REVIEW ARTICLE

Technology development and industrialization trends of circulating nutrient solution supply systems: a review

Hyo Jeong Kwon1,2, Md Razob Ali3, Ka Young Lee4, Md Nasim Reza3,4, Mohammod Ali3, Md Shaha Nur Kabir4,5, Sun-Ok Chung2,3,4, Kanghee Jeong6*

1Department of Smart Agriculture System Engineering, Graduate School of Smart Agriculture, Chungnam National University, Daejeon 34134, Republic of Korea
2CHUNG-OH Engineering Co., Ltd, Daejeon 34364, Republic of Korea
3Department of Agricultural Machinery Engineering, Graduate School, Chungnam National University, Daejeon 34134, Republic of Korea
4Department of Smart Agricultural Systems, Graduate School, Chungnam National University, Daejeon 34134, Republic of Korea
5Department of Agricultural and Industrial Engineering, Hajee Mohammad Danesh Science and Technology University, Dinajpur 5200, Bangladesh
6Corporation X-one, Anyang 14119, Republic of Korea

*Corresponding author: engineer@x01.co.kr

September, 2023
Precision Agriculture Science and Technology 2023 5(3):137-151
Received Date: August 30, 2023
Revised Date: September 27, 2023
Accepted Date: September 27, 2023
DOI: 10.12972/pastj.20230011
Citation

Abstract

Hydroponics, a soil-free plant cultivation technique, delivers nutrients directly to roots through a nutrient-rich solution. This method offers advantages over traditional soil-based approaches and has gained attention for its potential to revolutionize controlled agriculture. The review aimed to offer a summary of technological advancements and industrialization patterns in systems supplying circulating nutrient solutions. An intelligent nutrient management system enhances plant growth and productivity. The utilization of a circulating hydroponic cultivation setup can reduce environmental pollution and lower production expenses. As a result, circulating nutrient solution management systems are gaining global popularity, such as in the Netherlands, circular hydroponic cultivation has been advanced to over 95%. A limitation of circulation-type nutrient solution cultivation is the potential transmission and rapid formulation of pathogens during the recycling of discharged nutrient solutions. Addressing this concern, filtration and sterilization processes can offer viable solutions. To accelerate hydroponic farming, an integrated approach could be pursued, strengthen nutrient circulation management technology. This approach could aid in the implementation of such systems in countries like the Republic of Korea, where adoption of circulating hydroponic systems remains under 5%. The trend of technological advancement and industrial growth has been conducted through patent analysis and resources that have subsequently lead the way for the advancement of extensive hydroponic farming establishments. The cyclic hydroponic cultivation in the Republic of Korea was introduced in 2010, and based on the patent information, this endeavor gained momentum from 2020 onward. Furthermore, the analysis underscores the considerable potential of circulating nutrient solution supply systems as viable approaches for promoting sustainable and efficient food production. As a result, forthcoming research and innovation need to be tailored to the local context and prioritize user-centered methodologies, ultimately facilitating the integration and establishment of hydroponic systems in the Republic of Korea.

Keywords

Sustainable agriculture, smart indoor farming, smart nutrient management, intelligent control

서론

최근 몇 년 사이 수직농장, 스마트팜 등 새로운 도시 농업 기술의 개발이 빠르게 진행되고 있다. 이러한 기술은 토양이 아닌 영양분이 풍부한 용액을 사용하여 식물을 재배하는 수경 재배를 기반으로 한다. 수경재배는 기존의 토양 재배 방식이 아닌 작물이 필요로 하는 필수 성분이 포함된 배양액을 토양이 없는 상태에서 뿌리 부위에 직접 접촉시켜 재배하는 방식이다. 수경재배에 사용되는 양액의 약 20~30%는 작물에 흡수되지 않고 배출되는데, 국내 대부분의 농가에서는 배출된 양액을 처리하지 않기 때문에 수경재배 농장은 환경오염에 크게 자리하고 있다(Ahn et al., 2021). 수역의 양액 오염을 완화하고 폐양액 처리를 개선하기 위해 전 세계는 농작물 및 식품 잔류물, 가축 및 사람의 분뇨와 같은 유기 잔류물에서 영양소를 더 잘 회수하여 농업 생산에 재사용할 수 있는 방법을 배워야 한다. 이러한 관점에서 최근 몇 년간 ‘양액 순환’, ‘순환식 양액재배’, ‘순환식 양액 솔루션’, ‘순환식 양액 경제성’에 대한 관심이 급격하게 증가하고 있다(Harder et al., 2021).

합성비료의 높은 외부 투입량은 농업 생태계에서 영양소의 내부 재활용이 수확량을 유지하는 데 점점 더 무관해졌다는 것을 의미했다(Arizpe et al., 2011). 순환식 양액재배는 일반적으로 농업 생산, 가공, 유통 및 소비 과정에서 발생하는 영양소 손실의 감소와 농업 생산에 재사용하기 위해 유기 잔류물에서 양액을 포괄적으로 회수하는 것을 포함하는 것으로 보인다(Harder et al., 2021). 농업 및 식품 가공에서 소비자, 유기 잔류물 관리에 이르는 전체 먹이사슬의 양액 손실은 수질을 심각하게 악화시킨다(Nesme et al., 2018). 동시에 농업 생산성을 유지하기 위해 새로운 합성 비료를 지속적으로 생산해야 할 필요성은 양액 확보 측면에서 문제를 제기한다(Razon, 2018).

작물은 비료의 약 50%를 흡수하고 나머지는 유실된다. 마찬가지로 작물은 성장과 증산에 물의 70%만 사용한다(Choi et al., 2001). 양액 재활용은 수경 재배(NFT)에 널리 사용된다. 토양에서 배출되는 물도 재활용에 사용할 수 있는데(Dhakal et al., 2005) 이처럼 양액을 버리지 않고 재사용하는 것을 폐쇄형 시스템이라고 한다. 대부분의 폐쇄형 시스템에는 양액을 담는 탱크와 비료를 식물에 공급하는 펌핑 시스템이 있는데 이 시스템을 통해 작물의 뿌리를 적신 후 다시 탱크로 돌아간다(Ban, 2020).

스마트팜은 기존 온실 자동화 생산 시설에 ICT 기술을 융합해 원격 및 자동으로 작물 생육 환경을 적절히 유지 및 관리함으로써 생산성과 품질을 향상시킬 수 있는 원예 시설이다. 이러한 스마트팜을 구성하는 기술 중 하나가 바로 수경재배 기술이다. 우리나라에서는 1954년 중앙농업시험장에 수경재배 온실이 건립되면서 기초 연구가 시작되었다. 그 후 사회적 여건상 20년간 연구가 진행되지 않다가 1977년 원예시험장에서 순수 수경재배에 대한 연구가 시작되었다. 2000년대 들어 고가의 양액공급시스템을 대체하기 위한 종합적인 검토가 이뤄졌고, 이를 통해 한국형 양액자동공급시스템이 개발-보급되기 시작했다(RDA, 2021).

국내 수경재배 면적은 지난 20년간 5배 이상 증가했다. 앞으로도 계속 증가할 것으로 예상된다. 수경재배 면적은 1996년 275 ha로 1992년 대비 21배 증가했고, 2005년에는 677 ha로 늘어났다. 2019년 기준 채소-화훼 수경재배 면적은 4,419 ha로 시설재배 면적의 약 8%를 차지한다(RDA, 2021). 비순환 및 순환 양액 시스템의 장단점은 Table 1에 나와 있다.

우리나라의 경우, 수경재배 면적은 2010년 기준 대략 세계 10위권 이내 수준인 데 반해 순환식 수경재배 보급률은 약 5% 미만의 낮은 수준으로 대부분의 농가는 비순환식 수경 재배 방식으로 운용되고 있다(Lee et al., 2019). 이때 발생하는 배수는 토양이나 하천으로 흘러 들어 지하수와 하천의 오염을 증가시키고, 물과 비료의 과다 사용으로 생산비 증가의 원인이 된다. Park, 2021에 따르면 비순환식 시스템 재배방식 농장에서 발생되는 폐양액의 평균 total nitrogen(TN) 농도는 402 mg/L 이였으며, total phosphate(TP)의 경우 77.4mg/L였으며 이는 환경정책기 본법 시행령상 하천의 생활환경 TP기준 993.7배 초과한 수치이다. 물환경보전법의 산업폐수 배출기준 TN기준 6~19배, TP기준 2~27배 초과한 수치결과를 확인했다. 이미 미국, 유럽 등 대부분의 국가에서는 폐양액을 줄이는 수경순환 방식을 도입해 환경오염을 줄이기 위해 노력하고 있다. 반면 재배가 발달한 네덜란드 및 유럽의 경우 95% 이상 순환식 수경재배 시스템 비율을 보이고 있고 폐양액 배출을 철저히 규제하고 있다(Lee et al., 2019). 이와 같은 환경적 문제를 해결하기 위해서라도 선도국가와 마찬가지로 우리나라도 법률적으로 환경관련 규제를 마련해야 할 것이다.

 

Table 1. Advantages and disadvantages of non-circulating and circulating nutrient solution systems.

Aspect

Circulating Nutrient Solution System

Advantages

Nutrient Efficiency

Efficient nutrient distribution.

Water Efficiency

Recirculation minimizes water usage.

Disease Risk

Potential for disease spread in system.

pH and EC Management

Regular monitoring required.

Maintenance

Regular maintenance essential.

Disadvantages

Nutrient Imbalance

More challenging to correct imbalances.

Nutrient Delivery Uniformity

Even nutrient delivery throughout.

System Complexity

More complex setup but better control.

Initial Cost

Higher initial setup costs.

Water and Nutrient Monitoring

Easier monitoring of nutrient levels.

 

최근 밀폐형 재순환 수경재배 시스템이 인기를 끌고 있는 이유는 농약 사용을 줄여 작물에 토양 매개성 질병이나 병충해 감염 가능성이 없고 비교적 쉬운 방법이기 때문이다(Qadeer et al., 2020). 우리나라의 경우 최근 10년간 수경재배 면적이 급격히 증가하였으나, 수경재배 방식에서 폐양액 배출에 대한 규제가 없고, 순환식 수경재배 시스템 구축을 위한 초기 투자비용 증가에 따른 경제적 부담, 작물별 수경재배 양액의 증가와 폐양액 재사용을 위한 양액처리 및 관리기술 미정립으로 폐양액을 처리하여 재사용할 수 있는 시스템 개발이 요구되고 있다. 우리나라의 경우 2010년대 들어 친환경 수경재배 기술에 대한 연구가 본격적으로 시작되었다(RDA, 2021).

국내 양액재배 농가에 순환식 양액재배 방식이 도입되지 않은 이유는 배출된 양액의 재활용 과정에서 병원균의 오염으로 병원균이 전염되고 급속히 발병할 수 있어 배수살균 과정이 필수적으로 요구되기 때문이다. 배수여과살균시스템은 대부분 수입에 의존하고 있어 시설 투자비용이 부담스러운 실정이다. 따라서 본 연구에서는 특허연구 및 기후특성을 통해 친환경 수경재배 기술의 개발 동향을 조사하고, 현재 개발 중인 제품에 대한 연구를 통해 상용화 동향을 살펴보고자 한다.

기술개발 동향

재순환은 물, 영양분 및 식물로 구성된 폐쇄형 시스템으로, 식물의 베드에서 배수되는 양액이 식물에 다시 유입된다. 이러한 시스템에 가장 적합한 수원은 염도(전기 전도도, EC로 표시)가 가장 낮고 이온, 특히 Na와 Cl과 같이 식물에 흡수되는 양이 적은 이온의 함량이 최소인 물이다. 이렇게 하면 더 많은 순환을 허용하고 시스템 밖으로의 배수를 줄일 수 있다. 온라인 EC, pH 및 영양소 농도 측정 장치는 시스템의 여러 지점에 설치되어 물, 비료 및 산의 입력을 모니터링하고 변경한다(Magen, 1999). 일반적인 재순환 시스템은 Fig. 1에 나와 있다.

 

Fig. 1. Recirculated greenhouse solution system.

 

한국과학기술연구원(KIST) 연구진이 순환식 수경재배 시스템에서 미생물 개체군을 안정적으로 관리할 수 있는 방법을 제시했다. KIST 강릉분원 스마트팜연구센터 이주영, 안태인 박사가 이끄는 연구팀은 순환식 및 비순환식 수경재배 시스템에서 물과 양분의 흐름, 미생물의 유입-성장-배출을 시뮬레이션하는 모델을 구축해 미생물 생육 특성을 통합적으로 분석했다(Fig. 2). 시뮬레이션 결과, 재순환 수경 재배 시스템의 미생물 개체수는 자외선 출력과 물 공급량을 조절하여 제어할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 반대로 비순환 수경 재배에서는 물의 양에 따라 미생물 개체수가 크게 변동하며, 물이 너무 적으면 개체수가 급격하게 증가한다(Ahn et al., 2021).

 

Fig. 2. The integrated model description. (Credit: Korea Institute of Science and Technology (KIST)).

 

Dhakal et al. (2005) 은 습한 열대 지방에서 토마토 생산을 위한 양액 재활용 시스템을 개발했다. 온실 지붕을 덮기 위해 자외선 안정화 폴리에틸렌(PE) 필름과 자동 점적 시비 시스템을 사용했다. 시비 용액의 전기 전도도는 1.5 mS cm-1로 설정되었고 pH는 6.5였다. 솔레노이드 밸브는 태양 복사에 기인 한 전체 시비를 제어했다. 오버 드레인 용액을 수집하고 재활용하기 위해 200리터 용량의 플라스틱 탱크를 온실 외부에 매립했다. 배수 탱크의 레벨 제어 스위치는 수중 펌프가 고속 모래 필터와 유량계를 통해 한 번에 165 리터의 배수 용액을 바이오 모래 필터 (BSF)로 보내도록 설정되었다. 유량계(시리즈 FCH-34, ± 2% 정확도)를 사용하여 시비량과 배수 용액의 양을 측정했다. 여과된 오버 드레인 용액은 BSF에서 500리터 용량의 조건부 탱크로 중력으로 흐르도록 하여 전기 전도도를 설정 값으로 조정한 후 수중 펌프를 통해 1,000리터 용량의 헤더 탱크로 보냈다. 전기전도도 조정은 관개수를 추가하거나 농축 비료(하카포스, 칼시니트) 용액을 비율에 따라 혼합하여 수행했다. Fig. 3은 시비 및 영양분 재활용 시스템의 개요를 보여준다.

 

Fig. 3. Outline of fertigation and nutrient recycling system.

 

Kim et al. (2010) 은 ISE 기반의 양분 측정 방법을 제시했다. 이들은 양액을 조사하여 질산성 이온의 결핍 여부를 파악하려고 시도했으며, Kim et al. (2013) 은 ISE 기반 자동 양분 관리 시스템을 제안했다. 이 시스템은 센서 정확도를 유지하기 위해 자동화된 센서 보정 및 세정 기능을 제공한다. 이들은 ISE로 질소, 인, 칼슘 이온을 개별적으로 측정하여 결핍된 이온만 공급하는 방식을 시도했다. Ruis-Ruiz et al. (2014) 은 양액 분석 및 관리를 위한 컴퓨터 운영 플랫폼을 설계했다. 이 플랫폼은 더블 포인트와 싱글 포인트 보정을 모두 채택했다. 싱글 포인트 보정은 기저 전위 변화를 제공할 수 있기 때문에 자동 센싱에도 유용하다는 것을 보여줬다. Jung et al. (2019) 은 수경재배 양액 정밀 관리를 위한 자동화 제어 시스템을 제안했다. 이 연구는 ISE를 이용한 양액 관리 자동화 시스템의 구체적인 개념을 제시하는 데 기여했으며 이 연구는 ISE에 자동화된 보정을 적용하여 부족한 이온을 파악하여 부족한 이온만 추가하는 방식이다.

Ban et al. (2019) 은 이온 간섭 효과를 제거하기 위한 머신러닝 기반 알고리즘을 제안했다. 이 알고리즘은 ISE 신호를 재조정하여 정확도를 최대 98%까지 복원할 수 있다. 또한 2020년에는 ISE 신호 처리를 위한 딥러닝 기반 알고리즘을 설계했다. 이 알고리즘은 5개의 인공 신경망 레이어를 통해 정확한 신호를 회귀시켜 아티팩트를 제거한다. 단 한 번의 추론 과정으로 이온 간섭 효과, 용액의 움직임에 의해 유발되는 아티팩트, ISE 간 전기 신호의 간섭을 모두 제거할 수 있다. MAPE는 1.8% 미만이었고 회귀에 대한 R2는 0.997이었다. 아티팩트 제거에 대한 P-값은 0.016이었다. 이러한 최신 기법을 자동 수정 시스템에 적용하면 산업 현장에 적용할 수 있는 실현 가능한 관리 시스템이 열릴 것으로 기대한다. 시스템의 주요 구성 요소는 Fig. 4에 설명되어 있다. 화살표는 솔루션 또는 데이터의 물리적 흐름을 나타낸다. 재조정 프로세스는 노란색 화살표로 시작하여 파란색 화살표로 끝난다.

 

Fig. 4. System architecture.

 

순환 양액 공급 시스템 및 시스템에 대한 특허 조사에는 특허정보 검색 서비스인 키프리스(KIPRIS)를 이용했다. 분야별 검색은 ‘양액*재활용’, ‘순환식 수경재배’, ‘양액*재활용’을 입력하여 특허 및 실용신안에서 공개 및 등록된 특허를 검색했다. 특허 출원/등록 시기는 순환식 수경재배에 대한 연구가 본격적으로 이루어진 2010년 이후를 대상으로 조사했다. 조사 결과, 순환식 수경재배 관련 특허는 2010년 이후 총 52건(Table 1)이 출원되었는데 그중 24건이 2020년 이후에 출원되어 2020년 이후 순환식 수경재배 시스템 개발이 활발히 이루어지고 있는 것으로 나타났다. 특허를 살펴보면 크게 배수 살균법과 농도 보정법에 따라 크게 분류할 수 있다.

 

Table 2. Cyclic hydroponics patent status.

Year

Patent owner and Patent No.\number

Title of Invention

Status

2012

Park Chul-soo (1020120048938)

Nutrient solution supply system.

Registered

2013

Minwoo Han (1020130060401)

Waste nutrient solution reprocessing device.

Registered

2014

TSM Co., Ltd. (1020140072072)

Drainage control device for circulating hydroponics.

Registered

Sejong University Industry-University Cooperation Foundation (1020140125599)

Plant cultivation bed with water circulation and plant factory equipped with it.

M O Green Co., Ltd. (1020140144383)

Nutrient solution cultivation device that reprocesses and supplies waste fluid during nutrient solution cultivation.

Kumoh Institute of Technology Industry-University Cooperation Foundation (1020140147277).

High-efficiency nutrient solution recirculation system for plant factories.

2015

Pyeonggi Lee. (1020150084983)

Lung nutrient solution integrated management system and method.

Registered

Cheol Kyu Kang. (1020150120629)

Hydroponic cultivation system to prevent the spread of pests and overcome the climate.

Director, Rural Development Administration (Republic of Korea). (2020150007192)

Waste nutrient solution nutrient separation device.

2015

Kumoh Institute of Technology. (1020150157187)

Waste nutrient solution recirculation system.

Lohas Tech Co., Ltd. (1020150178895).

Circulation type hydroponic cultivation device.

2016

Wontae Lee. (1020160060709)

Waste nutrient solution recycling device equipped with UV sterilizer with automatic cleaning function

Registered

Korea Institute of Science and Technology. (1020160119114)

Water treatment device using air bubble ultrasound and sterilization system using the same.

Hyungkyu Kim. (1020160147011)

Waste nutrient solution sterilization method using ultraviolet lamp.

Cast Engineering Co., Ltd.\(1020160182376)

Nutrient solution electrical sterilization and insecticidal device.

Cheongoh Engineering Co., Ltd. (1020160183339)

Nutrient solution recycling supply system for facility cultivation using ICT.

2017

Korea Institute of Science and Technology. (1020170043144);

Nutrient solution purifier for plant cultivation.

Registered

Korea Greenhouse Crop Research Institute. (1020170054539)

ICT-based mobile multi-stage hydroponic cultivation system.

Yongjae Kim. (1020170093325)

Field Circulation Hydroponic Cultivation Device.

2018

Cheongoh Engineering Co., Ltd.(1020180070100)

Complex controller for nutrient solution recycling, environmental control complex type nutrient solution supply system control.

Registered

Daeyoung GS Co., Ltd. (1020180074608)

Discoloration nutrient solution reprocessing system.

Korea Institute of Science and Technology. (1020180088141)

Discoloration nutrient solution reprocessing system.

2019

Korea Research Institute of Chemical Technology. (1020190036727)

Nutrient solution supply system for plant cultivation.

Registered

Korea Institute of Science and Technology. (1020190053790)

Cyclic hydroponic cultivation system and backwashing method capable of backwashing using drainage.

Korea Institute of Science and Technology. (1020190053778)

Circulating Nutrient Solution Reuse System.

Cheongoh Engineering Co., Ltd. (1020190064317)

Integrated converter for nutrient solution supply controller in cultivation facilities.

Green CS Co., Ltd. (1020190084609).

Drainage recycling system of circulating hydroponics.

2020

Cheongoh Engineering Co., Ltd. (1020200033949)

Nutrient solution recycling system capable of measuring drainage components in real time;

Registered

Korea Institute of Science and Technology. (1020200043035)

Water supply management device and method for circulating hydroponic cultivation;

Kumoh Institute of Technology Industry-University Cooperation Foundation, Seongho Lee. (1020200065725)

Eco-friendly circulating nutrient solution feeder with microbubbles;

Green Plus Co., Ltd. (1020200068293)

Plant cultivation system for desert area;

Agricultural Corporation Sangsang Garden Co., Ltd. (1020200072009)

Nutrient solution control device and method capable of automatic calibration of sensors;

SG Sol Co., Ltd. (1020200091818)

IoT-based plant cultivation management system;

Korea Institute of Science and Technology. (1020200102031)

Circulating hydroponics nutrient solution pretreatment purifier for plant factories and cultivators;

Seoul National University Industry-University Cooperation Foundation. (1020200115922)

Concentration management for each major ion for circulating hydroponic culture nutrient solution and irrigation control system for crop growth.

Agricultural corporation Nexton Co., Ltd. (1020200128705)

Nutrient solution recycling filter.

S&M Co., Ltd. (1020200167630)

Circulation type hydroponic cultivation device.

Daeyoung GS Co., Ltd. (1020200169273)

Nutrient solution supply system with multiple mixing tanks.

Woojin Kim. (1020200170460)

ICT-based rotary hydroponic cultivation device.

Agricultural Corporation Sangsang Garden Co., Ltd. (1020210058966);

Circulating nutrient solution control device or solid foreign matter removal device.

Pure Platech Co., Ltd. (1020210059191);

Nutrient solution sterilization device and medium cultivation system using the same.

Cheongoh Engineering Co., Ltd. (1020210062110);

Nutrient solution and drainage condition detection system of the nutrient solution supply system;

Agricultural Corporation Innojin Farm Co., Ltd. (1020210077684);

Liquid-type hydroponic cultivation nutrient solution U.V sterilization recycling cooling system;

Milon Bio Co., Ltd. Agricultural Corporation. (1020210096845);

Smart nutrient solution supply management control system for uniform growth of plants and improvement of production yield.

Keumhwa ENS Co., Ltd. (1020210109953);

Nutrient solution automatic supply system.

Bizwell Bio Co., Ltd. | Taego Co., Ltd.\| Kwon Ho Jo. (1020210114713);

Nutrient solution supply system and device for circulating hydroponic cultivation.

Korea Institute of Science and Technology. (1020210114951);

Water supply control device and method for circulating hydroponic cultivation system;

Waternics Co., Ltd. (1020210123403);

Nutrient solution regeneration device.

Hyemoon Tech Co., Ltd. (1020210127653)

Automatic Circulation Hydroponic Cultivator.

2021

Green CS Co., Ltd. (1020210165705)

Multi-greenhouse complex environment control system.

Registered

2022

Sherpa Space Co., Ltd. (1020220066264)

Nutrient solution recycling plant cultivation system using soft sensor.

Registered

Green CS Co., Ltd. (1020220086049)

Nutrient solution supply control system.

 

배액의 살균법

순환식 수경재배에서의 배액은 여과 후 살균과정이 필수적으로 요구된다. 방법으로는 자외선조사법, 오존처리법, 모래여과법, 열처리법, 박막여과법, 과산화수소처리법, 요오드처리법, 초음파처리법과 화학 약제를 양액내에 처리하는 물리화학적 방제법이 있는데, 조사한 특허에서의 배액 처리는 대부분이 자외선(UV)살균 방식을 선택하였으며, 일부는 오존처리법, 전기분해와 광촉매 방법도 사용함을 알 수 있었다. 그 중 자외선 살균과 오존처리법을 사용한 특허를 분석해보았다.

자외선 살균

자외선살균은 UV-A (315-400 nm), UV-B (280-315 nm), UV-C (100-280 nm) 중 살균작용이 가장 효과적인 UV-C 이용하여 살균한다 (Cho et al., 2000). 램프의 종류에 따라 고압, 중압, 저압 시스템으로 구성된다. 램프의 압력이 높을수록 에너지 소모량과 램프 온도가 높으며, 구동에 소요되는 시간이 길고, 램프의 수명이 짧다. UV-C 살균 시스템은 배액의 광투과율에 따라 살균력이 영향을 받으며, 투과율이 낮을 배액일수록 높은 에너지를 필요로 하며, 탁도가 높은 배액일수록 살균력이 저하된다. 자외선 살균장치를 이용한 살균 효과는 환 배양액의 유속과 병원균의 종류에 따라 각각 다른데, 일반적으로 세균 < 사상균 < 바이러스 순으로 높은 조사에너지를 필요로 한다. 자외선 살균의 장점은 친환경적이며 과잉 조사에 의한 피해가 없으며 초기 투자비와 이동비가 저렴하며, 다양한 처리용량이 개발되어 있다는 것이다. 또한 반응시간이 짧고 반응용 저장탱크의 설치가 필요 없으며 첨가제나 부산물이 없을 뿐만 아니라 유지보수가 용이하며 단점으로는 철과 망간의 석영관 흡착으로 자외선 에너지가 감소한다는 것이다.

폐양액 재순환 시스템 (출원번호: 1020150187187)

본 특허는 폐양액을 집수하여, 살균 챔버를 통하여 배액을 살균하는 방식을 택하였다. 여과부로부터 공급되는 폐양액이 내부 공간을 따라 흘러 들어 자외선을 공급하는 램프를 통하여 살균된다. 살균 챔버 내벽에는 자외선을 반사하는 코팅층이 있어, 손실되는 자외선의 함량이 적어 미생물 및 농약 제거야 효율적일 것으로 보인다 (Fig. 5).

 

Fig. 5. Ultraviolet sterilization treatment device (출원번호: 1020150187187).

 

자동 세척 기능을 가진 자외선 살균기를 구비한 폐양액 재활용 장치 (출원번호: 102060060709)

본 특허는 버려지는 폐양액을 회수하여 자외선 살균처리 후 재활용하는 방식으로 설계되었다. 특히 살균부에는 일정 시간 마다 자동적으로 내부를 왕복 이동하면서 세척하는 세척부재를 내부에 구비하였다. Fig. 6 의 세척날부 (252) 가 자동으로 왕복하여 세척 챔버의 내주면과 석영관의 외주면을 세척하게 제작되었다. 이로 인하여, 세척 기능 및 역세 기능에 의해 장치를 반복적으로 사용하지 않더라도 살균 효율과 여과 효율이 저하되지 않는다.

 

Fig. 6. UV sterilization treatment device (출원번호: 102060060709).

 

오존 처리

오존살균은 오존의 강력한 산화력으로 배양액내 병원균을 살균하는 방식으로, 배액을 오존 처리탱크로 집수한 후 오존을 발생시켜 배양액을 살균한다. 오존살균장치는 살균반응 후 배양액내 용존산소량이 증가하며, EC와 pH의 변화가 없을 뿐만 아니라 오존의 잔류 기간이 짧은 장점이 있다. 단점으로는 오존 살균 후 킬레이트철이 산화철로 변화하기 때문에 활성탄 등으로 제거해 줄 필요가 있으며, 살균 효과를 높이기 위하여 낮은 pH 조건을 만들어 주기 위한 산 공급장치가 필요하다. 또한 오존 처리 후 철, 망간, 아연 등 미량원소의 성분량을 보정해 줄 필요가 있다 (Cho et al., 2000).

순환식 수경재배용 배액제어장치 (출원번호: 1020140072072)

본 특허는 배액을 살균하여 재사용하는 순환식 수경재배 장치로, 살균부를 통해 재배 베드로 순환 공급되는 배액을 살균할 수 있다. 특히 살균부는 오존 살균 방식을 채택하여, 배액을 살균함과 더불어 용존산소량을 높여, 수경재배용 작물의 뿌리의 생육촉진율을 기대할 수 있음을 알 수 있었다. 오존 살균부에서 고정링부 (810)은 (Fig. 7) 배액을 나선형으로 선회할 수 있게 함으로써, 배액과 오존의 접촉 면적을 넓히고, 체류시간을 길어질 수 있게 하여 오존의 용해율 및 배액의 살균 효과를 향상시킬 수 있게 하였다.

 

Fig. 7. Ozone Sterilizer (출원번호: 1020140072072).

 

배액 농도보정법

양액의 개개의 양분은 다른 흡수 메커니즘을 통해 식물에 흡수되기 때문에 흡수 효율에 있어서 변동을 초래한다. 또한, 양분 흡수는 기상 조건이나 다른 환경에 영향을 받는다. 그 결과 배액의 양분 조성은 공급 시 배양액의 공급비와 달라지게 된다. 그렇기 때문에 배액을 재 사용하기 위해서는 양분들이 새롭게 보충 되어야한다. 대부분의 배액 보충 방식은 양액의 전기전도도(EC)를 측정하는 EC 센서를 이용해 기준 농도에 맞도록 농축 배양액을 첨가하여 전체적인 배양액의 농도를 보정해 주는 방식을 채택하고 있으나, 이 경우에는 양악 내의 이온간 불균형상태를 완전히 해소할 수 없는 문제점이 있다. 최근에는 이러한 문제점을 해결하고자 각 이온 센서를 이용하여, 배액에 보충될 개별 이온별로 보충 가능한 기술들이 개발되고 있다.

실시간 배액성분 측정이 가능한 양액 재활용 시스템 (출원번호: 10-2020-0033949)

본 특허는 실시간으로 배액이 이온 수치를 감지하여, 부족한 이온을 설정된 조건에서 자동으로 첨가하여 식물에 직접 공급하거나 양액 혼합탱크로 순환시킬 수 있는 양액 재활용 시스템이다. 현재 대부분의 재순환 시스템은 EC, pH 등의 센서를 통하여 설정된 값으로 원수를 보충하고 배액을 희석하는 단순한 제품이 대부분이며, 실시간 이온센서를 통하여 배액의 성분을 희석하고 부족한 이온을 설정된 조건에서 실시간으로 보충해줄 수 없는 문제가 있다. 하지만 이 시스템은 배액의 성분을 실시간으로 측정하여, 공급함으로 인해 작물이 필요로 하는 양분을 수시로 적기에 공급하여 작물생산의 효율성을 높이고, 배액을 재활용할 수 있다

산업화 동향

우리나라의 수경재배 면적은 90년대 초반까지는 10 ha를 다소 상회하는 미미한 수준을 보였으나, 2000년대에 들어서면서 고가의 외국산 양액 자동공급 시스템을 대체하고자 양액의 적정 공급량과 급액방식에 대한 검토 연구가 이루어 졌으며, 이를 통해 한국형 양액 자동 공급 시스템도 개발 보급되기 시작했다. 수경재배 면적은 1996년에 275 ha로 1992년 대비 21배 증가했고, 2005년에는 677 ha로 증가하였다. 2019년 기준 채소와 화훼류를 합한 수경재배 면적은 4,419 ha로 시설재배 면적의 약 8%를 차지하고 있다(RDA, 2021). Fig. 8은 수경 재배 면적의 연도별 변화를 보여준다.

 

Fig. 8. Changes in hydroponic cultivation area throughout the years.

 

이와 같이 수경재배 면적과 기술이 향상되면서 농가 소득과 수출량이 증가하였다는 긍정적인 측면도 있지만 수경재배에서 폐출되는 폐양액이 환경오염을 시킨다는 부정적인 측면도 나오고 있다. 근래에 들어서는 농업을 비롯한 모든 산업에 환경을 보존하자는 차원에서 환경 친화적인 연구방법이 개발되고 있고, 수경재배에서도 양액을 재활용하는 순환식 수경재배 기술에 대한 관심과 산업화도 증가하여 순환식 수경재배의 보급 확대가 필요하다. 그러나 지속가능한 수경재배를 위해 친환경 재배가 요구되는 현시점에서 순환식 수경재배의 산업화가 요구된다. 순환식 수경재배의 보급률의 확대를 위해서는 정부의 수경재배 농가에 대한 설치비 지원, 농가 규모의 확대화 집단화, 신규 농가에 대한 배액 재사용 같은 의무화 등이 정책적으로 필요하며, 근본적으로는 양액공급장치와 설비의 국산화 등을 위한 인프라 구축이 필요할 것이다.

현재 국내 양액공급장치 생산업체를 한국물가정보와 한국 농기계공업협동조합에서 발행한 농기계목록집을 바탕으로 보면, 총 20여개의 업체에서 양액기를 생산함을 알 수 있었으며, 그 중 5개의 업체에서 순환식 수경재배에 필요한 배액 수처리 시스템을 가지고 있었다. 하지만 2개의 업체에서만 자체적인 제품을 보유하고 있었으며, 나머지 3개 업체는 수입산에 의존하고 있었다. 이런 동향으로 보아 국내 제품의 산업화가 필요함을 알 수 있다. Fig. 9 은 국내 C사에서 개발한 자외선 양액 살균장치이다. 해당 업체에서는 양액의 배액 살균 처리 법으로 자외선 방식을 채택하였으며, 입수식과 순환식 2가지의 방식을 보유하고 있다. 순환식 자외선 살균기는 유수형 살균 장치로 자외선 램프를 관로에 설치하여, 병원균과 바이러스를 살균 가능하며, 재활용된 배액을 1회성이 아닌 지속적으로 순환 살균이 가능하다. Fig. 10 (a, b) 는 입수형 자외선 양액살균기로 기존 75W 램프 2개에서 90W용 램프 4개로 용량을 증가하여 유수형 살균기보다 용량 및 살균력을 개선한 제품이다. Fig. 10 (c)는 S사의 양액 재순환 살균장치이다. 이 업체 역시 배액 살균 법을 자외선 살균방식을 채택하였다.

 

Fig. 9. (a) Circulating ultraviolet nutrient solution sterilizer, and (b) Schematic diagram of the sterilizer from the C company in Korea.

 

 

Fig. 10. (a) Domestic water-type UV nutrient solution sterilizer, (b) Schematic diagram of the sterilizer from the C company, and (c) nutrient solution sterilization device of domestic S company in Korea

 

두 업체의 재순환 양액 시스템은 외산보다 50% 이하의 가격으로 실 사용자의 비용부담 측면이 감소할 것으로 예상되었다. 또한 국내 시판 제품은 자외선 살균 방식을 채택하는 경향을 알 수 있었다.

토론

수경 재배 시스템은 빠르게 성장하는 농업 분야로, 미래에 식량을 생산할 수 있다. 인구가 증가하고 부적절한 토지 관리로 인해 경작지가 감소함에 따라 사람들은 농업 재배보다 수경 재배와 에어로포닉을 선호하게 될 것이다(Kumar et al., 2021). NASA는 현재의 우주 기술 외에도 화성이나 달에 장기적으로 거주할 수 있는 대규모 수경 재배 탐사 노력을 기울이고 있다(Sardare and Admane, 2013). 앞으로 유기농 양액 연구의 목표는 소규모 유기농 농가를 위한 유기농 양액 솔루션의 방법, 첨가물 및 결과를 표준화할 수 있어야 한다. 유기농에 대한 소비자의 신뢰를 확보하려면 식품이 기존 대체 식품만큼 안전하고 건강해야 한다. 수경 재배는 적절한 양액, 온도 및 기타 환경 변수를 통해 도시 및 농촌 농장은 물론 미래 연구를 위해 고품질의 채소를 효율적으로 생산할 수 있다(Ferguson et al., 2014).

사회적, 생태적, 환경적으로 지속 가능한 아쿠아포닉 시스템의 상업적 개발은 (1) 양액 투입량 활용을 개선하고 예를 들어 미네랄 첨가를 줄이기 위한 양액의 가용 화 및 재활용의 개선, (2) 개선된 해충 관리, (3) 물 순환의 불필요성을 제한하여 물의 소비량을 감소시킴, (4) 고온/저온 및 건조 지역을 위한 대체 에너지원 사용(예: CHP 폐열, 지열 등), (5) 자연수역에서 성공적으로 사용된 유동층 반응기를 구현하여 혁신적인 pH 안정화 방법 등이다 (Goddek et al., 2015).

그러나 두 가지 주요 문제가 이러한 재순환 시스템의 도입을 복잡하게 만든다. 첫째, 재활용된 양액에서 미생물이 번식하여 질병과 영양 불균형이 발생할 수 있는 가능성을 제거해야 한다. 둘째, 재순환 수경재배 시스템을 구축하는 데 필요한 초기 투자비용이 1 ha 당 수억 원에 달할 정도로 막대한 비용이 소요된다. 재순환 수경 재배 시스템을 상용화하면 비료 비용을 약 30~40% 절감할 수 있을 것으로 예상되며, 이는 1 ha 농장 기준으로 연간 3천만 원에 해당하는 금액이다(Ahn et al., 2021).

정부 주도의 규제와 정책은 재순환 수경 재배 시스템의 상용화를 촉진하는 데 중추적인 역할을 합니다. 이러한 첨단 농업 기술은 물 절약, 농작물 수확량 증가, 농약 사용량 감소와 같은 상당한 이점을 제공합니다. 이러한 기술의 도입을 장려하기 위해 전 세계 각국 정부는 보조금, 세제 혜택, 연구 보조금 등 다양한 조치를 시행하고 있습니다. 수경 재배 농산물의 안전과 품질을 보장하고 식품 안전 및 환경 지속 가능성과 관련된 우려를 해결하기 위한 규제 프레임워크가 개발되고 있다. 또한, 농부와 이해관계자들의 교육과 인식을 증진하기 위한 이니셔티브가 지원되어 이러한 혁신적인 재배 방법으로의 전환을 촉진하고 있다. 각국 정부가 현대 농업이 직면한 문제를 해결하는 데 있어 재순환 수경법의 잠재력을 지속적으로 인식하면서, 규제와 정책을 통한 적극적인 참여가 지속 가능하고 효율적인 농업 방식을 확대하는 원동력이 되고 있다.

수경 재배 시스템 분야의 연구 및 산업 동향은 지속 가능하고 효율적이며 신뢰할 수 있는 식량 생산 방법에 대한 필요성에 의해 형성되었다. 다음은 관찰된 몇 가지 트렌드와 미비점, 그리고 향후 발전 방향이다:

1. 영양소 관리 및 지속 가능성:
트렌드: 화학 비료 사용 감소 및 영양소 재활용 개선 등 지속 가능한 영양소 관리에 대한 관심 증가
결핍: 일부 시스템에서 제한된 영양소 가용화 및 회수 방법
향후 방향: 첨단 양액 가용화 및 회수 기술을 개발하여 화학 비료에 대한 낭비와 의존도 최소화

2. 질병 예방:
트렌드: 재활용 양액에서 미생물 성장을 제거하기 위한 효과적인 질병 예방 전략 필요
결핍: 재순환 시스템의 질병 및 영양소 불균형 발생 가능성
향후 방향: 질병 예방 방법에 대한 연구 지속 및 시스템 위생 유지를 위한 모범 사례 홍보

3. 해충 관리:
트렌드: 살충제 의존도를 줄이기 위한 통합 해충 관리 기술에 대한 필요성 증가
결핍: 수경 재배 환경의 해충 관리 전략 적용시 지속적인 어려움 발생
향후 방향: 수경 재배 시스템에 특화된 혁신적인 해충 방제 방법을 연구 및 개발

4. 물 절약:
트렌드: 수경 재배에서 물 절약의 중요성에 대한 인식 확대
결핍: 특히 잦은 물 교환이 필요한 특정 시스템의 물 소비량이 많음
향후 방향: 폐쇄 루프 시스템 및 효율적인 재순환과 같은 첨단 절수 기술과 기법 모색

5. 에너지 효율성:
트렌드: 수경 재배 시스템을 위한 지열 및 열병합발전(CHP) 폐열과 같은 대체 에너지원에 대한 관심 증가
결핍: 수경 재배 시설 대체 에너지원의 통합이 제한적
향후 방향: 에너지 비용과 환경 영향을 줄이기 위해 대체 에너지 솔루션의 개발과 구현에 투자

6. 폐쇄 루프 시스템:
트렌드: 영양소 효율성과 환경 지속 가능성을 위한 폐쇄 루프 수경 재배 시스템의 중요성 인식
결핍: 개방형 루프 관리를 대체할 수 있는 실용적인 기술 시스템이 제한적
향후 방향: 비용 효율적인 폐쇄 루프 시스템 개발에 투자하고 농업인의 사용을 촉진

7. 비용 절감:
트렌드: 수경 재배 시스템의 접근성을 높이기 위해 초기 투자 비용을 줄이는 데 대한 관심 증가
결핍: 높은 초기 설치 비용으로 인한 도입의 어려움
향후 방향: 수경 재배의 광범위한 채택을 장려하기 위해 비용 효율적인 기술을 개발하고 인센티브를 제공

요약하자면, 수경 재배 시스템의 향후 개발 방향은 지속 가능성, 효율성, 접근성을 중심으로 이루어져야 한다. 연구자, 업계 이해관계자, 정책 입안자들이 협력하여 확인된 미비점을 해결하고 수경 재배 농업을 환경 영향을 최소화하면서 전 세계적으로 증가하는 식량 수요를 충족할 수 있는 실행 가능하고 지속 가능한 솔루션으로 발전시키기 위해 노력해야 한다.

결론

우리나라의 순환식 수경재배 농가는 네덜란드, 일본 등 외국에 비해 면적 및 보급 비율이 현저히 낮음을 알 수 있었다. 이는 아직 농가의 순환식 수경재배의 필요성에 대한 인식이 크지 않아 농가의 적극적인 참여가 부족하고, 법으로 규제화 되어있지 않아 생기는 현상으로 보인다. 또한 대부분의 장비가 수입산에 의존하고 있어 농가의 비용부담으로 인해 쉽게 순환식 시스템을 도입하는데 어려움이 있을 것이다. 이러한 현상을 해결하기 위해 2010년부터 본격적으로 순환식 수경재배에 관한 연구가 이루어졌으며, 2020년 이후에는 더욱 연구가 본격화되었다. 출원된 특허는 양액의 살균 방식, 그리고 보정방식 등의 다양한 방면으로 연구가 진행되었다.

아직 대부분의 국내 기업에서는 양액살균 시스템에 있어 수입산을 사용하고 있으며 일부의 기업에서만 자체적으로 생산함을 알 수 있었다. 이는 앞으로 장비의 국산화가 이루어져야 국내의 순환식 수경재배 보급률이 높아질 것으로 판단되며 재순환 수경 재배 시스템을 상용화하는 것이 바람직하며 이를 위해서 정부주도의 정책과 규제마련이 필요하다. 또한 개발된 기술과 사업화 된 제품들이 사용자인 농가가 중심이 되어 수용되고 이용될 때 우리나라의 순환식 수경재배 기술의 보급이 빠른 속도로 정착될 수 있을 것이라 생각된다.

Acknowledgements

본 연구는 농림축산식품부(이하 농식품부)가 지원하는 ʻ농식품 기술융합 창의인재양성사업’(사업번호: 320001-4)을 통해 농림식품기술기획평가원(이하 IPET)의 지원을 받아 수행되었습니다.

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