Optimierung des Methangärungsprozesses in landwirtschaftlichen Biogasanlagen

Die Stabilität der Methangärung hängt von mehreren miteinander verbundenen Parametern ab: Temperatur, pH-Wert, Säure-Alkalinitäts-Bilanz (FOS/TAC) und der Belastung des Fermenters mit organischer Fracht, und der häufigste Betriebsfehler ist eine zu schnelle Erhöhung der Substratdosis. Nachfolgend besprechen wir die grundlegenden Kennwerte, ihre typischen Bereiche und Verhaltensregeln, ohne Versprechen universeller „idealer“ Werte, denn jede Anlage hat ihre eigene Charakteristik.

Temperatur

Methanogene Mikroorganismen arbeiten in zwei Bereichen effizient: im mesophilen (üblicherweise 35–42 °C) und im thermophilen (50–60 °C). Die meisten landwirtschaftlichen Biogasanlagen arbeiten im mesophilen Bereich, weil sie weniger Wärme für die Beheizung des Fermenters verbrauchen und weniger störanfällig sind; der thermophile Prozess ist schneller und hygienisiert besser, erfordert aber mehr Energie und ist mitunter weniger stabil (Vergleich: Mesophile oder thermophile Gärung). Wichtiger als der Wert selbst ist die Konstanz: Abrupte Schwankungen um mehr als einige Grad in kurzer Zeit stören das Gleichgewicht zwischen den Gruppen von Mikroorganismen und senken die Biogasproduktion.

pH-Wert und FOS/TAC

Der optimale pH-Wert für die Methangärung liegt in der Regel im Bereich von ca. 6,8–7,5. Unterhalb dieses Bereichs werden die Methanogenen gehemmt. Die Stabilität bewerten zusätzlich Kennwerte der Alkalinität und der Säuren, darunter FOS/TAC, also das Verhältnis der flüchtigen Fettsäuren (umgerechnet auf Essigsäure) zur gesamten Alkalinität, gemessen mit der Titrationsmethode. Häufig geht man davon aus, dass niedrige Werte (in der Größenordnung von 0,3–0,4) einen stabilen Prozess anzeigen und hohe (über ca. 0,6) auf eine Gefährdung hindeuten, doch diese Bereiche hängen vom Substrat, vom Messverfahren und von der jeweiligen Anlage ab. Wichtiger als eine einzelne Messung ist daher der Trend. Einzelheiten: FOS/TAC: Wie man misst und interpretiert.

Fermenterbelastung (OLR)

Die organische Raumbelastung ist die Masse der organischen Trockensubstanz, die dem Fermenter pro Tag zugeführt wird, bezogen auf einen Kubikmeter seines Arbeitsvolumens, in kg oTS/(m³·d). In landwirtschaftlichen Biogasanlagen liegen typische Werte im Bereich von ca. 2–4 kg oTS/(m³·d). Eine übermäßige Belastung ist eine häufige Ursache von Problemen: Leicht abbaubare Substrate versäuern den Fermenter schneller, als die Methanogenen die Säuren verbrauchen können. Grundsätze für Auswahl und Kontrolle behandelt der Beitrag OLR: Belastung des Fermenters mit organischer Fracht.

Rezeptur und Kofermentation

Die Gärrezeptur sollte berücksichtigen:

• die Trockensubstanz (TS) und die organische Substanz (oTS),
• das Methanpotenzial (BMP) und den Methangehalt im Biogas,
• die Abbaugeschwindigkeit, die die erforderliche Verweilzeit beeinflusst,
• das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff sowie den Gehalt an Ammoniak, Schwefel und Spurenelementen.

Die Kombination von Substraten mit komplementären Eigenschaften (z. B. Gülle mit hoher Pufferkapazität mit Abfällen mit hoher Ausbeute) stabilisiert den Prozess und gleicht saisonale Schwankungen der Anlieferung aus; sie erfordert jedoch eine schrittweise Einführung von Änderungen und die Überprüfung der Mischungen im Labor (Kofermentation: Planung der Substratmischung).

Monitoring und Dokumentation

Als Grundausstattung an Kennwerten, die regelmäßig erfasst werden sollten, gelten:

• der Temperatur im Fermenter und ihren Schwankungen,
• der Menge und Zusammensetzung des Biogases (CH₄, CO₂, H₂S),
• dem pH-Wert, FOS/TAC, gegebenenfalls der Ammoniakkonzentration,
• der Dosis und Zusammensetzung der Substrate pro Tag,
• der Menge und Zusammensetzung des Gärrests.

Die gemeinsame Interpretation von Gasdurchfluss und Gaszusammensetzung ermöglicht es, Veränderungen schnell zu erkennen, bevor sie sich zu einer ernsten Störung auswachsen. Die Dokumentation der Rezepturen und der ihnen entsprechenden Ausbeute baut eine Wissensbasis über die Anlage auf.

Verhaltensregeln

1. Führen Sie Änderungen der Rezeptur und der Belastung schrittweise ein und beobachten Sie die Reaktion des Prozesses.
2. Reagieren Sie auf den Trend der Kennwerte, nicht auf einen einzelnen Messwert.
3. Halten Sie die Temperatur konstant und das Rühren funktionsfähig.
4. Prüfen Sie neue Substrate mit einem BMP-Test und, wenn möglich, im Mischungstest.
5. Planen Sie regelmäßige Laboruntersuchungen und Sensorprüfungen.

Typische Störungen und erste Schritte

Zu den häufigsten Störungen gehören die Versauerung (steigender FOS/TAC-Wert, sinkender pH-Wert, abnehmender Methangehalt), die Ammoniakhemmung (bei hohem Anteil eiweißreicher Substrate), Schaumbildung und Mangel an Spurenelementen. Bei besorgniserregenden Symptomen schränkt man in der Regel die Dosierung der am leichtesten abbaubaren Substrate ein oder stoppt sie, prüft Temperatur und Rühren und führt Kontrollanalysen durch. Erst nach der Stabilisierung der Kennwerte kehrt man schrittweise zur vorherigen Dosis zurück. Bei jeder ernsteren Störung empfiehlt es sich, Proben und Daten aus dem Zeitraum vor der Störung aufzubewahren, denn sie erleichtern das Auffinden der Ursache.