KR20100102430A

KR20100102430A - 연작장애 경감을 위한 시설재배지의 토양 세척 시설 및 이를 이용한 세척 방법

Info

Publication number: KR20100102430A
Application number: KR1020090020805A
Authority: KR
Inventors: 오상은; 주진호; 옥용식
Original assignee: 강원대학교산학협력단
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2010-09-24
Also published as: KR101064368B1

Abstract

본 발명은 비닐하우스 등 시설재배지의 토양을 세척하는 장치 및 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는

시설재배지 주위에 담수 시설을 설치하여 물을 담수하는 단계와;

상기 담수된 물에 MgO를 투입하여 struvite 침전을 수행하여 토양 중의 인(P) 및 탁도 성분을 용해시키는 단계와;

FeCl₃를 투입하여 토양 중의 인(P) 성분 및 탁도 성분을 침강시키는 단계와;

상기 담수 시설에 남아 있는 염류 함유 상등수를 담수 시설 외부로 배출시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한 연작장애 경감을 위한 시설재배지의 토양 세척 방법 및

이를 수행하기 위한 담수화 시설을 구성상의 특징으로 한다.

본 발명은 기존의 담수 시설에 비해 보다 간단한 구성과 방법을 통해 연작장애 피해를 예방하고 농가소득 향상에 기여할 수 있는 효과가 기대된다.

연작장애, 담수화, 염류제거, 시설재배, 산화마그네슘, 삼염화철

Description

연작장애 경감을 위한 시설재배지의 토양 세척 시설 및 이를 이용한 세척 방법{The methode and system for salt removal from vinyl house soil}

본 발명은 비닐 하우스 등 농가에 널리 보급된 시설재배지의 담수화 시설에 있어서 연작장애의 피해를 최소화 시키기 위한 기술과 관련된다. 특히 본 발명은 기존의 담수화 시설에 MgO 또는 FeCl₃를 투입하여 토양 중의 염류 성분을 손쉽게 제거하는 기술과 관련되므로 수처리분야의 기술과 연관성이 깊다고 할 수 있다. 또한 본 발명의 담수화 시설에서 배출되는 희석수는 질소, 인 성분 등이 높지 아니하므로 이를 그대로 토양으로 방류하거나 비료로써 활용할 수 있으므로 환경오염을 방지하는 분야 및 자원을 재활용하는 분야의 기술과도 관련된다.

연작장애란 같은 작물을 한곳에서 계속 재배함으로 인해 발생되는 그 토양의 미량원소가 결핍되거나 유해원소 및 염분이 축적되어 작물의 성장장애나 병·해충등이 취약해지는 현상을 의미한다. 각 식물에게는 자신이 필요로 하는 원소의 종류와 양이 정해져 있는데, 토양의 성질에 의해서 일정한 양의 미량원소들이 존재해 있다면 한가지 작물을 연작함으로 인해 많이 필요로하는 원소들은 고갈되고 필 요로 하지 않는 원소들은 축적되는 현상이 빚어지게 된다. 그로 인해 보통 식물들은 자신이 필요하지 않는 원소들을 싫어하는 경향이 있는데 이로 인해 성장장애 현상이 발생한다.

연작으로 인한 두번째 피해로는 병해충을 들 수 있는데, 식물의 고유 특성상 내성을 가진 병·해충이 있다. 특정 식물을 계속해서 재배함으로써 그 병·해충이 토양중에서 계속 생육을 하게 되어 결국 식물은 그 병·해충에 취약해질 수 밖에 없다.

우리나라의 경우 국토가 좁고 경작지가 넓지 않아 연작은 물론이거니와 집약재배도 널리 시행되고 있다. 그러므로 상기와 같은 작물의 성장장애, 토양 병·해충의 증가 뿐만 아니라 작물의 품질이 저하되고 지속적인 작물 생산량이 감소되어 농가의 소득이 줄어들게 된다. 또한 토양 중의 염류 농도가 증가함에 따라 토양이 오염되는 환경문제도 야기시키고 있는 실정이다.

상기와 같은 연작장애에 대한 대책으로는 휴작(농사를 짓지 않고 땅을 묵혀두는것)이나 각 작물의 성질이 대조되는 대체 작물을 재배하는 것이 바람직하지만 이는 현실적으로 실시하기가 쉽지 않다. 또 다른 방법으로는 '시비'(비료나 거름을 주는것)와 토양 소독이 있으나 이 또한 토양의 염류 성분을 효과적으로 제거하지 못한다는 단점이 있다.

최근 토양 중의 염류 성분을 제거하기 위하여 제안되는 방법으로서 담수화 방법이 있다. 이 방법은 토양에 물을 담수시켜 토양 중의 염류 성분을 토양 깊숙히 스며들게 하는 방법을 통해 토양 상부의 염류 성분을 제거하는 방법이다. 일반 적으로 비료의 주 성분인 염류는 물에 잘 녹는데, 염류가 집적된 토양에 물을 뿌려 탁도 성분을 침강시켜 상등수를 외부로 배출하여 토양 중의 염류성분을 제거한다.

그러나 상기와 같은 담수화 방법을 비닐하우스 등과 같은 시설재배지에 적용할 경우 내부의 온도가 상승하여 토양 속으로 흡수된 염류성분이 모세관 현상에 의해 다시 토양 상부로 이동하는 문제점이 있다. 뿐만 아니라 염류 성분이 밖으로 배출하는 것이 아니라 토양 깊숙히 스며들게 되므로 이로 인한 환경오염의 문제를 근본적으로 해결할 수 없는 한계가 있다.

본원 발명은 전술한 바와 같은 기존의 연작장애 방지를 위한 방법에서 발생되는 문제점을 해결하고자 하며 이를 위하여,

비닐 하우스 등과 같은 시설재배지의 토양속의 염류성분을 효과적으로 제거하기 위한 담수화 시설 및 방법을 제공함을 주된 목적으로 삼는다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은

상기 담수 시설에 남아 있는 염류 함유 상등수를 담수 시설 외부로 배출시키는 단계

로 구성되는 것을 특징으로 한 연작장애 경감을 위한 시설재배지의 토양 세척 방법을 제시하여 전술한 과제를 해결하고자 하며,

또한 본 발명은

시설재배지 주위에 설치되며 물이 유입되는 유입관과; 희석수가 배출되는 배출관과; 물을 담수하는 벽으로 구성되는 담수화 시설에 있어서,

상기 담수된 물에 MgO를 투입하여 struvite 침전을 수행하고,

FeCl₃를 투입하여 토양 중의 인(P) 성분 및 탁도 성분을 침강시키며,

것을 특징으로 한 연작장애 경감을 위한 시설재배지의 토양 세척을 위한 담수화 시설을 이용한다.

본 발명의 담수화 방법을 이용하면 비교적 간단한 구성으로도 효과적으로 토양 중의 염류 성분을 제거하여 연작으로 인한 문제점을 해결할 수 있다. 특히 기존 담수화 방법으로는 해결하지 못했던 토양 중의 염류 성분이 모세관 현상으로 인하여 토양 상부로 재상승하는 문제점을 해결할 수 있다.

뿐만 아니라 본 발명의 담수화 시설에서 배출되는 희석수는 비료로써 활용가능하므로 환경오염을 방지할 수 있고 자원을 재활용할 수 있는 효과가 기대된다.

이하 도면과 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 기존 시설재배지의 담수화 시설을 나타내는 개략도이다. 별다른 시설없이 시설재배지 내부 토양위에 물을 살포하여 토양중의 과량으로 존재하는 염류를 용해시켜 염류를 땅속 깊숙히 스며들도록 함으로써 제거한다. 그러나 전술한 바와같이 시설재배지의 특성상 외부에 비해 온도가 상승하게 되는데, 이 때 흡수된 염류가 모세관 현상에 의하여 재용출되어 토양상부로 재상승하게 된다.

또한 기존의 담수화 방법은 염류를 제거하는 것이 아니라 땅 속 깊숙히 흡수 하게 함으로써 염류에 의한 토양 오염의 문제를 해결하지 못하는 단점이 있다.

도 2는 본 발명의 시설재배지의 담수화 방법에 사용되는 담수화 시설을 나타내는 개략도이다. 도시된 바와 같이 시설재배지 내부에 물을 저장할 수 있는 경계 또는 옹벽 등을 설치하여 여기에 물을 담수시킨다. 상기와 같은 비교적 간단한 방법으로 담수화 시설을 설치하고 MgO를 투입하여 struvite 침전 및 탁도 제거를 동시에 수행하거나 또는 FeCl₃를 투입하여 토양 중의 탁도 및 인(P) 성분을 침강시킨다.

이 때 침강되는 탁도 성분은 대체로 인(P)이나 이것은 토양의 성질에 따라 달라질 수 있다. 마지막으로 담수 시설에 남아 있는 희석수를 담수 시설 외부로 배출시키는데, 필요에 따라서는 배출되는 희석수를 비료로 재활용할 수도 있다.

이하 본 발명의 핵심적인 단계라고 할 수 있는 MgO를 투입하여 struvite 침전을 수행하는 단계와, FeCl₃를 투입하여 토양 중의 탁도 성분을 침강시키는 단계에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

본 발명은 하기의 반응식에 기재된 Struvite 침전을 이용하여 토양 중에 함유된 질소와 인(P)을 제거한다.

Mg²⁺ + NH₄ ⁺ + PO₄ ^3- + 6H₂O → MgNH₄PO₄.6H₂O

[Mg2+][NH4+][PO43-]=Ksp

상기 방법은 염류를 제거하는 데, 소요되는 시간이 짧고 부지면적이 작게 소요되는 이점이 있다. 또한 생물학적 처리방법과 연계하여 처리효율을 증진시킬 뿐 만 아니라 COD제거에도 효과적이다.

상기 Struvite 침전 단계를 거친후 여분의 인(P)을 제거하기 위하여 FeCl₃ 침전제를 사용한다. FeCl₃ 는 인(P)과 쉽게 반응할 뿐만 아니라 pH 가 4~11의 넓은 범위에서 활용이 가능한 침전제이다. 이는 하기의 반응식을 따른다.

Fe³⁺ (aq) + PO₄ ^3- (aq) → FePO₄ (s) ↓ (침강) (식 2)

식 2에서 P와 반응하지 않는 나머지 FeCl₃는 식 3의 반응과 같이 Fe(OH)₃로 침전된다.

Fe³⁺ + 3OH^- →Fe(OH)₃ (s) ↓ (식 3)

도 3은 MgO를 투입하여 struvite 침전을 수행한 결과 나타나는 토양 중의 전기전도도(EC) 및 pH의 변화를 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이 담수 후 시간이 경과함에 따라 투여 MgO의 이온 농도가 증가할수록 EC가 현격하게 감소하고 있음을 알 수 있다. 이는 수중의 암모니아와 인이 결합하여 struvite 침전이 되었기 때문이다. 48 mM의 MgO를 넣음으로 해서 pH는 그다지 상승하지 않았다.

이하 실시예를 바탕으로 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

[실시예 1 : 담수 처리후 토양의 깊이 EC의 변화 측정]

가로, 세로, 높이 각각 0.7, 0.7 및 0.4 M인 아크릴판(담수화 시설에 해당됨) 2기를 제작하여 지반 밑 0.2M 깊이로 설치하고 이 담수화 시설의 상부와 하부는 아크릴을 붙이지 않아 뚫려 있는 상태로 제작하였다. 상기 아크릴판 내 토양 표면 아래 15cm의 내부 토양은 복합비료를 넣어 인위적으로 염류집적이 되도록 하였으며 약 80L의 물을 넣어 토양 표면 위 15cm의 높이만큼 담수시켜 섞었다. 여기에 MgO를 약 160g투입하여 struvite 침전을 수행하였다. 그런 다음 FeCl₃를 약 140g 투입하여 토양 중의 탁도 성분을 제거하였다.

2기의 담수화 시설은 각각 담수처리구, 배수처리구로 이용하였으며 3시간 침전 후 담수처리구는 물이 토양 밑으로 빠지도록 그대로 두었으며 배수처리구는 희석된 물을 상등수로부터 서서히 배출시켰다. 상기 공정을 반복하여 2회 실시하였다. 담수 처리구 및 배수 처리구에서 각각 0~20 cm, 20~40 cm, 40~60 cm에서 토양을 채취하여 전기전도도(EC)의 변화를 측정하여 표 1을 통해 제시하였다.

[표 1: 담수 처리후 토양의 깊이 EC의 변화]

(ds/m)

	구분	0~20cm	20~40cm	40~60cm
초기	담수 처리구	6.5	0.70	0.018
초기	배수 처리구	7.1	0.81	0.023
1회 담수	담수 처리구	1.55	2.1	1.33
1회 담수	배수 처리구	1.70	0.97	0.54
2회 담수	담수 처리구	0.77	1.22	0.75
2회 담수	배수 처리구	0.80	0.51	0.40

표 1에서 본 발명인 배수처리구에서 토양의 염류 성분이 상당부분 제거되었 으며 토양이 깊이에 따른 EC의 축적이 없었다. 그러나 기존의 처리방법인 담수방법은 20~40cm부근의 EC값이 0.7 dS/m에서 2.1 dS/m로 축적이 됨을 알 수 있고 이는 추후에 모세관 현상으로 인해 다시 상부로 올라올 개연성이 있다. 2회 담수처리 하더라도 EC값은 크게 달라지지 않았으며 토양에 무분별한 시비를 계속 할 경우 토양 하부의 염류가 계속 집적될 수 있다.

[실시예 2: 포화 수리전도도의 측정]

실시예 1과 동일하게 담수 단계를 실시한 후, 담수처리구에서 시간의 경과에 따른 포화수리전도도를 측정하였다. 그 결과를 표 2를 통해 제시하였다.

[표 2: 토양의 포화 수리전도도의 변화]

(단위: cm/hr)

구분	0시간	2시간	4시간	6시간	8시간	10시간	12시간	14시간	16시간	22시간
1회 담수	15	13.1	11.4	8.9	8.1	6.5	5.1	4.3	3.1	0
2회 담수	15	13.9	12.8	12.3	11.5	10.8	10.4	9.7	9.2	6.8

1회 담수시에는 토양상부 담수된 물이 쉽게 토양하부로 빠짐을 알 수 있다. 2회 담수시에는 토양하부의 높은 함수율로 인해 토양하부로 쉽게 빠지지 않음을 알 수 있다.

[실시예 3: 탁도 변화 추이의 측정결과]

실시예 1과 동일하게 담수 단계를 실시한 후, 시간의 경과에 따른 물의 탁도 변화를 측정하였다. 그 결과를 도 4를 통해 제시하였다. 응집제인 FeCl₃를 넣지 않더라도 3시간 동안에 초기 탁도의 70% 이상이 제거 되었으며, 소량의 FeCl₃ 또는 MgO를 넣은 경우 30분 내에 95% 이상의 탁도 성분이 제거 되었고 토양에 스며들지 않은 더 많은 희석수를 시설재배지 외부로 배출시킬 수 있다. 또한 배출 희석수의 오염물질 농도는 암모니아성 질소가 32.7 mg/L, NO₃가 8.6 mg/L, PO₄가 6.1 mg/L로 그다지 높지 않은 것을 알 수 있고 저농도 비료로 토양에 재이용될 수 있다. 이를 표 3을 통해 제시하였다.

[표 3 배출희석수의 유기물질농도]

구분

pH

EC(dS/m)

Na

NH₄ ⁺-N

K

Mg

Ca

F

Cl

NO₃

PO₄

SO₄

(단위: mg/L)

배출희석수

7.36

4.75

22.31

32.73

34.4

15.77

55.7

N.D.

72.7

8.63

6.08

85.28

전술한 바와 같이 본 발명의 담수 시설을 통해 Struvite 침전 단계를 실시하거나, FeCl₃ 을 사용하여 담수된 물의 탁도 성분을 침전시키면 빠른 시간 내에 탁도성분을 제외한 토양 중의 용해된 염류성분 만을 배출시켜 토양오염을 근본적으로 해결할 수 있음을 확인할 수 있다. 또한 본 발명의 배출수는 염류가 용해되어 있으므로 이를 다시 비료로써 재활용할 수 있음은 물론이다.

도 1은 기존 시설재배지의 담수화 시설을 나타내는 개략도이다.

도 2는 본 발명의 시설재배지의 담수화 방법에 사용되는 담수화 시설을 나타내는 개략도이다.

도 3은 MgO를 투입하여 struvite 침전을 수행한 결과 나타나는 토양 중의 전기전도도(EC)의 변화를 나타내는 도면이다.

도 4는 MgO를 투입하여 struvite 침전을 수행한 결과 나타나는 토양 중의 pH의 변화를 나타내는 도면이다.

도 5는 본 발명의 담수화 시설에서 측정된 시간의 경과에 따른 물의 탁도변화를 나타내는 도면이다.

Claims

시설재배지 내부의 토양 상층부 위에 물을 저장할 수 있는 담수 시설을 설치하는 단계와;

상기 담수 시설에 물을 담수하는 단계와;

상기 담수된 물에 MgO를 투입하여 struvite 침전을 수행하는 단계와;

FeCl₃를 투입하여 토양 중의 탁도 성분을 침강시키는 단계와;

상기 담수 시설에 남아 있는 희석수를 담수 시설 외부로 배출시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한 연작장애 경감을 위한 시설재배지의 토양 세척 방법.
제1항에 있어서,

상기 토양 중의 탁도 성분은 struvite 또는 인(P)을 함유한 유기물질인 것을 특징으로 한 연작장애 경감을 위한 시설재배지의 토양 세척 방법
제1항 내지 제2항 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 담수 단계는 3시간 이내로 진행되며,

상기 MgO 및 FeCl₃의 투입량은 담수한 물의 양에 대하여 2 g/L 이내인 것을 특징으로 한 연작장애 경감을 위한 시설재배지의 토양 세척 방법
시설재배지 내부의 토양 상층부 위에 물을 저장할 수 있는 담수 시설을 설치하는 단계와;

상기 담수 시설에 물을 담수하는 단계와;

상기 담수된 물에 MgO를 투입하여 struvite 침전을 수행하는 단계와;

FeCl₃를 투입하여 토양 중의 탁도성분을 침강시키는 단계와;

상기 담수 시설에 남아 있는 희석수를 담수 시설 외부로 배출시키는 단계와;

상기 배출되는 희석수를 비료로 재활용하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한 시설재배지의 시비 방법
시설재배지 내부의 토양 상층부 위에 설치되며 물이 유입되는 유입관과; 희석수가 배출되는 배출관과; 물을 담수하는 벽으로 구성되는 담수화 시설에 있어서,

상기 담수된 물에 MgO를 투입하여 struvite 침전을 수행하고,

FeCl₃를 투입하여 토양 중의 탁도 성분을 침강시키는 것을 특징으로 한 연작장애 경감을 위한 시설재배지의 토양 세척을 위한 담수화 시설