pH-Wert im Fermenter: welcher Bereich richtig ist und was Veränderungen bedeuten

Der richtige pH-Wert in einer landwirtschaftlichen Biogasanlage liegt in der Regel im Bereich 7,0–8,2, wobei methanogene Mikroorganismen bei einem pH-Wert von ca. 6,8–7,5 am besten arbeiten. Der pH-Wert allein reicht zur Beurteilung des Prozesses nicht aus: Er ist ein verzögerter Indikator, denn der Puffer (Hydrogencarbonate und Ammonium) verdeckt den Anstieg der Säuren lange Zeit. Über den Zustand des Prozesses sagt erst das Zusammenspiel aus pH-Wert, FOS/TAC, Fettsäuren und Gaszusammensetzung etwas aus.

Woher der Puffer kommt

Im Fermenter wirken zwei Hauptpuffersysteme:

• Carbonatsystem: in der Flüssigkeit gelöstes CO₂ und Hydrogencarbonate, an Kationen gebunden; ihre Menge bestimmt die Alkalinität (TAC),
• Ammoniumsystem: aus Proteinen und Harnstoff freigesetzter Ammoniumstickstoff, der Säuren neutralisiert.

Daher haben Anlagen auf Gülle-Basis in der Regel einen höheren pH-Wert und eine höhere Alkalinität als Anlagen, die allein auf Maissilage laufen, die über einen geringen Puffervorrat verfügen und schneller ihre Stabilität verlieren.

Warum der pH-Wert spät reagiert

Gelangen Säuren in einer Menge in den Fermenter, die die Fähigkeit der Methanogenen übersteigt, neutralisieren Hydrogencarbonate sie, und der pH-Wert ändert sich kaum. Erst nach Erschöpfung der Alkalinität kommt es zu einem Abfall. In der Praxis dauert dies einige Tage, und ein Absinken des pH-Werts unter ca. 6,8–7,0 signalisiert bereits eine ernste Störung. Daher sind FOS/TAC und das Säureprofil (FFS) empfindlichere Indikatoren.

Ein hoher pH-Wert ist auch nicht ohne Risiko

Der Gehalt an freiem Ammoniak hängt von pH-Wert und Temperatur ab. Bei gleicher Konzentration von Ammoniumstickstoff (TAN) kann ein Anstieg des pH-Werts um 0,3 Einheiten die NH₃-Konzentration verdoppeln. Vereinfachtes Beispiel (pKa NH₄⁺ ca. 8,86 bei 38 °C): Bei TAN 3,5 g N/l und pH 7,5 beträgt das freie NH₃ ca. 145 mg N/l, bei pH 7,8 — ca. 280 mg N/l. Daher ist bei Hühnergülle und ähnlichen Substraten ein hoher pH-Wert ein Signal zur Vorsicht.

Orientierungsbereiche

Die Bereiche hängen vom Substrat ab; wichtiger als der Absolutwert sind der Trend und der Bezug zur Historie der jeweiligen Anlage.

So wird gemessen

1. Entnehmen Sie die Probe stets am selben Punkt und zur selben Tageszeit.
2. Messen Sie möglichst rasch nach der Entnahme — das Entweichen von CO₂ erhöht den pH-Wert der Probe.
3. Messen Sie bei einer Temperatur nahe der Fermentertemperatur oder mit Temperaturkompensation.
4. Kalibrieren Sie die Elektrode vor Messreihen in Pufferlösungen (in der Regel 7,0 und 4,0 oder 10,0) und reinigen Sie sie — Fette und Biofilm verursachen Drift.
5. Im Fermenter installierte kontinuierliche Sonden erfordern regelmäßige Kontrolle und einen Vergleich mit der Labormessung.

Maßnahmen je nach Trend

• pH-Abfall: Verringern oder setzen Sie die Dosis leicht abbaubarer Substrate aus, prüfen Sie FOS/TAC, erwägen Sie die Zugabe von Puffer (Kalk, Natriumhydrogencarbonat, Asche — mit der gebotenen Vorsicht) und erhöhen Sie den Gülleanteil.
• pH-Anstieg: Berechnen Sie das freie NH₃, begrenzen Sie stickstoffreiche Substrate, verdünnen Sie, erhöhen Sie bei Bedarf den Anteil kohlenstoffreicher Substrate.
• Schwankungen: Suchen Sie die Ursachen in ungleichmäßiger Dosierung.

Die bloße Korrektur des pH-Werts beseitigt die Ursache nicht; sie ist eine Übergangsmaßnahme, die Zeit für eine Änderung der Dosierung oder der Mischung verschafft.

pH-Wert in den einzelnen Stufen

Verschiedene Gruppen von Mikroorganismen haben unterschiedliche Optima: Hydrolyse und Acidogenese arbeiten gut bei einem pH-Wert von ca. 5,5–6,5, die Methanogenese bei neutralem pH-Wert. In zweistufigen Systemen arbeitet der erste Fermenter gezielt bei niedrigerem pH-Wert. In einstufigen Systemen muss der gesamte Prozess im für Methanogene günstigen Bereich ablaufen, was einer der Gründe dafür ist, dass leicht abbaubare Substrate vorsichtig dosiert werden müssen.

Korrekturzusätze

Übergangsweise werden Kalk, Natriumhydrogencarbonat oder andere alkalische Mittel eingesetzt. Ihre Dosis wird anhand des TAC und des Ziels (z. B. Anhebung der Alkalinität um einen bestimmten Wert) festgelegt und nicht „nach Gefühl“. Ein Überschuss an Calcium kann zur Ausfällung von Carbonaten und zu Kalkablagerungen an Wärmetauschern und Rohren führen. Diese Mittel lösen das Problem nicht an der Wurzel; nach der Stabilisierung des Prozesses müssen die Dosierung oder die Zusammensetzung der Mischung geändert werden.

Das pH-Protokoll in der Praxis

Halten Sie den pH-Wert gemeinsam mit Datum, Uhrzeit relativ zur Dosierung, Probentemperatur, Dosis und deren Zusammensetzung fest. Nach einigen Monaten entsteht ein Profil des „normalen“ Betriebs der konkreten Anlage, das wertvoller ist als alle Werte aus der Literatur. Eine Abweichung von 0,2–0,3 von diesem Profil ohne erkennbare Ursache sollte als Anlass gelten, FOS/TAC und Gaszusammensetzung zu prüfen.