Tidiga varningar och snabba åtgärder kommer allt närmare verklighet inom vattenberedning när nu Vinnovastödda projektet Sensation är mitt inne i slutfasen, steg tre. Senare i år är det meningen att det ska finnas nya prototyper för mät- och styrteknik som ligger nära färdiga produkter och tjänster för vattenverken.
Det handlar om att övervaka vattenproduktion och distribution med elektroniska sensorer: tungor, näsor och ögon, för att snabbt kunna styra processerna mot målet att det alltid ska finnas rent och säkert vatten i dricksvattenkranen. Branschen kan vara på väg mot ett paradigmskifte om det kommer fram system för automatiska mätningar och styrning i realtid.
Oavsett om det gäller smitta i form av bakterier eller parasiter, eller om det handlar om kemikalier, som exempelvis diesel eller bensin, är meningen att hindra att sådant vatten når konsumenterna. Mätningarna ska ske i nära realtid och online. Data ska samlas och analyseras kontinuerligt så att korrekta varningar kan komma blixtsnabbt när något händer med kvaliteten.
Några hemska fall med enorma samhällskostnader som följd finns som exempel på vad som hade gått att undvika med det system som nu tas fram:
• 2007 i Nokia, Finland kopplades av misstag vattennätet ihop med renat avloppsvatten så att 450 000 liter trycktes ut till befolkningen. Hälften av de 30 000 drabbades av mer eller mindre allvarliga åkommor. En långvarig och kostsam sanering och återställning av ledningsnätet vidtog.
• Parasitutbrottet i Östersund 2010 är ytterligare ett allvarligt exempel. Här var det brister i de mikrobiologiska barriärerna som låg bakom att Cryptosporidium gjorde folk sjuka.
• Jönköping, Everöd och Eskilstuna har också drabbats av att orent vatten kommit ut i ledningsnätet och hade varit hjälpta av ett onlinesystem som mäter i realtid så att rätt åtgärder kan sättas in, till exempel UV-ljus, klorering, avstängning och så vidare.
– Man kan säga att vi använt människor som sensorer hittills. Det är först när de blivit sjuka som misstagen upptäckts. Med sensornätverk och avancerad datanalys och styrning kan farorna upptäckas och avvärjas innan vattnet når ut till befolkningen, säger Per Jonsson, FOI (totalförsvarets forskningsinstitut), som är arbetsledare för den del av projektet som inriktar sig på dricksvattennätet.
Det är forskningsinstitutet Rise Acreo i Göteborg som leder slutprojektet Sensation III, med stöd från Vinnova på nära 12 miljoner kronor. Resten av budgeten på närmare 30 miljoner kronor består av deltagarnas egna insatser och andra mindre finansiärer, bland annat Svenskt Vatten Utveckling.
Målet är i det här sista steget att utveckla förkommersiella prototyper av multisensorsystem och därtill knutna tjänster, samt bygga en modell för datainsamling och analys som kan anpassas för varje vattenverks förutsättningar, exempelvis råvattnets beskaffenhet eller dricksvattennätets uppbyggnad.
– Nu är det fullt fokus på att nyttiggöra de sensorer och system som togs fram i steg två av projektet, säger Gert Andersson, som tillsammans med Katrin Persson, är projektledare hos Rise Acreo för Sensation III.
– Våra tester och mätningar nu går ut på att systemen ska fungera robust över en längre tid. Målet är att vi kommer att göra skillnad för branschen, tillägger Katrin Persson.
För dricksvattenbranschen är det fyra olika nya typer av sensorer med tillhörande styrsystem som ska förfinas. Det är den elektroniska tungan och näsan, samt flödescytometern och en utrustning som använder ultraviolett fluorescens (UVF). Till det kommer kommunikationslösningar, datainsamling, molnlagring, dataanalys och varningssystem. Sensorerna ska kunna kombineras på olika sätt och analysen ska också samverka med sensortyper som redan finns för att mäta andra egenskaper hos vattnet.
– En sensor kan inte lösa allt, utan det är kombinationen av sensorer för olika typer av mätvärden som gör att man kan fatta rätt beslut, säger Gert Andersson.
En del av projektet handlar också om att hitta sätt att automatiskt styra vattenverkens kemikaliedoseringar, barriärer eller distributionsnätet. En annan del är att tänka på säkerheten så att signalerna från sensorerna inte påverkas av någon utifrån.
Två av sensorerna har uppfunnits av professor Fredrik Winquist vid Linköpings universitet (LiU) och vidareutvecklats tillsammans med docent Mats Eriksson. Det är dels en elektronisk tunga, som kommer i kontakt med vattnet och dels en elektronisk näsa, som kan »lukta« efter speciella kemiska molekyler där vattnet strömmar förbi.
Den elektroniska tungan finns nu i fem exemplar sedan bland annat elektroniken gjorts billigare. Meningen är att kunna detektera om avloppsvatten på något sätt har kommit in i dricksvattnet, det som skett vid flera av de stora sjukdomsutbrotten. Proben har också konstruerats om så att den ska tåla det tryck som finns i vattenledningar.
I proben finns tre arbetselektroder och en motelektrod. När det läggs svep av pulserad spänning mäts strömmarna genom elektroderna som kommer som svar. Karaktären på svaret kan säga något om vad som finns i vattnet. Genom att det finns tre arbetselektroder i olika material går det att få olika känslighet för olika ämnen i vattnet och se skillnaderna. Mätningen sker var tionde sekund direkt i vattenflödet.
– Det som detekteras är elektrokemiskt aktiva ämnen som finns i avloppsvatten. Vi vet inte exakt vilka ämnen det är, men misstänker bland annat urea, som vi vet att den är känslig för. Vi kan lära tungan att känna igen just profilen för när det tillkommit avloppsvatten. Först kartlägger vi de naturliga variationerna, och sedan tillsätter vi avloppsvatten och ser förändringar i svarsmönstret, säger Mats Eriksson på LiU.
Det är alltså inte någon exakt detektion av vilka föroreningsämnen det är som är syftet, utan att hitta onaturliga förändringar där utseendet på dessa förändringar indikerar vad det kan röra sig om för typ av förorening. Då kan systemet ge en tidig varning. På sikt går det att bygga upp ett bibliotek av olika föroreningar som tungan kan känna igen.
Sedan slutet på 2016 har tungan använts hos Tekniska verken i Linköping på flera platser på dricksvattensidan. I en testanläggning på avloppsreningsverket blandas det i avloppsvatten i olika doser i dricksvattnet för att simulera olika scenarier. Dels ett med lite föroreningar som ska jämföras med ett tryckfall i systemet och dels ett med jättemycket föroreningar, som fallet med Nokia i Finland. Utöver det testas ett scenario som ligger mitt emellan i föroreningsgrad.
Det finns även två »tungor« ute på nätet i Linköping, dels vid vattentornet och dels vid en tryckstegringsstation.
– Tungan är förmodligen svårare att använda på råvattensidan, eftersom de naturliga variationerna är större där, så den är nog bäst lämpad för dricksvatten. För råvatten tror vi att den elektroniska näsan passar bäst, säger Mats Eriksson.
Den elektroniska näsan har visat sig vara mycket bra för att detektera mycket små koncentrationer av diesel eller bensin i vatten. Den skulle kunna göras känslig även för andra ämnen, men det har inte skett i Sensationprojektet, utan är något som kan komma i framtiden.
Konstruktionen är ett kluster av olika typer av sensorer med förmåga att uppfatta lukter på olika sätt. Man kan säga att el-näsans konstruktion efterliknar hur en riktig näsa arbetar. När resultatet från många sensorer slås samman bildas ett mönster som skiljer sig från ämne till ämne.
Sensorerna med sina halvledande metalloxidskikt fångar upp elektroner och reagerar på reducerbara ämnen vilket påverkar ledningsförmågan i halvledaren. När så motståndet mäts går det att lista ut vilken typ av påverkan som varit.
Nyckeln att komma vidare är en avancerad statistisk metod när data ska bearbetas. Sambandet mellan många olika mätvärden sammanfattas i ett diagram som en svärm av mätpunkter. Denna svärm hamnar på olika ställen för olika typer av ämnen – som ett slags fingeravtryck. För just diesel har man testat att tillsätta en kontrollerad mängd till vatten och då noterat hur svärmen har flyttat sig på ett karakteristiskt sätt.
Näsan mäter inte i riktigt realtid på grund av att vattnet jämförs med referensvatten i en vätske-gas-separator, men det går att mäta med 1 – 2 minuters mellanrum.
Inte heller flödescytometern mäter i fullständig realtid. Den är till för att hitta e.coli-bakterier, något som oftast förekommer i samband med inblandning av avloppsvatten eller i råvatten av andra orsaker. Men dess process tar bara cirka 15-30 minuter och kan ske automatiskt och kontinuerligt.
Den är utvecklad av Rise Acreo och togs ursprungligen fram för att hitta tuberkulos i sega upphostningar i ett annat projekt. Den har också vidareutvecklats i EU:s projekt Safewater, som påminner om Sensation.
Flödescytometern är en kombination av optik, fluidik, biokemi, mikrobiologi och dataanalys. Ett vattenprov tas till en flödeskanal som är 0,1 millimeter smal. Antikroppar mot en viss bakterie har färgats in med fluorescerande nanopartiklar. Denna cocktail har injicerats till vattenprovet och då bundit antikropparna till ytan på bakterierna, så att koncentrationen av den fluorescens som uppstår ökar på dem. Det tar en stund innan infärgningen är klar och provet upphettas också i en inkubator. Sedan sker videofilmning och tusentals bilder av de laserbelysta partiklarna analyseras. Med avancerad databehandling kan bakgrundsfluorescens trollas bort så att bara bakterierna, döda eller levande, syns, och kan räknas.
– En liten dator sköter allting, från att suga in provet, till att blanda och göra analysen. Det kommer ut en signal som berättar hur många lysande partiklar per milliliter det finns, berättar Dag Ilvert, som har hand om utvecklingen av apparaten hos Rise Acreo.
Projektet ska också titta på om UVF, för att hitta olja och andra kolväteföreningar, kan fungera för råvatten. Här är problemet att humus och alger i vattnet kan störa, så Sensation har utvecklat en multispektral analys och testerna visar att det går att kompensera för bakgrundsstörningarna.
Per Jonsson och FOI tittar extra mycket på IT-säkerhet i Sensationprojektet. När man sätter ut en massa sensorer i ett system och de kanske ska styra ventiler eller doseringar, är det viktigt att man kan vara säker på att det är rätt signaler som kommer in och att datorerna sätter igång rätt åtgärder när signalerna indikerar att något måste göras.
– Det gäller att införa sådant här med klokhet så att man inte gör mer skada än nytta. Även om vattenverk inte har varit högprioriterat för skadegörelse eller terrorism är det fundamentalt viktigt för samhället att allt fungerar, säger Per Jonsson.
Han berättar att de gjort en del tester med fejkade vattenverk. Så fort något sådant kommit i kontakt med internet har det skett attacker, även om det mest varit på bus hittills.
Vattenverken kommer kanske initialt att ha runt 20 sensorer för att övervaka distributionsnätet, men visionen är att i framtiden kunna ha 100 sensorer i ett system. Dessa ska på något sätt kommunicera med en dator och det mest rimliga är att det sker trådlöst. Kan någon komma åt den kommunikationen kan data förvrängas och så blir det fel “verklighet” som den centrala datorn ska hantera.
Den centrala datorn bör också vara säker så att den inte kan tas över av någon utifrån. Då skulle aktiviteter vid vattenverket eller ute på ledningsnätet sättas igång, som att exempelvis stänga av ventiler eller överdosera i processen.
– Det börjar bli bra kunskap hos vattenverket om säkerhetsfrågorna, men tillverkarna av olika typer av sensorer har än så länge mest fokuserat på att få dem att fungera och inte så mycket kring signalsäkerheten, det är ofta analoga signaler, säger Per Jonsson.
Det finns många andra faktorer som kan indikera avloppsvatten i dricksvatten, till exempel om kloröverskottet sjunker. Om avloppsvatten kommer in reagerar det med kloret och halten fritt klor sjunker.
– Om nivån går ned mer än förväntat kan det betyda inläckage av avloppsvatten. Det har vi sett från försök i USA, säger Per Jonsson.
Data från befintlig mätutrustning för flöde, tryck och kloröverskott är sådant som alltså också samlats in för att skapa bättre analys. Dessutom ingår värden från referensutrustningar som visar konduktans, pH och absorbans i datainsamlingen.
Testerna på dricksvattensidan har som sagt bara varit på Tekniska verken i Linköping Det startade i oktober förra året och pågår till augusti i år. När det kommer till råvatten började tester efter årskiftet på Överby vattenverk i Trollhättan i bottenvåningen där råvatten från Göta älv kommer in. Även hos Norrvatten i pilothallen på Görvälnverket gör tester.
Dessa tester följs av tester på Vombverket hos Sydvatten direkt efter pump- och silstationerna. Det var meningen att tester även skulle göras vid Ringsjöverket, men så visade Växjö intresse att vara med, så utrustningen kommer ställas hos dem istället för tester.
Det handlar om två mätperioder, med olika årstider och olika förutsättningar, för alla fyra ställena. Allt ska vara klart i augusti då det är meningen att rapporten till Vinnova ska börja slutföras.
–––
Sensationsprojektet ingår i Vinnovas stödprogram för utmaningsdriven innovation. Det fokuserar på fyra områden: informationssamhället, hållbara attraktiva städer, framtidens hälsa och sjukvård samt hållbar industriell utveckling. Meningen är att genom samverkan hitta konkurrenskraftiga lösningar som ska gynna svensk sysselsättning och också den tekniska positionen internationellt.
Projektdeltagare: Norrvatten, Trollhättan Energi, Göteborg stad, Sydvatten, Tekniska Verken, Norrköping vattenverk, Växjö vattenverk, Vivab, Volvo, GKN, Siemens, Castrol, Nynas GBG, SSAB, Bodycote, SETEK, Cactus, Vinnter, Alcontrol, Luode, Sense2bits AB, Rise Acreo Swedish ICT, Sics Swedish ICT, IVL, Swerea IVF, Swerea Kimab, Linköpings universitet, FOI och Chalmers DRICKS.
Sensationprojektets historik: Andra steget, där sensorerna testades så att de verkligen kunde mäta vad som avsågs, avslutades i början av 2015. Vinnova avsatte den gången tio miljoner kronor för detta steg. Resultatet var så pass bra att Vinnova utsåg Sensationprojektet som kandidat att gå vidare till steg tre, där förkommersiella produkter ska tas fram.
