VATTENPRIS: Jeffrey Energy centers konstruerade Våtmarksbehandlingssystem

Powers första Vattenpris går till en anläggning som utvecklat en innovativ lösning på ett vanligt problem: ekonomiskt och miljömässigt ansvarsfullt bortskaffande av rökgasavsvavlingsavloppsvatten.

PWR_080114_WaterAward_Splash

USA. kolkraftverk finner att de måste följa ett ökande antal stränga miljöbestämmelser, och medan ingen i någon bransch ser fram emot ytterligare regleringsbördor, kan nya regler leda till nytt tänkande om välbekanta processer som resulterar i oväntade fördelar. Westar Energys tillvägagångssätt för hantering av avloppsvatten från sitt uppgraderade rökgasavsvavlingssystem (FGD) är ett perfekt exempel.

en Kansas Kolkung

Westar Energy (Westar) är ett investerarägt verktyg som betjänar nästan 700 000 kunder i öst och öst-centrala Kansas och är den största energileverantören i staten. Det äger eller köper kraft från kol, naturgas, kärnkraft, deponigas och vindproduktionsanläggningar. Westars Jeffrey Energy Center (JEC) är en av flottans fyra koleldade anläggningar; de andra är LaCyne, Lawrence och Tucumseh.

JEC, beläget nära St.Mary ’ s, i nordöstra Kansas, ägs av Westar (92%) och Great Plains Inc. (8%). Enhet 1 började fungera 1978, enhet 2 1980 och enhet 3 1983. Anläggningen bränner kol med låg svavelhalt och erkändes av Powder River Basin Coal Users’ Group 2003 som gruppens årets anläggning.

Big Ideas from a Big Plant

vid 1 857 MW är JEC det största kraftverket i Kansas (Figur 1). Med stor storlek kommer stor granskning, och JEC, som många kolanläggningar, har varit tvungen att uppgradera sina miljösystem genom åren för att följa federala och statliga regler. JEC är också ett exempel på hur nya energirelaterade frågor över tid går till toppen av listan över samhällets oro.

PWR_080114_WaterAward_Fig1

1. En okonventionell anläggningsanläggning detta foto, taget juni 2013, visar närheten till det konstruerade våtmarken (under utveckling) till Jeffrey Energy Center med tre enheter. Den färdiga våtmarken behandlar nu 100% av avloppsvattnet från 1 857 MW-anläggningens skrubber på ett ekonomiskt och miljövänligt sätt. Artighet: Westar Energy

i en profil av det nya konstruerade våtmarkssystemet noterar Westar att vid invigningen av enhet 1 pekade dåvarande Vice President Walter Mondale på JEC som representerar framtidens energivåg. Vid den tiden sågs övergången från oljeeldad generation-när många växter förlitade sig på importerad olja—till inhemskt kol som och var en stor förbättring.

spola fram till vår nuvarande energi-och miljösituation: som Westar noterar, kol ”accepteras nu ofta motvilligt som en nödvändig del av vår energiportfölj. Medan det politiska landskapet fortfarande innehåller några som firar användningen av kol, är fler kritiska, och majoriteten undviker en hållning om de ges möjlighet. I verkligheten, om Amerika kommer att behålla överkomlig, pålitlig el, är kol ett nödvändigt element. Det är vårt jobb att balansera kostnaden, miljöpåverkan och den operativa effektiviteten. Ofta kräver denna balans innovation och partnerskap. JEC wetlands är en berättelse om båda.”

Westar säger att nästan 25% av den ursprungliga kostnaden för JEC spenderades på luftkvalitetskontrollåtgärder, inklusive förbränning av svavelhaltigt kol uteslutande. Bland de senaste miljöuppgraderingarna var ombyggnad och uppgradering av FGD-systemen på alla tre enheterna.

de ursprungliga skrubberna var utformade för att avlägsna 60% av svaveldioxid (SO2) utsläpp. De nya kalkstensslam skrubber var utformade för att ta bort 95% av SO2. Arbetet med projektet (av URS, med Burns & McDonnell som ägaringenjör/byggledning) började under tredje kvartalet 2007 och slutfördes under andra kvartalet 2009. Alla tre uppgraderade skrubber är i drift och uppfyller eller överträffar förväntningarna på utsläppshastigheten. Westar säger att det nya systemet levererar en 97% minskning av SO2-utsläpp. (Kvicksilverutsläppen minskade med minst 25% och partikelformiga ämnen minskade med minst 20%.)

Installation av det nya skrubbsystemet utlöste den statliga vattenantidegradationsstandarden. Detta krav drev behovet av utvärdering och installation av ny vattenkontrollteknik för FGD-avloppsvattnet. Före installationen av det nya systemet hade Westar avvattnat uppslamning, deponerat gipset och tömt vatten till Lost Creek efter förtydligande och behandling för avlägsnande av kvicksilver.

FGD-systemets urladdning krävde utvärdering och behandling för beståndsdelar som inkluderar sulfat, selen, kvicksilver och arsenik. Westar samarbetade med Kansas Department of Health and Environment (KDHE) för att upprätta ett avtal som tillfälligt tillät skrubberavloppsvattnet att släppas ut till Lost Creek medan Westar undersökte potentiella metoder för behandling.

när Westar-ingenjörer letade efter ett kostnadseffektivt sätt att hantera avloppsvattnet, bestämde de sig för ett tillvägagångssätt som gifter sig med biologi och kemi: ett konstruerat våtmarksbehandlingssystem (CWTS).

hitta den bästa passformen

innan Westars miljö – och ingenjörspersonal beslutade om CWTS, med hjälp av brännskador & McDonnell, undersökte de ett antal innovativa sätt att effektivt behandla urladdningen:

  • Underground djup brunn injektion.
  • Process genom fallande film förångare och kristallisator.
  • Process genom omvänd osmos och kristallisator.
  • bearbeta med fallande filmförångare, använd saltlösningen för att konditionera flygaska för bortskaffande på en deponi på plats.
  • behandling med sulfatutfällning och en CWTS, med vattenavlopp som skickas tillbaka till anläggningen för återanvändning.

Westar ville behandla utsläppet med den mest miljövänliga och billigaste lösningen. Analys visade att det billigaste alternativet var ett konstruerat våtmark parat med förbehandling av sulfatutfällning (Tabell 1).

PWR_080114_WaterAward_Table1

Tabell 1. Behandlingsmöjligheter. Utvärdering av de uppskattade 15-åriga nuvärdeskostnaderna för tekniskt genomförbara alternativ visade att ett konstruerat våtmarksbehandlingssystem (cwts) var det bästa alternativet. Källa: Westar Energy

i den valda processen skulle FGD-avloppsvattnet först behandlas i ett traditionellt avloppsreningsverk för att avlägsna sulfat. Då skulle det införas i våtmarksprocessen som konstruerades och målades för avlägsnande av metaller. Utsläpp av våtmarker, som har behandlats effektivt för beståndsdelar som är oroande, kan sedan returneras till anläggningen för återanvändning.

även om detta var den billigaste och mest miljövänliga lösningen, hade ett konstruerat våtmarkssystem aldrig använts i denna applikation och var otestat.

Westar började med att utveckla ett pilotsystem för att efterlikna biologiska processer som förekommer i naturliga våtmarker, med det ultimata målet att distribuera ett fullskaligt system.

få miljögrupper ombord

JEC-webbplatsen har länge varit speciell för både vilda djur och människor. Cirka 7 700 hektar av JEC: s totala 10 500 hektar hyrs ut för spannmåls-eller höproduktion, och nästan allt detta areal är öppet för offentligt Fiske, Jakt och vandring. Vatten som pumpas från Kansas River fyller två sjöar som omfattar mer än 600 hektar för växtmakeupvatten. Dessa ger några av statens bästa fiske under varma månader, och den större sjön erbjuder sjöfågeljakt på vintern. Handikappanpassade bryggor vid båda sjöarna och en tillgänglig vattenfågelblind gör området attraktivt för handikappade anka-och gåsjägare.

dessutom byggdes Oregon Trail Nature Park för allmän användning på växtplatsen nära Oregon Trail för att visa upp de naturliga ekosystemen i Kansas. Den innehåller två dammar, tre naturstigar, ett skyddshus och picknickområden.

innan verktyget blev allvarligt om det konstruerade våtmarksprojektet kontaktade det det lokala Sierra Club-kapitlet och medlemmarna i Friends of the Kaw, Kansas Riverkeeper. Avsikten var att engagera och utbilda dem innan de begärde tillstånd från KDHE att tillfälligt ändra sina utsläpp för den experimentella pilotfasen. Westar konstaterar att dessa lokala kapitel av nationellt aktiva organisationer har ett betydande intresse för Kansas River vattenkvalitet, och deras stöd var avgörande för projektets godkännande.

Westar var värd för utbildningsresor för grupperna, vilket resulterade i deras stöd för denna behandlingsmetod som den mest miljövänliga. Verktyget uppdaterade också grupperna på provresultat under hela experimentet. När Westar närmade sig KDHE, har redan fått stöd från dessa miljögrupper hjälpt till att visa att den valda metoden var lämplig.

pilotfas

det två tunnland pilot våtmarkssystemet, utformat för att behandla ungefär 10% av FGD-avloppsvattnet, installerades i December 2010. Det inkluderade tre celltyper: fria vattenytceller, vegeterade nedsänkta bäddceller och vertikala flödesbäddsceller (Figur 2). Som Westar beskriver skillnaderna:

PWR_080114_WaterAward_Fig2

2. Pilotfas. Pilot wetland-systemet installerades i December 2010 och inkluderade tre celltyper (vänster till höger): fria vattenytceller, vegeterade nedsänkta bäddceller och vertikala flödesceller. Artighet: Westar Energy

  • fria vattenytceller fungerar på ett sätt som liknar en permanent översvämmad kärr, med ett grunt vattendjup och en kombination av vattenlevande arter som cattail, bulrush, näckros och pilhuvud.
  • vegeterade nedsänkta bäddceller fungerar på samma sätt som en helt mättad kärr med höga grundvattennivåer och växtarter som växelgräs, inlandssaltgräs och sedgar.
  • vertikala flödesbäddsceller liknar vegeterade nedsänkta bäddceller förutom att inkommande vatten appliceras jämnt över cellens yta, vilket möjliggör vertikal infiltration istället för horisontellt flöde.

vatten överfördes genom lika stora celler i serie genom två parallella tåg, vilket gör att varje cell kan övervakas för individuell effektivitet. Med ett brett spektrum av målkomponenter behövde Westar förstå varje cells styrkor och svagheter för att utforma ett fullskaligt system.

pilotcellerna konstruerades sommaren 2010, våtmarksproppar transplanterades i November och verktyget förväntas börja se behandlingsfördelar våren 2011. Övervakningen visade emellertid att metaller avlägsnades direkt, framför allt i de celler som är utformade för att flytta flöden vertikalt genom växtrotzonerna och jordlagren (de vertikala flödesbäddscellerna).

Beståndsavlägsnandet fortsatte på våren och växterna ”exploderade för att fylla våtmarksytan sommaren 2011”, enligt en Westar-rapport. Borttagningshastigheter för de olika celldesignerna jämfördes med de för andra behandlingar. Kansas State University fakultet och studenter gjorde både fält-och labbarbete för att hjälpa verktyget att förstå fångstmekanismerna och storheterna.

Sammantaget har 19 vattenkvalitetsbeståndsdelar visat sig ha behandlats effektivt genom pilot wetland project, inklusive selen, kvicksilver, fluorid, nitrat och nitrit, som är beståndsdelar som är oroande. De enda beståndsdelar som inte behandlades effektivt var klorid och sulfat. Kloridnivåerna var historiskt låga nog att behandling inte nödvändigtvis krävs, medan parning av våtmarkerna med en målinriktad sulfatutfällningsprocess skulle övervinna bristen på sulfatavlägsnande av våtmarkerna.

Westar och Burns & McDonnell utvärderade slutliga behandlingsalternativ och drog slutsatsen att fullskaliga våtmarker i kombination med vissa kompletterande kemiska avlägsnande av salter presenterade den mest ekonomiska och miljövänliga metoden. KDHE godkände denna plan sommaren 2012.

fullskaligt framåt

i mitten av 2012 beslutade Westar att fortsätta med fullskaliga våtmarker. Genom 2013 var pilotprojektet testplatsen som ledde till design och konstruktion av de fullskaliga, 24 hektar byggda våtmarkerna. Det fullskaliga projektet, som slutfördes i juli 2014, behandlar nu 100% av platsens avloppsvattenutsläpp (figurerna 3 och 4).

PWR_080114_WaterAward_Fig3

3. Under uppbyggnad. Detta skott visar en av cellerna i fullskalig våtmark under uppbyggnad. Cellerna är fodrade med ett kompositfoder bestående av lera och HDPE flexibelt membranfoder. Förlag: Westar Energy

PWR_080114_WaterAward_Fig4

4. Blomstrande våtmark. Vatten som leds från rökgasavsvavlingssystemet vid anläggningen kommer in i våtmarkscellerna under ytan. Courtesy: Westar Energy

den omfattande pilotforskningen ledde till en optimerad fullskalig design bestående av två parallella vertikala flödesceller (19,2 tunnland kombinerat) följt i serie av två parallella vegetativa nedsänkta celler (4,5 tunnland kombinerat). Dessa celltyper visade sig vara mest effektiva vid bredbaserad borttagning av målkomponenter.

testning på pilotsystemet visade att beståndsdelarna är fångade i marken i de vertikala flödescellerna, och dimensionering av våtmarken baseras på mängden borttagna beståndsdelar som kan lagras per massa jord. När en cell inte längre kan ta bort och innehålla beståndsdelarna kan jorden avlägsnas och deponeras. Eftersom varje cell är syntetiskt fodrad är stängning på plats också ett alternativ.

den fullskaliga våtmarken designades för att efterlikna naturen med ett betydande undantag.

medan de vertikala flödescellerna visade sig vara exceptionella för att fånga beståndsdelar av oro, väckte deras koncentration vid ytan frågan om exponering för de otaliga arter av vilda djur som skulle lockas till våtmarken. Westar var orolig för att de fångade beståndsdelarna skulle kunna flyttas bort från våtmarkerna via vilda rörelser.

höga koncentrationer vid ytan skulle också kräva mer frekvent avlägsnande och utbyte av växter och övre jordlager. Eftersom vattnet skulle pumpas mellan celler, föreslog Burns & McDonnell consultants att fylla från botten av cellerna och samla det behandlade vattnet vid ytan för en ”botten upp” – strategi. Detta löste båda bekymmerna genom att koncentrera beståndsdelar flera meter under ytan, skydda vilda djur och kraftigt minska underhållet.

att undvika negativa effekter på vilda djur var ett problem på grund av höga koncentrationer av vanliga såväl som några ovanliga arter i området. Den hotade minst tärna har en stor häckningskoloni nära våtmarkerna, och JEC innehåller mer än 7000 hektar öppna för allmänheten för fiske och jakt och hanteras i samarbete med Kansas Department of Wildlife, Parks and Tourism.

i en video om systemet producerat av verktyget kallar Andy Evans, Westar-chef för anläggningsstöd och teknik, CWTS ”engineering with nature.”Brad Loveless, verkställande direktör för miljötjänster, förklarar att våtmarken ”förlitar sig på naturliga egenskaper som har pågått i tusentals år.”

flera fördelar

Westar har funnit att CWTS erbjuder flera fördelar jämfört med alternativ.

En Naturlig” Grön ” Lösning. Den fullskaliga våtmarken använder tillgänglig, naturligt förekommande jord, växtmaterial och jordmikrober. Våtmarken kommer att fånga energi från solen och ta bort koldioxid från atmosfären. Under kontrollerade markfuktighetsförhållanden kan varje våtmarkscell hanteras för att förbättra sambandet mellan jordmikrober och växtrötter, vilket ökar och maximerar systemets inneboende förmåga att kemiskt bearbeta, ta upp och sekvestrera oorganiska ämnen och metaller som finns i skrubberavloppsvatten.

Energibesparingar. Den fullskaliga våtmarken ger betydande besparingar i energianvändningen jämfört med andra alternativ som noll vätskeutsläpp eller djupbrunnsinjektion. Mindre energi som spenderas på utrustning och processer innebär att mer energi är tillgänglig för kunderna. Våtmarken representerar till exempel mindre än 5% av de årliga energikostnaderna som krävs av fallande filmförångare.

En Hållbar Lösning. Konstruerade våtmarkssystem kräver normalt mer markområde än mekaniska behandlingssystem (vilket innebär att de inte kommer att vara lämpliga för alla platser) och en tillväxtperiod för utveckling av växter, rötter och jordmikrober. När de väl har blivit fullt funktionella är konstruerade våtmarker utformade för att vara ”passiva” och långvariga hållbara behandlingssystem. De kräver mycket lite energi och underhåll jämfört med mekanisk behandling och är mer ekonomiska att använda och underhålla.

En Social Lösning. Många kritiska intressenter befanns föredra våtmarker och de unika funktioner och värderingar som de ger samhället. Våtmarker fungerar till exempel som biologiska filter som hjälper till att hålla strömmar, floder, dammar och sjöar rena. De ger också värdefull livsmiljö för olika vilda djur.

Vatten Bevarande. Våtmarken gör att det behandlade vattnet kan återvinnas för återanvändning vid anläggningen. (För det växande antalet kraftverk runt om i världen som står inför vattentillgångsbegränsningar kan detta vara en lösning som är värt att överväga.)

Gynnsam Ekonomi. Våtmarksbehandlingssystemet förväntas resultera i nuvärdesfördelar på 40 miljoner dollar under 15 år jämfört med alternativa nollvätskeurladdningsbehandlingar. Dessa besparingar inkluderar både kapital-och driftsbesparingar som Westar säger kommer att gynna kunderna genom lägre priser.

en modell för framtida system

Westar har redan delat sina utvecklingsutmaningar och framgångar genom många branschtekniska presentationer och webbplatsresor för intresserade verktyg. Det gör det för att ge en modell av en alternativ vattenreningsprocess för resten av industrin som erbjuder både förbättrad prestanda och betydligt lägre kostnader än andra alternativ. Båda dessa mätvärden blir allt viktigare för fossileldade genereringsenheter.

även om platsspecifika faktorer alltid spelar en roll i livskraften hos alternativa behandlingsmetoder, för Westar är bottenlinjen tydlig: totala belastade kostnader för fullskaligt våtmarkssystem och sulfatavlägsnande var $36.2 miljoner.

Edison Electric Institute erkände vikten av JEC CWTS i Juni genom att ge sitt årliga Edison Award till projektet. POWER är stolta över att ansluta sig till kören av gratulationer till Westar och dess personal med vår första Water Award! Kudos för innovativt tänkande, en design som inte gör några uppoffringar, effektiv kommunikation med intressenter och snabb implementering. (5036>

— Gail Reitenbach, PhD är Powers redaktör (@GailReit, @ POWERmagazine).