Laserdompelsonde voor monitoring water en afvalwater

2D-fluorescentiesonde van Fraunhofer ILT bewaakt de waterzuivering in rioolwaterzuiveringsinstallaties

Een nieuw type lasergebaseerde immersiesonde, die het Fraunhofer Instituut voor Lasertechnologie ILT in Aken test als onderdeel van door BMBF en EU gefinancierde projecten met industriële partners en gebruikers, zou de weg kunnen vrijmaken voor continue inline monitoring van waterbehandelingsprocessen in afvalwaterzuiveringsinstallaties. De 2D-fluorescentiemeetmethode genereert spectroscopische gegevens direct ter plaatse in de bezinktank. In combinatie met intelligente evaluatiesoftware is dit proces de sleutel tot een energie- en hulpbronnenefficiënte waterbehandeling.

Om de waterzuiveringsprocessen in afvalwaterzuiveringsinstallaties te monitoren, vertrouwden operators tot nu toe op 24-uurs composietmonsters. Deze worden gedurende de dag continu verzameld en vervolgens in het laboratorium geanalyseerd op somparameters. Hierbij gaat het om o.a. de totale hoeveelheid organische koolstof (TOC), opgeloste organische koolstof (DOC) of de hoeveelheid zuurstof die wordt verbruikt door de volledige aerobe afbraak van biologische stoffen (biological oxygen demand; BOD).  De Laserdompelsonde gaan dit veranderen.

Door de toenemende bevolkingsdichtheid in stedelijke gebieden en de wisselende afvalwatersamenstelling loopt dit 24-uursbemonsteren echter tegen zijn grenzen aan. Niet alleen ten aanzien van de kwaliteit van het gezuiverde afvalwater zou een intensievere monitoring wenselijk zijn. De behoefte aan energie en dure bedrijfsmaterialen, die tijdens de productie vaak schadelijk zijn voor het milieu, zou ook aanzienlijk kunnen worden verminderd. Dit als operators zouden kunnen volgen hoe de gemeten waarden van de somparameters veranderen tijdens het lopende behandelingsproces. Zo konden ze met behulp van een Laserdompelsonde hun fabrieken efficiënter aansturen op basis van deze realtime gegevens.

Nieuwe laserdompelsonde detecteert emissies van fluoroforen in afvalwater

Een onderzoeksteam van het Fraunhofer ILT legt momenteel de technologische basis om een ​​dergelijke op data gebaseerde waterbehandeling werkelijkheid te maken. De kern hiervan is een nieuw type lasergebaseerde dompelsonde, die de wateranalyse vanuit het laboratorium rechtstreeks naar de zuiveringsinstallaties overbrengt. “We maken gebruik van het fenomeen dat stoffen die relevant zijn voor de waterkwaliteit fluoresceren als ze worden bestraald met specifieke golflengten licht. Onze immersiesonde bestraalt deze fluoroforen met verschillende golflengten tussen het UV- en zichtbare spectrale bereik en detecteert de uitgezonden fluorescentiesignalen”, legt Dr. Christoph Janzen uit, specialist in bioanalytiek, die verantwoordelijk is voor het onderzoeksproject bij Fraunhofer ILT. Doelstellingen voor inline 2D-fluorescentieanalyse omvatten de aminozuren tryptofaan (TRP), tyrosine (TYR), fenylalanine (PHE) en de groep van humuszuren (HS).

Omdat de golflengten voor hun excitatie variëren van 260 nanometer voor PHE tot 350 nanometer voor HS, koppelt het team de sonde aan een afstembare lichtbron. “Dit kan alle doelstoffen met hun specifieke golflengten aanlichten. Als ze in het afvalwater aanwezig zijn, zenden ze hun kenmerkende fluorescentiesignaal met langere golflengte uit”, zegt hij. Wanneer een gevoelige spectrometer wordt gebruikt, kan voor elke excitatiegolflengte een fluorescentiespectrum worden geregistreerd.

2D-kaarten

Dit resulteert in 2D-kaarten die de excitatiegolflengten samen met de bijbehorende lichtemissie registreren. Deze zogenaamde excitatie-emissiematrices visualiseren de gedetecteerde fluorescentiesignalen en bieden operators nauwkeurige informatie over de organische vervuilingsbelasting in het afvalwater in elke fase van het zuiveringsproces. “Deze 2D-fluorescentiemeting maakt het mogelijk om tijdens het zuiveringsproces direct inline de karakteristieke somparameters van het afvalwater vast te leggen.

Tot nu toe kunnen conventionele processen dit alleen offline in het laboratorium doen. Commercieel verkrijgbare inline-sondes voor het bepalen van somparameters zijn vaak alleen betrouwbaar in een beperkt parameterbereik en leveren onjuiste meetgegevens op als de samenstelling van het afvalwater sterk varieert”, legt Janzen uit. Om de metingen te valideren, is het naast de fluorescentiegegevens ook mogelijk om transmissiespectra op te nemen met de immersiesonde.

Geavanceerde integratie in een handige dompelsonde

Het projectteam heeft voortgebouwd op de uitgebreide expertise op het gebied van optisch ontwerp en meettechnologie van de Fraunhofer ILT. Dit om het complexe inline-meetproces te implementeren in de vorm van een handige dompelsonde. Tot nu toe werden de metingen veelal offline uitgevoerd in laboratoriumapparatuur. Een xenon-plasmalamp die met een laser geactiveerd wordt, dient als stralingsbron. Hiervoor is gekozen omdat deze een hoge helderheid en een laag warmteverlies heeft.

De gewenste golflengte wordt met behulp van een monochromator uit het licht gefilterd en via een optische vezel naar de immersiesonde gestuurd. Daar wordt het gecollimeerd met een lens en door middel van asferische optica op het meetpunt gefocust. Hetzelfde optische systeem koppelt fluorescentiesignalen van de gezochte stoffen via een tweede collimatorlens aan een andere vezel, die ze doorstuurt naar een op CCD gebaseerde spectrometer. Voor het evalueren en visualiseren van de meetgegevens wordt software gebruikt die door het team is ontwikkeld in een gezamenlijk onderzoeksproject met partners uit de industrie en het onderzoek.

Fluo-Monitor

Het onderzoeksteam uit Aken heeft de sonde zelf ontwikkeld. Dit hebben ze gedaan in het door de EU gefinancierde project “Fluo-Monitor – 2D fluorescentiesonde voor inline water- en afvalwatermonitoring”. Dit samen met een middelgrote leverancier van meettechnologie, een onderzoeksinstituut voor waterbeheer en een regionaal waterschap. Het huidige door de BMBF gefinancierde project AIX-Watch zal de 2D-fluorescentiemeetmethodologie blijven ontwikkelen en testen onder reële omstandigheden. “Het doel is om de controle en regeling van afvalwaterzuiveringsinstallaties te optimaliseren met behulp van continue inline-metingen”, zegt Janzen. Exploitanten moeten controleren en documenteren dat hun installatie voldoet aan de grenswaarden voor somparameters zoals TOC, DOC en BOD.

Het nieuwe 2D-fluorescentieproces registreert deze niet rechtstreeks. De geregistreerde amino- en humuszuren correleren echter met de somparameters. “Er bestaan ​​al wiskundige modellen die uit deze correlaties de waarden van de somparameters afleiden. Als deze modellen continu verzamelde inline-meetgegevens van onze onderwatersondes verwerken, zal de nauwkeurigheid van de analyse in de toekomst blijven toenemen”. legt Janzen uit. Dit zou operators inline toegang geven tot de status van hun waterbehandelingsprocessen en hen in staat stellen hun bedrijfsstrategieën dienovereenkomstig aan te passen

Slimme, adaptieve waterbehandeling met AI en inline-sensoren

Dit zou de lasergebaseerde dompelsonde tot de basistechnologie voor slimme waterbehandeling maken. In combinatie met inline sensortechnologie en kunstmatige intelligentie kunnen gebruikers slechts de hoeveelheid energie en dure bedrijfsstoffen zoals ozon gebruiken die daadwerkelijk nodig zijn om aan de wettelijke limieten te voldoen. Dit , ondanks fluctuerende afvalwatersamenstellingen. “Omdat we hier met wiskundige modellen werken, moeten we dit nog steeds ondersteunen met conventionele offline analyses”, benadrukt Janzen.

De leermodellen zijn echter een veelbelovende aanpak voor adaptieve afvalwaterzuivering. Dit als die gebaseerd is op inline metingen en de operationele strategieën richt op de werkelijke toestand van het water en de huidige samenstelling ervan. Om het proces voor te bereiden op wijdverbreid gebruik, blijft het team van Fraunhofer ILT de sonde parallel ontwikkelen. Volgens Janzen is één aanpak het gebruik van kosteneffectievere LED’s in plaats van de afstembare xenon-plasmalichtbron. Dit komt omdat het in de context van datamining en AI vooral belangrijk is om de database snel uit te breiden. Kosteneffectievere dompelsondes zijn een manier om dichter bij dit doel te komen.