Projekt 10917/01

Innovatives Verfahren zur ökologisch verträglichen Desinfektion und Entseuchung von Kulturböden durch dielektrische Erwärmung mittels Hochfrequenzenergie

Projektdurchführung

ARBES GmbH
Crellestr. 29-30
10827 Berlin

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Vorhabens ist es, ein thermisches Verfahren zur Desinfektion von Böden im Gemüse- und Zierpflanzenbau unter Glas und im Freiland für die gewerbliche Nutzung zu entwickeln und zu erproben, das die Nachteile der Hygienisierung des Pflanzbodens mittels Dampf bzw. durch das gasförmige Entseuchungsmittel Methylbromid ausschließt. Dieses bislang in Deutschland und Europa noch nicht praktizierte, innovative Verfahren wäre dann geeignet, den Einsatz chemischer Entseuchungsmittel abzulösen und damit die künftig nicht zu akzeptierenden möglichen Gesundheits- und Umweltbelastungen und -gefährdungen abzustellen und die bisher praktizierte, technisch aufwendige Form der Dampfdesinfektionen durch ein vorteilhaftes und zugleich effektiveres Wirkprinzip zu ersetzen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Arbeiten gliedern sich in zwei Komplexe:
-Entwicklung und Erprobung eines geeigneten Verfahrens sowie der dazugehörigen Anlage - unter der Voraussetzung des mobilen Einsatzes im gärtnerischen Gewerbe (Gewächshäuser, Beete…);
-Erstellung eines erweiterten Anwendungskonzepts für den großtechnischen Einsatz (z.B. auf A-ckerböden der Agrarwirtschaft).
Der Einfluß der Parameter Frequenz, Feldstärke, Einwirkzeit, Materialzusammensetzung auf das physi-kalische Wirkprinzip wurde untersucht. Darauf aufbauend werden Verfahrens- und Anlagenparameter erarbeitet und in praktischen Versuchen optimiert. Dabei ist neben der Sicherung der biologischen Wirk-samkeit des Verfahrens zur Bodensterilisation stets zu gewährleisten, dass mit der dielektrischen Erwär-mung keine nennenswerten Qualitätseinbußen des Pflanzbodens eintreten. Eine enge interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen den HF-Spezialisten der ARBES-UMWELT GmbH und den anerkannten Fachleuten der Biologischen Bundesanstalt für Land- und Forstwirtschaft soll dieses Ziel absichern und garantieren, dass sich die Arbeiten unmittelbar an den Erfordernissen der Praxis orientieren. Dem in Aussicht gestellten Einsatz von Hochfrequenzenergie zur Bodensterilisation im agrartechnischen Bereich, im Gemüse- und Zierpflanzenanbau sowie auf Ackerböden gehen im Rahmen dieses Forschungsprojekts umfangreiche Technikums- und Kleinfeldversuche zur Bestimmung und Optimierung der Anlagen- und Verfahrensparameter voraus.


Ergebnisse und Diskussion

Vorbereitende Messungen dielektrischer Parameter an Pflanzböden haben im Laborversuch ergeben, dass im Kurzwellen-Frequenzbereich von 7 MHz bis etwa 25 MHz die günstigsten Voraussetzungen zum Erreichen der angestrebten Ziele gegeben sind.
Technikumsversuche mit der genehmigungsfreien Arbeitsfrequenz von 13,56 MHz (ISM-Band) zeigten, dass Böden mit durchschnittlichem Feuchtegehalt unter Laborbedingungen mittels Hochfrequenzenergie problemlos auf 70°C - 90°C (und bei Bedarf höher) erwärmt werden können und damit eine Desinfektion, analog der Dämpftechnik und ohne jeglichen Einsatz von Giftstoffen, mit Sicherheit erreichbar ist.
Die Versuche wurden in zwei Stufen durchgeführt, wobei im Laborstadium Erwärmungsprofile und Feldstärkeverteilungen ermittelt wurden. Darüber hinaus wurden unterschiedliche Bodensorten auf ihre Eignung bezüglich des HF-Eintrags getestet. Im Ergebnis ist festzustellen, dass alle getesteten Böden (Sandboden wie humushaltige Böden) nahezu identische Erwärmungsprofile ergaben und die Durchwärmung unter Einsatz der bevorzugten Elektrodenanordnungen ausreichend zügig und intensiv erfolgte (Technikumsversuch). Unter-schiedliche Elektrodenformen wurden danach auf ihre Handhabbarkeit getestet und die elektrischen Eigenschaften ermittelt.
Als sehr brauchbar im Handling erwies sich u.a. die Stabelektrode. Wie die Erfahrung mit der Dekontamination von verseuchtem Boden mittels HF-Energie als Langzeitanwendung jedoch bereits lehrt, zeigte sich auch im Technikumsversuch mit Pflanzböden, dass sich bei Einsatz von stabförmigen Elektroden bereits nach kurzer Zeit ein wärmeintensiver Ring um die Elektrode herum bildet, so dass die für die Bodensterilisation erforderliche Homogenität der Durchwärmung mit dieser Elektrodenform nicht gewährleistet werden kann. Es kommt zu einer Überhitzung im Ringbereich, während der entferntere Bereich lange Zeit ohne merkliche Temperaturerhöhung bleibt. Dementsprechend wurden die nachfolgenden Versuche ausschließlich mit flächenförmigen Elektroden-anordnungen durchgeführt. Dabei kamen sowohl Plattenstrukturen wie auch Kamm- und Mäanderprofile zum Einsatz.
Für Technikumsversuche wurde eine beetförmige Kastenanordnung geschaffen, die es gestattete mit hori-zontaler Boden- und Deckelektrode, und damit einer nahezu idealen Kondensatorkonstruktion zu arbeiten. Für den praktischen Einsatz wäre dies vergleichbar mit einem vorgefertigten Beetaufbau (Hochbeet), bei dem der Untergrund von vornherein als Blech ausgebildet ist und damit den einen, geerdeten Teil der Elektrodenkonfiguration bildet, während die Gegenelektrode für die Dauer der HF-Behandlung durch eine aufgelegte Metallplatte gebildet wird. Die Durchwärmung erfolgte gleichmäßig und zügig.
Alternativ wurden senkrecht eingebrachte Kamm- und Plattenelektroden erprobt. Die Handhabung der Kammelektrode am geschütteten und leicht verfestigten Boden erwies sich erwartungsgemäß als praktikabler gegenüber der durchgängigen Plattenelektrode, da den relativ schmalen und zugleich flächigen Kammsegmenten weit weniger mechanischer Widerstand beim Eindringen in den Boden entgegengebracht wurde als einer massiven Metallplatte. Bezogen auf die elektrischen Eigenschaften zeigten sich keine Unterschiede. Die Durchwärmung des Bodens war für beide Aufbauten ausreichend gleichmäßig und gut.
Die Ergebnisse der Technikumsversuche wurde in einer Freilandanordnung (Versuchsfeld in Berlin-Dahlem) überprüft und prinzipiell bestätigt. Im praktischen Versuch am Freilandbeet wurde dar-über hinaus die wünschenswerte, weil sehr gut handhabbare Oberflächenelektrode erprobt - Platte mit Mäanderstruktur ohne Gegenelektrode -, wobei der gewünschte Erfolg einer Erwärmung bis in 30 cm Tiefe nicht eintrat.
Weitergehende Einzelheiten zu den Versuchsaufbauten, deren Ergebnisse sowie die Auswertung der biologischen Test, die von Fachleuten der Biologischen Bundesanstalt in Berlin-Dahlem vorgenommen wurden, sind im Abschlussbericht zum Forschungsprojekt dokumentiert.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Bislang erfolgte zum Förderthema noch keine Veröffentlichung der in Arbeit befindlichen Publikationen.


Fazit

Die Forschungsergebnisse bestätigen die grundsätzliche Verwendbarkeit von Hochfrequenzenergie mit Frequenzen im Kurzwellenbereich zur ökologisch verträglichen Desinfektion und Entseu-chung von Kulturböden durch dielektrische Erwärmung im agrartechnischen Anwendungsgebiet, d.h., an Böden zum Gemüse- und Zierpflanzenanbau unter Glas und im Freiland. Die eigentliche Schwierigkeit der praktischen Nutzung spiegelt sich weitestgehend in zwei Punkten wieder:
o Die Anwendung des Verfahrens vor Ort setzt speziell vorbereitete Beete oder an unvorbereiteten Beeten im Behandlungsfall immer die mechanisch aufwendige Einbring-ung von mindestens zwei Elektroden im zu behandelnden Pflanzboden voraus. Nur so-fern eine Durchwärmung kleiner ca. 8 cm ausreichend ist, genügt die einseitige aufgelegte Flächenelektrode mit Mäanderstruktur.
o Das Verfahren ermöglicht effektiv nur die gleichzeitige Behandlung kleiner Bodenmengen - in der Größenordnung weniger Kubikmeter - in vertretbaren Zeiträumen. Legt man die erreichten Arbeitsergebnisse zugrunde, so sind für Anwendungen im großtechnischen Einsatz auf Ackerböden der Agrarwirtschaft geräte- und verfahrenstechnisch beträchtliche Anstrengungen zu unternehmen, um die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens hier auf das erforderliche Niveau zu heben.