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Unsere Wasser- und Abwassersysteme sind ständigen Belastungen ausgesetzt. Immer heftigere und unvorhersehbarere Unwetter können die Infrastruktur überfordern und dazu führen, dass unbehandelte Abwässer in Flüsse und Seen fließen. Dank verbesserter Überwachungssysteme können bei Bedarf umgehend Maßnahmen ergriffen werden, um die Wasserqualität zu erhalten und die Bürgerinnen und Bürger zu schützen.
Das Team des EU-finanzierten Projekts DWC demonstrierte, wie mit dem Einsatz intelligenter digitaler Technologien eine effizientere und zeitnahe Wasserüberwachung möglich werden kann. Vor den Bemühungen innerhalb dieses Projekts wurde die Einführung derartiger Technologien durch fehlende realisierbare Geschäftsanwendungsfälle und konkrete Beweise für ihre Wirksamkeit ausgebremst.
Den Mehrwert der Digitalisierung vorführen
Das Projekt vereinte die fünf europäischen Großstädte Berlin, Kopenhagen, Mailand, Paris und Sofia, die als Testfälle für neue Überwachungslösungen dienten. „All diese Städte haben unterschiedliche Herausforderungen zu meistern“, erklärt Projektkoordinator Nicolas Caradot vom Kompetenzzentrum Wasser Berlin in Deutschland. „Die Idee bestand darin, dass wir Lösungen finden und entwickeln, mit denen diese spezifischen Probleme anzugehen sind.“
Eine zentrale Herausforderung in Stadtzentren mit älterer Infrastruktur besteht darin, dass Abwasser- und Regenwassersysteme häufig miteinander kombiniert sind. Dies kann dazu führen, dass bei Unwettern Abwasser in die Flüsse gelangt, wie zum Beispiel bei den Olympischen Spielen in Paris, als die Schwimmwettkämpfe in der Seine aufgrund der Wasserverschmutzung verschoben werden mussten.
Für die an dem Projekt teilnehmenden Städte gehörten die Notwendigkeit eines besseren Managements des Abwassernetzes bei Unwettern, die Überwachung der Wasserqualität der Flüsse, die Optimierung der Betriebskosten und der Instandhaltungsinvestitionen sowie die sichere Behandlung und Wiederverwendung von städtischem Abwasser für die landwirtschaftliche Bewässerung zu den wichtigsten Problemen.
„Diese Herausforderungen wurden als die wichtigsten erkannt“, sagt Caradot. „Wir haben dann fünfzehn Innovationswillige versammelt und an der Entwicklung digitaler Lösungen gearbeitet. Diese Lösungen wurden in mindestens einer unserer Städte getestet. Unser Ziel lautete, den Mehrwert der Digitalisierung in der Praxis nachzuweisen.“
Automatisierte Systeme erfolgreich erprobt
Zu den erfolgreich erprobten Lösungen zählte ein Sensorsystem, das die Betreiber fast sofort informiert, wenn die Gefahr einer Wasserverschmutzung besteht. Das Sensorsystem wurde in der Seine in Paris sowie in Berlin und Mailand getestet.
„Vorher musste eine Probe ins Labor gebracht und 24 Stunden auf ein Ergebnis gewartet werden“, fügt Caradot hinzu. „Mit dieser Technologie liegt innerhalb weniger Stunden, direkt vor Ort, ein Ergebnis vor.“
Eine wesentliche Einschränkung der genormten Labormethoden besteht darin, dass die Bakterienkonzentrationen in der städtischen Wasserversorgung mit ihnen nicht genau messbar sind. Daher sind sie nicht zur Durchführung mikrobiologischer Risikobewertungen in von verschmutzten städtischen Abwässern betroffenen Gebieten geeignet.
Mit dem neuen Sensor ist dieses Problem lösbar, da sowohl planktonische (frei schwimmende) als auch Fäkalindikatorbakterien (einschließlich der auf Fäkalpartikeln aggregierten Bakterien) umfassend gezählt werden, was genauere Risikobewertungen und einen besseren Schutz der öffentlichen Gesundheit zulässt.
Parallel dazu entwickelte das Projektteam außerdem ein auf maschinellem Lernen beruhendes Frühwarnsystem für eine bessere Bewirtschaftung von Badegewässern. Mit dem System konnte die Wasserqualität einige Tage im Voraus mit einer Genauigkeit von 95 % vorhergesagt und vor einer Verschlechterung der Wasserqualität gewarnt werden. „Wir haben Daten zu Merkmalen wie Niederschlag, Abwassermenge und Behandlungsqualität gesammelt und einen Maschinenlernalgorithmus angewandt, um die Wasserqualität vorherzusagen, sodass keine weiteren physischen Messungen erforderlich sind“, erklärt Caradot.
Für das Kanalisationsnetz wurde eine kostengünstige Überwachungslösung entwickelt, mit der die Betreiber von Versorgungsunternehmen eine große Anzahl von Abflüssen für Mischwasserüberläufe überwachen können. Zudem wurden auch Sensoren entwickelt, um das Problem der Verbindungen zwischen Abwassersystemen und Regenwassersystemen anzugehen.
Bei der Gestaltung zukünftiger politischer Strategien mitwirken
Seit Abschluss des Projekts wurden die projektintern erarbeiteten Instrumente bereits in Europa eingesetzt. Dazu zählt ein Frühwarnsystem zur sicheren Wiederverwendung von Wasser in der Landwirtschaft, das gegenwärtig in Italien zum Einsatz kommt. Ein Entscheidungshilfesystem mit Algorithmen zur besseren Regenwasserbewirtschaftung ist nun in Kopenhagen in Betrieb.
„Es gab auch eine Reihe von Lösungen, die im Zuge dieses Projekts konzipiert wurden, aber keine Marktreife erlangten, jedoch großes Potenzial aufwiesen“, erläutert Caradot. „Dazu zählen die enzymatischen Sensoren zur Wasserqualitätsüberwachung und das auf maschinellem Lernen beruhende Frühwarnsystem für Badegewässerqualität.“
Caradot und sein Team bewerben sich derzeit um weitere EU-Finanzmittel. Ziel ist es, diese beiden Innovationen, die Wasserqualitätssensoren und die computergestützte Modellierung, miteinander zu vereinen, um ein kombiniertes Instrument auf den Markt zu bringen. „Wir wollen diese Neuerung auch in weiteren Bereichen wie der Aquakultur, der Landwirtschaft und dem Trinkwasserschutz anwenden“, fügt er hinzu.
Das Team des Projekts DWC arbeitete ebenfalls eng mit anderen EU-finanzierten Initiativen zusammen, darunter SCOREwater und Fiware4Water, um eine nachhaltige Wirkung auf die Wasserqualitätsüberwachung in Europa abzusichern. In der Folge wurde zudem ein Kurzdossier veröffentlicht, in dem Gesetzgebungslücken aufgezeigt und wichtige Empfehlungen ausgesprochen werden. „Dieses Dossier gilt nicht nur für uns, sondern auch für andere Forschende und Verantwortliche der Politik als Referenzdokument“, sagt Caradot. „Das Ziel besteht darin, die zukünftige Politik mitzugestalten.“