Slimme inline monitoring van water en afvalwater met lasertechnologie

Een nieuw type dompelsonde op basis van lasertechnologie. Het Fraunhofer Instituut voor Lasertechnologie ILT in Aken onderzoekt momenteel de mogelijkheden. De innovatie kan de weg vrijmaken voor continue inline bewaking van waterbehandelingsprocessen in afvalwaterzuiveringsinstallaties.

Om de waterzuiveringsprocessen in afvalwaterzuiveringsinstallaties te controleren, vertrouwden operators tot nu toe op samengestelde monsters van 24 uur. Deze worden continu gedurende de dag verzameld en vervolgens in het laboratorium geanalyseerd. Denk aan analyse van 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 (biologisch zuurstofverbruik; BZV). Met het oog op de toenemende bevolkingsdichtheid in stedelijke gebieden en de variërende samenstelling van afvalwater, bereikt dit 24-uurs raster echter zijn grenzen. Niet alleen met betrekking tot de kwaliteit van het gezuiverde afvalwater is nauwlettender toezicht wenselijk. Daarnaast is het wenselijk dat operators kunnen bijhouden hoe de gemeten waarden veranderen tijdens het lopende behandelingsproces. Zo zouden ze hun installaties efficiënter kunnen besturen op basis van deze realtime gegevens. Slimme inline monitoring moet uitkomst bieden.

Nieuwe dompelsonde

Een onderzoeksteam van het Fraunhofer ILT legt momenteel de technologische basis om een dergelijke data gebaseerde waterbehandeling werkelijkheid te laten worden. De kern hiervan wordt gevormd door een nieuw type dompelsonde op basis van laserstralen. De technologie brengt de wateranalyses rechtstreeks van het laboratorium naar de zuiveringsinstallaties. “We maken gebruik van het fenomeen dat stoffen die relevant zijn voor de waterkwaliteit fluoresceren wanneer ze worden aangeslagen met specifieke golflengten van licht. Onze dompelsonde wekt deze fluoroforen op met verschillende golflengten tussen het UV- en zichtbare spectrale bereik en detecteert de uitgezonden fluorescentiesignalen.” Aan het woord is Dr. Christoph Janzen. Hij is specialist in bioanalyse en verantwoordelijk voor het onderzoeksproject bij Fraunhofer ILT.

Golflengte

Doelwitten voor inline 2D fluorescentieanalyse zijn onder andere de aminozuren tryptofaan (TRP), tyrosine (TYR), fenylalanine (PHE) en de groep 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 doelsubstanties exciteren met hun specifieke golflengte. Als ze in het afvalwater aanwezig zijn, zenden ze hun karakteristieke fluorescentiesignaal met langere golflengte uit,” zegt hij. Wanneer een gevoelige spectrometer wordt gebruikt, kan voor elke excitatiegolflengte een fluorescentiespectrum worden opgenomen.

2D-kaarten

Dit resulteert in 2D-kaarten die de excitatiegolflengten samen met de bijbehorende lichtemissie registreren. Deze zogenaamde excitatie-emissie matrices visualiseren de gedetecteerde fluorescentiesignalen. En ze geven operators nauwkeurige informatie over de organische vervuiling in het afvalwater in elke fase van het behandelingsproces. “Deze 2D-fluorescentiemeting maakt het mogelijk om de karakteristieken van het afvalwater direct inline te registreren tijdens het behandelingsproces. Tot op heden kunnen conventionele processen dit alleen offline in het laboratorium doen,” legt Janzen uit. Om de metingen te valideren is het ook mogelijk om naast de fluorescentiegegevens transmissiespectra op te nemen met de dompelsonde.

Handzame dompelsonde

Het projectteam heeft gebruik gemaakt van de uitgebreide expertise op het gebied van optisch ontwerp en meettechnologie van het Fraunhofer ILT. Hierdoor was het mogelijk om het complexe inline meetproces te implementeren in de vorm van een handzame dompelsonde. Het Akense onderzoeksteam ontwikkelde de sonde zelf. Dit deed het in het door de EU gefinancierde project “Fluo-Monitor – 2D-fluorescentiesonde voor inline water- en afvalwatermonitoring”. Dit deed het team met een middelgrote leverancier van meettechnologie, een onderzoeksinstituut voor waterbeheer en een regionaal waterschap.

Continue inline metingen

Het huidige door BMBF gefinancierde project AIX-Watch zal de 2D-fluorescentiemeetmethodologie verder ontwikkelen en testen onder reële omstandigheden. “Het doel voor de middellange termijn is om de besturing en regulering van afvalwaterzuiveringsinstallaties te optimaliseren met behulp van continue inline metingen.”

Smart, adaptieve waterbehandeling met AI en inline sensoren

Wanneer de op laser gebaseerde dompelsonde wordt gecombineerd met inline sensortechnologie en artificiële intelligentie (AI), zouden gebruikers, ondanks fluctuerende afvalwatersamenstellingen, alleen de hoeveelheid energie en dure bedrijfsstoffen zoals ozon kunnen gebruiken die daadwerkelijk nodig is om aan de wettelijke limieten te voldoen. “Omdat we hier met wiskundige modellen werken, moeten we dit nog onderbouwen met conventionele offline analyses,” benadrukt Janzen.

Veelbelovende technologie

De leermodellen zijn echter een veelbelovende benadering voor adaptieve afvalwaterzuivering. Deze is gebaseerd op inline metingen en stemt de bedrijfsstrategieën af op de actuele toestand van het water en de huidige samenstelling. Om het proces voor te bereiden op wijdverspreid gebruik, blijft het team van Fraunhofer ILT de sonde parallel ontwikkelen. Volgens Janzen is één benadering het gebruik van meer kosteneffectieve LED’s in plaats van de afstembare xenon plasma lichtbron. In de context van datamining en AI is het namelijk bijzonder belangrijk om de database snel uit te breiden. Kosteneffectievere immersiesondes zijn een manier om dichter bij dit doel te komen.

Openingsfoto: De 2D-fluorescentiesonde die bij het Fraunhofer ILT is ontwikkeld, is de centrale component voor inline water- en afvalwaterbewaking (foto: Fraunhofer ILT, Aachen)

Ook interessant: Innovatieve sensor meet zuurstofgehalte van adem