Als Baumaterial für die Fermenter wurde früher oft armierter Beton eingesetzt. Neben relativ hohen Kosten bei Kleinanlagen zeigten sich Korrosionsprobleme an der Phasengrenze flüssig/gasig im Fermenter-innern. In diesem Bereich kann nicht nur Beton, sondern auch rostfreier Stahl 1.4435 beschädigt werden. Beton sollte daher speziell in diesem kritischen Bereich mit einer Epoxyhaut oder einer Polyethylenfolie ab-gedeckt werden. Ausrüstungsgegenstände sollten nach Möglichkeit nicht aus Metall bestehen.
Aus ökonomischen Gründen ist heute der grösste Teil der industriellen Fermenter aus vorfabriziertem rostfreiem Stahl gefertigt. Die Wanddicke beträgt rund 5 mm bei Betriebsdrucken von –10 bis +30 Millibar. Solche vorfabrizierte Stahlfermenter können Kapazitäten von 100 bis über 500 m3 aufweisen. Vorgefertigte Fermenter aus Kunststoff können nur für kleine Anlagen eingesetzt werden. Im Gegensatz dazu ist es heute möglich, Fermenter einfach aus Holz – welches anaerob nicht abgebaut wird, korrosionsbeständig und billig ist sowie nur sehr wenig graue Energie enthält – in Grössen von bis zu 1000 m3 zu erstellen. Vorfabrizierte Wand-elemente werden dann vor Ort zusammengeschraubt. Das Holz quillt mit der Feuchtigkeit des Abwassers und wird damit dicht wie ein Fass.
Zur␣ Gaserfassung und -speicherung werden Kunststoffolien auf der Substratoberfläche eingesetzt.
Die Isolation gegen Wärmeverluste wird mit mineralischen Dämmatten oder Polyurethanschaum bzw. anderen Isolationsmaterialien, welche nach Möglichkeit feuchtigkeitsbeständig sind, realisiert. Eine genügend starke Isolation ist für einen störungsfreien Betrieb und eine gute Energie-Netto-ausbeute Voraussetzung.
Die Durchmischung des Gärgutes während des Gärprozesses fördert den Abbau, da Substratgradienten ausgeglichen werden und der Kontakt zwischen Bakterien und Substrat intensiviert wird. In Figur 13 sind exempla-risch einige wichtige Möglichkeiten zur Durchmischung dargestellt. Dane-ben bestehen noch weitere Konzepte, wie beispielsweise die Ausnutzung des entstehenden Gasdruckes bei der Biogasproduktion.
Figur 13:
Beispiele von Rühreinrich-tungen in Fermentern
e a Paddelrührwerk (am Grund)
b Propellrührwerk c Mammutpumpe d Externe Rezirkulation e Gaseinblasen
a b c d
Zur Beschickung des Fermenters müssen Komponenten eingesetzt wer-den, welche zuverlässig sind, einfach unterhalten werden können und welche die Kanalbildung im Fermenter nach Möglichkeit verhindern.
Ein UASB-Reaktor wird daher durch ein ausgeklügeltes Netz von Verrohrun-gen auf dem Fermentergrund gleichmässig beschickt. Anaerobfilter, wel-che im Downflow-Betrieb arbeiten, weisen ein Verteilsystem für das zuflies-sende Abwasser auf, welches Gewähr bietet, dass die Oberfläche der Trägermaterialien gleichmässig versorgt wird. Für Feststoffgäranlagen werden normalerweise Kolbenpumpen oder Exzenterschneckenpumpen eingesetzt. Bei gewissen Reaktortypen sorgen Trennwände im Fermenter-innern dafür, dass frisch zugeführtes Material nicht gleich wieder ausgetra-gen wird.
Der Austrag des vergorenen Materials geschieht bei vertikalen Anlagen normalerweise mit Hilfe der Gravitation über einen Siphon, welcher uner-wünschten Gasaustritt verhindert. In Feststoffanlagen muss das Gärgut normalerweise mechanisch (Saugpumpe, Schnecke oder Kratzboden) aus dem Fermenter abgezogen werden.
In Fermentern zur Flüssiggärung können – wie bereits mehrfach erwähnt – Vorkehrungen getroffen werden, um die Biomasse zurückzuhalten. Wäh-rend beim UASB-Prozess relativ leicht sedimentierbare Bakterienklümp-chen gezüchtet werden, kommen im Fall von Anaerobfiltern inerte Träger-materialien zum Einsatz. In Figur 14 sind einige solcher TrägerTräger-materialien beispielhaft aufgezeigt. Als Trägermaterialien kommen Kunststoffe, Metal-le, mineralische Inertstoffe oder auch Holz in Frage.
Normalerweise sind industrielle und kommunale Gäranlagen beheizt. Zur Heizung werden in der Regel Wärmetauscher eingesetzt, welche Wärme von Wasser auf das Gärgut übertragen. Als Wärmequellen kommen neben Heizkesseln auch Wärme/Kraft-Kopplungen in Frage. Sofern die Heizung mit Biogas betrieben wird, ist daran zu denken, eine Notheizung zu instal-lieren, damit bei Ausfall der Biogasproduktion der Fermenter trotzdem betrieben werden kann. Es kann das Gärgut sowohl im Innern des Fermen-ters, als auch im Vorgefäss, in der Zulaufleitung (oft bei Feststoffvergärung) oder in einer externen Schlaufe ausserhalb des Fermenters beheizt werden.
Einige Beispiele von Heizungen sind in Figur 15 exemplarisch dargestellt.
Figur 14:
Beispiele und Eigenschaften von Trägermaterialien für bakterielles Wachstum
Typ HIFLOW PLASDEK FLOCOR SIRAN
a [m2/m3] 65 148 150 30 000
ε [%] 96.5 96 97 70
a: spezifische Oberfläche ε: Leervolumen
Beim Betrieb einer Anlage möchte man möglichst viel Biogas gewinnen.
Daher ist – wie bereits weiter oben erwähnt – auf die Isolation des Behälters und auf den TS-Gehalt des Substrates Augenmerk zu legen. In Tabelle 6 ist die Energiebilanz eines mesophilen Rührkessels bei 5% TS schematisch dargestellt (Vorgaben: Belastung: 1,6 kg CSB/m3.d, T␣ Substrat: 15 °C, T Luft:
–8 °C). Bei kleinerer TS bzw. OS ist natürlich die Biogasausbeute entspre-chend geringer, und es muss ein entspreentspre-chend höherer Prozentsatz des Biogases für die Beheizung des Substrates eingesetzt werden. Für eine befriedigende Energiebilanz einer Anlage ist eine genügend hohe organi-sche Belastung des Abwassers Voraussetzung.
Energieaufwand Energiebedarf
(% der Bruttoproduktion)
Heizen des Substrats 11–15
Wärmeverluste 7–9
Rühren und Pumpen 2–3
verschiedene Komponenten 2–3
Total 22–30
Tabelle 6:
Schematische Darstellung des Energieaufwands in einem konventionellen Rührkessel (Quelle: Chynoweth) Figur 15:
Beispiele von
Beheizungsmöglichkeiten von Fermentern
Die Gasstrasse einer Anlage muss mindestens folgende Komponenten enthalten: Einen Kondenswasserabscheider, welcher Wasseransammlun-gen in den LeitunWasseransammlun-gen verhindert, eine Überdruck- und Unterdrucksicherung des Fermenters sowie eine Flammenrückschlagsicherung. Unter Umstän-den können Reaktoren bei gewissen Abwässern auch noch Einrichtungen zur Schaumbekämpfung aufweisen. Da das Methan relativ schlecht in Wasser löslich ist, kann praktisch 100% des Methans erfasst werden.
(a) Kessel mit Wärmetauscher Wasser/Schlamm
a b
~35 °C ~35 °C
c
~35 °C
(b) Einpressen von Dampf aus dem Dampfgenerator (c) Nutzung der Abwärme einer Wärme-Kraft-Kopplung