8 Zusammenfassung und Ausblick

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1 131 8 Zusammenfassung und Ausblick Der überwiegende Anteil von Versuchen zum Biogasbildungsprozess findet in Laboranlagen statt, deren Größe stark variieren kann. Zudem ist der Biogasbildungsprozess ein sehr dynamischer Prozess, der in hohem Maß von den Prozessbedingungen abhängt. Ziel dieser Arbeit war die Überprüfung der Reproduzierbarkeit von Versuchsergebnissen und der Übertragbarkeit auf unterschiedliche Maßstäbe. Darüber hinaus wurden Parameter untersucht, die sowohl die Versuchsergebnisse beeinflussen können als auch von Interesse für den Betrieb großtechnischer BGA sind. Bei einem Biogasbildungsprozess kann davon ausgegangen werden, dass eine Reproduzierbarkeit nur dann gegeben ist, wenn alle Prozessbedingungen gleich sind. Diese sind neben der Temperatur im Fermenter das verwendete Inocolum, die eingesetzten Substrate, die gewählte Raumbelastung, die hydraulische Verweilzeit, die Durchmischung, sowie weitere Einflussfaktoren wie Material und Geometrie der Anlagen. Zur Untersuchung der Reproduzierbarkeit wurden drei baugleiche Anlagen (Parallelanlagen) mit einem Füllvolumen von 22 l mit gleichem Inoculum befüllt und parallel, also unter Einhaltung aller genannten Einflussfaktoren, betrieben. Die Untersuchungen zeigen, dass bei gleichen Anlagen, einer identischen Betriebsführung und gleichem Inoculum die Abweichungen im reduzierten Normvolumenstrom (auf das Füllvolumen bezogener Normvolumenstrom) unter ± 10% bleiben, wobei der Mittelwert der Abweichungen bei 5% liegt. Diese Abweichungen liegen innerhalb der erweiterten Unsicherheit für den reduzierten Normvolumenstrom. Der Methan (CH 4 )-Anteil und der ots-gehalt weichen ebenfalls nur innerhalb der erweiterten Messunsicherheit ab. Zur Kontrolle der Reproduzierbarkeit fand in weiteren in dieser Arbeit vorgestellten Studien ein Vergleich des Normvolumenstroms, der Gasqualität und des Fettsäurespektrums der Parallelanlagen aus unterschiedlichen Versuchsreihen statt. Die Parallelanlagen wiesen die gleichen Betriebsbedingungen (Temperatur, Raumbelastung, Durchmischung, hydraulische Verweilzeit) auf; die Versuche fanden allerdings zeitversetzt statt. Dadurch wurden die Parallelanlagen jeweils mit neuem Fermenterinhalt aus der BGA Neurath angefahren und mit einer anderen Substratcharge beschickt. Dabei hat sich beim Normvolumenstrom ein unterschiedliches Verhalten zwischen den Versuchsreihen herauskristallisiert. Dies war auch bei der Entwicklung des Fettsäurespektrums zu beobachten. Damit konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass der Normvolumenstrom und der CH 4 -Anteil nur unter identischen Bedingungen reproduziert werden können. Eine Reproduzierbarkeit ist für unterschiedliche Versuchsreihen nicht mehr gegeben, da sich das Inoculum und die Substrate verändern. Wie sehr sich das Inoculum und die Substrate verändern hängt von der Betriebsführung der BGA, aus der das

2 132 8 Zusammenfassung und Ausblick Inoculum stammt, und der Lagerung/Bereitstellung der Substrate ab. Das einfachste Beispiel ist ein Substratwechsel an der BGA, die das Inoculum bereitstellt. Durch die Änderung kann z.b. besonders viel Ammoniak eingetragen werden, an den sich die Mikroorganismen im besten Fall adaptieren. Die Übertragbarkeit von Versuchen muss gegeben sein, damit es zu keinen unerwarteten Reaktionen des Fermenterinhaltes bei der Anwendung von Laborerkenntnissen auf großtechnische BGA kommt. Ist eine Übertragbarkeit nicht gegeben, so müssen die Einflussfaktoren identifiziert und bei der Übertragung berücksichtigt werden. Um die Übertragbarkeit auf unterschiedliche Maßstäbe zu untersuchen, wurden zunächst Versuche an der Technikumsanlage mit einem Füllvolumen von 390 l und den drei Parallelanlagen mit 22 l Füllvolumen durchgeführt. Beide Anlagen wurden gleichzeitig mit Fermenterinhalt der BGA Neurath befüllt und mit gleichen Substraten, gleicher Raumbelastung, gleichen Beschickungsintervallen und bei gleicher Temperatur betrieben. Hier wurde gezeigt, dass zwischen der Technikumsanlage und den Parallelanlagen der Normvolumenstrom im Mittel um 8% abweicht, wobei er bei den Parallelanlagen stets niedriger ist. Nach einer Startphase von vier Tagen liegen die Abweichungen in der Gasqualität im Rahmen der Messunsicherheit. Der ots-gehalt bei den Parallelanlagen verhält sich analog zu dem der Technikumsanlage. In einem zweiten Schritt wurde für den Vergleich die BGA Neurath mit einem Füllvolumen von 3099 m 3 hinzugezogen. In der Versuchsreihe wurde Fermenterinhalt der BGA Neurath zur Befüllung der Technikumsanlage und der Parallelanlage entnommen. Anhand der Beschickungsdaten der BGA Neurath wurden die Beschickungsmengen für die Laboranlagen so berechnet, dass sich die gleiche Raumbelastung und ein gleicher Substratmix ergaben. An der Technikumsanlage konnten die gleichen Beschickungsintervalle (i.d.r. 39 Chargen pro Tag) wie an der BGA Neurath realisiert werden. An der Parallelanlage war dies nicht möglich, weswegen diese Anlage nur einmal täglich beschickt wurde. Im reduzierten Normvolumenstrom liegt der Mittelwert für die Abweichungen zwischen der Technikumsanlage und der Parallelanlage ab dem neunten Versuchstag bei 10%, wobei auch hier der reduzierte Normvolumenstrom von der Parallelanlage unterschätzt wird. Wird der reduzierte Normvolumenstrom der Parallelanlage dem der BGA Neurath gegenübergestellt, so zeigen sich Abweichungen von -13 bis -20%. Dagegen liegen die Abweichungen des reduzierten Normvolumenstroms zwischen der BGA Neurath und der Technikumsanlage bei 10%. Damit liegen die Abweichungen zwischen der BGA Neurath und der Technikumsanlage und der Technikumsanlage und der Parallelanlage im Bereich der Reproduzierbarkeit. Im Abbau der Organik zeigen sich für die Gegenüberstellung der BGA Neurath, der Technikumsanlage und der Parallelanlage deutlich differierende

3 8 Zusammenfassung und Ausblick 133 Ergebnisse. In den beiden Laboranlagen reichert sich im Gegensatz zu der BGA Neurath Organik im Fermenterinhalt an. Dies spiegelt auch die Entwicklung des Fettsäurespektrums wieder. Bei der BGA Neurath konnten nur Essig- und Propionsäure in einem unbedenklichen Bereich nachgewiesen werden. Bei der Technikumsanlage und der Parallelanlage stiegen Essig- und Propionsäure stark (Essigsäure; Propionsäure bis zu 5600 mg kg -1 bei der Technikumsanlage und bis 9700 mg kg -1 bei der Parallelanlage) an. Daneben konnten bei der Technikumsanlage und der Parallelanlage im Verlauf der Versuchsreihe auch alle anderen, höherkettigeren Fettsäuren nachgewiesen werden. Wie in Abschnitt 4.3 dargelegt worden ist, liegt die Ursache für den Anstieg der Fettsäuren in den Laboranlagen an dem Abfüllen des Fermenterinhaltes aus der BGA Neurath, dem Transport und der Befüllung der Laboranlagen und dem Beginn der Beschickung mit der an der BGA Neurath vorhandenen Raumbelastung. Aufgrund der entstandenen Stresssituation für die Mikroorganismen werden diese gehemmt. Hauptursache ist dabei eine Anreicherung von H 2. Die Übertragbarkeit von Ergebnissen in unterschiedlichem Maßstab hängt, ebenso wie die Reproduzierbarkeit, von den Prozessbedingungen ab. Die Versuche zeigen zudem eine Abhängigkeit vom Skalierungsfaktor. Insbesondere traten hier große Abweichungen in der Entwicklung des Fettsäurespektrums auf. Dies kann an einer für die Laboranlagen zu hohen Raumbelastung gelegen haben. Der Verlauf des reduzierten Normvolumenstroms und der Gasqualität konnte dagegen gut wiedergegeben werden. Um zu prüfen, wie stark der Einfluss der Durchmischung auf die Leistungsfähigkeit einer Anlage ist, wurde eine Studie zu möglichen Rührintervallen durchgeführt. Gleichzeitig ist eine Analyse des Einsparpotenzials am Eigenenergiebedarf einer BGA möglich gewesen. Die Studie fand in einem Umfang von zwei Versuchsreihen statt und wurde an den Parallelanlagen durchgeführt. Eine der Anlagen diente dabei als Referenz und wurde jeweils kontinuierlich gerührt. Die Befüllung der Anlagen erfolgte mit Fermenterinhalt aus der BGA Neurath. Die Temperatur, die Raumbelastung und die Substrate wurden bei allen Anlagen innerhalb einer Versuchsreihe gleich belassen. In der ersten Versuchsreihe wurde das Rührintervall jeweils länger gewählt als die Dauer der Rührpause (7h Rühren und 1h Pause bzw. 2h Rühren und 1h Pause). Hierbei konnten keine wesentlichen Auswirkungen auf die Parameter Normvolumenstrom und Methananteil im Biogas beobachtet werden. Die in Versuchsreihe 1 gewählten Intervalle haben demzufolge zu keiner Verbesserung der Leistung der Anlagen geführt. Allerdings ist die für das Rühren eingebrachte Energie geringer, da das Rührwerk zwischendurch steht. Mit einem Drehstromzähler wurde geprüft, ob beim Wiedereinschalten des Rührwerks eine deutlich erhöhte Leistungsaufnahme zu verzeichnen ist. Die Ergebnisse zeigen eine leicht höhere Leistungsaufnahme in den ersten Minuten der Rührzeit. Sie ist aber deutlich

4 134 8 Zusammenfassung und Ausblick geringer als die durch die Standzeit verursachte Einsparung. Bei dem Intervall 2 h Rühren und 1 h Pause können beispielsweise 29% des Energiebedarfs des Rührwerks eingespart werden. In der zweiten Versuchsreihe wurden nur kurze Rührzeiten von jeweils 10 min gewählt. Die Standzeit betrug bei der PA1 230 min und bei PA2 50 min. Da hierbei die Rührzeiten wesentlich kürzer sind als die Pausen, ist eine deutlich höhere Einsparung am Eigenenergiebedarf der BGA möglich. In den ersten zwei Wochen kann bei den Anlagen mit diskontinuierlicher Durchmischung eine höhere Gasproduktion bei vergleichbarem Methananteil festgestellt werden. In der folgenden Versuchszeit lagen die Abweichungen im Normvolumenstrom innerhalb der Reproduzierbarkeit. Rührintervalle können demnach ein gutes Mittel darstellen, um den Eigenstrombedarf von BGA zu senken. Werden Laborversuche durchgeführt, so sollte die Durchmischung im Rahmen der Möglichkeiten an den späteren Anwendungsfall angepasst werden bzw. die Abweichungen vorher bestimmt werden. Zudem ist bei einer diskontinuierlichen Durchmischung zu bedenken, dass es zu einem Aufquellen des Fermenterinhaltes und zur Schaumbildung an der Flüssigkeitsoberfläche kommen kann. Dies konnte insbesondere bei der ersten Versuchsreihe beobachtet werden. Ausfälle in der Beschickung einer Biogasanlage führen nicht nur zu merkbaren Einbußen in der Gasproduktion, sondern können beim Wiederbeginn der Beschickung in den Volllastbetrieb auch zu einer Gefährdung der Stabilität des Abbauprozesses führen. Zur Untersuchung der Auswirkungen des Anfahrens auf die Prozessstabilität der Anlagen wurden in einer weiteren Studie drei Beschickungsausfälle simuliert. Diese reichten von einem Tag bis zu einer Woche. Die Beschickungsausfälle fanden zum einen an den Parallelanlagen statt, die einmal täglich beschickt wurden. Zum Anderen wurde hierfür die Technikumsanlage verwendet. Bei dieser Anlage wurde mit Hilfe des automatischen Beschickungssystems eine quasi-kontinuierliche Fütterung mit 24 Beschickungsintervallen pro Tag realisiert. Zur Beurteilung der Stabilität der Anlagen wurden der Normvolumenstrom und das Fettsäurespektrum in allen Versuchsreihen herangezogen. Die Beurteilung anhand der Gasqualität war nur bei der Technikumsanlage mit ein- und siebentägigem Beschickungsausfall möglich. Die Ergebnisse für die Parallelanlagen zeigen, dass bereits ein eintägiger Ausfall einen Einfluss auf die Entwicklung der Fettsäuren im Fermenterinhalt hat. Der Anstieg der Fettsäuren ist aber nur gering und nicht als kritisch für die Stabilität des Abbauprozesses zu beurteilen. Allerdings wurde bei dem eintägigen Beschickungsausfall die höchste Essigsäurekonzentration gemessen. Den Einfluss des Beschickungsausfalls bestätigt auch das produzierte Gasvolumen, das nach Wiedereinsetzen der Beschickung sofort wieder

5 8 Zusammenfassung und Ausblick 135 ansteigt. Auch bei einem dreitägigen Ausfall erreicht der Normvolumenstrom innerhalb kürzester Zeit einen stabilen Wert. Die Entwicklung des Normvolumenstroms nach einem dreitägigen Ausfall wurde doppelt untersucht. In der ersten Versuchsreihe stabilisiert sich der Normvolumenstrom innerhalb von drei Tagen, bei der zweiten Versuchsreihe nach zwei Tagen. Dabei zeigt das Fettsäurespektrum für die erste Versuchsreihe sowohl höhere Maximalwerte für Essigsäure als auch für Propionsäure, die aber noch nicht als kritisch einzustufen sind. Der siebentägige Beschickungsausfall führt zu ähnlichen Maximalwerten der Essigsäurekonzentration wie der dreitägige Beschickungsausfall in derselben Versuchsreihe. Allerdings ist die Maximalkonzentration an Propionsäure hierbei um ca. das 1,5-fache höher. Der Gasvolumenstrom steigt, ähnlich wie bei dem dreitägigen Beschickungsausfall, innerhalb der ersten drei Tage stark an, bleibt aber erst nach sechs Tagen auf einem konstanten Level. An der Technikumsanlage fallen die Ergebnisse anders aus. Der eintägige Beschickungsausfall führt, ähnlich wie bei den Parallelanlagen, zu den höchsten Konzentrationen an Essig- und Propionsäure. Der Normvolumenstrom steigt innerhalb von zwei Tagen und bleibt daraufhin bis auf einen Ausreißer auf einem erwarteten Level. Auch die Normvolumenströme des drei- und siebentägigen Beschickungsausfalls steigen zügig an. Das Fettsäurespektrum des drei- und siebentägigen Beschickungsausfalls lies keine Instabilitäten erkennen. Übliche Ausfallzeiten der Beschickung haben auf die quasikontinuierlich beschickte Anlage unter den gegebenen Bedingungen keinen Einfluss. Die Verwendung eines anderen Substrats oder eines weniger stabilen Fermenterinhaltes zu Beginn des Ausfalls kann aber zu deutlich anderen Ergebnissen führen. In Bezug auf alle untersuchten Ausfälle betrachtet, bleiben bei der Technikumsanlage die Auswirkungen deutlich geringer als bei den Parallelanlagen, die nur einmal täglich beschickt werden können. Dies zeigt den starken Einfluss der Beschickungsintervalle auf den Prozess. Auch bei der Untersuchung der Anfahrstrategien wurden bei den Parallelanlagen zweimal Beschickungsausfälle von jeweils sieben Tagen hervorgerufen mit anschließendem Wiedereinsetzen der vollen Beschickungsmenge. Hier zeigen sich deutlich stärkere negative Auswirkungen auf den Prozess, als dies bei der eigentlichen Untersuchung der Beschickungsausfälle der Fall war. Die Konzentration an Essigsäure steigt um mehr als das Vierfache. Neben erhöhten Propionsäurekonzentrationen sind auch weitere höherkettige Fettsäuren nachweisbar. Bei Laborversuchen sollte darauf geachtet werden, Beschickungsausfälle möglichst zu vermeiden. Sollten sie notwendig sein, so muss dies in der Auswertung berücksichtigt werden. In der letzten Studie wurden vier Anfahrstrategien entwickelt, die das sichere und schnelle Anfahren von Anlagen in den Volllastbetrieb gewährleisten sollen. Um den Erfolg einer

6 136 8 Zusammenfassung und Ausblick Anfahrstrategie zu beurteilen, wurde jeweils eine Parallelanlage als Referenz direkt nach dem Beschickungsausfall in den Volllastbetrieb überführt. In der ersten Versuchsreihe wurde der Ansatz verfolgt, die Stabilität über eine langsame Änderung der Raumbelastung zu erhalten (AS1) bzw. die Raumbelastung direkt wieder auf Volllast zu setzen, aber den Substratmix zu ändern (AS2). Zu Beginn wurde hier erheblich mehr Gülle als Maissilage zugeführt, um die guten Puffereigenschaften der Gülle auszunutzen. Die beiden Anfahrstrategien konnten nicht überzeugen. Die Fettsäurekonzentrationen in AS1 erreichten ähnliche Werte wie in der Referenzanlage und konnten nicht schneller abgebaut werden. In AS2 war die maximale Essigsäurekonzentration um 16% geringer, als in der Referenzanlage Bei AS1 war aufgrund der zunächst geringeren Raumbelastung ein reduzierter Normvolumenstrom zu beobachten. Dieser trat bei AS2 ebenso auf, was aufgrund der gleichen Raumbelastung wie bei der Referenzanlage nicht zu erwarten war. AS1 führte neben einem reduzierten Normvolumenstrom auch zu einem leicht geringeren Methananteil im Biogas. In der zweiten Versuchsreihe wurde basierend auf einer Literaturrecherche und Ergebnissen aus früheren Versuchsreihen eine Änderung der Rührintensität als Anfahrstrategie untersucht. In Anfahrstrategie 3 (AS3) wurde eine diskontinuierliche Rührweise mit 10 min Rührdauer und 50 min Stillstand gewählt. In der zweiten Anlage wurde die Rührintensität reduziert, indem die Drehzahl des Rührwerks um die Hälfte reduziert wurde (AS4). Beide Anfahrstrategien führten zu einem Erfolg. Während bei der Referenzanlage neben Essig- und Propionsäure auch iso-valeriansäure im messbaren Bereich lag, traten bei AS3 und AS4 nur die beiden erstgenannten auf. Auch die Konzentration an Essig- und Propionsäure blieb deutlich geringer. Ein stabiler Bereich wurde bei diesen Anlagen einige Tage vor der Referenz erreicht. Im Normvolumenstrom ist ebenfalls ein positiver Effekt feststellbar. Dieser wird aber, ähnlich wie bei der Untersuchung der Rührintervalle, nach einer Eingewöhnungszeit der Bakterien relativiert. Für die Qualität des Biogases kann kein Einfluss der Anfahrstrategien festgestellt werden. Die Änderung der Rührintensität erweist sich bei der Wiederinbetriebnahme nach einem Beschickungsausfall insgesamt als äußerst zielführend. Die hier vorgestellte Arbeit hat zur Klärung der Frage der Reproduzierbarkeit und Übertragbarkeit von Versuchsergebnissen im Bereich der anaeroben Fermentation beigetragen. Es konnte gezeigt werden, dass beide Punkte stark von den Prozessbedingungen abhängen, wie z.b. der Durchmischung. Eine gute Reproduzierbarkeit konnte immer innerhalb einer Versuchsreihe erzielt werden, wenn das Inoculum gleich war. Damit ist der Einfluss des für Versuche verwendeten Impfmaterials entscheidend für die gewonnen Versuchsergebnisse. Eine Übertragbarkeit ist nur für den CH 4 -Anteil und den reduzierten Normvolumenstrom gegeben. Die Entwicklung im Fettsäurespektrum konnte dagegen nicht übertragen werden. Bei Anlagen unterschiedlicher Größe ist es kaum

7 8 Zusammenfassung und Ausblick 137 möglich, alle Parameter gleich zu belassen. Weitere Studien sind notwendig, um die entscheidenden Parameter zu identifizieren und somit Vorgehensweisen zu erarbeiten, die eine vollständige Übertragbarkeit in unterschiedliche Maßstäbe erlauben.