Abwasser in Echtzeit analysieren
Um die Zusammensetzung von Abwasser in Echtzeit zu monitoren, nutzen Forschende eine lasergezündete Xenon-Plasma-Lampe. Manuell durchgeführte Mischproben könnten dadurch überflüssig werden.
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Bisher überwachen Kläranlagen ihre Wasseraufbereitungsprozesse durch 24-Stunden-Mischproben, die im Verlauf des Tages gesammelt und im Labor analysiert werden. Doch mit der zunehmenden Bevölkerungsdichte und immer stärker variierenden Abwasserzusammensetzungen stoßen diese traditionellen Methoden an ihre Grenzen. Sie sind einfach zu langsam und stellen nicht häufig genug relevante Messwerte zur Verfügung.
Eine genauere Überwachung ist nicht nur für die Qualität des gereinigten Wassers wichtig, sondern könnte auch dabei helfen, den Energiebedarf und den Einsatz teurer, oft umweltbelastender Betriebsstoffe zu reduzieren. Durch eine Echtzeitüberwachung könnten die Betreiber der Kläranlagen ihre Anlagen effizienter steuern und schubartige Belastungen im Abwasser schneller ausgleichen, indem sie die Veränderungen der Messwerte der Summenparameter im laufenden Prozess kontinuierlich nachverfolgen.
Ein Team von Forschenden am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) entwickelt gerade die Technologie, um eine fortschrittliche Methode zur Wasseraufbereitung umzusetzen. Dazu gehört eine neue Art von Tauchsonde, die Laserlicht verwendet, um die Wasserqualität direkt in den Klärbecken zu überprüfen.
Abwasser monitoren: Kleine Sonde mit großer Wirkung
Christoph Janzen, Experte für Bioanalytik am Fraunhofer ILT, erklärt, wie es funktioniert: „Wir nutzen Licht, um bestimmte Stoffe im Wasser zum Leuchten zu bringen, die wichtig für die Wasserqualität sind. Unsere Tauchsonde verwendet verschiedene Lichtwellenlängen, um diese Stoffe anzuregen und dann ihre Leuchtsignale zu messen.“ Die Sonde zielt darauf ab, Stoffe wie Tryptophan, Tyrosin, Phenylalanin und Huminsäuren zu identifizieren.
Da diese Stoffe auf unterschiedliche Wellenlängen reagieren, wird die Sonde mit einer flexiblen Lichtquelle verbunden. „Diese Lichtquelle kann alle Stoffe mit ihren spezifischen Wellenlängen anregen. Wenn sie im Abwasser vorhanden sind, senden sie ein charakteristisches Leuchtsignal aus“, sagt Janzen. Mit einem speziellen Messgerät können sie dann für jede Wellenlänge ein Leuchtspektrum aufzeichnen.
Um das komplizierte Inline-Messverfahren, das bisher meistens in Laboreinrichtungen offline durchgeführt wurde, in eine handliche Tauchsonde mit dem sogenannten 2D-Fluoreszenzverfahren umzusetzen, hat das Team die umfangreichen Fachkenntnisse des Fraunhofer ILT in Optikdesign und Messtechnik genutzt. Als Lichtquelle wird eine Xenon-Plasma-Lampe verwendet, die sehr hell ist und wenig Wärme abgibt. Mit einem Monochromator wird das Licht der Lampe auf die gewünschte Wellenlänge gefiltert und über eine optische Faser zur Tauchsonde geleitet. Dort wird das Licht mithilfe einer Linse fokussiert, um es genau am Messpunkt zu platzieren.
Die gleiche Optik lenkt die Fluoreszenzsignale der gesuchten Stoffe über eine zweite Linse in eine weitere Faser, die sie zu einem CCD-Spektrometer bringt. Zur Auswertung und Darstellung der Messergebnisse wird eine spezielle Software verwendet, die das Team im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojekts mit Industrie- und Forschungspartnern entwickelt hat.
Ausweitung des Messumfangs mit mathematischen Modellen
Im aktuellen BMBF-Förderprojekt AIX-Watch geht es darum, die 2D-Fluoreszenz-Messmethodik weiterzuentwickeln und in realen Situationen zu testen. Das langfristige Ziel ist es, die Steuerung und Regelung von Kläranlagen anhand kontinuierlicher Inline-Messungen zu verbessern. Betreiber müssen sicherstellen, dass ihre Anlagen die Grenzwerte für Summenparameter, beispielsweise für organische Kohlenstoffe einhalten.
Obwohl das neue 2D-Fluoreszenzverfahren diese Parameter nicht direkt erfasst, gibt es eine Verbindung zwischen den gemessenen Aminosäuren und Huminsäuren und den Summenparametern. Es gibt bereits mathematische Modelle, die basierend auf diesen Verbindungen die Werte der Summenparameter vorhersagen können. Wenn diese Modelle kontinuierliche Inline-Messdaten, die von den neu entwickelten Tauchsonden geliefert werden, nutzen, wird die Genauigkeit der Analyse zunehmend verbessert.
Weiterentwicklung für breiten Einsatz
Betreiber hätten dann nach Einschätzung von Janzen direkten Zugriff auf den Status ihrer Wasseraufbereitungsprozesse und könnten ihre Betriebsstrategien entsprechend anpassen. „Da wir uns hier im Bereich mathematischer Modelle bewegen, bedarf es noch der Absicherung durch herkömmliche Offline-Analysen“, erklärt der Wissenschaftler. Doch er ist zuversichtlich, dass lernende Modelle einen immer größeren Raum in der Abwasseranalyse einnehmen werden. Um das Verfahren für einen breiten Einsatz vorzubereiten, tüftelt das Team am Fraunhofer ILT aktiv an der Weiterentwicklung der Sonde.
Eine vielversprechende Strategie besteht laut Janzen darin, preiswertere LEDs anstelle der durchstimmbaren Xenon-Plasma-Lichtquelle einzusetzen. Denn im Kontext von Data Mining und KI ist es von großer Bedeutung, die Datenbasis rasch zu erweitern. Kostengünstigere Tauchsonden sind nach Einschätzung des Forschers ein Weg, um diesem Ziel näherzukommen.
