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Schaumbildung und Schaumvermeidung in Biogasanlagen
Dr. Lucie Moeller
Internationale Bio- und Deponiegas Fachtagung & Ausstellung, Berlin, 22. April 2015
Foto: André Künzelmann, UFZ
SEITE 2
Die häufigsten Prozessstörungen
im Biogasreaktor:
- Bildung von Schwimmschichten
- übermäßige Schaumbildung
- Übersäuerung des Fermenterinhaltes
Fo
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r
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
Fo
to: A
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SEITE 3
Laborversuche Praxisanlagen
Forschung auf zwei Ebenen
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 4
» 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)
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 5
Betriebstörungen und Schäden
Ausfall von Schiebern und der Rezirkulatpumpe
Verschmutzung und Verstopfung der Leitungen
Störung der Messsonden
Störung von Mikroorganismen
Umkehrung des Feststoffprofils im Reaktor
Konstruktionsschäden
Ökonomische Folgen
Reinigungs- und Reparaturkosten
Energieverlust durch gestörten Prozess & durch zusätzliches Rühren
zusätzliche Arbeitsstunden
Kosten für Entschäumer
Folgen der Schaumbildung im Biogasreaktor
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 6
„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)
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 7
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
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
Photo
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SEITE 8
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
Fo
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r, D
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Pro
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Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 9
Vorgehensweise bei der Untersuchung im Praxismaßstab
SEITE 9
1. Ausführliches Interview mit dem Anlagenfahrer
2. Daten analysieren
(Fütterungsprotokolle, Temperaturverläufe,
Gasbildung, etc.)
3. Proben entnehmen und analysieren
(auch mikroskopisch)
4. Schaumtests mit Substraten durchführen
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 10
Datenanalyse
SEITE 10
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.
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 11
Datenanalyse
SEITE 11
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
au
m
Temperatur AHS-Stufe Temperatur Fermenter Schaum
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.
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 12
Datenanalyse
SEITE 12
Abfall-Anlage:
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1002
0.0
2.2
01
2
21
.02
.20
12
22
.02
.20
12
23
.02
.20
12
24
.02
.20
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.02
.20
12
26
.02
.20
12
27
.02
.20
12
28
.02
.20
12
29
.02
.20
12
01
.03
.20
12
02
.03
.20
12
03
.03
.20
12
04
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12
05
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.20
12
06
.03
.20
12
07
.03
.20
12
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.03
.20
12
09
.03
.20
12
10
.03
.20
12
11
.03
.20
12
12
.03
.20
12
Datum
Su
bstr
at
[t]
Schlämme aus derKartoffelverarbeitung
Fettabscheiderinhalte
Biopower
Kartoffeldampfschalen
Kieselgur
Back-/Süßwaren
Obst/Gemüse
Rapsfilterkuchen
Getreide
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.
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 13
Probenanalyse
SEITE 13
Fallbeispiel 1
Fotos: Andreas Zehnsdorf
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 14
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
Fo
to: A
nd
rea
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Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 15
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
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 16 SEITE 16
Nutzung der Schaumtests
Fo
tos: A
nd
rea
s Z
eh
nsd
orf
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 17
NawaRo-BGA in Brandenburg
Fallbeispiel 2
Foto: Fred Schulze
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 18
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 !)
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 19
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
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 20
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.
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 21
Getreide
Abhängigkeit der Gasbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns:
1. batch-Versuche (Triticale)
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 22
Getreide
Abhängigkeit der Gasbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns:
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)
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 23
Getreide
Abhängigkeit der Gasbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns:
1. batch-Versuche (Gerste)
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 24
Getreide
Abhängigkeit der Gasbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns:
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)
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 25
Getreide
Abhängigkeit der Gasbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns:
2. quasi-kontinuierliche Versuche (Gerste)
13 Tage
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 26
Getreide
Abhängigkeit der Gasbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns:
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
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 27
Getreide
13
31 2932
21
0
11
1613
8
0
10
20
30
40
50
60
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
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 28
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
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
» Schaum:
“Schaum kommt NUR wenn Zuckerrübe gefüttert wird
(August bis Februar) UND wenn bei Kühen mehrmals
pro Woche gesäubert wird“
- Maßnahme: Dauerrühren
SEITE 29
1. Abhängigkeit der Intensität der Schaumbildung von
Zerkleinerungsgrad der Rübe
Zuckerrübe
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 30
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) [%]
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 31
Zuckerrübe
2. Abhängigkeit der Intensität der Schaumbildung von
Chemikalien in der Tierzuchthaltung
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 32
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
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 33
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
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
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
nt
[%]
SEITE 34
25%32%
58%
24% 23%
44% 44%
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
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 35
Zuckerrübe
Fo
tos: M
arc
us L
eh
nig
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
am
co
nte
nt
[%]
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
Interaktion von Pektin mit Ionen unterschiedlicher Wertigkeit
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 36
Zuckerrübe
3. Abhängigkeit der Intensität der Schaumbildung von
C/N-Verhältnis im Biogasfermenter
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 37
Zuckerrübe
Zuckerrüben-
silage Harnstoff Zuckerrübensilage +
Harnstoff Referenz
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
0% 0%
89%71%
Die Zugabe von Harnstoff führte im Fallbeispiel 3 zur
Rückbildung der Schaumbildung im Biogasreaktor
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 38
Ursachen der Schaumbildung im Biogasreaktor
Nutzung von risikoreichen Substraten
Rolle des Ausgangs-Gärmaterials
Gärmaterial aus drei NawaRo-Anlagen mit
2 % (w/w) Zuckerrübensilage
Gärmaterial aus einer NawaRo-Anlage:
mit 2 % (w/w) Triticale und ohne Substrat
(Referenz)
71 mPa*s 1.170 mPa*s 616 mPa*s
Referenz
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 39
NawaRo-BGA in Sachsen
Fallbeispiel 5
Foto: Andreas Zehnsdorf
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 40
Fallbeispiel 5
» zweistufig, mesophil (Hydrolyse: 34 °C, Fermenter: 41 °C)
» Durchmischung:
- Hydrolyse (200 m3): Paddelrührwerk
- 2 Fermenter (á 800 m3): jeweils ein Fallschachtrührwerk und ein Tauchrührwerk
» Substratmix:
- 9,6 m3 / d Schweinegülle
- 2 t / d Anwelksilage (Futterroggen)
- 2 t / d Getreideschrot (Triticale)
- 6,5 t / d Maisschrot
- 18 m3 / d Rezirkulat
- 5 m3 / d Wasser
» Schaum:
- seit drei Monaten
- nächtliche Kontrollen
- Gasleitungen spülen (auch früh um 5 und an den Wochenenden)
„wenn wir einen Tag lang nichts gegen den Schaum
unternehmen würden, wäre er 4 m hoch“
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 41
Aktives Gärmaterial
Zu
testendes
Substrat
Moeller, L., Zehnsdorf, A., Beyer, D. (2013) Testset zur Bestimmung der Schaumneigung von
Substrat für Biogasanlagen. Gebrauchsmuster DE 202013000693 U1.
Zu bestellen bei:
EISMANN & STÖBE GBR EMISSIONS- UND
UMWELTMESSTECHNIK
TEL: +49 (0)341 2373251
E-Mail: info@antoc.de
Photo: André Künzelmann, UFZ
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
t = 0 min t = 3 h t = 6 h
Einleitung Schaum in BGAs LEIPZIGER SCHAUMTESTER Zusammenfassung
SEITE 43
IQ INNOVATIONSPREIS LEIPZIG 2014
Innovation
- weltweit erstes Testset zur Bestimmung der Schaumneigung von
Substraten in Biogasanlagen
- ermöglicht:
• vor der Zugabe das Erkennen kritischer Substrate
• die Ursachendiagnose schäumender Biogasanlagen
• die Optimierung im gefahrlosen Testbetrieb
- macht optisch erlebbar, was in der Biogasanlage passieren wird
Der LEIPZIGER SCHAUMTESTER erhöht die Wettbewerbsfähigkeit
der Anlagenbetreiber durch optimale Nutzung problematischer Substrate!
SEITE 44
Einleitung Schaum in BGAs LEIPZIGER SCHAUMTESTER Zusammenfassung
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.
SEITE 45
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, Zuckerrübe)
- LEIPZIGER SCHAUMTESTER stellt eine große Hilfe dar, indem eine mögliche
schaumprovozierende Neigung von Substraten explizit und frühzeitig beurteilt werden
kann
- im Ergebnis erfährt der Anlagenbetreiber, ob er das vorgelegte Substrat
nutzen darf oder ob Vorsicht notwendig ist
- der Schaumtester kann auch zur Diagnose von Schaumereignissen in BGAs
angewendet werden
Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung
Firma Eismann & Stöbe GbR
AG Bioprozesstechnik (UFZ)
Grit Weichert, Stefan Moeller, André Künzelmann,
Wolfgang Rudolph, uvm.
Projektpartner (GFZ Potsdam, DBFZ, TU Berlin, KIT)
BMU (Förderprogramm „Energetische Biomassenutzung“)
und Impuls- und Vernetzungsfonds
der Helmholtz-Gemeinschaft
SEITE 46
Dank an:
Foto: André Künzelmann, UFZ
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