Integrierte Probennahme als Lösung

Trinkwasser-Qualität sichern

Dieser Artikel soll zeigen, wie die weltweit führenden Wasserversorger bei der Qualitätskontrolle Probennahme und Analysenprozess integrieren und LIMSe zur Effizienzmaximierung dieser Programme nutzen. Als ein Beispiel für Best Practice soll hier die Northern Ireland Water dienen, ein staatliches Unternehmen, welches 800 000 Haushalte in Nordirland mit Wasser versorgt.

Weltweit stehen Trinkwasserversorger einzigartigen Herausforderungen gegenüber: Sie müssen das wichtigste Lebensmittel in großem Maßstab liefern und dabei gleichzeitig komplexe Themen wie öffentliche Sicherheit, Einhaltung von Vorschriften und Erhaltung der Infrastruktur bewältigen. In den USA sind beispielsweise 240 Mio. Menschen auf mehr als eine Million Rohre für sauberes Trinkwasser angewiesen, aber die Infrastruktur für das Wasser veraltet schnell. Allein in den USA sind große Teile davon 50 oder sogar 100 Jahre alt und Schätzungen über den Austausch des Systems reichen von 335 Mio. US-Dollar bis zum Jahr 2027 (Environmental Protection Agency (EPA)) bis hin zu einer Billion US-Dollar bis 2035 (American Water Works Association). Angesichts dieser Herausforderungen stellt sich die Frage, wie Trinkwasserversorger sicherstellen können, dass die. Menschen, die rund um den Globus öffentliches Trinkwasser nutzen, ein sicheres und zuverlässiges Produkt erhalten.

Eine häufige Antwort sind umfassende Probennahmen und Analysen der Wasserversorgung. Um die neuen strengen Normen einzuhalten, die Best Practices der Branche zu befolgen und natürlich dafür zu sorgen, dass die Kunden weiterhin sicher und zufrieden sind, bewerkstelligen Wasserversorger umfangreiche Testprogramme, indem sie Millionen von Wasserproben aus unzähligen Quellen entnehmen und testen. Die Durchführung und Auswertung dieser Tests ist eine große Aufgabe, aber Labor-Informations-Management-Systeme (LIMS), mit denen die Planung der Probennahme und Laborprozesse automatisiert und Analysendaten aus dem Labor und von außerhalb - selbst an den entlegensten Orten - integriert werden, helfen modernen Laboren dabei, nicht den Anschluss zu verlieren.

Anzeige

Die Herausforderungen moderner Wasserprobennahme
Im Verlauf der letzten zehn Jahre haben das National Environmental Laboratory Accreditation Program (NELAP) und die EPA in den USA, zusammen mit anderen Regulierungsbehörden auf der ganzen Welt, wie z.B. der Europäischen Kommission und dem Drinking Water Inspectorate im Vereinigten Königreich, strenge neue Normen zum Testen von Wasser eingeführt. Beispielsweise ermöglicht der Safe Drinking Water Act der EPA der Behörde, gesetzliche Grenzwerte für die Anteile an Verunreinigungen im Trinkwasser festzulegen, und die EPA bestimmt auch die Testmethoden für Wasser und die Zeitpläne für die Probennahme, die von den Wasserversorgern eingehalten werden müssen. Diese Verordnungen bieten eine Reihe von Protokollen, die beschreiben, was innerhalb eines multidisziplinären Wasserlabors in Übereinstimmung mit international anerkannten Normen akzeptabel ist.

Strenge Anforderungen diktieren neue, arbeitsintensive Verfahren für die Einhaltung, wie z.B. die Nachverfolgung von Proben, Beweismittelkette (Chain-of-Custody, COC), Dokumentation, Befähigungsnachweise (Demonstration of Capability, DOC), Dokumentenlenkung, Rückverfolgbarkeit von Reagenzien und Standards sowie Schulungsnachweise und Berichterstellung. Und da die Wassertestlabore eng mit Kommunen, Stadtwerken, Werken zur Wasser-Kontrolle und Wasser-Verbesserung und den bundesstaatlichen und einzelstaatlichen Regulierungsbehörden zusammenarbeiten müssen, führen die Anzahl der Tests und die von ihnen erzeugten Daten zu einer enormen Menge an Informationen.

Zur Wasserprobennahme gehören Tests sowohl zur Prozesssteuerung als auch zur Einhaltung der Sicherheits-/gesetzlichen Vorschriften. Tests zur Prozessüberwachung optimieren die Wasseraufbereitung und erhöhen den Durchsatz, gleichzeitig gewährleistet die regelmäßige Probennahme zur Einhaltung der Sicherheits- und gesetzlichen Vorschriften, dass die Wasserversorger ein durchgehend sauberes, ansprechendes Produkt liefern, das den Regierungsverordnungen entspricht. Viele von Servicetechnikern in Reservoirs oder von Online-Geräten in den verarbeitenden Anlagen entnommene Proben helfen dabei, Probleme bei den Prozessen, der Sicherheit und Qualität früh genug anzugehen, um Aufbereitungsprozesse bei Bedarf anzupassen. Ein allen Wasserversorgern nur allzu vertrautes Beispiel ist die Anforderung, die Trübung mit Online-Monitoren und im Labor mit optischen Turbidimetern kontinuierlich zu messen. Trübung scheint vielleicht nur ein rein ästhetisches Qualitätsmerkmal zu sein, sie stellt aber auch ein Sicherheitsrisiko dar. Ein erhöhter Trübungsindex hängt oft mit höheren Anteilen an krankheitsverursachenden Mikroorganismen wie Viren, Parasiten und einigen Bakterien zusammen. Auch wenn das menschliche Auge eine Trübung unter 10 NTU (Nephelometrischer Trübungswert) nicht wahrnehmen kann, dürfen Wassersysteme in den USA mit konventioneller oder direkter Filtration zu jeder Zeit keine Trübung von über 1 NTU zulassen und müssen zu 95 % der Zeit einen Anteil von weniger als 0,3 NTU aufrechterhalten.

Nicht alle Verordnungen sind gesetzlich vorgeschrieben, manche werden von den Wasserversorgern nicht aus Compliance-Gründen angewandt, sondern weil sie der Best Practice entsprechen. Eine zweitrangige Verordnung der US-amerikanischen EPA (empfohlen, aber nicht erforderlich) betrifft die Verfolgung der Menge insgesamt gelöster Feststoffe (TDS) im Wasser. TDS wie Natrium, Carbonat, Chlorid, Sulfat und andere Stoffe können Rohrleitungen und Anlagen korrodieren und den Geschmack von Wasser verschlechtern, so dass die meisten Versorger Elektroden-basierte Leitfähigkeitsmessgeräte als Ersatzmaßnahme für eine durchgehende Überwachung der TDS verwenden.

Weitere Tests aus Gründen der Sicherheit und Compliance, wie beispielsweise die wöchentliche Überwachung der Wasserhähne der Kunden, treten zu einem späteren Zeitpunkt im Prozess auf. Jeder, der in der Wasserbehandlung tätig ist, weiß, dass Vor-Ort-Tests auf freies Chlor - mit Geräten wie dem tragbaren Kolorimeter Thermo Scientific Orion - und auf gesamtcoliforme Keime (Vorhandensein von Bakterien) äußerst wichtig sind, um die Lieferung eines reinen Produkts von höchster Qualität zu gewährleisten. Typische Chlorrückstände liegen im Bereich von 0,5...1,3 mg/l. Wenn der Chlorrückstand zu niedrig ist, erfordert die US- Behörde EPA weitere Tests zur Beurteilung des Gefahrenpotenzials für die öffentliche Gesundheit aufgrund von Bakterien, Hefe- oder Schimmelpilzen. Wenn jedoch der Chlorgehalt zu hoch ist, mögen die Kunden den Geschmack des Wassers eventuell nicht und es kann ein erhöhtes Risiko für die Bildung schädlicher Desinfektionsnebenprodukte bestehen. Ähnliche Anforderungen werden von Wasserbehörden in ganz Europa und in anderen Teilen der Welt gestellt.

Diese Beispiele stellen natürlich nur die Spitze des Eisbergs dar: Wasserversorger müssen auch eine Prüfung auf pH-Wert, Temperatur, Fluorid, Nitrat und vieles mehr durchführen. Auch wenn mit den Tests keine Probleme aufgedeckt werden, müssen die Ergebnisse, der Standort und weitere Informationen zu einer Probe protokolliert, organisiert und aus Gründen der Compliance an staatliche Stellen für Umweltschutz weitergeleitet werden. Es ist klar, dass die Laboratorien möglichst viele manuelle Prozesse automatisieren und integrieren und den Probendurchsatz optimieren müssen, damit die Kosten, die aus der Einhaltungspflicht von gesetzlichen Vorschriften entstehen, nicht aus dem Ruder laufen. Es ist ein System erforderlich, das die effizienten Bereiche in der Probennahme identifiziert und stärkt, Daten sichert und die Produktivität von Wissenschaftlern und Labortechnikern verbessert.

Warum ein LIMS so wichtig ist
LIMSe (Laborinformations- und –Managementsysteme) sind der Schlüssel zur Bewältigung der wachsenden Herausforderungen der Überwachung und der Einhaltung der Vorschriften, und sie werden in heutigen Laboren immer notwendiger und verbreiteter. Mit papierbasierten Systemen können das Probendurchsatzvolumen, das Datenmanagement und die Komplexität der Berichterstellung nicht mehr auf effektive Art und Weise bewältigt werden. Ein LIMS entwirft und speichert die Probennahmepläne, die dann dazu verwendet werden, für jeden Probennehmer eine Probennahmestrecke zu erstellen. Die Probennahmestrecke legt fest, wo die Proben genommen, welche Probenflaschen eingeholt und welche Tests vor Ort durchgeführt werden müssen. Die Proben werden dann im Labor analysiert und die Daten über die Wasserqualität sowie die Informationen über die im Feld durchgeführten Untersuchungen werden in das LIMS eingegeben. Dies ist wichtig, da Wasserversorger ihre Wasserproben in einem streng-geregelten Umfeld nehmen und analysieren müssen und dabei vollständige Aufzeichnungen der Qualitätskontrollen zur Übermittlung an die Aufsichtsbehörden oder im Falle von Prüfungen aufbewahren müssen.

Eine automatisierte Lösung bietet darüber hinaus Leitern von Wasserwerken oder Versorgungsunternehmen die Daten, die sie benötigen, um fundierte Entscheidungen zu treffen, die zu mehr Kontrolle führen und schnell ökologische Probleme und Risiken beseitigen. Ein LIMS ermöglicht Wasserversorgern, die strengen gesetzlichen Richtlinien leichter einzuhalten, und liefert gleichzeitig die notwendige Flexibilität zur Bewältigung der sich wandelnden Anforderungen und Praktiken, da sich Verordnungen und Test-Protokolle ständig ändern. Ein LIMS kann auch zur Verbesserung der betrieblichen Effizienz beitragen, da es dem Labor ein zentrales Tool für die umfassenden Aufgaben der Aufbewahrung von Aufzeichnungen, des Managements und der Berichterstellung von Proben bietet. Durch die Integration des LIMS mit Laborgeräten, Online-Monitoren und externer Probennahme können zeitaufwändige manuelle Prozesse umgangen und Übertragungsfehler ausgeschlossen werden.

Obwohl ein LIMS speziell auf die Wasser- und Umweltindustrie ausgerichtete, integrierte Funktionalität bieten kann, kann es auch so konfiguriert werden, dass es sich den sich wandelnden Geschäftsmodell-Praktiken eines Unternehmens anpassen lässt. Mit dem richtigen LIMS kann sich ein Labor darauf verlassen, dass das Datensystem nicht bestimmt, wie der Betrieb geführt wird. Ganz im Gegenteil, seine Flexibilität ermöglicht es dem System festzuschreiben, wie ein Unternehmen arbeiten möchte.

Angewandte integrierte Wasser-Probennahme
Northern Ireland Water liefert ein Beispiel für ein ausgefeiltes Wasser-Probennahmeprogramm, das die Vorteile eines LIMS voll ausnutzt. Das staatseigene Unternehmen ist der einzige Wasserversorger für Nordirland und versorgt 1,7 Mio. Menschen in 800 000 Haushalten. Genauso wie die US-amerikanischen Wasserversorger müssen die Unternehmen die strengen Vorschriften - im Fall von Northern Ireland Water sowohl die Standards der EU als auch die des Vereinten Königreichs - einhalten, die genauso wie die Vorschriften der EPA von den Leitlinien der Weltgesundheitsorganisation (WHO) für die Trinkwasserqualität abgeleitet wurden. Diese machen jährlich mehr als 150 000 Tests aus Proben von Reservoirs, Wasseraufbereitungsanlagen und Kundenhaushalten erforderlich.

Um zu gewährleisten, dass Northern Ireland Water weiterhin ein vertrauenswürdiger und zuverlässiger öffentlicher Dienstleister bleibt, wechselte die Behörde von einem internen, individuellen LIMS zu Thermo Scientific SampleManager LIMS, einer stabileren und effizienteren Lösung, die speziell für Wasser-Testlabore und andere verarbeitende Industriezweige konzipiert wurde. Das LIMS wurde für folgende drei Hauptaufgaben eingesetzt: Annahme der Proben für die Beweismittel-Kette aus der Feld-Beschaffung, Probenanmeldung und Lagerung in Laboratorien von Northern Ireland Water und Ergebnisse und Berichterstattung an die Führungsebene und die entsprechenden Behörden. Northern Ireland Water ergriff auch Maßnahmen zur Automatisierung der Erfassung von Feldproben, indem dieses Programm mit dem LIMS integriert wurde, ohne dabei die Arbeit der Probennahme zu erschweren oder zu belasten. Neue robuste, personalisierte digitale Assistenten (PDAs) machten die Verfahren der Probennahme effizienter und verbesserten das Prüfprotokoll. Die kleinen, einfach zu bedienenden Geräte haben integrierte Funktionen wie GPS, GPRS, Barcode-Leser, Wi-Fi und Bluetooth, welche genauere Daten über Probenstandort und -identifikation liefern. PDAs von ferngesteuerten Probengebern liefern Probeninformationen direkt an das SampleManager LIMS, und das LIMS gibt die Daten über Probennahme und Arbeitsfluss an die PDAs zurück, damit Mitarbeiter vor Ort ständig auf dem neuesten Stand über Prioritäten, Standorte der Probennahme und spezielle Testanforderungen sind.

Die Integration eines Systems mit ferngesteuerten Probengebern bei Außentests in ein unternehmensweites LIMS hat für wesentliche Transparenz zwischen im Feld gesammelten Daten und vom LIMS erstellten Management-Berichten gesorgt. Die Automatisierung von vorgeschalteter Probennahme und nachgeschalteter Berichterstellung hat Fehler durch manuelle Übertragung ausgeschlossen sowie die Qualität der Proben und der Berichterstellung von Northern Ireland Water erheblich verbessert. Die LIMSe haben auch zu Kosteneinsparungen beigetragen, indem der Prozess der Wasserprobenannahme um mehr als zwei Stunden pro Tag verkürzt wurde.

Northern Ireland Water hat ebenfalls die Integrität der Proben und somit auch die Genauigkeit der Daten aus zwei geografischen Gebieten verbessert. Eine verbesserte Probennahme ermöglicht dem Unternehmen, die Standorte jeder Probe präzise aufzuzeichnen, denn das GPS überprüft die Standorte der Kundenhähne, an denen die Probe entnommen wurde, durch den Abgleich der Adressen mit einer integrierten Datenbank. Diese Portabilität ermöglicht es dem Probennahme-Personal auch, sich uneingeschränkt zu bewegen und die Arbeitslast zu verteilen, um die geschäftlichen Anforderungen von Northern Ireland Water zu erfüllen: Für die Probennahme sind keine besonderen ortsgebundenen Kenntnisse mehr erforderlich, da die integrierte GPS-Software detaillierte Wegbeschreibungen zum Einsatzort liefert.

Die Ergebnisse dieses integrierten Programms sind beeindruckend. In den Jahren 2011/2012 erreichte das Unternehmen eine Einsparung der Betriebskosten von 12 Mio. GBP, wobei deren Zielsetzung bei 10,4 Mio. GBP lag. Northern Ireland Water verbesserte auch die Einhaltung der Abwasser-Vorschriften in den letzten sechs Jahren in Folge und gewann 2010 und 2011 die Gold Awards für Gesundheit und Sicherheit der Royal Society for the Prevention of Accidents (Gesellschaft zur Unfallprävention in Großbritannien). Noch besser ist die Tatsache, dass bei nur 1 % der Kunden eine ungeplante Unterbrechung von mehr als sechs Stunden auftrat.

Fazit
Strenge Prüfvorschriften, die in den USA, Großbritannien, der EU und anderen Gegenden der Welt gelten, helfen dabei, eine saubere, zuverlässige Wasserversorgung aufrechtzuerhalten. Aber diese Wachsamkeit hat einen Preis, und Wasserversorger bauen vermehrt auf Technologie. Für viele Fachleute ist die Laborautomation und Geräteintegration, wie sie ein LIMS ermöglicht, die Lösung, mit der Zeit und Kosten eingespart sowie die Produktivität und Compliance verbessert werden können, indem sie die immer größer werdenden, von den Regulierungsbehörden eingeforderten Datenmengen verwalten.

Die fortschrittlichen Informationsmanagementfähigkeiten eines LIMS, zu denen dessen Integration in andere Unternehmenssysteme und sogar Fernmessungstools gehört, haben den Wasserversorgern wichtige neue Innovationen zur Verfügung gestellt, mit denen sich der Aufwand für deren Testprogramme minimieren lässt. Und mit sich wandelnden Wasserstandards kann sich ein LIMS parallel dazu weiterentwickeln und den Wasserversorgern so dabei helfen, ihren Betrieb zu optimieren und gleichzeitig sicherzustellen, dass das Wasser stets Trinkqualität aufweist.

Autoren:
Colin Thurston
Director of Product Strategy, Process Industries, Thermo Fisher Scientific.

Gayle Gleichauf
Applications Lab Manager für Messgeräte zur Wasseranalyse, Thermo Fisher Scientific.

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige