KR20210031243A - 질산염 및 인산염 제거용 복합균주 및 이를 이용한 수경재배용 배액 정화방법 - Google Patents

질산염 및 인산염 제거용 복합균주 및 이를 이용한 수경재배용 배액 정화방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, Paracoccus aminovorans(기탁번호: KCTC72503), Pseudomonas migulae(기탁번호: KCTC72504) 및 Pseudomonas silesiensis(기탁번호: KCTC72505)를 포함하는 질산염 및 인산염 제거용 복합균주에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 수경재배 방식에서 발생되는 배액 내에 존재하는 질산염 및 인산염을 생물학적 방식으로 제거하여 하천, 지하수 등의 수질 오염을 방지할 수 있도록 하는 질산염 및 인산염의 제거효능이 우수한 복합균주에 의하여, 질산염 및 인산염에 의한 수질오염으로부터 발생되는 생태계 파괴 및 음용시 발생되는 질병의 발생을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 좁은 공간에서도 우수한 효율로 질산염과 인산염을 동시에 제거할 수 있다.

Description

질산염 및 인산염 제거용 복합균주 및 이를 이용한 수경재배용 배액 정화방법{Complex Microorganism for removing Nitrate and Phosphate and Method of Purifying water for Hydroponics using the Complex Microorganism}
본 발명은 질산염 및 인산염 제거용 복합균주 및 이를 이용한 수경재배용 배액 정화방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 식물공장, 온실 등에서 수경재배 시 발생되는 배액 내 질산염과 인산염 제거를 위한 미생물 복합균주에 관한 것이다.
네덜란드 등 농업 선진국의 시설 원예 스마트팜 기술의 발달로 전 세계적으로 스마트팜에 대한 관심이 증가하고 있다. 스마트팜은 내부 온도, 습도, 일사량 등을 조절하는 복합환경제어와 양액 농도와 공급 시기를 조절하는 관수제어 방식이 일반적으로 적용된다. 수경재배는 토양 대신 암면(Rock Wool), 코코피트(Cocopeat) 등의 인공 배지에 작물의 뿌리를 지지시키고 비료를 물에 녹인 양액의 관수제어를 통해 식물에게 필요한 성분들을 주입해준다. 작물의 종류 및 생육 시기, 기후에 따라 양액의 양 및 농도를 다르게 주입하는 제어를 통해 일정한 면적 당 최대의 수확량을 얻는 것이 가능하다.
수경재배는 양액 이용 방식에 따라 순환식과 비순환식 시스템으로 구분한다. 순환식은 원수에 비료를 혼합하여 전기전도도(EC; Electric Conductivity), pH 등을 조절한 후 작물에 공급하게 된다. 식물 체내 흡수에 의한 증산량을 제외하면 약 30%의 배액이 배출된다. 이때 퇴수된 배액을 다시 집수하여 여과, 살균처리 후 다시 재활용하는 방법이다. 반면에 비순환식 시스템은 양액을 식물에 공급하고 배지를 통해 나온 배액을 처리하지 않고 그대로 배출하는 방법이다.
배액 배출의 문제 현황을 파악하기 위하여 토마토, 파프리카, 딸기 스마트팜에서 배출되는 배액을 분석하였다. 공공하수처리장 방류수 수질 기준을 참고하여 비교해보면 질소와 인이 최대 20배 초과하는 것을 확인하였다(표 1).
스마트팜 급액(mg/L) 배액(mg/L) 기준 초과 배수
A
(토마토)
N 179±77 362±232 9배 초과
P 47±18 59±37 12배 초과
B
(파프리카)
N 206±21 416±93 10배 초과
P 56±7 78±16 20배 초과
C
(딸기)
N 86 88±12 2배 초과
P 25 18±5 4배 초과
스마트팜에 사용되는 양액은 오염 물질이 아닌 양분이라는 인식 등으로 환경적으로 관심이 높지 않았다. 양액은 실제로 식물 성장에 꼭 필요한 양분이지만 높은 농도로 지속적으로 배출될 경우 문제가 되는 것이다. 배액에 포함된 인산염을 처리하지 않고 그대로 수계에 배출 시 특정 환경 조건에서 pH가 높아졌을 때 침전되어 퇴적물에 흡착되거나 퇴적물로 쌓이게 된다(Shim 외, 2015). 또한, 인산염은 녹조 현상의 중요한 인자로 잘 알려져 있다. 아울러 인산염은 기체 물질로 순환되는 과정이 없으며 침전되기 쉽기 때문에 재사용하거나 배출되기 이전에 처리하는 것이 중요하다.
또한, 질소화합물인 질산염과 암모늄 이온은 직접적으로 유아에게 청색증 등의 질병이나 암 등의 원인이 될 수 있어 음용수수질기준에 엄격히 제한하고 있다. 간접적으로는 미세조류의 영양분으로 사용되어 녹조 현상을 일으킬 수 있다(Rhee and Gotham, 1981). Nostoc 등 시아노박테리아 등은 독성이 있는 미세조류로 잘 알려져 있다(Fujii, 1999). 양액에 포함된 질소화합물은 대부분이 질산염으로 구성되어 있다. 질산염은 생물학적 탈질반응(Denitrification)에 의해 질소기체로의 환원이 가능하다.
지속적으로 늘어나는 스마트팜의 배액 배출원은 점 오염원으로써 관리 및 처리가 가능함에도 불구하고 수질오염원으로써의 영향을 주고 있는 정도로만 인식되고 있다. 그러나 이러한 배액은 고농도의 질소와 인이 포함되어 있어 인근 생태계에 영향을 미칠 가능성이 매우 높다. 뿐만 아니라 하폐수 처리 시스템에 연계되지 않은 농가가 대부분이라 그대로 하천이나 지하수 등에 유입되어 수자원 확보에 위협을 줄 수도 있다. 따라서 전국 스마트팜 배액 배출에 대한 현황 조사, 배액 관리 및 처리 기술 도입이 시급하다. 이미 네덜란드 등 농업 선진국에서는 스마트팜으로부터 배출되는 배액에 대한 법적인 규제를 시행해오고 있으며 대부분의 농가에서 순환식 시스템을 적용하고 있다. 하지만 국내에는 배액 배출에 대한 규제가 마련되지 않은 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제1963646호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 수경재배 방식에서 발생되는 배액 내에 존재하는 질산염 및 인산염을 생물학적 방식으로 제거하여 하천, 지하수 등의 수질 오염을 방지할 수 있도록 하는 질산염 및 인산염의 제거효능이 우수한 복합균주를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 복합균주를 이용하여 우수한 효율로 질산염 및 인산염을 제거하는 방법을 제공함으로써, 질산염 및 인산염에 의한 수질오염으로부터 발생되는 생태계 파괴 및 음용시 발생되는 질병의 발생을 방지할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 기존의 질산염과 인산염을 제거하기 위한 설비에 비하여 훨씬 좁은 공간에서도 우수한 효율로 질산염과 인산염을 동시에 제거할 수 있는 복합균주를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로, Paracoccus aminovorans(기탁번호: KCTC72503), Pseudomonas migulae(기탁번호: KCTC72504) 및 Pseudomonas silesiensis(기탁번호: KCTC72505)를 포함하는 질산염 및 인산염 제거용 복합균주를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로, Paracoccus aminovorans(기탁번호: KCTC72503), Pseudomonas migulae(기탁번호: KCTC72504) 및 Pseudomonas silesiensis(기탁번호: KCTC72505)를 포함하는 수경재배 내 질산염 및 인산염 제거용 복합균주를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로, 식물의 수경재배용 배액에 Paracoccus aminovorans(기탁번호: KCTC72503), Pseudomonas migulae(기탁번호: KCTC72504) 및 Pseudomonas silesiensis(기탁번호: KCTC72505)를 포함하는 복합균주를 주입하여 배액 내 질산염 및 인산염을 제거하는 수경재배용 배액 정화방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 수경재배 방식에서 발생되는 배액 내에 존재하는 질산염 및 인산염을 생물학적 방식으로 제거하여 하천, 지하수 등의 수질 오염을 방지할 수 있도록 하는 질산염 및 인산염의 제거효능이 우수한 복합균주에 의하여, 질산염 및 인산염에 의한 수질오염으로부터 발생되는 생태계 파괴 및 음용시 발생되는 질병의 발생을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 좁은 공간에서도 우수한 효율로 질산염과 인산염을 동시에 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합균주의 배액정화 실험을 위한 시스템 개요를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합균주를 배액에 처리한 실험결과 유입 및 유출된 배액의 NO3 농도(mg/L)를 비교한 그래프.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복합균주를 배액 처리 후 NO3 제거율을 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 복합균주를 배액에 처리한 실험결과 유입 및 유출된 배액의 PO4 농도(mg/L)를 비교한 그래프.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복합균주를 배액 처리 후 PO4 제거율을 나타낸 그래프.
본 발명은, Paracoccus aminovorans(기탁번호: KCTC72503), Pseudomonas migulae(기탁번호: KCTC72504) 및 Pseudomonas silesiensis(기탁번호: KCTC72505)를 포함하는 질산염 및 인산염 제거용 복합균주에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
본 발명은 식물공장, 온실, 스마트팜 등에서 수경재배 시 발생되는 배액 내 질산염과 인산염 제거를 위한 미생물 복합균주에 관한 것이다. 본 발명을 구성하는 복합 미생물 균주는 양액을 사용하는 작물 재배 과정에서 발생되는 배액 내 질산염과 인산염을 생물학적인 고도처리에 의해 안정적으로 제거할 수 있다.
또한, 기존의 공법에서는 질소와 인을 처리하기 위해 공간이 많이 차지하여야 했던 것에 비해, 본 발명의 미생물 복합균주를 이용한 배액 정화방법에 있어서는, 본 발명의 복합균주 미생물 제제를 이용한 단일 처리공정만으로도 질소와 인의 동시 제거 효과를 충분히 얻을 수 있기 때문에 좁은 공간을 활용해서 처리할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 복합균주는 하폐수종말처리장에서 채취하여 수경재배 배액에서 배양되었다. 하폐수종말처리장에서 채취된 복합균주들을 일련의 배양 과정을 거쳐 생물학적 처리공정에 의한 질산염 및 인산염의 제거 효능이 우수한 상태로 적정 배양되어 복합균주로 채택되었으며, 그 후 2년의 기간동안 수경재배 배액의 정화공정을 반복하여 진행함으로써 질산염 및 인산염의 제거 효율이 상당한 수준으로 개선된 본 발명에 따른 복합균주을 얻을 수 있었다.
이와 같은 과정에서 수득한 미생물 복합균주의 분석결과, Paracoccus aminovorans(기탁번호: KCTC72503), Pseudomonas migulae(기탁번호: KCTC72504) 및 Pseudomonas silesiensis(기탁번호: KCTC72505)를 포함하고 있다는 것을 확인할 수 있었다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만, 이들의 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예의 의해 한정되는 것으로 해석되지는 않는다 할 것이다.
[실시예]
[복합균주의 제조]
하폐수종말처리장에서 채취된 복합균주들을 일련의 배양 과정을 거쳐 생물학적 처리공정에 의한 질산염 및 인산염의 제거 효능이 우수한 상태로 적정 배양되어 복합균주로 채택한 후 2년의 기간동안 수경재배 배액의 정화공정을 반복하여 진행하여 질산염 및 인산염의 제거 효율이 개선된 본 발명의 실시예에 따른 복합균주를 수득하였다.
[미생물 효능 실험]
1) 배액 정화 시스템
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합균주의 배액정화 실험을 위한 시스템 개요를 나타낸 도면이다.
도 1의 배액정화 시스템은 세종두레농업타운의 재배면적 약 650평 규모이고, 주수는 6000주이며, 한 주당 130cc씩 하루에 16회 관수가 수행되는 수경재배 농지의 배액을 처리하는 시스템이다. 현재 양액처리 규모는 하절기에 3톤/1일 정도 규모로 설정되어 있으며, KIST 강릉분원의 스마트팜에서도 추가로 실험을 진행하였다.
표 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합균주를 배액에 처리한 실험결과 유입 및 유출된 배액의 NO3 농도(mg/L)를 비교한 표이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합균주를 배액에 처리한 실험결과 유입 및 유출된 배액의 NO3 농도(mg/L)를 비교한 그래프이다(20샘플, 평균온도 20℃, Alkalinity 25mg/L).
실험회차 원수 처리후 제거량 제거율
1 200 25 175 0.875
2 250 30 220 0.88
3 240 27 213 0.8875
4 200 25 175 0.875
5 220 30 190 0.863636
6 290 32 258 0.889655
7 320 32 288 0.9
8 340 35 305 0.897059
9 290 24 266 0.917241
10 270 22 248 0.918519
11 250 20 230 0.92
12 260 20 240 0.923077
도 3은 상기 표 2의 배액 처리 후 NO3 제거율을 나타낸 그래프이다. 본 반응조의 일반적 특징은 질산염 제거를 목적으로 하고 있으며, 실제 본 반응조의 질산염 제거 공정을 보면 제거율이 평균 약 90%인 것으로 나타나고 있다.
질산염 제거원리는 공정상 호기성 공정에서 NH4와 NO와 NO2가 폭기에 의해 NO3가 되고 탈질공정에서 탄소원을 공급함으로서 탈질미생물이 에너지원을 활용하여 NO3을 N2 가스로 환원함으로써 질산염 이온이 현격하게 제거되기 시작한다. 여름철에는 1톤당 4시간 정도면 가능하지만 겨울철에는 1톤당 6시간 정도 반응속도가 느려지는 특성이 있다.
본 반응조의 NO3 성상의 변화 특성은 다음과 같다.
화공양론 반응 : 6NO3 -+5CH3OH->3N2+5CO2+7H2O+6OH-
미생물 합성 : NO3 -+1.07CH3OH+0.24H2CO3->0.06C5H7O2N+0.47N2+1.66H2O+HCO3 -
이러한 과정에서 암모늄 이온에서 아질산이온을 거쳐 질산염으로 거치는 과정에서 아질산염(NO2) 농도는 아주 빠르게 질산염으로 전환되기 때문에 대체로 유출수에서 NO2 농도는 거의 검출되지 않는 것으로 나타나고 있다.
표 3은 본 발명의 실시예에 따른 복합균주를 배액에 처리한 실험결과 유입 및 유출된 배액의 PO4 농도(mg/L)를 비교한 표이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 복합균주를 배액에 처리한 실험결과 유입 및 유출된 배액의 PO4 농도(mg/L)를 비교한 그래프이다(20샘플, 평균온도 20℃, Alkalinity 25mg/L).
실험회차 원수 처리후 제거량 제거율
1 150 30 120 0.8
2 180 30 150 0.833333
3 200 40 160 0.8
4 150 30 120 0.8
5 140 40 100 0.714286
6 180 52 128 0.711111
7 190 47 143 0.752632
8 170 50 120 0.705882
9 160 40 120 0.75
10 120 10 110 0.916667
11 180 30 150 0.833333
12 170 60 110 0.647059
도 5는 상기 표 3의 배액 처리 후 PO4 제거율을 나타낸 그래프이다.
인산염은 침전과 흡착에서 제거되는 것이 일반적이나, 실제 본 반응조에서는 미생물에 의해서 일부 제거되고 다른 이온들과 결합하여 흡착되어서 제거되는 것으로 나타나고 있다. 본 반응조에서는 인산염 제거 변화의 편차가 상당히 큰 것으로 나타나고 있는데, 이러한 이유는 유입수의 성상, 온도, 반응조 상태, 미생물들과의 관계 등 복잡한 상호 관계 반응으로 나타는 것으로 보여지고 있는데, 실제 본 반응조의 질산염 제거 공정을 보면 제거율이 평균 약 77%인 것으로 나타나고 있다.

Claims (3)

  1. Paracoccus aminovorans(기탁번호: KCTC72503), Pseudomonas migulae(기탁번호: KCTC72504) 및 Pseudomonas silesiensis(기탁번호: KCTC72505)를 포함하는 질산염 및 인산염 제거용 복합균주.
  2. Paracoccus aminovorans(기탁번호: KCTC72503), Pseudomonas migulae(기탁번호: KCTC72504) 및 Pseudomonas silesiensis(기탁번호: KCTC72505)를 포함하는 수경재배 내 질산염 및 인산염 제거용 복합균주.
  3. 식물의 수경재배용 배액에 Paracoccus aminovorans(기탁번호: KCTC72503), Pseudomonas migulae(기탁번호: KCTC72504) 및 Pseudomonas silesiensis(기탁번호: KCTC72505)를 포함하는 복합균주를 주입하여 배액 내 질산염 및 인산염을 제거하는 수경재배용 배액 정화방법.
KR1020190112974A 2019-09-11 2019-09-11 질산염 및 인산염 제거용 복합균주 및 이를 이용한 수경재배용 배액 정화방법 KR20210031243A (ko)

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