Article in yearbook 2013

Bioengineering and Environmental Engineering Demands and measures for emission reduction in animal husbandry

Abstract:
The present contribution describes at first the legal demands on livestock in Germany which have been clearly tightened for larger commercial livestock farms in particular. Beyond that different options for emission reduction are introduced. For large animal husbandries the exhaust air treatment will become important. Increasing energy costs for ventilation of animal stables require new ventilation concepts and measures of inlet air conditioning as well, which both contribute to energy saving and emission reduction.
Long version

Anforderungen und Maßnahmen zur Emissionsminderung in der Tierhaltung

Jochen Hahne, Axel Munack, Klaus-Dieter Vorlop, Marcus Clauß,

Thünen-Institut für Agrartechnologie, Bundesallee 50, 38116 Braunschweig

Kurzfassung

Der vorliegende Beitrag beschreibt zunächst die rechtlichen Anforderungen an die Tierhaltung in Deutschland, die insbesondere für größere gewerbliche Tierhaltungsbetriebe deutlich verschärft worden sind. Darüber hinaus werden verschiedene Maßnahmen zur Emissions-minderung vorgestellt. Für große Tierhaltungsbetriebe wird die Abluftreinigung eine steigende Bedeutung erlangen. Steigende Energiekosten für die Lüftung von Tierhaltungsanlagen erfordern neue Lüftungskonzepte sowie Maßnahmen zur Zuluftkonditionierung, die neben der Energieeinsparung auch zur Emissionsminderung beitragen.

Schlüsselwörter

Tierhaltung, rechtliche Anforderungen, Emissionsminderung, Zuluftkonditionierung

 

Demands and measures for emission reduction in animal hus-bandry

Jochen Hahne, Axel Munack, Klaus-Dieter Vorlop, Marcus Clauß,

Thünen Institute of Agricultural Technology, Bundesallee 50, 38116 Braunschweig

Abstract

The present contribution describes at first the legal demands on livestock in Germany which have been clearly tightened for larger commercial livestock farms in particular. Beyond that different options for emission reduction are introduced. For large animal husbandries the exhaust air treatment will become important. Increasing energy costs for ventilation of animal stables require new ventilation concepts and measures of inlet air conditioning as well, which both contribute to energy saving and emission reduction.

Keywords

Livestock, legal demands, emission reduction, inlet air conditioning

 

Hintergrund

In Deutschland ist die Nutztierhaltung eine der bedeutendsten Quellen für luftgetragene Emissionen von Gerüchen, Gasen (hauptsächlich Ammoniak), Staub und Bioaerosolen. Für Ammoniak lag z. B. im Jahr 2011 der Anteil an der deutschen NH3-Gesamtemission bei 80 %, beim Staub (PM10) waren es im selben Jahr immerhin noch etwa 10 % [1]. Besonders Stäube aus der Tierhaltung enthalten bis weit über 90 % organisches Material und große Mengen verschiedener Mikroorganismen, d. h. sie können fast komplett als Bioaerosol auf-gefasst werden. Alle diese Stoffe gelangen über die Abluft aus den landwirtschaftlichen Be-trieben heraus in die Umwelt (Emission), werden von dort weiter verdriftet (Transmission) und deponieren schließlich im Umfeld (Immission). Dies kann zu Umweltschäden (Klimaver-änderung, Eutrophierung und Versauerung von Böden und Gewässern) oder gesundheitlichen Beeinträchtigungen (Geruchsbelästigung, Allergien, Infektionen) führen.

Rechtliche Anforderungen

Allgemein hat Deutschland sich im Rahmen des Kyoto-Protokolls verpflichtet, seine Treib-hausgas-Emissionen zu reduzieren, dabei geht es allerdings primär um Methan und Lachgas. Im Agrarsektor besteht für diese beiden Gase bisher keine unmittelbare Reduktionsver-pflichtung, entsprechende Emissionen unterliegen aber einer regelmäßigen Überprüfung. Für Ammoniak wird dagegen in der NEC-Richtlinie (2001/81/EG) vom 23.10.2001 für Deutsch-land verbindlich festgelegt, dass der im Göteborg-Protokoll vereinbarte Grenzwert von höchstens 550 Gg/Jahr ab 2010 eingehalten werden muss. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden verschiedene Maßnahmen getroffen. Zum Beispiel sollten NH3-Emissionen, die bei der Wirtschaftsdüngerausbringung entstehen, durch Vorgaben der Düngeverordnung (DüV) begrenzt werden. Diese Maßnahmen brachten jedoch nicht den gewünschten Erfolg, so dass der geforderte Grenzwert sowohl 2010 als auch 2011 überschritten wurde [2].

Für Tierhaltungsanlagen bildet das Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) die Grund-lage für deren Genehmigung und Überwachung. Zweck des Gesetzes ist es, Menschen, Tiere und Pflanzen, den Boden, das Wasser, die Atmosphäre sowie Kultur und sonstige Sachgüter vor schädlichen Umwelteinwirkungen zu schützen und dem Entstehen schädlicher Umwelteinwirkungen vorzubeugen (§ 1). Art und Umfang von Genehmigungsverfahren sind abhängig von Tierart und gehaltener Tieranzahl und werden in der 4. Verordnung zur Durch-führung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verordnung über genehmigungsbedürftige Anlagen) (4. BImSchV) konkretisiert. Bei Anlagen mit mehr als 750 Sauen, 2.000 Mast-schweinen oder 40.000 Geflügelplätzen ist auch die Industrie-Emissions-Richtlinie (IED) re-levant.

Neben den bisher genannten Gesetzen und Richtlinien kommen noch weitere Regelwerke zur Anwendung. Dies sind z. B. die Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft), in der allgemeine Schutzanforderungen für Feinstaub und Ammoniak sowie konkret tierart- und tiermassebezogene Mindestabstände zur Wohnbebauung oder zu empfindlichen Öko-systemen genannt werden. In der Geruchsimmissionsrichtlinie werden Anforderungen zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch Gerüche konkretisiert. Darüber hinaus gibt es diverse VDI-Richtlinien, in denen Emissionen und Immissionen aus Tierhaltungs-anlagen behandelt werden. Letztlich regelt die Tierschutz-Nutztierhaltungsverordnung im Falle einer gewerbsmäßigen Haltung die tierschutzrechtlichen Anforderungen, welche immer mit berücksichtigt werden müssen. Diesbezüglich gibt es allerdings oft Differenzen, sind doch die Interessen des Umweltschutzes nicht immer vereinbar mit denen des Tierschutzes. Zum Beispiel hat sich die Struktur der Legehennenhaltung in Deutschland stark verändert. Die in Hinblick auf die Emissionen als eher günstig einzustufende klassische Käfighaltung oder auch der ausgestaltete Käfig ist Volieren- oder Bodenhaltungen gewichen, in denen es nachweislich zu höheren Emissionen von Staub und Ammoniak kommt [3]. Auch die Freilandhaltung bedeutet nicht automatisch mehr oder weniger Emissionen, aber durch die Haltung in diesen offenen Ställen können z. B. Abluftreinigungsanlagen nicht sinnvoll eingesetzt werden. Gerade bei Schweinen, die nur zu einem sehr geringen Teil in Ausläufen gehalten werden, ist die Abluftreinigungstechnik aber eine vielversprechende Maßnahme zur Minderung von Emissionen aus den Ställen und damit zur Verringerung der Umweltwirkung. In der Praxis werden hier verschiedene ein- oder mehrstufige Systeme eingesetzt (Bild 1).

Bild 1: Beispiele für in der Praxis eingesetzte biologische Abluftreinigungsanlagen (links: einstufiger Rieselbettreaktor; rechts: Biofilterstufe einer dreistufigen kombinierten Anlage)

Figure 1: Examples of biological air treatment systems used in practice (left: one-step bio trickling filter, right: bio filter step of a three-step combined system)

Erst kürzlich haben die Bundesländer Nordrhein-Westfalen und Niedersachen die Abluftrei-nigung für große Anlagen zur Haltung von mehr als 2.000 Mastschweinen, 750 Sauen oder 6.000 Ferkeln (Nummer 7.1 g-i, Spalte 1 der 4. BImSchV) in entsprechenden Erlassen [4, 5] zum Stand der Technik erklärt. Dies bedeutet, dass bei Neu- oder Änderungsgenehmigungen für Anlagen der genannten Größenordnungen der Einbau von geprüften Abluftreini-gungsanlagen gefordert wird. Demgegenüber kann für große Geflügelhaltungen noch kein Stand der Technik bezüglich des Einbaus von Abluftreinigungsanlagen definiert werden, da es erst eine anerkannte Abluftreinigungsanlage für die Hähnchenkurzmast gibt [6]. Hier muss die technische Entwicklung noch abgewartet werden. Allerdings befindet sich eine Reihe von Verfahren zurzeit in der Prüfung, so dass weitere Fortschritte hier absehbar sind. In den Er-lassen wird auch auf die Bioaerosolproblematik bei den immissionsschutzrechtlichen Ge-nehmigungsverfahren eingegangen. Abluftreinigungsanlagen, die ihre Wirksamkeit zur Ab-scheidung von Staub bewiesen haben, werden auch als geeignetes Verfahren zur Minderung der Bioaerosolemissionen eingestuft.

Durch die Änderung des § 35 des Baugesetzbuches [7] kommen insbesondere auf die grö-ßeren gewerblichen Tierhaltungen Veränderungen zu. Entsprechende Anlagen mit bei-spielsweise mehr als 1.500 Mastschweinen, 560 Sauen, 4.500 Ferkel, 15.000 Legehennen, 15.000 Putenplätzen dürfen im Außenbereich nicht mehr errichtet und auch nicht mehr ver-ändert werden. Unverändert zulässig bleiben baurechtliche Anlagen, die die genannten Grenzen nicht erreichen bzw. landwirtschaftliche Anlagen, die mehr als 50 % ihres Futterbe-darfes auf eigenen Flächen erzeugen können. Die von der Neuregelung erfassten größeren gewerblichen Tierhaltungsanlagen im Sinne des Bundes-Immissionsschutzgesetzes können zukünftig nur noch in Gebieten errichtet werden, für die die Gemeinden entsprechende Flä-chen ausweisen.

Abluftreinigungsanlagen

Nach gegenwärtigem Kenntnisstand bieten anerkannte Abluftreinigungsanlagen die Möglich-keit, die Emission von Tierställen stark zu verringern. DLG-zertifizierte Anlagen trennen min-destens 70 % bis über 90 % der Ammoniak- und Staubfrachten aus zwangsbelüfteten Anla-gen der Schweine- und Geflügelhaltung ab [8]. Auch mesophile Bakterien und bestimmte Gruppen von Bakterien, denen auch Krankheitserreger angehören, können mit Wirkungs-graden zwischen 70 – 99 % aus dem Abluftstrom eines Stalls entfernt werden (Bild 2) [9].

Bild 2: Durchschnittliche Abscheideeffizienz (n = 20) zweier DLG-zertifizierter Abluftreini-gungsanlagen an Schweineställen für verschiedene Gruppen luftgetragener Mikroorganismen

Figure 2: Average reduction efficiency (n = 20) of two DLG certified air cleaning systems at piggeries for different groups of airborne microorganisms

Bei Anlagen mit einem Biofilter als letzte Reinigungsstufe kann es manchmal zu einem er-höhten Austrag von Pilzsporen und Aktinomyzeten kommen. Hierbei handelt es sich jedoch um Mikroorganismengruppen, die in vergleichbaren Konzentrationen auch in der natürlichen Hintergrundkonzentration z. B. im Wald vorkommen [10]. Eine vollständige Abscheidung dieser mikrobiellen Komponenten wird mit der momentan in der Praxis verwendeten Technik nicht möglich sein.

Die Umweltwirkungen von Bioaerosolen im Allgemeinen werden bislang noch kontrovers diskutiert. Auch sind einige methodische Fragen hinsichtlich der Wahl geeigneter Nährböden zum Nachweis bestimmter Mikroorganismen noch nicht abschließend geklärt [11]. Bei der Beurteilung von Vorhaben, bei denen es zur Freisetzung von Bioaerosolen kommt, ist die Bewertung der natürlichen Hintergrundkonzentration von Bedeutung, die möglichst nicht we-sentlich überschritten werden soll. Wie aktuelle Arbeiten zeigen, unterliegen die Hintergrund-konzentrationen von natürlich vorkommenden Schimmelpilzen und Aktinomyzeten jahres-zeitlichen Schwankungen [10]. Als Indikatorkeime im Bereich der Nutztierhaltung bieten sich vor allem Staphylokokken und Streptokokken an. Größe und Form luftgetragener Mikroorga-nismen bzw. mikroorganismentragender Partikel variieren relativ stark (Bild 3). Während Pilzsporen einen Durchmesser von ca. 2 - 20 µm aufweisen und oft vereinzelt auftreten, werden Bakterien am häufigsten als Aggregate oder an anderen Partikeln angelagert im Größenbereich von 6 - 10 µm bis zu 100 µm nachgewiesen [11]. Die Abscheidung von Parti-keln dieser Größenordnungen ist mit der Abluftreinigung möglich [12].

Bild 3: Eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Stallstaub aus einem Broilerstall zeigt dessen heterogene Zusammensetzung

Figure 3: Scanning electron-microscopy image of dust from a broiler house, showing its het-erogeneous nature

Test von Abluftreinigungsanlagen

Damit Abluftreinigungsanlagen Emissionen aus der Tierhaltung möglichst effektiv reduzieren, müssen sie sachgerecht dimensioniert und ordnungsgemäß betrieben werden. Die Wirk-samkeit dieser Anlagen und ihr Gebrauchswert werden seit 2005 von der Deutschen Land-wirtschaftsgesellschaft (DLG) unter Mitwirkung einer unabhängigen Prüfkommission sowie einer akkreditierten Prüfstelle auf der Grundlage des DLG-Prüfrahmens "Abluftreinigungssys-teme für Tierhaltungsanlagen" getestet und bewertet. Seit 2005 wurden 13 Prüfverfahren von 9 verschiedenen Herstellern erfolgreich abgeschlossen [13]. Die Prüfberichte sind kostenlos verfügbar. Während für die Schweinehaltung verschiedene Verfahren unterschiedlicher Her-steller marktverfügbar sind, ist erst ein einziges für den Bereich der Geflügelhaltung verfüg-bar. Allerdings befinden sich aktuell 7 weitere Verfahren in der Prüfung, wobei 4 in der Ge-flügelhaltung laufen. Die Prüfung von Abluftreinigungsanlagen soll europaweit in Zukunft möglichst einheitlich geregelt werden. Zu diesem Zweck wurde bereits ein gemeinsamer Prüfrahmen erarbeitet (VERA Test Protocol for Air Cleaning Technologies), der im Wesentli-chen auf dem DLG-Prüfrahmen beruht [14].

Weitere Maßnahmen zur Verminderung von Emissionen

Grundsätzlich ist es ökonomisch und aus Sicht des Umweltschutzes sinnvoll, Emissionen soweit wie möglich zu vermeiden. Emissionen aus der Schweine- und Geflügelhaltung stammen im Wesentlichen aus den Ställen sowie der Lagerung und der Ausbringung von Wirtschaftsdüngern, während bei Rindern auch der Weidegang berücksichtigt werden muss. Bei den Emissionen müssen vor allem die Parameter Geruch, Ammoniak, Feinstaub und zunehmend auch die Bioaerosole berücksichtigt werden.

Eine wirksame Minderung von Ammoniakemissionen aus der Schweinehaltung stellt der Übergang von der Universalmast zur Zweiphasenmast dar [15]. Durch die Absenkung des Rohproteingehaltes auf 14 % ließen sich die N-Ausscheidungen um 20 - 30 % gegenüber den Referenzverfahren reduzieren. Hilfreich wäre allerdings noch die Information gewesen, welcher Anteil am Schweinebestand in Deutschland noch mit einer Universalmast gefüttert wird, um das Einsparpotenzial besser abschätzen zu können.

Die Emissionen aus einem Stall werden auch durch das absolut durchgesetzte Luftvolumen bestimmt, wie entsprechende über mehrere Jahre angelegte Messungen an zwei Geflügel-ställen gezeigt haben [16]. Insofern kann eine Verminderung des Luftdurchsatzes durch ge-eignete Verfahren zur Zuluftkonditionierung auch einen Beitrag zur Minderung von Ammoni-akemissionen darstellen. Die Kühlung von Schweineställen durch eine Luftzufuhr von Unter-flur kann sowohl die Sommertemperaturen in Ställen um 6 - 8 °C vermindern als auch die Luftqualität im Aufenthaltsbereich der Sauen (0,6 m über Fußboden) verbessern, da die Ammoniakkonzentrationen in dieser Höhe spürbar gesenkt wurden [17]. Eine weitere mögli-che Minderung der erforderlichen Luftrate kann der Einsatz von Wärmerückgewinnungsanla-gen liefern, wobei verschiedene Verfahren mit adiabatischer und/oder diabatischer Kühlung vorgestellt werden [18]. Einjährige Untersuchungen an einem neuartigen Erdwärmetauscher, bei dem die Zuluft seitlich über einen Hohlraum zwischen Erdboden und Unterkante der Flüssigmistwanne zugeführt wird, ergaben positive Wirkungen auf das Stallklima, weil es zu einer erheblichen Temperatur-Amplitudendämpfung kam. Der maximale Anwärmeffekt be-trug 16 K (Außentemperatur: - 9 °C), während der maximale Kühleffekt 17 K betrug (Außen-temperatur: 42 °C). Der Betrieb des Erdwärmetauschers erbrachte eine erhebliche Wärme-energie, die zur Einsparung fossiler Energieträger beitrug. Trotz Kühlleistung im Sommer wurde die Stallluft im Jahresmittel erwärmt. Diese mittlere Temperatur lag bei 26 °C, sodass sich dieses Verfahren besonders für die Ferkelerzeugung eignen würde. Der Stromverbrauch für die Lüftung lag um 46 % niedriger als in vergleichbaren konventionellen Ställen [19]. Der Einsatz von wabenartigen Cellulose-Pads (cooling pads) im Zuluftbereich kann ebenfalls im Sommer zu einer deutlichen Absenkung der Stalltemperaturen um 6 - 10 K bei Außentemperaturen von 30 °C und mehr und damit auch zur Reduzierung der Luftraten bei-tragen [20].

Ein gleichmäßiger Luftaustausch im Stall ist auch für das Tierwohl von großer Bedeutung (Schadgaskonzentration, Hitzestress). Strömungssimulationen an zwei Schweinemastabteilen mit Porendecken- und Unterflurzuluftführung ergaben, dass mit der numerischen Simulation die Strömungsvorgänge beider Varianten recht gut abgebildet werden konnten [21]. Bei frei belüfteten, nicht gedämmten, mit Windschutzwänden ausgestatteten Milchviehställen ergaben entsprechende Untersuchungen, dass die Luftgeschwindigkeiten im Stall sehr unterschiedlich waren und Turbulenzen auftraten. Zur Vermeidung von Hitzestress und der Verbesserung der Luftqualität insgesamt sind wahrscheinlich zusätzliche Maßnahmen erforderlich [22].

Haltungsverfahren und Stallmanagement in der Legehennenhaltung haben erheblichen Ein-fluss auf die Emission von Ammoniak und Feinstaub. Bei den vergleichenden Untersuchun-gen zwischen Voliere und Deutscher Kleingruppe ergaben die noch nicht abgeschlossenen Versuche, dass die spezifischen Emissionen an Staub und Ammoniak in der Volieren-Haltung deutlich höher ausfallen als in der Deutschen Kleingruppe [23]. Wesentliche Einflussfaktoren für die Staubemission waren Einstreu, Sandbad und Lichtprogramm, während die Freisetzung von Ammoniak vor allem vom Entmistungsintervall abhing. Zur Minderung der Schwebstaubkonzentration bei der Bodenhaltung von Legehennen bieten sich die Was-serverneblung mit und ohne Zusatz von Rapsöl sowie geeignete Einstreumaterialien wie Tonpellets oder Torf an [24].

Zusammenfassung

Die Nutztierhaltung in Deutschland ist ein wichtiger Wirtschaftsfaktor, trägt aber auch zu er-heblichen Umweltbelastungen bei. Zur Regelung der ordnungsgemäßen Tierhaltung und zur Minderung von Emissionen aus diesem Sektor muss eine Fülle von Gesetzen, Verordnungen und Richtlinien beachtet werden. Insbesondere für große Schweinehaltungsbetriebe steigen die Anforderungen an den Emissionsschutz. Durch die Änderung des § 35 des Bau-gesetzbuches wird Errichtung größerer, gewerblicher Tierhaltungsbetriebe in Deutschland stark eingeschränkt.

Neben der nach wie vor erforderlichen Reduktion der nationalen Ammoniakemissionen sind insbesondere die Emission von Bioaerosolen und Maßnahmen zu deren Minderung in den Fokus der Umweltforschung gelangt. Steigende Energiepreise insbesondere für die Lüftung von Tierhaltungsanlagen führen zu verstärkten Anstrengungen zur Minderung von Luftwech-selraten durch verschiedene Verfahren der Zuluftkonditionierung.

Der vorliegende Beitrag gibt einen aktuellen Überblick über Möglichkeiten zur Minderung von Umweltbelastungen und zur Einsparung von Energie.

Keywords:
emission reduction, livestock, legal demands, inlet air conditioning
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Hahne, Jochen; Munack, Axel; Vorlop, Klaus-Dieter; Clauß, Marcus: Demands and measures for emission reduction in animal husbandry. In: Frerichs, Ludger (Hrsg.): Jahrbuch Agrartechnik 2013. Braunschweig: Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge, 2014. – pp. 1-11
Review date 20.12.2013

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