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Dieser Beitrag ist im Rahmen des Themenspecials "SPS 2019" erschienen.

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Abwasserentsorgung

Mit Sensoren gegen Umweltsünder

| Redakteur: Sebastian Human

Die Umweltbelastung durch unsachgemäß abgeleitete Abwässer ist ein Problem, die Aufklärung entsprechender Vergehen jedoch nicht immer einfach. Im industriellen Umfeld soll ein neuentwickeltes Sensorsystem zukünftig bei der Identifizierung der Verantwortlichen helfen.

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Unsachgemäß entsorgte Abwässer können dazu führen, dass Kläranlagen kippen und die Wasseraufbereitung für ganze Gemeinden beeinträchtigt wird.
Unsachgemäß entsorgte Abwässer können dazu führen, dass Kläranlagen kippen und die Wasseraufbereitung für ganze Gemeinden beeinträchtigt wird.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay)

Wo produziert wird, fallen nicht selten Abwässer an, die es zu entsorgen gilt. Tut man dies fachgerecht, sind damit wiederum Kosten verbunden. Manch vermeintlich Findigem sind diese Ausgaben für Umwelt und Gemeinwohl jedoch zu hoch und so leitet er verunreinigte Flüssigkeiten lieber auf eigene Faust und vor allem heimlich in Kanäle ein. Für die Betreiber von Kläranlagen werden solche gesetzeswidrigen Abwässer schnell zum Problem – im schlimmsten Fall führen sie dazu, dass die Kläranlagen kippen.

Fehlten den Behörden hier bisher offenbar größtenteils die Möglichkeiten, Täter zweifelsfrei zu identifizieren und diese Form der Umweltkriminalität zu verfolgen, kann sich dies nun ändern.

Sensorbasierte Beweisführung im Kanal

Zusammen mit verschiedenen Partnern ist es Forscherinnen und Forschern der Fraunhofer Institute für Integrierte Schaltungen (IIS) und für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) im Rahmen des EU-geförderten Projekts Micromole gelungen, ein Sensorsystem zu entwickeln, dass den Sicherheitsbehörden zukünftig unter die Arme greifen soll.

„Das Sensorsystem soll bestimmte Substanzen im Wasser nachweisen, die in solchen Abwässern typischerweise enthalten sind«, erläutert Dr. Matthias Völker, Gruppenleiter am Fraunhofer IIS. „Es besteht aus zwei Sensorkomponenten: Physikalischen Sensoren und einem chemischen Sensor. Weitere Systeme sind: Energiemanagement, Steuerung- und Kommunikation und ein Probenentnahmesystem.“ Mehren sich die Probleme mit solchen Abwässern in einer Kläranlage, sollen verantwortliche Instanzen auf Basis der Neuentwicklung befähigt werden, Abwassersystem an bestimmten Stellen zu überprüfen, den Kreis der Verdächtigen durch wiederholte Messungen stetig weiter einzugrenzen und so schlussendlich die Kriminellen zu identifizieren.

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Um diese Messungen vornehmen zu können, setzt zuvor ein Roboter drei Ringe im Abwasserrohr ein. Hierbei wird der erste Ring unmittelbar vor dem Zulauf der verdächtigen Firma installiert, der zweite folgt dahinter. Beide verfügen über einen physikalischen Sensor, der Parameter wie die Temperatur, den pH-Wert oder auch die Leitfähigkeit des Wassers überprüft. Die beiden Ringe stehen währenddessen übe reine Funkverbindung im Austausch und gleichen so permanent die gemessenen Werte ab. Etwaige Abweichungen können ein Indiz dafür sein, dass aus dem fokussierten Gebäude schädliche Abwässer in die Kanalisation geleitet werden.

Ein entsprechendes Signal von Ring 2 aktiviert in diesem Fall die Systeme des dritten Rings. Dieser befindet sich ein Stück weiter hinten im Rohr und verfügt über einen chemischen Sensor sowie ein Probenentnahmesystem. Dessen Mikropumpe entnimmt ein paar Mikroliter des Abwassers, verdünnt diese und leitet sie danach auf den chemischen Sensor weiter, wo sie analysiert wird. Hierzu verfügt dieser über sechs Elektroden, die von einer speziellen Beschichtung aus Polymeren ummantelt sind. Und hier wird es spannend: Diese Polymerschichten weisen Lücken auf, in die – gleich eines Puzzles - bestimmte Schadstoffe jeweils exakt hineinpassen. Integrieren sie sich auf diese Weise in die Polymerschicht, ändert sich die elektrische Kapazität dieser, was wiederum Rückschluss auf bestimmte Schadstoffe im Abwasser ermöglicht. Da das als Beweis vor Gericht allerdings nicht standhielte, entnimmt das System zusätzlich eine kleine Probe, die anschließend im Labor genauer untersucht werden kann. Um einen nachhaltigen Einsatz gewährleisten zu können, spült eine Waschlösung die angebundenen Moleküle nach jeder Messung wieder aus dem chemischen Sensor und macht diesen so bereit für einen erneuten Einsatz.

Massentest in Planung

Das komplette Sensorsystem ist das Ergebnis einer Kollaboration verschiedener Forschungseinrichtungen und Partner. Das Fraunhofer Institut IIS verantwortet in diesem Kreis die Entwicklung der Elektronik, der Signalerfassung und -auswertung des Sensormoduls sowie der Energieversorgung des Systems. Das BUS-System auf dem Metallring, der Entwurf der wasserdichten Steckkontakte zu den einzelnen Komponenten sowie der wasser- und chemikaliendichten Gehäuse stammt vom Fraunhofer IZM, das auch die Miniaturisierung der physikalischen Sensoren übernimmt.

Wurden die einzelnen Bauteile zunächst bei den Partnern im Labor geprüft, erfolgte im nächsten Schritt ein erster Praxistest mit echtem Abwasser, das durch ein künstliches Abwassersystem geschickt wurde. In einem dritten und bisher letzten Schritt wurden danach verschiedene Komponenten in einem realen Abwasserrohr getestet.

Erste Ergebnisse aus diesen Versuchen stimmen die Projektverantwortlichen optimistisch. Das Fraunhofer IZM plant bereits ein Nachfolge-Projekt, in dessen Kontext ein umfangreicher Testlauf der physikalischen Sensoren mit Partnern in fünf europäischen Städten vorgesehen ist.

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