1 Einleitung. 1. Einleitung

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1 1 Einleitung 1. Einleitung Die Verwertung der biogenen Reststoffe durch Kompostierung hat in den letzten Jahren weltweit zunehmend an Bedeutung gewonnen und wird zukünftig zentraler Bestandteil der Abfallwirtschaft sein. Verbunden mit dem gesteigerten Umweltbewusstsein der Menschen und mit den erhöhten Anforderungen an die Kompostqualität und Emissionskontrolle hat dies zu einer extrem dynamischen Entwicklung unterschiedlicher Kompostierungsverfahren und Kompostierungsanlagen geführt. Die Kompos tierungsanlagen müssen in der Lage sein, organische Abfälle der Konsum gesellschaft emissionsarm und umweltfreundlich zu behandeln, weil die Freisetzung umweltrelevanter Emissionen wie Gerüche beim Betrieb der Kompostierungsanlagen nicht nur ein ökologisches Problem ist, sondern auch Auswirkungen auf das Ansehen der Kompostierung in der Bevölkerung hat. Der neuen Planung von Kompostierungsanlagen wird daher überall von den Anwohnern mit Beschwerden hinsichtlich Geruchsemission begegnet. Die heute in der Kompostierung von Abfallstoffen eingestellten Techniken zur Kontrolle der mechanischen und biologischen Prozesse machen es unmöglich, den Betrieb weitgehend geruchsfrei zu gestalten. Somit gewinnt die weitgehende Reduzierung bzw. Beherrschung der Geruchsemissionen an Bedeutung, was bereits bei der Planung und Ausrüstung eines Kompostwerkes, aber auch hinsichtlich der Betriebsführung Berücksichtigung finden muss. Die Kenntnis der Geruchsemissionen, die bei jedem technischen Kom postierungsverfahren und jedem behandelten Material zu erwarten sind, und damit die Möglichkeit ihrer Verhinderung, ist die Basis für die Vorhersage der im Anlagenumfeld zu erwartenden Immissionen. Diese Arbeit befasst sich mit Geruchsemissionen von Kompostierungsanlagen verschiedener Baumuster und Verfahrenstechniken. Dazu wird das derzeit in der Literatur zugängliche Datenmaterial hinsichtlich Geruchsemissionsmessungen aus verschiedenen Kompostierungsanlagen und Anlagenteilen zusammengestellt, ausgewertet und aufbereitet. Das Ziel ist auf Basis der gewonnenen Kenntnisse die Entwicklung eines Emissionsprognosewerkzeugs, das auf definierten Kriterien basiert, und dem Planer einer Kompostierungsanlage ermöglicht, eine reproduzierbare Geruchsemissionsprognose im Planungsstadium zu erstellen, und mögliche emissionsmindernde Maßnahmen zu planen. 19

2 2 Problemstellung und Zielsetzung 2. Problemstellung und Zielsetzung Die Geruchsemissionen sind heute ein zentrales Problemfeld bei der Planung und beim Betrieb von Kompostierungsanlagen. Bei der Planung von neuen Kompostierungsanlagen werden die Verfahrensabläufe sowie die Standorte einzelner Aggregate und die Maßnahmen für den Emissionen- und Immissionsschutz festgelegt. Aufbauend auf dieser Planung und anhand von auf Messungen beruhenden Vergleichswerten aus anderen Kompostwerken, kann eine Abschätzung der zu erwartenden Geruchsemissionen als Basis für die Immissionsprognose erfolgen. Da heute keine allgemeingültige Vorgehensweise zur Verfügung steht, die es einem Planer einer Kompostierungsanlage ermöglicht, eine reproduzierbare Geruchsemissionsprognose sicher, schnell und einfach im Planungsstadium zu erstellen, soll die vorliegende Arbeit, basierend auf bestimmten Kriterien, auf der Basis öffentlich zugänglicher Geruchsdaten, auf der Basis von Anlagenplanungsvariablen und unter Einbindung eines optimierten Luftmanagements in teilweise oder ganz eingehausten Anlagen, ein Emissionsprognoseverfahren entwickeln, das es ermöglicht eine reproduzierbare Geruchsemissionsprognose für Kompostierungsanlagen verschiedener Baumuster und Verfahrenstechniken zu erstellen. 20

3 3. Geruchsermittlung und Geruchsbewertung Geruch ist ein organoleptisches Attribut, das durch das Riechorgan beim Einatmen flüchtiger Substanzen wahrnehmbar ist [5]. Gerüche konnten bisher chemisch und physikalisch nicht eindeutig definiert werden. Sie sind nach Winneke [35] nur die Eigenschaften der flüchtigen Verbindungen, die mit den Geruchsrezeptoren wahrgenommen werden können, einen Geruchseindruck auszulösen. Geruchsstoffe werden aus vielen Quellen freigesetzt und mit der Luft zu den Lebewesen transportiert. Wenn sie an das Riechepithel in der oberen Nasenhöhle gelangen, werden sie durch die Geruchsrezeptoren detektiert und führen zu einem Geruchseindruck [4]. Dieser Geruchseindruck kann hervorgerufen werden, wenn die Geruchsstoffe folgende Eigenschaften besitzen [22]: Niedriges Molekulargewicht Flüchtigkeit Wasserlöslichkeit Fettlöslichkeit Funktionelle Gruppen und Strukturen Geruchsempfindung ist bei Menschen von der Physiologie und der Psychologie abhängig und verbunden mit [4]: der Häufigkeit und Dauer der Geruchseinwirkung der Intensität der Geruchseinwirkung der hedonischen Tönung der Qualität der Geruchsstoffe Die Geruchs- bzw. Wahrnehmungsschwelle eines Geruchsstoffes ist die Konzentration von Molekülen, die zu einer Geruchsempfindung führt. Geruchsschwellen sind unterschiedlich von Mensch zu Mensch, sie steigen durch Erkrankungen, mit dem zunehmenden Alter und mit der Adaptation, d. h., die Geruchsempfindlichkeit nimmt ab [1]. Die Geruchsqualität gibt eine genauere Beschreibung der Geruchswahrnehmung. Nach Henning [10] sind die Geruchstypen in blumig, faulig, fruchtig, würzig, brenzlig und harzig eingeteilt. Die Belästigungswirkung der Gerüche wird durch ihre hedonischen Tönungen beurteilt. Nach seiner hedonischen Tönung lässt sich ein Geruch von sehr angenehm über neutral bis sehr unangenehm einstufen. Die Stärke der Geruchsempfindung wird durch die Geruchsintensität charakterisiert und schwankt von nicht wahrnehmbar bis extrem starker Geruch 21

4 [27]. In der Abbildung 3.1 sind die für die Entstehung eines Geruchseindruckes bestimmenden Vorgänge dargestellt. Physiologie Wahrnehmung Psychologie Interpretation Geruchseindruck Geruchsqualität Geruchskonzentration Geruchsintensität Hedonik Geruchsquelle Reiz Abb. 3.1: Vorgänge bei der Entstehung eines Geruchseindrucks (angelehnt an [7]) 3.1 Methoden zur Geruchsermittlung und Geruchsbewertung Bei Gerüchen handelt es sich im Allgemeinen um ein Gemisch von Geruchsstoffen. Aus diesem Grund sind objektive, quantitative, und wissenschaftlich standardisierte Methoden zur Beschreibung des Geruches bzw. der Geruchsstärke zu benutzen. Diese Methoden können, wie in Abbildung 3.2 gezeigt wird, in personengebundene, technische und kombinierte Messverfahren unterteilt werden. Die Gerüche werden bei den personengebundenen Geruchsmessverfahren durch Probanden bewertet, dazu werden Fanger, Olfaktometrie sowie zweistufige Verfahren entwickelt und eingesetzt [20]. Bei der Fanger Methode basiert die Bewertung der Luftqualität in Innenräumen auf der Probandenbefragung nach der Akzeptanz der dargebotenen Probenluft ( Akzeptabel/Inakzeptabel -Befragung) [6]. Um statistisch signifikante Ergebnisse bei dieser Methode zu erhalten, ist eine hohe Zahl an Probanden erforderlich. 22

5 Das zweistufige Verfahren wurde von Müller [20] zur Bewertung der empfundenen Geruchsintensität durch trainierte Probanden und der Akzeptanz der Luftqualität durch untrainierte Probanden entwickelt. Zur Messung von Gerüchen in der Außenluft ist die Olfaktometrie geeignet. Dabei dient die menschliche Nase als Detektor und die Geruchskonzentration ist an der Geruchsschwelle einer Probe als eine Geruchseinheit definiert. Im Gegensatz zu probandengebundenen Methoden bewerten die technischen Verfahren die chemische Verunreinigung der Luft, unabhängig davon, ob sie zu einem Geruchseindruck bei Menschen führt oder nicht [20]. Gaschromatographie (GC) als ein Beispiel für technische Methoden ermöglicht die Bestimmung der Zusammensetzung und Konzentration der Luftverunreinigung und benutzt verschiedene Detektoren, z. B. Flamenionisationsdetektoren (FID), für die Untersuchungen. In Geruchsmessungen aus biologischen Anlagen hat die Gaschromatographie geringe Bedeutung aufgrund der hohen Komplexität der hierbei entstehenden Geruchsstoffe. Luftqualitätsuntersuchungen Personengebundene Messverfahren Kombiniertes Messverfahren GC mit ODP Technische Messverfahren Fanger Methode/empf. Luftqualität VDI/Methode Olfaktometer Zweistufiges Verfahren Chem. Analysen/Gaschro matographie GC Multigassensorik (el. Nasen) Untrainierte Personen Trainierte Personen Trainierte Personen Abb. 3.2: Verfahren zur Bewertung der Luftqualität [20] Andere technische Messverfahren repräsentiert die Multigassensorik (MS), die die Summe der Luftverunreinigung in einem mehrdimensionalen Sensormuster darstellt. Dieses Messverfahren versucht auf einfache Weise den menschlichen Geruchssinn zu simulieren und wird deshalb als elektronische Nase bezeichnet. 23

6 Eine Kombination von personengebundenen und technischen Verfahren stellt die Gaschromatographie (GC) mit einem Olfactometry Detection Port (ODP) dar. Bei diesem Verfahren werden die beim Gaschromatograph einzelnen, aufgetrennten Substanzen durch Olfaktometer auf ihren Geruch geprüft. Die Auswahl der objektiven Methode zur Erfassung und Bewertung von Gerüchen setzt die Kenntnis der geruchsverursachenden Stoffe voraus. In Geruchsquellen, wo zum Beispiel Schwefelwasserstoff vorherrscht, lässt sich die Messung des Geruchs indirekt über die Schwefelwasserstoffkonzentration tätigen. Wenn die Wirkung eines Geruchs bewertet werden muss, muss jedoch die chemisch-analytische Arbeit durch eine sensorische Ermittlung des Geruchsschwellenwertes ergänzt werden [16]. Da die Olfaktometrie Ergebnisse liefert, die der von Menschen empfundenen Realität bei Geruchsereignissen am nächsten kommen, wird im Folgenden detailliert auf dieses Verfahren eingegangen. Olfaktometrie Weltweit wird die Olfaktometrie zur Geruchsmessung in der Außenluft angewendet. Definition, Reglung und Prinzip dieser Methode werden in den deutschen VDI-Richtlinien [27], [28], [34] dargestellt. Die Bestimmung der Geruchskonzentration mit dynamischer Olfaktometrie wird in der Europäischen Norm DIN EN [5] standardisiert. Durch die Olfaktometrie können folgende charakteristische Größen von Gerüchen bestimmt werden: Die Geruchskonzentration Die Geruchsintensität Die hedonische Tönung Die Geruchsqualität Geruchsstoffkonzentration (Cod) Nach DIN EN [5] ist die Geruchseinheit pro Kubikmeter [GE E / m³] als Einheit der Geruchsstoffkonzentration definiert. Die Europäische Geruchseinheit [GE E /m³] repräsentiert die Menge von Geruchsstoff(en), die verdünnt mit 1 m³ Neutralluft, eine Geruchswahrnehmung von 50 % der ausgewählten und überprüften Personen hervorruft (Wahrnehmungsschwelle). Die Ermittlung der Geruchsstoffkonzentration einer gasförmigen Geruchsprobe wird angestellt, indem einem Panel ausgewählter und überprüfter Personen diese Probe in unterschiedlichen Konzentrationen durch Verdünnung mit Neutralluft dargeboten wird. Das Ziel ist die Ermittlung des Verdünnungsfaktors 24

7 [Z 50 ] an der Wahrnehmungsschwelle. Bei diesem Verdünnungsfaktor ist die Geruchskonzentration definitionsgemäß [GE E /m³]. Daraufhin ist die Geruchsstoffkonzentration einer Probe: Formel 3.1: C od = 1 + Z 50 Dabei ist: C od Geruchsstoffkonzentration gegeben in [GE E /m³] Z 50 Verdünnungsfaktor (Neutralluftvolumen/Probeluftvolumen) an der Wahrnehmungs schwelle Ein hoher Wert für Z 50 bedeutet, dass die Abluft sehr stark verdünnt werden muss, damit sie nicht mehr riecht. Geruchsintensität (S) Geruchsintensität ist eine sensorische Größe, die sich auf die wahrgenommene Stärke der Geruchsempfindung bezieht. Den Zusammenhang zwischen der Geruchskonzentration und Geruchsintensität geben die folgenden Gleichungen: Formel 3.2: S = kw * I/Io Dabei ist: S die wahrgenommene Intensität einer Sinnesempfindung (theoretisch ermittelt) I die physikalische Intensität (Geruchsstoffkonzentration) I o die Geruchsschwellenkonzentration der Weber-Fechner-Koeffizient der physiologischen Wahrnehmung k w Formel 3.3: S = k * I n Mit: S I n k die wahrgenommene Intensität einer Sinnesempfindung (empirisch ermittelt) die physikalische Intensität (Geruchsstoffkonzentration) der Stevens-Exponent eine Konstante Die Beurteilung der Intensität eines wahrgenommenen Geruches basiert auf der Skala, die in Tabelle 3.1 gezeigt wird. 25

8 Hedonische Geruchswirkung Um die emotionale Reaktion von Menschen gegenüber Gerüchen zu beurteilen, wird eine Skala entwickelt (siehe Tabelle 3.2). Auf dieser Skala lässt sich Geruch von äußerst angenehm über neutral bis äußerst unangenehm einstufen. Tab. 3.1: Geruchsintensitätsstufe nach VDI 3882 [27] Geruch Extrem stark Sehr stark Stark Deutlich Schwach Sehr schwach Nicht wahrnehmbar Intensitätsstufe Tab. 3.2: Skala der hedonischen Geruchswirkung [28] Äußerst unangenehm neutral Äußerst angenehm Geruchsstärke und Geruchspegel Geruchskonzentrationen geben keine Angaben über die Geruchsqualität in den Kategorien angenehm/ekelerregend. Da die menschliche Nase die Sinneswahrnehmung Geruch in einem logarithmischen Maßstab nach ihrer Stärke erfasst, entspricht die Verzehnfachung der Geruchskonzentration nur etwa einer Verdopplung der wahrnehmbaren Geruchsstärke. In den VDI-Richtlinien wird die Umrechnung der Geruchskonzentration C od in [GE/m³] auf den Geruchspegel L od in Dezibel Geruch db od nach der Formel 3.4 vorgesehen. Formel 3.4: L od = 10 * lgc od Bei der Olfaktometrie müssen die Verdünnungseinrichtungen, das Panel, das Labor und die Probenahme verschiedene Qualitätskriterien für die Gesamtleistung 26

9 des Messverfahrens erfüllen. Die Messkriterien der Olfaktometrie sind in DIN EN [5] dargestellt. 3.2 Geruchsimmissionen und Geruchsemissionen Die von einer Quelle freigesetzten Geruchsstoffe (Emission) werden mit der Umgebungsluft transportiert (Transmission). Eine zeitlich und räumlich stark variierte Konzentrationsverteilung dieser Geruchsstoffe wird in der Quellenumgebung entstehen (Immission) [24]. In Abbildung 3.3 ist die Kausalitätskette zur Beschreibung der Ausbreitung von Geruchsstoffen beschrieben Geruchsimmission Gerüche fallen entsprechend dem 3 des Bundesimmissionsschutzgesetzes (BImSchG) [3] bei Erfüllung bestimmter Kriterien in die Kategorie erheblicher Belästigungen. Diese sind sowohl im Rahmen der Genehmigung neuer emittierender Anlagen (Genehmigungsverfahren), d. h. vorbeugend, als auch ggf. durch Anordnung nachträglicher Maßnahmen bei bereits bestehenden Anlagen (Überwachungsverfahren) nach dem Wortlaut des Gesetzes zu vermeiden. Emission Geruchsstoff Massenstrom Emissionsrhythmus Transmission Meteorologie Topographie Immission Wahrnehmungshäufigkeit von Gerüchen Exposition Reaktion auf Gerüche Wind- abhängigkeit Abb. 3.3: Kausalitätskette zur Beschreibung der Ausbreitung von Geruchsstoffen [15] In der Technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft) [26] wird die Vorsorge gegen schädliche Umwelteinwirkungen durch Gerüche geregelt; aber 27

10 sie enthält keine Vorschriften zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch Geruchsimmissionen. Derzeit bildet die Geruchsimmissionsrichtlinie des Landes Nordrhein-Westfalen (GIRL, 2004) [8], die 2004 durch den Länderausschuss für Immissionsschutz (LAI) zur Nutzung als Erkenntnisquelle empfohlen wurde, die Grundlage zur Messung und Bewertung von Geruchsemissionen- und immissionen. Sie ist das einzige Konzept, das eine Aussage über die Erheblichkeit einer Belästigung entsprechend dem 3 BImSchG ermöglicht. Nach dieser Richtlinie ist eine Geruchsimmission zu beurteilen, wenn sie nach ihrer Herkunft aus Anlagen erkennbar, d. h. abgrenzbar ist gegenüber Gerüchen aus dem Kraftfahrzeugverkehr, dem Hausbrandbereich, der Vegetation, landwirtschaftlichen Düngemaßnahmen und Ähnlichem. Die Geruchshäufigkeiten stellen die zentrale Kenngröße des Systems der Ermittlung und Bewertung von Geruchsimmissionen dar, wie es derzeit in der Praxis bundesweit angewendet wird. Bei diesem System werden die folgenden Methoden zur Beurteilung von Geruchimmissionen benutzt: Rasterbegehung Mit der Rasterbegehungsmethode wird die vorhandene Belastung als Geruchsimmission in einem bestimmten Gebiet und bestimmten Messstellen in Form von Geruchsstundenhäufigkeiten olfaktometrisch durch Probanden ermittelt. Die wichtigsten Rahmenbedingungen (Beurteilungsgebiet, Beurteilungsflächen, Messzeitraum, Messhäufigkeit, Begehungstermine, etc.) für diese Methode werden in Richtlinien (VDI 3940 [30],GIRL [8]) festgelegt. Fahnenbegehung Fahnenbegehungen dienen dazu, Informationen über die Geruchsstoffimmissionen innerhalb einer Geruchsstofffahne zu erlangen. Die Geruchsfahne einer Emis sionsquelle ist das Gebiet, in dem die Geruchshäufigkeit oder der Geruchszeitanteil 5 % der Jahresstunden oder mehr beträgt. Sie werden z. B. zur Verursacherermittlung und zur Kalibrierung einer Ausbreitungsrechnung oder eines Ausbreitungsmodells und zur Abschätzung von Emissionsquellstärken eingesetzt, wenn die zu untersuchende Anlage nicht emissionsmesstechnisch erfasst werden kann (z. B. große Anzahl diffuser Quellen). Bei einer Fahnenbegehung gemäß der Richtlinie VDI 3940 [30] werden mindestens fünf geeignete und geschulte Prüfer im Lee der Anlage in verschiedenen Entfernungen von der Quelle in einer Achse quer zur Ausbreitungsrichtung der Geruchsfahne nebeneinander positioniert. Die Prüfer 28

11 protokollieren dann gleichzeitig innerhalb der Messzeit von 10 Minuten alle 10 Sekunden ihre subjektiven Geruchswahrnehmungen. Ausbreitungsrechnung (Immissionsprognose) Die Grundlage der Ausbreitungsrechnung bilden meteorologische Daten und Geruchsstoffströme, die je nach den Erfordernissen des Einzellfalles durch die olfaktometrischen Emissionsmessungen, Fahnenbegehung oder Volumenstrombestimmung ermittelt werden. Es handelt sich bei dieser Methode um eine mathematische Modellierung der meteorologischen Situation mit Simulierung der Geruchsstoffkonzentration des Emittenten in Abhängigkeit von der Entfernung zur Quelle. Als Ergebnis erhält man Geruchsstundenhäufigkeiten in % in der Umgebung der Geruchsquelle. Die Ausbreitungsrechnung kann nach folgenden Modellen durchgeführt werden: dem Gauß schen Fahnenmodell nach der Richtlinie VDI 3782 [31] dem Austal2000 Modell, das auf der TA Luft [26] basiert In beiden Modellen sind die abgeschätzten Geruchsimmissionswerte abhängig von: Art der Geruchsquelle (aktiv oder passiv) Emissionswert und Emissionsdauer Quellenhöhe, z. B. Schornsteinhöhe (Kompostwerke sind als bodennahe Quelle anzusehen) Meteorologische Umstände der Quellenumgebung (Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Temperatur, Luftdruck, etc.) Topographie der Geruchsquellenumgebung (Täler, Gebirge, etc.) Örtliche Gegebenheiten, wie Hanglagen, Bepflanzung, Bebauung und Wasserflächen Vorhandene Belastung vor der Errichtung der Geruchsquelle Entfernung von der Geruchsquelle Weil sich die Immissionswerte und deren Häufigkeit praktisch nur auf der Basis einer vor Ort analysierten Geruchsfracht (Geruchsemission) ermitteln lassen, muss die Geruchsemission gemessen oder prognostiziert werden. 29

12 3.2.1 Geruchsemission Emissionsseitig werden zwei Arten von Geruchsquellen unterschieden: Definierte (aktive) Quellen Diffuse (passive) Quellen Aus den schon existierenden Geruchsquellen können die Geruchsemissionen durch olfaktometrische Messung festgestellt werden. Aktive Geruchsquellen Nach Homans [11] sind die aktiven Geruchsquellen die Bauteile oder Aggregate einer Anlage, welche während eines Verfahrensschrittes zum Zweck der Belüftung mit einem definierten Volumenstrom durchströmt werden, der sich beim Durchtritt durch das System mit Geruchsstoffen belädt. Die Geruchsfracht kann als Produkt der Geruchskonzentration im Abluftstrom und des ausgestoßenen Volumenstroms berechnet werden. Formel 3.5: Q GE = C * AM Mit: Q GE C AM Geruchsfrachten im Abluftstrom in [GE/s] Geruchskonzentrationen im Abluftstrom in [GE/m³] Abluftmenge in [m³/s] Passive Geruchsquellen Diese sind die großflächigen Bereiche (Mietenoberflächen) oder unbelüfteten kleineren Bereiche (Anlieferung), denen bei der Messung der Geruchsabstrahlung kein definierter Luftvolumenstrom zugeordnet werden kann. In diesem Fall ist die genauere Bestimmung der Geruchsfracht nur schwer möglich. Dazu wird eine nach unten offene Probenahmebox mit einer bekannten Grundfläche auf die zu beurteilende emittierende Oberfläche aufgesetzt. Die Probeluft wird an einer Seite der Box abgesaugt, wobei auf der anderen Seite der Box geruchsfreie Luft nachströmt. Die Geruchskonzentrationen in der Probe werden olfaktometrisch bestimmt. Die Kenntnis des Wertes vom abgesaugten Abluftstrom und die Grundfläche der Probenahmebox ermöglicht die Ermittlung vom flächenbezogenem Geruchsstoffstrom Q GE in [GE/s.m²] wie folgende Gleichungen zeigen: 30