Der Traum vom kontrollierten Schaum - ufz.de Moeller_Traum vom... · Der Traum vom kontrollierten Schaum Dr. Lucie Moeller Fachworkshop “Schaumbildung in Biogasanlagen”, Leipzig

Der Traum vom kontrollierten Schaum

Dr. Lucie Moeller

Fachworkshop “Schaumbildung in Biogasanlagen”, Leipzig 19. März 2015

Foto: André Künzelmann, UFZ

SEITE 2

Die häufigsten Prozessstörungen

im Biogasreaktor:

- Bildung von Schwimmschichten

- übermäßige Schaumbildung

- Übersäuerung des Fermenterinhaltes

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Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung

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SEITE 3

Ökonomische Bewertung

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Nährstoffrecycling (Gärrest)

Schaum

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Übersäuerung

Schwimmschichten

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Ökonomische Bewertung

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Nährstoffrecycling (Gärrest)

Schaum

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Übersäuerung

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Übersäuerung

Schwimmschichten

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OPTGAS: Vergleichende Untersuchungen an großtechnischen

Biogasreaktoren – Verfahrenstechnische, mikrobiologische,

ökologische und ökonomische Bewertung und Optimierung

(FKZ-Nr.: 03KB018)

Projektpartner:

Förderung:


SEITE 4

Laborversuche Praxisanlagen

Forschung auf zwei Ebenen


SEITE 5

» 12 von 15 Biogasanlagen, die biogenen Abfall nutzen

(eigene Umfrage in Sachsen, Sachsen-Anhalt und Thüringen; Moeller et al. 2012)

» 5 von 36 NawaRo-Anlagen in Sachsen

(Umfrage von SMUL; 2012)

Erfahrungen mit der Schaumbildung in der Praxis

» 10 % Biogasanlagen laut Schätzung von 7 Biogas-Experten in

Baden-Würtemberg (Umfrage von Uni Hohenheim; Wissmann 2014)

» 15 von 16 Biogasanlagen in Dänemark

(Umfrage von Technical University of Denmark; Kougias et al. 2013)


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Betriebstörungen und Schäden

Verschmutzung und Verstopfung der Leitungen

Ausfall von Schiebern und der Rezirkulatpumpe

Störung der Messsonden

Störung von Mikroorganismen

Umkehrung des Feststoffprofils im Reaktor

Konstruktionsschäden

Ökonomische Folgen

Reinigungs- und Reparaturkosten

Energieverlust durch entweichendes Biogas & durch zusätzliches Rühren

zusätzliche Arbeitsstunden

Kosten für Entschäumer

Folgen der Schaumbildung im Biogasreaktor


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„Hungerkur“

Absenken des Pegels im Fermenter

Verdünnen/Besprühen mit Wasser

Zugabe von kommerziellen

Antischaummitteln und/oder Pflanzenöl

Optimierung von Rührzyklus und

Fütterungsinterval

Supplementierung mit Spurenelementen

Maßnahmen bei Schaumbildung im Biogasreaktor

Temperaturerhöhung um 2 - 3 °C (bei GPS)


SEITE 8

Ursachen der Schaumbildung im Biogasreaktor

1. Ungeeignete Prozessführung und ungünstige Umstände

2. Nutzung von risikoreichen Substraten

Überfütterung

plötzliche Temperaturschwankungen

ungünstiges Rührmanagement

Nährstoffmangel

Ablagerungen im unteren Bereich des Biogasfermenters

Nutzung von ungeeigneten Chemikalien in der Tierhaltung


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Ursachen der Schaumbildung im Biogasreaktor

1. Ungeeignete Prozessführung und ungünstige Umstände

2. Nutzung von risikoreichen Substraten

viel Stickstoff, bzw. Protein

- Schlachtabfälle, Molkereiabwasser

- Hühnertrockenkot

- Hefe (Biertreber, Brot, schlecht abgedeckte Silagen)

Schleimstoffe (z. B. Pektin, Stärke)

- Obst- und Gemüseabfälle

- Zuckerrübenschnitzel, Getreide

filamentöse Mikroorganismen

(anaerobe Stabilisierung des Klärschlamms in Faultürmen)

Schimmelpilze (Penicillium roqueforti, Mucor hiemalis usw.)

Mycotoxine

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SEITE 10

Methoden zur Untersuchung der Schaumbildung

1. Oberflächenspannung – Tropfentensiometer

SEITE 10

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2. Bubble-test*

Schaumneigung =𝑉𝑆𝑐ℎ𝑎𝑢𝑚 [𝑚𝐿]

𝐹𝐺𝑎𝑠[𝑚𝐿𝑁2

𝑚𝑖𝑛]

* Beneventi et al. (2001)

Moeller & Görsch (2012): Bestimmung des Schaumpotenzials

mit dem „Bubble-Test“. Bestimmung der Oberflächenspannung,

Messmethodensammlung Biogas, S. 100-103.


SEITE 11


3. Viskosität - Rotationsviskosimeter

SEITE 11

4. LEIPZIGER SCHAUMTESTER

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START t = 3 h t = 6 h Substrat-dosierung

Rühren


Moeller, L., Zehnsdorf, A., Beyer, D. (2013) Testset zur Bestimmung der

Schaumneigung von Substrat für Biogasanlagen. Gebrauchsmuster DE

202013000693 U1.

Moeller, L.: LEIPZIGER SCHAUMTESTER – Testset und dessen Verwendung

zur Bestimmung der Schaumneigung von Substrat für Biogasanlagen.

Tagungsband des 6. Innovationskongresses BIOGAS 2013

„Effizienzsteigerung von Biogasanlagen“ in Osnabrück, S. 151-156.

Moeller, L., Krieg, F., Beyer, D., Köster, Y., Müller, R.A., Zehnsdorf, A.:

LEIPZIGER SCHAUMTESTER - Testset und dessen Verwendung zur

Bestimmung der Schaumneigung von Substrat in Biogasanlagen (pp.

170-175). In: Festschrift Konferenz „Fünf Jahre Förderprogramm

„Energetische Biomassenutzung“: Wege zur effizienten Bioenergie“.

Schriftenreihe des Förderprogramms „Energetische Biomassenutzung“,

2014, BAND 15, ISSN 2199-2762.

Moeller, L., Eismann, F., Wißmann, D., Nägele, H.-J., Zielonka, S., Müller, R.A.,

Zehnsdorf, A.: Innovative test method for the estimation of the foaming

tendency of substrates for biogas plants. Waste Management. submitted

SEITE 12


SEITE 12

5. Substratelution

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6. Sonstige analytische Methoden

TS/oTS-Bestimmung

FOS/TAC-Bestimmung

Spektrophotometrie (NH4-N,

Kohlenhydrate)

TOC/TN-Bestimmung in Lösung

HPLC (flüchtige org. Säuren)

ICP-AES (wasserlösliche

Elemente)


SEITE 13

Methoden zur Untersuchung der Gasbildung

SEITE 13

1. Bestimmung des Gasertrags – batch Tests

2. Technikumsbiogasanlage - quasi-kontinuierliche Versuche

Foto: Michael Seirig


SEITE 14

Vorgehensweise bei der Untersuchung im Praxismaßstab

SEITE 14

1. Ausführliches Interview mit dem Anlagenfahrer

führen

2. Daten analysieren

(Fütterungsprotokolle, Temperaturverläufe,

Gasbildung, etc.)

3. Proben entnehmen und analysieren

(auch mikroskopisch)

4. Schaumtests mit Substraten durchführen


SEITE 15

Datenanalyse

SEITE 15


NawaRo-Anlage:

Lucie Moeller, Kati Görsch, Yvonne Köster, Roland A. Müller, Andreas Zehnsdorf: Schaumbildung und Schaumvermeidung in

Biogasanlagen, UFZ-Bericht 01/2013, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ, ISSN 0948-9452.

SEITE 16

Datenanalyse

SEITE 16


15

20

25

30

35

40

45

14.09.2011 14.10.2011 13.11.2011 13.12.2011 12.01.2012 11.02.2012 12.03.2012 11.04.2012

Datum

Tem

pera

tur

[°C

]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Sch

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Temperatur AHS-Stufe Temperatur Fermenter Schaum

NawaRo-Anlage:



SEITE 17

Datenanalyse

SEITE 17


Abfall-Anlage:

0

10

20

30

40

50

60

70

80

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10

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11

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12

12

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12

Datum

Su

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[t]

Schlämme aus derKartoffelverarbeitung

Fettabscheiderinhalte

Biopower

Kartoffeldampfschalen

Kieselgur

Back-/Süßwaren

Obst/Gemüse

Rapsfilterkuchen

Getreide



SEITE 18

Probenanalyse

SEITE 18


Fallbeispiel 1

Fotos: Andreas Zehnsdorf

SEITE 19

Fallbeispiel 1

» mesophil (42 °C)

» Durchmischung:

- Fermenter 1: Rührwerk im Außenumlauf

- Fermenter 2: zwei interne Rührwerke

» Substratmix:

- 30 % Rindermist

- 40 % Maissilage

- 40 % Grassilage

Ferm. 1 Ferm. 2 (ehemals NG)

Gärrest-

lager

Separator

Festphase

Flüssigphase

(Klarlauf)

Rezirkulat

Substrat

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SEITE 20

Fallbeispiel 1

Fermenter 1 Fermenter 2

TS [%] 10,4 9,7

oTS [% TS] 81 79

FOS/TAC [-] 0,25 0,23

NH4-N [mg/L] 704 798

Acetat [mg/L] 295 37

Propionat [mg/L] 58 18

Butyrat [mg/L] <1 <1


SEITE 21 SEITE 21


Nutzung der Schaumtests

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SEITE 22

NawaRo-BGA in Brandenburg

Fallbeispiel 2


Foto: Fred Schulze

SEITE 23

NawaRo-BGA in Brandenburg

Fallbeispiel 2

» mesophil (38 - 41 °C)

» Durchmischung:

- vier interne Rührwerke

» Substratmix:

- 25 t / d Rindergülle

- 23 t / d Maissilage

- 2 t / d Roggenschrot

» 30 – 40 L / d Rapsöl und

8 - 20 L / d kommerzielles Antischaummittel (ca. 5 €/L)

(im Extremfall 80 L/d !)

Fermenter

TS [%] 7,0

oTS [% TS] 80

FOS/TAC [-] 0,11

NH4-N [mg/L] 1.825

Acetat [mg/L] <1

Propionat [mg/L] <1

Butyrat [mg/L] <1


SEITE 24

Abhängigkeit der Intensität der Schaumbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns

Gärmaterial aus einer NawaRo-Anlage mit Triticaleschrot (0,5 mm, 1 mm, 2 mm und 4 mm) und -korn

0,5 mm 2 mm 4 mm ungemahlen

0,5 mm 1 mm 2 mm 4 mm Korn Referenz

Moeller, L., Krieg, F., Zehnsdorf, A. (2013) Wirkung von Getreideschrot auf die Schaumbildung in

Biogasanlagen. Landtechnik 68 (5) 344-348.


Getreide

SEITE 25

Abhängigkeit der Intensität der Schaumbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns

Getreide

Moeller, L., Krieg, F., Zehnsdorf, A. (2013) Wirkung von Getreideschrot auf die Schaumbildung in

Biogasanlagen. Landtechnik 68 (5) 344-348.


SEITE 26

Getreide

Abhängigkeit der Gasbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns:

1. batch-Versuche (Triticale)


SEITE 27

Getreide


2. quasi-kontinuierliche Versuche (Triticale)


Δ ~10 %

» 2 parallel laufende Fermenter (á 30 L), mesophil (39 °C)

» Substrate: Maissilage (73 % TS), Rindergülle (18 % TS), Triticale (9 % TS)

SEITE 28

Getreide


1. batch-Versuche (Gerste)


SEITE 29

Getreide


2. quasi-kontinuierliche Versuche (Gerste)


» 2 parallel laufende Fermenter (á 30 L), mesophil (39 °C)

» Substrate: Maissilage (67 % TS), Rindergülle (9 % TS), Gerste (17 % TS)

SEITE 30

Getreide


2. quasi-kontinuierliche Versuche (Gerste)


13 Tage

SEITE 31

Getreide


3. Praxisversuch (Gerste)


0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

FO

S/T

AC

[-]

Fermenter

Nachgärer

Kosten fürs Mahlen: 1,08 € pro 100 kg Getreide

SEITE 32

Getreide


13

31 2932

21

0

11

1613

8

0

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20

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40

50

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70

80

90

100

Triticale 4 mm Triticale 0,5 mm Gerste 0,5 mm Weizen 0,5 mm Roggen 0,5 mm

Sch

aum

geh

alt

[%]

ohne Sojaöl

mit 1% Sojaöl

SEITE 33

Fallbeispiel 3

Fermenter Nachgärer

TS [%] 7,9 5,9

oTS [% TS] 80,6 76,3

FOS/TAC [-] 0,21 0,16

NH4-N [mg/L] 1.188 2.002

Acetat [mg/L] 491 38

Propionat [mg/L] 97,8 <1

Butyrat [mg/L] <1 <1


» Schaum:

“Schaum kommt NUR wenn Zuckerrübe gefüttert wird

(August bis Februar) UND wenn bei Kühen mehrmals

pro Woche gesäubert wird“

- Maßnahme: Dauerrühren

SEITE 34

1. Abhängigkeit der Intensität der Schaumbildung von

Zerkleinerungsgrad der Rübe

Zuckerrübe


SEITE 35

Versuchsdurchführung:

40 g Zuckerrübe + 460 g

Digestat (NawaRo-BGA);

37 °C (Wasserbad),

Versuchsdauer: 20,5 h.

Zuckerrübe


Moeller et al.: Foam

formation in biogas plants

caused by anaerobic

digestion of sugar beet.

Bioresource Technology

2015, 178, 270-277

Zuckerrübenzerkleinerung

51% 57%

66%

1 cm 0,5 cm gerieben

Schaumanteil:

(= Schaumhöhe vs. Gesamthöhe) [%]

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Zuckerrübe



Chemikalien in der Tierzuchthaltung

SEITE 37

ZRS +

Dolomitkalk

Dolomitkalk ZRS Referenz

Schaumanteil:

(= Schaumhöhe vs. Gesamthöhe) [%]

0% 0%

62%

70%

Versuchsdurchführung: 40 g Zuckerrübe + 460 g Digestat (NawaRo-BGA);

37 °C (Wasserbad), Versuchsdauer: 19 h.

ZRS = Zuckerrübensilage

Zuckerrübe


Moeller et al.: Foam formation in biogas plants caused by anaerobic

digestion of sugar beet. Bioresource Technology 2015, 178, 270-277

SEITE 38


Schaumeigenschaften:

38% 36%39%

0%

0%

20%

40%

60%

80%

Foam

conte

nt

[%]

Gärrest Schaum Referenz

Kohlenhydrate [g/L] 0,97 ± 0,03 4,28 ± 0,37 0,88

Pektin [gGA/kg] 0,50 ± 0,004 0,71 ± 0,09 0,37

Acetat [g/L] 4,25 ± 0,26 2,24 ± 0,66 0,11

Propionat [g/L] 3,27 ± 0,10 1,86 ±0,46 0,09

Butyrat [g/L] 0,83 ± 0,06 0,45 ± 0,17 0,03

Moeller, L., Lehnig, M., Schenk, J., Zehnsdorf, A.: Foam formation in biogas plants caused

by anaerobic digestion of sugar beet. Bioresource Technology 2015, 178, 270-277

Zuckerrübe

Interaktion von Pektin mit anderen Stoffen im Digestat

Pektin Pektin Pektin + CaCl2 Saccharose Pektin Pektin

+ Saccharose

Versuchsdurchführung: 10 g Pektin/Sacharose/Pektin+Saccharose/Pektin+CaCl2 +

490 g Digestat (NawaRo-BGA); 37 °C (Wasserbad), Versuchsdauer: 21 h.

Foam

conte

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[%]

SEITE 39

25%32%

58%

24% 23%

44% 44%




Zuckerrübe

SEITE 40


Zuckerrübe

Fo

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K+ Na+ NH4+ Ca2+ Mg2+ Referenz Zuckerrüben-

silage

+ Zuckerrübensilage

Versuchsdurchführung: 40 g Zuckerrübensilage + 460 g Digestat + 5 g Salze; 37 °C (Wasserbad), Versuchsdauer: 20 h.

0

48% 48% 48%40%

53% 57%

Fo

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[%]



Interaktion von Pektin mit Ionen unterschiedlicher Wertigkeit

SEITE 41

Zuckerrübe



C/N-Verhältnis im Biogasfermenter

SEITE 42

Zuckerrübe


Zuckerrüben-

silage Harnstoff Zuckerrübensilage +

Harnstoff Referenz



0% 0%

89%71%

Die Zugabe von Harnstoff führte im Fallbeispiel 3 zur

Rückbildung der Schaumbildung im Biogasreaktor

SEITE 43

Zusammenfassung

- Schaumbildung im Prozess der anaeroben Vergärung ist ein häufiges Phänomen

- Schaum in Biogasanlagen entsteht als Folge von:

- ungeeigneter Prozessführung

- der Nutzung von risikoreichen Substraten


- Getreide: - Intensität der Schaumbildung hängt von Mahlgrad ab

- Schaumbildung kann durch Zugabe von Pflanzenöl beim Schroten

vorgebeugt werden

- Zuckerrübe: - Intensität der Schaumbildung hängt von Zerkleinerungsgrad ab

- Schaumbildung kann durch Zugabe von

- Dolomitkalk intensiviert werden

- N-haltigen Substanzen minimiert werden

Firmen Eismann & Stöbe GbR, UIT Dresden GmbH

AG Bioprozesstechnik (UFZ)

Grit Weichert, André Künzelmann, Wolfgang Rudolph, uvm.

Projektpartner (GFZ Potsdam, DBFZ, TU Berlin, KIT)

BMU (Förderprogramm „Energetische Biomassenutzung“)

und Impuls- und Vernetzungsfonds

der Helmholtz-Gemeinschaft

SEITE 44

Dank an:

Foto: André Künzelmann, UFZ

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