Pump- und Rührtechnik in landwirtschaftlichen Biogasanlagen

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1 Pump- und Rührtechnik in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Dr. Heinrich-Wilhelm Klußmann Studium der Agrarwissenschaften Fachrichtung Tierproduktion an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Promotion in der Landwirtschaftlichen Verfahrenstechnik Seit 1997 Gebietsverkaufsleiter Nord der ITT Flygt Pumpen GmbH, Langenhagen Einleitung: Biogasanlagen, die ausschließlich mit dem Grundsubstrat Gülle betrieben werden, werden heute nur noch selten geplant. Dadurch dass durch die Zugabe von anderen organischen Stoffen oder nachwachsenden Rohstoffen die Gasausbeute und damit die Wirtschaftlichkeit einer Biogasanlage erheblich gesteigert werden kann, wird zumindest bei der Planung heutiger Anlagen die Möglichkeit zur Kofermentation berücksichtigt. Durch die Kofermentation lassen sich die Gasleistungen einer Biogasanlage gegenüber reiner Gülle erheblich steigern, ohne dass das Speichervolumen in den sogenannten Faulbehältern (Fermentern) erhöht werden muss. Bei der Entscheidung eine Biogasanlage mit Kofermentaten zu errichten oder zu betreiben, müssen neben den gültigen Gesetzen und Verordnungen: Baugesetzbuch des Bundes und der Länder -Länderverordnungen über dezentrale Abwasserreinigung Tierkörperbeseitigungsgesetz, Futtermittelgesetz, Viehverkehrsverordnung Bundes-Immissionsschutzgesetz -Verordnung über genehmigungsfähige Anlagen Düngemittelgesetz Düngeverordnung Düngemittelverordnung Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz Mineralölsteuergesetz mit Durchführungsverordnung auch die Einflüsse der Kofermentate auf die Eigenschaften, insbesondere die Fließeigenschaften des Grundsubstrats Gülle berücksichtigt werden. Der Zusatz von Kofermentaten verändert die Zusammensetzung des Gärsubstrats in Bezug auf den Trockensubstanzgehalt, Nährstoff und Schadstoffgehalt.

2 Gülle Gülle ist an sich ein sehr inhomogener Stoff. Sie ist ein Kot /Harn Gemisch mit einem relativen Anteil an Wasser und geringen Beimengungen an Futterresten und Einstreu. Im Einzelfall gelangen auch Fremdkörper in die Gülle. Die Zusammensetzung der Gülle ist von folgenden Faktoren abhängig: Tierart Produktionsrichtung Aufstallung Fütterung Wasserzufuhr Der Trockensubstanzgehalt (TS-Gehalt) unterliegt zum Teil großen Schwankungen. Tab. 1: Schwankungsbreite beim Trockensubstanzgehalt verschiedener Güllearten und Biogasertrag im mesophilen (30-35 C) Temperaturbereich Tierart Rinder Schweine Hühner Substrat Gülle Gülle Kot TS-Gehalt % , Gasleistung m³/gv/tag 0,56 1,5 0,60 1,25 3,5 4,0 1,11 2,0 3,75 Quelle: nach Schulz (1996) Für die Erzeugung von Biogas sind Trockensubstanzgehalte der Gülle zwischen 5 und 15 % günstig. Der Bereich bei dem die Gülle problemlos gepumpt, gerührt und gemischt werden kann, liegt zwischen 5 und 12 % TS. Oberhalb 12 % TS können in Abhängigkeit von den Förderbedingungen Probleme auftreten. Bei allen Tierarten können Fremdstoffe in die Gülle gelangen und Probleme bereiten. Zum einen sind dies Stoffe die Energie besitzen und vergoren werden können, wie: Einstreu und Futterreste zum anderen sind es unerwünschte Stoffe, die die Fließfähigkeit der Gülle beeinträchtigen wie: Sand aus Mineralstoffen in Futtermitteln bei Schweinen und Geflügel Sägemehl zum einstreuen Erde aus Rauhfutter Erde, die durch den Weidegang in den Stall gelangt Fell- und Schwanzhaare, Borsten und Federn und Fremdkörper, wie Schnüre, Drähte, Kunststoffe und Steine.

3 Bei Rindergülle ist durch Futterreste und Einstreu in erster Linie mit Schwimmdecken zu rechnen. Bei ungünstiger Rührtechnik können diese so mächtig und verfilzt sein, dass sie nur schwer aufzulösen sind. Des weiteren können Sand und Lehm bei Weidegang direkt oder über das Futter in die Gülle gelangen. Schweinegülle neigt durch den Sandanteil im Futter und schwerverdauliche Maisoder Getreideschalen zu Sinkschichten. Wird nicht ausreichend gerührt können sich im Laufe der Zeit dezimeterdicke Schichten bilden, die so hart werden können, dass sie nur noch mit Spaten und Bagger aufzulösen sind. Bei Hühnerkot ist durch den hohen Kalk- und Sandanteil im Futter auch mit der Bildung von Sinkschichten zu rechnen. Des weiteren können sich organische Säuren, Antibiotika, Chemotherapeutika und Desinfektionsmittel in der Gülle befinden und den Faulprozess in Biogasanlagen beeinträchtigen, hemmen oder gar zum Erliegen bringen. Alle diese Fremdstoffe beeinträchtigen die Fließfähigkeit der Gülle und haben somit direkt Auswirkungen auf die Auslegung der Pumptechnik und der Rührtechnik. Kofermentate Die organischen Reststoffe oder nachwaschenden Rohstoffe stammen aus der Landschaftspflege, den Großküchen, der Nahrungsmittelverarbeitung und oder der Landwirtschaft. Ziel der Kofermentation ist die Rückführung der organischen Abfälle und der darin enthaltenen Nährstoffe in den landwirtschaftlichen Stoffkreislauf und die gleichzeitige Nutzung der Energie dieser Abfälle. Die Zugabe außerbetrieblicher Abfälle zum Wirtschaftsdünger (Flüssigmist) hat jedoch zur Folge, dass die Mischung abfallrechtlichen Vorschriften unterliegt und daher beim Bau und Betrieb von Kofermentationsanlagen ebenso wie bei der Verwertung der Gärrückstände eine Reihe zusätzlicher gesetzlicher Vorschriften (Hygienerichtlinien) berücksichtigt werden müssen, die bei der ausschließlichen Vergärung von Wirtschaftsdünger nicht zur Anwendung kommen. Bei der landwirtschaftlichen Verwertung der vergorenen Substrate aus Cofermentationsanlagen kommen sowohl abfallrechtliche als auch düngemittelrechtliche Vorschriften zur Anwendung. Das Abfallrecht legt Grenzwerte für die landwirtschaftliche Verwertung der vergorenen Substrate fest, wohingegen das Düngemittelrecht die Typzulassung als Sekundärrohstoffdünger sowie die jährlichen Ausbringmengen regelt. Grundsätzlich muss dabei beachtet werden, dass durch die Kofermentate zusätzliche Nährstoffe in den Betrieb gelangen, die in der Nährstoffbilanz nach der Düngeverordnung berücksichtigt werden müssen. Daher ist die Kofermentation für Betriebe mit einem Viehbesatz > 2,0 GV/ha problematisch. Bei Kofermentaten ist zu bedenken, dass bestimmte Stör- und Schadstoffe sowie Keime enthalten sein können. Daher ist es zweckmäßig, vor dem Vergären von biologischen Abfällen neben der behördlichen Genehmigung Schad- und

4 Nährstoffanalysen anzufordern. Die meisten Kofermentate müssen einer Sortierung und oder Hygienisierung unterzogen werden. Tab. 2: Kofermentate und erforderliche Vorbehandlung Kofermentate Erforderliche Vorbehandlung Ernterückstände Keine Hygienisierung Lagerungsreste und Verarbeitungsabfälle Keine Sortierung erforderlich nichttierischen Ursprungs Abfallfette aus Fettschmelze Abfälle aus der Pflanzölgewinnung Grüngutabfälle Keine Hygienisierung Handelsabfälle (Obst, Gemüse,... ) ggf. Sortierung erforderlich Abfälle aus Schlachtung und Zerlegung Hygienisierungspflicht 2) Flotatfette, Fettabscheiderinhalte i.d.r. keine Sortierung Kollagene und Abfälle aus Wurstereien erforderlich Magen- und Darmpakete Hygienisierungspflicht 2) Speiseabfälle Sortierung erforderlich Biotonne 1) Hygienisierungspflicht 2) Sortierung erforderlich 1) Sammelbegriff 2) in manchen Bundesländern Quelle: Schulz, H. (1996) Für die Mitverarbeitung in einer landwirtschaftlichen Biogasanlage sollten die Kofermentate folgende Voraussetzungen erfüllen: Gute Abbaubarkeit unter anaeroben Bedingungen, Störstofffreiheit und Schadstofffreiheit. Kofermentate führen zu Veränderungen in der Zusammensetzung des Gärsubstrats in Bezug auf Trockensubstanz-, Nährstoff- und Schadstoffgehalt. Dadurch, dass Kofermentate in der Regel zu einer Erhöhung des Trockensubstanzgehalts des Gärsubstrats beitragen und Störstoffe beinhalten können, muss diesem Sachverhalt bei der Auswahl von Pump- und Rührtechnik große Aufmerksamkeit geschenkt werden.

5 Anforderungen an die Annahme-, Pump- und Rührtechnik Aufgrund der in Kosubstraten möglicherweise enthaltenen Störstoffe und einer von der Gülle abweichenden Konsistenz sollten Kofermentationsanlagen mit zwei getrennten Zuleitungssträngen geplant und ausgerüstet werden. Auf landwirtschaftlichen Biogasanlagen, die zum einen nachwachsende Rohstoffe mitvergären und zum anderen aber auch gelegentlich Kofermentate zur Gülle hinzugeben, ist diese Trennung der Zuleitungsstränge zumeist nicht gegeben. Im Idealfall sollte der Annahmebereich einer Kofermentationsbiogasanlage aus einem Aufbereitungsstrang mit einer Annahmestation, einer Zerkleinerungsstufe, einer Störstoffabtrennung und im Falle der Verwendung seuchenhygienisch bedenklicher Abfälle mit einer Hygienisierung ausgestattet sein. Abb. 1: Prinzipielles Verfahrensschema einer Kovergärungsanlage Quelle: Trösch u. Weiland (1998) Der Annahmebereich (Vorgrube) für die Gülle kann einfacher gestaltet werden. Hier ist lediglich zu gewährleisten, dass durch intensives Durchmischen und Homogenisieren keine groben Bestandteile in den Faulbehälter (Fermenter) gelangen, um Verstopfungen zu vermeiden und um den Mikoorganismen eine möglichst große Angriffsfläche für den Abbau zu bieten. Vorteilhaft für Kofermentationsanlagen ist ein dem Faulbehälter (Fermenter) vorgeschalteter Mischbehälter, in dem Gülle und Kosubstrat miteinander vermischt werden und so eine möglichst gleichmäßige Beschickung des Gärbehälter mit homogenem Material gewährleistet wird. Zumeist ist die Vorgrube für die Gülle

6 zugleich der vorgeschaltete Mischbehälter. Mit dem Durchmischen und Homogenisieren im Mischbehälter sollen folgende Ziele erreicht werden: Eine Zerkleinerung des Strohs und der Futterreste, um die Vergärbarkeit zu verbessern und die Verstopfungsgefahr von Gülleleitungen zu veringern eine Durchmischung von Gülle und Kosubstraten, um die Fließeigenschaften des Gärgutes zu verbessern und eine konstante Zusammensetzung des Gärgutes zu gewährleisten. Baukomponenten einer landwirtschaftlichen Biogasanlage Bei landwirtschaftliche Biogasanlagen gibt es eine Vielzahl von technischen Lösungsmöglichkeiten wie das Substrat vom Stall oder Vorgruben über den Fermenter in das Endlager gelangt. Im wesentlichen bestehen diese Biogasanlagen aber aus folgenden Komponenten: Vorgrube Fermenter ( Faulturm ) Gasspeicher und Gasverwertung Substratendlager Im weiteren soll hier nur auf Behältnisse eingegangen werden, in denen Pump- oder Rührtechnik eingesetzt werden kann oder muss. Nur selten gelingt es, den Faulbehälter direkt vom Stall aus durch natürliches Gefälle kontinuierlich mit Gülle zu beschicken. Die Gülle wird zumeist in eine Vorgrube geleitet, von wo sie in der Regel ein- bis zweimal am Tag in den Faulbehälter (Fermenter) gepumpt wird. Die Vorgrube hat dadurch eine Pufferfunktion. Aber auch zum Beimischen, Zerkleinern, Aufbereiten und Durchmischen von Gülle und Kofermentaten, nachwachsenden Rohstoffen oder Festmist ist die Vorgrube von Bedeutung. Der Faulturm (Fermenter) muss absolut gas- und wasserdicht sowie beheizbar sein. Er wird zumeist aus Stahl oder Stahlbeton gefertigt und muss ausreichend wärmegedämmt und lichtundurchlässig sein. Wichtig ist der Einbau eines leistungsstarken Rührwerks in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur. Dies dient zum einen zur Erhaltung der Homogenität des Substrats, andererseits soll durch gelegentliches Rühren das in tieferen Schichten des Faulbehälters gebildete Biogas über den Gasdom entweichen können. Ist kein Überlaufen des Substrats in das Endlager möglich, müssen Pumpen für die Entnahme des ausgefaulten Substrat vorgesehen werden. Dies bedingt das der Inhalt des Biogasreaktors pump- und rührfähig ist. Des weiteren sollte an Nebeneinrichtungen zum Entfernen von Sinkstoffen oder zur Schaumkontrolle gedacht werden. Diese Anforderungen können auf verschiedene Weise erfüllt werden. Eine Standardlösung gibt es derzeit nicht. In jedem Einzelfall muss unter Berücksichtigung der Standortbedingungen die effizienteste Lösung ermittelt werden.

7 Das Substratendlager dient zur Aufnahme des ausgefaulten Substrats. Die Größe des Endlagers wird von den gesetzlichen und fachlichen Anforderungen an die Ausbringung des Düngers auf landwirtschaftlichen Flächen und die somit erforderliche Lagerzeit bestimmt. Bei neueren Biogasanlagen wird das Endlager mit einer festen Decke versehen oder mit einer Folienhaube abgedeckt, um Stickstoffverluste zu vermeiden und das bei der Nachgärung entstehende Biogas aufzufangen. Vor Ausbringung des Substrats muss dieses mit Hilfe von Pump- oder Rührtechnik homogenisiert werden. Ist keine geeignete Absaugvorrichtung vorhanden, muss das Substrat aus dem Restlager in die Ausbringfässer gepumpt werden. Pump- und Rührtechnik Mit dem Betrieb einer Biogasanlage ist immer eine Bewegung des Substrats verbunden, das im Falle von Gülle aus dem Stall oder einer Vorgrube (Zugabe von Kofermentaten) in den Faulbehälter gefördert wird und von dort wieder in ein Endlager überführt werden muss. Da zwischen den einzelnen Behältnissen Höhenunterschiede zu überwinden sind, werden Pumpen benötigt. Gleichzeitig muss das Substrat während des Aufenthalts im Faulbehälter in ständiger Bewegung gehalten werden. Zum Durchmischen und Rühren im Faulbehälter können Rührwerke verschiedener Bauart, aber auch dieselben Pumpen oder Fördereinrichtungen verwendet werden, die auch zum Transportieren des Substrats zwischen verschiedenen Behältern Anwendung finden. In Biogasanlagen werden überwiegend Mischeinrichtungen und Pumpen eingesetzt, die auch in der Gülletechnik verwendet werden. Darüber hinaus wird oft gewünscht. eine Zerkleinerung, vor allem von faserigen Stoffen, eine Durchmischung der Gülle mit Kofermentaten und eine Aufbereitung des Substrats zur besseren Vergärung Pumpen In Biogasanlagen werden praktisch ausschließlich Pumpen eingesetzt, die von fest mit ihnen verbundenen Elektromotoren angetrieben werden. Schlepperpumpen sind sehr selten anzutreffen, da Pump- und Rührvorgänge nicht automatisierbar sind. Wichtig bei der Installation jeglicher Pumpen ist, dass sie gut zugänglich eingebaut werden, um regelmäßige Kontrollen und Wartungen zu ermöglichen, ohne die Biogasanlage außer Betrieb zu setzen. Des weiteren ist bei der Installation zu bedenken, daß die beweglichen Teile der Pumpen Verschleißteile sind, die gerade in Biogasanlagen hohen Beanspruchungen unterliegen und von Zeit zu Zeit ersetzt werden müssen. Auch kann es trotz vielfältiger Vorsichtsmaßnahmen und

8 umsichtiger Planung zu Verstopfungen der Pumpen kommen, die schnell beseitigt werden müssen. Unter Beachtung der spezifischen Eigenschaften haben sich Kreiselpumpen und Verdrängerpumpen ihren Platz in der Biogastechnik erobert. Tab. 3 : Pumpenvergleich Typ Kreiselpumpen Verdrängerpumpen Bauweise Tauchkreiselpumpen Exzenterschneckenpumpe Tauchmotorkreiselpumpen Drehkolbenpumpe Eigenschaften hohe Förderleistung dosierbar relativ geringer Druck selbst ansaugend nicht grundsätzlich selbstansaugend konstanter Druck Kreiselpumpen Kreiselpumpen sind einfach und robust gebaut und kommen vor allem bei Substraten bis zu einem Trockensubstanzgehalt von 12% in Frage. Bei Kreiselpumpen ist die Förderleistung abhängig von der Förderhöhe (Förderdruck). Der maximal erreichbare Druck liegt zwischen 0,4 und 2,5 bar. Die Fördermengen variieren zwischen 2 und 6 m³ /min., bei einer Leistungsaufnahme von 3 15 kw. Es gibt Tauchmotorkreiselpumpen, die in die Gülle oder das Substrat gehängt werden können und dadurch keine Ansaugprobleme haben. Kreiselpumpen gibt es auch in Ausführungen für Trockenaufstellungen, die in einem Schacht neben dem Behälter so aufgestellt werden, dass sie bei Anlauf nicht frei saugen müssen. Abb. 2: Tauchmotorschneidpumpe

9 Schneidpumpen oder Tauchmotorschneidpumpen (siehe Abb. 2) sind eine Sonderform der Kreiselpumpen oder Tauchmotorkreiselpumpen. Sie haben am Laufrad gehärtete Schneidkanten und eine Gegenschneide am Gehäuse. Mit dem Schneidlaufrad können langfaserige Stoffe in der Gülle wie Stroh und Futterreste zerkleinert und aufbereitet werden (H. Schulz, 1996). Verdrängerpumpen Wenn es darum geht, dickflüssige Medien zu bewegen, können Verdrängerpumpen Ihre Vorteile ausspielen. Sie haben insbesondere den Vorteil, dass die geförderte Menge über die Zahl der Umdrehungen ermittelt werden kann. Dies ermöglicht eine genaue Dosierung und dadurch einen stabileren Betrieb und eine bessere Steuerung einer Biogasanlage. Da Verdrängerpumpen relativ störanfällig sind, ist es sinnvoll die Pumpen im Zulauf mit einem Mazerator zu kombinieren, der nicht nur die Pumpe vor grobstückigen und faserigen Bestandteilen schützt, sondern auch durch die Zerkleinerung abbaubarer organischer Stoffe die Enstehung von Biogas fördert. Von den verschiedenen Verdrängerprinzipien kommen in Biogasanlagen Exzenterschnecken- und Drehkolbenpumpen zum Einsatz. - Exzenterschneckenpumpen Diese Pumpen haben einen krokenzieherförmigen Edelstahlrotor, der in einem Stator aus elastischem Material läuft. Exzenterschneckenpumpen können aus bis zu 8,5 m Tiefe selbst ansaugen und bis zu 24 bar Druck erzeugen, erreichen aber nicht so hohe Fördermengen wie Kreiselpumpen. Gegenüber Trockenlauf, Fremdkörper oder langfaserige Stoffe sind dies Pumpen empfindlich. - Drehkolbenpumpen Drehkolbenpumpen haben zwei- bis vierflügelige Drehkolben in einem ovalen Gehäuse. Die Maximaldrücke liegen zwischen 2 und 10 bar und die Fördermengen liegen zwischen 0,5 und 4m³/min., bei Antriebsleistungen von 7,5 bis 55 kw. Im Vergleich zu Exzenterschneckenpumpen gleicher Leistungsaufnahme erlauben diese Pumpen die Förderung größerer Fremdkörper und Faserstoffe. Der Auswahl der Pumpe und der richtigen Leistungsklasse sollte große Aufmerksamkeit geschenkt werden. Für die optimale Auslegung einer Pumpe zum Überpumpen und / oder Homogenisieren oder Mischen von Gülle und Kofermentaten sind folgende Punkte (siehe Tab. 4) von Bedeutung:

10 Tab. 4: Einflußfaktoren der Pumpenauslegung Überpumpen Medium: - Zusammensetzung - Trockenmassegehalt - ph-wert - Temperatur Geodätische Förderhöhe Rohrleitung: - Durchmesser - Länge - Anzahl der Formteile Volumenstrom (Fördermenge in l/s oder m³ / min.) Homogenisieren Medium: - Zusammensetzung - Trockenmassegehalt - ph-wert - Temperatur Behälter: - Durchmesser - Höhe Rühreinrichtungen In Biogasanlagen werden Rühreinrichtungen in den Vorgruben, Faulbehältern (Fermentern) und Restlagern benötigt. In jedem Behälter werden unterschiedliche Ansprüche an die jeweilige Rühreinrichtung gestellt. - Vorgruben In Vorgruben insbesondere bei der Zugabe von nachwachenden Rohstoffen oder Kofermentaten muss das Medium intensiv durchmischt, homogenisiert und aufbereitet werden. Dies kann zum einen durch Pumpen oder Rührwerke oder auch beides gemeinsam erreicht werden. Je nachdem wie groß eine Vorgrube ist und um welche Medien es sich handelt und ob eine Automatisierung des Rührens und Pumpens gewünscht wird, sind hier anlagespezifische Lösungen gefordert. - Faulbehälter ( Fermenter) Der Inhalt des Faulbehälters (Fermenters) wird in der Regel einmal oder mehrmals täglich durchmischt und gerührt um folgende Effekte zu erzielen (H. Schulz 1996): Vermischen des frischen Substrats mit dem schon ausgefaulten, um das frische Substrat mit aktiven Bakterien zu impfen. Verteilung der Wärme, um eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Faulbehälter zu erreichen. Vermeiden und Zerstören von Schwimm- und Sinkschichten. Verbesserung des Stoffwechsels der Bakterien durch Austreiben von Biogasblasen und Heranführen frischer Nährstoffe.

11 Auch ohne aktive Rühreinrichtungen erfolgt eine gewisse Durchmischung durch das Einbringen von neuem Substrat, durch thermische Konvektionsströme und durch aufsteigende Gasblasen. Diese passive Durchmischung reicht aber in landwirtschaftlichen Biogasanlagen nicht aus. Es gibt daher nur wenige Anlagen, die ohne aktives Aufrühren auskommen. Das Rühren kann mechanisch durch im Faulbehälter laufende Einrichtungen, hydraulisch durch außerhalb angeordnete Pumpen und pneumatisch erfolgen, entweder durch Einpressen von Biogas oder durch Ausnutzen des selbsterzeugten Gasdrucks zur Pumparbeit. Ein übermäßiges Mischen ist nicht zweckdienlich, da es den Stromverbrauch in die Höhe treibt und die Energiebilanz verschlechtert. Es haben sich mehrere, grundsätzlich verschiedene Strategien beim Rühren und Mischen herausgebildet: Sehr langsam laufende Rührwerke, die mit Armen oder Paddeln den ganzen Faulbehälter durchstreichen und im Dauerbetreib einen geringen Energieverbrauch aufweisen. Mittelschnelle Rührwerke im Intervall- oder Dauerbetrieb mit mäßigem Energieverbrauch Schnell, intensiv wirkende Rührwerke mit hohem Energieverbrauch, die im Laufe des Tages mehrmals, dafür aber nur kurz eingeschaltet werden. Im weiteren sollen nur die mechanischen Rührwerke (vgl. Abb. 3) besprochen werden, da sich diese überwiegend durchgesetzt haben. Mechanische Rührwerke - Paddel- und Haspelrührwerke Diese Rühreinrichtungen werden ausschließlich in Verbindung mit Faulbehältern eingesetzt, die nach dem Prinzip der Pfropfenströmung arbeiten und eine längliche Bauform aufweisen. Der Faulbehälterinhalt soll nicht kräftig durchmischt werden, sondern in Form eines Pfropfens längs durch den Faulbehälter wandern. Das Rührwerk soll lediglich quer zur Fließrichtung die Konzentrationsunterschiede ausgleichen und den Wärmeübergang verbessern. -Grindelrührwerke Diese Rühreinrichtungen funktionieren ebenfalls mechanisch, arbeiten aber mit senkrechter Welle. Sie werden zuweilen bei vertikalen Betonfaulbehältern eingesetzt. Da sie nicht den ganzen Behälterinhalt überstreichen, müssen sie exzentrisch, also außerhalb der Behältermitte, eingebaut werden. Dadurch bildet sich im Medium eine kreisende Strömung, so dass nach und nach der ganze Inhalt aufgerührt wird. Zur Vermeidung oder gar Zerstörung von Schwimmschichten und Sinkschichten sind Grindelrührwerke nicht so gut geeignet.

12 Abb. 3: Rühreinrichtungen für Faulbehälter (Fermenter) Quelle: H. Schulz Tauchmotorrührwerke / Propellerrührwerke Tauchmotorrührwerke / Propellerrührwerke werden sehr häufig in vertikalen Faulbehältern (Fermentern ) eingesetzt. Sie werden zumeist einbaufertig als kompakte Einheit mit dem dazugehörigen gasdichten Einbauzubehör für Deckendurchführungen oder Wanddurchführungen geliefert (vgl. Abb. 4 ). Der Elektromotor ist flüssigkeitsdicht gekapselt und wird mit Leistungen von 2,5 bis 25 kw, je nach Behältergröße, angeboten. Der Elektromotor treibt direkt einen zweioder dreiflügleligen Propeller an, der eine starke Strömung im Medium erzeugt. Das Tauchmotorrührwerk / Propellerrührwerk kann waagerecht, senkrecht oder geneigt arbeiten. Bei den meisten vertikalen Faulbehältern (Fermentern), deren Durchmesser

13 größer ist als die Höhe, werden die Geräte horizontal eingesetzt, um den Behälter aufzurühren und zu durchmischen. Die Geräte werden dazu exzentrisch tangential eingebaut. Die Geräte können in der Regel bis zu einem Temperaturbereich von 70 C eingesetzt werden (Spezielle Geräte sogar bis 90 C). Zur Vermeidung und Auflösung von Schwimmschichten ist eine Höhenverstellung günstig. Diese kann durch eine Seilwinde realisiert werden, die auf der Behälterdecke oder an der Behälterwand installiert ist. Als Führung des Tauchmotorrührwerks / Propellerrührwerks dient ein Quadratrohr. Zumeist ist es auch möglich die Geräte mit entsprechendem Einbauzubehör seitlich zu schwenken (vgl. Abb. 4.). Abb. 4 : Verstellbare Tauchmotorrührwerke für Biogasanlagen: - gasdichte Deckendurchführung - gasdichte seitliche Wanddurchführung - Axiale Rührwerke In dänischen Biogasanlagen werden häufig axiale Rührwerke eingesetzt, die an einer senkrechten, der Mittelachse des Behälters folgenden Welle angebracht sind. Die Geschwindigkeit des Elektromotors wird durch ein Getriebe auf wenige Umdrehungen pro Minute herabgesetzt. Diese Rührwerke sollen im inneren des Faulbehälters eine ständige Strömung erzeugen, die innen nach unten gerichtet ist und an den Wänden nach oben geht. Damit kann eine Schwimmdecke, die aber

14 nicht zu stark werden darf, nach unten weggesaugt und kontinuierlich in den Faulbehälterinhalt eingemischt werden. - Stabmixer Beim Stabmixer sitzt der Motor an einem Ende einer längeren Welle, die am anderen Ende den Rührpropeller trägt. Eine flexible Durchführung in der Wand des Faulbehälters (Fermenters) ermöglicht es, dass die Welle in eine günstige Position zu schwenken ist. Auf der Welle können zusätzliche Schneideinrichtungen angebracht werden, um Faserstoffe zu zerkleinern. Bei zähflüssigen, faserhaltigen Medien sollte man darauf achten, dass Stabmixer nicht nur in senkrechter, sondern auch in waagerechter Ebene geschwenkt werden können. - Restlager Im Substratendlager werden zumeist Rühreinrichtungen eingesetzt, die sich in der Gülletechnik bewährt haben. Da das vergorene Medium in der Regel dünnflüssig und homogen ist, können in Abhängigkeit von der Behältergröße sowohl Pumpen als auch Rührwerke zum Homogenisieren vor dem Ausbringen eingesetzt werden. Ist das Restlager als Nachgärbehälter ausgeführt und abgedeckt, können Rühreinrichtungen eingesetzt werden (s.o.), die auch im Faulbehälter (Fermenter) Anwendung finden. Rührintervalle Die notwendigen Rührintervalle und Rührzeiten müssen für jede Biogasanlage durch Erfahrung ausprobiert werden. Nach Inbetriebnahme wird sicherheitshalber häufiger und länger gerührt. Grundsätzlich gilt, dass kurzzeitiges, aber intensives Rühren besser ist als langandauerndes, aber schwaches. In der Praxis hat es sich bewährt, zwischen 1 bis 10 mal täglich zu Rühren bei Rührzeiten zwischen 5 Minuten und 1 Stunde (H. Schulz 1996). Fazit In der Biogastechnik sind enorme Fortschritte erzielt worden. Um Pumpen oder Rührwerke für die einzelnen Baukomponenten einer Biogasanlage auslegen zu können, sind genaue Kenntnisse über die Zusammensetzung des Mediums Voraussetzung. Mit Hilfe von speziellen EDV-Auslegungsprogrammen und entsprechender Erfahrungen können die Hersteller von Pumpen und Rührwerken die geeigneten Geräte für die jeweiligen Behälter auswählen. Zukünftig wird vermutlich mit verschärften Sicherheitsbestimmungen für Biogasanlagen, aber auch für Pumpen und Rührwerke zu rechnen sein.

15 Literaturhinweis: H. Schulz (1996): Biogas Praxis, Ökobuch, 1. Auflage, ISBN W. Trösch u. P. Weiland (1998): Verfahrenstechnik der Kofermentation, in Kofermentation; KTBL-Arbeitspapier 219, S. 9-16