HRT und SRT: Verweilzeit im Fermenter und ihre Wahl

Die HRT (hydraulic retention time) ist die mittlere Verweilzeit der Flüssigkeit im Fermenter, berechnet als aktives Volumen geteilt durch den täglichen Durchfluss, und die SRT (solids retention time) — die mittlere Verweilzeit der mikrobiellen Biomasse. In einem typischen vollständig durchmischten Behälter ohne Rezirkulation sind beide gleich, daher muss die HRT länger sein als die Verdopplungszeit der am langsamsten wachsenden Methanogenen. In landwirtschaftlichen Biogasanlagen beträgt sie im Allgemeinen einige Dutzend Tage.

Formeln und Beispiel

HRT = V / Q, wobei V das aktive Volumen (m³) und Q das tägliche Volumen des zugeführten Substrats (m³/d) ist.

Beispiel: Fermenter 3.000 m³, Dosierung von 65 t/d Substrat mit einer Dichte von ca. 1 t/m³ → Q ≈ 65 m³/d. HRT ≈ 3.000 / 65 ≈ 46 Tage. Bei zwei Fermentern (insgesamt 6.000 m³) und derselben Gabe beträgt die Gesamt-HRT ca. 92 Tage. Eine Erhöhung der Gabe um 30% verkürzt die HRT in der ersten Konfiguration auf 35 Tage.

In der Praxis ist der Durchfluss größer als die dosierte Masse, wenn Gärrest zur Verdünnung rezirkuliert wird; dann unterscheidet sich die auf den Gesamtdurchfluss bezogene HRT von der auf das frische Substrat bezogenen. Der Betreiber sollte klar festlegen, welchen Kennwert er berichtet.

Warum man nicht beliebig verkürzen kann

Methanogene haben eine niedrige Wachstumsgeschwindigkeit. Ist die HRT kürzer als die Zeit, die zur Wiederherstellung der Biomasse erforderlich ist, übersteigt der Verlust am Ablauf den Zuwachs, und die Population schrumpft (Auswaschung). Folgen: Anstieg der FFS, Absinken des pH-Werts, Rückgang der Methanproduktion. Der sichere Spielraum hängt von der Fahrweise (thermophil toleriert eine kürzere HRT) und den Substraten ab (Gülle mit niedriger Trockensubstanz erfordert einen anderen Ansatz als Silage).

Typische Bereiche

Die angegebenen Bereiche haben orientierenden Charakter; jedes Projekt ist für den jeweiligen Mix zu verifizieren.

Abbau und Zeit

Die Kurve des Methanertrags über die Zeit hat eine der Exponentialfunktion ähnliche Form: Der Großteil des Potenzials wird in den ersten Wochen freigesetzt, und die letzten Prozent erfordern deutlich längere Zeit. Deshalb kombiniert die Praxis den Hauptfermenter mit einem zweiten Fermenter (oder einem Nachgärbehälter mit Gasabnahme), die die gesamte Verweilzeit ohne übermäßige Vergrößerung des Hauptvolumens erhöhen.

Kaskadenanordnung

Zwei oder mehr Fermenter in Reihe ergeben eine Verweilzeitverteilung, die näher an der Pfropfenströmung liegt: Kurze Umläufe von Partikeln sind weniger wahrscheinlich, sodass weniger unzureichend abgebautes Material in den Gärrest gelangt. Bei demselben Gesamtvolumen ergibt das in der Regel einen höheren Ertrag als ein großer Fermenter, insbesondere bei schwer abbaubaren Substraten.

Praktische Grundsätze

1. Kennen Sie die aktuelle HRT, berechnet auf der Grundlage der tatsächlichen Gaben, nicht der Planungsgaben.
2. Achten Sie bei einer Erhöhung der Gabe darauf, dass die HRT nicht unter den Wert fällt, bei dem die Anlage stabil lief.
3. Verlängern Sie die Zeit, wenn im Gärrest viel unabgebautes Material enthalten ist oder aus dem Gärrestlager viel Gas entweicht.
4. Dokumentieren Sie die HRT zusammen mit der OLR; gemeinsam beschreiben sie die Belastung des Fermenters.
5. Führen Sie einen Test des Restmethanpotenzials des Gärrests durch (BMP oder 28–60-Tage-Test), um zu beurteilen, ob eine Verkürzung oder Verlängerung der Zeit gerechtfertigt ist.

Der Test des Restpotenzials ist der beste Weg, die Diskussion über die optimale HRT in Zahlen aus der eigenen Anlage zu verwandeln.

Rezirkulation und Separation als Weg zu SRT > HRT

In Reaktoren ohne Biomasserückhalt ist die SRT gleich der HRT. In Anlagen mit Rezirkulation eingedickter Biomasse (z. B. nach der Separation des Gärrests) kehrt ein Teil der Mikroorganismen in den Fermenter zurück, sodass die SRT länger ist als die HRT. Das ergibt eine höhere Stabilität und erlaubt eine größere Belastung, erhöht aber auch die Konzentration von Ammoniumstickstoff und Salzen, was bei der Kontrolle der Hemmung zu berücksichtigen ist.

Praktischer Plausibilitätstest

Vergleichen Sie die HRT mit der Zeit, in der der BMP-Test der Substrate einen erheblichen Teil des Potenzials erreicht (z. B. 80–90%). Ist die HRT deutlich kürzer, verbleibt Energie im Gärrest; ist sie deutlich länger, kann der Fermenter überdimensioniert oder die Gabe zu niedrig sein. Die Kontrolle sollte nach jeder größeren Änderung des Mixes wiederholt werden.

Beispiel: Folgen einer Gabenerhöhung

Eine Anlage mit einem Fermenter von 3.000 m³ und einer HRT von 46 Tagen erhöht die Gabe um 30% (von 65 auf ca. 85 m³/d). Die HRT sinkt auf ca. 35 Tage, was eine Verkürzung der Reaktionszeit um fast ein Viertel bedeutet. Wenn zuvor im Gärrest ein erheblicher unabgebauter Faseranteil vorhanden war, steigt sein Anteil nach der Verkürzung der HRT, und die Ausbeute je oTS-Einheit sinkt. Der Nutzen der zusätzlichen Gabe kann daher geringer sein, als sich aus der einfachen Umrechnung ergäbe.