Wasser ist die Quelle des Lebens und die Grundlage der Ökologie. Von Flüssen, Seen und Meeren bis hin zu den Wasserhähnen Tausender Haushalte steht die Sicherheit der Wasserqualität in direktem Zusammenhang mit der ökologischen Sicherheit, der Gesundheit der Menschen sowie einer nachhaltigen wirtschaftlichen und sozialen Entwicklung. In der Vergangenheit war die Überwachung der Wasserqualität eine mühsame und zeitaufwändige Aufgabe, die manuelle Probenahme und Laboranalyse erforderte. Diese Methode war nicht nur ineffizient, sondern hatte auch Nachteile wie Datenverzögerungen und mangelnde Repräsentativität. Heutzutage, mit der rasanten technologischen Entwicklung, verändert ein „intelligentes Auge“, das mehrere Funktionen integriert – ein Multiparametersensor für die Wasserqualität – unsere Wahrnehmung und unser Verständnis der Wasserwelt grundlegend.

1. Was ist ein Multiparametersensor für die Wasserqualität?

Der Multiparametersensor für die Wasserqualität ist ein hochintegriertes, intelligentes Überwachungsgerät, das mithilfe fortschrittlicher Sensortechnologie mehrere wichtige physikalische, chemische und biologische Indikatoren im Wasser gleichzeitig, kontinuierlich und vor Ort messen kann.

Der besondere Reiz liegt in der Integration mehrerer Parameter. Bei herkömmlichen Methoden werden zur Messung von pH-Wert, gelöstem Sauerstoff (DO), Leitfähigkeit (TDS), Trübung usw. unterschiedliche Instrumente und Reagenzien benötigt. Multiparametersensoren integrieren mehrere unabhängige Sensormodule auf raffinierte Weise in eine Sonde oder ein kompaktes System. So können mit nur einem Einsatz vollständige Daten zur Wasserqualität gewonnen werden, was die Effizienz und den Komfort der Überwachung erheblich verbessert.

Zu den gängigen Kernüberwachungsparametern gehören:

• Physikalische Indikatoren: Temperatur, Trübung, Leitfähigkeit (Gesamtgehalt gelöster Feststoffe TDS kann berechnet werden).

• Chemische Indikatoren: pH-Wert, Oxidations-Reduktionspotential (ORP), gelöster Sauerstoff (DO).

• Umfassende Indikatoren: Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB), Ammoniakstickstoff (NH3-N), Nitrat (NO3-), Chlorophyll-a, Blaualgen usw. (spezielle Sensormodule sind erforderlich).

2. Grundsätze und Vorteile der Kerntechnologie

Der technologische Grundstein von Multiparametersensoren sind verschiedene fortschrittliche Sensortechnologien, wie z. B. fotoelektrische Sensorik, elektrochemische Sensorik, Ultraschallsensorik usw.

PH-Sensor: Typischerweise wird die Glaselektrodenmethode verwendet, um die Wasserstoffionenkonzentration durch Messung der Potenzialdifferenz auf beiden Seiten des Glasfilms zu messen.

Sensor für gelösten Sauerstoff: Die gängige Methode ist die Fluoreszenzlöschung (optische Methode). Die fluoreszierende Substanz auf der Sensoroberfläche wird durch Licht einer bestimmten Wellenlänge angeregt. Die Sauerstoffkonzentration im Wasser beeinflusst die Fluoreszenzintensität und -lebensdauer. Durch Messung dieser Veränderungen der optischen Eigenschaften lässt sich der gelöste Sauerstoffgehalt genau berechnen. Diese Methode benötigt keinen Elektrolyten, erfordert nur minimale Wartung und ist hochstabil.

Trübungssensor: Dabei wird häufig das Prinzip der 90°- oder 180°-Streulichtstreuung verwendet, um einen Lichtstrahl auszusenden und die Intensität des von den Schwebeteilchen im Wasser gestreuten Lichts zu messen und so den Trübungsgrad des Wassers zu bestimmen.

Leitfähigkeitssensor: Basierend auf dem Ohmschen Gesetz wird seine Leitfähigkeit durch Messen des Widerstands von Wasser zwischen zwei Elektroden berechnet.

Seine wesentlichen Vorteile liegen in:

• Echtzeit und Kontinuität: Bietet einen ununterbrochenen Datenstrom rund um die Uhr, der vorübergehende und plötzliche abnormale Änderungen der Wasserqualität erfassen kann, die mit einer manuellen Probenahme nicht vergleichbar sind.

• In-situ-Überwachung: Sensoren werden direkt im getesteten Gewässer platziert, wodurch potenzielle qualitative Veränderungen, die während des Transports und der Lagerung der Proben auftreten können, vermieden werden, was zu authentischeren und repräsentativeren Daten führt.

• Hohe Effizienz und niedrige Kosten: Ein Gerät kann für mehrere Zwecke eingesetzt werden, wodurch Kosten und Zeit für häufige Probenahmen und umfangreiche Laboranalysen gespart werden. Auf lange Sicht sind die umfassenden Vorteile enorm.

• Integration und Intelligenz: Durch die tiefe Integration mit moderner Internet of Things (IoT)-Technologie können Daten in Echtzeit über drahtlose Technologien wie 4G/5G, LoRa, NB IoT usw. an Cloud-Plattformen übertragen werden, was Fernüberwachung, Big-Data-Analyse und intelligente Warnungen ermöglicht.

3. Weit verbreitete Szenarien

Dieses „Auge der Weisheit“ spielt in verschiedenen Branchen eine entscheidende Rolle:

• Umweltüberwachung und ökologischer Schutz: Wird für die langfristige ökologische Überwachung von Flüssen, Seen, Stauseen, Ozeanen und anderen Gewässern verwendet, um Umweltrisiken wie Eutrophierung und Algenblüten zu bewerten und um Daten als Grundlage für Governance-Entscheidungen bereitzustellen.

• Smart City und Wassermanagement: Wird am Zulauf, in der Prozessaufbereitungseinheit und am Ablauf von Wasserwerken installiert, um eine geschlossene Überwachung der Wasserqualität während des gesamten Prozesses zu erreichen und so die Sicherheit des Trinkwassers zu gewährleisten. Wird zur Überwachung des Zuflusses und Abflusses von städtischen Entwässerungsnetzen und Kläranlagen verwendet, um die Betriebseffizienz zu verbessern.

• Aquakultur: In Aquakulturteichen mit hoher Dichte werden wichtige Parameter für das Überleben der Fische wie pH-Wert und gelöster Sauerstoff in Echtzeit überwacht. Bei Abweichungen wird sofort ein Alarm ausgelöst und Geräte wie Belüfter können angeschlossen werden, um Risiken effektiv zu vermeiden und wirtschaftliche Verluste zu reduzieren.

• Überwachung industrieller Prozesse und Emissionen: In Branchen wie der Lebensmittel-, Pharma- und Chemieindustrie wird die Qualität des in Produktionsprozessen verwendeten Wassers überwacht. Gleichzeitig ist die strenge Überwachung der Abwassereinleitung aus den Abwassereinlässen der Unternehmen zur Sicherstellung der Einhaltung der Standards die „Frontlinie“ der Umweltschutzaufsicht.

• Wissenschaftliche Forschung und Wasserbau: Bereitstellung hochfrequenter und hochpräziser Rohdaten für die wissenschaftliche Forschung in Bereichen wie Hydrologie, Geologie und Umwelt; Verwendung zur Gewährleistung der Wasserqualität und -sicherheit bei groß angelegten Wassertransferprojekten wie dem South-North-Water-Diversion-Projekt.

4. Herausforderungen und Zukunftsaussichten

• Trotz ihrer herausragenden Vorteile sind Multiparametersensoren auch mit einigen Herausforderungen konfrontiert: Biofouling kann die Sensorgenauigkeit beeinträchtigen und erfordert daher moderne Materialien zum Schutz vor Verschmutzung oder automatische Reinigungsgeräte. Die komplexe Wasserumgebung stellt höhere Anforderungen an die Langzeitstabilität und Entstörungsfähigkeit der Sensoren. Gleichzeitig haben die hohen Anfangsinvestitionen und der Bedarf an professioneller Wartung ihre Popularität in gewissem Maße eingeschränkt.

• Mit Blick auf die Zukunft wird die Entwicklung von Multiparameter-Wasserqualitätssensoren folgende Trends aufweisen:

• Miniaturisierung und geringerer Stromverbrauch: Sensoren auf Basis der MEMS-Technologie (Micro Electro Mechanical Systems) werden kleiner und energieeffizienter sein und sich für mobile Überwachungsplattformen wie Drohnen und Unterwasserroboter sowie für unbemannte Langzeitszenarien eignen.

• Höhere Integration und mehr Parameter: In Zukunft könnte ein Sensor Dutzende von Überwachungsfunktionen integrieren, darunter auch schwer messbare Indikatoren wie Schwermetalle und organische Schadstoffe.

• Selbstreinigung und Selbstkalibrierung: Durch den Einsatz intelligenter Materialien und neuer Technologien lässt sich das Problem der biologischen Verschmutzung wirksam lösen und eine Selbstdiagnose sowie automatische Kalibrierung der Sensoren erreichen, wodurch die Wartungskosten erheblich gesenkt werden.

• Tiefe Integration künstlicher Intelligenz: Durch die Kombination von KI-Algorithmen können Sensoren nicht nur Daten liefern, sondern auch Trendvorhersagen, Verschmutzungsverfolgung und intelligente Diagnosen durchführen und so von der „Wahrnehmung“ zur „Erkenntnis“ und „Entscheidungsfindung“ übergehen.

Abschluss

Der Multiparametersensor für die Wasserqualität, das „intelligente Auge“, das Einblick in die Wasserwelt gewährt, ist zu einer unverzichtbaren Kerninfrastruktur für den Aufbau eines digitalen Wassermanagements und eines intelligenten Umweltschutzes geworden. Er macht bisher unsichtbare Veränderungen der Wasserqualität deutlich sichtbar, beherrschbar und kontrollierbar. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie und den kontinuierlich sinkenden Kosten wird er sich unweigerlich immer stärker in unser Leben integrieren und einen beispiellosen, kraftvollen Impuls zum Schutz dieses klaren Wassers und zur Gewährleistung der globalen Wassersicherheit geben.