Projekt 14731/01

Entwicklung eines innovativen, miniaturisierten und nahezu wartungsfreien Online-Meßsystems zur Erkennung und Bestimmung von Abwasserparametern und Schadstofffrachten in Kanalisationen; 1. Projektphase: Vorprogramm – Sondentest

Projektträger

GEOS Daten- und Umwelttechnik GmbH
Celler Str. 81
38114 Braunschweig
Telefon: 0531/509066

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Zielsetzung des Projektes war der Test von neuartigen chalkogenen Glassensoren, die an der Universität St. Petersburg für die Schwermetalldetektion in der flüssigen Phase entwickelt worden waren, bezüglich Ihrer Abwassertauglichkeit unter realen Kanalbedingungen (Alterung, Messwertdrift, Stantzeiten, Verbrauch und Messgenauigkeit). Im Falle der Eignung sollten diese Sensoren in ein zu miniaturisieren-des online-Messsystem integriert werden. Es waren folgende Parametersonden zu untersuchen: Cd2+, Cu2+, Pb2+, Zn2+, Fe3+. Für die einzelnen Parameter (Blei, Cadmium, Kupfer, Eisen) sollen jeweils 5 Sensoren im Rahmen von umfangreichen Labortests und Feldtests eingesetzt werden. Im Vordergrund sollte die Klärung folgender Fragestellungen stehen: Reproduzierbarkeit der Messungen, Dirft-Erscheinungen, dynamisches Verhalten des Sensors, Bereiche einer sicheren Konzentrationsmessung, Erscheinungen/ Auffälligkeiten beim Feldtest.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Projekt gliederte sich in folgende Arbeitsschritte:
1. Erarbeitung eines Testprogramms zur Untersuchung der Möglichkeit und der Grenzen der industriellen Nutzung neuartiger Glassensoren;
2. Hardware- und Elektronikentwicklung zum Anschluss der Sensoren;
3. Entwicklung der benötigten Software (Schnittstelle Sensor/ Erfassungssoftware);
4. Durchführung der Sensortests (Kalibrierung der Sensoren an den Datenlogger, Tests im Labormaßstab, Sensoreinstellung, Testergebnisse mit den Blei-, Cadmium-, Kupfer-, Eisen-Sensoren bzw. der Hintergrundlösung, Tests im Feldmaßstab, Grundtests, Kurz- und Langzeituntersuchungen bezüglich Drift, Selektivität, Sensorverschmutzung, Beurteilung des Wartungsaufwands, Auswertung der Testdaten und Beurteilung der neuartigen Glassensoren;
5. Erarbeitung von konzeptionellen Vorschlägen zur Integration der neuartigen Glassensoren in das Gesamtkonzept innovativer Messsysteme zur Bestimmung schwer messbarer Parameter;
6. Zusammenfassung/ Auswertung
7. Literatur


Ergebnisse und Diskussion

Insgesamt zeigten die Sensortests nach Einschätzung der GEOS Daten- und Umwelttechnik GmbH, dass die an der Universität St. Petersburger entwickelten neuartigen chalkogenen Sensoren eine gute Möglichkeit zur online-Detektion von ausgewählten Kationen boten. Die ersten, zeitlich etwas eingeschränkten, Feldtests bestätigten, dass diese Sensoren auch unter Realbedingungen gute Ergebnisse liefern (siehe Abschlussbericht). Auf Grund der Kanaleignung dieser Sensoren boten sich neue Möglichkeiten für die pragmatische Anwendung von Mustererkennungsverfahren an.
Auf Basis der Ergebnisse wurde folgendes Konzept entwickelt:
- in einem stationären Prozesszustand besteht zwischen der Summe der Signale der Einzelparameter und dem Wert des Ausgangssignals (Summenparameter) ein definitiver Zustand;
- bei Abweichungen der Messsignale von dem genannten Zustand sind triviale Schwankungen auszuschließen (Schwellenwert);
- tritt trotzdem ein Aktionspotenzial (z. B. Leitfähigkeit) auf, so ist davon auszugehen, dass Veränderungen in der Summe der Einzelparameter vorliegen;
- Unter Nutzung der trainierten Eingangs- und Ausgangsschichten eines neuronalen Netzes ist eine Aussage darüber zu liefern, ob der o.g. kausale Zusammenhang wirksam ist;
- Die am PC angezeigten Veränderungen, z. B. der Leitfähigkeit, ist so zu interpretieren, dass sich die Primärdaten der Einzelparameter verändert haben müssen;
- Weichen die berechneten und die gemessenen Parameter stark ab, so ist das neuronale Netz erneut zu trainieren. Dabei sind die mathematischen Zusammenhänge zwischen Einzel- und Summenparameter sehr von Vorteil.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Es war vorgesehen, die Ergebnisse in Fachzeitschriften zu veröffentlichen. Das Messsystem sollte auf Messen vorgestellt werden.


Fazit

In der ersten Phase des geplanten Gesamtprojektes sollte zunächst eine Aussage über die Eignung der Sonden im Abwasser bezüglich Alterung, Messwertdrift, Standzeit, Verbrauch und Genauigkeit der Sonden unter realen Kanalbedingungen getroffen werden. Die Auswahl der Parameter entsprach den allgemeinen Anforderungen der Indirekteinleiter-Verordnung und korrelierte andererseits mit der Verfügbarkeit der zu testenden Sonden. Diese Arbeiten wurden mit Erfolgen abgeschlossen.
Die neuartige Sensorik sollte keine chemische Analyse ersetzen. Es sollte vielmehr ein miniaturisiertes Messgerät gesteuert werden, welches eine gezielte Probenahme und eine Frühwarnung vor hohen Schadstofffrachten im Zulauf zur Kläranlage ermöglichte und mit geringstem manuellen Aufwand sicher zu betreiben war.
Die Extrapolation von an Schwebstoffen gebundenen Schwermetallen auf den gesamten Schwermetallgehalt im Abwasser sowie die Langzeittests mit Untersuchungen des biologischen Bewuchses (Parameter AOX und TOC) hätten Gegenstand der zweiten Phase sein sollen. Der Antrag AZ 14731/02 der GE-OS Daten- und Umwelttechnik GmbH von August 2000 für die Weiterentwicklung des Messsystems wurde allerdings aufgrund der eingetretenen unternehmensspezifischen Situation im März 2001 zurückgezogen.