Stabilität der Beschickung der Biogasanlage: Warum die Tagessumme der Einsatzstoffe nicht ausreicht

Die tägliche Einsatzsumme reicht zur Beurteilung der Stabilität eines Fermenters nicht aus, denn über die Reaktion der Biologie entscheiden auch die zeitliche Verteilung der Dosen sowie Zusammensetzung und Trockensubstanz des Materials; der EPA-AgSTAR-Leitfaden sagt ausdrücklich, dass die Aufrechterhaltung eines stabilen Ökosystems von Mikroorganismen einen regelmäßigen Zeitplan für die Zugabe von Abfällen und eine minimale Schwankung ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften erfordert. Der Tagesdurchschnitt „sieht gut aus“, und dennoch kann es im Fermenter zu einem Säureimpuls kommen. Nachfolgend zeigen wir, warum das so ist und was daraus für den Betrieb der Anlage folgt.

Was der EPA-Leitfaden sagt

Der AgSTAR-Leitfaden für Betreiber (November 2020) hebt im Kapitel über die konstante Beschickung (4.1) drei Dinge hervor. Erstens sind Abfälle nach einem regelmäßigen Zeitplan im Auslegungsvolumen zuzugeben, um die Auslegungs-Verweilzeit aufrechtzuerhalten. Zweitens muss die Schwankung der Trockensubstanz (TS) und der organischen Substanz (oTS) begrenzt werden, damit die organische Raumbelastung (OLR) konstant ist. Drittens sind bei der Kofermentation verschiedene Abfälle gleichzeitig, in konstanten Anteilen und am besten vor der Zufuhr in den Fermenter gemischt zuzugeben. Der Leitfaden merkt an, dass eine uneinheitliche Beschickung, die sich z. B. aus fehlendem Platz im Lager, Lieferterminen, Substratarten und der Geschwindigkeit ihres Abbaus ergibt, große Schwankungen der Biogasproduktion verursachen kann; er veranschaulicht das mit Daten von einem Betrieb, auf dem nach der Zugabe von Substraten zum Mist bei uneinheitlicher Beschickung die Biogasproduktion deutlich höher, aber auch erheblich schwankender war als im Zeitraum ohne Substrate.

Anlagen arbeiten in der Regel im kontinuierlichen Betrieb (konstanter Durchfluss über 24 Stunden) oder, häufiger, im halbkontinuierlichen: Die Abfälle werden ein- oder mehrmals täglich in gleichen Abständen zugegeben.

Warum die zeitliche Verteilung zählt

Betrachten wir ein hypothetisches Beispiel (Zahlen nur zur Veranschaulichung). Der Fermenter hat 3000 m³, und die tägliche Belastung beträgt 6 t oTS, also 2 kg oTS/(m³·d). Wird die Dosis in sechs Portionen zu je 1 t oTS zugegeben, erhöht jede den momentanen oTS-Gehalt um ca. 0,33 kg/m³. Gelangt die ganze Dosis auf einmal hinein, beträgt der Sprung ca. 2 kg/m³, also das Sechsfache, obwohl die Tagessumme identisch ist. Leicht abbaubares Material (z. B. Produktionsabfälle mit Zuckern) unterliegt rasch der Acidogenese, und Methanogene wachsen langsamer, sodass ein momentaner Säureüberschuss nicht sofort verbraucht wird. Der EPA-Leitfaden erklärt diesen Mechanismus: Ein OLR-Sprung erlaubt es den säurebildenden Bakterien, die Wachstumsrate der Methanogenen zu überschreiten, was den pH-Wert senkt; im Extremfall kommt es zu Schaumbildung und zum Absterben der Methanogenen, und der Fermenter muss entleert und neu angefahren werden. Den Mechanismus beschreiben wir auch im Beitrag Versauerung des Fermenters: Diagnose und Vorgehen.

Ähnlich bleibt eine saisonale Änderung der Materialzusammensetzung mitunter allein im Gewicht der Lieferungen unsichtbar. Silage aus einem anderen Schnitt oder eine feuchtere Gülle-Charge haben eine andere Trockensubstanz und einen anderen oTS-Gehalt, sodass dieselbe Zahl Tonnen eine andere Fracht trägt. Aktuelle TS- und oTS-Werte helfen, die Änderung zu verstehen, und über die Logistik schreiben wir in Lagerung von Silage in der Biogasanlage.

Welche Warnsignale die EPA nennt

• Ein Rückgang des CH₄-Gehalts im Biogas ist der erste Indikator; man misst ihn am besten mit einem kontinuierlichen Analysator.
• Ein Rückgang der Alkalinität weist früher als der pH-Wert, der sich langsamer ändert, auf eine Prozessstörung hin; ein Indikator ist auch der Anstieg der FFS und des Verhältnisses von FFS zu Alkalinität.
• Der pH-Wert im Ablauf (in der Regel 7,0–8,0 in einem korrekt arbeitenden Fermenter) ist ein nachlaufender Indikator.
• Ein Anstieg des CO₂-Anteils im Biogas, auch ein allmählicher, bedeutet einen Verlust der Prozessstabilität.
• Ein Rückgang der Biogasproduktion zeigt an, dass die Auslegungsparameter nicht eingehalten werden oder dass ein toxischer Stoff in den Fermenter gelangt ist.

Mit den titrimetrischen Kennwerten befasst sich der Beitrag FOS/TAC: Wie man misst und interpretiert, mit dem Säureprofil — Flüchtige Fettsäuren (FFS) in der Biogasanlage.

Wie man Aufzeichnungen führt

Der Leitfaden empfiehlt bei der Kofermentation eine detaillierte Dokumentation: Erfassung jeder Abfallquelle, von Datum und Uhrzeit der Lieferung sowie des Volumens, die Messung des pH-Werts und am besten das Aufbewahren einer repräsentativen Probe jeder Lieferung für eventuelle Analysen zu Toxizität, Physik und Chemie. Bei von außen stammenden Abfällen führt man regelmäßig Toxizitätstests durch; Quelle von Inhibitoren in Abfällen der Lebensmittelindustrie sind mitunter Reinigungs- und Desinfektionsmittel, z. B. Chlorverbindungen und Ammoniak. In der Praxis sind nützlich:

1. die Aufzeichnung der Uhrzeiten jeder Dosis (nicht nur der Tagessumme),
2. TS und oTS jeder Charge oder Änderung der Zusammensetzung,
3. die Verknüpfung der Lieferung mit der Charge in der Aufzeichnung des Fermenters,
4. die tägliche Kontrolle der Durchflüsse und Belastungen sowie die Überprüfung der Pumpenarbeit (z. B. durch Messung der Entleerung des Vorlagebehälters während des Dosierzyklus).

Gute Daten erlauben es, Produktionsschwankungen einem konkreten Ereignis in der Beschickung zuzuordnen. Kennwerte für den täglichen Gebrauch beschreibt der Beitrag KPI der Biogasanlage, die Substratmischung — Kofermentation: Planung der Substratmischung. Neue Materialien werden zusätzlich im Hinblick auf Lagerung und Homogenisierung beurteilt, und der Beschickungsplan wird an Technologie und Erfahrungen der jeweiligen Anlage angepasst.