Flüssigkeitsstand im Fermenter und Sicherheit der Rührwerke

Der Flüssigkeitsstand im Fermenter entscheidet darüber, ob die Rührwerke unter den Bedingungen arbeiten, für die sie ausgelegt wurden. Ein zu niedriger Stand legt die Rotoren frei und verursacht Schwingungen und Schäden, ein zu hoher belastet die Konstruktion und verkleinert den Gasraum. Aus diesem Grund gehören die Füllstandsmessung und ihre Verknüpfung mit der Verriegelung der Rührwerke zu den Grundelementen eines sicheren Betriebs. Der folgende Text beschreibt Grundsätze und Kriterien; die konkreten Grenzwerte legen Hersteller und Anlagenplaner fest.

Was beim Rührwerk bei niedrigem Füllstand geschieht

Rührwerke in Fermentern sind in der Regel Tauchmotorrührwerke (Propellerrührwerke), Langwellenrührwerke oder Zentralrührwerke, die für den Betrieb in vollständig eingetauchtem Medium ausgelegt sind. Sinkt der Füllstand:

• nähert sich der Rotor der Oberfläche, saugt Gas und Luft an oder arbeitet im Schaum, wodurch sich die hydraulische Belastung verändert,
• wird die Kraft auf die Flügel asymmetrisch, sodass Welle und Lager größere und wechselnde Belastungen aufnehmen,
• tauchen die Flügel im Extremfall auf, was starke Vibrationen und Schläge verursacht,
• leiden die Gleitringdichtungen und Wellendurchführungen, durch die Biogas austreten kann,
• verspritzen rotierende Teile an der Oberfläche des Mediums Flüssigkeit und Aerosol.

Die Folgen sind beschleunigter Verschleiß, ein Ausfall, der Wartungsarbeiten am Behälter erzwingt, und im ungünstigsten Fall ein Biogasaustritt. Den grundlegenden Mechanismus beschreibt der Beitrag Rührwerke im Fermenter: Bauarten und Auswahl.

Folgen eines zu hohen Füllstands

Eine Überfüllung ist nicht nur ein verfahrenstechnisches Problem:

• der hydrostatische Druck auf Wände und Boden steigt,
• der Gasraum verkleinert sich, sodass die Biogasspeicherung und der Druckpuffer eingeschränkt sind,
• bei Behältern mit Membran steigt das Risiko, dass diese beschädigt oder in die Flüssigkeit gesaugt wird,
• die Flüssigkeit kann bis in die Gasleitungen, Sicherheitsventile und Armaturen gelangen, was deren Funktion gefährdet,
• der Inhalt kann über den Überlauf austreten, was ein Umweltereignis darstellt.

Deshalb ist die obere Füllstandsgrenze ebenso wichtig wie die untere und muss unabhängig von dieser abgesichert werden.

Wie der Füllstand zuverlässig gemessen wird

Die Füllstandsmessung im Fermenter ist anspruchsvoll. Die Oberfläche des Inhalts ist uneben, es treten Schaum, Schwimmdecke und Sedimente auf. Es gibt keine einzelne Methode, die sich immer bewährt, daher wird eine Kombination eingesetzt.

Gute Praxis ist der Einsatz zweier Methoden mit unterschiedlichem Wirkprinzip, der Vergleich der Anzeigen und ein Alarm bei Abweichung. Der Endschalter für den unteren Füllstand, der die Antriebe der Rührwerke abschaltet, sollte als Sicherheitseinrichtung unabhängig von der verfahrenstechnischen Regelung ausgeführt sein.

Verknüpfung des Füllstands mit Verriegelungen und Steuerung

Die Steuerung sollte den Füllstand unter mehreren Bedingungen berücksichtigen:

1. Startsperre des Rührwerks unterhalb der minimalen Eintauchtiefe.
2. Abschalten des Rührwerks nach dem Absinken des Füllstands unter den Schwellwert, mit einer Verzögerung, die Fehlalarme durch Wellenbewegung verhindert.
3. Alarm bei hohem Füllstand vor der Überfüllung und Sperren der weiteren Dosierung.
4. Berücksichtigung des Verlaufs: Sinkt der Füllstand in kurzer Zeit deutlich schneller, als es sich aus der Gärrestentnahme ergibt, ist dies ein Hinweis auf ein Leck oder einen Messfehler.

Schwellwerte, Hysteresen und Verzögerungen werden in der Anlagendokumentation festgelegt. Sie dürfen im laufenden Betrieb nicht ohne Freigabe geändert werden.

Füllstand, Wartungsarbeiten und Risiko für Personen

Die schwerwiegendsten Gefahren treten bei der Wartung der Rührwerke auf. Der Fermenter und sein Umfeld sind ein Ort, an dem Biogas (CH₄, CO₂, H₂S) vorkommen kann, also eine explosionsfähige und giftige Atmosphäre. Arbeiten an den Rührwerken, einschließlich Dichtungswechsel, Ausbau und insbesondere des Einstiegs in den Behälter, werden ausschließlich nach schriftlicher Anweisung, auf Grundlage einer Gefährdungsbeurteilung und unter Beteiligung befugter Personen durchgeführt. Besondere Bedeutung haben:

• das Verfahren zur Freischaltung und Sicherung des Antriebs gegen unbeabsichtigtes Anlaufen,
• die Beurteilung der Explosionsgefahr gemäß Explosionsschutzdokument sowie der Einsatz von für die Zone geeigneten Geräten,
• die Anforderungen an umschlossene Räume und an die Arbeit im Team,
• Gaskonzentrationsmessungen und deren kontinuierliche Überwachung.

Dieser Beitrag ist keine Anleitung zur Durchführung dieser Arbeiten. Die einzelnen Schritte, die erforderlichen Befugnisse und die Schutzmaßnahmen ergeben sich aus der Anlagenanweisung, den Herstellerangaben und den Vorschriften, darunter der Richtlinie 1999/92/EG und den nationalen Umsetzungsvorschriften. Zur Gefährdung durch Schwefelwasserstoff siehe Schwefelwasserstoff H₂S: Gefahr für Menschen, Arbeitsschutz, Detektoren.

Häufigste Ursachen unkontrollierter Füllstandsänderungen

Der Füllstand ändert sich nicht nur aufgrund von Entscheidungen des Betreibers. Ereignisse, die vorhergesehen werden müssen:

• Missverhältnis zwischen Dosierung und Gärrestentnahme (z. B. nach einem Pumpenausfall),
• Einfrieren oder Verstopfen von Rohrleitungen,
• Schaumbildung, die den scheinbaren Füllstand erhöht,
• Beschädigung einer Durchführung oder eines Ventils, die zu einem Leck führt,
• Kalibrierfehler des Messumformers nach einer Dichteänderung des Inhalts.

Für jede dieser Situationen sollte die Anweisung die Reaktion des Betreibers und die Person festlegen, die zu benachrichtigen ist.

Checkliste für die Anlagenleitung

• Ist der Betriebsbereich des Füllstands in der Anweisung festgehalten und mit der Rührwerksdokumentation abgestimmt?
• Ist die Absicherung des unteren Füllstands unabhängig von der verfahrenstechnischen Regelung?
• Werden die Füllstandsmessungen untereinander verglichen und regelmäßig überprüft?
• Haben die Alarme festgelegte Reaktionen und Verantwortliche?
• Sind die Arbeiten an den Rührwerken durch ein schriftliches Verfahren mit Gefährdungsbeurteilung abgedeckt?
• Wurden nach einem Wechsel des Substrats oder des Inhalts Trockensubstanz und Dichte bei der Kalibrierung berücksichtigt?

Antworten mit „Ja“ auf alle Fragen erschöpfen die Anforderungen nicht, zeigen aber, dass die grundlegende Sicherheitsebene vorhanden ist und aufrechterhalten wird.

Füllstand, Schaum und Schwimmdecke

Ein besonderes Problem ist die scheinbare Füllstandsänderung. Schaum und eine dicke Schwimmdecke an der Oberfläche führen dazu, dass berührungslose Sensoren einen höheren Wert als den tatsächlichen anzeigen, während die Flüssigkeit darunter tiefer stehen kann, als die Anzeige nahelegt. Ist das Rührwerk nahe an der Mindestgrenze positioniert, kann der scheinbare Füllstand ein tatsächliches Freiliegen des Rotors verbergen. Deshalb sollte dort, wo eine Neigung zur Schaum- oder Schwimmdeckenbildung besteht, die hydrostatische Messung eine von zwei unabhängigen Messungen sein, und die Ursachen der Schaumbildung sind als eigenes Prozessproblem zu untersuchen.

Dokumentation und Schulung

Die Füllstandsgrenzwerte, die Funktionsweise der Verriegelungen und die Reaktionen auf Alarme sollten in der Anlagenanweisung beschrieben und jeder im Schichtdienst tätigen Person bekannt sein. Gute Praxis ist die regelmäßige Prüfung der Funktion der Verriegelung für den minimalen Füllstand in der vom Hersteller vorgesehenen Weise und die Dokumentation des Ergebnisses. Änderungen der Sensoreinstellungen, die Kalibrierung nach einem Austausch sowie jede Überbrückung einer Sicherheitseinrichtung sollten genehmigt und vermerkt werden, damit nach Abschluss der Wartungsarbeiten niemand die Anlage ohne Schutz zurücklässt.