Prêmio de água: o sistema de tratamento de Zonas Úmidas construído pelo Jeffrey Energy Center

o primeiro prêmio de água da POWER vai para uma usina que desenvolveu uma solução inovadora para um problema comum: o descarte econômico e ambientalmente responsável de águas residuais de dessulfuração de gases de combustão.

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EUA as usinas de carvão estão descobrindo que precisam cumprir um número crescente de regulamentações ambientais rigorosas e, embora ninguém em qualquer setor espere encargos regulatórios adicionais, novas regras podem levar a novos pensamentos sobre processos familiares que resultam em benefícios inesperados. A abordagem da Westar Energy para lidar com águas residuais de seu sistema de dessulfuração de gases de combustão (FGD) atualizado é um exemplo perfeito.

a Kansas Coal King

a Westar Energy (Westar) é uma concessionária de propriedade de investidores que atende a quase 700.000 clientes no leste e centro-leste do Kansas e é a maior fornecedora de energia do estado. Possui ou compra energia de carvão, gás natural, nuclear, gás de aterro e instalações de geração de vento. O Jeffrey Energy Center (JEC) da Westar é uma das quatro usinas a carvão da frota; os outros são LaCyne, Lawrence e Tucumseh.

a JEC, localizada perto de St. Mary’s, no nordeste do Kansas, é propriedade da Westar (92%) e da Great Plains Inc. (8%). A Unidade 1 começou a operar em 1978, a unidade 2 em 1980 e a unidade 3 em 1983. A planta queima carvão com baixo teor de enxofre e foi reconhecida pelo Powder River Basin Coal Users’ Group em 2003 como a planta do ano desse grupo.

grandes ideias de uma grande usina

a 1.857 MW, a JEC é a maior usina de energia do Kansas (Figura 1). Com grande tamanho vem um grande escrutínio, e a JEC, como muitas usinas de carvão, teve que atualizar seus sistemas ambientais ao longo dos anos para cumprir os regulamentos federais e estaduais. O JEC também é um exemplo de como, com o tempo, novas questões relacionadas à energia passam para o topo da lista de preocupações da sociedade.

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1. Uma instalação de planta não convencional esta foto, tirada em junho de 2013, mostra a proximidade do Pantanal construído (em desenvolvimento) com o Jeffrey Energy Center de três unidades. A área úmida concluída agora trata 100% das águas residuais dos lavadores da Usina de 1.857 MW de maneira econômica e ecológica. Cortesia: Westar de Energia

Em um perfil do novo constructed wetlands sistema, Westar observa que, na dedicação da Unidade 1, o então Vice-Presidente Walter Mondale apontou para o JEC como representando a onda de energia do futuro. Na época, a mudança da geração a óleo-quando muitas usinas dependiam de petróleo importado—para o carvão doméstico era vista como, e foi, uma grande melhoria.

avance rapidamente para a nossa atual situação energética e ambiental: como observa Westar, o carvão “é agora frequentemente aceito de má vontade como parte necessária do nosso portfólio de energia. Embora o cenário político ainda inclua alguns que celebram o uso do carvão, mais são críticos, e a maioria evita uma postura se tiver a oportunidade. Na realidade, se a América vai reter eletricidade acessível e confiável, o carvão é um elemento necessário. É nosso trabalho equilibrar o custo, o impacto ambiental e a eficácia operacional. Muitas vezes, esse equilíbrio requer inovação e parceria. O JEC wetlands é uma história de ambos.Westar diz que quase 25% do custo original do JEC foi gasto em medidas de controle de qualidade do ar, incluindo a queima de carvão com baixo teor de enxofre exclusivamente. Entre as atualizações ambientais mais recentes estava a reconstrução e atualização dos sistemas FGD em todas as três unidades.

os purificadores originais foram projetados para remover 60% das emissões de dióxido de enxofre (SO2). Os novos purificadores de pasta de calcário foram projetados para remover 95% do SO2. O trabalho no projeto (pela URS, com Burns & McDonnell atuando como engenheiro/gerenciamento de construção do proprietário) começou no terceiro trimestre de 2007 e foi concluído no segundo trimestre de 2009. Todos os três purificadores atualizados estão em serviço e estão atendendo ou excedendo as expectativas de taxa de emissão. Westar diz que o novo sistema está proporcionando uma redução de 97% nas emissões de SO2. (As emissões de mercúrio em Co-Benefício foram reduzidas em pelo menos 25% e as partículas foram reduzidas em pelo menos 20%.)

a instalação do novo sistema de lavagem acionou o padrão de antidegradação da água do estado. Esse requisito impulsionou a necessidade de Avaliação e instalação de novas tecnologias de controle de água para as águas residuais do FGD. Antes da instalação do novo sistema, Westar estava desidratando lama, aterrando o gesso e descarregando Água Para Lost Creek após clarificação e tratamento para remoção de mercúrio.

a descarga do sistema FGD exigiu avaliação e tratamento para constituintes que incluem sulfato, selênio, mercúrio e arsênico. Westar fez parceria com o Departamento de Saúde e Meio Ambiente do Kansas (KDHE) para estabelecer um acordo que permitiu temporariamente que as águas residuais do purificador fossem descarregadas para Lost Creek enquanto Westar investigava métodos potenciais de tratamento.Como os engenheiros da Westar procuraram uma maneira econômica de lidar com as águas residuais, eles se estabeleceram em uma abordagem que se casa com biologia e química: um sistema de tratamento de zonas úmidas construído (CWTS).

Encontrar o Melhor Ajuste

Antes de Westar ambiental e o pessoal de engenharia, decidiu sobre a CWTS, com a ajuda de Queimaduras & McDonnell, eles pesquisaram um número de maneiras inovadoras para tratar eficazmente a descarga:

  • Subterrâneo profundo poço de injeção.
  • processo através da queda de evaporadores de filme e cristalizador.
  • processo através de osmose reversa e cristalizador.
  • processo com evaporadores de filme em queda, usando a salmoura para condicionar as cinzas volantes para descarte em um aterro sanitário no local.
  • tratamento com precipitação de sulfato e um CWTS, com efluente de água enviado de volta à planta para reutilização.

Westar queria tratar a descarga com a solução mais ecológica e menos dispendiosa. A análise mostrou que a alternativa de menor custo foi um pantanal construído pareado com pré-tratamento com precipitação de sulfato (Tabela 1).

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Quadro 1. Opções de tratamento. A avaliação dos custos estimados de Valor Presente Líquido de 15 anos de alternativas tecnicamente viáveis mostrou que um sistema de tratamento de zonas úmidas construído (CWTS) foi a melhor opção. Fonte: Westar Energy

no processo escolhido, as águas residuais de FGD seriam tratadas primeiramente em uma planta de tratamento de águas residuais tradicional para remover o sulfato. Em seguida, seria introduzido no processo de zonas úmidas que foi projetado e direcionado para a remoção de Metais. A descarga de zonas húmidas, tendo sido efetivamente tratada para os constituintes de interesse, poderia então ser devolvida à planta para reutilização.

embora esta fosse a solução menos cara e mais ecológica, um sistema de zonas húmidas construído nunca foi utilizado nesta aplicação e não foi testado.Westar começou desenvolvendo um sistema piloto para imitar processos biológicos que ocorrem em zonas húmidas naturais, com o objetivo final de implantar um sistema em grande escala.

colocar grupos ambientais a bordo

o local do JEC tem sido especial tanto para a vida selvagem quanto para as pessoas. Aproximadamente 7.700 acres do total de 10.500 acres da JEC são alugados para produção de grãos ou feno, e quase toda essa área está aberta para pesca pública, Caça e caminhadas. A água bombeada do Rio Kansas enche dois lagos que compreendem mais de 600 acres para a água da composição da planta. Estes fornecem algumas das melhores pescarias do estado durante os meses quentes, e o Lago Maior oferece caça de aves aquáticas no inverno. Docas acessíveis a deficientes em ambos os lagos e um cego de aves aquáticas acessível tornam a área atraente para caçadores de patos e ganso deficientes.Além disso, o Oregon Trail Nature Park foi construído para uso público no local da fábrica perto da Oregon Trail para mostrar os ecossistemas naturais do Kansas. Inclui duas lagoas, três trilhas naturais, uma casa de abrigo e áreas para piquenique.

antes que o utilitário levasse a sério o projeto wetlands construído, ele contatou o capítulo local do Sierra Club e os membros do Friends of the Kaw, Kansas Riverkeeper. A intenção era engajá-los e educá-los antes de solicitar permissão ao KDHE para modificar suas descargas temporariamente para a fase piloto experimental. Westar observa que esses capítulos locais de organizações nacionalmente ativas têm interesse significativo na qualidade da água do Rio Kansas, e seu apoio foi essencial para a aprovação do projeto.

Westar organizou passeios educacionais para os grupos, o que resultou em seu apoio a essa abordagem de tratamento como a mais ambientalmente correta. O utilitário também atualizou os grupos nos resultados dos testes ao longo do experimento. Quando Westar se aproximou de KDHE, já ter obtido apoio desses grupos ambientais ajudou a demonstrar que a abordagem escolhida era apropriada.

fase piloto

o sistema de zonas húmidas piloto de dois acres, projetado para tratar cerca de 10% das águas residuais do FGD, foi instalado em dezembro de 2010. Incluiu três tipos de células: células de superfície de água livre, células de leito submerso vegetado e células de leito de fluxo vertical (Figura 2). Como Westar descreve as diferenças:

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2. Fase piloto. O sistema piloto de zonas úmidas foi instalado em dezembro de 2010 e incluiu três tipos de células (da esquerda para a direita): células de superfície de água livre, células de leito submerso vegetado e células de leito de fluxo vertical. Cortesia: Westar Energy

  • as células da superfície da água livre funcionam de maneira semelhante a um pântano permanentemente inundado, com uma profundidade de água rasa e uma combinação de espécies aquáticas, como taboa, bulrush, lírio d’água e ponta de flecha.
  • as células de leito submerso vegetado funcionam de forma semelhante a um pântano totalmente saturado com altos níveis de água subterrânea e espécies de plantas, como grama comutada, grama salgada interior e juncos.
  • as células do leito de fluxo Vertical são semelhantes às células do leito submerso vegetado, exceto que a água que entra é aplicada uniformemente sobre a superfície da célula, permitindo infiltração vertical em vez de fluxo horizontal.

a água foi transferida através de células de tamanho igual em Série através de dois trens paralelos, permitindo que cada célula fosse monitorada quanto à eficácia individual. Com uma ampla gama de constituintes-alvo, a Westar precisava entender os pontos fortes e fracos de cada célula para projetar um sistema em grande escala.

as células-piloto foram construídas no verão de 2010, os plugues de vegetação pantanosa foram transplantados em novembro e a concessionária deve começar a ver os benefícios do tratamento na primavera de 2011. No entanto, o monitoramento mostrou a remoção de Metais imediatamente, principalmente nas células projetadas para mover fluxos verticalmente através das zonas de raiz da planta e camadas do solo (as células do leito de fluxo vertical).

a remoção dos constituintes continuou na primavera, e as plantas “explodiram para preencher a área da superfície das zonas húmidas no verão de 2011”, de acordo com um relatório da Westar. As taxas da remoção para os vários projetos da pilha foram comparadas com aquelas para outros tratamentos. O corpo docente e os alunos da Kansas State University fizeram trabalhos de campo e laboratório para ajudar o utilitário a entender os mecanismos de captura e magnitudes.

no geral, 19 constituintes da qualidade da água foram efetivamente tratados por meio do projeto piloto de zonas úmidas, incluindo selênio, mercúrio, flúor, nitrato e nitrito, que são constituintes de preocupação. Os únicos constituintes de preocupação não tratados efetivamente foram cloreto e sulfato. Os níveis de cloreto eram historicamente baixos o suficiente para que o tratamento não fosse necessariamente necessário, enquanto o emparelhamento das zonas úmidas com um processo de precipitação de sulfato direcionado superaria a falta de remoção de sulfato pelas zonas úmidas.

Westar e Burns & McDonnell avaliaram as opções de tratamento final e concluíram que zonas úmidas em grande escala combinadas com alguma remoção química suplementar de sais apresentaram a abordagem mais econômica e ambientalmente benigna. O KDHE aprovou este plano no verão de 2012.

frente em grande escala

em meados de 2012, Westar decidiu prosseguir com as zonas húmidas em grande escala. Até 2013, o projeto piloto foi o campo de testes que levou ao projeto e construção de zonas úmidas construídas em grande escala de 24 acres. Esse projeto em grande escala, concluído em julho de 2014, agora trata 100% da descarga de águas residuais do purificador do local (Figuras 3 e 4).

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3. Em construção. Esta foto mostra uma das células do pântano em grande escala em construção. As células são revestidas com um revestimento composto que consiste em argila e revestimento de membrana flexível de HDPE. Cortesia: Westar Energy

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4. Wetland próspero. A água Canalizada do sistema de dessulfuração de gases de combustão na planta entra nas células do pântano por baixo da superfície. Cortesia: Westar Energy

a extensa pesquisa piloto levou a um projeto otimizado em grande escala que consiste em duas células de fluxo verticais paralelas (19,2 acres combinados) seguidas em série por duas células submersas vegetativas paralelas (4,5 acres combinados). Estes tipos da pilha provaram o mais eficaz na remoção largo-baseada dos constituintes do alvo.

Testes no sistema piloto demonstraram que os constituintes estão presos dentro do solo das células de fluxo vertical, e o dimensionamento da área úmida é baseado na quantidade de constituintes removidos que podem ser armazenados por massa de solo. Uma vez que uma célula não é mais capaz de remover e conter os constituintes, o solo pode ser removido e aterrado. Como cada célula é revestida sinteticamente, o fechamento no lugar também é uma opção.

o Pantanal em grande escala foi projetado para imitar a natureza com uma exceção significativa.Embora as células de fluxo vertical tenham se mostrado excepcionais na captura de constituintes preocupantes, sua concentração na superfície levantou a questão da exposição para a miríade de espécies de vida selvagem que seriam atraídas para o Pantanal. Westar estava preocupado que os constituintes capturados pudessem ser afastados das zonas úmidas por meio de movimentos de vida selvagem.

altas concentrações na superfície também exigiriam remoção e substituição mais frequentes das plantas e da camada superior do solo. Como a água deveria ser bombeada entre as células, os consultores de Burns & McDonnell sugeriram o preenchimento do fundo das células e a coleta da água tratada na superfície para uma abordagem “de baixo para cima”. Isso resolveu ambas as preocupações concentrando constituintes vários pés abaixo da superfície, protegendo a vida selvagem e reduzindo muito a manutenção.

evitar efeitos negativos sobre a vida selvagem foi uma preocupação devido às altas concentrações de espécies comuns e incomuns na área. O menor Andorinha-do-mar em perigo tem uma grande colônia de nidificação perto das zonas úmidas, e o JEC contém mais de 7.000 acres abertos ao público para pesca e caça e gerenciados cooperativamente com o Departamento de Vida Selvagem, parques e Turismo do Kansas.

em um vídeo sobre o sistema produzido pela concessionária, Andy Evans, Gerente Westar de suporte e engenharia de plantas, chama o cwts de “engenharia com a natureza.”Brad Loveless, Diretor Executivo de serviços ambientais, explica que o Pantanal “depende de características naturais que acontecem há milhares de anos.”

múltiplos benefícios

Westar descobriu que o CWTS oferece múltiplos benefícios quando comparado com alternativas.

Uma Solução Natural “Verde”. O pântano em grande escala usa Solo disponível, Natural, materiais vegetais e micróbios do solo. O pântano capturará energia do sol e removerá o dióxido de carbono da atmosfera. Sob condições controladas de umidade do solo, cada célula úmida pode ser gerenciada para melhorar a inter-relação dos micróbios do solo com as raízes das plantas, o que aumenta e maximiza a capacidade inerente do sistema de processar, absorver e sequestrar quimicamente inorgânicos e metais encontrados no efluente de águas residuais do purificador.

Economia De Energia. O pântano em grande escala proporciona economias significativas no uso de energia quando comparado com outras opções, como descarga líquida zero ou injeção de poço profundo. Menos energia gasta em equipamentos e processos significa que mais energia está disponível para os clientes. O Pantanal, por exemplo, representa menos de 5% dos custos anuais de energia exigidos pela queda dos evaporadores de filme.

Uma Solução Sustentável. Sistemas de zonas húmidas construídos normalmente requerem mais área de terra do que Sistemas de tratamento mecânico (o que significa que eles não serão apropriados para todos os locais) e um período de crescimento para o desenvolvimento de plantas, raízes e micróbios do solo. Uma vez que eles se tornam totalmente funcionais, no entanto, as zonas húmidas construídas são projetadas para serem Sistemas de tratamento sustentáveis “passivos” e duradouros. Eles exigem muito pouca energia e manutenção em comparação com o tratamento mecânico e são mais econômicos para operar e manter.

Uma Solução Social. Muitas partes interessadas críticas preferiram zonas úmidas e as funções e valores únicos que fornecem à sociedade. Por exemplo, as zonas húmidas funcionam como filtros biológicos que ajudam a manter os riachos, rios, lagoas e lagos limpos. Eles também fornecem habitat valioso para diversos animais selvagens.

Conservação Da Água. O Pantanal permite que a água tratada seja recuperada para reutilização na planta. (Para o crescente número de usinas de energia em todo o mundo diante de restrições de disponibilidade de água, esta pode ser uma solução que vale a pena considerar.)

Economia Favorável. Espera-se que o sistema de tratamento de zonas úmidas resulte em benefícios de Valor Presente Líquido de US $40 milhões ao longo de 15 anos em comparação com tratamentos alternativos de descarga líquida zero. Essa economia inclui economias de capital e operacionais que a Westar diz que beneficiarão os clientes por meio de taxas mais baixas.

um modelo para sistemas futuros

a Westar já compartilhou seus desafios e sucessos de desenvolvimento por meio de inúmeras apresentações técnicas do setor e passeios no local para utilitários interessados. Ele faz isso para fornecer um modelo de um processo alternativo de tratamento de água para o resto da indústria que oferece desempenho aprimorado e custos significativamente mais baixos do que outras alternativas. Ambas as métricas são cada vez mais importantes para as unidades geradoras de combustíveis fósseis.

embora fatores específicos do local sempre desempenhem um papel na viabilidade de abordagens alternativas de tratamento, para Westar, o resultado final é claro: os custos totais carregados do sistema de zonas úmidas em grande escala e a remoção de sulfato foram de US $36,2 milhões.

o Edison Electric Institute reconheceu a importância do JEC CWTS em junho, dando seu prêmio Edison anual ao projeto. POWER tem orgulho de se juntar ao coro de parabéns para Westar e sua equipe com o nosso primeiro prêmio de água! Elogios para o pensamento inovador, um design que não faz sacrifícios, comunicação eficaz das partes interessadas e implementação oportuna. ■

— Gail Reitenbach, PhD é editor da POWER (@GailReit, @ POWERmagazine).