Bieżące monitorowanie mikrozanieczyszczeń wody w procesie
Mikrozanieczyszczenia, czyli substancje chemiczne występujące w wodzie w bardzo niskich stężeniach, mogą pochodzić z wielu zróżnicowanych źródeł, wśród których można wymienić między innymi leki, szampony do włosów, a także tworzywa sztuczne i pestycydy. „Oczyszczalnie ścieków nie zawsze są w stanie wykrywać i usuwać tego rodzaju zanieczyszczenia”, wyjaśnia koordynator projektu ECO-SOS Harsha Ratnaweera z Norweskiego Uniwersytetu Nauk Przyrodniczych. „W takiej sytuacji skutkiem jest ich gromadzenie się w zbiornikach wodnych, a następnie w tkankach ryb i małży. Wówczas stanowią poważne zagrożenie dla środowiska, a także dla naszego zdrowia”.
Jak znaleźć mikrozanieczyszczenia?
Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu ECO-SOS miał na celu rozwiązanie tego problemu poprzez opracowanie nowych systemów umożliwiających monitorowanie mikrozanieczyszczeń w czasie rzeczywistym. Założeniem projektu było zastosowanie inteligentnych technik szacowania obliczeniowego do analizy danych zebranych przez niedrogie i łatwo dostępne fizyczne czujniki stale monitorujące proces. „Narzędzia wykorzystywane obecnie do wykrywania mikrozanieczyszczeń są często drogie i złożone, a sam proces jest niezwykle czasochłonny”, zauważa Ratnaweera. „Przypomina tak naprawdę szukanie igły w stogu siana”. Wraz ze swoim zespołem Ratnaweera chciał sprawdzić, czy inteligentne czujniki programowe pozwolą na wykrywanie mikrozanieczyszczeń w bardziej efektywny sposób. Próbki wody pobrane z oczyszczalni w Norwegii były monitorowane, a następnie analizowane przy użyciu algorytmów opartych na złożonych modelach matematycznych. Badacze zbadali również możliwość wykorzystania sond spektralnych w nowych czujnikach. W szczególności badacze zajęli się pomiarem stężeń związków perfluoroalkilowych, czyli PFAS. Związki te to substancje chemiczne stosowane do produkcji powłok fluoropolimerowych i produktów odpornych na zanieczyszczenia, które od lat są znane jako mikrozanieczyszczenia spędzające ekspertom sen z oczu.
Potencjał czujników programowych
Rezultaty projektu realizowanego dzięki wsparciu z działania „Maria Skłodowska-Curie” pozwoliły na potwierdzenie czułości i możliwości systemów czujników programowych w zakresie monitorowania i wykrywania mikrozanieczyszczeń. „W ramach zbierania próbek wykryliśmy szereg zróżnicowanych substancji, w tym pozostałości leków będące głównym celem prac, ale także plastyfikatory takie jak ftalany i bisfenol A”, zauważa Ratnaweera. „Większość z tych substancji występowała w bardzo niskich stężeniach”. Interesującym odkryciem była wysoka częstotliwość wykrywania ftalanów w próbkach. Niektóre ftalany występowały w większości zbadanych próbek wody, co wskazuje, że to właśnie te substancje powinny stać się głównym celem przyszłego monitorowania. Pomiar stężeń związków perfluoroalkilowych okazał się jednak większym wyzwaniem, ponieważ nie pochłaniają one ani nie emitują światła. Spowodowało to konieczność poszukiwania sposobów pośredniego pomiaru stężeń tych substancji chemicznych, w tym sygnałów fluorescencyjnych emitowanych przez materię organiczną obecną w wodzie. Informacje zebrane w ramach tych badań pomogą jednak w opracowaniu przyszłych systemów umożliwiających skuteczne monitorowanie tych zanieczyszczeń.
Lepsze monitorowanie mikrozanieczyszczeń i ich eliminacja
Analiza danych zgromadzonych w ramach badań wciąż trwa. „Budowanie czujników programowych jest czasochłonnym procesem, który wymaga wielu etapów weryfikacji oraz analiz obszernych zestawów danych”, wyjaśnia Ratnaweera. „W efekcie cały proces jest bardzo wymagający obliczeniowo. Największym wyzwaniem z punktu widzenia rozwoju oprogramowania jest niskie stężenie tych substancji”. Pomimo tych trudności, Ratnaweera uważa, że projekt wniósł istotny wkład w rozwój naszej wiedzy na temat analizy danych, a także rozwoju oprogramowania czujników pozwalających na wykrywanie mikrozanieczyszczeń w wodzie. Opracowane rozwiązania z pewnością okażą się niezwykle istotne w najbliższej przyszłości, zwłaszcza jeśli władze i agencje odpowiedzialne za gospodarkę wodną zostaną zobowiązane do zwiększenia monitorowania mikrozanieczyszczeń i podjęcia działań w celu ich eliminacji.
Słowa kluczowe
ECO-SOS, mikrozanieczyszczenia, czujniki, zanieczyszczenia, ścieki, związki perfluoroalkilowe, PFAS, ftalany
