Premiul pentru apă: Sistemul de tratare a zonelor umede construit de Jeffrey Energy Center

primul premiu pentru apă al POWER merge la o instalație care a dezvoltat o soluție inovatoare la o problemă comună: eliminarea economică și ecologică responsabilă a apelor uzate de desulfurare a gazelor de ardere.

PWR_080114_WaterAward_Splash

U. S. centralele electrice pe cărbune constată că trebuie să respecte un număr din ce în ce mai mare de reglementări stricte de mediu și, deși nimeni din nicio industrie nu așteaptă cu nerăbdare sarcini de reglementare suplimentare, noile norme pot determina o nouă gândire cu privire la procesele familiare care au ca rezultat beneficii neașteptate. Abordarea Westar Energy de manipulare a apelor uzate din sistemul său modernizat de desulfurare a gazelor de ardere (FGD) este un exemplu perfect.

un rege al cărbunelui din Kansas

Westar Energy (Westar) este un utilitar deținut de investitori care deservește aproape 700.000 de clienți din estul și estul Kansas-ului central și este cel mai mare furnizor de energie din stat. Deține sau achiziționează energie din cărbune, gaze naturale, nucleare, gaze de depozit și instalații de generare a energiei eoliene. Westar Jeffrey Energy Center (JEC) este una dintre cele patru centrale pe cărbune ale flotei; celelalte sunt LaCyne, Lawrence și Tucumseh.

JEC, situat lângă St. Mary’ s, în nord-estul Kansas, este deținut de Westar (92%) și Great Plains Inc. (8%). Unitatea 1 a început să funcționeze în 1978, Unitatea 2 în 1980 și Unitatea 3 în 1983. Planta arde cărbune cu conținut scăzut de sulf și a fost recunoscută de Grupul utilizatorilor de cărbune din bazinul râului Powder în 2003 drept planta anului a grupului respectiv.

idei mari de la o centrală mare

la 1.857 MW, JEC este cea mai mare centrală electrică din Kansas (Figura 1). Cu o dimensiune mare vine o mare examinare, iar JEC, la fel ca multe centrale pe cărbune, a trebuit să-și modernizeze sistemele de mediu de-a lungul anilor pentru a se conforma reglementărilor federale și de stat. JEC este, de asemenea, un exemplu al modului în care, în timp, noile probleme legate de energie se deplasează în partea de sus a listei preocupărilor societății.

PWR_080114_WaterAward_Fig1

1. O instalație neconvențională această fotografie, făcută în iunie 2013, arată apropierea zonei umede construite (în curs de dezvoltare) de centrul energetic Jeffrey cu trei unități. Zona umedă finalizată tratează acum 100% din apele uzate de la epuratoarele uzinei de 1.857 MW într-un mod economic și ecologic. Curtoazie: Westar Energy

într-un profil al noului sistem de zone umede construite, Westar observă că, la dedicarea unității 1, vicepreședintele de atunci Walter Mondale a indicat JEC ca reprezentând valul energetic al viitorului. La acea vreme, trecerea de la generarea pe bază de petrol-când multe fabrici se bazau pe petrol importat—la cărbune intern a fost văzută și a fost o îmbunătățire majoră.

Fast forward către situația noastră actuală de energie și mediu: după cum observă Westar, cărbunele „este acum adesea acceptat cu tristețe ca o parte necesară a portofoliului nostru energetic. În timp ce peisajul politic include încă câțiva care sărbătoresc utilizarea cărbunelui, mai mulți sunt critici, iar majoritatea evită o poziție dacă li se oferă ocazia. În realitate, dacă America va păstra electricitate accesibilă și fiabilă, cărbunele este un element necesar. Este datoria noastră să echilibrăm costurile, impactul asupra mediului și eficiența operațională. Adesea, acest echilibru necesită inovare și parteneriat. JEC wetlands este o poveste a ambelor.”

Westar spune că aproape 25% din costul inițial al JEC a fost cheltuit pentru măsurile de control al calității aerului, inclusiv arderea exclusiv a cărbunelui cu conținut scăzut de sulf. Printre cele mai recente upgrade-uri de mediu a fost reconstruirea și modernizarea sistemelor FGD pe toate cele trei unități.

epuratoarele originale au fost concepute pentru a elimina 60% din emisiile de dioxid de sulf (SO2). Noile scrubere de nămol de calcar au fost concepute pentru a elimina 95% din SO2. Lucrările la proiect (de URS, cu Burns & McDonnell în calitate de inginer proprietar/management de construcții) au început în al treilea trimestru al anului 2007 și au fost finalizate în al doilea trimestru al anului 2009. Toate cele trei epuratoare modernizate sunt în funcțiune și îndeplinesc sau depășesc așteptările privind rata de emisie. Westar spune că noul sistem oferă o reducere cu 97% a emisiilor de SO2. (Emisiile de mercur Co-beneficiu au fost reduse cu cel puțin 25%, iar particulele în suspensie au fost reduse cu cel puțin 20%.)

instalarea noului sistem de spălare a declanșat standardul de antidegradare a apei de stat. Această cerință a determinat necesitatea evaluării și instalării de noi tehnologii de control al apei pentru apele uzate FGD. Înainte de instalarea noului sistem, Westar deshidratase nămolul, depozitase gipsul și descărcase apă către Lost Creek după clarificare și tratament pentru îndepărtarea mercurului.

descărcarea sistemului FGD a necesitat evaluare și tratament pentru constituenții care includ sulfat, seleniu, mercur și arsenic. Westar a colaborat cu Departamentul de sănătate și mediu din Kansas (KDHE) pentru a stabili un acord care a permis temporar epurarea apelor uzate la Lost Creek în timp ce Westar a investigat potențiale metode de tratament.

pe măsură ce inginerii Westar căutau o modalitate rentabilă de a gestiona apele uzate, s-au stabilit pe o abordare care se căsătorește cu biologia și chimia: un sistem construit de tratare a zonelor umede (CWTS).

găsirea celei mai potrivite

înainte ca personalul de mediu și inginerie al Westar să decidă asupra CWTS, cu ajutorul arsurilor & McDonnell, au cercetat o serie de modalități inovatoare de tratare eficientă a descărcării:

  • injecție subterană de adâncime.
  • proces prin evaporatoare de film care se încadrează și cristalizator.
  • proces prin osmoză inversă și cristalizator.
  • procesați cu evaporatoare de film care cad, folosind saramura pentru a condiționa cenușa zburătoare pentru eliminarea într-un depozit de deșeuri la fața locului.
  • tratament cu Precipitare sulfat și un CWTS, cu efluent de apă trimis înapoi la instalație pentru reutilizare.

Westar a dorit să trateze descărcarea cu cea mai ecologică și mai puțin costisitoare soluție. Analiza a arătat că alternativa cu cel mai mic cost a fost o zonă umedă construită asociată cu pretratarea precipitațiilor cu sulfat (Tabelul 1).

PWR_080114_WaterAward_Table1

Tabelul 1. Opțiuni de tratament. Evaluarea costurilor estimate pe 15 ani ale valorii actuale nete a alternativelor viabile din punct de vedere tehnic a arătat că un sistem construit de tratare a zonelor umede (CWTS) a fost cea mai bună opțiune. Sursa: Westar Energy

în procesul ales, apele uzate FGD vor fi tratate mai întâi într-o stație tradițională de tratare a apelor uzate pentru a elimina sulfatul. Apoi va fi introdus în procesul de zone umede care a fost proiectat și vizat pentru îndepărtarea metalelor. Deversarea zonelor umede, care a fost tratată în mod eficient pentru constituenții care prezintă motive de îngrijorare, ar putea fi apoi returnată instalației pentru reutilizare.

deși aceasta a fost soluția cea mai puțin costisitoare și cea mai ecologică, un sistem construit de zone umede nu a fost niciodată utilizat în această aplicație și nu a fost testat.

Westar a început prin dezvoltarea unui sistem pilot pentru a imita procesele biologice care au loc în zonele umede naturale, cu scopul final de a implementa un sistem la scară largă.

obtinerea grupurilor de mediu la bord

site-ul JEC a fost mult timp unul special atât pentru fauna sălbatică, cât și pentru oameni. Aproximativ 7.700 de acri din totalul de 10.500 de acri al JEC sunt închiriate pentru producția de cereale sau fân și aproape toată suprafața respectivă este deschisă pentru pescuitul public, vânătoare și drumeții. Apa pompată din Râul Kansas umple două lacuri cuprinzând mai mult de 600 de acri pentru apa de machiaj a plantelor. Acestea oferă unele dintre cele mai bune de pescuit statului în timpul lunilor calde, și lac mai mare oferă vânătoare de păsări de apă în timpul iernii. Docurile accesibile persoanelor cu handicap la ambele lacuri și un orb de păsări de apă accesibil fac zona atractivă pentru vânătorii de rațe și gâște cu handicap.

în plus, Parcul Natural Oregon Trail a fost construit pentru uz public pe site-ul plantei de lângă Oregon Trail pentru a prezenta ecosistemele naturale din Kansas. Acesta include două iazuri, trei trasee naturale, o casă de adăpost și zone de picnic.

înainte ca utilitatea să devină serioasă cu privire la proiectul zonelor umede construite, a contactat capitolul local Sierra Club și membrii Friends of the Kaw, Kansas Riverkeeper. Intenția a fost de a-i angaja și educa înainte de a solicita permisiunea KDHE de a-și modifica temporar descărcările pentru faza pilot experimental. Westar observă că aceste capitole locale ale organizațiilor active la nivel național au un interes semnificativ pentru calitatea apei din Râul Kansas, iar sprijinul lor a fost esențial pentru aprobarea proiectului.

Westar a găzduit tururi educaționale pentru grupuri, ceea ce a dus la sprijinul lor pentru această abordare de tratament ca fiind cea mai ecologică. Utilitarul a actualizat, de asemenea, grupurile cu privire la rezultatele studiului pe tot parcursul experimentului. Când Westar s-a apropiat de KDHE, după ce a obținut deja sprijin din partea acestor grupuri de mediu, a ajutat la demonstrarea faptului că abordarea aleasă a fost adecvată.

faza Pilot

sistemul de zone umede pilot de doi acri, conceput pentru a trata aproximativ 10% din apele uzate FGD, a fost instalat în decembrie 2010. Acesta a inclus trei tipuri de celule: celule de suprafață a apei libere, celule de pat scufundate vegetate și celule de pat cu flux vertical (Figura 2). După cum descrie Westar diferențele:

PWR_080114_WaterAward_Fig2

2. Faza Pilot. Sistemul pilot de zone umede a fost instalat în decembrie 2010 și a inclus trei tipuri de celule (de la stânga la dreapta): celule de suprafață a apei libere, celule de pat scufundate vegetate și celule de pat cu flux vertical. Curtoazie: Westar Energy

  • celulele de suprafață ale apei libere Funcționează într-un mod similar cu o mlaștină inundată permanent, cu o adâncime mică a apei și o combinație de specii acvatice, cum ar fi cattail, papură, nufăr și vârf de săgeată.
  • celulele de pat scufundate vegetate funcționează în mod similar cu o mlaștină complet saturată, cu niveluri ridicate ale apei subterane și specii de plante, cum ar fi iarba de comutare, iarba sărată interioară și rogozul.
  • celulele patului de flux Vertical sunt similare cu celulele patului scufundat vegetat, cu excepția faptului că apa care intră este aplicată uniform pe suprafața celulei, permițând infiltrarea verticală în loc de fluxul orizontal.

apa a fost transferată prin celule de dimensiuni egale în serie prin două trenuri paralele, permițând fiecărei celule să fie monitorizată pentru eficacitatea individuală. Cu o gamă largă de constituenți țintă, Westar trebuia să înțeleagă punctele forte și punctele slabe ale fiecărei celule pentru a proiecta un sistem la scară largă.

celulele pilot au fost construite în vara anului 2010, dopurile de vegetație din zonele umede au fost transplantate în noiembrie, iar utilitatea se așteaptă să înceapă să vadă beneficii de tratament în primăvara anului 2011. Cu toate acestea, monitorizarea a arătat îndepărtarea metalelor imediat, mai ales în acele celule concepute pentru a deplasa fluxurile pe verticală prin zonele rădăcinii plantei și straturile solului (celulele patului de flux vertical).

îndepărtarea constituenților a continuat în primăvară, iar plantele „au explodat pentru a umple suprafața umedă până în vara anului 2011”, potrivit unui raport Westar. Ratele de îndepărtare pentru diferitele modele de celule au fost comparate cu cele pentru alte tratamente. Facultatea și studenții Universității de Stat din Kansas au făcut atât lucrări de teren, cât și de laborator pentru a ajuta utilitatea să înțeleagă mecanismele și magnitudinile de captare.

în general, s-a demonstrat că 19 constituenți de calitate a apei au fost tratați eficient prin proiectul pilot de zone umede, inclusiv seleniu, mercur, fluor, nitrat și nitrit, care sunt constituenți de îngrijorare. Singurii constituenți de îngrijorare care nu au fost tratați eficient au fost clorura și sulfatul. Nivelurile de clorură au fost suficient de scăzute din punct de vedere istoric încât tratamentul nu este neapărat necesar, în timp ce asocierea zonelor umede cu un proces de precipitare a sulfatului vizat ar depăși lipsa eliminării sulfatului de către zonele umede.

Westar și Burns & McDonnell a evaluat opțiunile finale de tratament și a concluzionat că zonele umede pe scară largă combinate cu o îndepărtare chimică suplimentară a sărurilor au prezentat cea mai economică și ecologică abordare benignă. KDHE a aprobat acest plan în vara anului 2012.

pe scară largă înainte

la mijlocul anului 2012, Westar a decis să continue cu zonele umede pe scară largă. Prin 2013, proiectul pilot a fost terenul de testare care a dus la proiectarea și construcția zonelor umede construite pe scară largă, de 24 de acri. Acest proiect la scară largă, finalizat în iulie 2014, tratează acum 100% din deversarea apelor uzate de epurare a sitului (figurile 3 și 4).

PWR_080114_WaterAward_Fig3

3. În construcție. Această fotografie arată una dintre celulele din zona umedă pe scară largă în construcție. Celulele sunt căptușite cu o căptușeală compozită formată din lut și căptușeală cu membrană flexibilă HDPE. Etichetă: Westar Energy

PWR_080114_WaterAward_Fig4

4. Zonă umedă înfloritoare. Apa prin conducte din sistemul de desulfurare a gazelor de ardere de la instalație intră în celulele zonelor umede de sub suprafață. Curtoazie: Westar Energy

cercetarea pilot extinsă a condus la un design optimizat pe scară largă, format din două celule paralele cu flux vertical (19,2 acri combinate) urmate în serie de două celule paralele submersibile vegetative (4,5 acri combinate). Aceste tipuri de celule s-au dovedit a fi cele mai eficiente în eliminarea pe scară largă a constituenților țintă.

testarea pe sistemul pilot a demonstrat că constituenții sunt prinși în solul celulelor de curgere verticale, iar dimensionarea zonei umede se bazează pe cantitatea de constituenți îndepărtați care pot fi depozitați pe masa de sol. Odată ce o celulă nu mai este capabilă să îndepărteze și să conțină constituenții, solul poate fi îndepărtat și depozitat. Deoarece fiecare celulă este căptușită sintetic, închiderea în loc este, de asemenea, o opțiune.

zona umedă pe scară largă a fost concepută pentru a imita natura, cu o excepție semnificativă.

în timp ce celulele cu flux vertical s-au dovedit excepționale la captarea constituenților de îngrijorare, concentrarea lor la suprafață a ridicat problema expunerii pentru nenumăratele specii de animale sălbatice care ar fi atrase de zona umedă. Westar era îngrijorat de faptul că constituenții capturați ar putea fi îndepărtați de zonele umede prin mișcări ale faunei sălbatice.

concentrațiile mari la suprafață ar necesita, de asemenea, îndepărtarea și înlocuirea mai frecventă a plantelor și a stratului superior al solului. Deoarece apa urma să fie pompată între celule, consultanții Burns & McDonnell au sugerat umplerea din partea de jos a celulelor și colectarea apei tratate la suprafață pentru o abordare „de jos în sus”. Acest lucru a rezolvat ambele preocupări prin concentrarea constituenților la câțiva metri sub suprafață, protejarea faunei sălbatice și reducerea considerabilă a întreținerii.

evitarea efectelor negative asupra faunei sălbatice a fost o preocupare din cauza concentrațiilor mari de specii comune, precum și a unor specii mai puțin frecvente din zonă. Cel mai puțin pe cale de dispariție are o colonie mare de cuibărit în apropierea zonelor umede, iar JEC conține mai mult de 7.000 de acri deschise publicului pentru pescuit și vânătoare și gestionate în cooperare cu Departamentul pentru animale sălbatice, parcuri și Turism din Kansas.

într-un videoclip despre sistemul produs de utilitate, Andy Evans, managerul Westar de asistență și Inginerie a plantelor, numește CWTS „inginerie cu natura.”Brad Loveless, director executiv al serviciilor de mediu, explică faptul că zona umedă „se bazează pe caracteristici naturale care se întâmplă de mii de ani.”

beneficii Multiple

Westar a constatat că CWTS oferă beneficii multiple în comparație cu alternativele.

O Soluție Naturală „Verde”. Zona umedă pe scară largă utilizează solul disponibil, natural, materialele vegetale și microbii din sol. Zona umedă va capta energie de la soare și va elimina dioxidul de carbon din atmosferă. În condiții controlate de umiditate a solului, fiecare celulă a zonelor umede poate fi gestionată pentru a spori relația microbilor din sol cu rădăcinile plantelor, ceea ce crește și maximizează capacitatea inerentă a sistemului de a procesa chimic, prelua și sechestra anorganicele și metalele găsite în efluentul apelor uzate din scruber.

Economii De Energie. Zona umedă pe scară largă oferă economii semnificative în consumul de energie în comparație cu alte opțiuni, cum ar fi descărcarea de lichid zero sau injectarea profundă a puțului. Mai puțină energie cheltuită pe echipamente și procese înseamnă că mai multă energie este disponibilă pentru clienți. Zona umedă, de exemplu, reprezintă mai puțin de 5% din costurile anuale de energie cerute de evaporatoarele de film care se încadrează.

O Soluție Durabilă. Sistemele de zone umede construite necesită în mod normal mai multă suprafață de teren decât sistemele de tratare mecanică (ceea ce înseamnă că nu vor fi adecvate pentru toate siturile) și o perioadă de creștere pentru dezvoltarea plantelor, rădăcinilor și microbilor din sol. Cu toate acestea, odată ce devin pe deplin funcționale, zonele umede construite sunt concepute pentru a fi sisteme de tratare „pasive” și durabile de lungă durată. Acestea necesită foarte puțină energie și întreținere în comparație cu tratamentul mecanic și sunt mai economice de operat și întreținut.

O Soluție Socială. S-a constatat că multe părți interesate critice preferă zonele umede și funcțiile și valorile unice pe care le oferă societății. De exemplu, zonele umede funcționează ca filtre biologice care ajută la menținerea curenților, râurilor, iazurilor și lacurilor curate. Ele oferă, de asemenea, habitat valoros pentru diverse animale sălbatice.

Conservarea Apei. Zona umedă permite recuperarea apei tratate pentru reutilizare la uzină. (Pentru numărul tot mai mare de centrale electrice din întreaga lume care se confruntă cu constrângeri de disponibilitate a apei, aceasta poate fi o soluție care merită luată în considerare.)

Economie Favorabilă. Sistemul de tratare a zonelor umede este de așteptat să aibă ca rezultat beneficii nete de valoare actuală de 40 de milioane de dolari pe parcursul a 15 ani, în comparație cu tratamentele alternative cu descărcare lichidă zero. Aceste economii includ atât economii de capital, cât și economii de exploatare despre care Westar spune că vor beneficia clienții prin rate mai mici.

un Model pentru sistemele viitoare

Westar și-a împărtășit deja provocările și succesele de dezvoltare prin numeroase prezentări tehnice din industrie și tururi de site pentru utilitățile interesate. Face acest lucru pentru a oferi un model de proces alternativ de tratare a apei pentru restul industriei, care oferă atât performanțe îmbunătățite, cât și costuri semnificativ mai mici decât alte alternative. Ambele valori sunt din ce în ce mai importante pentru unitățile generatoare pe bază de combustibili fosili.

deși factorii specifici site-ului joacă întotdeauna un rol în viabilitatea abordărilor alternative de tratament, pentru Westar, concluzia este clară: costurile totale încărcate ale sistemului de zone umede pe scară largă și eliminarea sulfatului au fost de 36,2 milioane de dolari.

Institutul electric Edison a recunoscut importanța JEC CWTS în iunie, acordând premiul anual Edison proiectului. POWER este mândru să se alăture corului de felicitări pentru Westar și personalul său cu primul nostru premiu de apă! Kudos pentru gândire inovatoare, un design care nu face sacrificii, comunicare eficientă a părților interesate, și punerea în aplicare în timp util.

– Gail Reitenbach, PhD este editorul puterii (@GailReit, @ POWERmagazine).