Vorrichtung und Verfahren zur Online-Kontrolle von Trinkwasser auf Humanverträglichkeit innerhalb eines Trinkwasserversorgungsnetzes

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Online- Kontrolle von Trinkwasser auf Humanverträglichkeit innerhalb eines Trinkwasserversorgungsnetzes mit wenigstens einer Trinkwasserspeisestelle, mit der eine Vielzahl von Trinkwasser führenden Leitungen mittel- oder unmittelbar verbunden sind, die zu dezentralen Trinkwasserverbraucherstellen führen.

Stand der Technik

Infrastruktursysteme gehören zu den häufig angegriffenen Zielen des internationalen Terrorismus. Beispiele sind Verkehrsinfrastruktur,

Elektroenergieversorgungssysteme oder öl- und Gasleitungen, die bisher in der Regel mit Sprengstoff angegriffen wurden. Eine Sonderstellung unter den Infrastruktursystemen nimmt in diesem Kontext die Trinkwasserversorgung ein. Neben Sprengstoff als Angriffsart kommen hierbei auch Angriffe mit radioaktiven

Substanzen, mit Krankheitserregern und mit Giftstoffen (ABC-Angriffe) in Frage. ABC-Angriffe lassen sich geräuschlos ausführen und werden in der Regel erst sehr spät an ihren Folgen (lokal gehäuft auftretende Todesfälle, Epidemien, gehäuft auftretende Krankheitsbilder etc.) erkannt. In der Regel ist dabei weder das Angriffsmaterial noch der Angriffsort (Ort, an dem das Angriffsmaterial in das Trinkwasser eingeschleust wurde) bekannt. Der Nachweis tödlicher Krankheitserreger oder hochtoxischer Substanzen im Trinkwasser ist auf Speziallabors und entsprechende Ausrüstung und Expertise beschränkt und kann unter Umständen Tage oder Wochen dauern, wenn denn überhaupt im Trinkwasser gesucht wird. Erschwerend kommt hinzu, dass zu den bewirkten Sach- und Gesundheitsschäden ein Angriff auf die Trinkwasserversorgung eine verheerende psychologische Wirkung hat. Bei ABC-Angriffen auf die Trinkwasserversorgung kommt daher einer schnellen, möglichst on-line fähigen Detektion eines erfolgten Angriffs eine Schlüsselfunktion bei der Schadensbegrenzung und Schadensbewältigung zu.

Während der Nachweis radioaktiver Strahlung über deren ionisierende Wirkung (Geigerzähler etc.) zumindest prinzipiell schnell und zuverlässig möglich ist, gestaltet sich die Suche nach bestimmten Krankheitserregern oder nach einem der zahlreichen möglichen Giftstoffe (Biotoxine, Kampfstoffe, synthetische Giftstoffe etc.) zur sprichwörtlichen Suche nach der Stecknadel im Heuhaufen, selbst dann wenn von Anfang an das Trinkwasser in die Ursachensuche einbezogen wird.

Eine schnelle Detektion eines erfolgten Angriffs mit B- oder C-Substanzen sollte zumindest die Bestätigung des Angriffs innerhalb einer kurzen Zeitspanne (< 2 Stunden) erbringen, nur in diesem Zeitrahmen ist es noch möglich, wenigstens Teile der betroffenen Bevölkerung rechtzeitig zu warnen oder die Wasserversorgung abzustellen und Proben für anschließende Laboruntersuchungen zu gewinnen. Bei längeren Detektionszeiten muss davon ausgegangen werden, dass nicht nur die Schadwirkung kaum mehr aufgehalten werden kann, sondern auch, dass der Nachweis durch Verdünnung und Verbrauch immer schwieriger wird. Im ungünstigsten Fall findet man die Ursache der Todesfälle oder gesundheitlichen

Beschwerden im Verteilernetz gar nicht mehr, da sie durch den Wasserverbrauch bereits ausgespült werden.

Bei Detektionszeiten in der genannten Größenordnung von mehr als 2 Stunden kommt eine stoffspezifische Analytik oder eine Speziesidentifizierung nicht in Frage. Man muss sich zusammen auf die Wirkung des ins Trinkwasser eingeschleusten Materials auf den menschlichen Organismus beschränken, bei Giften also auf die direkte Schädigung des Organismus durch Vergiftung.

Die DE 10 2004 048 316 A1 beschreibt ein Quasi-Online-Verfahren und eine Anordnung zur qualitativen Bestimmung des Verkeimungsgrades in offenen Kühl- und Klimaanlagen. Dabei soll ermittelt werden, ob ein empfohlener Grenzwert von 10 ⁵ KbE (Kolonie bildende Einheiten) überschritten wird, da dann die hohe bakteriologisch Belastung zu Biofilmen, Korrosionen, Wärmeübertragungsverlusten in den Kühl- und Klimaanlagen bzw. zu Gesundheitsproblemen führen kann. Dazu wird belastetes Umlaufwasser bzw. als Referenz Trinkwasser einer Mikrodurchflussmesskammer ventilgesteuert zugeführt. Unter luftdichtem Abschluss wird die dynamische Sauerstoffzehrung über eine Sauerstoffsonde ermittelt. Unter der Voraussetzung, dass überwiegend heterotrophe Mikroorganismen sowie überwiegend gut biologisch abbaubare Substanzen das Umlaufwasser kontaminieren, wird ein qualitativer Zusammenhang zwischen Gesamtkeimzahl und biologischem Sauerstoffbedarf angenommen.

Die DE 295 13 115 U1 offenbart einen Biosensor zur Bestimmung der im Ab- oder Brauchwasser von Kläranlagen enthaltenen biologischen Substanzen, die von Mikroorganismen, z.B. bei der biologischen Abwasserreinigung, abgebaut werden. Der Biosensor erfasst die Sauerstoffzehrung, d.h. den Sauerstoffbedarf, den Mikroorganismen beim Abbau der im Abwasser enthaltenen biologischen Substanzen aufweisen. Der ermittelte biologische Sauerstoffbedarf - ein Summenparameter, der ein Maß für die Verschmutzung von Abwässern ist, dient als Messwert für steuernde Eingriffe oder Regelungen von biologischen Abwasserreinigungsprozessen.

Die DE 102 26 731 A1 zeigt eine Vorrichtung und Verfahren zur Online-Detektion biologischer Kontaminanten und deren Reste in Trinkwasser. Dazu werden Trinkwasserproben durch zwei parallel geschaltete Messzellen gepumpt. Die Messzellen enthalten jeweils eine oder mehrere Kollektorplatten aus lichtdurchlässigem Material, auf deren Oberfläche die jeweils zu beobachtenden Keime selektiv gebunden werden. Die Bindung erfolgt über Vermittlung spezieller Proteinkomplexe, insbesondere über monoklonale Antikörper. An den Kollektorplatten haftende Keime oder deren Reste können durch spektrophotometrische oder fluoreszenzphotometrische Verfahren erfasst werden. Auf dieser Weise kann Trinkwasser selektiv auf das Vorhandensein und die Konzentration von bestimmten Keimen untersucht werden. Schädliche Keime, für die keine Kollektorplatte mit entsprechenden monoklonalen Antikörpern vorgesehen ist, werden nicht erfasst. Toxische Stoffe nicht biologischer Art können nicht detektiert werden.

Darstellung der Erfindung

Es liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Online- Kontrolle von Trinkwasser auf Humanverträglichkeit innerhalb eines Trinkwasserversorgungsnetzes mit wenigstens einer Trinkwasserspeisestelle, mit der eine Vielzahl von Trinkwasser führenden Leitungen mittel- oder unmittelbar verbunden sind, die zu dezentralen Trinkwasserverbraucherstellen führen, derart weiterzubilden, dass eine schnelle, sichere und zuverlässige überprüfung des Trinkwasser möglich wird. Die hierfür zu treffenden Maßnahmen sollen Ressourcen schonend, automatisch arbeitend und möglichst kostenminimiert realisierbar sein.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 und 3 angegeben. Ein lösungsgemäßes Verfahren ist Gegenstand des Anspruches 10. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind den Unteransprüchen sowie der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Lösungsgemäß zeichnet sich eine Vorrichtung nach den Merkmalen des Oberbegriffes 1 dadurch aus, dass innerhalb des Trinkwasserversorgungsnetzes wenigstens ein vom Trinkwasser durchströmter Trinkwasserleitungsabschnitt vorgesehen ist, längs dem wenigstens ein von einem semipermeablen Begrenzungsmittel zumindest in Strömungsrichtung einseitig begrenztes Durchströmungsvolumen vorgesehen ist, in das wenigstens ein Indikatormedium einbringbar ist, das von dem Begrenzungsmittel innerhalb des Durchströmungsvolumen lokalisierbar ist, d.h. durch das Begrenzungsmittel innerhalb des Durchströmungsvolumens gegen die Strömungsrichtung zurückgehalten wird. Ferner ist zur optischen Erfassung des Indikatormediums außerhalb des Durchströmungsmediums eine erste Sensoreinheit vorgesehen, die in Kommunikation mit einer Auswerteinheit steht, in der Seitens der Sensoreinheit generierte Sensorsignale unter Zugrundelegung wenigstens einer Auswertevorschrift auswertbar sind und die bei Eintreten eines vorgebbaren Entscheidungskriteriums ein Signal erzeugt.

Alternativ zur überwachung der Trinkwasserqualität, bei der das Indikatormedium zumindest in einen Teilstrom des Trinkwassers eingebracht wird, wie vorstehend vorgeschlagen, ist es gleichfalls möglich die überwachung durch kontinuierliche Trinkwasserprobenentnahme vorzunehmen. Für diesen Fall zeichnet sich eine alternative lösungsgemäße Vorrichtung dadurch aus, dass innerhalb des Trinkwasserversorgungsnetzes wenigstens eine automatisch verschließbare Ableitung vorgesehen ist, die portionsweise sowie unter Vorgabe eines Zeittaktes eine Trinkwasserprobe aus dem Trinkwasserversorgungsnetz ausspeist. Es ist wenigstens ein bevorratbares Gefäß vorgesehen, das mit einer Manipulatoreinheit, bspw. mittels Förder- oder Robotertechnik bereitgestellt wird und in das die Trinkwasserprobe über die Ableitung eingebracht wird. über eine Zugabeeinheit wird im Weiteren ein Indikatormedium in das mit der Trinkwasserprobe gefüllte Gefäß eingebracht. Zur optischen Erfassung des Indikatormediums ist außerhalb des Gefäßes eine erste Sensoreinheit vorgesehen. Eine mit der Sensoreinheit in Kommunikation stehende Auswerteinheit vermag letztlich die Seitens der Sensoreinheit generierten Sensorsignale unter Zugrundelegung wenigstens einer

O

Auswertevorschrift auszuwerten und bei Eintreten eines vorgebbaren Entscheidungskriteriums ein Signal zu erzeugen, das bspw. als Alarmsignal dient, sofern die Trinkwasserqualität unter eine definierte Toleranzgrenze fällt.

In beiden der vorstehend bezeichneten Vorrichtungsalternativen gilt es als Indikatormedium ein auf mögliche B (biologisch)- oder C (chemisch)- Angriffsmaterialien sensibles Medium einzusetzen, das eine vergleichbare oder vorzugsweise höhere Empfindlichkeit gegenüber einem potentiellen Angriffsmaterial besitzt, als der menschliche Organismus, der gleichsam auch bei einem derartigen Angriff der toxikologischen Wirkung des vergifteten bzw. kontaminierten Leitungswasser im Wege des normalen Verbrauches ausgesetzt würde.

Somit kommt als Indikatormedium biologische Organismen oder Lebensgemeinschaft von Organismen in Frage, deren biologische bzw. toxikologische Wirkungen denen des menschlichen Organismuses möglichst nahe kommen, wobei die Reaktionszeit auf B- oder C-Angriffsmaterialien auch kürzer sein können, als beim menschlichen Organismus. Die im Weiteren als Indikatororganismen bezeichneten, einem biologischen Stoffwechsel unterliegenden Organismen weisen vorzugsweise eine makroskopische Größe auf, durch die die Organismen vorzugsweise in vereinzelter Form aber insbesondere durch Zusammenlagerung einer Vielzahl derartiger Organismen von einer bildgebenden Sensorik visuell erfassbar sind.

Die Indikatororganismen werden entweder innerhalb eines vorgegebenen Strömungsbereiches längs der Trinkwasserströmung oder innerhalb einer entnommenen Trinkwasserprobe in einem Gefäß von einer bildgebenden Sensoreinheit erfaßt, durch die die Indikatororganismen im Rahmen einer Bildauswertung hinsichtlich ihrer Farbe, Beweglichkeit und/oder räumlicher Verteilung untersucht werden. Mit Hilfe einer an die bildgebende Sensoreinheit verbundene Auswerteeinheit, in der die Sensorsignale unter vorgebbaren Bildauswerteregeln analysiert werden, kann aus den Bildern bzw. Sensorsignalen, bspw. anhand sich einstellender Farbänderungen, einer Veränderung der Vitalität

und Beweglichkeit der einzelnen Organismen oder zu Kolonien zusammengefundenen Organismen, des Grades von möglicherweise absterbenden Mikroorganismen, einer sich einstellender Trübung und/oder eines Zerfalls von lokalen Ansammlungen ein Schädigungsmaß festgestellt werden, sowie eine sich einstellende Schädigungsgeschwindigkeit, über die man eine Skalierung der Sicherheit der Detektion des in Frage kommenden Angriffs ermitteln kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird zur Verminderung der Falschalarmwahrscheinlichkeit parallel zur Untersuchung der mit dem Indikatororganen versetzten Trinkwasserprobe eine Probe mit unkontaminierten Wasser, d.h. 100%ig sauberem Wasser, mit Indikatororganismen versetzt und simultan beobachtet. Die mittels der beiden bildgebenden Sensoreinheiten gewonnenen Bildsignale werden der Bildauswerteeinheit zugeführt und im Rahmen einer Bildsignaldifferenzanlayse unterzogen. Durch den Vergleich beider jeweils durch die bildgebenden Sensoreinheiten beobachteten Indikatororganismen können natürliche Alterungserscheinungen, die nicht auf mögliche Fremdeinwirkungen zurückzuführen sind, ausgeschlossen werden,

Da mit dem Nachweis eines möglicherweise erfolgten B- oder C-Angriffs auf das Trinkwasser weitreichende, kostenträchtige und öffentlich wahrnehmbare Aktionen ausgelöst werden müssen, ist die Frage der Sicherheit des Nachweises und der Tragweite des Angriffes von besonderer Bedeutung. Die Meßwerte der lösungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung, die als Toxizitätssensor aufgefaßt werden kann, müssen daher im Kontext mit Informationen des Versorgungsnetzes, d.h. Größe und Umfang des möglicherweise angegriffenen Trinkwasserversorgungsnetzes, gegenwärtiger Wasserverbrauch, Wassertransportzeiten bis zu den jeweiligen Trinkwasserverbraucherstellen, bis hin zu Daten des Einwohnermeldeamtes und des Gesundheitsamtes, gesehen werden. Aus der Gesamtzusammenschau der verfügbaren Informationen kann letztlich eine Situationsbewertung mit der Absicherung der Notwendigkeit von Maßnahmen abgeleitet werden.

Den vorstehend beschriebenen Vorrichtungen zur Online-Kontrolle von Trinkwasser auf Humanverträglichkeit innerhalb eines Trinkwasserversorgungsnetzes mit wenigstens einer Trinkwasserspeisestelle, mit der eine Vielzahl von Trinkwasserführenden Leitungen mittel- oder unmittelbar verbunden sind, die zu dezentralen Trinkwasserverbraucherstellen führen, liegt ein gemeinsames lösungsgemäßes Verfahrensprinzip zugrunde, das sich dadurch auszeichnet, dass dem Trinkwasser innerhalb eines räumlich begrenzten Leitungsbereiches oder der Trinkwasserleitung periodisch portioniert entnommenen Trinkwasserproben biologische Mikroorganismen zugegeben wird, deren Vitalität mittels einer ersten bildgebenden Sensorik erfaßt wird, deren Bildsensorsignale im Rahmen einer Bildauswertung unter Zugrundelegung einer Auswertevorschrift analysiert werden und dass bei Entsprechen der Bildsensorsignale eines vorgebbaren Entscheidungskriteriums ein Signal erzeugt wird.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisierte Darstellung zur Online-Kontrolle des in einer Leitung fließenden Trinkwassers, sowie

Fig. 2 schematisierte Darstellung zur Online-Kontrolle periodisch portionierter

Leitungswasserentnahme.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In Figur 1 ist eine schematisierte Darstellung einer Trinkwasser-führenden Leitung 1 dargestellt, längs der eine Bypass-Leitung 2 vorgesehen ist, in die über eine Verzweigungsstelle 3 ein Teil des in der Leitung 1 geführten Trinkwassers abgezweigt wird. Längs der Bypass-Leitung 2, deren Leitungsquerschnitt sehr viel kleiner dimensioniert ist als jener der Leitung 1 , ist ein Separierungsmittel 4 vorgesehen, beispielsweise in Art eines Siebes, Gitters oder einer semipermeablen

Membran, durch die das in die Bypass-Leitung 2 abgezweigte Leitungswasser vorzugsweise ungehindert hindurchtreten kann. In Strömungsrichtung vor dem Separierungsmittel 4 ist in einem Strömungsbereich 5 ein Indikatormedium 6 eingebracht, das aus biologischem, lebenden Organismen besteht, deren biologische Eigenschaften in Bezug auf die Wirkung von toxikologischen Kontaminationen vergleichbar jenen des menschlichen Organismuses sind.

Der mit den mikrobiologischen Organismen 6 versetzte Strömungsbereich 5 längs der Bypass-Leitung 2 wird mittels einer bildgebenden Sensoreinheit 7 detektiert. Da die mikrobiologischen Organismen 6 zum Teil für das bloße Auge nicht sichtbar sind, wird der Strömungsbereich 5 oder zumindest Teilbereiche des mit den Mikroorganismen 6 versetzten Strömungsbereichs 5 mit Hilfe einer Vergrößerungsoptik 8 auf die bildgebende Sensorik 7 abgebildet. Die seitens der bildgebenden Sensorik 7 abgegebenen Sensorsignale werden einer Auswerteeinheit 9 zugeführt, die die Bildsignale unter Maßgabe entsprechender Bildauswerteregeln auswertet. Die Online-fähige bildgebende Sensorik 7 vermag in Verbindung mit der Auswerteeinheit 9 rechnergestützt eine Bildauswertung durchzuführen und insbesondere Farbänderungen, Veränderung von Vitalität und Beweglichkeit bei den Mikroorganismen 6 festzustellen bzw. auszuwerten. Auch wird die visuell wahrnehmbar Trübung des Leitungswassers durch mögliches Ausscheiden der Mikroorganismen erfaßt sowie das Absterben oder Zerfall von Koloniebildungen detektiert.

Aus den von der bildgebenden Sensorik 7 aufgenommenen Bildern bzw. Sensorsignalen kann ein Schädigungsmaß und eine Schädigungsgeschwindigkeit abgebildet werden, über die man eine Skalierung der Sicherheit der Detektion des in Frage kommenden Angriffes ermitteln kann. Zur Minderung möglicher Falschalarme wird eine vor äußeren Eingriffen sichere Trinkwasserleitung 10 in gleicher Weise überwacht. Längs der Trinkwasserleitung 10, durch die 100%ig sauberes Trinkwasser, sogenanntes Referenztrinkwasser, strömt ist gleichsam ein Separierungsmittel 4' vorgesehen, gegenüber dem stromauf in gleicher weise biologische Mikroorganismen 6 eingebracht sind. Mit Hilfe einer entsprechenden

Abbildungsoptik 8' und einer bildgebenden Sensorik 7' werden die vor äußeren Einflüssen gesicherten Mikroorganismen 6 visuell überwacht. Die von den visuellen Sensoreinheiten 7 und 7' generierten Bildsignale werden innerhalb der Auswerteeinheit 9 im Wege einer Differenzbildanalyse untersucht und bei auftretenden Abweichungen ein entsprechendes Signal zur weiteren Alarmierung generiert. Mögliche natürliche Veränderungen an den Organismen, die nicht auf Fremdeinflüsse zurückzuführen sind, können auf diese Weise eliminiert werden.

Im Gegensatz zur kontinuierlichen Betriebsweise für eine Online-Kontrolle von Trinkwasser auf Humanverträglichkeit innerhalb eines Trinkwasserversorgungsnetzes gemäß dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, sieht das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eine periodische Probenentnahme von Trinkwasser aus einer Trinkwasserleitung 1 an einer Entnahmestelle 11 vor. Die Trinkwasserprobenentnahme kann automatisch, beispielsweise mit einer Manipulatoreinheit, bspw. Robotereinheit vorgenommen werden, hierzu sind geeignete Gefäße 12 entsprechend zu bevorraten. Nach entsprechender Trinkwasserentnahme werden zur weiteren Untersuchung biologische Mikroorganismen 6 in das Gefäß 12 beigegeben, deren zeitlicher Verbleib innerhalb der Probe 12, in der das Trinkwasser strömungsfrei enthalten ist, mittels einer bildgebenden Sensorik 7 visuell erfaßt und überwacht wird. Auch in diesem Fall werden die biologischen Mikroorganismen 6 über eine Abbildungsoptik 8 und einer bildgebenden Sensorik 7 erfaßt und die hierdurch generierten Bildsignale einer Auswerteeinheit 9 übergeben. Gleichfalls wird zur Durchführung der bereits vorstehend beschriebenen Differenzbildmessung auch der zeitliche Verbleib von Mikroorganismen 6 innerhalb einer Referenztrinkwasserprobe 10' mit Hilfe einer entsprechenden Abbildungseinheit 8' und einer visuellen Sensorik T erfaßt. Diese Bildsignale werden gleichsam der Auswerteeinheit 9 zugeführt, die einer Differenzbildauswertung unterzogen werden. Der in Figur 2 dargestellte Batch- Betrieb kann gleichfalls nahezu kontinuierlich durchgeführt werden, es gilt lediglich eine geeignete periodische Zeittaktung zu wählen, mit der die zu untersuchenden Trinkwasserproben aus der Trinkwasserversorgungsleitung 1 entnommen werden.

Bezugszeichenliste

Trinkwasserleitung Bypass-Leitung Abzweigestelle , 4' Separierungsmittel , 5' Strömungsbereich, Volumenbereich biologische Mikroorganismen ,7' visuelle Bildaufnahmesensorik ,8' Abbildungsoptik Auswerteeinheit 0 Referenztrinkwasserleitung 1 verschließbare Ableitung 2 Gefäß