Prüfung der Funktionsweise und Effizienz einer biologischen Abluftreinigungsanlage unter Praxisbedingungen im Hinblick auf das Rückhaltevermögen für Bioaerosole

(1)

Tierärztliche Hochschule Hannover

Institut für Tierhygiene, Tierschutz und Nutztierethologie

Prüfung

der Funktionsweise und Effizienz einer biologischen

Abluftreinigungsanlage unter Praxisbedingungen im Hinblick auf das Rückhaltevermögen für Bioaerosole.

INAUGURAL-DISSERTATION

zur Erlangung des Grades einer Doktorin der Naturwissenschaften

- Doctor rerum naturalium - (Dr. rer. nat.)

vorgelegt von Maja Decius aus Hannover

Hannover 2016

(2)

Wissenschaftliche Betreuungsgruppe:

1. Univ.-Prof. Dr. Dr. h. c. med. vet. Jörg Hartung Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover

Institut für Tierhygiene, Tierschutz und Nutztierethologie Bünteweg 17 p

30559 Hannover

2. Prof. Dr. rer. nat. Hassan Y. Naim

Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover Institut für Physiologische Chemie

Bünteweg 17, Gebäude 218 p 30559 Hannover

1. Gutachten: Univ.-Prof. Dr. Dr. h. c. med. vet. Jörg Hartung Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover

Institut für Tierhygiene, Tierschutz und Nutztierethologie

Prof. Dr. rer. nat. Hassan Y. Naim

Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover Institut für Physiologische Chemie

2. Gutachten: Prof. Dr. Eberhard Hartung

Christian-Albrechts-Universität Kiel

Institut für Landwirtschaftliche Verfahrenstechnik Max-Eyth-Straße 6

24118 Kiel

Tag der mündlichen Prüfung: 21.10.2016

Teile der Arbeit gefördert durch: Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (Förderkennzeichen 2807 UM003)

(3)

Meiner Familie

(4)

(5)

INHALTSVERZEICHNIS

INHALTSVERZEICHNIS

Abkürzungsverzeichnis VIII

Abbildungsverzeichnis XII

Tabellenverzeichnis XV

1. Einleitung und Zielsetzung 1

2. Hintergrund und Literaturübersicht 4

2.1 Intensivierung der Schweinehaltung in Deutschland 4 2.2 Charakterisierung der Emissionen aus Schweinehaltungsanlagen 7

2.2.1 Geruchsstoffe 8

2.2.2 Ammoniak 9

2.2.3 Stäube 11

2.2.4 Bioaerosole 12

2.3 Immissionsschutz – Recht und Richtlinien 16 2.4 Biologische Abluftreinigungstechnik und ihre Wirkungsweise 21

2.4.1 Biofilter 24

2.4.2 Biowäscher/Chemowäscher 25

2.4.3 Rieselbettreaktor 26

2.4.4 Mehrstufige Kombinationssysteme 26

3. Material und Methoden 27

3.1 Funktionsbeschreibung der untersuchten Abluftreinigungsanlage 27

3.2 Untersuchungszeitraum 29

3.3 Probenahme und Probenaufarbeitung 30

3.3.1 Roh- und Reingasbeprobung. Bioaerosole 30

3.3.2 Prozesswasserproben 30

3.3.3 Beprobung der biofilmbesetzten Filterflächen 31

(6)

INHALTSVERZEICHNIS

3.4 Mikrobiologische Analysen 32

3.4.1 Gesamtkeimzahl (Gesamt KBE) 34

3.4.2 Streptokokken 34

3.4.3 Staphylokokken 35

3.4.4 MRSA 35

3.4.5 Schimmelpilze 35

3.4.6 Enterokokken 36

3.4.7 Pseudomonaden 36

3.4.8 Actinomyceten 36

3.5 Endotoxine 36

3.6 Molekularbiologische Analysen 37

4. Ergebnisse 39

4.1 Roh- und Reingasbeprobung Bioaerosole 39

4.1.1 Gesamtkeimzahl (Gesamt KBE) und Gesamt-DNA 39

4.1.2 Streptokokken und Staphylokokken 43

4.1.3 Methicillin resistente Staphylococcus aureus (MRSA) 44

4.1.4 Enterokokken 49

4.1.5 Enterobacteriaceae und Pseudomonaden 50

4.1.6 Aktinomyceten und Schimmelpilze 51

4.1.7 Endotoxine 52

4.2 Prozesswasserproben 53

4.2.1 Gesamtkeimzahl (Gesamt KBE) und Gesamt-DNA 53

4.2.2 Enterobakterien 56

4.3 Beprobung der Biofilmbesetzten Filterflächen 57

4.3.1 Gesamtkeimzahl (Gesamt KBE) 57

4.3.2 Enterobakterien 61

(7)

INHALTSVERZEICHNIS

5. Diskussion 63

6. Schlussfolgerung und Ausblick 76

7. Zusammenfassung (Summary) 78

Literaturverzeichnis 84

Anhang A

(8)

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

Abkürzungsverzeichnis

A Jahr

ARA Abluftreinigungsanlage

B Becken/Prozesswasser

BfR Bundesinstitut für Risikobewertung

BIA Berufsgenossenschaftliches Institut für Arbeitssicherheit BLE Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung

BImSchG Bundes-Immissionsschutz-Gesetz BImSchV Bundes-Immissionsschutz-Verordnung

Bp Basenpaar

BUH Becken, unten, Hinten

BUM Becken, unten, Mitte

BUV Becken, unten, Vorne

cG Geruchsstoffkonzentration

CO2 Kohlendioxid

CSE Kontroll-Standard-Endotoxin

DNA Desoxyribonukleinsäure

DESTATIS Statistisches Bundesamt

DFG Deutsche Forschungsgemeinschaft DLG Deutsche Landwirtschafts-Gesellschaft

EG Europäische Gemeinschaft

EPS Extrazelluläre polymere Substanzen

ER Europäischer Rat

ESBL Extended spectrum ß-lactamase

etc. et cetera

EU Endotoxin Unit

EU Europäische Union

Fa. Firma

FAO Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen

(9)

FDA Lebensmittelüberwachungs- und Arzneimittelzulassungs- behörde der Vereinigten Staaten

GE Geruchseinheit

GIRL Geruchsimmissionsrichtlinien

GKZ Gesamtkeimzahl

GmbH Gesellschaft mit beschränkter Haftung

H2S Schwefelsäure

i. D. R. in der Regel

I.E. Internationale Einheit

k. Ab. Keine Abnahme

KBE Koloniebildende Einheit

Kg Kilogramm

KRdL Kommission Reinhaltung der Luft

Kt Kilotonne

lacZ Gen des Lactose-Operons von Escherichia coli LAI Länderausschuss für Immissionsschutz

LAL Limulus-Amöbozyten-Lysat

LA-MRSA Livestock assoziierte Methicillin resistente Staphylococcus aureus

Lfg. Lieferung

LfULG Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie

LUFA Landwirtschaftliche Untersuchungs- und Forschungsanstalt

M Meter

M Molekularer Größenmarker

Mg Milligramm

ML Ministerium für Ernährung Landwirtschaft und Verbraucher- schutz, Niedersachsen

Ml Milliliter

µm Mikrometer

MR Molekulargewicht

MRSA Methicillin resistente Staphylococcus aureus

MS Ministerium für Soziales, Gesundheit und Gleichstellung,

(10)

mS Millisiemens

MU Ministerium für Umwelt, Energie und Klimaschutz, Niedersachsen

n. n. nicht nachweisbar

N2 Stickstoff

NEC Richtlinie über Nationale Emissionshöchstmengen

NH3 Ammoniak

Nm Nanometer

NO2 Stickstoffdioxid

Nr. Nummer

O2 Sauerstoff

O3 Ozon

PAK Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe PBS Phosphatgepufferte Salzlösung

PCR Polymerase-Kettenreaktion

pH negativer dekadischer Logarithmus der Wasserstoffionen- Aktivität

PPP Power Point Präsentation

Rd. Erl. Randerlass

RE Reingas

RO Rohgas

RSE Referenz-Standard-Endotoxin

S Staub

SCCmec Staphylococcal cassette chromosome mec

SO2 Schwefeldioxid

TA Technische Anleitung

TierSchNutztV Verordnung zum Schutz landwirtschaftlicher Nutztiere TRBA Technische Regeln für Biologische Areitsstoffe

TSP Gesamtstaub (total suspended particulates) TÜV Technischer Überwachungsverein

UBA Umweltbundesamt

usw. und so weiter

UV Ultraviolett

(11)

VDI Verein Deutscher Ingenieure

vgl. vergleiche

vTI von Thünen Institut

W Wand/Füllkörper

z. B. zum Beispiel

(12)

ABBILDUNGSVERZEICHNIS

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Schweinehaltung in Deutschland, Verteilung auf die Bundesländer (Stand 3.5.2014, DESTATIS)

Abbildung 2: Anzahl der Schweine sowie Anzahl der Schweinehalter in Niedersachsen. Entwicklung von 1960 bis 2014. Nach Zahlen des Ministeriums für Ernährung, Landwirtschaft,

Verbraucherschutz und Landesentwicklung (ML Niedersachsen, 2014)

Abbildung 3: Geruchsquellen und geruchsbeeinflussende Faktoren (aus LE et al. 2005)

Abbildung 4: Ammoniak-Emissionen der Landwirtschaft nach Nutztieren (nach UBA 2003, Stand 2012)

Abbildung 5: Partikeldefinitionen und Größenbereiche umweltrelevanter Partikel (KRUG 2003)

Abbildung 6: Ermittlung der Bioaerosolemissionen im Umfeld von Anlagen – Zusammenspiel der VDI-Richtlinien (KUMMER 2014)

Abbildung 7: Vereinfachter schematischer Aufbau eines Biofilters (in Anlehnung an VDI 3477)

Abbildung 8: Schematische Darstellung eines einstufigen Rieselbettreaktors (nach Hahne 2006)

Abbildung 9: Gerüst zum Erreichen der Abluftschächte – Reingasbeprobung (Foto: M. Clauß)

Abbildung 10: Aufbau der Messstrecke – Rohgasbeprobung (Foto: M. Clauß) Abbildung 11: Mesophile Gesamtkeimzahl in Roh- und Reingas. Die Angabe

der Gesamt KBE erfolgt in koloniebildende Einheiten pro Kubikmeter Luft [KBE/m³]

Abbildung 12: Reduktion der mesophilen Gesamtkeimzahl von Roh- zu Reingas in Prozent

Abbildung 13: Nachweis bakterieller Gesamt-DNA mittels 16S-PCR in Roh- und Reingasproben (Legende siehe nachfolgende Tabelle 6)

(13)

Abbildung 14: Streptokokken und Staphylokokken in Roh- und Reingas. Die Angabe der KBE erfolgt in koloniebildenden Einheiten pro Kubikmeter Luft [KBE/m³]

Abbildung 15: Reduktion der Streptokokken und Staphylokokken von Roh- zu Reingas in Prozent

Abbildung 16: MRSA-verdächtige Kolonien [KBE/m³] in Roh- und Reingas Abbildung 17: Reduktionsleistung der Anlage für MRSA-verdächtige Kolonien in

Prozent

Abbildung 18.: Teil 1; SCCmec-Typing der MRSA-Proben aus dem untersuchten einstufigen Rieselbettreaktor

Abbildung 19: Teil 2; SCCmec-Typing der MRSA-Proben aus dem untersuchten einstufigen Rieselbettreaktor

Abbildung 20 : Reduktion der Enterokokken von Roh- zu Reingas in Prozent Abbildung 21: Reduktion der Aktinomyceten (25 °C) und Schimmelpilze von

Roh- zu Reingas in Prozent

Abbildung 22: Reduktion des Endotoxingehaltes von Roh- zu Reingas in Prozent

Abbildung 23: Gesamtkeimzahl [KBE/ml] im Prozesswasserbecken (KBE = Kolonie bildende Einheiten). Rot dargestellt ist der pH-Wert im Waschwasser (Daten ermittelt vom von Thünen-Institut). Am 24.05.2011 fand keine Messung seitens des von Thünen-Instituts statt.

Abbildung 24: Nachweis coliformer Bakterien mittels lacZ PCR in den

Prozesswasserproben (M= molekularer Größenmarker; Legende siehe nachfolgende Tabelle 10)

Abbildung 25: Gesamtkeimzahl [KBE/cm³] im Biofilm der Filteroberfläche (KBE

= Kolonie bildende Einheit)

Abbildung 26: Koloniezahlen [KBE 100/mg] im Absetzstaub der einstufigen Abluftreinigungsanlage (KBE = Kolonie bildende Einheiten) Abbildung 27: Gesamtkeimzahl [KBE 100/mg] in den Staubproben (KBE =

Kolonie bildende Einheiten)

(14)

Abbildung 28: Nachweis coliformer Bakterien mittels lacZ PCR in den Biofilmproben des Filters, sowie den Staubproben (Legende siehe nachfolgende Tabelle 12)

(15)

TABELLENVERZEICHNIS

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Verfügbare Abluftreinigungsverfahren und ausgewählte Parameter (aus GRIMM 2010)

Tabelle 2: Auslegungsdaten für den untersuchten Rieselbettreaktor

Tabelle 3: Untersuchte Mikroorganismen (anlagenbezogene Leitparameter) und Endotoxine sowie eingesetzte Nachweisprinzipien

Tabelle 4: Eingesetzte Selektivmedien, Bebrütungstemperatur und -dauer Tabelle 5: Zusammenstellung der Befunde in Roh- (a) und Reingas (b) des

untersuchten einstufigen Rieselbettreaktors Tabelle 6: Legende zu Abbildung 13

Tabelle 7: Legende zu Abbildung 18 SCCmec-Typing Teil 1 (RO = Rohgas; RE = Reingas; B = Becken/Prozesswasser; W = Wand/Füllkörper; S = Staub)

Tabelle 8: Legende zu Abbildung 19 SCCmec-Typing Teil 2 (RO = Rohgas; RE = Reingas; B = Becken/Prozesswasser; W = Wand/Füllkörper; S = Staub) Tabelle 9: Ermittelte Daten zu den untersuchten mikrobiologischen Parametern in

den Prozesswasserproben des untersuchten einstufigen Rieselbettreaktors

Tabelle10: Legende zu Abbildung 24 (B = Becken, BUV = Becken unten vorne, BUM = Becken unten Mitte, BUH = Becken unten hinten)

Tabelle 11: Ermittelte Daten zu den untersuchten mikrobiologischen Parametern in den Proben vom Biofilm des Filters (a) und Staub (b) des untersuchten einstufigen Rieselbettreaktors

Tabelle 12: Legende zu Abbildung 28 (W = Wand/Füllkörper; S = Staubprobe) Tabelle 13: Methodik: Schema zur Aufarbeitung der Proben, gewählte

Verdünnungen (RO = Rohgas, RE = Reingas)

(16)

(17)

EINLEITUNG UND ZIELSETZUNG

1. Einleitung und Zielsetzung

In den Ställen der landwirtschaftlichen Tierhaltung werden zahlreiche Komponenten der Stallluft wie Geruchsstoffe, Ammoniak und weitere Gase, sowie Stäube und Mikroorganismen gebildet (HARTUNG 2001, NIKOLEI & LEFERS 2006). Mit der Stallabluft gelangen diese Stoffe in die Stallumgebung. Bekannt ist, dass diese Stoffe bei den Tieren und Arbeitern in den Ställen zu Belastungen und Erkrankungen der Atemwege führen können (ELBERS 1991; von ALTROCK 1998; NOWAK 1998;

SEEDORF & HARTUNG 2002; PABST 2007; LIEBERS 2008; HEUTELBECK 2008).

Immer häufiger kommt es in den letzten Jahren aber auch zu Beschwerden von Anwohnern in der Nähe von Stallanlagen über Geruchsbelästigungen und zu Befürchtungen, dass ihre Gesundheit bei Exposition gegenüber diesen Stoffen beeinträchtigt werden könnte. (MUTALIB et al. 1982; MEYERS & JENSEN 1986;

JENSEN et al. 1986; WATHES 1987; LIU 2002; RADON 2004; VANDENBULCKE et al. 2005; CSICSAKY et al. 2005; SMIT et al. 2006; RADON et al. 2006;

SNEERINGER 2009). Die Bedenken beziehen sich besonders auf die Emission von Mikroorganismen (TAKEI et al. 1998; SEEDORF et al. 1998; SEEDORF &

HARTUNG 2002; SCHILLING 2003; VAN DEN WEGHE 2006; HARTUNG 2014). In mehreren Studien konnten Transmissionswege von 200 m bis 300 m für Bakterien aus Stallanlagen dargestellt werden (SCHULZ 2005a; SCHULZ 2005b; KOLLNER &

HELLER 2005; KOLLNER & HELLER 2006). MRSA (methicillin resistente Staphylococcus aureus) konnten qualitativ auf Feldoberflächen im Umkreis von 300 m um Schweinemastställe nachgewiesen werden (SCHULZ et al. 2012). Die Staubmengen, die aus Schweinemastställen über die Abluft in die Umgebung gelangen und verweht werden, können bei Konzentrationen in der Schweinestallluft von durchschnittlich 3 mg/m³ und einer angenommenen Luftrate von 150 m³ h^-1 pro Großvieheinheit in der Summe, über das ganze Jahr berechnet, 512 kg Staub bei einem Bestand von 1000 Mastschweinen erreichen (HARTUNG 1995, SEEDORF 2002)

Da es keine Dosis-Wirkungsbeziehung zwischen der Menge luftgetragener

(18)

präventiven Vorsorge und damit einer möglichst effektiven Minimierung der Emissionen aus der Tierhaltung (BRENNER et al. 2013). Um dies zu erreichen und nachteiligen Immissionen auf Mensch und Natur entgegenzuwirken, werden zunehmend Biowäscher und Biofilter als Minderungstechnologien in der Nutztierhaltung eingesetzt (MELSE & MOL 2004; MELSE & OGINK 2005; NICOLAI

& LEFERS 2006; KUMMER 2009). Dabei kommen verschiedene Anlagentypen – vom einfachen Wurzelholzfilter über Rieselbettfilter bis zu mehrstufigen Anlagen zum Einsatz. Von allen Anlagen ist bekannt, dass sie in gewissem Umfang die aus den Ställen emittierten Stoffe abfangen können. In der Praxis kommt es jedoch immer wieder zu Zweifeln an ihrer Wirksamkeit. Diese werden auch dadurch genährt, dass längerfristige Feldversuche an solchen Abluftreinigungsanlagen noch weitgehend fehlen.

In der vorgelegten Arbeit werden daher Funktionsweise und Rückhaltevermögen einer praxisüblichen Abluftreinigungsanlage an einem Mastschweinestall über ein halbes Jahr in einem Feldversuch vermessen und die Ergebnisse unter Einbeziehung der aktuellen Literatur beurteilt. Hauptaugenmerk wird auf die Abscheidung verschiedener Bioaerosolkomponenten wie Bakterien, einschließlich Staphylococcus aureus, Schimmelpilzsporen und Endotoxine gelegt. Die Zusammensetzung der Bakterienflora wird in den Abscheidemedien Waschwasser und Biofilm charakterisiert. Dabei werden auch molekularbiologische Methoden eingesetzt. Weiter soll geprüft werden, welchen Einfluss die Einhaltung der Betriebsparameter der Anlage für das Rückhaltevermögen hat. Ebenso soll beurteilt werden wie Störungen im Betriebsablauf die Wirksamkeit der Anlage beeinflussen.

Es wird angestrebt, aufgrund der gesammelten Erfahrungen Hinweise für Verbesserungen, z.B. bei praxisgeeigneten Sensorsystemen für Monitoring- und Alarmzwecke geben zu können, um die Betriebssicherheit der Anlagen zu erhöhen.

Die erhobenen Befunde und Daten sollen eine Basis für eine Einschätzung der Risikofaktoren für Bioaerosolemissionen aus Mastschweineställen bilden, die mit biologischen Abluftreinigungsanlagen ausgestattet sind. Eine solche Bewertung

(19)

könnte den zuständigen Genehmigungsbehörden helfen, die Auslegung der Anlagen und deren Einsatzgebiete fundierter zu definieren.

(20)

HINTERGRUND UND LITERATURÜBERSICHT

2. Hintergrund und Literaturübersicht

2.1 Intensivierung der Schweinehaltung in Deutschland

Im Zuge der Industrialisierung im 19. und 20. Jahrhundert haben sich Gesellschaft und Wirtschaft in Europa grundlegend verändert. Moderne Maschinen und Produktionsverfahren haben auch Eingang in die Landwirtschaft gefunden, verbunden mit einem Anstieg der Produktivität bei gleichzeitiger Verringerung der Beschäftigten. Durch die konsequente Nutzung platz- und arbeitssparender Haltungsverfahren (z.B. Vollspaltenboden in der Schweinemast, automatisiere Fütterung) und einer Optimierung der Zucht kam es zu einer Intensivierung der Schweinehaltung und damit zu einer deutlichen Verbesserung der Versorgung der Bevölkerung mit preiswertem Fleisch und anderen Lebensmitteln tierischen Ursprungs.

Die Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) definiert Betriebe, in denen weniger als 10 % der Futtertrockenmasse dem eigenen Anbau entstammen und in denen die Besatzdichte 10 Großvieheinheiten pro Hektar betrieblicher landwirtschaftlicher Nutzfläche übersteigt, als intensive Nutztierhaltung (SERE et al. 1995). Laut einer Verordnung des Europäischen Parlaments handelt es sich bei Betrieben mit einer Platzzahl von mehr als 2000 Mastschweinen (über 30 kg) oder 750 Sauen um Intensivtierhaltungssysteme (Verordnung (EG) Nr. 166/2006).

Die Schweinehaltung in Deutschland ist regional stark auf die Region Weser-Ems im Südwesten von Niedersachsen bzw. Nordwesten von Nordrhein-Westfalen konzentriert (Abb. 1). Diese Strukturen entwickelten sich bereits Ende des 19.

Jahrhunderts. Viele kleine und mittelständische Betriebe konnten aus der Pflanzen- produktion keinen ausreichenden Gewinn mehr erwirtschaften. Tierfutter war durch die Nähe zu den Seehäfen kostengünstig zu erwerben. Somit wurde die Veredlung, wie die Tierhaltung auch genannt wird, in größeren Tierbeständen möglich. Seit 1950 bis heute hat sich die Anzahl der Schweine in Deutschland mehr als verdoppelt, während die Anzahl der Schweinehalter um mehr als 95 % zurückging. Die Zahl der Tiere je Halter ist somit deutlich angestiegen. Sie betrug 2005 etwa 250 Tiere, 1950

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waren es 5 Tiere je Halter. Im EU-weiten Vergleich liegt Deutschland damit im unteren Mittelfeld. Spitzenreiter sind hier die Niederlande, Irland und Dänemark (KOLL 2005). Eine Konzentration der Schweinehaltung in bestimmten Gebieten bringt für die Landwirte auch Vorteile bezüglich der Schlachtung, Zerlegung und Verarbeitung.

Abb. 1: Schweinehaltung in Deutschland, Verteilung auf die Bundesländer (Stand 3.5.2014, DESTATIS)

Der fortlaufende Trend der Intensivierung der Schweinehaltung in Niedersachsen wird aus Zahlen des Niedersächsischen Ministeriums für Ernährung, Landwirtschaft, Verbraucherschutz und Landesentwicklung von 2014 deutlich (Abb. 2) und spiegelt das gesamtdeutsche Bild wieder (ML NIEDERSACHSEN 2014). Aktuelle Zahlen des Statistischen Bundesamtes bestätigen diesen Trend der Intensivierung für Deutschland. Rund 27,1 Millionen Schweine wurden zum Stichtag 3. Mai 2016 in Deutschland gehalten. Damit sank der Schweinebestand gegenüber November 2015 um rund 2,2 %. Parallel zum Tierbestand sank auch die Anzahl Schweine haltender

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trotz verringerten Schweinebestandes steigt der durchschnittliche Schweinebestand in den erfassten Betrieben um 2,7 % auf 1106 Tiere je Betrieb (DESTATIS 2016).

Immer weniger Betriebe halten immer mehr Schweine. Dadurch kommt es lokal und auch regional zu starken Emissionen aus diesen Schweinehaltungsbetrieben.

Abb. 2: Anzahl der Schweine sowie Anzahl der Schweinehalter in Niedersachsen.

Entwicklung von 1960 bis 2014. Nach Zahlen des Ministeriums für Ernährung, Landwirtschaft, Verbraucherschutz und Landesentwicklung (ML NIEDERSACHSEN, 2014)

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2.2 Charakterisierung der Emissionen aus Schweinehaltungs- anlagen

Eine positive Folge der intensiven Schweinehaltung für die Verbraucher sind die resultierenden niedrigen Preise für Schweinefleisch. Mit dem Wachsen der Bestandsgrößen sind aber auch etliche Risiken und Nachteile verbunden. Ein Problem stellt in der Schweinehaltung der hohe Anfall von potentiell schädigenden Gasen wie Ammoniak und Schwefelwasserstoff sowie von Stäuben und hohen Gehalten an Bakterien in der Stallluft dar, die zu erheblichen Atemwegsbelastungen der Tiere und der im Stall arbeitenden Menschen führen können (ELBERS 1991;

BUSSE 1994; VON ALTROCK 1998). Als weiteres prominentes Problem von Schweinehaltungsanlagen gilt die Geruchsbelästigung der Anwohner im Umfeld durch den intensiven Schweinegeruch. So wurden bereits 1986 mit der Erstellung der VDI Richtlinien 3471 (Schwein) und 3472 (Huhn) „sichere“ Abstände zwischen Stallen und Wohnbebauung zur Vermeidung von Geruchsbelästigungen beschrieben und mit dem Bundesimmissionsgesetz sowie der TA Luft Grundlagen für den Immissionsschutz geschaffen.

Zu den wichtigsten Luftverunreinigungen aus Nutztierställen mit nachteiliger Wirkung in der näheren und weiteren Umgebung gehören vor allem Geruchsstoffe (Osmogene) und Gase wie Ammoniak (NH3) und Schwefelwasserstoff (H2S), sowie Stäube und sogenannte Bioaerosole. Unter Bioaerosolen werden luftgetragene Partikel mit Mikroorganismen und deren entsprechenden Stoffwechselprodukten verstanden (NEVALAINEN et al. 1993; HIRST 1995; HARTUNG & MONTENY 2000;

HARTUNG 2001; HARTUNG 2005, NIKOLAI et al. 2006, HARTUNG et al. 2014).

Besonders den Bioaerosolen wird ein umwelt- und gesundheitsschädliches Potential zugeschrieben. Um die gesetzlichen Regelungen zur Minimierung von Luftverun- reinigungen einhalten zu können, müssen Immissionsschutzmaßnahmen getroffen werden. Hierzu gehören beispielsweise das Management in der Fütterung und Entmistung oder eine veränderte Abführung der Stallabluft (TA Luft 2002).

(24)

Im Folgenden wird ein Überblick über die in der Schweinehaltung relevanten Emissionen gegeben, wobei der Schwerpunkt auf den Bioaerosolen liegt, die den wesentlichen Untersuchungsgegenstand der vorliegenden Dissertation darstellen.

2.2.1 Geruchsstoffe

Die wichtigsten Quellen für Geruchsstoffe aus Schweineställen mit Flüssigmistsystem werden in Abbildung 3 dargestellt. Die Stoffe stammen vor allem vom Futter, den Tierkörpern selbst (tierart-typischer Geruch) und der Gülle (Gemisch von Urin, Fäkalien und Futterresten). Die Geruchsstoffe bestehen überwiegend aus leicht flüchtigen organischen Substanzen wie flüchtigen Fettsäuren, Indolen, Phenolen, Schwefelverbindungen, Ammoniak und flüchtigen Aminen (LE et al. 2005).

Abb. 3: Geruchsquellen und geruchsbeeinflussende Faktoren (aus LE et al. 2005)

(25)

Die messtechnische Erfassung von Stallgerüchen erfolgt mittels Olfaktometrie, wobei Geruchsschwellen bestimmt werden (VDI 3881). Die Geruchsstoffkonzentration (cG) wird als Geruchseinheit (GE) pro Kubikmeter Neutralluft angegeben. Eine Geruchseinheit entspricht dabei der Menge an Geruchsstoffen, die in einem Kubikmeter Neutralluft verteilt, bei 50 % der Probanden zu einem Geruchsempfinden (Erreichen der Geruchsschwelle) führt (VDI 3881).

Die Akzeptanz von Nutztieranlagen in der Nachbarschaft hängt oft von der Häufigkeit und Intensität der Geruchbelästigung ab. Daher wurden Abluftreinigungsanlagen ursprünglich vor allem zur Minderung und Eliminierung unangenehmer und belästigender Gerüche entwickelt (ZEISIG 1977; O’NEILL et al. 1991). Daten zum Rückhaltevermögen von Abluftreinigungsanlagen für Geruchsstoffe stützen sich inzwischen auf eine recht breite Basis (OLDENBURG & MANNEBECK 1987; HÜGLE

& MANNEBECK 1993; GRIMM & RATSCHOW 1993; MANNEBECK 1994;

MANNEBECK & HÜGLE 1994; SIEMERS & VAN DEN WEGHE 1997).

2.2.2 Ammoniak

Ammoniak (NH3) ist ein farbloses, stechend riechendes Reizgas und zählt ebenfalls zu den belästigenden geruchsintensiven Stoffen. Neben seinen gesundheitsschädi- genden Eigenschaften ist es ein Luftschadstoff, der Ökosysteme stark belasten kann.

Versauerung und Nährstoffeintrag in Böden sind Folgen von Ammoniakemissionen mit weitreichendem Ausmaß für Vegetation, Böden, Gewässer und technische Werkstoffe (ISERMANN 1994; DÄMMGEN & ERISMAN 2002).

Die Landwirtschaft ist in Deutschland mit 96 % der Hauptemittent von Ammoniak (UBA 2013). Es entsteht bei mikrobiellen Umsatzprozessen von Tierexkrementen und Gülle. Der Großteil fällt bei der Rinderhaltung an, aber auch die Schweine- haltung leistet mit 22 % einen bedeutsamen Beitrag an den bundesweiten Ammoniakemissionen (Abb. 4) (UBA 2013a).

(26)

Abb. 4: Ammoniak-Emissionen der Landwirtschaft nach Nutztieren (nach UBA 2013a, Stand 2012)

Zur Verringerung der Ammoniakemissionen hat Europa 2001 die NEC-Richtlinie (National Emission Ceilings RL 2001/81/EG) verabschiedet. Bis 2010 sollten die Emissionen auf 550 kt a^-1 gesenkt werden. 2003 lag sie noch bei 601 kt a^-1. 2010 hat Deutschland dieses Ziel mit 548 kt a^-1 knapp erreicht. Dies lag vor allem an der Reduktion des Einsatzes von stickstoffhaltigen mineralischen Düngern in den neuen Bundesländern. Für das Jahr 2011 stiegen die bundesweiten Ammoniakemissionen erneut auf 563 kt NH3 an (UBA 2013a).

Die EU hat einen Arbeitsplatz-Grenzwert für Ammoniak festgelegt (EU 2000). Bei einer Aufenthaltsdauer von 8 Stunden im Stall liegt der Grenzwert bei 14 mg NH3 m^-3 Luft. Auch für die eingestallten Nutztiere wird ein Grenzwert von 14 mg NH3 m^-3 Luft vorgeschrieben (TierSchNutztV 2001).

Das Rückhaltevermögen von biologischen Abluftreinigungsanlagen für Ammoniak ist in den letzten Jahren verschiedentlich beschrieben worden (UENK et al. 1993;

ZEISIG 1993; SCHIRZ 1994; SIEMERS & VAN DEN WEGHE 1997; HARTUNG et al 1997). Das Rückhaltevermögen von biologischen Abluftreinigungsanlagen wird bei deren Zertifizierung in dem DLG Signum Test (DLG 2009) überprüft.

(27)

2.2.3 Stäube

Je nach Partikelgröße wird Staub in Grob- und Feinstaubfraktionen unterteilt (vgl.

Abbildung 5). Grobstaub deponiert i.d.R. in den oberen Luftwegen des Atemtraktes.

Feinstaub kann bis in die Lungenalveolen eindringen. Analog hat Grobstaub vor allem stallnah eine örtliche Relevanz, da er rasch am Emissionsort deponiert.

Feinstaub kann dagegen eine gewisse Zeit in der Atmosphäre verweilen und so weiter transportiert werden. Die Verweildauer in der Luft wird durch den aerodynamischen Durchmesser bzw. die Sinkgeschwindigkeit des Partikels bestimmt (DFG 2001).

Abb 5: Partikeldefinitionen und Größenbereiche (nach KRUG 2003)

Staubpartikel aus Nutztieranlagen bestehen aus organischen und anorganischen Bestandteilen, wobei in Schweineställen der organische Anteil etwa 90 % des Staubes ausmacht (LOUHELAINEN et al. 1987). Nach ihrer Herkunft setzt sich der Staub in Schweineställen hauptsächlich aus Futtermittelresten und Fäkalien- Bestandteilen sowie Hautpartikeln und Haaren zusammen (HARTUNG 1992;

AARNINK et al. 1999; SEEDORF & HARTUNG 2002).

(28)

Die Menge des inhalierbaren Staubes in Schweineställen liegt unter den Staubkonzentrationen beim Geflügel, aber deutlich über der Gesamtstaubmenge in Rinderställen (SEEDORF und HARTUNG 2002):

→ Rinder: 0,66 mg m^-3

→ Schweine: 2,08 mg m^-3

→ Geflügel: 2,46 mg m^-3

Das gesundheitliche Risiko von Staubemissionen hängt vor allem davon ab, wie tief die Partikel in den Atemtrakt eindringen können und wie lange sie am Wirkungsort verbleiben (MEHLHORN 1979; STELZENBACH 1997). Partikel unter 2,5 µm können bis in die Alveolaren eindringen und dort deponiert werden. Ultrafeine Partikel

< 100 nm können zudem vom Alveolargewebe in den Blutkreislauf übergehen und dadurch systemische Wirkung entfalten (SEATON et al. 1995; ZANOBETTI et al.

2000; KAPPOS et al. 2003).

2.2.4 Bioaerosole

In ihrer Zusammensetzung können Bioaerosole eine hohe Komplexität aufweisen. Im Zusammenhang mit der Tierhaltung sind Bioaerosole als ein in der Stallluft und Stallumgebung dispers verteiltes Gemisch belebter (Bakterien, Viren, Pilze, Pollen, Protozoen) und unbelebter Bestandteile (Staub) sowie einer Vielzahl von Stoffwechselprodukten (z. B. Endotoxine, Mykotoxine) aufzufassen (DE COSEMO &

GRIFFITHS 1992; SEEDORF 2006).

Für zahlreiche Bioaerosole wird eine gute Atemwegsgängigkeit angenommen, so dass im Zusammenhang mit Bioaerosolen verschiedene Gesundheitsbeein- trächtigungen diskutiert werden. Vor allem biologisch aktive Partikel mit einer Größe zwischen 0,5 µm und 100 µm besitzen ein infektiöses, allergisches, toxisches oder pharmakologisches Potential (LACEY & CROOK 1988; BRINTON et al. 1987;

RICHERSON 1990; FRANZ 1992; MALMBERG et al. 1993; CARVALHEIRO et al.

1995; HIRST 1995; ZHAOMING & LOCKEY 1996; MÜSKEN 2002; MÜSKEN 2003;

HERR et al. 2003a; BECK 2007; HEUTELBECK 2008; HARTUNG 2014). Ob es zu

(29)

einer Reaktion auf Bioaerosole kommt, hängt von verschiedenen Faktoren ab wie der Aufnahme, dem Transport und der Ablagerung der Bioaerosolbestandteile im Respirationstrakt, der Zusammensetzung und Konzentration der einzelnen Komponenten des Bioaerosols sowie der Disposition des Menschen bzw. Tieres. Da Bioaerosole eine Vielzahl biotischer und abiotischer Inhaltsstoffe aufweisen, die sich in ihrem Wirkungsspektrum gegenseitig beeinflussen können, lassen sich die Gesundheitsbeeinträchtigungen nicht immer auf einen Einzelfaktor zurückführen (MILLNER 1995; EDUARD & HEEDERIK 1998; HERR et al. 1998; HERR et al.

2003b; HERR et al. 2004).

Im Luftgetragenen Zustand werden etwa 80 % der Mikroorganismen überwiegend an Partikeln haftend transportiert (MÜLLER et al. 1987). Dennoch sind die für den Staub definierten Quellen und Dynamiken nur prinzipiell für die Bioaerosole gültig.

Relative Feuchte, Temperatur, Gaszusammensetzung (O2, O3, N2, NO2, SO2) und UV-Strahlung bestimmen wesentlich die Überlebensfähigkeit von Mikroorganismen im luftgetragenen Zustand und damit auch die Infektiosität eines Bioaerosols (LINSEL 2001). Die meisten Bakterien sterben im luftgetragenen Zustand innerhalb kurzer Zeit ab (WRIGHT et al. 1968; KUNDSIN 1968; WRIGHT et al. 1969; DRUETT

& MAY 1969; TANG 2009). Daher sind die Ausbreitungsentfernungen von Staubpartikeln und vermehrungsfähigen Bakterien nur sehr bedingt vergleichbar.

Allerdings konnten für einige Arten Transportdistanzen über die Luft von einigen hundert Metern bis zu über 4,7 km nachgewiesen werden (SEEDORF 2006; DEE et al. 2009). Besonders Kokken sind widerstandsfähig und in der Lage mehrere Stunden im luftgetragenen Zustand zu überdauern (MÜLLER & GRÖNING 1981).

Umweltepidemiologische Untersuchungen sind vor allem die Niedersächsische Lungenstudie (RADON 2004), das AABEL-Projekt (RADON 2004) sowie eine Studie aus den Niederlanden (HEEDERIK und IJZERMANS 2011). Aus den Studien ergeben sich Hinweise auf eine Verknüpfung zwischen einem erhöhten Erkrankungsrisiko von Anwohnern an Tierhaltungsanlagen und den Konzentrationen von Bioaerosolen. Ein ursächlicher Zusammenhang kann allerdings nicht belegt werden. Es gibt keine Dosis-Wirkungsbeziehung für Luftgetragene Mikroorganismen,

(30)

möglichen Belastung der Stallumgebung mit Antibiotika resistenten Keimen wie Methicillin resistenten Staphylococcus aureus (MRSA) gibt es keine Hinweise auf eine Gefährdung der Bevölkerung. Hinsichtlich einer Gesamtbewertung zur Risikoeinschätzung von Gesundheitsgefahren, die von Tierhaltungen ausgehen können, kommt ein Fachgespräch in großer Expertenrunde, initiiert von Agrarminister Remmers und begleitet von seinem Staatssekretär Peter Knitsch in NRW am 08.04.2014 zu der Schlussfolgerung, dass „es bisher keinen Nachweis gibt, dass Wohnen in der Umgebung von Tierhaltungsanlagen, im Vergleich zu anderen Wohnorten, in Bezug auf resistente Bakterien (LA-MRSA) ein höheres unmittelbares Gesundheitsrisiko für die Allgemeinbevölkerung birgt.“ (Fachgespräch NRW 2015).

Dennoch erscheint es aus meiner Sicht sinnvoll, auch diese Einträge im Sinne einer allgemeinen Vorsorge möglichst zu reduzieren.

Auf Grund der komplexen Zusammensetzung ist eine vollständige Charakterisierung der mikrobiellen Vielfalt und Aktivität innerhalb der einzelnen mikrobiellen Biozönose

„Bioaerosol“ schwierig, zumal sich die verschiedenen Bestandteile von Bioaerosolen stark gegenseitig beeinflussen und somit andere Wirkungen aufweisen können, als es die einzelnen Komponenten für sich täten. Daher werden Leitorganismen zur Einschätzung eines gesundheitsschädlichen Potentials bakterieller Emissionen aus Tierställen herangezogen. Zu diesen Indikatoren gehören grampositive Bakterien wie Staphylokokken (Methicillin resistente Staphylococcus aureus (MRSA)) und Streptokokken; gramnegative Bakterien wie Enterokokken und Pseudomonaden (mit deren Endotoxinen), Aktinomyceten, Schimmelpilze (mit deren Sporen, Mykotoxinen und ß-(1,3)-Glukanen). Generell wird die Gesamtkeimzahl (GKZ) ermittelt.

(SEEDORF & HARTUNG 2002).

SCHULZ (2014) formuliert folgende allgemein wünschenswerte Charakteristika für luftgetragene Indikatorbakterien:

a) Herkunft und Emissionsquelle eines Indikatorbakteriums sollten bekannt sein bzw. zugeordnet werden können.

b) Es sollten möglichst geringe oder besser keine Einflüsse durch Sekundärquellen bei Außenmessungen vorherrschen.

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c) Es sollten Hinweise auf die Tenazität (eventuell auch Pathogenität) der Indikatorbakterien in luftgetragenem Zustand vorliegen.

d) Indikatorbakterien sollten gut differenzierbar und von anderen Bakterien (z. B.

von Begleitfloren auf Nährmedien) unterschieden werden können.

e) Messverfahren, Differenzierung und Quantifizierung sollten möglichst standardisiert sein, mindestens aber evaluiert sein.

f) Messfehler bzw. Fehler im Rahmen der Differenzierung müssen bei quantitativen Fragestellungen berücksichtigt werden.

Methodenfehler können bereits durch das Probenahmeverfahren beeinflusst werden (CLAUSS et al. 2012). Die selektiven kulturellen Verfahren sind zumeist standardisiert und stellen die Grundlage für verschiedene Richtlinien dar, die zur Bewertung von mikrobiellen Luftverunreinigungen herangezogen werden. Dennoch sind sie mit einer Fehlerquote belastet, deren Berücksichtigung in eine Bewertung der Ergebnisse einfließen sollte (SCHULZ 2014).

Aufgrund der komplexen und unregelmäßigen Zusammensetzung von Emissionen und besonders von Bioaerosolemissionen erscheint es sinnvoll mit Abluftreinigungsanlagen möglichst viele dieser Komponenten zurückhalten zu können.

(32)

2.3 Immissionsschutz – Recht und Richtlinien

Die Luftreinhaltung ist in Deutschland und in vielen anderen Ländern ein zentraler Bestandteil des Umweltschutzes und der Gesundheitspolitik.

International getroffene Vereinbarungen werden in EU-Recht umgesetzt. Die EU- Mitgliedsstaaten müssen diese Vereinbarungen wiederum innerhalb von vorge- gebenen Fristen in nationales Recht umsetzen.

Am 24. September 1996 wurde vom Europäischen Parlament die Richtlinie 96/61/EG des Rates über die integrierte Vermeidung und Verminderung der Umweltver- schmutzung verabschiedet (EU 1996). Die kodifizierte Fassung (2008/1/EG) vom 15.

Januar 2008 über die integrierte Vermeidung und Verminderung der Umweltverschmutzung (IVU-Richtlinie) (englisch: Integrated Pollution Prevention and Control, IPPC) zielt auf ein hohes Umweltschutzniveau für bestimmte industrielle Tätigkeiten (EU 2008). Am 6. Januar 2011 wurde die Richtlinie 2010/75/EU (Industrieemissionsrichtlinie) in Kraft gesetzt, welche von den EU-Mitgliedsstaaten bis zum 6. Januar 2013 in nationales Recht umzusetzen war (EU 2010). Der Geltungsbereich der Richtlinie betrifft u. a. auch die Intensivtierhaltung.

In Deutschland werden immissionsschutzrechtliche Aspekte durch das Bundes- Immissionsschutzgesetz (BImSchG) geregelt. Im Jahr 1974 trat in den Deutschland der Erlass des ersten Bundes-Immissionsschutzgesetzes (BImSchG) und dessen Verwaltungsordnungen (wie z. B. die Bundes-Immissionsschutzverordnung BImSchV) in Kraft.

Das BImSchG regelt wie „Menschen, Tiere und Pflanzen, der Boden, das Wasser, die Atmosphäre sowie Kultur- und sonstige Sachgüter vor schädlichen Umwelteinwirkungen zu schützen“ sind und wie „dem Entstehen schädlicher Umwelteinwirkungen vorzubeugen“ ist.

Auch Tierhaltungsanlagen unterliegen in Bezug auf den Immissionsschutz in erster Linie dem BImSchG.

Grundsätzlich wird im Rahmen einer Beantragung zum Bau oder zur Erweiterung einer Tierhaltungsanlage zunächst anhand von § 4 BImSchG festgelegt, ob es sich

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um eine immissionsschutzrechtlich genehmigungsbedürftige (vgl. § 5 BImSchG) oder nicht genehmigungsbedürftige Anlage (vgl. § 22 BImSchG, in diesem Fall wäre eine Genehmigung nach Baurecht ausreichend) handelt. Bei einer genehmigungs- bedürftigen Anlage wird anhand der Bestandsgröße nach Anhang Nr. 7.1 zur 4.

BImSchV zwischen einem vereinfachten oder förmlichen (mit Öffentlichkeits- beteiligung) Genehmigungsverfahren unterschieden.

Am 22.03.2013 wurde in Niedersachsen, ein Randerlass zum Bundes- Immissionsschutz zur Durchführung immissionsschutzrechtlicher Genehmigungs- verfahren in Kraft gesetzt (RdErl. d. MU, d. MS u. d. ML v. 22.03.2013 – 33- 40501/207.01-) (BImSchG 2013). Dieser regelt die Durchführung von immissionsschutzrechtlichen Genehmigungsverfahren für zwangsbelüftete Schweinehaltungs- anlagen und zwangsbelüftete Anlagen für Mastgeflügel im Hinblick auf den Einsatz von Abluftreinigungsanlagen sowie hinsichtlich der Bioaerosolproblematik.

Inzwischen gilt dieser sogenannte „Filtererlass“ auch für die Bundesländer Nordrhein-Westfalen und Schleswig-Holstein. Unter Stand der Technik werden die von der Deutschen Landwirtschafts-Gesellschaft e. V. (DLG) zertifizierten Abluft- reinigungsanlagen beschrieben. Diese sind in großen Tierhaltungsanlagen (Tierhaltungsanlagen der Nr. 7.1 Buchst. g) - i) der Spalte 2 des Anhangs zur 4.

BImSchV, sowie Anlagen für Geflügel der Nr. 7.1 Buchst. c) Spalten 1 und 2 des Anhangs zur 4. BImSchV) bei der Genehmigung vorgeschrieben.

In der Richtlinienreihe VDI 4255 werden die unterschiedlichen Emissionsquellen mikrobieller Luftverunreinigungen dargestellt und Verfahren zur Minderung dieser Emissionen beschrieben. Im Rahmen eines immissionsschutzrechtlichen Genehmigungsverfahrens für eine Schweine- oder Geflügelhaltungsanlage kann auf die Forderung eines Sachverständigengutachtens zur Keimemissionen verzichtet werden, wenn der Antragsteller für eine solche Tierhaltungsanlage eine für die Partikel- bzw. Staubabscheidung geeignete Abluftreinigungsanlage vorsieht. Es wird davon ausgegangen, dass Systeme, die ihre Wirksamkeit in Bezug auf eine Partikel- bzw. Staubabscheidung bewiesen haben, auch geeignet sind, Bioaerosole abzuscheiden.

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In der TA Luft sind für immissionsschutzrechtlich genehmigungsbedürftige Tierhaltungsanlagen Emissionswerte für Staub und Ammoniak festgelegt (TA Luft 2002). Die TA Luft beinhaltet Abstandsregelungen für Genehmigungsverfahren von Tierhaltungsanlagen zu Wohnbebauungen und/oder Ökosystemen.

Bei nicht genehmigungsbedürftigen Anlagen wird durch die Richtlinien des Verein Deutscher Ingenieure (VDI) die Vermeidung von Emissionen und Geruchsbelästigungen geregelt (VDI 3471 (1986), VDI 3472 (1986), VDI 3473 (1994), VDI 3474 (2001)).

Die Geruchsimmissions-Richtlinie (GIRL) wurde vom Länderausschuss für Immissionsschutz (LAI) verfasst und in den einzelnen Bundesländern durch Erlasse oder Verwaltungsvorschriften eingeführt, um Geruchsemissionen zu beurteilen. Bei genehmigungsbedürftigen Anlagen ist die GIRL zugrunde zu legen. Bei nicht genehmigungsbedürftigen Anlagen kann die GIRL sinngemäß angewandt werden.

Im landwirtschaftlichen Bereich sind zunächst die TA Luft sowie die VDI-Richtlinien VDI 3471 und VDI 3472 im Rahmen ihres jeweiligen Geltungsbereiches anzu- wenden. Falls sich damit in der Praxis auftretende Problemstellungen nicht lösen lassen, kommen die weiteren Verfahrensschritte der GIRL zur Geltung.

Auf Grund der massiven Zunahme von Intensivtierhaltungen in der Weser-Ems- Region hat der Landkreis Cloppenburg bereits im Jahr 2002 mit Sachverständigen einen regional geltenden „Leitfaden zur Feststellung der Eignung von Abluftreinigungsanlagen in der Tierhaltung“ (Cloppenburger Leitfaden) erarbeitet (HAHNE 2002). 2005 wurde diese Prüfung auf Eignung durch einen bundesweit geltenden Prüfrahmen der Deutschen Landwirtschaftsgesellschaft e. V. (DLG) ersetzt. Die DLG in Frankfurt/Groß-Umstadt ist Prüfstelle für Technische Anlagen in der Landwirtschaft. Sie erteilt nach positivem Abschluss den sogenannten DLG- Signum-Test als Zertifikat. Die Prüfung durch die DLG beinhaltet die Beurteilung der Abscheidungsraten für Staub, Ammoniak und Geruch. Eine Prüfung und Beurteilung der Abscheidungsraten für Bioaerosole erfolgt bislang nicht im Rahmen dieses Zertifikats.

Seit dem Jahr 2000 wurden in der Richtlinienreihe VDI 4250 bis VDI 4257 „Erfassen luftgetragener Mikroorganismen und Viren in der Außenluft“ mehrere Richtlinien

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erarbeitet und im Jahr 2014 in Kraft gesetzt. Eine sachgerechte Bewertung der Bioaerosolemissionssituation soll durch eine standardisierte Vorgehensweise bei der Durchführung der Emissions- und Immissionsmessungen von Bioaerosolen ermöglicht werden (KUMMER 2014). Abbildung 6 zeigt das Zusammenspiel der VDI- Richtlinien zur standardisierten Erfassung und Bewertung von Bioaerosolen.

Abb. 6: Ermittlung der Bioaerosolemissionen im Umfeld von Anlagen – Zusammenspiel der VDI-Richtlinien (KUMMER 2014)

Durch die Richtlinien ist eine vergleichbare und sachgerechte Bestimmung und Ermittlung von Bioaerosolkonzentrationen möglich und damit eine Umsetzung umweltrechtlicher Vorgaben der TA Luft oder des LAI „Leitfaden Bioaerosole“

(KUMMER 2014).

Hinweise für die Prüfung auf eine Bioaerosolbelastung nach VDI 4250 sind z. B.:

• Abstand zwischen Wohnort/Aufenthaltsort und Anlage < 350 m zu Schweinemastbetrieben (< 500 m zu Geflügelhaltungsanlagen, halboffenen und offenen Kompostierungsanlagen, Schafhaltung in Q-Fieber-Gebieten,

(36)

• Ungünstige Ausbreitungsbedingungen, z. B. Kaltluftabflüsse in Richtung einer Wohnbebauung

• Weitere Bioaerosolemittierende Anlagen in der Nähe

• Empfindliche Nutzungen (z. B. Krankenhäuser)

• Gehäufte Beschwerden der Anwohner über gesundheitliche Beeinträchti- gungen

Diese Hinweise auf eine mögliche gesundheitliche Beeinträchtigung aufgrund von Bioaerosolemissionen aus Tierhaltungsbetrieben werden auch laut Filtererlass (BImSchG 2013) in Niedersachsen, Nordrhein-Westfalen und Schleswig-Holstein bei immissionsschutzrechtlichen Genehmigungsverfahren als Grundlage genommen. Bei Vorliegen einer der aufgezählten Punkte werden von den Antragstellern Sachverständigengutachten gefordert.

Auf Grundlage der Richtlinienreihe VDI 4250 kann eine umweltmedizinische Bewertung mikrobieller Luftverunreinigungen auf den Menschen vorgenommen werden. Nach dem Bewertungsschema dieser Richtlinienreihe ist es aus präventiver Sicht unerwünscht, dass die ortsübliche natürliche Hintergrundkonzentration in der Nachbarschaft durch anlagenspezifische Immissionen deutlich überschritten wird (BRENNER et al. 2013). Wirkschwellen- bzw. Beurteilungswerte sind nicht vorgegeben. Sie erfordern eine Dosis-Wirkungs-Beziehung zwischen Bioaerosolen und gesundheitlichen Wirkungen, welche bislang nicht aufgestellt werden konnte.

(37)

2.4 Biologische Abluftreinigungstechnik und ihre Wirkungs- weise

Die Entwicklung der Abluftreinigungstechnik im landwirtschaftlichen Bereich begann in den 1970er Jahren mit der Absicht Geruchsemissionen aus Stallanlagen zu reduzieren. Zu diesem Zweck wurden zunächst biologische Filterverfahren (Biofilter) und später chemische Verfahren (Absorptionsverfahren, Einsatz von Desinfektions- oder Geruchsüberdeckungsmitteln) sowie physikalische Verfahren (Frischluftzufuhr, Adsorption, Entstaubung, UV-Behandlung) eingesetzt (SCHIRZ 1971).

Die Technik der Abluftreinigung erlebte eine stetige Weiterentwicklung. Heute werden auf dem Markt Biofilter, Biowäscher/Chemowäscher, Rieselbettreaktoren und kombinierte Verfahren (2- oder 3-stufig) angeboten. Die Reinigungsleistung dieser Anlagen beinhaltet neben der Geruchsreduktion (kein Rohluftgeruch im Reingas) auch eine effektive Minderung von Ammoniakemissionen von ca. 70 bis 90 % und Staubemissionen von ca. 90 %. Voraussetzung für eine hohe Reinigungsleistung ist eine ordnungsgemäße Auslegung und Betriebsweise der Anlagen.

Die Auswahl des Abluftreinigungsverfahrens richtet sich nach den betrieblichen Bedingungen, der gewünschten Reinigungsleistung und den Anforderungen an die angestrebte Emissionsminderung (vgl. Tabelle 1) (GRIMM 2010). Grundsätzlich ist eine Abluftreinigung nur an Ställen mit Zwangslüftung einsetzbar.

Bislang sind nur 2,7 % der Mastschweineställe an eine Abluftreinigungsanlage angeschlossen (HAENEL et al. 2014). In Regionen mit intensiver Tierhaltung wie dem Landkreis Cloppenburg sind es bereits 18 % des Schweinebestands (CLAUSS et al. 2014). Für Betriebe in einer viehintensiven Region in Niedersachsen, Nordrhein-Westfalen oder Schleswig-Holstein greift seit 2013 der sogenannte Filtererlass, bei dem eine Abluftreinigungsanlage bei Neubau und großen Tierhaltungen (mehr als 2000 Mastschweine) vorgeschrieben wird. Für den Schweinehaltungsbetrieb, insbesondere für die kleineren Betriebe, verursacht die

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entstehenden zusätzlichen Kosten für Abluftreinigungstechniken müssten somit auf den Endverbraucher umgelegt werden, was aber im heutigen Marktgeschehen nicht erfolgt. Somit müssen die Landwirte die Zusatzkosten weitgehend alleine tragen und z. B. durch weitere Rationalisierung und Optimierung von Haltung und Produktion versuchen auszugleichen.

Tab. 1: Verfügbare Abluftreinigungsverfahren und ausgewählte Parameter (aus GRIMM 2010) Parameter Biofilter Rieselbettreaktor Chemischer

Wäscher

Mehrstufige Anlagen (Kombinationsverfahren

2/3 stufig) Reinigungsleistung¹⁾

Geruch Ammoniak Staub

++

- +

+ + +

- ++

+

++

Einsatzbereich Schweine (Flüssigmist)

Schweine (Flüssigmist)

Schweine (Fest-/ Flüssigmist)

Luftführung zentral/

dezentral

zentral zentral zentral

Bauweise Flächenbiofilter Turm-/ Kompakt- bauweise

Turm-/

Kompakt- bauweise

Filterhaus

Flächenbelasung²⁾ [m³ / (m²h)]

≤ 250³⁾ 1200-5000 1900-5200 3500-5000⁴⁾ Volumenbelasung²⁾

[m³ / (m³h)]

≤ 250 1000-3000 1200-10000 7000-11000⁵⁾

Verweilzeit²⁾ [s] 4-14 0,5-2,5 0,4-3 0,5-3

Druckverlust²⁾ [Pa] bis 150 bis 100 bis 100

1) Mögliche Reinigungsleistungen bei ordnungsgemäßer Auslegung und Betrieb:

- ungeeignet, + 70 %, ++ 90 % (Geruch: kein Stallgeruch in der Reinluft wahrnehmbar bzw.

Reingaskonzentrationen < 300 GE/m³) 2) Bezogen auf die maximale Luftrate

3) Filterbett mit 1 m Schütthöhe

4) Quotient der maximalen Luftrate und der Anströmfläche der ersten Filterwand

5) Quotient der maximalen Luftrate und dem Filtervolumen der Chemo- und der Wasserstufe

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In biologischen Abluftreinigungssystemen erfolgen Stoffumwandlungsprozesse durch systemimmanente Mikroorganismen. Neben biokatalysierten Umsetzungen abiotischer Stoffe (Substrate, Mineralstoffe) zu anderen abiotischen Stoffen (z. B.

CO2) bzw. zu Biomasse (Wachstum) finden Umwandlungsprozesse auch mit den Mikroorganismen selbst statt (z. B. Inaktivierung, Lyse). Die abzubauenden Luftinhaltsstoffe dienen als Substrate und müssen dafür in Kontakt zu den Mikroorganismen kommen. Sessile, an die Milieubedingungen angepasste Mikroorgansimen, haften in den jeweiligen Abluftreinigungssystemen an einem Trägermaterial und bilden dort sogenannte Biofilme aus.

Biofilme sind komplexe mikrobielle Lebensgemeinschaften aus z. B. Bakterien, Pilzen, Protozoen oder Algen, die von einer Matrix aus extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) umgeben sind. Sie bilden sich auf biotischen oder abiotischen Oberflächen oder in Interphasen (COSTERTON et al. 1995; DARVEY & O`TOOLE 2000). Biofilme sind einer stetigen Umwandlung unterworfen. Sie entstehen aus einer zunächst reversiblen Adsorption einzelner Zellen. Durch die Produktion von extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) kommt es zu einer irreversiblen Adhäsion. Die Zellen vermehren sich und wachsen. Weitere Mikroorganismen können sich anlagern und die Zusammensetzung der mikrobiellen Lebens- gemeinschaft verändern. Zudem kommt es aber auch zur Freisetzung einzelner Zellen, die sich an anderer Stelle erneut anlagern können (STOODLEY et al 2002).

Neben der mechanischen Stabilität des Biofilms kommt es zu synergetischen Wechselwirkungen zwischen den Mikroorganismen. Die Ausbildung eines Biofilms stellt eine Schutzfunktion für die Mikroorganismen dar. Je nach Abluft- reinigungsverfahren sind die abbauenden Mikroorganismen an unterschiedlichen Trägermaterialien bzw. verschiedenen Zuständen fixiert. Um die Stoffumwandlungs- prozesse in Abluftreinigungsanlagen konstant zu gewährleisten sind hohe mikrobielle Populationsdichten von 10¹⁰ bis 10¹¹ Bakterien pro g Trägermaterial und eine hohe Biodiversität notwendig (FRIEDRICH et al. 2002).

Der Einsatz von Wasser ist für die Prozessabläufe der Abluftreinigung unumgänglich.

(40)

leistung zu gewährleisten und Abluftinhaltsstoffe zu lösen, aber auch um verfahrens- technisch unerwünschte Stoffe wie Stäube mengenmäßig zu binden und nachweislich zu senken. Neben den an Oberflächen abgelagerten Biofilmen stellt somit auch das Prozesswasser in den Abluftreinigungsanlagen ein Reservoir für Mikroorganismen dar.

2.4.1 Biofilter

Biofilter sind einstufige Systeme, bei denen die Abluft (Rohgas) durch feuchtes organisches Material geleitet wird. Die Abluftinhaltsstoffe abbauenden Mikroorganismen sind auf diesem organischen Material vorhanden. Als organisches Material dient gerissenes Wurzelholz, Rindenmulch oder Holzhackschnitzel, welches durch das Berieseln mit Wasser feucht gehalten wird. Die Kontrolle der Wasserverfügbarkeit im organischen Material soll verhindern, dass die Mikroorganismen austrocknen. Durch die Bereitstellung optimaler Milieubedingungen bezüglich Temperatur, Feuchtigkeit, pH-Wert, Sauerstoffgehalt sowie Nährstoffversorgung ist ein ausreichender mikrobieller Abbau der Luftinhaltsstoffe gewährleistet (BRAUER 1984; VDI 3477), wenn der Durchluftstrom und Art und Umfang der zurückzuhaltenden Stoffe für die Auslegung des Biofilters geeignet sind.

Überlastung und Überladung sind zu vermeiden.

Der Einsatz von Biofiltern an Tierhaltungsanlagen dient hauptsächlich der Geruchsabscheidung und der Staubabscheidung. Als Ammoniakabscheider kann der Biofilter nicht oder nur in geringem Umfang genutzt werden. Auf Grund von Nitrifikationsprozessen kann es zu pH-Wert-Änderungen, Versalzungen und Emission von Stickoxiden kommen (HAHNE 2006). Stickstoff und seine Reaktionsprodukte können sich zudem im Filtermaterial anreichern und zu Funktionsstörungen führen. Das Filtermaterial muss daher regelmäßig ausgetauscht werden (HAHNE 2012).

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Abb. 7: Vereinfachter schematischer Aufbau eines Biofilters (in Anlehnung an VDI 3477)

2.4.2 Biowäscher/Chemowäscher

Biowäscher benutzen eine Waschflüssigkeit, in der auch Mikroorganismen suspendiert sind. Die Waschflüssigkeit wird ständig aus einem Belebungsbecken mit Hilfe von Pumpen über eine Filteroberfläche gesprüht, durch die von unten der Rohgasstrom in einer Art Gegenstrom gedrückt wird. Der in der Waschflüssigkeit anfallende Schlamm aus zurückgehaltenen Stoffen und Bakterien wird kontinuierlich durch einen Abschlämmvorgang aus einem Teil der Waschflüssigkeit ab einer elektrischen Leitfähigkeit von 20 mS cm^-1 entfernt, um eine Verschlammung des Systems durch Biomasseproduktion und eine Aufkonzentration von Ammonium- salzen zu verhindern. Das bei der Abgeschlämmung verloren gehende Wasser wird entsprechend durch Frischwasser ersetzt. Zudem trägt eine zusätzliche pH- Regelung (bei ca. pH 6,5 bis pH 7,5) zur Stabilisierung der Stoffwechselprozesse im Belebungsbecken bei (BRAUER 1984; KOHLER 1990; VDI 3478; Hahne 2006).

Der Chemowäscher ist analog zum Biowäscher aufgebaut. Zur Ammoniakabscheidung wird das Waschwasser jedoch mit Schwefelsäure versetzt.

Das entstehende Ammoniumsulfat wird abgeschlämmt und kann als Schwefeldünger verwendet werden. Um möglichst hohe Mengen an Ammoniak abzuscheiden wird ein

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2.4.3 Rieselbettreaktor

Bei Rieselbettreaktoren (VDI 3478 (1996)) wird ein künstliches Filtermaterial als Aufwuchsträger für die Mikroorganismen verwendet. Als Filtermaterial dienen Kunststoffpackungen mit einer strukturierten, spezifischen Oberfläche. Zudem sind die Mikroorganismen im Prozesswasser suspendiert, welches kontinuierlich durch den Filter im Kreis gepumpt wird. Es findet somit eine gezielte Führung des Prozesswassers statt, was den Abbau der Luftinhaltstoffe sicherstellen soll.

Rieselbettreaktoren sind für die Abscheidung von Stäuben, Gerüchen und Ammoniak geeignet. Bei der in der vorliegenden Arbeit untersuchten Anlage handelt es sich um einen Rieselbettreaktor, welcher nach dem Cloppenburger Leitfaden (HAHNE et al.

2002) zertifiziert wurde (Abb. 8).

2.4.4 Mehrstufige Kombinationssysteme

Neben den oben genannten Grundsystemen gibt es auch mehrstufige Kombinationssysteme zur Minderung von Ammoniak, Geruch und Stäuben/Bioaerosolen. Sie bestehen meist aus zwei Nassfilterwänden zur Abscheidung von Staub- (physikalische Reinigungsstufe), Ammoniak (chemische Reinigungsstufe) sowie einem nachgeschalteten Biofilter (biologische Reinigungsstufe) zur Geruchsminderung (SIEMERS 1996; HAHNE 2006).

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MATERIAL UND METHODEN

3. Material und Methoden

3.1 Funktionsbeschreibung der untersuchten Abluft- reinigungsanlage

Die Untersuchungen erfolgten an einem einstufigen Rieselbettreaktor (Abbildung 8).

Dieser soll nach Funktionsbeschreibung Ammoniak, Staub und Geruch abscheiden.

Die Zertifizierung dieses Bautyps erfolgte seinerzeit nach Maßgabe des so genannten Cloppenburger Leitfadens (HAHNE 2006). Die Anlage befand sich auf einer Hofstelle im Landkreis Cloppenburg, Oldenburger Münsterland, Niedersachsen.

Bei dem Untersuchungsstall handelte es sich um einen Schweinemastbetrieb mit 1300 Plätzen.

Abb. 8: Schematische Darstellung vom Typ des untersuchten einstufigen Rieselbettreaktors (nach Hahne 2006).

Die wesentlichen Auslegungsparameter des untersuchten einstufigen Rieselbett-

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Tab. 2: Auslegungsdaten für den untersuchten Rieselbettreaktor

Parameter Wert

Tierplatzzahl Mastschweine [-] 1320 Durchschnittliches Gewicht [kg] 70 Luftrate, gesamt [m³/h] 93.000

Abluftaustritte [-] 4

Grundfläche Füllkörperpaket [m²] 21,6 Höhe Füllkörperpaket [m] 1,8 Volumen Füllkörper [m³] 38,88 Spezifische Oberfläche Füllkörper [m²/m³] 240

Mindestverweilzeit [s] 1,5

Umlaufwasservolumen [m³/h] 50 Berieselungsdichte [m³/(m² h)] 2,31

Wasservolumen [m³] 14

Die Abschlämmung erfolgte über eine Leitfähigkeitsmessung. Bei Überschreitung eines Sollwertes zwischen 15 und 20 mS cm^-1 wurde ein Teil des Waschwassers abgelassen und anschließend mit Frischwasser wieder aufgefüllt. Der Füllstand wurde über eine Niveausteuerung konstant gehalten.

Der untersuchte einstufige Rieselbettreaktor besaß ein Wasserspeicherbecken.

Dieses nahm das unten aus dem Füllkörper tropfende Waschwasser auf. Aus dem Becken wurde das Wasser mit einer Rezirkulationspumpe wieder oben in den Füllkörper eingebracht. Das Wasser diente hauptsächlich zum Auswaschen von Geruchsstoffen und Gasen wie Ammoniak (NH3) sowie partikulären Stoffen, vor allem Staub, aber auch Endotoxinen aus dem von unten durch den Füllkörper gedrückten Rohgas. Der pH-Wert des Prozesswassers sollte konstant zwischen 6,5 und 6,8 liegen (leicht sauer, NH3-Rückhalt), was mit Hilfe eines eingebauten pH- Meters über die Zudosierung von Säure (Schwefelsäure) reguliert wurde.

Die Zuluft gelangte über eine geschlitzte Trapezprofildecke in den Stall. Aus den Abteilen erfolgte die Absaugung etwa zu 2/3 als Oberflur- und zu 1/3 als Unterflurabsaugung. Der Abstand des Spaltenbodens zur Gülleoberfläche betrug 0,5 m.

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3.2 Untersuchungszeitraum und Vorbereitung der Messungen

Die Vorbereitungen und Untersuchungen wurden in der Zeit von Februar bis September 2016 durchgeführt. Zunächst mussten einige Baumaßnahmen vorgenommen werden, um die Messungen am Ausgang der Abluftschächte durchführen zu können. Die Abbildung 9 zeigt das Treppengerüst zum Dach des Stalles und die Konstruktion um den Abluftschacht zur Anbringung der Messsonden und -geräte. Das weiße Zelt diente als Umkleide- und Hygieneschleuse. In dem Fahrzeug war ein Sofortlabor untergebracht. Dort konnten Mitarbeiter auch übernachten, wenn Messungen in der Nacht notwendig wurden. Die Abbildung 10 zeigt die Messtrecke zur Rohgasberobung. Nach Aufnahme entsprechender Strömungsprofile wurde eine erste orientierende Messung am 22.03.2011 durchgeführt.

Abb. 9 : Gerüst zum Erreichen der Abluftschächte – Reingasbeprobung (Foto: M. Clauß)

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Abb. 10 : Aufbau der Messstrecke – Rohgasbeprobung (Foto: M. Clauß)

Der Rieselbettreaktor wurde im Jahr 2011 insgesamt 10-mal beprobt (03.05.; 17.05.;

24.05.; 07.06.; 28.06.; 12.07.; 26.07.; 09.08.; 23.08. und 06.09.).

Die mikro- und molekularbiologischen Untersuchungen erfolgten für Roh- und Reingas, das Prozesswasser und das Filtermaterial stets innerhalb von 24 Stunden nach den Messungen/Probenahmen.

3.3 Probenahme und Probenaufbereitung

3.3.1 Roh- und Reingasbeprobung. Bioaerosole

Es wurden sowohl rohgasseitig (im Abluftstrom vom Stall) als auch reingasseitig (im Abluftstrom hinter dem Biofilter) Luftproben entnommen und quantitativ und qualitativ auf Änderungen im Bioaerosolspektrum untersucht.

Dazu wurden Impinger vom Typ AGI 30 eingesetzt. Die Impinger waren mit 30 ml Phosphatpuffer (pH 7) nach Sörensen (beschrieben bei BAST 1999) gefüllt. Mit Hilfe von Pumpen wurde ein definierter Probenluftstrom über eine Glaskapillare durch die Sammelflüssigkeit geleitet. Der Luftdurchlass wurde mit einem Strömungsmesser (Aalborg Instruments) unmittelbar vor und im Anschluss an die Messungen

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kontrolliert. Pro Probenahme wurden im Roh- und Reingas stets drei Impinger parallel in einem Abstand von etwa 20 cm zeitgleich betrieben. Die Dauer der Probenahme betrug 30 Minuten. Nach Ende der Probenahme wurden die Impinger in Kühlboxen auf etwa 4 °C bis 8°C gekühlt und zur Analyse ins Labor gebracht, wo sie innerhalb von 24 Stunden aufgearbeitet wurden.

Die drei parallel mit den Impingern gewonnenen Proben aus Roh- bzw. Reingas wurden gepoolt.

3.3.2 Prozesswasserproben

Im Rahmen der jeweiligen Beprobungstermine wurden 2 parallele Wasserproben aus dem vorderen, zugänglichen Bereich des Beckens nach intensiver Durchmischung der Wassersäule aus mittlerer Wassertiefe mit Hilfe von Falconröhrchen (10 ml) entnommen. Zum methodischen Vergleich wurden zudem am 07.06. und am 28.06.2011 aus dem vorderen, mittleren und hinteren Bereich des Beckens Proben entnommen. Die Proben wurden direkt auf 4 °C bis 8 °C gekühlt und zur Analyse ins Labor gebracht, wo sie innerhalb von 24 Stunden aufgearbeitet wurden. Die Proben wurden mit einem Vortex aufgeschüttelt und direkt bzw. als Verdünnung (pro Probe 2 Verdünnungsstufen) ausplattiert.

3.3.3 Beprobung der biofilmbesetzten Filterflächen, Staub

Der untersuchte einstufige Rieselbettreaktor besitzt einen Füllkörper, der ständig mit Wasser berieselt wird. Durch das Wasser und die mikrobielle Lebensgemeinschaft des Biofilms sollen Staub, Geruch und Ammoniak zurückgehalten werden. Somit ist zu erwarten, dass alle im Prozess befindlichen Mikroorganismen, einschließlich MRSA auch im Biofilm des Füllkörpers zu finden sind. Es wurden daher Proben mit Hilfe einer Biopsiezange vom Biofilm des Füllkörpers ausgestanzt. Die Probenfläche der Biopsiezange beträgt 0,28 cm². Durch zehnmaliges Ausstanzen erhält man eine Biofilm-Probenfläche von 2,8 cm². Zwei Parallelen einer 2,8 cm² großen Probe wurden jeweils in ein mit 10 ml phosphatgepufferter Salzlösung (PBS buffer) + 0,1 % Tween 20 gefülltes Falconröhrchen überführt, auf 4 °C bis 8 °C gekühlt und zur weiteren Analyse ins Labor gebracht.