PRIX DE L’EAU: Le système de traitement des zones humides construit par le Jeffrey Energy Center

Le premier prix de l’eau de POWER est décerné à une usine qui a développé une solution innovante à un problème commun: l’élimination économique et respectueuse de l’environnement des eaux usées de désulfuration des gaz de combustion.

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ÉTATS-UNIS les centrales à charbon constatent qu’elles doivent se conformer à un nombre croissant de réglementations environnementales strictes, et bien que personne dans aucune industrie n’ait hâte de nouvelles contraintes réglementaires, de nouvelles règles peuvent susciter une nouvelle réflexion sur des processus familiers qui entraînent des avantages inattendus. L’approche de Westar Energy pour traiter les eaux usées de son système de désulfuration des gaz de combustion (FGD) amélioré en est un exemple parfait.

Un roi du charbon du Kansas

Westar Energy (Westar) est un service public appartenant à des investisseurs desservant près de 700 000 clients dans l’est et le centre-est du Kansas et est le plus grand fournisseur d’énergie de l’État. Elle possède ou achète de l’électricité provenant d’installations de production de charbon, de gaz naturel, de centrales nucléaires, de gaz d’enfouissement et d’éoliennes. Le Jeffrey Energy Center (JEC) de Westar est l’une des quatre centrales à charbon de la flotte; les autres sont LaCyne, Lawrence et Tucumseh.

JEC, située près de St. Mary’s, dans le nord-est du Kansas, est détenue par Westar (92%) et Great Plains Inc. (8%). L’unité 1 est entrée en service en 1978, l’unité 2 en 1980 et l’unité 3 en 1983. L’usine brûle du charbon à faible teneur en soufre et a été reconnue par le Powder River Basin Coal Users’ Group en 2003 comme l’usine de l’année de ce groupe.

Grandes idées d’une grande usine

Avec 1 857 MW, JEC est la plus grande centrale électrique du Kansas (Figure 1). Avec une grande taille vient un examen minutieux, et JEC, comme de nombreuses centrales à charbon, a dû moderniser ses systèmes environnementaux au fil des ans pour se conformer aux réglementations fédérales et étatiques. JEC est également un exemple de la façon dont, au fil du temps, de nouvelles questions liées à l’énergie se placent en tête de liste des préoccupations de la société.

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1. Une installation non conventionnelle Cette photo, prise en juin 2013, montre la proximité de la zone humide construite (en cours de développement) avec le centre énergétique Jeffrey de trois unités. La zone humide terminée traite désormais 100% des eaux usées des épurateurs de la centrale de 1 857 MW de manière économique et respectueuse de l’environnement. Courtoisie: Westar Energy

Dans un profil du nouveau système de zones humides construites, Westar note que lors de l’inauguration de l’unité 1, le vice-président de l’époque, Walter Mondale, a indiqué que le JEC représentait la vague énergétique du futur. À l’époque, le passage de la production au mazout – alors que de nombreuses usines dépendaient du pétrole importé — au charbon domestique était considéré comme, et était, une amélioration majeure.

Avance rapide sur notre situation énergétique et environnementale actuelle: Comme le note Westar, le charbon « est maintenant souvent accepté à contrecœur comme une partie nécessaire de notre portefeuille énergétique. Alors que le paysage politique comprend encore quelques-uns qui célèbrent l’utilisation du charbon, d’autres sont critiques et la majorité évite de prendre position si l’occasion lui est donnée. En réalité, si l’Amérique veut conserver une électricité fiable et abordable, le charbon est un élément nécessaire. C’est notre travail d’équilibrer le coût, l’impact environnemental et l’efficacité opérationnelle. Cet équilibre nécessite souvent innovation et partenariat. Le JEC wetlands est une histoire des deux. »

Westar affirme que près de 25% du coût initial de JEC a été dépensé pour des mesures de contrôle de la qualité de l’air, y compris la combustion exclusive de charbon à faible teneur en soufre. Parmi les améliorations environnementales les plus récentes, mentionnons la reconstruction et la mise à niveau des systèmes FGD des trois unités.

Les épurateurs d’origine ont été conçus pour éliminer 60% des émissions de dioxyde de soufre (SO2). Les nouveaux épurateurs de boues de calcaire ont été conçus pour éliminer 95% du SO2. Les travaux sur le projet (par URS, avec Burns & McDonnell agissant en tant qu’ingénieur du propriétaire / gestion de la construction) ont commencé au troisième trimestre de 2007 et se sont achevés au deuxième trimestre de 2009. Les trois épurateurs améliorés sont en service et respectent ou dépassent les attentes en matière de taux d’émission. Westar affirme que le nouveau système offre une réduction de 97% des émissions de SO2. (Co-avantages les émissions de mercure ont été réduites d’au moins 25 % et les particules ont été réduites d’au moins 20 %.)

L’installation du nouveau système de lavage a déclenché la norme d’état d’antidégradation de l’eau. Cette exigence a conduit à la nécessité d’évaluer et d’installer de nouvelles technologies de contrôle de l’eau pour les eaux usées du FGD. Avant l’installation du nouveau système, Westar avait asséché le lisier, mis le gypse en décharge et déversé de l’eau dans le ruisseau Lost après clarification et traitement pour l’élimination du mercure.

La décharge du système FGD a nécessité une évaluation et un traitement pour les constituants qui comprennent le sulfate, le sélénium, le mercure et l’arsenic. Westar s’est associée au département de la Santé et de l’Environnement du Kansas (KDHE) pour établir un accord permettant temporairement aux eaux usées de l’épurateur de se déverser dans le ruisseau Lost pendant que Westar étudiait des méthodes potentielles de traitement.

Alors que les ingénieurs de Westar cherchaient un moyen rentable de traiter les eaux usées, ils ont opté pour une approche mariant biologie et chimie: un système de traitement des zones humides construit (CWTS).

Trouver le meilleur ajustement

Avant que le personnel de l’environnement et de l’ingénierie de Westar ne décide du CWTS, avec l’aide de Burns & McDonnell, ils ont recherché un certain nombre de façons innovantes de traiter efficacement le rejet:

  • Injection souterraine de puits profonds.
  • Procédé à l’aide d’évaporateurs à film tombant et d’un cristalliseur.
  • Processus par osmose inverse et cristalliseur.
  • Procédé avec des évaporateurs à film tombant, en utilisant la saumure pour conditionner les cendres volantes en vue de leur élimination dans une décharge sur place.
  • Traitement avec précipitation de sulfate et un CWTS, avec effluent d’eau renvoyé à l’usine pour réutilisation.

Westar souhaitait traiter les rejets avec la solution la plus écologique et la moins coûteuse. L’analyse a montré que la solution de rechange la moins coûteuse était une zone humide construite associée à un prétraitement par précipitation de sulfate (tableau 1).

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Tableau 1. Options de traitement. L’évaluation des coûts estimatifs en valeur actualisée nette sur 15 ans des solutions de remplacement techniquement viables a montré qu’un système de traitement des zones humides (SCT) construit était la meilleure option. Source: Westar Energy

Dans le procédé choisi, les eaux usées de FGD seraient d’abord traitées dans une usine de traitement des eaux usées traditionnelle pour éliminer le sulfate. Ensuite, il serait introduit dans le processus des zones humides qui a été conçu et ciblé pour l’élimination des métaux. Le rejet de la zone humide, après avoir été traité efficacement pour les constituants préoccupants, pourrait ensuite être renvoyé à l’usine pour être réutilisé.

Bien qu’il s’agisse de la solution la moins coûteuse et la plus respectueuse de l’environnement, un système de zone humide construit n’avait jamais été utilisé dans cette application et n’avait pas été testé.

Westar a commencé par développer un système pilote pour imiter les processus biologiques se produisant dans les zones humides naturelles, dans le but ultime de déployer un système à grande échelle.

Faire participer des groupes environnementaux

Le site du JEC est depuis longtemps un site spécial pour la faune et les gens. Environ 7 700 acres des 10 500 acres de JEC sont loués pour la production de céréales ou de foin, et la quasi-totalité de cette superficie est ouverte à la pêche publique, à la chasse et à la randonnée. L’eau pompée de la rivière Kansas remplit deux lacs de plus de 600 acres pour l’eau d’appoint des plantes. Ceux-ci offrent certaines des meilleures pêches de l’État pendant les mois chauds, et le plus grand lac offre la chasse à la sauvagine en hiver. Des quais accessibles aux personnes handicapées aux deux lacs et un store accessible à la sauvagine rendent la région attrayante pour les chasseurs de canards et d’ goose handicapés.

De plus, le parc naturel de l’Oregon Trail a été construit pour un usage public sur le site de l’usine près de l’Oregon Trail afin de mettre en valeur les écosystèmes naturels du Kansas. Il comprend deux étangs, trois sentiers naturels, un refuge et des aires de pique-nique.

Avant que le service public ne prenne au sérieux le projet de zones humides construites, il a contacté la section locale du Sierra Club et les membres de Friends of the Kaw, Riverkeeper du Kansas. L’intention était de les engager et de les éduquer avant de demander la permission à la KDHE de modifier temporairement ses rejets pour la phase pilote expérimentale. Westar note que ces sections locales d’organisations actives à l’échelle nationale s’intéressent de manière significative à la qualité de l’eau de la rivière Kansas et que leur soutien était essentiel à l’approbation du projet.

Westar a organisé des visites éducatives pour les groupes, ce qui leur a permis de soutenir cette approche de traitement comme la plus respectueuse de l’environnement. L’utilitaire a également mis à jour les groupes sur les résultats de l’essai tout au long de l’expérience. Lorsque Westar a approché KDHE, le fait d’avoir déjà obtenu le soutien de ces groupes environnementaux a permis de démontrer que l’approche choisie était appropriée.

Phase pilote

Le système pilote de zones humides de deux acres, conçu pour traiter environ 10 % des eaux usées de la DGG, a été installé en décembre 2010. Il comprenait trois types de cellules: les cellules de surface de l’eau libre, les cellules de lit submergé végétalisé et les cellules de lit d’écoulement vertical (figure 2). Comme Westar décrit les différences:

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2. Phase pilote. Le système pilote de zones humides a été installé en décembre 2010 et comprenait trois types de cellules (de gauche à droite): les cellules de surface d’eau libre, les cellules de lit submergé végétalisé et les cellules de lit d’écoulement vertical. Courtoisie: Énergie de Westar

  • Les cellules de surface de l’eau libre fonctionnent d’une manière similaire à un marais inondé en permanence, avec une profondeur d’eau peu profonde et une combinaison d’espèces aquatiques telles que la quenouille, le scirpe, le nénuphar et la pointe de flèche.
  • Les cellules de lit submergées végétalisées fonctionnent de manière similaire à un marais complètement saturé avec des niveaux d’eau souterraine élevés et des espèces végétales telles que l’herbe de commutation, l’herbe salée intérieure et les carex.
  • Les cellules de lit d’écoulement vertical sont similaires aux cellules de lit submergé végétalisées, sauf que l’eau entrante est appliquée uniformément sur la surface de la cellule, permettant une infiltration verticale au lieu d’un écoulement horizontal.

L’eau a été transférée à travers des cellules de taille égale en série par deux trains parallèles, ce qui a permis de surveiller l’efficacité individuelle de chaque cellule. Avec un large éventail de constituants cibles, Westar devait comprendre les forces et les faiblesses de chaque cellule pour concevoir un système à grande échelle.

Les cellules pilotes ont été construites à l’été 2010, des bouchons de végétation des zones humides ont été transplantés en novembre, et le service public devrait commencer à voir les avantages du traitement au printemps 2011. Cependant, la surveillance a montré une élimination immédiate des métaux, notamment dans les cellules conçues pour déplacer les flux verticalement à travers les zones racinaires des plantes et les couches de sol (cellules du lit d’écoulement vertical).

L’élimination des constituants s’est poursuivie au printemps et les plantes « ont explosé pour remplir la surface de la zone humide d’ici l’été 2011 », selon un rapport de Westar. Les taux d’élimination des différents modèles de cellules ont été comparés à ceux des autres traitements. Les professeurs et les étudiants de l’Université d’État du Kansas ont effectué des travaux sur le terrain et en laboratoire pour aider l’utilitaire à comprendre les mécanismes de capture et les magnitudes.

Dans l’ensemble, il a été démontré que 19 constituants de la qualité de l’eau ont été traités efficacement dans le cadre du projet pilote sur les zones humides, y compris le sélénium, le mercure, le fluorure, le nitrate et le nitrite, qui sont des constituants préoccupants. Les seuls constituants préoccupants qui n’ont pas été traités efficacement étaient le chlorure et le sulfate. Les niveaux de chlorure étaient historiquement assez bas pour qu’un traitement ne soit pas nécessairement nécessaire, tandis que l’association des zones humides avec un processus de précipitation de sulfate ciblé permettrait de pallier le manque d’élimination du sulfate par les zones humides.

Westar et Burns & McDonnell ont évalué les options de traitement final et ont conclu que les zones humides à grande échelle combinées à une élimination chimique supplémentaire des sels constituaient l’approche la plus économique et la plus respectueuse de l’environnement. La KDHE a approuvé ce plan à l’été 2012.

À grande échelle

À la mi-2012, Westar a décidé de procéder aux zones humides à grande échelle. Jusqu’en 2013, le projet pilote a été le terrain d’essai qui a mené à la conception et à la construction des zones humides construites à grande échelle de 24 acres. Ce projet à grande échelle, achevé en juillet 2014, traite désormais 100 % des rejets d’eaux usées de l’épurateur du site (figures 3 et 4).

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3. En construction. Cette photo montre l’une des cellules de la zone humide à grande échelle en construction. Les cellules sont revêtues d’une doublure composite composée d’argile et d’une membrane souple en PEHD. Avec l’aimable autorisation de Westar Energy

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4. Zone humide florissante. L’eau canalisée du système de désulfuration des gaz de combustion de l’usine pénètre dans les cellules des zones humides par le dessous de la surface. Courtoisie: Westar Energy

Les recherches pilotes approfondies ont conduit à une conception optimisée à grande échelle composée de deux cellules à flux vertical parallèles (19,2 acres combinées) suivies en série de deux cellules submergées végétatives parallèles (4,5 acres combinées). Ces types de cellules se sont avérés les plus efficaces pour éliminer à grande échelle les constituants cibles.

Les tests effectués sur le système pilote ont démontré que les constituants sont piégés dans le sol des cellules d’écoulement vertical, et le dimensionnement de la zone humide est basé sur la quantité de constituants éliminés pouvant être stockés par masse de sol. Une fois qu’une cellule n’est plus en mesure d’éliminer et de contenir les constituants, le sol peut être retiré et mis en décharge. Comme chaque cellule est doublée de manière synthétique, la fermeture en place est également une option.

La zone humide à grande échelle a été conçue pour imiter la nature, à une exception près.

Alors que les cellules d’écoulement vertical se sont révélées exceptionnelles pour capturer les constituants préoccupants, leur concentration à la surface a soulevé la question de l’exposition pour la myriade d’espèces sauvages qui seraient attirées par la zone humide. Westar craignait que les constituants capturés ne soient éloignés des zones humides par les mouvements de la faune.

Des concentrations élevées à la surface nécessiteraient également un retrait et un remplacement plus fréquents des plantes et de la couche supérieure du sol. Comme l’eau devait être pompée entre les cellules, les consultants de Burns & McDonnell ont suggéré de remplir à partir du fond des cellules et de collecter l’eau traitée à la surface pour une approche « ascendante ». Cela a résolu les deux problèmes en concentrant les constituants à plusieurs pieds sous la surface, en protégeant la faune et en réduisant considérablement l’entretien.

Éviter les effets négatifs sur la faune était une préoccupation en raison des concentrations élevées d’espèces communes et de certaines espèces peu communes dans la région. La Petite sterne en voie de disparition a une grande colonie de nidification près des zones humides, et JEC contient plus de 7 000 acres ouverts au public pour la pêche et la chasse et gérés en coopération avec le département de la Faune, des Parcs et du Tourisme du Kansas.

Dans une vidéo sur le système produite par l’utilitaire, Andy Evans, responsable du soutien et de l’ingénierie des installations de Westar, appelle le CWTS « l’ingénierie avec la nature. Brad Loveless, directeur exécutif des services environnementaux, explique que la zone humide « repose sur des caractéristiques naturelles qui existent depuis des milliers d’années. »

Avantages multiples

Westar a constaté que le CWTS offre de multiples avantages par rapport aux alternatives.

Une Solution Naturelle « Verte ». La zone humide à grande échelle utilise du sol naturel disponible, des matières végétales et des microbes du sol. La zone humide captera l’énergie du soleil et éliminera le dioxyde de carbone de l’atmosphère. Dans des conditions d’humidité du sol contrôlées, chaque cellule de zone humide peut être gérée de manière à améliorer l’interrelation des microbes du sol avec les racines des plantes, ce qui augmente et maximise la capacité inhérente du système à traiter chimiquement, à absorber et à séquestrer les inorganiques et les métaux présents dans les effluents des eaux usées des épurateurs.

Économies d’énergie. La zone humide à grande échelle permet des économies d’énergie significatives par rapport à d’autres options telles que la décharge nulle de liquide ou l’injection de puits profonds. Moins d’énergie dépensée pour l’équipement et les processus signifie que plus d’énergie est disponible pour les clients. La zone humide, par exemple, représente moins de 5% des coûts énergétiques annuels requis par les évaporateurs à couche descendante.

Une Solution Durable. Les systèmes de zones humides construits nécessitent normalement plus de terres que les systèmes de traitement mécanique (ce qui signifie qu’ils ne conviendront pas à tous les sites) et une période de croissance pour le développement des plantes, des racines et des microbes du sol. Cependant, une fois qu’elles sont pleinement fonctionnelles, les zones humides construites sont conçues pour être des systèmes de traitement « passifs » et durables. Ils nécessitent très peu d’énergie et d’entretien par rapport au traitement mécanique et sont plus économiques à utiliser et à entretenir.

Une Solution sociale. Il a été constaté que de nombreux intervenants critiques préféraient les zones humides et les fonctions et valeurs uniques qu’elles apportent à la société. Par exemple, les zones humides servent de filtres biologiques qui aident à garder les cours d’eau, les rivières, les étangs et les lacs propres. Ils fournissent également un habitat précieux pour la faune diversifiée.

Conservation de l’eau. La zone humide permet de récupérer l’eau traitée pour la réutilisation à l’usine. (Pour le nombre croissant de centrales électriques dans le monde confrontées à des contraintes de disponibilité en eau, cela peut être une solution à considérer.)

Économie favorable. Le système de traitement des zones humides devrait générer des avantages en valeur actualisée nette de 40 millions de dollars sur 15 ans par rapport à d’autres traitements sans rejet de liquide. Ces économies comprennent à la fois les économies de capital et d’exploitation qui, selon Westar, profiteront aux clients grâce à des tarifs plus bas.

Un modèle pour les systèmes futurs

Westar a déjà partagé ses défis de développement et ses succès à travers de nombreuses présentations techniques de l’industrie et des visites de sites pour les services publics intéressés. Il le fait pour fournir un modèle de procédé alternatif de traitement de l’eau pour le reste de l’industrie qui offre à la fois des performances améliorées et des coûts nettement inférieurs à ceux des autres solutions de rechange. Ces deux paramètres sont de plus en plus importants pour les unités de production d’énergie fossile.

Bien que des facteurs propres au site jouent toujours un rôle dans la viabilité des approches de traitement alternatives, pour Westar, l’essentiel est clair: les coûts totaux chargés du système de zones humides à grande échelle et de l’élimination des sulfates ont été de 36,2 millions de dollars.

L’Edison Electric Institute a reconnu l’importance du CWTS JEC en juin en décernant son prix Edison annuel au projet. POWER est fier de se joindre au chœur de félicitations pour Westar et son personnel avec notre premier prix de l’eau! Félicitations pour une pensée innovante, une conception qui ne fait aucun sacrifice, une communication efficace des parties prenantes et une mise en œuvre en temps opportun. ■