Was Sie gegen Schaumbildung in Fermentern von Biogasanlagen tun können.
Starke Schaumbildung in Biogasfermentern zählt zu den häufigsten Störfaktoren für die landwirtschaftliche Biogaserzeugung. So häufig und zum Teil auch spontan das Problem auftritt, so vielfältig sind die Ursachen der Schaumbildung.
Im Folgenden bündeln wir die wichtigsten Fakten über Schaumprobleme in Biogasanlagen, stellen einige Ursachen der Schaumbildung vor und beschreiben Maßnahmen, die dabei helfen können, das Problem in den Griff zu bekommen und dem Risiko einer erhöhten Schaumbildung in Biogasfermentern vorzubeugen.
Schaumprobleme und mögliche Folgen für die Biogasanlage
Schaum in Biogasanlagen kann gravierende Auswirkungen auf die Biogaserzeugung haben – und nachhaltige Folgen für die Wirtschaftlichkeit der Biogasanlage. Doch durch den Schaum wird nicht nur die Verwertung des Biogases erschwert und die Produktionsmenge insgesamt beeinträchtigt, immer wieder kommt es auch zu (mitunter kostspieligen) Störungen und längerfristigen Ausfällen der nachgelagerten Prozesstechnik. Hinzu kommt die Gefahr von Umweltverschmutzungen durch überlaufende Gärbehälter.
Will man das Problem langfristig beheben , muss man die Gründe für die Entstehung des übermäßigen Schaumaufkommens kennen. Am häufigsten sind die Ursachen der Schaumbildung biologischer oder physikalisch-mechanischer Natur. In vielen Fällen gibt uns die Struktur und Form der Schaumzellen bereits erste Hinweise über mögliche Ursachen für die akute Schaumbildung.
Definition: Was uns die Form der Schaumblasen verrät
Schaum ist nicht gleich Schaum: Es gibt protein-stabilisierten Schaum, fett-stabilisierten Schaum und tenside-stabilisierten Schaum. Bezüglich der Form von Schaumblasen in der Biogaserzeugung unterscheidet man zwischen Kugelschaum und Polyederschaum. Weshalb sich eine genauere Betrachtung des Schaums lohnt:
- Kugelschaum besteht aus mehreren zusammengeschlossenen Gasblasen mit einem vergleichsmäßig hohen Flüssigkeitsgehalt. Daraus entstehen allmählich polyedrische Gasblasen. Diese enthalten wenig Flüssigkeit und formieren sich zu Polyederschaum.
- Polyederschaum ist leichter als Kugelschaum und „wandert“ in den oberen Schaumbereich, während Kugelschaum auf der Oberfläche der Biomasse verbleibt.
Weitere Aufschlüsse liefert uns die Größe der Schaumblasen, denn sowohl die Gasblasen innerhalb des Schaumteppichs als auch direkt oberhalb der Biomasse können von sehr unterschiedlicher Größe sein, von wenigen Millimetern bis hin zu mehreren Zentimetern im Durchmesser.
Je nach Form, Größe und Gesamtbild des Schaumteppichs lassen sich Rückschlüsse ziehen auf die Ursache der Schaumbildung:
Sehen wir z.B. große Schaumblasen in polyedrischen Formen, handelt es sich vermutlich um protein-stabilisierten Schaum, welcher häufig aus Schleimstoffen durch die Beimischung von Zuckerrüben entsteht.
Bei häufig wiederkehrenden und/oder extremen Schaumbildungen empfiehlt es sich Proben zu nehmen und diese im Labor untersuchen zu lassen.
Häufige Ursachen von Schaum im Biogasanlagen
Eine übermäßig starke Schaumbildung kann verschiedene Gründe und Ursachen haben, sie lassen sich grob in biologische und physikalische/mechanische Ursachen unterteilen. In der Regel liegt eine Störung des Fermentierungsprozesses vor oder ein Ungleichgewicht in der Zusammensetzung der Substrate. Ebenso kann es dazu kommen, dass mehrere Umstände und Faktoren zeitgleich auftreten und zusammenwirken.
In der Folge entsteht eine erhöhte Konzentration an schaumaktiven Substanzen, welche dazu beitragen, die wabenartige Struktur des Schaums zu bilden und zu stabilisieren.
Zudem wird die Schaumbildung durch weitere Faktoren forciert, wie z.B. Temperatur, Viskosität, Alkalinität oder die Durchmischung des Fermenter-Inhalts. Diese Faktoren bieten zugleich erfolgversprechende Stellschrauben, um akute Schaumbildung zu bekämpfen (siehe Sofort-Hilfe zur Schaumbekämpfung).
Mögliche Ursachen der Schaumbildung im Gärbehälter
Mangelhafte Prozessführung / mechanische Ursachen:
- Starke Temperaturschwankungen in der Biomasse
- Zu schnelles Anfahren der Biogasanlage
- Ungünstige Rührtechnik/Rührintervalle
- Zu schnelles oder zu langsames Rühren
- Ablagerungen im Biogasfermenter
Ungünstige Beschickung des Biogasfermenters:
- Beschickung des Fermenters in zu großen Einheiten
- Ungünstige Dosierung des Anteils organischer Substanzen
- Zu schneller Wechsel auf veränderten Substrate-Mix bzw. neue Silagen
- Zu viele leicht abbaubare Substrate
- Unzureichende Durchmischung der Biomasse
Mangelhafter Substrate-Mix / biologische Ursachen:
- Erhöhter Protein-Anteil im Substrate-Mix, z.B. durch Kleegras, Rindergülle, Molkereiabwasser, Hühnertrockenkot
- Erhöhter Stickstoffanteil durch schlecht abgedeckte Silagen
- Zu viele Schleimstoffe in den Substraten, z.B. durch Zuckerrüben, Getreide, Obst- und Gemüseabfälle
- Nacherwärmung der Silage durch Schimmelpilze
- Mangel an Spurenelementen und anderen Nährstoffen
- Substrate enthalten Tenside/Chemikalien aus der Tierhaltung
- Zu große Flüssigkeitsanteile bzw. zu wenig Trockensubstanzen
Betriebsstörungen in Folge erhöhter Schaumbildung
Eine zu starke Schaumbildung in Biogasanlagen kann ernsthafte Störungen für die Verfügbarkeit, Funktionalität und Sicherheit der Biogasanlagen- und Prozesstechnik zur Folge haben. Auch die wirtschaftlichen Folgen einer Betriebs- bzw. technischen Prozessstörung sind nicht unerheblich.
Mögliche Betriebsstörungen und Folgeschäden:
- Blockierte Gasleitungen durch Überdruck im Biogasfermenter
- Verstopfung des Gasleitungssystems
- Betriebsausfall-Risiko für BHKW-Motor und Gasverdichter
- Beeinträchtigung der Messtechnik
- Störung der Gärprozesse von Mikroorganismen
- Einbruch der Methanproduktion
- Folgeschäden im oberen bzw. Dachbereich des Fermenters
Schaumbildung in Biogasanlagen kann teuer werden
Besonders der letzte Punkt – Folgeschäden im Dachbereich – kann fatal. werden Bei sehr starkem Überdruck im Biogasfermenter kann es zum Überlaufen des Behälters kommen, sodass der Dachbereich sorgfältig inspiziert und neu abgedichtet werden muss.
Wirtschaftliche Folgen der Schaumbildung im Biogasfermenter:
- Kosten der Schaumbekämpfung, z.B. für Entschäumer bzw. Antischaummittel
- Erhöhte Reinigungs- und Reparaturkosten
- Reduzierter Energieertrag aufgrund der Prozessstörung
- Erhöhter Energiekostenaufwand durch zusätzliches Verrühren
- Erhöhte Personalkosten durch zusätzlichen Arbeitsaufwand
- ... Und einiges mehr.
Fakt ist: Schaumbildung in Biogasanlagen kann sehr teuer werden, wenn aufwendige Arbeitsmaßnahmen und Reparaturen notwendig sind. Häufig sind ein vermindertes Biogasvolumen und somit reduzierte Erträge die Folge.
Kommt es zum Überlaufen eines Fermenters, hat dies nicht nur unangenehme Gerüche zur Folge, es bringt zudem die Gefahr einer Verunreinigung des Umfeldes und des Oberflächenwassers durch Versickerung mit sich.
Sofort-Hilfe zur Schaumbekämpfung
Als Sofortmaßnahmen zur Bekämpfung der Schaumbildung im Biogasfermenter stehen eine Handvoll Möglichkeiten zur Verfügung, die in Verbindung schnell zu guten Resultaten führen, Gefahrenpotentiale zunächst abwenden und schlimmere Szenarien verhindern.
Sofortmaßnahmen zur Schaumbekämpfung:
- Füllpegel im Biogasfermenter senken
- Substratzufuhr/-menge reduzieren oder stoppen
- Schaum in die Gärmasse unterrühren (ggf. gegenläufig)
- Zerstören des Schaums durch feines Besprühen mit Wasser
- Beigabe von Antischaummitteln wie Pflanzenöl und/oder Entschäumer
Erste und wichtigste Sofortmaßnahme zur Schaumreduzierung ist das Absenken des Füllstandes im Gärbehälter, um so zunächst das Schaumniveau „herunterzufahren“. Andernfalls wächst die Gefahr, dass Schaum in die Gasleistung gelangt und in der Folge zu Verstopfungen und kostspieligen Verunreinigungen des gesamten Gasleitungssystems führt.
Biochemische Substanzen zur Schaumbekämpfung
Zum Zwecke der biochemischen Schaumbekämpfung haben sich spezielle Entschäumer bewährt, die aufgrund ihrer stofflichen Zusammensetzung (natürliche Fette, Wachse, pflanzliche Ölen und aliphatische Säuren sowie hoch konzentrierte Alkohole) die Oberflächenspannung der gärenden Biomasse herabsetzen, somit vorhandene Schaumstrukturen zerstören und deren Neubildung verhindern.
- Den größten Effekt und die schnellsten Erfolge erzielt man mit Antischaummitteln, wenn sie möglichst großflächig auf den Schaumteppich verteilt werden.
- Optimaler Weise geschieht das mithilfe von fest installierten Sprühanlagen im oberen Bereich des Fermenters.
Alternativ empfiehlt sich die Installation einer Wasser-Sprühanlage mit breit streuenden Fächerdüsen, sodass der vorbeiziehende Schaum durch Wasserdruck mechanisch zerstört wird.
Folgemaßnahmen zur Schaumbekämpfung
Weitere Maßnahmen zur Bekämpfung einer erneuten, akuten Schaumbildung im Biogasfermenter sind Versuche zur Optimierung des Rührmanagements.
Da sich die Konsistenz und Qualität der Substrate bzw. Substrate-Mischungen auf natürliche Weise immer wieder ändern, sei es nur in Nuancen, kann es die EINE Lösung naturgemäß nicht geben. Hier ist also jeder Landwirt angehalten, übers Probieren & Variieren gute Verfahrensweisen zu ermitteln und darüber zu den bestmöglichen Lösungen für die eigene Biogasanlage zu gelangen.
Variation und Optimierung des Rührmanagements
Zur Optimierung des Rührverfahrens und der Rührzyklen gibt es je nach Rührwerk und Ausstattung unterschiedliche Möglichkeiten:
- Änderung der Rührwerkseinstellungen
- Variation des Rührens in puncto Richtung und Geschwindigkeit
- Variation der Rührdauer bzw. -intensität
Vor allem bei schnelllaufenden Rührwerken kann ein regelmäßiges Verändern der Rührrichtung gute Resultate hervorbringen. Falls es der Typ und die technische Ausstattung der Rühranlage erlauben, empfiehlt es sich ebenfalls , häufiger mal einen Richtungswechsel beim Durchmischen der Biogärmasse vorzunehmen – von links nach rechts, von unten nach oben, und umgekehrt.
Übrigens: mithilfe solcher Richtungswechsel lässt sich der Schaum auch sehr effektiv unterrühren, sodass sich eine solche technische Option des Rührwerks auch im Zuge der Sofortmaßnahmen als vorteilhaft erweist.
Das Optimum der eigenen Biogasanlage herausfinden
Insgesamt aber gilt: „Probieren geht über Studieren“. Je nach Rührwerk und technischen Möglichkeiten muss jeder Biogasanlagenbetreiber für sich und seinen Prozess herausfinden, welche Rührtechniken die besten Erfolge bringen.
Wertvolle Tipps und Hinweise liefert auch die Fachinformation „Empfehlungen für die Auswahl von Rührwerken für Gärbehälter und Gärrestlager“ vom Biogas Forum Bayern.
Präventiv-Maßnahmen gegen Schaumbildung
Die beste Präventiv-Maßnahme gegen Schaumbildung ist mehr als das bloße Vermeiden von schaumbildenden Substraten in der Biomasse. Die beste Prävention ist eine kontrollierte und kontinuierliche, in Menge und Qualität möglichst konstante Beschickung von Biogasfermentern.
Folgende Aspekte bilden wichtige Stellschrauben für den weitgehend störungsfreien Betrieb einer Biogasanlage:
Beschickung des Biogasfermenters
- Reduzierung der Beschickungsmengen (eher weniger als zu viel)
- Möglichst kurze Beschickungsintervalle (ca. 30- bis 60-Minuten-Takt)
- Änderung der Beschickungsstoffe (weniger schaumbildende Substrate im Fermenter; stattdessen Beschickung des Nachgärers mit schaumaktiven Substraten)
Sind die geplanten Zeitabstände zur Beschickung des Fermenters zu lang, geraten die Beschickungsmengen zu groß, was in der Regel zu einer punktuellen Überlastung des biologischen Gärprozesses führt.
Dies gilt umso mehr, je höher der Anteil an leicht abbaubaren Substraten in der Beschickung ist, wie dies beispielsweise bei Getreide oder Zuckerrübenschnitzeln der Fall ist. Leicht abbaubare Substrate sollten eher in geringen Mengen beigemischt werden
Substrate-Mix in der Biogaserzeugung
- Ursachen der Schaumbildung ermitteln
- Per Ausschlussverfahren und/oder Laborproben
- Schaumbildende Substrate weglassen
- Leicht abbaubare Substrate reduzieren
- Anteil der Trockensubstanzen ggf. erhöhen
Je mehr verschiedene Substrate in der Biogasanlage zum Einsatz kommen, desto schwieriger ist es herauszufinden, welche der Substrate die Schaumbildung verursachen. Ein probates Mittel ist in solchen Fällen das Ausschlussverfahren, also das zeitweise Weglassen jeweils eines Substrats. Hilfreich ist dennoch eine Laborprobe, um insbesondere stark proteinhaltige und stickstoffreiche Substanzen zu identifizieren und zum Zwecke der Schaumvermeidung zu reduzieren oder nach Möglichkeit vollständig wegzulassen.
Zudem sollte der Anteil an Trockensubstanzen im Fermenter nicht zu gering ausfallen. Je niedriger der Trockensubstanzgehalt, desto schlanker und flüssiger die Biomasse und desto größer die Neigung zur Schaumbildung.
Weitere Präventiv-Maßnahmen gegen Schaumbildung
Biochemische Bedingungen
- Veränderung der Viskosität
- Veränderung der Gärtemperatur
- Veränderung der Alkalinität
Die Gärtemperatur spielt im Zusammenspiel der vielen Variablen eine besondere Rolle, denn eine veränderte Temperatur der Gärmasse hat unweigerlich eine Änderung des biologischen Mikroklimas zur Folge – was wiederum die Neigung zur Schaumbildung im Fermenter eher verstärkt oder vermindert.
Technischer Schutz der Biogasanlage
Empfehlungen zur Optimierung des Rührmanagements und des Rührwerks (respektive der technischen Ausstattung) sind bereits weiter oben zu finden. Sollte das Problem der Schaumbildung im Fermenter trotz eingehender Bemühungen und Versuche fortbestehen, empfehlen wir zudem den Einbau einer Schaumfalle in der Gasleitung. So lässt sich die latenten Gefahr einer Verunreinigung der Gasleitungen und der nachgelagerten Systeme der Biogasanlage endgültig verhindern.
