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Hygienische Standards für Klärschlamm

DWA 2007, Hennef Seite 1/19

HYGIENISCHE STANDARDS FÜR DIE VERWERTUNGVON KLÄRSCHLAMM IN DER LANDWIRTSCHAFT – EIN INTERNATIONALER VERGLEICH

Dr. Konrad Buchauer, Innsbruck, Österreich

1. AUSGANGSLAGE Eine drängende Frage bei der Planung von Kläranlagen in Schwellen- und Entwicklungsländern ist jene nach der Verwertung bzw. Entsorgung des anfallenden Klärschlammes. In vielen dieser Länder besteht reges Interesse an einer landwirtschaftlichen Nutzung der Ressource Klärschlamm. Allerdings sind dafür vor Ort oft keine oder nur mangelhafte gesetzliche Regelungen vorhanden. Während sich in den entwickelten Ländern die Diskussion bezüglich der Qualität von Klärschlamm vor allem um die Themen öffentliche Meinung, Schwermetalle und in den letzten Jahren auch vermehrt um organische Schadstoffe dreht, stehen in Entwicklungs- und Schwellenländern zusätzlich hygienische Aspekte im Vordergrund. Der planende Ingenieur sieht sich daher in diesen Ländern immer wieder mit der Aufgabe konfrontiert, Grenzwerte für die hygienische Qualität von Klärschlamm vorzuschlagen, und mögliche Behandlungsverfahren daran zu messen. Wie die nachfolgenden Ausführungen zeigen werden, ist dies weder eine Routineaufgabe, noch gibt es einen universellen Konsens. Dies ist umso erstaunlicher, als Projekte der Wasserver- und Abwasserentsorgung meist mit dem globalen Ziel einer Verbesserung der Gesundheit der lokalen Bevölkerung verfolgt werden. Wenn jedoch Klärschlamm mit hygienisch unzureichender Qualität in der Landwirtschaft eingesetzt wird, dann schließt sich nicht nur ein Kreislauf von Nähr- bzw. Wertstoffen im Sinne einer nachhaltigen Bodenbewirtschaftung, sondern es schließt sich leider über den menschlichen Kontakt mit solchem Schlamm sowie über den Verzehr der so erzeugten landwirtschaftlichen Produkte auch ein Kreislauf der kontinuierlichen Wiederverkeimung. Nach Jahrzehnten der Unterstützung beim Aufbau von Wasserversorgungssystemen sowie einer in den letzten Jahren zunehmenden Hinwendung zur Abwasserreinigung, wäre es hoch an der Zeit, sich auch verstärkt der Hygiene bei der Verwertung des Klärschlammes zuzuwenden. Das Ziel dieses Beitrages ist nicht das Aufzeigen von Vor- und Nachteilen verschiedener Verfahrenstechniken zur „hygienisch idealen“ Schlammbehandlung. Es soll vielmehr ein grundsätzliches Bewußtsein für die Problematik geweckt bzw. gestärkt werden. Die primären Themen sind: • Welche pathogenen Keime spielen im Klärschlamm eine maßgebliche Rolle bzw. sind als

Hygieneindikator geeignet? • Wie hoch ist die Zahl pathogener Organismen im unbehandelten und ausgefaulten

Klärschlamm? • Auf welchen Kriterien beruhen internationale Standards für pathogene Organismen im

Klärschlamm? • Ist eine Verbesserung der Klärschlammhygiene generell oder nur manchmal erforderlich?



Ascaris

E.coli

Salmonella

Foto: Europäischer Kalkverband

2. PATHOGENE ORGANISMEN UND IHR GESUNDHEITSRISIKO FÜR DEN MENSCHEN Sowohl Abwasser wie auch Klärschlamm beinhalten eine Vielzahl an pathogenen Organismen. Insbesondere die nachfolgend angeführten Gruppen werden als relevant angesehen, und verursachen laut WHO [28] ca. 30 unterschiedliche Krankheiten mit maßgeblichem Einfluss auf die Qualität der öffentlichen Gesundheit. • Würmer bzw. Helminthen: Unterschieden werden oft 2 Gruppen: Bandwürmer sowie

Rundwürmer bzw. Nematoden (Ascaris lumbricoides, Trichuris trichiura, etc.) • Bakterien (Fäkal-Coliforme, E.coli, Legionellen, Salmonellen, Vibrio cholerae, etc.) • Viren (Enterovirus, Rotavirus, Hepatitis-A-Virus, etc.) • Protozoen (Giardia lamblia, Entamoeba histolytica, etc.)

Bild 2.1: Wurmei (Ascaris), E.coli, Salmonella



Group Pathogen Disease and symptomsBacteria Aeromonas spp. Enteritis

Campylobacter jejuni/coli Campylobacteriosis - diarrhoea, cramps, abdominal pains, fever, nausea, arthritis; Guillain-Barré syndrome

Escherichia coli (EIEC, EPEC, ETEC, EHEC)

Enteritis

Plesiomonas shigelloides EnteritisSalmonella typhi/paratyphi Typhoid/paratyphoid fever - headache, fever,

malaise, anorexia, bradycardia, splenomegaly, cough

Salmonella spp. Salmonellosis - diarrhoea, fever, abdominal cramps

Shigella spp. Shigellosis - dysentry (bloody diarrhoea), vomiting, cramps, fever; Reiter's syndrome

Vibrio cholerae Cholera - water diarrhoea, lethal if severe and untreated

Yersinia spp. Yersiniosis - fever, abdominal pain, diarrhoea, joint pains, rash

Viruses Enteric adenovirus 40 and 41 EnteritisAstrovirus EnteritisCalicivirus (including norovirus) EnteritisCoxsackievirus Various: respiratory illness; enteritis; viral

meningitisEchovirus Aseptic meningitis; encephalitis; often

asymptomaticEnterovirus types 68-71 Meningitis; encephalitis; paralysisHepatitis A virus Hepatitis - fever, malaise, anorexia, nausea,

abdominal discomfort, jaundiceHepatitis E virus HepatitisPoliovirus Poliomyelitis - often asymptomatic, fever, nausea,

vomiting, headache, paralysisRotavirus Enteritis

Parasitic protozoa

Cryptosporidium parvum Cryptosporidiosis - water diarrhoea, abdominal cramps and pain

Cyclospora cayetanensis Often asymptomatic; diarrhoea, abdominal painEntamoeba histolytica Amoebiasis - often asymptomatic; dysentry,

abdominal discomfort, fever, chillsGiardia intestinalis Giardiasis - diarrhoea, abdominal cramps, malaise,

weight lossHelminths Ascaris lumbricoides (roundworm) Ascariasis - generally no or few symptoms;

wheezing, coughing, fever, enteritis, pulmonary eosinophilia

Taenia solium/saginata (tapeworm) Taeniasis

Trichuris trichiura (whipworm) Trichuriasis - unapparent through vague digestive tract distress to emaxiation with dry skin and diarrhoea

Ancylostoma duodenale / Necator americanus (hockworm)

Itch, rash, cough, anaemia, protein deficiency

Schistosoma spp. (blood fluke) Schistosomiasis, bilharziaSource: Adapted from Ottosson (2003)

Tab.2.1: Pathogene Organismen in menschlichen Fäkalausscheidungen und zugehörige Krankheiten und Symptome laut [30]



Bei der beschriebenen Vielzahl an pathogenen Organismen ist es praktisch unmöglich, Schlamm auf alle möglichen Spezies zu analysieren. Es stellt sich daher die Frage nach dem „idealen“ Indikator. Dieser ideale Indikator sollte zumindest folgende Anforderungen erfüllen: • Generelles und zahlreiches Vorkommen in Rohschlamm. • Repräsentative Resistenz gegenüber üblichen Schlamm-Behandlungsverfahren. • Einfache Bestimmbarkeit. Die einfachste Methode einer Bewertung wäre die alleinige Betrachtung von Helminthen. Diese Vereinfachung beruht auf der Annahme, dass sich bei entsprechend ausreichender Elimination von Würmern bzw. Wurmeiern sich alle anderen pathogenen Mikroorganismen ebenfalls im zulässigen Rahmen bewegen. Diese Option wird auch deshalb als sinnvoll angesehen, weil das Risiko einer Infektion mit Würmern bzw. der weiteren Verbreitung einer dadurch verursachten Erkrankung als am höchsten eingestuft wird [25]. Tab.2.2: Relatives Risiko für menschliche Gesundheit zufolge pathogener Keime [25] Hohes Risiko von Infektion & Verbreitung Helminthen (Ancylostoma, Ascaris, Trichuris,

Taenia, etc.) Mittleres Risiko von Infektion & Verbreitung Enterobakterien (Cholera vibrio, Salmonella

typhosa, Shigella, etc.) Geringes Risiko von Infektion & Verbreitung Enteroviren, Hepatitis-A-Virus, etc.

In westlichen Industrienationen ist der Befall mit Würmern jedoch derart niedrig, dass sie weder im Abwasser noch im Klärschlamm als brauchbare Hygiene-Indikatoren anzusehen sind. Es haben sich daher viele Länder dazu entschlossen, Bakterien als Hygiene-Indikatoren zu bevorzugen, sei es für sich alleine genommen, oder in Kombination mit Helminthen bzw. in seltenen Fällen auch in Kombination mit Viren. Viren treten in sehr unterschiedlicher Zahl auf und sind zudem schwierig zu bestimmen. Sie sind daher denkbar schlecht als Indikator geeignet, und werden dementsprechend selten als Indikator herangezogen. Auch die Anzahl an Protozoen im Rohschlamm ist sehr unterschiedlich und daher kein idealer Indikator.

3. PATHOGENE ORGANISMEN IM SCHLAMM VON KLÄRANLAGEN

Typische hygienische Charakteristika von Klärschlamm aus unterschiedlichen Herkunftsländern werden anschließend vorgestellt. Die Auswahl ist willkürlich und erhebt keinen Anspruch auf statistische Vollkommenheit. Nichts desto trotz ermöglichen die Daten ein Bild der gängigen Streubreite von pathogenen Organismen in rohem bzw. ausgefaultem Klärschlamm.



Tab.3.1: Pathogene Organismen in rohem bzw. ausgefaultem Klärschlamm

Die wesentlichsten Schlussfolgerungen sind: • Helminthen und Salmonella sp.: Die Daten weisen darauf hin, dass ein Zusammenhang

zwischen den sozioökonomischen Randbedingungen des Einzugsgebietes und der Konzentration dieser Organismen besteht. Je höher der Lebensstandard, umso geringere Konzentrationen von Helminthen und Salmonella sp. treten auf, und umgekehrt.

• Fäkal-Coliforme: Es kann kein offensichtlicher Zusammenhang zwischen der Konzentration der Fäkal-Coliformen und den sozioökonomischen Randbedingungen des Einzugsgebietes festgestellt werden.

• Eine mesophile Faulung bei ca. 30-35°C erzielt über einen Zeitraum von 20 Tagen folgende Reduktion von pathogenen Keimen: - Helminthen 0% - Fäkal-Coliforme: 90 – 99% (d.h. 1 – 2 Zehnerpotenzen) - Salmonella sp.: 90 – 99% (d.h. 1 – 2 Zehnerpotenzen) (In [30] werden Literaturwerte für die mesophile Reduktion der Helminthen von 0,5 Zehnerpotenzen und generell ca. 50% bei pathogenen Organismen genannt.)

Roher Schlamm Ausgefaulter Schlamm Land Anzahl

an Klär- QuelleMin Max Min Max anlagen

Helminthen nr / gTR 48 121 3 179 Mexiko 18 [3]nr / gTR 21 13 Mexiko 1 [5]nr / gTR --- --- 49 277 Mexiko 3 [19]nr / gTR 73 177 --- --- Mexiko 1 [16]nr / gTR --- --- 14 58 Brasilien 1 [11]nr / gTR --- --- 22 33 Uganda 1 [23]nr / gTR < 1 5 Frankreich 10 [12]

BakterienFäkal-Coliforme nr/ml Schl. 1,0E+07 1,0E+08 1,0E+04 1,0E+05 Deutschland 1 [4]

nr / gTR --- --- 4,5E+05 1,5E+06 Deutschland 1 [14]nr / gTR --- --- 6,2E+03 1,5E+08 Österreich 1 [24]nr / gTR 6E+05 5E+08 < 3 9E+06 Mexiko 18 [3]nr / gTR 1E+06 5E+06 5E+03 1E+04 Mexiko 1 [5]nr / gTR --- --- 2E+02 6E+04 Griechenland 16 [1]nr / gTR 2E+06 6E+07 1E+04 8E+05 USA 6 [6]

Salmonella sp. nr / gTR 3E+04 2E+06 < 3 2E+05 Mexiko 18 [3]nr / gTR 2E+02 1E+03 4 2E+02 USA 6 [6]

Enterococos nr / gTR --- --- 3E+03 Mexiko 1 [19]Streptococcus faec. nr / gTR 2E+06 4E+07 2E+04 4E+05 USA 6 [6]

nr / gTR --- --- 8E+04 Deutschland 1 [14]nr / gTR --- --- 1E+04 2E+07 Österreich 1 [24]



4. INTERNATIONALER VERGLEICH VON HYGIENESTANDARDS FÜR DIE VERWERTUNG VON KLÄRSCHLAMM IN DER LANDWIRTSCHAFT

Die nachfolgenden Ausführungen versuchen anhand einiger Beispiele einen Überblick zu geben, welche Standards derzeit für die landwirtschaftliche Verwertung von Klärschlamm angewandt bzw. empfohlen werden.

4.1 World Health Organization (WHO) Von der WHO stammt das Standardwerk “Health Guidelines for the use of wastewater in agriculture and aquaculture” aus dem Jahr 1989 [28], das bis vor kurzem noch als die Meßlatte für alle übrigen Hygienestandards herangezogen wurde. Ausgangspunkt für die Schlussfolgerungen betreffend Klärschlamm war der darin definierte, maximal zulässige Wert von 1 Nematoden-Eiern / Liter Bewässerungswasser. Darauf aufbauend ließen sich Werte für die maximal zulässige Nematodenzahl pro Hektar bewässerter Fläche berechnen. Die Kombination dieser Werte mit maximalen Klärschlamm-Düngemengen ermöglichte letztlich eine Rückrechnung auf die maximal zulässige Zahl an Helminthen im Klärschlamm. Üblicherweise resultieren daraus Anforderungen von < 1 – 10 Helminthen-Eier / gTR. Als Beispiel für eine solche Festlegung sei auf [31] verwiesen. Darin wird, basierend auf einer maximalen Düngerate von 2-3 Tonnen Feststoff/ha/Jahr eine maximal zulässige Anzahl an Nematoden-Eiern von 3-8 Eier/gTR abgeleitet. Nach Jahren intensiver Diskussion wurde nunmehr im vergangenen Jahr 2006 eine überarbeitete Version der WHO-Guidelines in 4 Bänden publiziert. Band 4 bezieht sich auf „Excreta and greywater use in agriculture“ [30]. Einleitend wird darauf hingewiesen, dass die getroffenen Empfehlungen für Hygiene-Standards gleichermaßen auf die Gesundheit von Produzenten und Konsumenten von landwirtschaftlichen Produkten ausgerichtet sind. Einfach verfügbare Technologien, die in der Lage sind, diesen Standards zu entsprechen, werden zwar angeführt, erheben aber keinen Anspruch auf Vollständigkeit und schließen andere Technologien ausdrücklich nicht aus. Nicht zuletzt wird festgehalten, dass sich die neuen WHO-Hygiene-Standards als ausgewogenes Maß zwischen technisch Machbarem und in den meisten Ländern auch finanziell Realisierbarem verstehen. Standards, die nur mit hohem Aufwand erzielbar sind, werden als kontraproduktiv angesehen, da sie das Risiko in sich bergen, vielerorts ignoriert zu werden. Tab.4.1: WHO-Empfehlungen [30] für den Einsatz von behandelten Fäkalien und

Klärschlamm in der Landwirtschaft Helminthen-Eier E.coli

nr / gTR nr / gTRBehandelte Fäkalien und Klärschlamm < 1 < 1.000



Tab.4.2: WHO-Empfehlungen [30] zur Behandlung von Fäkalien und Klärschlamm vor deren Einsatz in der Landwirtschaft

Die Festlegung der neuen WHO-Empfehlungen erfolgte primär auf Basis einer QMRA (quantitative microbial risk assessment). Diese inkludiert epidemiologische Faktoren (infektiöse Dosis, etc.), Resistenz der pathogenen Mikroorganismen außerhalb des Menschen, mögliche Wege der Übertragung/Ansteckung, relative Effizienz verschiedener Behandlungsmöglichkeiten, Maßnahmen zum Risikomanagement. – Insgesamt bietet eine QMRA somit eine weite Palette von Variablen, die in Abhängigkeit der jeweiligen Randbedingungen individuell zu ermitteln bzw. festzulegen sind. Diese Variablen spannen den Bogen von der spezifischen Ausgangslage, über unterschiedliche Auffassungen bzgl. tolerierbarer Risiken und vertretbarer Kosten, etc. bis hin zu den Gesundheitszielen. Ein in diesem Zusammenhang häufig gebrauchter Begriff zum Vergleich von Krankheiten sei an dieser Stelle kurz erwähnt: DALY (Disability adjusted life year). Mit diesem Wert, der Häufigkeit, Dauer und Schwere einer Krankheit zusammenfasst, wird versucht, die durch Krankheit verlorene Lebenszeit zu erfassen. Der dritten Ausgabe der WHO-Guidelines for drinking-water quality [29] wurde ein tolerierbarer Wert = 1 µDALY = 10-6 DALY zugrunde gelegt. Dies wird nunmehr auch in [30] für den Einsatz von behandelten Fäkalien und Klärschlamm in der Landwirtschaft als sinnvolle Zielvorgabe angesehen. 1 µDALY entspricht dem Verlust eines Lebensjahres, bezogen auf eine Million Personen. Zusätzliche Schutzmaßnahmen erfordern bei der Verwendung von behandelten Fäkalien eine Mindestzeit zwischen Schlamm-Aufbringung und Ernte von > 1 Monat. Auch die Limitierung auf bestimmte landwirtschaftliche Produkte ist möglich, wenngleich keine zwingende Vorgabe. Ebenfalls gefordert werden nicht nur besondere Schutzmaßnahmen für die Feldarbeiter (Schutzausrüstung, sichere Wasserversorgung, Ungezieferkontrolle, etc.) sondern auch für Siedlungen im unmittelbaren Nahbereich der Felder sowie generell für das richtige Behandeln und Kochen jener Produkte, die unter Einsatz von behandelten Fäkalien und Klärschlamm erzeugt werden. Die Bedeutung von Monitoring, die Beachtung der soziokulturellen, finanziellen

Technologie Kriterium Kommentar Lt. WHO geignet fürkleinere Systeme

grössere Systeme

Lagerung bei Umgebungstemperatur 2 - 20°C

1,5 - 2 Jahre Elimination pathogener Bakterien; Vermehrung von E.coli and Salmonella in feuchtem Milieu möglich; Reduktion von Viren und Protozoen unter Risikoniveau. Einige Helminthen-Eier können in geringer Zahl überleben.

JA ---

Lagerung bei Umgebungstemperatur > 20 - 35°C

> 1 Jahr Substantielle bis völlige Inaktivierung von Viren, Bakterien und Protozoen; Inaktivierung von Nematoden-Eiern; Ascaris -Eier: nach > 4 Monaten verbleiben ca. 10-30%, nach 1 Jahr beinahe völlige Inaktivierung.

JA ---

Alkalische Behandlung (Kalk, Asche, etc.)

pH > 9 während > 6

Monate

Wenn > 35°C und < 25% Wassergehalt. Niedrigerer pH und/oder höherer Wassergehalt erfordern längere Zeiten.

JA JA

Mietenkompostierung > 1 Monat (55 - 60°C)

Plus 2 - 4 Monate Nachreifung. JA ---

Boxenkompostierung > 1 Woche (50°C)

Längere Zeiten erforderlich, falls Temperatur nicht eindeutig im gesamten Material sichergestellt werden kann.

--- JA

Thermophile Faulung > 14 Tage (50°C).

--- JA

Verbrennung < 10% Kohlenstoff in

der Asche

--- JA



und legalen Randbedingungen, umweltrelevante Aspekte sowie nicht zuletzt eine angepasste, schrittweise Umsetzung werden besonders hervorgehoben. Die WHO-Empfehlungen verstehen sich nicht als starres „Grenzwert-Konzept“, sondern vielmehr als grundsätzliche „Risiko-Management-Strategie“, die den jeweiligen spezifischen Randbedingungen anzupassen ist. Erst daraus sollten nationale Vorschriften abgeleitet werden. Für genauere Informationen sei auf [30] und die dort angeführte weiterführende Literatur verwiesen.

4.2 Europäische Union (EU) Die Europäische Union entwickelte im Jahr 1986 eine Schlamm-Richtlinie [7], um die verschiedenen nationalen Standards ihrer Mitglieder einer Vereinheitlichung zuzuführen. Die Hintergründe für die getroffenen Festlegungen wurden jedoch nicht sehr ausführlich dargestellt, und es begannen daher insbesondere in den Jahren 1999 – 2000 die Arbeiten für eine Revision dieser Richtlinie. Die Abstimmungsgespräche mit den Mitgliedsstaaten führten allerdings in weiterer Folge zu keinem klaren Ergebnis. Es wurden daher in der Zwischenzeit Erhebungen zu den Absichten der Mitgliedsstaaten im Klärschlammbereich vorgenommen. Für 2007 ist mit einer weiteren Diskussion der Novellierung der Klärschlammrichtlinie zu rechnen [27]. Derzeit liegt die dritte Ausgabe eines Entwurfes [8] aus dem Jahr 2000 vor, in dem eine Kategorisierung des Schlammes in 2 Gruppen vorgeschlagen wird. Die Kategorisierung hängt von der Art der Schlammbehandlung ab: Optimierte Behandlung („Advanced Treatment“): Der behandelte Schlamm ist in der Landwirtschaft für de facto alle Produkte einsetzbar. Lediglich die Aufbringung in Wäldern wird untersagt. • Thermische Trocknung bei T > 80°C und TR im Produkt > 90%. • Thermophile aerobe Stabilisierung: 55°C während > 20 h ohne Zugabe von unbehandeltem

Schlamm. • Thermophile anaerobe Stabilisierung: 53°C während > 20 h ohne Zugabe von

unbehandeltem Schlamm. • Pasteurisierung: > 70°C während > 30 min, gefolgt von einer mesophilen Faulung mit 35°C

während > 12 d. • Behandlung mit Kalk: pH > 12 und T > 55°C während mehr als 2 h. • Behandlung mit Kalk: pH > 12 während mehr als 3 Monaten. Konventionelle Behandlung („Conventional Treatment“): Der behandelte Schlamm ist in der Landwirtschaft nur unter bestimmten Beschränkungen einsetzbar. Untersagt ist der Einsatz im Wesentlichen für bodennah wachsende Gemüse / Früchte, in öffentlichen Grünanlagen und in Wälder. • Thermophile aerobe Stabilisierung: 55°C während > 20 h. • Thermophile anaerobe Stabilisierung: 53°C während > 20 h. • Behandlung mit Kalk: pH > 12 während mehr als 24 h. • Mesophile Faulung: 35°C während > 15 d.



• Getrennte aerobe Schlammstabilisierung bei Umgebungstemperatur ohne Zugabe von unbehandeltem Schlamm. *

• Simultane aerobe Schlammstabilisierung bei Umgebungstemperatur. * • Zwischenspeicherung bei Umgebungstemperatur. * * ….. Mindestaufenthaltszeit ist von lokalen Behörden in Funktion des Klimas festzulegen. Tab.4.3: Hygiene-Erwartungen an den behandelten Schlamm laut Entwurf [8]

4.3 Norwegen Norwegen ist kein Mitglied der europäischen Union (EU). Nach vorhergehenden, mehrjährigen Diskussionen wurde 1995 ein nationales Norwegisches Recht in Kraft gesetzt, das (mit einer Novelle 1996) den Einsatz von Klärschlamm in der Landwirtschaft regelt. Erklärtes Ziel ist die Wiederverwertung von zumindest 75% des anfallenden Schlammes ab dem Jahr 2000. Dieses Ziel wurde bereits im Jahr 1999 erreicht, in dem 79% des gesamten in Norwegen anfallenden Schlammes wiederverwertet wurden. 69% kamen in der Landwirtschaft zum Einsatz, 10% auf Grünflächen [21]. Zusätzlich zu anderen Anforderungen (Schwermetallgehalt, > 25% TR, etc.) werden folgende hygienischen Anforderungen an den Schlamm gestellt: • Stabilisierung • Hygienisierung Zur Definition dessen, was darunter zu verstehen sei, wird ein Konzept angewandt, das dem der EU ähnlich ist. Das heißt, es werden empfohlene Verfahren definiert, und es werden Grenzwerte für diverse Hygiene-Indikatororganismen festgelegt. Zu beachten ist, dass es sich bei den Verfahren nur um Empfehlungen und nicht um Vorschriften handelt. Tab.4.4: Hygiene-Kriterien für Klärschlamm in Norwegen [21]

KATEGORIEMindest-

Reduktion[nr / gTR] Salmonella sp. Salmonella

Senftenberg W 775

Nicht nachweisbar in 50

g Schlamm (Feuchtgewicht)

Konventionelle Behandlung 2 log10 --- --- ---

E.Coli PATHOGENE

Optimierte Behandlung 6 log10 5 E+02 Reduktion um

6 log10

FÄKALCOLIFORME PATHOGENE HELMINTHEN[nr / gTR] Salmonella sp. [nr / gTR]

Nicht nachweisbar in 50 g Schlamm

(Feuchtgewicht)< 2.500 Keine lebensfähigen

Eier



Long time storage

Disinfected and stabilized sludge

Raw sludge (thickened)

Anaerobic digestion

Lime treatment Composting Thermal

drying

Dewatering Dewatering

Thermophil. aerobic

pretreatmPasteu-rization

Thermal hydrolyis

Thermophil. aerobic

digestionAnaerobic digestion

Anaerobic digestion

Anaerobic digestion

Dewatering Dewatering Dewatering DewateringDewatering Dewatering

Bild 4.1: Empfohlene Verfahren zur Stabilisierung und Desinfektion von Klärschlamm in Norwegen [21]

Als Bemessungskriterien wurden definiert: • Behandlung mit Kalk: pH > 12 und T > 55°C während mehr als 2 h. • Kompostierung:

- Natürlich und künstlich belüftete Mieten: > 55°C während mehr als 3 Wochen. Mindestens einmalige Umschichtung.

- Geschlossene Reaktoren: > 55°C während mehr als 10 Tagen. > 65°C während mehr als 2 Tagen. Anschließende Reifung während mindestens 2 Wochen.

• Thermophile aerobe Stabilisierung: Mindestens 2 Reaktoren in Serie. 50°C während > 23 h; oder 55°C während mehr als 10 h; oder 60°C während mehr als 4 h. Mindestaufenthaltszeit = 7 d.

• Pasteurisierung: > 70°C während > 30 min, gefolgt von einer mesophilen Faulung mit 35°C während > 15 d.

• Thermophile Hydrolyse und mesophile Faulung (Cambi-Verfahren): ca. 165°C während 30 min in der Hydrolyse.

• Mesophile Faulung und thermische Trocknung: ca. 80-90°C während 30 min in der Trocknung.

Ergänzend sei erwähnt, dass aktuelle Erfahrungen in Norwegen darauf hinweisen, dass einige der zuvor angeführten Bemessungs-Kriterien reduziert werden können (Ausnahme: Kalkbehandlung), und trotzdem die geforderten Hygiene-Kriterien erzielt werden [22].



4.4 Vereinigte Staaten von Amerika (USA) In den USA existieren Regelungen für die Behandlung von Klärschlamm zur nachfolgenden Verwendung in der Landwirtschaft bereits seit dem Jahr 1979. Diese, inzwischen überholten Normen basierten auf Verfahrenstypen und zugehörigen Bemessungsregeln, die unterschiedliche Güteklassen von Klärschlamm sicherstellen sollten. Es wurde unterschieden zwischen: PSRP (Process to Significantly Reduce Pathogens) – Verfahren zur Reduktion von Pathogenen. • Aerobe Stabilisierung: 20°C während 40 d; 15°C während 60 d. • Lufttrocknung: > 3 Monate • Anaerobe Faulung: 35-55°C während 15 d; 20°C während 60 d. • Kompostierung in natürlich und künstlich belüfteten Mieten sowie in geschlossenen

Reaktoren: 40°C während 5 d, wobei innerhalb dieser 5 d zumindest 4 h mit > 55°C auftreten müssen.

• Behandlung mit Kalk: pH > 12 während mehr als 2 h. PFRP (Process to Further Reduce Pathogens) – Verfahren zur weitergehenden Reduktion von Pathogenen. • Kompostierung in geschlossenen Reaktoren oder künstlich belüfteten Mieten: 55°C während

3 d. • Kompostierung in natürlich belüfteten Mieten: 55°C während 15 d. Mindestens 5-mailge

Umschichtung. • Thermische Trocknung: 80°C, TR im getrockneten Schlamm > 90%. • Thermische Behandlung: 180°C während 30 min. • Thermophile aerobe Stabilisierung: 55-60°C während > 10 d. • Bestrahlung mit β-Strahlen: > 1,0 Megarad bei 20°C. • Bestrahlung mit γ-Strahlen: > 1,0 Megarad bei 20°C. • Pasteurisierung: > 70°C während > 30 min. Im Jahr 1993 legte die US-EPA (US- Environmental Protection Agency) eine neue Regelung vor [26]. Darin werden zusätzlich zu den zuvor genannten Verfahrenstypen und Bemessungsregeln auch Hygiene-Kriterien für 2 Klassen von Klärschlamm definiert. Vielfach wird die Meinung geäußert, dass diese Hygiene-Kriterien zukünftig das „alte“ Konzept mit Verfahrenskriterien völlig ablösen werden, z.B. in [6]. Schlamm der Klasse A kann ohne Einschränkungen in Gärten, Gärtnereien, Golfplätzen, öffentlichen Grünflächen, etc. eingesetzt werden. Die Verwendung von Schlamm der Klasse B hingegen unterliegt gewissen Beschränkungen. Schlamm, der die Kriterien der Klasse B nicht erreicht, darf auf landwirtschaftliche Flächen in keinem Fall aufgebracht werden.



Tab.4.5: Hygiene-Kriterien für Klärschlamm in USA [13, 18, 26]

4.5 Australien Derzeit existiert in Australien nur der Entwurf für eine nationale Norm zur Regelung der Verwertung von Klärschlamm in der Landwirtschaft. Sollte jedoch eine Einigung erzielt werden, ist davon auszugehen, dass diese Regelung von den einzelnen Bundesstaaten mit zusätzlichen Regelungen ergänzt wird, die den lokalen Verhältnissen entsprechen. Der einzige Bundesstaat, der über eine derartige lokale Regelung bereits verfügt, ist New South Wales [20]. Die vorliegenden Normen – sei es der nationale Entwurf oder die NSW-Norm – sind den US-Regelungen in vielerlei Hinsicht ähnlich: Behandelter Klärschlamm wird in Klassen eingeteilt, und in Funktion der vorhergehenden Schlammbehandlung resultieren daraus mögliche Verwertungsoptionen. Für Schlämme, die in der Landwirtschaft ohne Restriktionen einsetzbar sind, werden Hygiene-Kriterien definiert. Tab.4.6: Hygiene-Kriterien für Klärschlamm, der in Australien ohne Restriktionen in der

Landwirtschaft einsetzbar ist [2, 13, 20]

KLASSE FÄKALCOLIFORME (FC) PATHOGENE[nr / gTR] Salmonella sp.

AFC < 1.000 Salmonella sp. < 3 nr / 4 gTR

1.2.

5.6.

B1. FC < 2,0E+062.3. Einsatz eines Verfahrens, das jenen laut PSRP äquivalent ist (von den jeweiligen

Behörden zu bestätigen).

Einsatz eines Verfahrens laut PFRP.Einsatz eines Verfahrens, das jenen laut PFRP äquivalent ist (von den jeweiligen Behörden zu bestätigen).

Der Schlamm muß zumindest einem der folgenden 3 Kriterien entsprechen:

Einsatz eines Verfahrens laut PSRP.

4. Nach der Schlammbehandlung gilt: (i) Enterovirus < 1 nr / 4 gTR und (ii) Helminthen < 1 lebensfähiges Ei / 4 gTR.

3. Vor der Schlammbehandlung gilt:(i) Enterovirus < 1 nr / 4 gTR und (ii) Helminthen < 1 lebensfähiges Ei / 4 gTR.

Der Schlamm muß einem der folgenden 2 Kriterien entsprechen:

Zusätzlich muß der Schlamm zumindest einem der folgenden 6 Kriterien entsprechen:Thermische Behandlung entsprechend diversen Spezifikationen.Behandlung mit hohem pH entsprechend diversen Spezifikationen.

KLASSE FÄKAL-COLIFORME E. Coli PATHOGENE HELMINTHEN VIREN

Salmonella sp.Nationale Norm (Entwurf) [2]

< 100 nr / g Endprodukt --- < 1

nr / 50 g Endprodukt --- ---

New South Wales [20] < 1.000 nr / g TR < 100 nr / g TR Nicht nachweisbar in 50 g TR < 1 nr / 4 gTR < 1 nr / 4 gTR



4.6 Argentinien Auf nationaler Ebene besteht seit 1992 ein Gesetz, das im Prinzip die Nutzung von Klärschlamm in der Landwirtschaft zuläßt, allerdings ohne hierfür Kriterien zu definieren [15]. In der Provinz Santa Fé wurde im Jahr 2000 eine Norm etabliert, die eine landwirtschaftliche Klärschlamm-Verwertung zuläßt, und Kriterien ähnlich jenen der USA definiert [9]. Unter anderem wird für Helminthen ein Standard von < 1 lebensfähiges Ei / 4 gTR definiert.

4.7 Mexiko In Mexiko gibt es seit dem Jahr 2002 eine nationale Norm, die Kriterien für die Verwertung von Klärschlamm festlegt. Tab.4.7: Hygiene-Kriterien für Klärschlamm in Mexiko [10]

Klärschlamm der Klasse A kann angewandt werden in Gärten, als Blumenerde sowohl im privaten wie öffentlichen Bereich, für Grünzonen und Parkanlagen, Gärtnereien, Sportanlagen. Gefordert wird für diese Anwendungen zusätzlich ein TR > 30%. Der Einsatz von Klärschlamm in der Landwirtschaft ist sowohl für die Klassen A und B möglich. Hier gelten allerdings noch eine Reihe weiterer Bedingungen, wobei naturgemäß die Optionen beim Einsatz von Schlamm der Klasse A größer sind als bei Klasse B. Hygiene-Klasse B gilt zudem als Mindestanforderung für eine Deponierung. Die Werte für Helminthen beziehen sich auf die Gesamtzahl der Eier (lebensfähige und nicht lebensfähige). Dies wird damit begründet, dass diese Zahl innerhalb von ca. 3 Tagen ermittelt werden kann, während die Bestimmung der lebensfähigen Eier ca. 4 Wochen benötigt. Die Heranziehung von sowohl Salmonella sp. und Helminthen zur Bewertung von Klasse B wird mit der hohen Konzentration derselben in vielen Gegenden Mexikos begründet [3].

4.8 Nicaragua Derzeit existiert in Nicaragua weder eine Norm noch ein Gesetz, das den gesetzlichen Rahmen für die Verwendung / Entsorgung von Klärschlamm regeln würde. Allerdings liegt ein inzwischen bereits mehrfach überarbeiteter Entwurf für eine derartige Norm aus dem Jahr 2006 vor [17]. Entsprechend diesem Entwurf wird eine Einteilung in 3 Hygiene-Klassen A, B, C vorgesehen.

KLASSE FÄKAL-COLIFORME PATHOGENE HELMINTHEN

Salmonella sp.[nr / gTR] [nr / gTR] [nr Eier / gTR]

A < 1.000 < 3 < 10B < 2,0 E+06 < 300 < 35



Tab.4.8: Hygiene-Kriterien für Klärschlamm in Nicaragua [17]

Schlamm der Klasse A wird für alle Verwertungswege als geeignet angesehen: Gärtnereien, Obstbäume, Weidewiesen, Privatgärten, Parkanlagen und öffentliche Grünflächen, Friedhöfe. Schlamm der Klasse B soll hingegen nur für begrenzte Verwendungszwecke zum Einsatz kommen: im Obstbau nur 12 Monate vor der Ernte, auf Weideflächen nur 30 Tage vor der Viehweide bzw. Ernte von Futterpflanzen, in Waldbereichen nur bei 30-tägigem Betretungsverbot. Schlamm der Klasse C ist gedacht für die Abdeckung von kontrollierten Deponien.

5. VERGLEICH DER VORGESTELLTEN HYGIENE-STANDARDS Aus dem Vergleich der vorgestellten Hygiene-Standards (Zusammenfassung siehe Tab.5.1) lassen sich folgende Schlußfolgerungen ziehen: • Helminthen Auf den ersten Blick könnte man den Eindruck gewinnen, dass westliche Standards und neuerdings auch jener der WHO wesentlich strikter sind als jene in Lateinamerika. Zieht man allerdings in Betracht, dass der Anteil der lebensfähigen Eier bei Helminthen–Eiern in der Regel nur bei 1 – 10% liegt [15], dann relativiert sich dieser Eindruck. Bei Beachtung dieses Aspektes entspricht Schlamm der Klasse A (eventuell auch B, wenn nicht sogar C) in Mexiko bzw. Nicaragua durchaus den Standards der industrialisierten Länder bzw. der WHO. Offen bleibt dabei die Frage, ob die Festlegung eines Kriteriums für Gesamt-Eierzahl nicht grundsätzlich sinnvoller wäre, als jene für lebensfähige Eier, weil die Gesamt-Eierzahl wesentlich schneller bestimmbar ist. Auffallend ist, dass eine Reihe westlicher Staaten überhaupt kein Kriterium für Helminthen vorsehen. Dies mag für entwickelte Länder Sinn machen, weil dort im Schlamm nur sehr geringe Mengen an Helminthen vorliegen. Wie das Beispiel Frankreich allerdings zeigt (siehe Tab. 3.1) ist die Überschreitung eines Grenzwertes = 1 Ei/gTR aber auch dort nicht auszuschließen. Es stellt sich natürlich die Frage, inwieweit ein EU-Standard nicht auch die Realitäten der neuen Mitgliedsstaaten (besser) berücksichtigen sollte, wo höhere Helminthen-Zahlen nicht ungewöhnlich sind. Überdies wird der EU-Standard mangels eigener nationaler Standards auch in vielen zukünftigen, potentiellen EU-Mitgliedsländern häufig als Referenz herangezogen. – In diesem Sinne wäre die Aufnahme eines Standards für Helminthen in die zukünftigen EU-Richtlinien sehr zu empfehlen. Zu überlegen bleibt auch, ob nicht eine Staffelung der zulässigen Helminthen-Zahlen für unterschiedliche Schlamm-Qualitäten sinnvoll wäre. Insbesondere in Entwicklungsländern

KLASSE FÄKAL-COLIFORME PATHOGENE HELMINTHEN

Salmonella sp.[nr / gTR] [nr / gTR] [nr Eier / gTR]

A < 1.000 < 3 < 10B < 2,0 E+06 < 300 < 35C < 5,0 E+06 < 500 < 50



könnten auch weniger strikte Standards bereits eine deutliche Verbesserung der Gesundheit mit sich bringen und sind auch in der Umsetzung leichter finanzierbar. Nicht zuletzt sei noch angemerkt, dass eine Reihe von Publikationen, aber auch Normen, nicht konsequent unterscheiden, ob die genannten Helminthen-Zahlen sich auf lebensfähige oder gesamte Eierzahlen beziehen. Dies erschwert den Vergleich natürlich erheblich, nicht nur für die Zwecke dieses Manuskriptes, sondern grundsätzlich. • Bakterien Die vorgestellten Hygiene-Standards verwenden als Indikatororganismen Fäkal-Coliforme, E.Coli und Salmonellen. Ein einheitlicher Trend ist dabei nicht feststellbar. Während z.B. Die WHO sich auf E.Coli beschränkt, betrachtet die EU E.Coli und Salmonellen. In den USA hingegen wird E.Coli gar nicht verwendet; hier kommen Fäkal-Coliforme und Salmonellen zum Ansatz. Der Trend im doch sehr US-beeinflussten Lateinamerika scheint auch in diese, letztgenannte Richtung zu gehen. Die geforderten, absoluten Grenzwerte schwanken stark. Hinzu kommt noch die Verwendung unterschiedlicher Bezugsgrößen, wie gTR, 4gTR, g Schlamm, 50g Schlamm, g Endprodukt, 50 g Endprodukt. Ein unmittelbarer Vergleich der jeweiligen Kriterien wird dadurch erschwert bis unmöglich gemacht. Vergleicht man den neuen WHO-Standard für E.Coli mit jenen in der EU bzw. in Australien, so ist der erstere weniger strikt. Dies und die alleinige Verwendung von E.Coli als bakteriellen Indikator weist darauf hin, dass bei der Erstellung des neuen WHO-Standards auf die begrenzten finanziellen Möglichkeiten in vielen Entwicklungs- und Schwellenländern Rücksicht genommen wurde. Man kann dies zusätzlich als Indiz verstehen, dass ein Standard für ein einzelnes Bakterium grundsätzlich auch ausreichend sein könnte, und die Verwendung mehrerer bakterieller Indikatoren lediglich unnötigen Aufwand ohne besonderen Sicherheitsgewinn darstellt. • Viren Viren wurden nur sehr selten in die Hygiene-Standards für Klärschlamm aufgenommen. In den vorgestellten Beispielen war dies nur in den USA und in Australien der Fall. Weder die WHO, noch die EU, noch die lateinamerikanischen Standards nehmen auf Viren Bezug. • Protozoen Protozoen wurden in den vorgestellten Beispielen nie zur Definition von Hygiene-Standards herangezogen.



Tab.5.1: Zusammenfassung der vorgestellten Hygiene-Kriterien für Klärschlamm

HELMINTHEN BAKTERIEN VIRENEier

gesamtEier

lebensfähigFäkal-

Coliforme E.Coli Salmonella Entero-viren

WORLD HEALTH ORGANIZATION (WHO)(1) Empfehlung bei 10-6 DALY (2006) --- < 1 nr/gTR --- < 1.000

nr/gTR --- ---

EUROPA(2) EUROPÄISCHE UNION (EU)

2,1 Optim.Behandlg. Entwurf (2000) --- --- --- < 500

nr/gTRn.n. in 50 g Schlamm ---

Reduktion > 6log10

Reduktion > 6log10

2,2 Konvent.Behandlg. Entwurf (2000) --- --- --- Reduktion >

2log10--- ---

(3) Norwegen (1995) --- n.n. < 2.500 nr/gTR --- n.n. in 50 g

Schlamm ---

VEREINIGTE STAATEN VON AMERIKA (USA)(4) US-EPA (US- Environmental Protection Agency)

4,1 Klasse A (1993) --- < 1 nr/4gTR < 1.000 nr/gTR --- < 3 nr/4gTR < 1

nr/4gTR4,2 Klasse B (1993) --- --- < 2E+06

nr/gTR --- --- ---

AUSTRALIEN(5) Nationale Norm Entwurf

(1995) --- --- < 100 nr/g Endprodukt --- < 1 nr/50g

Endprodukt ---

(6) New South Wales (1997) < 1 nr/4gTR --- < 1.000 nr/gTR

< 100 nr/gTR

n.n. in 50 g TR

< 1nr/4gTR

LATEINAMERIKA(7) Argentinien

7,1 Provinz Santa Fé (2000) --- < 1 nr/4gTR --- --- --- ---(8) Mexiko

8,1 Klasse A (2002) < 10 nr/gTR --- < 1.000 nr/gTR --- < 3 nr/gTR ---

8,2 Klasse B (2002) < 35 nr/gTR --- < 2E+06 nr/gTR --- < 300

nr/gTR ---(9) Nicaragua

9,1 Klasse A Entwurf (2006) < 10 nr/gTR --- < 1.000

nr/gTR --- < 3 nr/gTR ---

9,2 Klasse B Entwurf (2006) < 35 nr/gTR --- < 2E+06

nr/gTR --- < 300 nr/gTR ---

9,3 Klasse C Entwurf (2006) < 50 nr/gTR --- < 5E+06

nr/gTR --- < 500 nr/gTR ---

n.n. ….. nicht nachweisbar



6. RESÜMEE In diesem Beitrag wurde ein Überblick über zum Teil sehr unterschiedliche Ansätze für hygienische Klärschlamm-Standards gegeben. Der Vergleich umspannt die Empfehlungen der WHO sowie nationale Normen / Normenentwürfe von Ländern mit unterschiedlichem Entwicklungsstand (EU, Norwegen, USA, Australien, Argentinien, Mexiko, Nicaragua). Folgendes Resümee kann aus diesem Vergleich gezogen werden:

1. Hygiene-Standards von Klärschlamm werden auf 2 grundsätzliche Arten sichergestellt: (i) Vorgabe von Grenzwerten für Hygiene-Indikatoren; (ii) Definition von Behandlungsverfahren und zugehörigen Bemessungsregeln. In manchen Fällen werden nur Grenzwerte vorgegeben, in anderen Fällen erfolgt eine Verknüpfung der beiden Optionen. – Aus der Sicht des Autors dürfte der Trend künftig verstärkt hin zu Grenzwerten gehen. Verbindliche Verfahrensempfehlungen könnten in Zukunft daher in den Hintergrund treten.

2. Die meist verwendeten Hygiene-Indikatoren sind Helminthen-Eier und Bakterien (Fäkal-Coliforme, E.Coli, Salmonellen). Viren werden nur in seltenen Fällen als zusätzliche Indikatoren verwendet, Protozonen de facto nie.

3. Bei den Helminthen kristallisiert sich ein Trend zum Richtwert < 1 Ei/gTR heraus. Allerdings bestehen hier – zumindest aus der Sicht des Autors – zum Teil Unsicherheiten, ob auf lebensfähige Eier oder Gesamt-Eierzahl Bezug genommen wird.

4. Der Trend bei den bakteriellen Indikatoren ist uneinheitlich, sowohl was die empfohlenen Indikatoren als auch deren zulässige Grenzwerte betrifft.

5. Der Vergleich von typischen Hygieneindikatoren im Rohschlamm mit den beschriebenen Anforderungen führt generell zum Schluss, dass eine gezielte Behandlung zur Verbesserung der Hygiene des Schlammes unumgänglich ist (siehe Bild 6.1).

6. Als mögliche Verfahren zur Verbesserung der Schlammhygiene bieten sich insbesondere 3 Gruppen an Verfahren an: (i) langfristige Schlammlagerung; (ii) Verfahren mit erhöhter Temperatur (Kompostierung, Trocknung, etc.); (iii) Verfahren mit erhöhtem pH (Kalkdosierung). Eine mesophile Schlammfaulung ist in aller Regel nicht ausreichend.

Bild 6.1: Typische Schwankungsbreite von Hygieneindikatoren im Rohschlamm (Tab.3.1) und den Anforderungen an Klärschlamm laut den hier vorgestellten Richtlinien

Helminthen [Eier/gTR]

0

50

100

150

200

250

300

Rohschlamm Richtwerte

Klasse AKlasse B-C

Fäkal-Coliforme [nr/gTR]

1,0E+00

1,0E+01

1,0E+02

1,0E+03

1,0E+04

1,0E+05

1,0E+06

1,0E+07

1,0E+08

1,0E+09


Klasse A

Klasse B-C

Salmonella sp. [nr/gTR]

1,0E+00

1,0E+01

1,0E+02

1,0E+03

1,0E+04

1,0E+05

1,0E+06

1,0E+07

1,0E+08

1,0E+09


Klasse A

Klasse B-C



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Anschrift des Verfassers:Dr. DI Konrad Buchauer c/o ARAconsult - dr.buchauer & dr.wett OEG Unterbergerstrasse 1, 6020 Innsbruck, Österreich [email protected], www.araconsult.at

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