Una comparación de las opciones de cumplimiento de ELG para aguas residuales de depuradores de humos

Jun 01, 2023

Cumplir con los requisitos de las Directrices sobre limitaciones de efluentes (ELG) significa una consideración cuidadosa de las diversas opciones. Tanto el tratamiento biológico como el enfoque de vertido cero de líquido (ZLD) tienen su lugar, pero el ZLD puede ofrecer más flexibilidad para el futuro.

El 30 de septiembre de 2015, la Agencia de Protección Ambiental (EPA) emitió la regla final de pautas de limitación de efluentes (ELG) para fuentes puntuales de generación de energía eléctrica de vapor. Estas regulaciones tienen impactos importantes en las instalaciones de generación de energía en todo Estados Unidos. Los ELG son regulaciones basadas en tecnología, lo que significa que las limitaciones establecidas por la EPA bajo esta regla se establecen en función de la mejor tecnología disponible económicamente alcanzable (BAT).

Como resultado de esta regla, uno de los principales desafíos para las centrales eléctricas alimentadas con carbón es cumplir con los nuevos requisitos de descarga para las corrientes de purga de desulfuración de gases de combustión (FGD). Como tal, ha habido considerable discusión, estudio y planificación en el mercado en relación con la implementación de los ELG. El impacto de los ELG y el plan de cumplimiento es específico de cada sitio. No existe una solución única que sirva para todos.

La MTD establecida para las centrales eléctricas de carbón de más de 50 MW y equipadas con depuradores húmedos de desulfuración de gases de combustión es el tratamiento físico/químico seguido de un tratamiento biológico. La MTD establecida para las nuevas centrales eléctricas de carbón es el tratamiento por evaporación. Las limitaciones de efluentes para cada categoría de fuente se enumeran en la Tabla 1. Las plantas de energía deben cumplir con los límites de efluentes en la fecha determinada por la autoridad de permisos de cada instalación dentro de un período de cumplimiento que comienza el 1 de noviembre de 2018 y no más tarde del 31 de diciembre de 2023.

Hay varias soluciones tecnológicas de tratamiento de aguas residuales FGD disponibles para instalaciones existentes. Además del tratamiento físico/químico más biológico, los ELG brindan incentivos a través del cumplimiento diferido (31 de diciembre de 2023) para la implementación de la tecnología de descarga cero de líquido (ZLD) que utiliza sistemas de evaporación térmica. Se deben evaluar factores de diseño específicos de la planta de energía, como la clasificación de la planta, el diseño del depurador FGD, el tipo de carbón, la calidad del agua, así como otras consideraciones como la antigüedad de la planta, la economía y otros factores, para determinar la mejor solución. Un proyecto exitoso de cumplimiento de ELG depende de una evaluación de las soluciones tecnológicas disponibles y de la selección de la solución que cumpla con los objetivos de las partes interesadas (como el costo de capital, el costo operativo y el riesgo).

Los conceptos básicos de las soluciones de cumplimiento de ELG biológicas y de evaporador se describen en la Figura 1.

La solución biológica es un esquema con el que la mayoría de los operadores de plantas parecen sentirse cómodos, ya que se compone de múltiples operaciones convencionales de tratamiento de agua seguidas de un sistema biológico, que también comprende equipos con los que los ingenieros y operadores de plantas están familiarizados. Además, algunos miembros de la industria pueden percibir que el cumplimiento de ELG mediante tratamiento biológico es más sencillo de operar con mayor confiabilidad, menos pretratamiento y es menos costoso de instalar y mantener. Estas percepciones son el tema de discusión a continuación.

El éxito operativo de un sistema biológico depende de la capacidad del operador para operar el sistema de pretratamiento físico/químico para eliminar los sólidos suspendidos totales (SST), el mercurio y el arsénico, y para acondicionar las aguas residuales del DGC según las especificaciones de entrada del paso de tratamiento biológico. para la eliminación de selenio y nitrato. Se requiere atención cuidadosa por parte del operador para garantizar que se alcancen los límites de ELG.

Por el contrario, los sistemas de evaporador son comparativamente más simples de operar y más tolerantes a las variaciones químicas y de flujo, así como más tolerantes a la operación cíclica. Es relativamente fácil cambiar la tasa de alimentación y arrancar y detener un sistema de evaporador, mientras que los sistemas biológicos son menos tolerantes a estos cambios y se requiere una operación cuidadosa para garantizar la salud de la biomasa.

Es posible que se requiera o no un tratamiento previo mediante tratamiento físico/químico (consulte la discusión sobre el tratamiento previo a continuación). Si es necesario, se emplea un ablandamiento convencional de cal y soda para ablandar parcialmente las aguas residuales del FGD. Se da un rango objetivo para el ablandamiento, ya que el proceso es tolerante a una variación razonable. El equipo del evaporador es completamente automático y requiere poca atención del operador de forma regular, aparte del muestreo por turnos y el análisis químico mediante kits de prueba.

Los operadores que no estén familiarizados con el funcionamiento del sistema de evaporador pueden creer que es más difícil de operar. Sin embargo, factores como la capacitación adecuada y la utilización de los servicios de operación y mantenimiento ofrecidos por el proveedor de la planta de evaporación han cambiado las percepciones de los operadores.

También se deben considerar los requisitos de disponibilidad del sistema. La biomasa en un sistema biológico puede morir debido a diversos factores. Estos microorganismos requieren un tiempo considerable para crecer y aclimatarse antes de ser puestos en servicio. Este riesgo requiere que se proporcione redundancia en el tren de tratamiento para que se pueda poner en servicio una unidad biológica fuera de línea sin interrumpir el tratamiento de aguas residuales FGD. Sin embargo, una unidad biológica redundante no proporciona disponibilidad adicional si la causa de la mortalidad de la biomasa es común a las unidades en línea y fuera de línea, y esto debe considerarse en el diseño del sistema.

Los sistemas de tratamiento de FGD con evaporador, cuando se diseñan y operan adecuadamente, son altamente tolerantes a los cambios en la composición de las aguas residuales de FGD que pueden ser causados ​​por cambios estacionales en la calidad del agua de reposición de la planta, cambios en la composición del carbón y alteraciones en el depurador de FGD. Se puede anticipar que la disponibilidad de un sistema diseñado adecuadamente excederá el 96%. Además, el destilado producido por el sistema de evaporador es de alta calidad y puede reciclarse nuevamente al depurador como reposición, lo que elimina el riesgo de incumplimiento de ELG.

Es posible que las instalaciones existentes ya tengan un sistema de tratamiento físico/químico para cumplir con los requisitos actuales de permisos de descarga para TSS y contaminantes regulados. Por lo tanto, el cumplimiento de los ELG para muchas plantas requiere modificar el sistema de tratamiento físico/químico existente e integrar un sistema de tratamiento biológico o un sistema de evaporación.

La opción biológica requiere un pretratamiento físico/químico mediante tratamiento con cal, sulfuro y hierro para la eliminación de mercurio, arsénico y metales. Después del pretratamiento se emplea un tratamiento biológico para reducir la concentración de nitrato y selenio a los límites ELG. Para el tratamiento por evaporación, existen varios esquemas que deben considerarse, no todos los cuales requieren tratamiento físico/químico, como se muestra en la Figura 2.

Los enfoques evaporativos para el cumplimiento de ELG suelen ser el ablandamiento parcial en frío de cal y sosa de las aguas residuales de FGD, seguido de concentración y/o cristalización. Alternativamente, las aguas residuales de FGD se pueden concentrar directamente sin ablandarlas y luego mezclarlas en un molino de barro con cenizas volantes (y cal) para generar una mezcla sólida que fija metales y puede eliminarse en un vertedero.

Es muy difícil hacer afirmaciones absolutas sobre el costo total de instalación o el costo del ciclo de vida de los sistemas de tratamiento de aguas residuales FGD, ya sean biológicos o basados ​​en evaporadores, ya que estos serán específicos del sitio. Al comparar costos, es importante considerar las diversas configuraciones del evaporador mencionadas anteriormente, así como los requisitos de redundancia.

Para tener una disponibilidad inferior al 100%, los sistemas deben contar con trenes 100% redundantes (muy costosos e innecesarios) o con cierta cantidad de almacenamiento de las aguas residuales del FGD para proporcionar un amortiguador entre el depurador del FGD y el sistema de tratamiento de aguas residuales del FGD. La cantidad de almacenamiento necesaria para lograr la disponibilidad deseada depende de varios factores. El tiempo de inactividad anticipado debido a fallas puntuales del equipo y los márgenes de diseño del sistema son consideraciones principales. Es necesario tomar decisiones en cuanto a la configuración óptima, y ​​dichas decisiones son nuevamente específicas del sitio.

Como ejemplo, considere un sistema de tratamiento de aguas residuales FGD con capacidad para 100 galones por minuto. Según el funcionamiento en otras instalaciones de evaporadores FGD, la frecuencia de limpieza del evaporador es una vez por año de funcionamiento y la duración del tiempo de inactividad es de 10 días. Si el programa de mantenimiento de la planta va a estar inactivo por un período igual anualmente, entonces el tanque de aguas residuales FGD se puede dimensionar para una falla de un solo punto, generalmente con una duración máxima de un día (144,000 galones). Proporcionar un tanque de este tipo siempre será mucho menos costoso que un tren redundante. Sin embargo, se debe considerar el costo incremental de suministrar almacenamiento adicional al determinar el volumen del tanque de almacenamiento.

También es importante considerar la capacidad nominal del sistema de tratamiento FGD versus la capacidad normal esperada, ya que puede haber una gran diferencia entre los dos. Estas diferencias pueden deberse a escenarios operativos no estándar. Si estos escenarios son de corta duración, entonces puede tener sentido considerar el almacenamiento basado en la capacidad normal. La razón de esto es que normalmente se pueden anticipar y programar las paradas cuando las aguas residuales del FGD se generan a un ritmo normal (a diferencia de la capacidad nominal). En algunas situaciones, estas consideraciones pueden marcar la diferencia entre elegir un tren redundante o un almacenamiento de aguas residuales FGD más grande.

También es importante tener en cuenta que la norma ELG difiere el cumplimiento hasta noviembre de 2023 para la instalación de sistemas basados ​​en evaporadores, mientras que las instalaciones que opten por cumplir utilizando sistemas de tratamiento biológico deben estar operativas a partir de noviembre de 2018, o según lo determine su autoridad de permisos. El impacto económico de la inversión diferida debe evaluarse al comparar las soluciones de cumplimiento de ELG biológicas y basadas en evaporadores.

Los esquemas de tratamiento biológico y de tratamiento por evaporador desempeñarán un papel en el cumplimiento de los ELG de aguas residuales de FGD. No existe una solución única para todos, ya que los costos de capital, instalación y operación son específicos del sitio. Ambos esquemas de tratamiento tienen ventajas y desventajas que deben evaluarse, incluidas opciones de evaporadores alternativos que pueden eliminar la necesidad de pretratamiento, cristalizadores y equipos de deshidratación de torta de sal. Además, los requisitos de despido deberían evaluarse cuidadosamente para ambos sistemas. Se debe considerar la posibilidad de proporcionar un volumen de amortiguación entre el depurador FGD y el sistema de tratamiento de aguas residuales en lugar de equipos redundantes.

Finalmente, el riesgo de un futuro endurecimiento de los límites de efluentes debe evaluarse en relación con la vida útil proyectada de la planta. El esquema de tratamiento por evaporador elimina las aguas residuales FGD de la descarga de efluentes de las plantas, mientras que el esquema biológico puede no ser capaz de adaptarse. ■

—Dan Bjorklund ([email protected]) es vicepresidente de ICD en Aquatech International.

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