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ISSN : 2288-0992(Print)
ISSN : 2288-100X(Online)
Protected Horticulture and Plant Factory Vol.21 No.3 pp.163-169
DOI :

공기를 이용한 양액 제조용 비료용해 장치 개발 및 용해특성

김성은, 김영식*
상명대학교 식물식품공학과

Development of Fertilizer-Dissolving Apparatus Using Air Pressure for Nutrient Solution Preparation and Dissolving Characteristics

Young Shik Kim*, Sung Eun Kim
Sangmyung University
Received September 3, 2012, Revised September 14, 2012, Accepted September 18, 2012

Abstract

We have conducted three experiments to develop a fertilizer-dissolving apparatus used in fertigationor hydroponics cultivation in order to decrease the fertilizer dissolving time and labor input via automation.All of the experiments were conducted twice. In the first experiment, four selected treatments weretested to dissolve fertilizers rapidly. The first treatment was to dissolve fertilizer by spraying water with asubmerged water pump, placed in the nutrient solution tank. The water was sprayed onto fertilizer, which isdissolved and filtered through the hemp cloth mounted on the upper part of the nutrient solution tank(Spray). The second treatment was to install a propeller on the bottom of the nutrient solution tank (Propeller).The third treatment was to produce a water stream with a submerged water pump, located at the bottomof the tank (Submerged). Finally, the fourth treatment was to produce an air stream through air pipes with anair compressor located at the bottom of the tank (Airflow). The Spray treatment was found to take the shortesttime to dissolve fertilizer, yet it was inconvenient to implement and manage after installation. The Airflowtreatment was thought to be the best method in terms of the time to dissolve, labor input, andautomation. In the second experiment, Airflow treatment was investigated in more detail. In order to determinethe optimal number of air pipe arms and their specification, different versions of 6- and 8-arm air pipesystems were evaluated. The apparatus with 6 arms (Arm-6) that was made of light density polyethylenewas determined to be the best system, evaluated on its time to dissolve fertilizer, easiness to use regardlessof the lid size of the tank, and easiness to produce and install. In the third experiment, the Submerged andArm-6 treatments were compared for their dissolving time and economics. Arm-6 treatment decreased thedissolving time by 8 times and proved to be very economic. In addition, dissolving characteristics wereinvestigated for KNO3, Ca(NO3)2· 4H2O, and Fe-EDTA.

서 론

 우리나라의 농업에서 원예분야의 생산액 비중은 30%이며, 원예산업에서 시설원예 분야가 차지하는 비중은 40%로 앞으로 더욱 발전할 것으로 예상된다(RDA, 2008). 시설원예 산업의 발전은 계절에 관계없이 신선한 채소를 원하는 소비자들의 욕구충족을 가능케 하였고, 건강을 중시하는 식생활 문화로의 변화에 따라 고품질의 친환경 원예작물이 식생활을 주도하기에 이르렀다. 또한, 그 발전의 영향은 국내에 그치지않고, 원예작물의 상당량을 해외에 수출하여 수출산업으로의 성장가능성도 크다고 인정받고 있다(Nam, 2004).

 우리나라의 시설원예의 발전역사는 짧으나 안정적이고 고품질의 생산체계에 바탕이 되는 시설구조, 자재, 부대장치 등을 우리의 실정에 맞게 개선하고 발전시켜, 시설 내 환경조절 기술과 재배기술의 획기적 발전을 이루었으며, 관련 기자재를 국산화하고 다양한 수요를 만족시킬 수 있는 기술 개발로 양적·질적 성장을 이룩하였다(Nam, 2002). 최근에는 시설의 대형화와 컴퓨터를 활용한 시설 내 복합환경 제어기술이 눈부신 발전을 거듭하고 있는데, 이러한 농업환경의 변화에서 특히 주목받고 있는 시설원예 분야로는 수경재배가 있으며, 이로부터 발전된 식물공장과 수직농장 등의 공장식 농업생산시스템의 개발로 미래지향적인 원예산업으로 더욱 발전해 나가는 추세이다. 농업에의 첨단기술 도입은 생산성 향상을 도모하고, 자동화를 통한 노동력을 현저히 줄일 수 있으며, 무농약이나 기능성을 높인 고부가가치 상품의 생산이 가능하게 한다. 따라서 수경재배의 자동화는 공장식 농업생산시스템의 도입과 보급 및 확산에 기초가 될 것이다(Bredmose와 Hansen, 1996).

 김경덕(2004)은 2015년경에는 농촌의 인구가 약 805만 명 정도가 될 것으로 전망하였고, 송미령 등(2006)은 2000년부터 2005년까지의 농촌인구 증감 추이가 그대로 유지될 경우, 인구 2000명 미만인 면의 수가 470개까지 늘어날 수 있다고 전망하였다. 농촌의 인구감소는 농업 생산력, 농촌 경관의 유지 및 관리, 농촌 지역사회의 재생산 등의 측면에서 많은 문제점을 유발 시켰다(Chae 등, 2007). 우리의 좁은 땅과 농업인구의 감소 및 노령화 등의 문제점들은 광활한 면적의 농경지를 가지고 있는 중국과 미국 등의 농산물 수출대국을 상대로 경쟁력을 갖추는 것도 어렵게 하는 것이 사실이다. 따라서 부가가치가 높은 생산물을 안정적으로 생산해 내기 위한 재배 기술력을 발전시킴과 함께 부족한 노동력을 대신할 시설원예 자동화 기술발전에 힘써야 할 것이다.

 관비재배 및 수경재배시 가장 빈번하게 노동력을 필요로 하는 부분 중 하나가 배양액 조제인데, 현재 농축배양액 탱크에 고체 비료를 넣고 인력에 의해 용해시키거나 수중 물 펌프 등을 이용해서 용해시킴으로써 비료용해에 소요되는 시간도 길고 노동력이 수반되고 있으며, 자칫 전기사고의 위험도 내재되어 있어 해결이 시급한 실정이다. 네덜란드와 같이 대규모 농장인 경우에는 액체비료를 사용하기도 하지만 고가이기 때문에 우리나라의 농가에서는 도입하기에 어려움이 많다.

 본 실험은 시설원예의 첫 단계인 비료를 녹일 때, 보다 효과적인 여러 가지 용해방법을 고안, 비교 실험하여 양액 제조시 소요되는 시간과 노동력을 절감하고, 작업의 안전성 확보와 자동화를 가능하게 할 수 있는 장치개발을 위해 실시하였다.

재료 및 방법

 본 연구는 2011년 4월 1일부터 2012년 6월 15일까지 상명대학교의 배양액관리실에서 수행되었다. 첫 번째 실험은 현재 대다수의 농가와 실험실에서 사용하고 있는 배양액 제조 방법인, 두 개의 농축배양액탱크에 필요한 각각의 비료를 넣고 사람이 젓는 방법(Fig. 1) 대신에, 본 실험에서는 수중펌프를 양액 통 속에 두고 양액 통의 입구에 삼베포를 깐 거름망을 설치하여 물을 스프레이하여 비료를 녹이는 방법(Spray), 프로펠러를 이용하는 방법(Propeller), 수중펌프를 양액 통 속에 넣어 물의 흐름을 만들어 주는 방법(Submerged), 에어컴프레서를 이용하여 양액 통 속에 공기흐름을 만들어 비료를 용해하는 방법(Airflow) 등 네 가지 방법을 실험처리로 하였다(Fig. 2).

Fig. 1. Nutrient solution tank used generally in commercial greenhouses.

Fig. 2. Various dissolving methods. Spray with water-pump:Using spray by water pump with net, Propeller: Using propeller, Submerged: Using submerged water pump, Airflow:Using air compressor with air pipe arms.

 사용한 프로펠러의 모터는 DKM induction motor(대경 ELEC)로, 용량은 60W, 분당 회전수는 1550rpm이었으며, 수중물펌프는 Wellow pump(Wellow Co.)로, 용량은 150W, 분당 양수량은 110L이었다. 에어컴프레서는 NH-5(Hanshin Co.)로, 전압 380V, 용량은 4HP이었다. 에어컴프레서를 이용한 처리에서는 5mm 두께의 PVC 파이프 2m 길이에 36cm 길이의 파이프를 십자형태로 연결하고, 3cm 간격으로 2mm 크기의 구멍 12개를 바닥과 45도 각도로 뚫어 제작하였다. 수중물펌프와 스프레이를 이용한 방법(Spray)에 사용한 삼베포는 300수를 4겹으로 겹쳐서 사용하였다. 비료는 다량원소 중에서 비교적 물에 용해가 어려운 황산마그네슘(MgSO4·7H2O)을 사용하였다. 1회당 492g/40L을 녹였는데, 이 농도는 농가에서 관용적으로 사용하는 야마자키배양액의 200배액 농도였다. 각각의 처리는 용해정도를 확인하기 위하여 10초씩 나누어서 작동하였으며, 작동과 용해정도의 확인을 반복하였다. 완전히 용해되었을 때를 최종소요시간으로 측정하였으며, 각 처리는 4회 반복하였다. 통계처리에는 SAS 통계패키지를 이용하였다.

 두 번째 실험은 첫 번째 실험에서 채택된 에어컴프레서를 이용하여 양액 통 속에 공기방울을 만들어 비료를 용해하는 방법(Airflow)에서 사용할 분지관의 재질과 형태를 개선하는 실험을 수행하였다. 5mm 두께의 PVC 파이프 2m 길이에 36cm 길이의 파이프를 십자형태로 연결하고 3cm 간격으로 2mm 크기의 구멍 12개를 바닥과 45도 각도로 뚫은 형태(4지관), 동일한 재질과 규격의 PVC 파이프를 8개 연결하고 3cm 간격으로 2mm 크기의 구멍 12개를 바닥과 45도 각도로 뚫은 형태(8지관), 연질호스(LD)를 6개 연결하고 3cm 간격으로 2mm 크기의 구멍 12개를 바닥과 45도 각도로 뚫은 형태(6지관)를 제작하였다. 비료는 첫 실험에서와 같이 황산마그네슘(MgSO4·7H2O)을 사용하여 1회당 492g/40L을 녹였으며, 용해정도를 확인하기 위하여 10초씩 나누어서 작동하여 작동과 용해정도의 확인을 4회 반복하였다. 완전히 용해되었을 때를 최종소요시간으로 측정하였으며, 통계처리에는 SAS 통계패키지를 이용하였다.

 세 번째 실험에서는 두 번째 실험에서 개발된 Arm-6 장치를 이용하여 현재 토마토 재배농가에서 사용하는 100배 농축 야마자키 배양액을 제조하여 비료를 용해하는데 소요되는 시간을 조사하고자 하였다. 고농축 배양액 제조 시에 비료의 용해정도를 시각적으로 판단하는 방법은 객관성이 부족하므로 배양액의 EC값을 측정하여 용해정도를 객관적으로 판단하고자 하였다. 그러나 농가에서 사용하고 있는 100배의 고농축 배양액은 EC값을 측정하기 불가능하므로 측정이 가능한 10배액을 제조하는데 소요되는 시간을 측정한 후, 시간에 열배를 더하는 방법으로 실험을 수행하였다. 비료의 용해정도는 배양액의 EC를 10초마다 측정하여 조사하였고, 4회 반복실험 하였으며, 통계처리에는 SAS 통계패키지를 이용하였다.

결과 및 고찰

 첫 번째 실험에서 각각의 처리는 황산마그네슘(MgSO4·7H2O)을 넣은 직후, 장치를 작동시키는 도중, 모두 용해된후의세단계로나누어나타내었다(Fig. 3).

Fig. 3. Various dissolving methods processes. Spray: Using spray by water pump with net, Propeller: Using propeller, Submerged:Using water pump, Airflow: Using air compressor with air pipe arms.

 각 처리마다 4회씩 실험을 반복하여 측정된 소요시간의 평균값을 표시하였으며, 통계처리로 유의성을 검토하였다(Table 1). 처리별 소요시간은 스프레이 방법(Spray), 공기방울 방법(Airflow), 물의 흐름을 이용하는 방법(Submerged), 프로펠러 방법(Propeller) 순으로 짧았다. 그러나 현재 농가에서는 고농도 비료농축액을 제조한 후에 원수와 섞어서 관수하는데, 이때 Spray 처리는 비료농축액에 생기는 침전물을 다시 저어서 녹여줄 수 없고, 배양액 탱크(Fig. 1)에 거름망과 스프레이를 설치하는 문제가 용이하지 않아서 농가에 적용하기에는 다수의 문제점이 있었다. 따라서 비료를 녹이는 시간은 4가지 처리 중에서 가장 우수했으나 자동화를 전제하기 위한 장치개발에 초점을 두면 선택하기 어려운 방법이었다. 또한, Propeller 처리나 Submerged 처리는 비료를 녹이는 시간이 길어서 효과적이지 않았다(Table 1). 따라서 Spray 처리 다음으로 비료를 녹이는데 필요한 시간이 짧고, 노동력을 절감할 수 있으며 양액제조 과정을 자동화하기에 용이할 것으로 사료되는 Airflow 처리를 선택하는 것이 좋을 것으로 판단되었다. 또한 에어컴프레서를 통해 압축된 공기가 양액에 공급되어도 양액의 성분이나 pH의 변화는 없는 것으로 조사되었다(data not shown).

Table 1. Elapsed time to dissolve the fertilizer.

 두 번째 실험은 첫 번째 실험에서 선발된 Airflow 처리에서 사용된 십자형태(Arm-4)의 공기방울을 생성하는 관을 더 많은 공기방울을 생성할 수 있는 형태로 개선하여 비료용해 시간을 절감할 수 있도록 장치를 개선한 후 그 성과를 평가하고자 수행하였다(Fig. 4).

Fig. 4. The treatment using air compressor with different number of pipe arms.

 Airflow 처리에서 사용한 장치의 재질과 모양을 개선하여 각각 Arm-6 장치와 Arm-8 장치를 제작하였다. Arm-4, Arm-6, Arm-8 장치의 차이는 공기를 뿜어내는 지관의 개수를 4개, 6개, 8개로 증가시켰고, 지관의 재질을 경질 PVC와 LD(연질호스)로 하여 장치를 개선한 후 첫 번째 실험에서의 Airflow 처리에서와 동일한 방법으로 실험을 실시하였다. Arm-4, Arm-6, Arm-8의 세 가지 장치를 10초씩 작동하여 황산마그네슘이 완전히 녹는데 소요시간을 측정하였는데, Arm-4 장치 보다 Arm-6 장치와 Arm-8 장치에서 시간이 매우 짧게 소요되는 것으로 조사되었다(Table 2). Arm-6 장치와 Arm-8 장치에서는 처리간 차이가 없었다.

Table 2. Elapsed time to dissolve the fertilizer.

 Arm-6 장치의 arm 부분은 LD를 사용하여 유연성을 높여서 양액탱크의 입구 크기에 상관없이 투입이 가능하며, 몸체와의 이음새는 공산품인 6공 소켓을 사용하여 제작이 용이하게 개선하였다. Arm-8 장치는 arm 수를 기존의 처리에 비해 두 배로 하여 공기방울의 발생량을 많게 하여 비료를 녹이는데 소요되는 시간을 현저히 줄이는 것에 목적을 두고 개선하였다. 두장치를 처리해 본 결과 소요시간이 동일하였으므로 양액탱크의 입구 크기에 관계없이 사용이 가능하고, 제작이 용이한 Arm-6 장치가 비료를 용해시키는 매우 효과적인 장치로 판단되었다(Fig. 5).

Fig. 5. The treatment using air compressor with 6 unit pipe arms.

 세 번째 실험에서는 ARM-6와 수중펌프의 비료용해 성능비교를 조사하기 위해서 야마자키 토마토 10배 농축배양액을 만드는데 소요되는 시간을 EC를 이용하여 측정하고 경제성을 분석하였다. 10배액의 배양액 제조를 위해 소요되는 비료의 용해시간은 ARM-6 장치를 이용할 경우 질소와 칼슘비료의 경우 평균 150초(Fig. 6), 그 이외의 비료의 경우 평균 80초(Fig. 7)가 소요되는 것으로 조사되었다.

Fig. 6. Changes in EC when dissolving 10 times concentrated nutrient solution containing nitrogen and calcium fertilizers by the treatment using air compressor with 6 unit pipe arms.

Fig. 7. Changes in EC when dissolving 10 times concentrated nutrient solution containing fertilizers except nitrogen and calcium by the treatment using air compressor with 6 unit pipe arms.

 그런데 비료의 용해를 확인하기 위해 EC를 조사하였는데, EC의 증가가 일정하지 않고 계단식으로 증가하는 양상이 확인되었다. 이에 대한 이유를 구명하기 위해 야마자키 100배 농축배양액 A에 들어가는 KNO3 2022g/100L, Ca(NO3)2 3540g/100L, Fe-EDTA 340g/100L의 비료를 각각 용해하는데 필요한 시간을 측정하였다(Fig. 8). 각각의 비료는 용해속도가 다르게 조사되었다. 따라서 농축 A배양액을 제조할 때 EC의 변화가 계단형을 보이는 것은(Fig. 6) 비료종류에 따른 용해속도 차이가 이유인 것으로 밝혀졌다.

Fig. 8. Changes in EC when dissolving 100 times concentrated nutrient solution containing KNO3, Ca(NO3)2 or Fe-EDTA by the treatment using air compressor with 6 unit pipe arms.

 농가에서 수중펌프를 이용할 경우와 Arm-6 장치를 이용할 경우간의 비료용해에 소요되는 시간차이와 경제성을 비교하기 위해 수중폄프로 야마자키 토마토 10배 농축배양액을 만드는데 소요되는 시간을 EC를 이용하여 측정하였다. 비료를 용해하는데 약 20분이 소요되어 Arm-6 장치를 이용할 때보다 시간은 8배, 비용은 약 6800원/회 많이 소요되었다. 또한 바닥에 용해되지 않은 비료가 남았다(data not shown).

 이 두 가지 방법의 경제성을 비교하기 위해 전기료로 계산하여 비용을 계산하면 배양액 제작 1회당 약 6800원을 절약할 수 있으며, 수중펌프를 사용할 때 우려되는 전기안전사고를 원천적으로 방지할 수 있다고 사료되었다(Table 3).

Table 3. Elapsed time to dissolve the fertilizers containing KNO3, Ca(NO3)2, Fe-EDTA and economic analysis of treatments.

 이러한 장치의 개발로 인해 재배에 필요한 노동력과 생산비를 절감할수있고, 농작업의 안전성을 확보하며, 관비재배 및 수경재배의 단계별 자동화가 점진적으로 이루어져서 완전자동화에 한걸음 다가갈 수 있을 것으로 사료된다.

적 요

 관비재배 및 수경재배시 비료를 녹일 때 소요되는 시간과 노동력을 절감하고, 작업의 안전성 확보와 자동화를 가능하게 할 수 있는 장치의 개발을 위해 본 실험을 실시하였다. 실험은 세 종류로 수행되었다. 먼저, 효과적인 비료용해 방법을 구명하기 위해 수중펌프를 양액 통 속에 두고 양액 통의 입구에 삼베포를 깐 거름망을 설치하여 물을 스프레이하여 비료를 녹이는 방법(Spray), 수중프로펠러를 이용하는 방법(Propeller), 수중펌프를 양액 통 속에 넣어 물의 흐름을 만들어 주는 방법(Submerged), 에어컴프레서를 이용하여 양액통 속에 공기흐름을 만들어 비료를 용해하는 방법(Airflow) 등 4개의 처리를 두고 실험하였다. Spray 처리에서 가장 시간이 짧게 소요되는 것으로 조사되었으나 농가가 실제로 적용하는데 어려움이 있어서, Spray 처리 다음으로 비료를 녹이는 시간이 짧고, 노동력을 절감할 수 있으며 양액제조 과정을 자동화 하는 것이 용이할 것으로 사료되는 Airflow 처리를 선택하였다. 두 번째 실험에서는 Airflow 처리에서 사용한 재질과 분지관수를 개선한 6지관 및 8지관 장치를 제작하여 비교 실험했는데, 6지관 장치가 비료용해시간이 짧고, 양액탱크의 입구 크기에 관계없이 사용이 가능하며, 제작이 용이하여 가장 효과적인 장치로 판단되었다. 세 번째 실험에서는 개발된 6지관 장치를 이용하여 비료를 용해하는데 소요되는 시간을 조사하여 경제성을 분석하였는데, 농가에서 수중펌프를 이용하여 비료를 용해하는 방법보다 시간은 1/8배 절약할 수 있으며 경제성이 큰 것으로 나타났다. 아울러 KNO3,Ca(NO3)2· 4H2O, Fe-EDTA 등의 용해특성을 조사했다.

사 사

 이 연구는 농림수산식품부 농림기술개발사업의 지원으로 수행되었음.

 이 연구는 농촌진흥청 연구비의 지원에 의해 수행되었음.

Reference

1.Bredmose, N. and J. Hansen. 1996. Topophysis affects the potential of axillary bud growth, fresh biomass accumulation and specific fresh weight in single-stem rose. Ann. Bot. 78:215-222.
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