位于亚琛的弗劳恩霍夫激光技术研究所ILT正在测试一种新型的基于激光的浸入式探头，作为与工业合作伙伴和用户合作的项目的一部分，该探头可以为污水处理厂水处理过程的连续在线监测铺平道路。
2D荧光测量方法直接在澄清池中现场生成光谱数据。与智能评估软件相结合，该过程是实现能源和资源节约型水处理的关键。
该产品将在IFAT2024上首次向公众展示，IFAT2024是位于慕尼黑的世界领先的水、污水、废物和原材料管理贸易展览会。
为了监测废水处理厂的水处理过程，操作人员迄今为止一直依赖24小时复合样本。这些数据全天连续收集，然后在实验室中分析总参数，例如有机碳总量(TOC)、溶解有机碳(DOC)或生物物质完全有氧降解所消耗的氧气量(生物需氧量;
然而，鉴于城市地区人口密度的不断增加和废水成分的变化，这种24小时网格正在达到其极限。更密切的监测不仅需要对处理后的废水的质量进行监测。
如果操作员能够跟踪总参数的测量值在正在进行的处理过程中如何变化，那么对能源和昂贵的操作材料的需求也可以显着减少，这些材料在生产过程中通常对环境有害。因此，他们可以根据这些实时数据更有效地控制他们的工厂。
新型浸入式探头检测废水中荧光团的排放
弗劳恩霍夫ILT的一个研究团队目前正在奠定技术基础，使这种基于数据的水处理成为现实。其核心是一种新型的基于激光的浸入式探头，它将实验室的水分析结果直接传输到澄清池中。
“我们利用了与水质相关的物质在特定波长的光激发下会发出荧光的现象。我们的浸入式探头以紫外和可见光谱范围之间的不同波长激发这些荧光团，并检测发射的荧光信号，”ChristophJanzen博士解释道，生物分析专家，负责FraunhoferILT的研究项目。
在线二维荧光分析的目标包括氨基酸色氨酸(TRP)、酪氨酸(TYR)、苯丙氨酸(PHE)和腐殖酸(HS)。由于其激发波长范围从PHE的260纳米到HS的350纳米，该团队将探针与可调光源耦合。
“这可以用特定波长激发所有目标物质。如果废水中存在它们，它们就会发出特有的长波荧光信号，”他说。当使用灵敏的光谱仪时，可以记录每个激发波长的荧光光谱。
这会产生记录激发波长以及相应光发射的二维图。这些所谓的激发发射矩阵将检测到的荧光信号可视化，并为操作员提供有关处理过程每个阶段废水中有机污染负荷的精确信息。
“这种2D荧光测量可以在处理过程中直接在线记录废水的特征总和参数。迄今为止，传统工艺只能在实验室中离线执行此操作。
Janzen解释说：“用于确定总参数的市售在线探针通常仅在有限的参数范围内可靠，并且如果废水成分变化很大，则会提供错误的测量数据。”
为了验证测量结果，除了荧光数据之外，还可以使用浸入式探头记录透射光谱。
精密集成于方便的潜水式探头中
该项目团队以弗劳恩霍夫ILT广泛的光学设计和测量技术专业知识为基础，以方便的浸入式探头的形式实施复杂的在线测量过程。到目前为止，测量通常是在实验室设备中离线进行的。
激光点燃氙等离子灯用作光束源，因为它具有高亮度和低热损失。使用单色仪从光中滤出所需的波长，并通过光纤传输到浸入式探头。在那里，它通过透镜进行准直，并通过非球面光学器件聚焦在测量点上。
同一光学系统通过第二个准直透镜将所需物质的荧光信号耦合到另一根光纤中，然后将它们传输到基于CCD的光谱仪。该团队在与工业和研究合作伙伴的联合研究项目中开发的软件用于评估和可视化测量数据。
亚琛研究团队在“Fluo-Monitor——用于在线水和废水监测的二维荧光探针”项目中与一家中型测量技术供应商、一家水管理研究所和地区水务局合作开发了该探针。当前的AIX-Watch项目将继续开发2D荧光测量方法并在实际条件下进行测试。
“中期目标是通过连续在线测量来优化废水处理厂的控制和调节，”Janzen说。操作员必须检查并记录其工厂是否符合TOC、DOC和BOD等总参数的限值。新的二维荧光过程并不直接记录这些。然而，记录的氨基酸和腐殖酸与总参数相关。
“已经有数学模型可以从这些相关性中推导出总参数的值。如果这些模型能够处理由我们的潜水探头提供的连续收集的在线测量数据，那么未来分析的准确性将继续提高，”Janzen解释道。这将使运营商能够在线访问其水处理过程的状态，并使他们能够相应地调整其运营策略。
利用人工智能和在线传感器进行智能、自适应水处理
这将使基于激光的浸入式探头成为智能水处理的基本技术。当它与在线传感器技术和人工智能相结合时，尽管废水成分存在波动，用户仍可以仅使用符合法律限制实际所需的能源和昂贵的操作材料(例如臭氧)。
“当我们在这里使用数学模型时，我们仍然需要用传统的离线分析来支持这一点，”Janzen强调。然而，学习模型是一种很有前途的自适应废水处理方法，它基于在线测量，并将其操作策略定位于水的实际状态及其当前成分。
为了准备该工艺的广泛使用，FraunhoferILT的团队正在继续并行开发该探针。Janzen表示，一种方法是使用更具成本效益的LED，而不是可调谐氙气等离子光源。这是因为在数据挖掘和人工智能的背景下，快速扩展数据库显得尤为重要。
更具成本效益的浸入式探头是实现这一目标的一种方法。Janzen解释道：“诚挚邀请感兴趣的人士前往IFAT2024的弗劳恩霍夫联合展位(B3厅，338号展位)了解有关新二维荧光测量工艺及其未来潜力的更多信息。”