Bioverfahrens- und Umwelttechnik Aktuelle Entwicklung im Bereich der Bioaerosole und der Abluftreinigung

Bioaerosole

Luftgetragene Stäube aus der Landwirtschaft bestehen meist zu über 90 % aus organischem Material. Diese Bioaerosole enthalten als umweltmedizinisch relevante Bestandteile große Mengen an Mikroorganismen, Toxine und Allergene. Es ist schon seit langem bekannt, dass die Inhalation dieser Stäube zu Atemwegserkrankungen führen kann. So empfahl bereits im Jahre 1555 Olaus Magnus, Erzbischof von Uppsala, den Dreschern, festgesetzten Staub mit Bier herunter zu spülen [1]. Im Jahre 2013 wurden 417 Atemwegserkrankungen und 699 Zoonosen von Arbeitern in der Landwirtschaft als Berufskrankheiten bei der Landwirt-schaftlichen Unfallversicherung angezeigt [2]. In den letzten Jahren sind besonders die Bio-aerosole aus der Nutztierhaltung zunehmend in den Fokus der Öffentlichkeit geraten, da in einigen Studien Tendenzen und Hinweise für mögliche negative Wirkungen auch auf die Gesundheit von Anwohnern im Umkreis von Tierhaltungsanlagen gefunden wurden [3 bis 5]. Die Zusammenhänge sind bisher jedoch nicht hinreichend untersucht und auch eine aktuelle Literaturstudie lieferte bisher keine klaren Ergebnisse [6].

Trotz der unsicheren Datenlage sind mittlerweile in vielen deutschen Bundesländern aus dem Prinzip der Vorsorge heraus auch Bioaerosole Gegenstand von Genehmigungsverfahren für Neu- oder Umbauten von Stallgebäuden. Dabei werden die im Umfeld zu erwartenden Immissionen von bestimmten luftgetragenen Mikroorganismen, die als „Anlagenspezifische Leitparameter“ bezeichnet werden [7], messtechnisch bestimmt [8] oder über Ausbrei-tungsmodelle berechnet [9], um diese dann unter umweltmedizinischen Gesichtspunkten zu bewerten [10]. Als besonders geeigneter Leitparameter hat sich die Gruppe der Staphylo-kokken herausgestellt. Diese Bakterien sind in der natürlichen Hintergrundkonzentration mit standardisierten Messverfahren aufgrund von deren unterer Bestimmungsgrenze (80 KBE/m³) i. d. R. kaum nachweisbar [10]. Typische Konzentrationen liegen in Deutschland zwischen 3 und 16 KBE/m³ [11 bis 13]. Daher kann bei deutlich höheren Werten durchaus ein Anlageneinfluss angenommen werden. Dabei muss jedoch beachtet werden, dass kurzfristige Messungen im Rahmen von Genehmigungsverfahren meist nur eine Momentaufnahme der Immissionssituation vor Ort darstellen, welche stark vom Geschehen im Stall, meteorologischen Bedingungen und nicht zuletzt auch vom Zufall abhängig sein kann. Daher werden die zu erwartenden Jahresmittelwerte meist mit Ausbreitungsmodellen berechnet. Als Eingabeparameter dienen Emissionsfaktoren, welche durch möglichst repräsentative Messungen ermittelt werden sollten. Diese Emissionsfaktoren geben die gemittelte Anzahl Mikroorganismen pro Zeiteinheit an, bezogen auf den Tierplatz (TP). Dabei sollten diese ein auf das Jahr bezogenes repräsentatives Mittel der Emissionen darstellen, welches spezifisch für die Tierart und die Haltungsform und abhängig von den örtlichen meteorologischen Be-dingungen ist, auch unter Berücksichtigung weiter Variationen durch unterschiedliche Stall-systeme, Stallmanagement, Hygiene, Tieraktivität, Tieralter und Tiermasse. Dabei sind durchaus Unterschiede (Variationen) von ein bis zwei Zehnerpotenzen auch für dieselbe Haltungsform zu beobachten [11; 14]. Als Emissionsfaktoren wurden bisher häufig Werte aus der VDI 4255 Blatt 2 [15] eingesetzt, basierend auf den Untersuchungen von Seedorf et al. 1998 [16]. Diese Faktoren bezogen sich aufgrund der eingesetzten Sammelsysteme jedoch lediglich auf die Anzahl kultivierbarer mikroorganismentragender Partikel. Auf einem solchen Partikel können jedoch hunderte einzeln kultivierbarer Zellen liegen [17; 18] (Bild 1), so dass die Ergebnisse dieser Ausbreitungsrechnungen die vor Ort gemessenen Konzentrationen unterschätzen können [19].

Bild 1: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von aus der Luft eines Hühnerstalls gesammeltem Staub. Oben links: Bakterienaggregat zusammengesetzt aus mehreren hundert Einzelzellen.

Figure 1: Scanning electron microscope picture of dust collected in a chicken house. Top left: bacteria aggregate consisting of hundreds of single cells.

In der VDI 4255 Blatt 3 [20] wurden nun erstmals Konventionswerte für Emissionsfaktoren publiziert, die sich auf Mikroorganismen im Gesamtstaub beziehen. Daher liegen diese neuen Werte ca. 2 Zehnerpotenzen über den bisher verwendeten. Hinzu kommt, dass die Kon-ventionswerte aus Messungen abgeleitet wurden, die nur tagsüber stattfanden. Aktuelle Un-tersuchungen aus dem Thünen-Institut für Agrartechnologie zeigen jedoch, dass die durch-schnittlichen Konzentrationen tagsüber eine Zehnerpotenz über den Konzentrationen nachts liegen. Weiterhin kommt hinzu, dass in Ausbreitungsmodellen immer noch mit Partikelgrößen von unter 2,5 µm gerechnet wird, obwohl eine Vielzahl von Untersuchungen deutliche Hin-weise geben, dass Mikroorganismen in der Nutztierhaltung primär in Partikelfraktionen über 2,5 µm zu finden sind [21 bis 31]. Dieses konsequent konservative Vorgehen führt nun zur Vorhersage völlig überhöhter Konzentrationen im Umfeld der Stallanlagen. Erste Modell-rechnungen zeigen, dass Bioaerosole damit in Genehmigungsverfahren von Tierhaltungsan-lagen zukünftig zum kritischsten Parameter werden können. Für die Modelle fehlen zudem nach wie vor wichtige physikalische und mikrobiologische Eingabeparameter [19]. In Konse-quenz führt dieses Vorgehen zur Forderung von unnötig großen Abständen zwischen Tier-ställen und Wohnbebauung. Alternativ können Abluftreinigungsanlagen Emissionen reduzie-ren.

Abluftreinigungsanlagen

Die Abluftreinigung in der deutschen Tierhaltung hat in den letzten 10 Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen (Bild 2).

Bild 2: Anzahl Abluftreinigungsanlagen in der Tierhaltung, kumulativ

Figure 2: Number of exhaust air treatment systems in animal keeping, cumulative

Dies betrifft vor allem den Bereich der Schweinehaltung, wo nach eigenen Umfragen bei Herstellern bis zum Jahr 2013 insgesamt 1012 Anlagen errichtet wurden. Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um eignungsgeprüfte Anlagen nach DLG-Standard. Nähere Informati-onen zu den diversen Anlagentypen, ihren Reinigungsleistungen sowie zu den spezifischen Medienverbräuchen sind kostenlos unter http://www.dlg.org/gebaeude.html#Abluft abrufbar. Bezogen auf die Gesamtzahl der in Deutschland gehaltenen Schweine sind allerdings erst 2,7 % der Mastschweine, 1,4 % der Sauen und 2,7 % der Ferkel an Abluftreinigungsanlagen angeschlossen [32]. In Regionen mit intensiver Tierhaltung wie im Landkreis Cloppenburg sind es bereits 18 % des Schweinebestandes [33]. Für den Bereich der Geflügelhaltung zei-gen die eigenen Erhebungen, dass die Entwicklung von Abluftreinigungstechniken mit erst 179 Anlagen (Stand 2013) noch am Anfang steht. Viele der Anlagen für die Geflügelhaltung wurden vor Einführung der DLG-Prüfung errichtet, so dass keine vergleichbar umfassenden Informationen über sie vorliegen. Bislang erfüllen zwei Anlagen für die Hähnchenmast die DLG-Anforderungen an die Ammoniak- und Staubabscheidung, eine allerdings nur für den Bereich der Kurzmast. Eine weitgehende Geruchsreduzierung, die gewährleistet, dass im Reingas der Anlage kein rohgastypischer Geruch mehr wahrgenommen wird, erfüllen die Anlagen jedoch nicht. Im laufenden Jahr werden drei weitere Anlagen verschiedener Herstel-ler für die Hähnchenmast anerkannt werden (Bild 3). Entsprechende Prüfberichte sind in Vorbereitung.

Bild 3: Blick auf den Tropfenabscheider einer Abluftreinigungsanlage für die Hähnchenmast

Figure 3: View onto the droplet separator of an exhaust air treatment system for broilers

Anerkannte Abluftreinigungsverfahren in der Schweinehaltung reduzieren die Emissionen an mesophilen Bakterien um ca. 90 %, wie ein entsprechendes Verbundvorhaben mit Messun-gen an Praxisanlagen bestätigt [34]. Dieses Ergebnis ist auch nicht überraschend, denn Mi-kro¬organismen sind in erheblichem Umfang an Partikeln adsorbiert, die durch die Abluftreini-gungsanlage abgeschieden werden. Die Untersuchungen ergaben auch, dass die Anlagen selbst keine relevanten „Brutstätten“ für mesophile Bakterien darstellen. Da die DLG-Prüfung bislang keine mikrobiologischen Messungen zur Rückhaltung von Bioaerosolen umfasste, liegen auch nur erste orientierende Messungen, insbesondere von Anlagen für die Haltung von Masthähnchen vor. Sie ergaben Abscheidegrade zwischen 70 und 90 % und entsprachen damit den Werten, die auch für die Staubabscheidung ermittelt wurden. Wegen der hohen Volumenströme und den damit verbundenen kurzen Verweilzeiten werden Abluftreini-gungsanlagen für Masthähnchen meist als einstufige Chemowäscher konzeptioniert, wobei mit sauren Waschwässern (pH-Werte von 3 bis 5) gearbeitet wird, um eine sichere Am-moniak¬abscheidung zu gewährleisten. In den sauren Waschlösungen können aber säureto-lerante Pilze wachsen, sofern der Staub als „Nahrungs- und Nährstoffquelle“ nicht in einer vorgeschalteten Verfahrensstufe abgeschieden wird oder dem Waschwasser Fungizide zu-gesetzt werden.

Während für die Schweinehaltung eine Fülle von Verfahren verschiedener Hersteller zur Ver-fügung steht und ihre Wirksamkeit in Hinblick auf eine wirksame Emissionsminderung für Ammoniak, Staub, Keime und Geruch nachgewiesen ist, müssen für die Geflügelhaltung noch geeignete Verfahren, insbesondere für die Geruchsabscheidung, entwickelt werden.

Für einen weitergehenden Einsatz der Abluftreinigung müssen die Betriebskosten weiter reduziert werden. Über geeignete Verfahren der Zuluftkonditionierung kann der maximale Volumenstrom, auf den eine Abluftreinigungsanlage auszulegen ist, um bis zu 30 % reduziert werden [33]. Umfangreiche Untersuchungen zum Einsatz von Unterflur-Zuluftsystemen, Erdwärmetauschern und Kühlpads in der Mastschweinehaltung sowie deren Wirkungen auf Stallklima und Wirtschaftlichkeit zeigen die Vorteile der Verfahren - auch in Hinblick auf das Tierwohl [35]. Die Zuluftkonditionierung und auch die Reduzierung der Waschwassermenge und des Druckverlustes bieten Möglichkeiten, die Kosten für die Abluftreinigung wirksam und ohne Einbuße bei den Reinigungsleistungen zu reduzieren [36]. Während die Vertretbarkeit des Einsatzes von Abluftreinigungsverfahren für neue und große Tierhaltungen (mehr als 2.000 Mastschweine, 750 Sauen, 6.000 Ferkel) in den Filtererlassen der Bundesländer Nie-dersachsen [37], Nordrhein-Westfalen und Schleswig-Holstein als gegeben gilt, müssen für Anlagen mit geringerer Kapazität die Kosten noch gesenkt werden.

Zusammenfassung

Bioaerosole aus der Nutztierhaltung werden in Genehmigungsverfahren auch weiterhin ein Thema bleiben, trotzdem sind noch viele Fragen offen. Dringenden Klärungsbedarf gibt es bezüglich der gesundheitlichen Wirkung von Bioaerosolen, der tatsächlichen Jahresmittel von Emissionen luftgetragener Mikroorganismen aus Tierhaltungen sowie der Partikelgrö-ßenverteilung von Bioaerosolen als Eingabeparameter für Ausbreitungsmodelle. In jedem Fall bietet die Abluftreinigung eine sichere, weitgehende und prüfbare Option zur Emissi-onsminderung und wird auch in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Sie bietet der Tierhaltung weitere Entwicklungsmöglichkeiten für Neubauten bei gleichzeitig steigenden Auflagen an den Immissionsschutz. Allerdings müssen die zusätzlichen Kosten für den Umweltschutz von den Konsumenten über den Produktpreis getragen werden, um diese Technik in einem brei-ten Umfang einsetzen zu können.

Literatur

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[9] VDI 4251 Blatt 3: Erfassen luftgetragener Mikroorganismen und Viren in der Außenluft - Anlagenbezogene Ausbreitungsmodellierung von Bioaerosolen. Berlin: Beuth Verlag, 2013.

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