Nagroda WATER AWARD: skonstruowany przez Jeffrey Energy Center System oczyszczania terenów podmokłych

pierwsza nagroda POWER Water Award trafia do zakładu, który opracował innowacyjne rozwiązanie wspólnego problemu: ekonomiczne i przyjazne dla środowiska usuwanie ścieków z odsiarczania spalin.

PWR_080114_WaterAward_Splash

USA elektrownie węglowe stwierdzają, że muszą spełniać coraz większą liczbę rygorystycznych przepisów dotyczących ochrony środowiska i chociaż nikt w żadnej branży nie oczekuje dodatkowych obciążeń regulacyjnych, nowe przepisy mogą skłaniać do nowego myślenia o znanych procesach, które przynoszą nieoczekiwane korzyści. Podejście Westar Energy do obsługi ścieków z zmodernizowanego systemu odsiarczania spalin (FGD) jest doskonałym przykładem.

Król węgla w Kansas

Westar Energy (Westar) jest przedsiębiorstwem należącym do inwestorów obsługującym prawie 700 000 klientów we wschodnim i środkowo-wschodnim Kansas i jest największym dostawcą energii w stanie. Jest właścicielem lub nabywcą energii elektrycznej z węgla, gazu ziemnego, energii jądrowej, gazu wysypiskowego i elektrowni wiatrowych. Westar ’ s Jeffrey Energy Center (JEC) jest jedną z czterech elektrowni węglowych floty; Pozostałe to LaCyne, Lawrence i Tucumseh.

JEC, położony w pobliżu St.Mary ’ s, w północno-wschodnim Kansas, jest własnością Westar (92%) i Great Plains Inc. (8%). Jednostka 1 rozpoczęła działalność w 1978 roku, Jednostka 2 w 1980 roku, a Jednostka 3 w 1983 roku. Zakład spala węgiel o niskiej zawartości siarki i został uznany przez grupę użytkowników węgla Powder River Basin w 2003 roku za zakład roku tej grupy.

wielkie pomysły z dużej elektrowni

JEC o mocy 1857 MW jest największą elektrownią w Kansas (Rysunek 1). JEC, podobnie jak wiele elektrowni węglowych, przez lata musiała modernizować swoje systemy ochrony środowiska, aby były zgodne z przepisami federalnymi i stanowymi. JEC jest również przykładem tego, jak z biegiem czasu nowe kwestie związane z energią przesuwają się na szczyt listy problemów społeczeństwa.

PWR_080114_WaterAward_Fig1

1. Niekonwencjonalny zakład To zdjęcie, wykonane w czerwcu 2013 r., pokazuje bliskość zbudowanego terenu podmokłego (w fazie rozwoju)do trzyczęściowego Centrum Energii Jeffrey. Ukończone tereny podmokłe oczyszczają obecnie 100% ścieków z płuczek instalacji o mocy 1857 MW w sposób ekonomiczny i przyjazny dla środowiska. Uprzejmość: Westar Energy

w profilu nowo zbudowanego systemu Mokradeł Westar zauważa, że podczas poświęcenia jednostki 1, ówczesny wiceprezydent Walter Mondale wskazał JEC jako reprezentującą falę energetyczną przyszłości. W tamtym czasie przejście od produkcji ropy naftowej-gdy wiele zakładów polegało na importowanej ropie—do krajowego węgla było postrzegane jako znaczna poprawa.

przejdźmy do naszej obecnej sytuacji energetycznej i środowiskowej: jak zauważa Westar, węgiel ” jest obecnie często żałośnie akceptowany jako niezbędna część naszego portfela energetycznego. Podczas gdy krajobraz polityczny nadal obejmuje kilku, którzy celebrują wykorzystanie węgla, więcej jest krytycznych, a większość unika stanowiska, jeśli ma taką możliwość. W rzeczywistości, jeśli Ameryka zamierza zachować niedrogą, niezawodną energię elektryczną, węgiel jest niezbędnym elementem. Naszym zadaniem jest zrównoważenie kosztów, wpływu na środowisko i efektywności operacyjnej. Często ta równowaga wymaga innowacji i partnerstwa. Mokradła JEC to historia obu.”

Westar mówi, że prawie 25% pierwotnych kosztów JEC zostało wydane na środki kontroli jakości powietrza, w tym wyłącznie spalanie węgla o niskiej zawartości siarki. Wśród ostatnich modernizacji środowiska była przebudowa i modernizacja systemów FGD we wszystkich trzech jednostkach.

oryginalne płuczki zostały zaprojektowane do usuwania 60% emisji dwutlenku siarki (SO2). Nowe płuczki do gnojowicy wapiennej zostały zaprojektowane do usuwania 95% SO2. Prace nad projektem (przez URS, z Burnsem &) rozpoczęły się w trzecim kwartale 2007 roku, a zakończyły w drugim kwartale 2009 roku. Wszystkie trzy zmodernizowane płuczki są w eksploatacji i spełniają lub przekraczają oczekiwania dotyczące poziomu emisji. Westar twierdzi, że nowy system zapewnia 97% redukcję emisji SO2. (Co-benefit emisje rtęci zostały zmniejszone o co najmniej 25%, a pył zawieszony o co najmniej 20%.)

Instalacja nowego systemu płukania uruchomiła stanową normę antydatacji wody. Wymaganie to spowodowało potrzebę oceny i instalacji nowych technologii kontroli wody dla ścieków FGD. Przed instalacją nowego systemu firma Westar odwadniała gnojowicę, składowała gips i odprowadzała wodę do utraconego potoku po oczyszczeniu i oczyszczeniu w celu usunięcia rtęci.

wyładowanie systemu FGD wymagało oceny i obróbki składników, które obejmują siarczan, selen, rtęć i arsen. Westar nawiązał współpracę z Kansas Department of Health and Environment (Kdhe)w celu zawarcia porozumienia, które tymczasowo umożliwiło odprowadzanie ścieków z płuczki do Lost Creek, podczas gdy Westar badał potencjalne metody oczyszczania.

gdy inżynierowie z Westar szukali opłacalnego sposobu postępowania ze ściekami, zdecydowali się na podejście łączące biologię i chemię: skonstruowany system oczyszczania terenów podmokłych (CWTS).

znalezienie najlepszego dopasowania

zanim pracownicy ochrony środowiska i inżynierii Westar zdecydowali się na CWTS, z Pomocą oparzeń & McDonnell, zbadali szereg innowacyjnych sposobów skutecznego leczenia wyładowań:

  • Wtrysk podziemnej studni głębinowej.
  • proces przez wyparki z opadającym filmem cieczy i krystalizator.
  • proces przez odwróconą osmozę i krystalizator.
  • proces z wyparkami z opadającym filmem cieczy, przy użyciu solanki do kondycjonowania popiołu lotnego do usunięcia na składowisku na miejscu.
  • obróbka strąceniem siarczanowym i CWT, ściekami wodnymi odesłanymi do zakładu w celu ponownego użycia.

Westar chciał potraktować wyładowanie najbardziej przyjaznym dla środowiska i najmniej kosztownym rozwiązaniem. Analiza wykazała, że najtańszą alternatywą był skonstruowany mokradła w połączeniu z wstępną obróbką strącania siarczanu (Tabela 1).

PWR_080114_WaterAward_Table1

Tabela 1. Możliwości leczenia. Ocena szacowanych 15-letnich kosztów bieżącej wartości netto technicznie opłacalnych alternatyw wykazała, że najlepszym rozwiązaniem był skonstruowany system oczyszczania terenów podmokłych (CWT). Źródło: Westar Energy

w wybranym procesie ścieki FGD zostaną najpierw oczyszczone w tradycyjnej oczyszczalni ścieków w celu usunięcia siarczanu. Następnie zostanie wprowadzony do procesu Mokradeł, który został zaprojektowany i ukierunkowany na usuwanie metali. Zrzut terenów podmokłych, po skutecznym potraktowaniu składników budzących obawy, mógłby zostać zwrócony do zakładu w celu ponownego wykorzystania.

chociaż było to najtańsze i najbardziej przyjazne dla środowiska rozwiązanie, skonstruowany system Mokradeł nigdy nie został wykorzystany w tej aplikacji i nie został przetestowany.

Westar rozpoczął od opracowania pilotażowego systemu naśladującego procesy biologiczne zachodzące na naturalnych mokradłach, z ostatecznym celem wdrożenia systemu na pełną skalę.

pozyskiwanie grup ekologicznych na pokładzie

strona JEC od dawna jest wyjątkowa zarówno dla dzikiej przyrody, jak i ludzi. Około 7,700 akrów całkowitej 10,500 akrów JEC są wynajmowane na produkcję zboża lub siana, a prawie cały ten areał jest otwarty na publiczne rybołówstwo, polowanie i wędrówki. Woda wypompowana z rzeki Kansas wypełnia dwa jeziora o powierzchni ponad 600 akrów dla wody roślinnej. Zapewniają one jedne z najlepszych połowów w stanie podczas ciepłych miesięcy, a większe jezioro oferuje polowania na ptactwo wodne w zimie. Przystosowane dla osób niepełnosprawnych Doki nad obydwoma jeziorami oraz przystosowana do tego żaluzja dla ptactwa wodnego sprawiają, że okolica jest atrakcyjna dla niepełnosprawnych myśliwych kaczek i gęsi.

ponadto Park przyrody Oregon Trail został zbudowany do użytku publicznego na terenie zakładu w pobliżu szlaku Oregon, aby zaprezentować naturalne ekosystemy Kansas. W jego skład wchodzą dwa stawy, trzy ścieżki przyrodnicze, schronisko oraz tereny piknikowe.

zanim przedsiębiorstwo zaczęło poważnie myśleć o projekcie constructed wetlands, skontaktowało się z lokalnym oddziałem Sierra Club i członkami Friends of the Kaw, Kansas Riverkeeper. Intencją było ich zaangażowanie i przeszkolenie przed zwróceniem się do kdhe o pozwolenie na tymczasową modyfikację zrzutów do fazy pilotażowej eksperymentu. Westar zauważa, że te lokalne oddziały organizacji działających na szczeblu krajowym mają duże zainteresowanie jakością wody w rzece Kansas, a ich wsparcie było niezbędne do zatwierdzenia projektu.

Westar zorganizował wycieczki edukacyjne dla grup, które zaowocowały ich poparciem dla tego podejścia do leczenia jako najbardziej przyjaznego dla środowiska. Narzędzie zaktualizowało również grupy na temat wyników prób w całym eksperymencie. Kiedy Westar zwrócił się do KDHE, otrzymawszy już wsparcie od tych grup ekologicznych, udowodnił, że wybrane podejście było właściwe.

faza pilotażowa

w grudniu 2010 r.zainstalowano dwupłaszczyznowy pilotażowy system Mokradeł, przeznaczony do oczyszczania około 10% ścieków ODSIARCZANYCH. Obejmowały one trzy typy komórek: komórki wolnej powierzchni wody, komórki roślinnego zanurzonego złoża i komórki pionowego przepływu (ryc. 2). Jak Westar opisuje różnice:

PWR_080114_WaterAward_Fig2

2. Faza pilotażowa. Pilotażowy system Mokradeł został zainstalowany w grudniu 2010 r.i obejmował trzy typy komórek (od lewej do prawej): komórki wolnej powierzchni wody, komórki zanurzone w wegetacji i komórki z pionowym przepływem. Uprzejmość: Westar Energy

  • komórki wolnej powierzchni wody funkcjonują w sposób podobny do trwale zalanego bagna, z płytką głębokością wody i kombinacją gatunków wodnych, takich jak ogonek, bulwiasty, lilia wodna i grot.
  • Wegetowane komórki DNA zanurzonego funkcjonują podobnie do w pełni nasyconych bagien o wysokim poziomie wód gruntowych i gatunków roślin, takich jak trawa przełączkowa, trawa Solna śródlądowa i sady.
  • komórki ze złożem o przepływie pionowym są podobne do wegetowanych komórek ze złożem zanurzonym, z tym wyjątkiem, że woda przychodząca jest nakładana równomiernie na powierzchnię komórki, umożliwiając pionową infiltrację zamiast poziomego przepływu.

woda była przenoszona przez komórki o równej wielkości szeregowo przez dwa równoległe pociągi, umożliwiając monitorowanie każdej komórki pod kątem indywidualnej skuteczności. Dzięki szerokiej gamie docelowych składników Westar musiał zrozumieć mocne i słabe strony każdej komórki, aby zaprojektować system na pełną skalę.

komórki pilotażowe zostały zbudowane latem 2010 r., w listopadzie przeszczepiono kępy roślinności podmokłej, a wiosną 2011 r. spodziewano się, że użyteczność zacznie przynosić korzyści terapeutyczne. Jednakże monitorowanie wykazało natychmiastowe usuwanie metali, zwłaszcza w komórkach zaprojektowanych do pionowego przemieszczania przepływów przez strefy korzeniowe roślin i warstwy gleby (komórki złoża pionowego przepływu).

usuwanie składników trwało wiosną, a rośliny „eksplodowały, aby wypełnić powierzchnię Mokradeł latem 2011 roku”, zgodnie z raportem Westara. Szybkość usuwania różnych wzorów komórek porównano z szybkością usuwania innych metod leczenia. Wykładowcy i studenci Kansas State University wykonali zarówno prace terenowe, jak i laboratoryjne, aby pomóc narzędziu zrozumieć mechanizmy przechwytywania i wielkości.

ogólnie wykazano, że 19 składników jakości wody zostało skutecznie oczyszczonych w ramach pilotażowego projektu mokradła, w tym selen, rtęć, fluor, azotan i azotyn, które są składnikami budzącymi obawy. Jedynymi składnikami, które nie były skutecznie leczone, były chlorek i siarczan. Poziomy chlorków były historycznie na tyle niskie, że leczenie nie jest koniecznie wymagane, podczas gdy parowanie terenów podmokłych z ukierunkowanym procesem strącania siarczanu przezwyciężyłoby brak usuwania siarczanu przez tereny podmokłe.

Westar i Burns & McDonnell ocenili ostateczne opcje leczenia i stwierdzili, że mokradła na pełną skalę w połączeniu z dodatkowym chemicznym usuwaniem soli przedstawiły najbardziej ekonomiczne i przyjazne dla środowiska podejście. KDHE zatwierdziło ten plan Latem 2012 roku.

Cała Naprzód

w połowie 2012 r.Westar zdecydował się na kontynuację mokradeł na pełną skalę. Do 2013 r. projekt pilotażowy był poligonem doświadczalnym, który doprowadził do zaprojektowania i budowy pełnowymiarowych, 24-hektarowych terenów podmokłych. Ten Pełnowymiarowy projekt, ukończony w lipcu 2014 r., traktuje obecnie 100% zrzutu ścieków z oczyszczalni (rys. 3 i 4).

PWR_080114_WaterAward_Fig3

3. W budowie. To ujęcie pokazuje jedną z komórek w pełnej skali mokradła w budowie. Komórki są wyłożone kompozytową wykładziną składającą się z gliny i elastycznej wykładziny membranowej HDPE. Dzięki Uprzejmości: Westar Energy

PWR_080114_WaterAward_Fig4

4. Kwitnące tereny podmokłe. Woda odprowadzana z systemu odsiarczania spalin w zakładzie dostaje się do komórek Mokradeł spod powierzchni. Dzięki uprzejmości: Westar Energy

rozległe badania pilotażowe doprowadziły do zoptymalizowanego projektu na pełną skalę, składającego się z dwóch równoległych pionowych komórek przepływowych (łącznie 19,2 akrów), a następnie szeregowo przez dwie równoległe wegetatywne komórki zanurzone (łącznie 4,5 akrów). Te typy komórek okazały się najbardziej skuteczne w szeroko zakrojonym usuwaniu składników docelowych.

testy na systemie pilotażowym wykazały, że składniki są uwięzione w glebie pionowych komórek przepływowych, a wielkość Mokradeł opiera się na ilości usuniętych składników, które mogą być przechowywane na masę gleby. Gdy komórka nie jest już w stanie usunąć i zawierać składników, gleba może być usunięta i składowana. Ponieważ każda komórka jest syntetycznie wyłożona, możliwe jest również zamknięcie na miejscu.

pełnowymiarowe tereny podmokłe zostały zaprojektowane tak, aby naśladować przyrodę z jednym znaczącym wyjątkiem.

podczas gdy pionowe komórki przepływowe okazały się wyjątkowe w wychwytywaniu składników budzących obawy, ich stężenie na powierzchni podniosło kwestię narażenia na niezliczone gatunki dzikiej przyrody, które byłyby przyciągane do podmokłych terenów. Westar obawiał się, że schwytani wyborcy mogą zostać odsunięci od terenów podmokłych poprzez ruchy dzikiej przyrody.

wysokie stężenia na powierzchni wymagałyby również częstszego usuwania i wymiany roślin i górnej warstwy gleby. Ponieważ woda miała być pompowana między komórki, Burns & McDonnell consultants zasugerował napełnianie z DNA komórek i zbieranie uzdatnionej wody na powierzchni w celu „oddolnego” podejścia. Rozwiązało to oba problemy, koncentrując składniki kilka stóp pod powierzchnią, chroniąc przyrodę i znacznie zmniejszając konserwację.

unikanie negatywnego wpływu na dziką przyrodę było problemem ze względu na wysokie stężenia zarówno pospolitych, jak i rzadkich gatunków na tym obszarze. Zagrożona Rybitwa ma dużą kolonię lęgową w pobliżu mokradeł, a JEC obejmuje ponad 7000 akrów otwartych dla publiczności do połowów i polowań i zarządzanych we współpracy z Departamentem dzikiej przyrody, parków i Turystyki w Kansas.

w filmie o systemie wyprodukowanym przez the utility, Andy Evans, Menedżer Westar plant support and engineering, nazywa CWTS „inżynierią z naturą.”Brad Loveless, dyrektor wykonawczy environmental services, wyjaśnia, że tereny podmokłe” opierają się na naturalnych cechach, które występują od tysięcy lat.”

wiele korzyści

Westar odkrył, że CWTS oferuje wiele korzyści w porównaniu z alternatywami.

Naturalne” Zielone ” Rozwiązanie. Tereny podmokłe na pełną skalę wykorzystują dostępną, naturalnie występującą glebę, materiały roślinne i drobnoustroje glebowe. Tereny podmokłe będą wychwytywać energię ze słońca i usuwać dwutlenek węgla z atmosfery. W warunkach kontrolowanej wilgotności gleby każda komórka mokradła może być zarządzana w celu zwiększenia współzależności drobnoustrojów glebowych z korzeniami roślin, co zwiększa i maksymalizuje wrodzoną zdolność systemu do chemicznego przetwarzania, pobierania i sekwestrowania nieorganicznych i metali występujących w ściekach płuczki.

Oszczędność Energii. Pełnowymiarowe tereny podmokłe zapewniają znaczne oszczędności w zużyciu energii w porównaniu z innymi opcjami, takimi jak zerowe odprowadzanie cieczy lub wtrysk głębokiej studni. Mniej energii przeznaczonej na urządzenia i procesy oznacza więcej energii dostępnej dla klientów. Na przykład tereny podmokłe stanowią mniej niż 5% rocznych kosztów energii wymaganych przez wyparki z opadającym filmem cieczy.

Zrównoważone Rozwiązanie. Zbudowane systemy podmokłe zwykle wymagają większej powierzchni niż systemy obróbki mechanicznej (co oznacza, że nie będą odpowiednie dla wszystkich miejsc) i okresu wzrostu dla rozwoju roślin, korzeni i drobnoustrojów glebowych. Gdy jednak staną się one w pełni funkcjonalne, zbudowane tereny podmokłe mają być „pasywnymi” i trwałymi, zrównoważonymi systemami oczyszczania. Wymagają bardzo mało energii i konserwacji w porównaniu z obróbką mechaniczną i są bardziej ekonomiczne w obsłudze i konserwacji.

Rozwiązanie Społeczne. Stwierdzono, że wielu krytycznych zainteresowanych stron preferuje tereny podmokłe oraz unikalne funkcje i wartości, które zapewniają społeczeństwu. Na przykład mokradła działają jako filtry biologiczne, które pomagają utrzymać w czystości strumienie, rzeki, stawy i jeziora. Stanowią również cenne siedlisko dla zróżnicowanej przyrody.

Ochrona Wód. Tereny podmokłe umożliwiają odzyskanie uzdatnionej wody w celu ponownego wykorzystania w zakładzie. (W przypadku rosnącej liczby elektrowni na całym świecie, które borykają się z ograniczeniami dostępności wody, może to być rozwiązanie warte rozważenia.

Oczekuje się, że system oczyszczania terenów podmokłych przyniesie korzyści w postaci bieżącej wartości netto w wysokości 40 milionów USD w ciągu 15 lat w porównaniu z alternatywnymi zerowymi zabiegami odprowadzania cieczy. Oszczędności te obejmują zarówno oszczędności kapitałowe, jak i operacyjne, które według Westar przyniosą klientom korzyści dzięki niższym stawkom.

Model dla przyszłych systemów

Westar podzielił się już swoimi wyzwaniami i sukcesami w zakresie rozwoju poprzez liczne branżowe prezentacje techniczne i wycieczki dla zainteresowanych mediów. Ma to na celu dostarczenie modelu alternatywnego procesu uzdatniania wody dla reszty branży, który oferuje zarówno lepszą wydajność, jak i znacznie niższe koszty niż inne alternatywy. Obie te metryki są coraz ważniejsze dla jednostek wytwórczych opalanych paliwem kopalnym.

chociaż czynniki specyficzne dla miejsca zawsze odgrywają rolę w żywotności alternatywnych metod leczenia, dla Westar konkluzja jest jasna: całkowite koszty załadowane systemu mokradeł na pełną skalę i usuwania siarczanów wyniosły 36,2 miliona dolarów.

Edison Electric Institute uznał znaczenie JEC CWTS w czerwcu, przyznając coroczną nagrodę Edison Award dla projektu. POWER z dumą dołącza do chóru gratulacyjnego dla Westar i jego pracowników z naszą pierwszą nagrodą wodną! Uznanie za innowacyjne myślenie, projekt, który nie wyrzecza, skuteczną komunikację z interesariuszami i terminowe wdrożenie. ■