Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

Maja Decius

Prüfung

der Funktionsweise und Effizienz einer biologischen

Abluftreinigungsanlage unter Praxisbedingungen im Hinblick auf

das Rückhaltevermögen für Bioaerosole

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-108929

title (engl.)

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

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2016

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/deciusm_ws16.pdf

abstract (deutsch)

Schweinemastställe emittieren über die Stallabluft in erheblichem Umfang Luftverunreinigungen wie Gerüche, Gase (insbesondere Ammoniak, Staub und Bioaerosole (z.B. Mikroorganismen, Endotoxine)). Diese können Belastungen bei Anwohnern in der näheren Stallumgebung und in einigen Umweltbereichen verursachen. Zur Abwehr oder Minderung schädlicher Umweltwirkungen aus Nutztierställen werden seit einiger Zeit Abluftreinigungsanlagen diskutiert und in einigen Bundesländern bereits unter bestimmten Voraussetzungen vorgeschrieben. Die Funktionsweisen und Minderungsmechanismen solcher, vorwiegend auf biologischer Basis arbeitender Anlagen, insbesondere im Hinblick auf die Rückhaltung von Bioaerosolen, sind jedoch noch nicht vollständig geklärt.

In der vorliegenden Arbeit wurden daher Funktionsweise und Rückhaltevermögen einer praxisüblichen Abluftreinigungsanlage (einstufiger Rieselbettreaktor) beschrieben und deren Rückhaltevermögen für Bioaerosole in der Abluft eines Mastschweinestalles untersucht. Aus den Ergebnissen wurde eine Schwachstellenanalyse an der geprüften Anlage abgeleitet.

Bei dem hier auf seine Abscheideleistung für Bioaerosole geprüften Rieselbettreaktor wurde die Abluft aus einem Schweinemaststall mit 1300 Tierplätzen aktiv mit Hilfe von Ventilatoren durch ein permanent mit Wasser im Gegenstromprinzip berieseltes Filterbett gedrückt. In diesem aus Plastikfüllkörpern mit großer Oberfläche bestehenden Filterbett und dem Wasser werden Geruchstoffe, Staub, Ammoniak und Bioaerosole aus der Luft zu einem großen Anteil abgeschieden und zurückgehalten. Besonders die Stoffwechselleistung der systemimmanenten Mikroorganismen, die die Filteroberflächen mit Biofilmen bedecken, tragen in den Anlagen entscheidend  zur Reinigung der Stallabluft bei.

Die Probenahme erfolgte im Rein- und Rohgas, dem Prozesswasser, an den biofilmbesetzten Filterflächen sowie vom Absetzstaub. Die Proben wurden unmittelbar nach der Probenahme gekühlt ins Labor gebracht und dort innerhalb von 24 Stunden analysiert. Dabei wurden mikrobiologische Kultivierungsverfahren zum Nachweis stallspezifischer Leitparameter (Gesamtkeimzahl, Streptokokken, Actinomyceten, Staphylokokken, Enterobacteriaceae, Pseudomonaden und Pilze) sowie der chromogen-kinetische LAL-Test zum Erfassen von Endotoxinen eingesetzt. Auch molekularbiologische Methoden zur Ergänzung der kulturellen mikrobiologischen Methoden wurden angewendet. Mittels SCCmec-Typing konnte eingeschätzt werden, ob es sich bei den nachgewiesenen MRSA-Stämmen um tierassoziierte Stämme handelte.

Die Ergebnisse zeigen, dass der untersuchte Rieselbettreaktor bei ordnungs-gemäßem Betrieb die mesophilen Gesamtkeime zwischen Rohgas und Reingas in der Abluft aus dem angeschlossenen Schweinemaststall um durchschnittlich 95 % mindern konnte. Ähnlich hoch liegen auch die Reduktionsraten für die als stallspezifische Leitparameter bezeichneten Keimspezies Staphylokokken, Streptokokken und Enterokokken, die zu über 90 % von der Anlage zurückgehalten wurden. Allerdings war die Reduktionsleistung nicht konstant und schwankte zwischen 82 % und 99 %. Endotoxine und Methicillin resistente Staphylococcus aureus (MRSA) wurden im Mittel zu 70 % bzw. 79 % zurückgehalten. Deutlich wurde, dass der Rieselbettreaktor auch selbst als Keimquelle dienen kann. So wurden Schimmelpilze und Aktinomyceten, die in der Anlage gebildet wurden, als sogenannte Sekundäremissionen aus der Anlage freigesetzt. Entscheidend für eine hohe Bioaerosolabscheidung des Rieselbettreaktors ist der ordnungsgemäße Betrieb. Zur Vermeidung hoher Freisetzungen von Sekundäremissionen aus der Anlage ist ein einwandfreier technischer Betrieb und eine regelmäßige Überwachung und Wartung der Anlage entscheidend. Daher sollten rasch warnende Alarmsysteme und Kontrollmechanismen für die Betriebsparameter eingerichtet werden. Nur so können über längere Zeit konstant hohe Bioaerosolreduktionsraten mit dem geprüften Reaktortyp erreicht werden.

Dies sollte bei der Zertifizierung von Rieselbettreaktoren und ähnlich arbeitenden biologischen Abluftreinigungsanlagen für die Bioaerosolzurückhaltung berücksichtigt werden. Die Messung der Staubabscheidung allein kann nicht die Schwankungen der mikrobiellen Leitorganismen ausreichend sicher abbilden. Die eingesetzten komplexen Probenahme und Analysenverfahren für die Bioaerosolmessungen lassen erkennen, dass nur auf in diesem Bereich erfahrene Labore zurückgegriffen werden sollte, da Probenahme und Probenaufarbeitung unter Feldbedingungen besondere Sorgfalt erfordern.

Die Untersuchungen zeigen weiteren Forschungsbedarf an Rieselbettreaktoren auf. So ist nicht hinreichend geklärt wie lange z. B. MRSA in dem biologischen System des Rieselbettreaktors und seiner mikrobiellen Lebensgemeinschaften überleben und sich gegebenenfalls vermehren können. Gleiches trifft für resistente ESBL-bildende Bakterien zu, die in dieser Untersuchung noch nicht eingeschlossen waren. Erkenntnisse hierüber wären insbesondere für eine umweltmedizinische Bewertung von Bedeutung.

Insgesamt stellt der hier geprüfte Rieselbettreaktor ein durchaus wirksames Instrument zur Reduzierung von Bioaerosolbelastungen in der Umgebung von Schweineställen dar. Für die Planung im ländlichen Raum sollten Abluftreinigungsanlagen – nicht zuletzt wegen der hohen Bau- und besonders der laufenden Betriebskosten (Energie, Wasserbrauch) - jedoch nur als ein Hilfsmittel im Umweltschutz gesehen werden. Es sollte in jedem Einzelfall die Notwendigkeit des Einbaus solcher Anlagen geprüft werden. Demgegenüber ist zu empfehlen, die Entwicklung emissionsarmer Ställe stärker zu fördern.

abstract (englisch)

Pig fattening units emit substantial quantities of air pollutants via the unit exhaust air such as odours, gases (in particular ammonia, dust and bioaerosols (e.g. microorganisms, endotoxins)). They can have a negative impact on residents living close to the unit and on the environment. To reduce the harmful environmental effects from livestock husbandry, biological air cleaning systems have been discussed for some time. However the function modes and reduction mechanisms of such, predominantly air cleaners that work on a biological basis are not yet completely clarified. Additionally they are prescribed in some Federal states already under certain conditions.

This thesis describes the function mode and reduction potential of a commonly used biological air cleaning system (single-step trickle bed reactor). Furthermore the reduction potential for bioaerosols in the exhaust air of a pig fattening unit was examined. A weak point analysis of the evaluated trickle bed reactor was derived from the results.

The trickle bed reactor evaluated for its reduction potential for bioaerosols cleans the exhaust air from a pig fattening unit with space for 1300 animals. The exhaust air was pressed actively through a filter bed continuously sprinkled with water in the countercurrent principle. Odour, dust, ammonia and bioaerosols from the air were separated and held back in this filter bed made of plastic filling materials with a large surface. Particularly the metabolism of the systems-inherent microorganisms, which cover the filter surfaces with biofilms, crucially contributes to the cleaning of the unit exhaust air.

Sampling took place in clean and raw gas, the process water, on the organic filter surfaces as well as from the dust. The cooled samples were brought to the lab immediately after sampling. The samples were analysed within 24 hours.

Microbiological cultivation procedures to demonstrate unit-specific guidance parameters (mesophilic total viable count, Streptococci, Actinomycetes, Staphylococci, Enterobacteriaceae, Pseudomonades and moulds) as well as the chromogen kinetic LAL test for detecting endotoxins were used. Also molecular-biological methods were used in addition to the cultural microbiological methods. By means of SCCmec typing, it could be estimated whether the proven MRSA strains were animal-associated MRSA strains.

The results show that normal use of the examined trickle bed reactor could reduce the mesophilic total viable count between raw gas and clean gas in the exhaust air by an average of 95%. Also the reduction rates for Staphylococci, Streptococci and Enterobacteriaceae (the so-called stable-specific guidance parameters), were over 90%. However, the reduction was not constant and varied between 82% and 99%. Endotoxins and Methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) were held back on average between 70% and 79%. The results show that the trickle bed reactor can also serve as source of microorganisms. Thus, mould and Actinomycetes that were formed in the trickle bed reactor, were released as so-called secondary emissions.

For a high bioaerosol reduction of the trickle bed reactor, standard operation is crucial. To avoid the high level of release of secondary emissions from the trickle bed reactor, perfect technical operation and regular monitoring and maintenance are crucial. Therefore, rapid warning alarm systems and control mechanisms for the operating parameters should be established. This is absolutely necessary to constantly achieve high bioaerosol reduction rates with this type of reactor.

The bioaerosol restraint should be considered for the certification of trickle bed reactors and similarly working biological air cleaning systems. The measurement of dust deposits alone cannot sufficiently illustrate the fluctuations of the microbial guidance organisms. The complex sampling and analysis procedures for the bioaerosol measurements used in this study show that sampling and sample processing under field conditions require special care. Therefore laboratories need experience to properly carry out sampling and analysis.

The investigations show that further research regarding trickle bed reactors is required. It is not sufficiently clarified how long for example MRSA survives in the biological system of the trickle bed reactors. Furthermore, it is unknown if MRSA multiplies in the reactor. The same applies to resistant ESBL bacteria, which were not yet included in this investigation. Further investigations on this would in particular be of importance for an environmental medical evaluation.

Overall, the examined trickle bed reactor represents an effective instrument for the reduction of bioaerosol loads in the environment of pig fattening units. However, air cleaners in rural area should be seen only as a support in environmental protection, particularly due to the high building and running costs (energy, water consumption). The necessity for the installation of such air cleaners should be checked in each individual case. However, it is recommended to promote the development of low-emission units more strongly.

keywords

Bioaerosole, Rückhalteeffizienz, Mastschweinestall, bioaerosols, retention efficiency, pig fattening unit

kb

11.790