Die Bedeutung des Carbonat-Puffersystems für die Stabilität des Gärprozesses landwirtschaftlicher Biogasanlagen

Abstract

Seit der Einführung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes sind der Bau und Betrieb einer Biogasanlage durch den finanziellen Zugewinn für eine wachsende Zahl von Landwirten interessant geworden. Durch unzureichende Prozesskontrolle auftretende Prozessstörungen können die Rentabilität einer Anlage jedoch gefährden. Daher sollte ein preiswertes und für Betreiber einfach zu handhabendes Frühwarnsystem in Form eines Schnelltests zur Prozessüberwachung entwickelt und erprobt werden.<br /> Zu diesem Zweck wurden im Labormaßstab Gärversuche zur Klärung der Frage durchgeführt, ob die Carbonat-Pufferkapazität einen geeigneten Parameter zur Prozesskontrolle darstellt und ob sie durch eine volumetrische Messung zuverlässig quantifiziert werden kann. In semi-kontinuierlichen Laborreaktoren wurden durch überhöhte Faulraumbelastungen Prozesssstörungen induziert und das Verhalten der Carbonat-Pufferkapazität titrimetrisch und volumetrisch dokumentiert. Mögliche Einflussfaktoren (Substratwahl, basisch wirkende Additive) wurden in das Versuchsdesign integriert und hinsichtlich ihrer Wirkung auf die volumetrische Methode, sowie den Gärprozess bewertet.<br /> Es zeigte sich, dass sowohl die volumetrischen als auch die titrimetrischen Messungen der Carbonat-Pufferkapazität bei gleichbleibender Substratwahl und -zufuhr Prozessveränderungen frühzeitig abbildeten. Dies bestätigte sowohl die Eignung der volumetrischen Methode zur vollständigen Quantifizierung der Carbonat-Pufferkapazität, als auch die der Carbonat-Pufferkapazität als Prozessparameter für die Charakterisierung des Gärprozesses einer Biogasanlage. Aufgrund anlagenspezifischer Pufferkapazitäten, bedingt durch unterschiedliche Substrate und Faulraumbelastungen, war es nicht möglich allgemeingültige HCO₃--Grenzwerte zur Prozesskontrolle festzulegen. <br /> Der Einsatz basisch wirkender Additive (CaO, Ca(OH)₂, CaCO₃) führte zu einer Stabilisierung des Gärprozesses. Jedoch erwiesen sich in Gegenwart dieser Additive sowohl die Titration mit Säure als auch die volumetrische Methode als ungeeignet zur Bestimmung der Carbonat-Pufferkapazität. Die Titration mit Lauge kann in einem solchen Fall eine alternative Messmethode zur Säuretitration darstellen. Sie macht als zusätzlichen Analyseschritt die Bestimmung der NH₄-N-Konzentration notwendig. Daher ist sie von der Durchführung etwas aufwändiger als die Titration mit Säure.<br /> Auf der Grundlage der Laborstudien konnte ein Schnelltest entwickelt werden. Dessen Validierung ergab eine systematische Messunterschätzung von ca. 20 %, so dass er für Messungen der absoluten Carbonat-Konzentration nicht geeignet ist. Messeinsätze auf Praxisanlagen ergaben jedoch, dass er prozessbedingte Änderungen der Carbonat-Pufferkapazität zuverlässig abbildet.

<strong>The significance of the carbonate buffer system for the stability of the digestive process in agricultural biogas plants</strong><br /> Since the Renewable Energy Act was first introduced in 2000 the construction and operation of biogas plants have become a profitable financial alternative for a growing number of farmers. However, biological process disruptions, caused by insufficient process control, can compromise a plant’s profitability. That is why an inexpensive and easy-to-handle early-warning system for process control was to be developed and tested in lab experiments and on full-scale biogas plants.<br /> Lab-scale digestion experiments were to answer the question whether the carbonate buffer capacity represented a suitable parameter for process control and whether it could be fully and reliably quantified by volumetric measurement. Thus, continuously fed lab reactors were subjected to excessive organic loading in order to induce process disruptions. The development of the carbonate buffer capacity was then titrimetrically as well as volumetrically documented. Potential influencing factors (e.g. substrate, alkaline additives) were integrated into the experimental design and evaluated as to their effect on the volumetric method as well as the digestion process itself. The results confirmed the suitability of the volumetric method for quantification of the carbonate buffer capacity, as well as its suitability as a parameter for process control. Volumetric as well as titrimetric measurements indicated process disruptions at an early stage. Due to plant-specific buffer capacities, which were caused by different substrates and organic loading rates, universal carbonate thresholds could not be determined.<br /> The application of alkaline additives (CaO, Ca(OH)₂, CaCO₃) to severely disrupted reactors lead to process stabilisation. However, under these conditions volumetric measurement as well as acid titration turned out to be unsuitable for quantifying carbonate buffer capacity. Base titration proved to be a viable alternative in this case. It requires quantification of NH₄-N as an additional analytical step, which makes it slightly more complex.<br /> On the basis of the lab-scale experiments a quicktest was developed. Its validation showed a systematic underestimation of ca. 20 %, which makes it unsuitable for measuring absolute carbonate concentrations. The full-scale trials showed, however, that the quicktest reliably indicated changes in carbonate buffer capacity. It is therefore suitable for process control on biogas plants.