[논문]수경재배 시설원예단지 작물 유형별 배액 특성 및 부하량 평가 연구

진유정; 강태경; 임류갑; 김현우; 강동현; 박민정; 손진관

doi:10.17663/jwr.2021.23.4.352

수경재배 시설원예단지 작물 유형별 배액 특성 및 부하량 평가 연구
A study on drainage characteristics and load amount evaluation by crop type in a hydroponic cultivation facility of horticultural complex 원문보기

한국습지학회지 = Journal of wetlands research, v.23 no.4, 2021년, pp.352 - 363

진유정 (농촌진흥청 국립농업과학원 농업공학부) , 강태경 (농촌진흥청 국립농업과학원 농업공학부) , 임류갑 (농촌진흥청 국립농업과학원 농업공학부) , 김현우 (전북대학교 환경공학과) , 강동현 (한국농수산대학 교양공통학과) , 박민정 (농촌진흥청 국립농업과학원 농업공학부) , 손진관 (농촌진흥청 국립농업과학원 농업공학부)

초록
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본 연구는 시설원예단지에서 배출되는 배액 내 포함된 영양물질의 부하량을 평가하여 양액 재이용방안 및 수처리장 도입 설계 등에 활용하고자 하였다. 수경재배 대표 재배 작물을 토마토, 파프리카, 오이, 딸기로 선정하여 총 80 샘플을 수질분석하였다. 분석결과 N, P, K⁺, Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Si₄⁺, HCO₃^-, Cl^-, S^2-, Fe, Mn, Cu, Zn, Mo, B 등의 각종 비료성분은 배액 내 매우 높은 농도로 함유되어 있어 수처리 필요성을 확인하였다. 통계분석을 통해 딸기의 배액농도가 토마토, 파프리카, 오이보다 낮은 것으로 분석되었으며, 토마토의 경우 이러한 필수이온 농도가 가장 높으므로 비료의 재이용 측면에서는 가치 있는 자원의 대상임을 확인하였다. 시설원예단지 1m²에서 배출되는 배액의 N과 P의 부하량을 분석하였다. N은 1ha 기준 일간 토마토는 4.0kg, 파프리카 3.3kg, 오이 3.0kg, 딸기 1.5kg의 처리용량이 계산되었다. P농도는 일간 토마토 0.5kg, 파프리카 0.6kg, 오이 0.4kg, 딸기 0.2kg을 일간 처리할 수 있는 규모와 용량이 필요하다고 제안하였다. 본 연구를 통해 작물별 시설온실에서 배출되는 배액에 포함된 질소와 인의 양을 평가하여 배액에서의 양분적 가치산정을 통한 경제성 분석과 지속가능한 농업을 위한 시설원예단지의 수처리 시설 도입 시 반영해야 할 처리용량 산정 시 이용할 수 있는 기초자료로 활용되길 기대하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study was to evaluate the load of nutrients contained in the drainage discharged from the facility horticultural complex and to use them for re-use of fluids and design for introduction of water treatment plants. Representative hydroponic cultivation crops were selected as tomato, paprika, cucumber, and strawberry, and the total number of samples analyzed for water quality was 80. As a result of the analysis, since various fertilizer components such as N, P, K+, Na+, Mg2+, Ca2+, Si4+, HCO3-, Cl-, S2-, Fe, Mn, Cu, Zn, Mo and B are contained at very high concentrations in the drainage, the need for water treatment was confirmed. Through statistical analysis, it was analyzed that the drainage concentration of strawberries was lower than that of tomatoes, paprika, and cucumbers. In the case of tomatoes, these essential ion concentrations are the highest, so it was confirmed that they are subject to valuable resources in terms of reuse of fertilizers. The load of N and P of the drainage discharged from the facility horticultural complex 1m2 was analyzed. For N, the daily processing capacity of 4.0 kg of tomatoes, 3.3 kg of paprika, 3.0 kg of cucumbers, and 1.5 kg of strawberries was calculated based on 1 ha. It was suggested that the P concentration needs a scale and capacity that can handle 0.5 kg of tomatoes, 0.6 kg of paprika, 0.4 kg of cucumber, and 0.2 kg of strawberries per day. Through this study, the amount of nitrogen and phosphorus contained in the drainage discharged from the greenhouse of each crop was evaluated to analyze the economy. In addition, it was expected to be used as basic data that can be used to calculate the treatment capacity to be reflected when introducing water treatment facilities in facility horticultural complexes for sustainable agriculture.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. The work flow of this study
그림 Fig. 2. The collecting(Left) and output(Right) of horticulture facility drainage water
표 Table 1. The classification of study corp and sampling location
표 Table 2. The analysis result of drainage water at 80 study samples by corp type
표 Table 3. The statistical analysis of analysis results by crop type
표 Table 4. The analysis result of drainage water at 80 study samples by material type
표 Table 5. The statistical analysis of analysis results by material type
표 Table 6. The purification load assessment result of nitrogen and phosphorus

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 시설원예단지 조성으로 배출되는 영양물질이 비점오염원 관리에서 하천환경 기준으로 어느 정도의 부하이며, 이것이 하천에 미치는 영향에 대해 분석을 실시하고 향후 추가적인 연구를 통해 수질정화 부하에 필요한 경제적 비용을 평가하고자 진행되었다. 본 연구를 통해 지속가능한 농업을 위한 시설원예의 개선점과 향후 친환경적 시설원예단지 조성 시 수질정화 시설의 투입 필요성과 당위성, 경제적 산출 근거의 기초자료로 활용할 수 있다고 판단하였다.
본 연구는 시설원예단지에서 배출되는 영양물질이 하천환경 기준으로 어느 정도의 부하이며, 이것이 하천에 미치는 영향에 대해 분석을 실시하였다. 이를 활용하여 수질정화 부하에 필요한 경제적 비용을 평가하고 배출되는 양액의 재이용에 활용하고자 하였다.
본 연구는 시설원예단지에서 배출되는 영양물질이 하천환경 기준으로 어느 정도의 부하이며, 이것이 하천에 미치는 영향에 대해 분석을 실시하였다. 이를 활용하여 수질정화 부하에 필요한 경제적 비용을 평가하고 배출되는 양액의 재이용에 활용하고자 하였다.

제안 방법

, 2019)에서 언급된 배액의 배출량 평균을 적용하였다. 5단계에서는 배액의 수질 분석 결과와 유출량을 적용하여 시설원예단지 배액 유출 부하를 산정하였고 최종적으로 6단계에서 연구 대상 작물별, 온실의 형태별 배액의 수질 분석 결과를 통계학적 분석을 통해 구분하였다.
, 2019)에서는 12개소에서 연간 배출되는 총량을 가장 적은 곳이 1,867 ton/ha, 많은 곳은 3,428 ton/ha로 조사하였으며, 12개 대상지 전체의 평균을 연간 2,597ton/ha로 계산하였다. 따라서 본 연구에서는 수경재배 1ha에서 배출되는 배액의 총량을 2,597ton/ha로 설정하고 작물별 평균 분석결과를 대입하여 작물별 배출부하를 평가하였다.
연구대상지는 작물별 주산단지를 토대로 Table 1에 나타낸 바와 같이 토마토 시설원예농가 20개소(김제, 홍천, 정읍, 진주, 장수, 부여, 창녕, 창원), 파프리카 시설원예농가 20개소(김제, 부여, 여수, 창녕), 오이 시설원예농가 20개소(군산, 김제, 남해, 익산, 창원, 천안), 딸기 시설원예농가 20개소(나주, 담양, 삼척, 장성, 진주)로 총 80개 대상 농가에서 배액을 샘플링하였다. 또한 연구대상지 온실 형태에 따른 배액의 수질 농도 차이를 파악하기 위해 대상지 유형(Facyility Type)을 비닐온실(Vinyl Greenhouse)과 유리온실(Glass Greenhouse)로 구분하였다.
먼저 1단계는 시설원예농업에서 수경재배방식으로 재배가 이루어지는 작물을 MAFRA(2018)에 근거하여 연구에 적합한 대상 작물을 선정하고, 2단계에서 연구 대상 작물의 주산단지 시설원예농가를 방문하여 배출되는 배액을 샘플링하였다. 이후 3단계는 샘플링한 배액을 수경재배를 위한 양액 조성 시 일반적으로 분석하는 19개 주요 분석항목의 수질분석을 실시하였고, 이후 4단계에서 선행 연구(Son et al.
수경재배로 운영되는 원예시설의 작물별 배출부하는 질소(N)와 인(P)을 중심으로 연 단위로 평가하였다. 배출 부하는 연간 배출되는 배액의 총량에 1L당 포함된 질소와 인 성분 분석결과값을 대입하여 평가하였다. 수경재배 시설원예 1ha에서 배출되는 배액의 연간 배출량은 Son et al.
분석결과는 연구대상지에서 채취한 80개소의 배액 분석결과를 작물별(파프리카, 토마토, 오이, 딸기), 피복재료 유형(유리, 비닐)으로 구분하여 통계분석 하였다. 분석은 SPSS 20.
수경재배로 운영되는 원예시설의 작물별 배출부하는 질소(N)와 인(P)을 중심으로 연 단위로 평가하였다. 배출 부하는 연간 배출되는 배액의 총량에 1L당 포함된 질소와 인 성분 분석결과값을 대입하여 평가하였다.
먼저 1단계는 시설원예농업에서 수경재배방식으로 재배가 이루어지는 작물을 MAFRA(2018)에 근거하여 연구에 적합한 대상 작물을 선정하고, 2단계에서 연구 대상 작물의 주산단지 시설원예농가를 방문하여 배출되는 배액을 샘플링하였다. 이후 3단계는 샘플링한 배액을 수경재배를 위한 양액 조성 시 일반적으로 분석하는 19개 주요 분석항목의 수질분석을 실시하였고, 이후 4단계에서 선행 연구(Son et al., 2019)에서 언급된 배액의 배출량 평균을 적용하였다. 5단계에서는 배액의 수질 분석 결과와 유출량을 적용하여 시설원예단지 배액 유출 부하를 산정하였고 최종적으로 6단계에서 연구 대상 작물별, 온실의 형태별 배액의 수질 분석 결과를 통계학적 분석을 통해 구분하였다.

대상 데이터

2는 집수시설이 마련되어 배액을 집수시설 내 저장하여 배출한 집수 후 배출(Collecting after drainage)과 별도의 집수시설 없이 외부로 직접배출(Output drainage)한 시설원예온실 배액 배출 형태를 나타낸 것이다. 본 연구의 샘플 채취는 집수시설이 마련되어 있는 농가의 경우 집수시설에서, 집수시설이 마련되어 있지 않은 농가는 외부에서 직접 샘플을 채취하였고 모든 샘플은 멸균된 채수병에 1L씩 채수하였다.
수경재배 대표 재배 작물을 토마토, 파프리카, 오이, 딸기로 선정하고 각 작물별 배액 샘플을 20개씩 확보하여 분석에 사용하였다. 분석 결과 산도는 모든 작물에서 배출수 환경기준으로 안정적으로 분석되었다.
연구 대상이 되는 작물은 MAFRA(2018)에 근거하여 수경재배가 이루어지는 시설원예농가의 주요 작물 중 토마토(Tomato), 파프리카(Paprika), 오이(Cucumber) 및 딸기(Strawberry)를 선정하였다. 연구대상지는 작물별 주산단지를 토대로 Table 1에 나타낸 바와 같이 토마토 시설원예농가 20개소(김제, 홍천, 정읍, 진주, 장수, 부여, 창녕, 창원), 파프리카 시설원예농가 20개소(김제, 부여, 여수, 창녕), 오이 시설원예농가 20개소(군산, 김제, 남해, 익산, 창원, 천안), 딸기 시설원예농가 20개소(나주, 담양, 삼척, 장성, 진주)로 총 80개 대상 농가에서 배액을 샘플링하였다.
연구 대상이 되는 작물은 MAFRA(2018)에 근거하여 수경재배가 이루어지는 시설원예농가의 주요 작물 중 토마토(Tomato), 파프리카(Paprika), 오이(Cucumber) 및 딸기(Strawberry)를 선정하였다. 연구대상지는 작물별 주산단지를 토대로 Table 1에 나타낸 바와 같이 토마토 시설원예농가 20개소(김제, 홍천, 정읍, 진주, 장수, 부여, 창녕, 창원), 파프리카 시설원예농가 20개소(김제, 부여, 여수, 창녕), 오이 시설원예농가 20개소(군산, 김제, 남해, 익산, 창원, 천안), 딸기 시설원예농가 20개소(나주, 담양, 삼척, 장성, 진주)로 총 80개 대상 농가에서 배액을 샘플링하였다. 또한 연구대상지 온실 형태에 따른 배액의 수질 농도 차이를 파악하기 위해 대상지 유형(Facyility Type)을 비닐온실(Vinyl Greenhouse)과 유리온실(Glass Greenhouse)로 구분하였다.

데이터처리

분석결과는 연구대상지에서 채취한 80개소의 배액 분석결과를 작물별(파프리카, 토마토, 오이, 딸기), 피복재료 유형(유리, 비닐)으로 구분하여 통계분석 하였다. 분석은 SPSS 20.0을 이용하여 작물은 ANOVA 분석 재료는 t-Test를 통해 배출 농도의 경향 차이를 분석하고자 하였다.
온실의 피복 재료 형태에 따른 배액의 농도를 확인하고자 Table 4와 같이 형태별 평균으로 산출하고 t-Test 통계분석을 통해 그룹 간 차이를 확인하여 Table 5에 제시하였다.

성능/효과

분석 결과 N농도의 경우 토마토가 총 1145.900 kg/ha로 가장 많은 양을 배출하는 것을 알 수 있으며, 딸기가 405.833 kg/ha로 가장 단위면적당 가장 적은 양의 N을 배출하는 것으로 나타났다. 토마토 1ha에서 연간 배출되는 질소의 총량은 1145.
수경재배 대표 재배 작물을 토마토, 파프리카, 오이, 딸기로 선정하고 각 작물별 배액 샘플을 20개씩 확보하여 분석에 사용하였다. 분석 결과 산도는 모든 작물에서 배출수 환경기준으로 안정적으로 분석되었다. EC의 경우 80샘플의 평균이 3.
5 mg/L를 초과할 경우 매우나쁨으로 분류하고 있으며, 하수처리장 배출기준은 소규모 처리장의 경우 4 mg/L이하, 중규모 처리장의 경우 2 mg/L이하로 배출하도록 명시 되어 있다. 연구대상지 80개소에서 배출되는 양액의 T-P농도는 평균 45.63 mg/L로 수질환경기준 매우나쁨 기준 91배, 소규모와 중규모 처리장 방류수 기준 각각 11.4배, 22.8배의 높은 농도로 배출되고 있는 것이 확인되었다. P농도 또한 농촌지역 내 정화되지 않은 생활하수의 평균 농도가 10.
온실의 재료 형태에 따른 배출 부하 차이를 통계적으로 확인해 보았다. 이상의 결과로 미루어 봤을 때 유출 배액의 재이용 및 처리를 위한 온실 형태별 반영 여부는 본 연구결과에서는 확인이 불가능 하였다. 토마토와 파프리카, 오이의 형태별 차이가 일관성이 없이 단순한 통계적 차이로 확인된 결과를 설계 및 재이용 대상 작물 선정 등에 활용하기에는 다소 무리가 있으므로 추가적인 연구를 통해 온실 형태에 따른 차이를 다시 한번 확인해 볼 필요가 있다고 판단된다.
40 mg/L로 분석되어 관리가 필요한 공간임을 확인하였다. 인의 함량 또한 하수처리장 방류수 수질기준이 2~4 mg/L로 규정되어 있는 것에 비해 연구대상지 80곳 샘플의 인 농도는 평균 45.63 mg/L로 고농도의 폐수가 시설원예단지에서 하천으로 배출되는 것을 확인하였다.
월 단위로 분석해 보면 평균적으로 N과 P모두 5월에 가장 많은 양이 배출되며, 7월에 1ha당 가장 적은 양의 배액이 배출되는 것으로 나타났다. 작물별 P농도를 살펴보면 토마토 1ha에서 연간 배출되는 인의 총량은 135.849 kg/ha이며, 5월에 14.438 kg/ha로 가장 높은 배출부하가 확인되었다. 이 양을 연(365일)과 월(30일)로 나눠보면 0.
50 dS/m 정도로 관리가 필요함을 알 수 있었다. 하천 및 호소의 수질 환경을 측정하고 관리하는 중요항목인 질소의 경우 하수처리장 방류수 기준이 20~40 mg/L 인데 본 연구대상 80곳 샘플의 배출 배액 평균 이 315.40 mg/L로 분석되어 관리가 필요한 공간임을 확인하였다. 인의 함량 또한 하수처리장 방류수 수질기준이 2~4 mg/L로 규정되어 있는 것에 비해 연구대상지 80곳 샘플의 인 농도는 평균 45.

후속연구

이와 같은 결과를 미루어볼 때 시설원예단지에서 배출되는 배액에는 매우 높은 비료 성분이 함유되어있어 처리가 필요하며, 이것의 재이용은 비점오염물질의 유출 방지와 더불어 가치 있는 비료의 절약에 도움이 될 수 있다. 따라서 상기에서 분석한 농도를 바탕으로 농업적 재이용에 필요한 농도를 설정하고 배출수 관리에 있어서는 처리용량 파악에 활용할 수 있는 자료가 될 수 있다고 기대한다.
대부분의 양액 성분 분석결과에서 딸기보다 토마토나 파프리카의 농도가 높게 분석되었다. 배출 배액의 농업적 재이용에 있어서 작물별로 극명한 차이가 확인되었으므로 배출 농도에 적합한 재활용 및 처리방안이 수립되어야 할 필요성이 인정되었다.
본 연구를 통해 작물별 시설온실에서 배출되는 배액에 포함된 질소와 인의 양을 평가하여 경제성 분석과 지속 가능한 농업을 위한 시설원예단지의 수처리 시설 도입 시 반영해야 할 처리용량 산정 시 이용할 수 있는 기초자료로 활용되길 기대하였다.
따라서 본 연구에서는 시설원예단지 조성으로 배출되는 영양물질이 비점오염원 관리에서 하천환경 기준으로 어느 정도의 부하이며, 이것이 하천에 미치는 영향에 대해 분석을 실시하고 향후 추가적인 연구를 통해 수질정화 부하에 필요한 경제적 비용을 평가하고자 진행되었다. 본 연구를 통해 지속가능한 농업을 위한 시설원예의 개선점과 향후 친환경적 시설원예단지 조성 시 수질정화 시설의 투입 필요성과 당위성, 경제적 산출 근거의 기초자료로 활용할 수 있다고 판단하였다.
이상의 작물별 시설온실에서 배출되는 배액에 포함된 질소와 인의 양을 평가한 결과는 비료의 경제성 평가와 같은 경제성 분석에 이용될 수 있으며, 수처리 시설 도입 시 반영해야 할 처리용량 산정에도 활용 가능하다고 판단된다. 처리가 필요한 물질로서 시설원예 배액을 관리 시에도 작물별 차이가 확인된 본 연구결과를 활용하여 주산단지의 면적을 고려하여 적절한 처리장 도입 및 설계가 이루어지도록 할 필요가 있다고 판단한다.
이와 같은 결과를 미루어볼 때 시설원예단지에서 배출되는 배액에는 매우 높은 비료 성분이 함유되어있어 처리가 필요하며, 이것의 재이용은 비점오염물질의 유출 방지와 더불어 가치 있는 비료의 절약에 도움이 될 수 있다. 따라서 상기에서 분석한 농도를 바탕으로 농업적 재이용에 필요한 농도를 설정하고 배출수 관리에 있어서는 처리용량 파악에 활용할 수 있는 자료가 될 수 있다고 기대한다.
이상의 작물별 시설온실에서 배출되는 배액에 포함된 질소와 인의 양을 평가한 결과는 비료의 경제성 평가와 같은 경제성 분석에 이용될 수 있으며, 수처리 시설 도입 시 반영해야 할 처리용량 산정에도 활용 가능하다고 판단된다. 처리가 필요한 물질로서 시설원예 배액을 관리 시에도 작물별 차이가 확인된 본 연구결과를 활용하여 주산단지의 면적을 고려하여 적절한 처리장 도입 및 설계가 이루어지도록 할 필요가 있다고 판단한다.
이상의 결과로 미루어 봤을 때 유출 배액의 재이용 및 처리를 위한 온실 형태별 반영 여부는 본 연구결과에서는 확인이 불가능 하였다. 토마토와 파프리카, 오이의 형태별 차이가 일관성이 없이 단순한 통계적 차이로 확인된 결과를 설계 및 재이용 대상 작물 선정 등에 활용하기에는 다소 무리가 있으므로 추가적인 연구를 통해 온실 형태에 따른 차이를 다시 한번 확인해 볼 필요가 있다고 판단된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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