Pilotprojekt "Mittlerer Olifant" in Südafrika

Das integrierte Wasserressourcenmanagement (IWRM) selbst ist ein Prozess, der die koordinierte Entwicklung und das Management von Wasser, Land und verwandten Ressourcen fördert - in Anbetracht der Nachhaltigkeit lebendiger Ökosysteme und dem Ziel, wirtschaftliche und soziale Leistungen auf faire Weise zu maximieren. Das Projekt IWRM Südafrika bezieht sich auf eine Region um den Fluss Mittlerer Olifant (MOSA, Middle Olifants South Africa), einem Einzugsgebiet nordwestlich von Pretoria. Diese Region ist durch eine hohe Anzahl an Wassernutzern mit einem hohen Wasserverbrauch gekennzeichnet.

Das IWRM Südafrika ist in mehrere Komponenten und Phasen gegliedert. Zurzeit befindet sich das Projekt in der Phase II, die den Fokus auf die Umsetzung technischer und rechtlicher Strukturen zur Sicherung eines nachhaltigen Betriebs legt. In der Phase I wurden verfügbare und nutzbare Wasserressourcen untersucht, jedoch mit der Erkenntnis, dass die vorhandenen Daten zur  Wasserqualität nicht ausreichend bzw. nicht verlässlich genug waren. Bisher waren die Laboreinrichtungen so weit von den Messstellen entfernt, dass während der Transportzeit die Proben durch biologische und chemische Reaktionen verfälscht wurden. Die Messdaten konnten den südafrikanischen Behörden nicht als Datengrundlage dienen. Um die Auswirkungen von häuslichen und industriellen Einleitungen zu untersuchen, ist die Einrichtung von Messstellen vor Ort - insbesondere an Punktquellen - sinnvoll und notwendig.

Das IWRM Modeling - das dritte Teilprojekte der Phase II - ist die praktische Nutzung und Überprüfung der Wirkung des in Phase I erstellten Modells einschließlich Aktualisierungen und Anpassungen an die aktuellen Gegebenheiten sowie die Einbringung neuer Daten. Neben einem web-basierten geografischen Informationssystem (GIS) sollte hierbei das Online-Analyse- und Datentransfersystem in enger Zusammenarbeit mit der südafrikanischen Aufsichtsbehörde entwickelt werden.

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Das IWRM Südafrika Projekt wird in der Region des Mittleren Olifant Flusses realisiert - einem Flusseinzugsgebiet nordöstlich von Pretoria.

Dieses Online-Analyse- und Datentransfersystem wurde in Form eines mobilen Messlabors in die Praxis umgesetzt. Dieses wird an unterschiedlichen Messstellen am Olifant-Fluss in Stellung gebracht und überwacht direkt vor Ort die Wasserqualität. Seine Messergebnisse werden dabei direkt über das Internet den südafrikanischen Behörden und Projektpartnern zur Verfügung gestellt. Im Mai 2013 wurde das "Mobile Lab", das von der LAR Process Analysers AG in Berlin konzipiert wurde, im Rahmen einer zehntägigen Versuchsreihe erstmalig in der MOSA-Projektregion eingesetzt, wobei die Messeinrichtungen erfolgreich einem Praxistest unterzogen wurden.

Auf Basis der messtechnischen Anforderungen des Projekts und der Analyse der spezifischen Randbedingungen vor Ort (Klima, Arbeitsbedingungen, Logistik etc.) wurde ein entsprechender Anhänger ausgewählt, konzipiert, ausgebaut und wie ein chemisches Labor ausgestattet. Zusatzausstattungen wie Diebstahlsicherung, Einbruchsicherung sowie Sicherungsmaßnahmen für den Umgebungsschutz sind in dieser Region unabdingbar. Das Containerlabor verfügt zudem über eine autonome Stromversorgung und ist sehr schnell vor Ort betriebsbereit.

Das autark arbeitende "rollende Labor" ist eine kompakte, eigenständig arbeitende Lösung, die schnell und umfassend die Wasserqualität bestimmt - sowohl im Online-Betrieb (24 h/7 T) als auch bei Einzelmessungen. Da es direkt mit dem Internet verbunden ist (mittels eines gesondert gesicherten Servers), kann das Labor auch über Fernzugriff gesteuert und überwacht werden. Zudem erfolgt der Datentransfer direkt nach den Messungen. Die Messergebnisse aller Sensoren, Elektroden und Analysatoren stehen demnach sofort allen Projektpartnern für die Aufbereitung der Messwerte aus Phase I zur Verfügung. Folglich wurde das übergeordnete Ziel des Teilprojekts - nämlich die Entwicklung und Umsetzung eines angepassten, dezentral einsetzbaren Online-Mess- und Datentransfersystems - erfolgreich in die Praxis umgesetzt.

Aufgrund seiner Mobilität ist das Labor auch in schwer erreichbaren Gebieten einsetzbar. Entlang des Flusses können sogar bislang problematische Messpunkte erreicht werden. Es sind keine langen Transportwege für Proben mehr notwendig. Das mobile Labor analysiert die wichtigsten Verschmutzungsquellen direkt vor Ort. Es ist geplant, das Labor etwa 20 Mal im Jahr umzusetzen. Die Messzeiten je Messstelle sollen etwa ein bis zwei Wochen betragen. Während dieser Zeit werden eine Vielzahl an Einzelparametern wie pH-Wert, Leitfähigkeit oder Redox, Summenparametern wie TOC (gesamter organischer Kohlenstoff), CSB (chemischer Sauerstoffbedarf), TNb (gesamter gebundener Stickstoff), Wirkungsparametern wie Toxizität sowie einzelne Stoffe (Ammonium, Sulfat etc.) bestimmt.

Alle Messgeräte und Sensoren sind Teil eines einzigen Wasserkreislaufs, um die einzelnen Messergebnisse in entsprechende Beziehung setzen zu können. Der Kreislauf beginnt mit der Probennahme mittels einer Tauchpumpe, die an eine Boje befestigt ist. Die Tauchpumpe ist mit dem Messcontainer verbunden. Im Labor stehen mehrere Probennahmesysteme zur Verfügung, die je nach Anforderung zum Einsatz kommen. Die Probennahme kann über einen Zentrifugal-Abscheider zur Beseitigung großer Verunreinigungen, einem relaisgesteuertem Probennehmer der Fa. WaterSam, der für zusätzliche Stich- oder Rückstellproben verwendet wird, sowie über das von LAR AG patentierte Probennahmesystem FlowSampler, das die Entnahme von sedimentbelasteten Proben verstopfungsfrei ermöglicht, erfolgen.

Ferner ist das mobile Labor mit innovativen Messgeräten und hochmodernen Messmethoden ausgestattet, um akkurate und verlässliche Überwachungsdaten zu liefern. Die Ultra-Hochtemperatur-Oxidation (ultra-HTO) bei 1200 °C, eine Entwicklung der LAR AG, arbeitet ohne Katalysatoren und bestimmt den TOC einschließlich aller Partikel innerhalb weniger Minuten.

Normalerweise lässt die Wirkung von Katalysatoren nach, was die Messergebnisse verfälschen kann. Häufige Überprüfungen und Kalibrierungen und somit erhöhter Aufwand sind die Folgen. Wird auf Katalysatoren verzichtet, bedeutet das Einsparungen der Betriebskosten, Eliminierung der Risiken analytischer Ungenauigkeit und Minimierung der Wartungsaufwände. Zudem kann der QuickTOC sogar schwierigste Proben mit hohen Partikeldichten filtrations- und verstopfungsfrei analysieren. Die einzigartige Injektionseinheit ist eigens für Applikationen dieser Art entwickelt worden. Des weiteren ist das Messgerät mit zusätzlichen Detektoren ausgestattet und somit in der Lage, auch den CSB und TNb online zu bestimmen.

Das Online-Toximeter ToxAlarm bestimmt toxische Effekte von Schadstoffen auf Organismen, wobei es eine äußerst empfindliche Biomasse verwendet, die direkt im Gerät kultiviert wird. Die Biomasse regeneriert sich konstant, sodass das Messsystem jederzeit messbereit ist. Für jede Messung wird dabei nur eine kleine Menge der Testorganismen benötigt und die Bakterienkultur wird im Fermenter nicht kontaminiert oder geschädigt. Da immer ausreichend Testorganismen zur Verfügung stehen, ist es möglich, das Toximenter sowohl online als auch für Einzelmessungen zu betreiben. Gängige Toxizitätsmessungen dauern zig Minuten oder gar Stunden. Der ToxAlarm hingegen hat eine Messzeit von nur 15 min.

Weitere Verfahren und Messgeräte erlauben die Bestimmung von Einzelsubstanzen wie Ammonium, Natrium, Kalium, Cadmium, Fluorid, Chlorid, Nitrit sowie Sulfat. Neben den Wasserparametern zeichnet das Labor auch die wichtigsten Umweltparameter einschließlich einer Vielzahl von Wetterparametern wie Temperatur, Regenfall, Wind und Luftfeuchtigkeit auf. Folglich stehen vollständige Informationen über relevante Wetterbedingungen in Ergänzung zur Wasserqualität zur Verfügung.

Das Ziel des mobilen Labors ist die Unterstützung und Verbesserung des derzeitigen behördlichen Überwachungssystems. Es ist die praktische Umsetzung und Anwendung innovativster Online-Messanalytik in Verbindung mit einer schnellen und umfassenden Datenübertragung an alle beteiligten Partner sowie die südafrikanischen Behörden. Mithilfe dieses Labors sind Überwachungen und Kontrollen unterschiedlichster Einleiter schnell und direkt möglich - beginnend mit diffusen Quellen wie Haushalten bis hin zu industriellen und landwirtschaftlichen Verschmutzungsquellen. Das Labor ermöglicht es den örtlichen Überwachungsbehörden, rechtzeitig  geeignete Maßnahmen zur Verbesserung der Wasserversorgung vorzubereiten: Eine koordinierte Entwicklung und ein erfolgreiches Management der vorhandenen Wasser-, Land- und verwandten Ressourcen.

Dr. Dr. Wolfgang Genthe, Dr. Tatyana Karasyova, Dipl.-Ing. Rafael Jechorek*)

*) LAR Process Analysers AG, Neuköllnische Allee 134, 12057 Berlin, Tel.  +49 30/278 958-59, marketing@lar.com