Ermittlung der Geruchsimmissionen mittels Ausbreitungsrechnungen

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1 Ermittlung der Geruchsimmissionen mittels Ausbreitungsrechnungen C.-J. Richter ima Eisenbahnstraße 43, D Freiburg Tel / , Fax / Dr. Rainer Röckle ima Eisenbahnstraße 43, D Freiburg Tel / , Fax / Dr. Karl-Heinz Enderle ima Im Birkig 18, Neustadt/Wstr. Tel / , Fax / Einleitung Geruchsausbreitungsmodelle werden hauptsächlich bei Genehmigungsverfahren, in der Bauleitplanung sowie bei der Prüfung, ob nachträgliche Anordnungen erforderlich sind, eingesetzt. Ziel ist es, die Geruchsimmissionen möglichst genau zu prognostizieren. Da die Überschreitung von Immissionswerten erhebliche Investitions- und Betriebskosten für den Betreiber nach sich ziehen kann, ist bei den Ausbreitungsrechnungen sehr sorgfältig vorzugehen. Gerüche breiten sich wie gasförmige Luftschadstoffe aus, d.h. ein Ausbreitungsmodell sollte prinzipiell in der Lage sein, die Ausbreitung von Gerüchen zu berechnen. Die üblicherweise eingesetzten Ausbreitungsmodelle liefern jedoch nur Stundenmittelwerte der Konzentration. So wird in der TA Luft ein Verfahren angegeben, mit dem für jede Ausbreitungssituation, d.h. für jede Kombination aus Windrichtung, Windgeschwindigkeit und Turbulenzklasse die Immissionskonzentration an einem vorgegebenen Aufpunkt berechnet werden kann. Zur Einschätzung der Geruchssituation sind jedoch nicht Stundenmittelwerte, sondern die Häufigkeit momentaner Geruchsspitzen von Interesse. Anhand der Abbildung 1-1 erkennt man, dass Geruchseindrücke auftreten können, obwohl der Stundenmittelwert der Geruchsstoffkonzentration unter der Geruchsschwelle liegt. Konzentration Geruchsschwelle Mittelwert Abbildung 1-1: Typisches Mäandrieren der Abgasfahne (oberes Bild) sowie zugehöriger zeitlicher Verlauf der Geruchsstoffkonzentration in Bodennähe bei einer hohen Quelle. Die schraffierten Flächen markieren Bereiche, in denen Geruch wahr- 1

2 2 Modellkonzepte Aus den Ausführungen in Kapitel 1 ergibt sich, dass ein Geruchsausbreitungsmodell in der Lage sein muss, die Häufigkeitsverteilung der Konzentrationen innerhalb des Mittelungszeitraums zu liefern. Bisher gibt es hierfür zwei Modellkonzepte: Modellkonzept 1: Konzept 1 beruht auf zwei Schritten: Schritt 1: Berechnung des Stundenmittelwertes der Geruchsstoffkonzentration. Hierfür wird ein übliches Ausbreitungsmodell, bisher meistens ein Gaußmodell, verwendet. Schritt 2: Annahme einer Häufigkeitsverteilung der Geruchsstoffkonzentrationen um den in Schritt 1 berechneten Mittelwert. Das Modellkonzept basiert auf Untersuchungen, die unter anderem von Medrow et. al. (1984, 1991) und De La Riva et. al. (1991) durchgeführt wurden. Es bildete die Grundlage der zwischenzeitlich zurückgezogenen VDI-Richtlinie 3782, Blatt 4. Es leuchtet ein, dass die Funktion, die die Häufigkeitsverteilung der Geruchsstoffkonzentration darstellt, von mehreren Parametern, unter anderem der atmosphärischen Turbulenz, der Quellhöhe, der Quellentfernung abhängen muss. In der o.g. VDI-Richtlinie wurde hierfür eine Gamma-Funktion verwendet. Eine weitere Umsetzung dieses Modellkonzepts ist das häufig verwendete TA-Luft-Faktor-10- Modell. Laut diesem Modell liegt eine Geruchsstunde dann vor, wenn der Stundenmittelwert der Geruchsstoffkonzentration größer oder gleich 0,1 GE/m³ ist. Das Modell impliziert also ein Verhältnis von 10 zwischen den Konzentrationsspitzen und dem Mittelwert. Der Stundenmittelwert wird mit Hilfe des Gauß schen Ausbreitungsmodells, das in der TA Luft von 1986 beschrieben ist, berechnet. Wie man unschwer erkennt, stellt dieses Modell einen Grenzfall dar: Bei Stundenmittelwerten, die kleiner als 0,1 GE/m³ sind, kann das Kriterium Geruchsstunde (mindestens 6 Minuten Geruchsstoffkonzentrationen mit deutlicher Wahrnehmung > 1 GE/m³) auf keinen Fall mehr erfüllt sein (vgl. Abbildung 2-1). 2

3 Abbildung 2-1: Schematische Darstellung des Faktor-10-Modells. Die gestrichelte Linie gibt den Stundenmittelwert an, die durchgezogene Linie einen möglichen zeitlichen Verlauf der Geruchsstoffkonzentration Obwohl das TA-Luft-Faktor-10-Modell keinen weiteren physikalischen Hintergrund besitzt, wird es in der gutachtlichen Praxis häufig angewandt. Ein Grund liegt darin, dass die vom Modell prognostizierten Geruchsstunden üblicherweise zu hoch sind und somit auf der sicheren Seite liegen. Ferner zeigen Begehungen, dass das Modell in vielen Fällen gut mit Beobachtungen übereinstimmt. Als Anwendung des TA-Luft-Faktor-10-Modells ist in Abbildung 2-2 die Verteilung der Geruchsstunden in der Umgebung eines Kompostwerks a) ohne Abluftreinigung, b) mit Abluftreinigung dargestellt (aus Richter et. al., 1998). Man erkennt eine deutliche Reduktion der Geruchsstunden- Häufigkeiten aufgrund der Installation einer Abluftreinigungsanlage. Die Ergebnisse von Geruchsbegehungen, die drei Jahre nach Installation der Abluftreinigungsanlage durchgeführt wurden, zeigen eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse. In der derzeit gültigen Fassung der Geruchsimmissions-Richtlinie (GIRL, 1999) werden sowohl das TA-Luft-Faktor-10-Modell als auch das Modell der zurückgezogenen VDI-Richtlinie 3782, Blatt 4 (ODIF, WINODIF) für die Berechnung der Geruchsausbreitung zugelassen. 3

4 Abbildung 2-2: Geruchsstundenhäufigkeiten in der Umgebung eines Kompostwerkes für den Fall offene Rottehalle (linkes Bild) und geschlossene Rottehalle, Abluftreinigung über Biofilter (rechtes Bild). Modellkonzept 2: Etwa seit Mitte der 90-er Jahre werden neuere Wege zur Berechnung der Geruchsausbreitung beschritten. Das erste Ergebnis stellt die VDI-Richtlinie 3788 Blatt 1 dar, die allerdings nur grundlegende Anforderungen an Geruchsausbreitungsmodelle beinhaltet. Eine Umsetzung eines neuen Konzepts wurde mit dem Modell MEPOD durchgeführt (Janicke, 1999). Es beruht ebenfalls auf zwei Schritten: Schritt 1: Schritt 2: Berechnung einer momentanen Kernfahne mit einem Euler-/Gauß-Modell. Simulation des Mäanderns der Kernfahne Obwohl es sich um ein viel versprechendes Konzept handelt, sind die Arbeiten derzeit ins Stocken geraten. Ein Grund hierfür ist die generelle Umstellung der allgemeinen Ausbreitungsberechung hin zum Lagrange schen Ausbreitungsmodell durch Umsetzung der TA Luft Derzeit wird ein Geruchsausbreitungsmodell (AUSTAL-G) auf der Basis von AUSTAL2000 entwickelt. Es wird voraussichtlich Ende 2004 allgemein verfügbar sein. 4

5 3 Sonderfälle 3.1 Allgemeines Die bisher aufgeführten Modelle gelten streng genommen nur für ebenes Gelände sowie Bereiche, in denen Gebäudeeinflüsse vernachlässigbar sind. Obwohl diese Bedingungen nicht immer eingehalten werden, liefern die Modelle häufig brauchbare Ergebnisse. Sonderuntersuchungen sind jedoch immer dann notwendig, wenn die Ausbreitung im unmittelbaren Nahbereich von Gebäuden untersucht werden muss und Kaltluftabflüsse bei der Ausbreitung eine wesentliche Rolle spielen. 3.2 Kaltluftabflüsse Im Folgenden wird beispielhaft die Ausbreitung innerhalb von Kaltluftabflüssen dargestellt. Im betrachteten Fall befindet sich ein Neubaugebiet am Fuß einer Deponie (siehe Abbildung 4-7). Aufgrund von gehäuften Beschwerden, insbesondere in wolkenarmen Nächten, bestand der Verdacht, dass sich die Gerüche innerhalb von Kaltluftabflüssen ausbreiten. Um die Situation näher zu untersuchen, wurden Modellrechnungen sowie Begehungen durchgeführt (Röckle et. al., 1998). Die berechneten Strömungsverhältnisse sowie die Ausbreitung der Geruchsfahne sind in Abbildung 4-8 dargestellt. Abbildung 3-1: Perspektivische Ansicht des Untersuchungsgebietes mit Einbaubereich der Deponie 5

6 Abbildung 3-2: Berechnete Kaltluftabflüsse (links) und zugehörige Geruchsstoffkonzentrationen (rechts). Der Einbaubereich ist rot gekennzeichnet. Man erkennt, dass die Gerüche zunächst in westliche Richtung verfrachtet werden und dann zum Wohngebiet umbiegen. Die Ergebnisse der Geruchsbegehungen sind in Abbildung 4-9 dargestellt. Man erkennt eine qualitativ gute Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen. Abbildung 3-3: Mittlere Zeitanteile mit deutlich wahrnehmbarem Deponiegeruch (in Prozent der Aufenthaltsdauer) im Untersuchungsgebiet 6

7 Die aus den Berechnungen und Messungen gewonnenen Erkenntnisse konnten in Planungsempfehlungen umgesetzt werden. So wird während der Sommermonate, wenn Kaltluftabflüsse besonders häufig auftreten und zu Beschwerden führen, der Abfall im Süden des Deponiekörpers eingebaut. Die Geruchsfahne streicht in diesem Fall südlich am Wohngebiet vorbei. In den Wintermonaten wird der Einbau in nördliche Richtung verlagert. Da die Ausbreitung von Gerüchen innerhalb von Kaltluftabflüssen ein häufiges Problem darstellt, wurden im Auftrag des Landes Baden-Württemberg das Screening-Modell GAK (Geruchsausbreitung in Kaltluftabflüssen) entwickelt (Röckle et. al., 2000). Dieses Modell berechnet die Kaltluftabflüsse auf einem 50 m Raster. Durch Angabe der Quellekoordinaten (Rechtswert, Hochwert), der Quellhöhe und des Geruchsstoffstroms wird die Ausbreitung der Geruchsfahne berechnet. Dieses Modell steht den Genehmigungsbehörden zur Verfügung. Abbildung 3-4: Ausbreitung der Geruchsfahne aus einer 20 m hohen Quelle innerhalb eines Kaltluftabflusses. Ergebnis des Screening-Modells GAK Derzeit wird im Auftrag des Landes Nordrhein-Westfalen ein vergleichbares Modell erstellt. 7

8 3.3 Ausbreitung in Gebäudenähe Im Nahbereich von Gebäuden wird die Ausbreitung der Gerüche erheblich von kleinräumigen Wirbeln und Kanalisierungen geprägt. Deshalb sind die in der GIRL zitierten Ausbreitungsmodelle eigentlich nicht mehr anwendbar. Abbildung 3-5: Ausbreitung der Geruchsfahne innerhalb eines Gebäudekomplexes. Simulationen mit dem Modell ABC. Gebäude können bewirken, dass die über Dach freigesetzten Geruchsstoffe heruntergemischt werden, weshalb das Immissionsmaximum näher zur Quelle hin verlagert wird. In der Praxis wird häufig das Lagrange-Partikel-Modell LASAT (Janicke, 2001) angewandt. LASAT enthält ein Strömungsmodell, das die Gebäudeeffekte berücksichtigen kann. Mit diesem Modell wird zunächst der Stundenmittelwert berechnet (analog zum Faktor-10-Modell) und anschließend mit einem Faktor multipliziert. Falls das Ergebnis der Multiplikation größer als 1 GE/m³ ist, liegt eine Geruchsstunde vor. Bei niedrigen Quellen ist ein Faktor 4 ausreichend (Hartmann, 2002; Jacob et. al., 1999), bei höheren Quellen (ab etwa 20 Meter) empfehlen wir jedoch einen Faktor 10. 8

9 4 Fazit Die in der GIRL zur Anwendung empfohlenen Modelle liefern für ebenes Gelände hinreichend genaue Ergebnisse. Voraussetzung ist, dass die standort-repräsentativen meteorologischen Daten sowie die Emissionsdaten in guter Qualität vorliegen. Vorsicht ist bei der Anwendung der Modelle insbesondere dann geboten, wenn die Emissionsquellen hohe Volumenströme und/oder hohe Temperaturen aufweisen. Diese beiden Parameter sind für die Abluftfahnen-Überhöhung maßgebend. Beispielsweise können Flächen-Biofilter Ablufttemperaturen von über 30 C und Abluftvolumenströme von über m³/h aufweisen. Rein rechnerisch führt dies zu einer großen Fahnen-Überhöhung, obwohl die Abluft tatsächlich wegen der flächenhaften Ausdehnung der Quelle nur wenig aufsteigt. Im Modell kann dies berücksichtigt werden, indem der Abluftvolumenstrom auf einen kleinen Wert gesetzt wird. Vorsicht ist auch dann geboten, wenn die Abluft über mehrere Kamine, die nicht unmittelbar nebeneinander stehen, emittiert wird. Die Volumenströme dürfen in diesem Fall keinesfalls zusammengefasst werden, da die Abluftfahnen-Überhöhung überschätzt würde. Allgemein zeigen unsere Erfahrungen, dass die Abluftfahnenüberhöhung vom Ausbreitungsmodell bei einigen Wetterlagen überschätzt wird. Diese Wetterlagen treten hauptsächlich tagsüber bei geringer bis mittlerer Bewölkung auf (labile atmosphärische Schichtung). Aus diesem Grund sollte die Abluftfahnenüberhöhung bei den Ausbreitungsklassen III 2, IV und V nicht berücksichtigt werden. Einen ersten Eindruck, ob eine Geruchsquelle zu relevanten Geruchsstundenhäufigkeiten führen kann, ist in Abbildung 4-1dargestellt. Die Kurve wurde aufgrund von Berechnungen ermittelt, die vom Landesumweltamt NRW und unserem Hause durchgeführt wurden. Für Quellkonfigurationen, die sich rechts von der Kurve befinden, wird das Irrelevanzkriterium der GIRL in jedem Fall eingehalten. Geruchsstoffstrom in MGE/h Quellhöhe in m Abbildung 4-1: Bagatellgeruchsstoffstrom in Abhängigkeit von der Kaminhöhe 9

10 Literatur Both, R.; Essers, K.-H.; Gliwa, H.; Külske, S.: Untersuchungen zur Geruchsausbreitung und Geruchserhebung an einem großen Schweinemastbetrieb. Landesumweltamt NRW, Jahresbericht 1995, S , Essen. de la Riva, C.; Ratzki, E.; Medrow, W.: Zur Ausbreitung von Geruchsstoffen in der Atmosphäre. Schriftenreihe der Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN, Band 16 (1991), Düsseldorf, Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN. Geruchsimmissions-Richtlinie: Feststellung und Beurteilung von Geruchsimmissionen. Länderausschuss für Immissionsschutz, 1993 (ergänzte Fassung, 1999). Hartmann, U.: Validierung von Geruchsausbreitungsmodellen Modellvergleich anhand von Geruchsimmissionsmessungen. Gefahrstoffe Reinhaltung der Luft, 62 (2002), Nr.10, S Jacob, J., Lohmeyer, A.; Schieß, N.: Praxis der Berechnung und Bewertung von Gerüchen im Nahbereich niedriger Quellen in Sachsen. Gefahrstoffe Reinhaltung der Luft, 59 (1999), S Janicke, L.: Die Berechnung der Geruchshäufigkeiten in ebenem Gelände (unveröffentlicht), Dunum, LAI - Länderausschuss für Immissionsschutz, AK Ausbreitungsrechnungen: Vergleich der Ergebnisse von Programmen zur Ermittlung der Geruchsimmissionen. Unveröffentlichter Bericht, 1996 Richter, C.-J.; Oehler, E.; Schriewer; H.: Optimierung einer großtechnischen Kompostierungsanlage im Hinblick auf Geruchsemissionen und Verfahrenstechnik. VDI-Berichte 1373, 1998, S Röckle, R.; Richter, C.-J.: Ausbreitung von Geruchsstoffen in Kaltluftabflüssen Messungen und Modellrechnungen. VDI-Berichte 1373, 1998, S Röckle, R.; Richter, C.-J.; Enderle, K.-H.: Geruchsausbreitung innerhalb von Kaltluftabflüssen Messungen und Modellrechnungen zur Erarbeitung von Planungshinweisen. Entsorgungspraxis, Heft 7/8, 1998, S Röckle, R.; Richter.: Geruchsausbreitung in Kaltluftabflüssen. Forschungsbericht Februar 2000 im Auftrag des Umweltministeriums Baden-Württemberg. VDI Richtlinie 3788, Blatt 1: Ausbreitung von Geruchsstoffen in der Atmosphäre - Grundlagen, Düsseldorf, Juli 2000 VDI Richtlinie 3782, Blatt 4 (Entwurf): Ausbreitung von Geruchsstoffen in der Atmosphäre, Düsseldorf, VDI Richtlinie 3788: Ausbreitung von Geruchsstoffen in der Atmosphäre - Grundlagen, Düsseldorf, Juli