijke grootte via twee parallelle treinen, waardoor elke cel op individuele effectiviteit kon worden gecontroleerd. Met een brede waaier van doelbestanddelen, moest Westar de sterke en zwakke punten van elke cel begrijpen om een volledig systeem te ontwerpen.

de proefcellen werden in de zomer van 2010 gebouwd, de vegetatiepluggen in wetlands werden in November getransplanteerd en het nut verwacht dat de behandeling in het voorjaar van 2011 vruchten zal afwerpen. Uit de monitoring bleek echter dat metalen onmiddellijk werden verwijderd, met name in die cellen die zijn ontworpen om stromen verticaal door de plantenwortelzones en de bodemlagen te verplaatsen (de verticale stroombedcellen).

het verwijderen van bestanddelen ging door in het voorjaar, en de planten “explodeerden om het wetlandoppervlak tegen de zomer van 2011 te vullen”, aldus een Westar-rapport. De verwijderingspercentages voor de verschillende celontwerpen werden vergeleken met die voor andere behandelingen. Kansas State University faculteit en studenten deden zowel veld-en lab werk om het nut te helpen begrijpen van de capture mechanismen en magnitudes.

in totaal bleken 19 waterkwaliteitsbestanddelen effectief te zijn behandeld via het proefproject wetland, waaronder selenium, kwik, fluoride, nitraat en nitriet, die zorgwekkende bestanddelen zijn. De enige zorgwekkende bestanddelen die niet effectief werden behandeld, waren chloride en sulfaat. Het chloridegehalte was historisch laag genoeg dat behandeling niet noodzakelijk nodig is, terwijl het koppelen van de wetlands met een gericht sulfaatprecipitatie-proces het gebrek aan sulfaatverwijdering door de wetlands zou overwinnen.Westar en Burns & McDonnell evalueerden de definitieve behandelingsopties en concludeerden dat volledige wetlands in combinatie met een aantal aanvullende chemische verwijdering van zouten de meest economische en milieuvriendelijke aanpak vormden. De KDHE heeft dit plan in de zomer van 2012 goedgekeurd.

full-Scale Ahead

medio 2012 besloot Westar door te gaan met de full-scale wetlands. Tot 2013 was het proefproject het proefterrein dat leidde tot het ontwerp en de bouw van de volledige, 24 hectare aangelegde wetlands. Dat volledige project, dat in juli 2014 werd afgerond, behandelt nu 100% van de afvalwaterlozing van de locatie (figuren 3 en 4).

PWR_080114_WaterAward_Fig3

3. In aanbouw. Deze foto toont een van de cellen in het volle wetland in aanbouw. Cellen zijn bekleed met een composietvoering bestaande uit klei en HDPE flexibele membraanvoering. Hoffelijkheid: Westar Energy

PWR_080114_WaterAward_Fig4

4. Bloeiend wetland. Water dat uit het rookgasontzwavelingssysteem van de installatie wordt geleid, komt van onder het oppervlak in de wetlandcellen terecht. Hoffelijkheid: Westar Energy

het uitgebreide proefonderzoek leidde tot een geoptimaliseerd full-scale ontwerp bestaande uit twee parallelle verticale stroomcellen (19,2 acres gecombineerd), in serie gevolgd door twee parallelle vegetatieve onderwatercellen (4,5 acres gecombineerd). Deze celtypes bleken het meest efficiënt bij breed-gebaseerde verwijdering van doelbestanddelen.

tests in het proefinstallatiesysteem hebben aangetoond dat de bestanddelen in de bodem van de verticale stroomcellen vastzitten, en de dimensionering van het wetland is gebaseerd op de hoeveelheid verwijderde bestanddelen die per massa grond kan worden opgeslagen. Zodra een cel niet meer in staat is om de bestanddelen te verwijderen en te bevatten, kan de grond worden verwijderd en gestort. Aangezien elke cel synthetisch bekleed is, is sluiting op zijn plaats ook een optie.

het volledige wetland is ontworpen om de natuur na te bootsen, met één belangrijke uitzondering.

hoewel de verticale stroomcellen uitzonderlijk bleken bij het vangen van zorgwekkende bestanddelen, deed hun concentratie aan het oppervlak de kwestie rijzen van de blootstelling van de talloze soorten in het wild levende dieren die naar het wetland zouden worden aangetrokken. Westar was bang dat de gevangen kiezers zouden kunnen worden verplaatst uit de wetlands via wildlife bewegingen.

hoge concentraties aan het oppervlak vereisen ook frequentere verwijdering en vervanging van de planten en de bovenste bodemlaag. Aangezien het water tussen de cellen moest worden gepompt, stelden de consultants van McDonnell voor om vanaf de bodem van de cellen te vullen en het behandelde water aan het oppervlak te verzamelen voor een “bottom-up” – benadering. Dit loste beide zorgen op door bestanddelen enkele meters onder het oppervlak te concentreren, het wild te beschermen en het onderhoud aanzienlijk te verminderen.

het vermijden van negatieve effecten op in het wild levende dieren was een punt van zorg vanwege de hoge concentraties van zowel veel voorkomende Als enkele zeldzame soorten in het gebied. De bedreigde minst Stern heeft een grote broedkolonie in de buurt van de wetlands, en JEC bevat meer dan 7.000 hectare open voor het publiek voor de visserij en jacht en beheerd in samenwerking met de Kansas Department of Wildlife, Parks and Tourism.

in een video over het systeem, geproduceerd door het hulpprogramma, noemt Andy Evans, Westar manager van plant support and engineering, de CWTS “engineering with nature.”Brad Loveless, executive director of environmental services, legt uit dat het wetland “afhankelijk is van natuurlijke kenmerken die al duizenden jaren bestaan.”

meervoudige voordelen

Westar heeft vastgesteld dat de CWTS meerdere voordelen biedt in vergelijking met alternatieven.

Een Natuurlijke “Groene” Oplossing. De volledige schaal wetland maakt gebruik van beschikbare, natuurlijk voorkomende bodem, plantaardige materialen, en bodem microben. Het wetland vangt energie op van de zon en verwijdert koolstofdioxide uit de atmosfeer. Onder gecontroleerde bodemvochtomstandigheden kan elke wetlandcel worden beheerd om de onderlinge relatie van bodemmicroben met plantenwortels te verbeteren, wat het inherente vermogen van het systeem verhoogt en maximaliseert om chemisch te verwerken, op te nemen en op te nemen anorganische stoffen en metalen die in afvalwater van de scrubber worden gevonden.

Energiebesparing. Het volledige wetland levert een aanzienlijke besparing op in het energieverbruik in vergelijking met andere opties zoals geen vloeistofafvoer of diepe putinjectie. Minder energie besteed aan apparatuur en processen betekent dat er meer energie beschikbaar is voor klanten. Het wetland vertegenwoordigt bijvoorbeeld minder dan 5% van de jaarlijkse energiekosten die door dalende filmverdampers nodig zijn.

Een Duurzame Oplossing. De bouw van wetlandsystemen vereist doorgaans meer landoppervlakte dan mechanische zuiveringssystemen (wat betekent dat ze niet geschikt zijn voor alle locaties) en een groeiperiode voor de ontwikkeling van planten, wortels en bodemmicroben. Zodra ze echter volledig functioneel zijn, zijn aangelegde wetlands ontworpen om “passieve” en duurzame behandelingssystemen te zijn. Ze vereisen zeer weinig energie en onderhoud in vergelijking met mechanische behandeling en zijn zuiniger in gebruik en onderhoud.

Een Sociale Oplossing. Veel kritische belanghebbenden bleken de voorkeur te geven aan wetlands en de unieke functies en waarden die zij aan de samenleving bieden. Bijvoorbeeld, wetlands presteren als biologische filters die helpen om beken, rivieren, vijvers en meren schoon te houden. Ze bieden ook waardevolle habitat voor diverse wilde dieren.

Waterbehoud. Het wetland maakt het mogelijk het behandelde water terug te winnen voor hergebruik in de fabriek. (Voor het groeiende aantal elektriciteitscentrales over de hele wereld die te kampen hebben met waterbeschikbaarheid, kan dit een oplossing zijn die het overwegen waard is.)

Gunstige Economie. Het waterlandbehandelingssysteem zal naar verwachting resulteren in netto contante waarde voordelen van $40 miljoen over 15 jaar in vergelijking met alternatieve Zero liquid discharge behandelingen. Deze besparingen omvatten zowel kapitaal als operationele besparingen die Westar zegt zal profiteren klanten door lagere tarieven.

een Model voor toekomstige systemen

Westar heeft zijn ontwikkelingsuitdagingen en-successen al gedeeld door middel van talrijke technische presentaties in de industrie en bezoeken ter plaatse voor geïnteresseerde nutsbedrijven. Dit doet het om een model te bieden van een alternatief waterbehandelingsproces voor de rest van de industrie dat zowel betere prestaties als aanzienlijk lagere kosten biedt dan andere alternatieven. Beide statistieken worden steeds belangrijker voor fossiele-gestookte productie-eenheden.

hoewel locatiespecifieke factoren altijd een rol spelen bij de levensvatbaarheid van alternatieve behandelingsbenaderingen, is voor Westar de bottom line duidelijk: de totale beladen kosten van het volledige wetlandsysteem en de verwijdering van sulfaten bedroegen $36,2 miljoen.Het Edison Electric Institute erkende in Juni het belang van de JEC CWTS door zijn jaarlijkse Edison-prijs aan het project toe te kennen. POWER is trots om deel te nemen aan het koor van felicitaties voor Westar en zijn medewerkers met onze eerste Water Award! Kudos voor innovatief denken, een ontwerp dat geen offers brengt, effectieve stakeholdercommunicatie en tijdige implementatie. ■

— Gail Reitenbach, PhD is de redacteur van POWER (@GailReit, @POWERmagazine).