1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.2 폐지 전처리 및 고형배지용 원료 특성 평가
2.3 고형배지 시료 제조 및 배지 품질 평가
2.4 바이오차 적용 고형배지 시료 제조 및 특성 평가
3. 결과 및 고찰
3.1 고형배지 원료 특성
3.2 폐지섬유 고형배지 특성 평가
3.3 바이오차 적용에 의한 폐지섬유 고형배지 특성변화
4. 결 론
1. 서 론
기존 농업 및 원예산업에서 작물의 노지재배 방식에서 작황 불안정, 관리의 어려움, 작물품질저하 등 다양한 노지재배 한계들을 해소하기 위한 방법으로 정밀하게 작물의 생육환경 및 재배조건을 조절할 수 있는 시설재배 방식이 현재 널리 적용되고 확대되고 있다. 특히, 최근 들어 전자장비 및 인공지능 기술을 포함한 다양한 첨단기술의 도입을 통해 고품위로 작물의 재배조건을 조절하는 시설재배 방식인 스마트팜이 차세대 농업기술로 확대 적용됨에 따라1) 인공적으로 환경을 조절하며 식물을 재배하는 시설재배는 더욱 보편적인 작물 재배방식이 될 것으로 예상되고 있다.
이러한 시설재배는 일반적으로 상토 또는 고형배지 등의 인공토양을 이용하여 작물의 뿌리를 지지하고 최적 농도의 배양액을 적량 공급하면서 재배하는 재배방식으로2,3) 시설재배 적용농가의 약 92%가 고형배지를 사용하고 있으며, 시설재배 면적이 증가함에 따라 고형배지의 사용량 및 폐고형배지의 발생량도 꾸준히 증가할 것으로 예상되고 있다.4) 시설재배에 적용되는 각종 고형배지의 주원료는 코코피트(Cocopeat)와 피트모스(Peatmoss), 펄라이트(Pearlite), 암면 등이 일반적으로 사용되고 있으나, 사용 후 폐기 시 발생되는 환경오염 문제 등으로 암면배지의 사용은 현재 제한적이며, 펄라이트 배지 또한 쉽게 부서져 가루가 날리고, 투수성을 저하시킬 뿐만 아니라, 수분 보수성이 떨어지는 등의 여러가지 단점이있어 적용에 한계가 있다. 특히, 무기 고형배지의 경우 배양액 오염 및 조성변화에 따른 작물의 피해가 직접적이고 빠르게 나타날 수 있는 문제점이 있어5) 코코피트 또는 피트모스와 같은 유기 고형배지가 주로 사용되고 있다. 그러나 피트모스의 경우 원재료 자원의 고갈로 인한 경제성과 수급 용이성이 악화되어감에 따라6,7) 주로 코코피트가 주요한 고형배지로 사용되고 있는 실정이다.
국내 시설재배용 고형배지 원료로 널리 활용되고 있는8,9) 코코피트(Cocopeat)는 필리핀, 스리랑카, 인도네시아 등의 남부 아시아 국가로부터 주로 수입되는 데 고형배지로서의 수분보수성 및 투수성 등 물성과 활용성이 우수한 장점을 가지고 있다. 코코피트는 대부분 수입에 의존하고 있는데10) 수입국의 기후와 생산 시기, 가공 방법 등 수입국과 생산자에 따라 물성 편차가 크며 동일 국가에서 수입된 경우에도 생산자에 따른 물리화학적 품질 차이가 크게 나타날 수 있다.11,12,13,14) 일반적으로 배지용 코코피트의 생산을 위하여 코코피트에 다량으로 존재하는 염성분 등의 조정을 위한 약 2달간의 숙성 처리가 필요할 뿐만 아니라, 유통을 위한 고압축포장 등을 위하여 전처리 건조과정 중 물성의 변화가 발생될 수 있는 등 품질의 변동성이 높고 이를 조절하기 위하여 사용시 추가적인 관리가 필요한 단점이 있다. 또한 거의 대부분을 수입에 의존하고 있기 때문에 국내외 집중수요기가 겹쳐 국내외 수요가 급증하거나 전쟁과 같은 국제적 공급망의 변화에 따라 생산 및 수급의 불안정이 크게 나타날 수 있어 이를 대체할 수 있는 고형배지 원료의 개발이 요구되고 있는 실정이다.15)
이에 본 연구에서는 기존 코코피트 기반의 고형배지를 대체할 수 있는 새로운 고형배지용 원료로서 국내 발생 폐지의 활용 가능성을 알아보았다. 목재펄프와 제지산업 부산물을 기반으로 한 식생용 자재 개발 연구16,17,18)가 다양하게 진행된 바 있으나 고형배지 적용 가능성을 검토한 연구는 보고된 바가 없는 상황이다.
본 연구에서는 경제성과 수급 용이성이 높은 폐지로서 OCC(Old Corrugated Container)와 ONP(Old Newspaper)를 선정하여 이를 건식분쇄 전처리함으로써 분쇄 섬유화하고 고형배지 원료로서의 물성을 평가하였으며 고형배지의 적용성과 추가적인 품질특성 보완을 위한 방법으로 토양 개량 특성이 우수한 바이오차19)를 혼합 적용하여 고형배지의 품질영향을 알아보았다. 이러한 연구를 통해 향후 기존의 코코피트를 대체하는 시설재배용 고행배지의 원료로서 국내산 폐지의 활용 가능성을 알아보았다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
본 연구에서 사용된 OCC 및 ONP는 대전 자원순환센터에서 공급받았으며, 세척 코코피트(J사) 및 왕겨 바이오차(Y사), 목재 바이오차(K사)는 시중 판매제품을 구매하여 사용하였다.
2.2 폐지 전처리 및 고형배지용 원료 특성 평가
고형배지용 원료로서의 적용을 위하여 OCC 및 ONP를 나이프밀(Knife Mill, China) 적용을 통해 고속 분쇄하여 전처리를 실시하고 10 mesh 통과분을 실험에 사용하였다. 폐지섬유분의 형태적 특성을 광학현미경(Optical microscope, GLOBAL4U, R-REM-gfu-GB-882, China)을 사용하여 관찰하였다. 고형배지용 원료로서의 특성을 비교 평가하기 위하여 기존의 세척 코코피트와 폐지 섬유분의 pH 및 전기전도도(electrical conductivity)를 농촌진흥청 고시 제2019호-10호 ‘비료 공정규격설정 및 지정’에 의거하여 측정하였다. 수분 비율 1:5 포화 침출법을 통해 pH를 측정하였고, pH 측정 후 남은 여과액의 전기전도도를 측정하였다.
2.3 고형배지 시료 제조 및 배지 품질 평가
일반적으로 활용되고 있는 코코피트 고형배지 제품과 동일한 구조를 가지는 고형배지를 제조하기 위하여 OCC 및 ONP 분쇄 섬유분 10 g을 상온에서 5 MPa의 압력으로 30초 동안 압착하여 고형배지 시료(15 cm(L) × 15 cm (W))를 제조하였다. 제조된 폐지섬유 고형배지와 기존 코코피트 고형배지의 물리화학적 특성의 비교를 위하여 각 고형배지의 pH 및 전기전도도, 토양 보수성 및 배수성을 측정하였다. pH 및 전기전도도는 ｢농촌진흥청 고시 제2019호-10호 비료 공정규격설정 및 지정｣에 의거하여 평가하였으며, 보수성은 시료를 저면관수를 통해 충분히 수분 포화시킨 후 30분 동안 존치하여 중력수를 제거한 다음 토양수분측정기를 이용하여 측정하였다. 배수성은 원형관(내경 1.5 cm내 외, 높이 10 cm) 밑면에 상토가 빠지지 않을 정도의 메쉬를 깔고 시료를 넣어 가볍게 두드려 3 cm 높이로 채운 후 정수위(표면에서 2 cm)까지 물을 주입하여 1시간 동안 투수된 물의 양을 측정하였다.
2.4 바이오차 적용 고형배지 시료 제조 및 특성 평가
폐지섬유 고형배지의 제조 시 왕겨 바이오차 및 목재 바이오차를 적용하여 그 영향을 평가하였다. 이를 위해 왕겨 바이오차는 원료 형태 자체가 균일하고 일정한 크기를 가지고 있기 때문에 별도의 분급 과정을 거치지 않고(Fig. 1), 35 mesh 스크린을 통해 인력으로 미세분을 제거하고 사용하였다. 목재 바이오차는 상대적으로 형태적 특성이 불균일하고 거대입자들이 존재함에 따라 6 mesh 스크린으로 거대입자를 제거하고 35 mesh로 미세분을 제거한 이후 분급분을 사용하였다. 바이오차 적용 실험을 위하여 ONP 섬유 고형배지 제조 시 분급이 완료된 왕겨 및 목재 바이오차를 20wt% 및 40wt% 배합하여 고형배지를 제조하였는데, 이때 폐지섬유분과 2 종류의 바이오차를 회전식 교반 믹서로 균일하게 혼합한 후 5 MPa의 압력 하에서 30초간 압착하여 고형배지 시료를 제조하였다.
배합 조건별로 pH 및 전기전도도, 보수성, 배수성을 농촌진흥청 고시 제2019호-10호 ‘비료 공정규격설정 및 지정’에 의거하여 평가하였다.
바이오차 적용에 따른 수분흡수 특성 변화를 비교하기 위하여 조건별로 제조된 고형배지를 저면관수 방식으로 충분히 수분을 공급하여 포화시킨 후 6 mesh 스크린 위에 30분 동안 존치하여 잉여의 물을 제거한 뒤 잔류된 수분양을 측정하였다. 또한 두께방향 압착성형으로 제조된 고형배지는 수분의 흡수 과정 중 벌크화 되면서 두께가 팽윤되는데 이러한 수분흡수 전후의 두께변화를 측정하여 각 고형배지 시료의 두께 팽윤율을 평가하였다. 두께 방향으로 압착성형된 고형배지는 수분흡수에 따른 측면방향 팽윤이 거의 일어나지 않았으며, 두께 팽윤율은 수분흡수 전 두께 대비 수분흡수에 의한 두께 증가율로 나타내었다.
3. 결과 및 고찰
3.1 고형배지 원료 특성
고형배지의 원료로서 적용 가능성을 알아보기 위하여 각 원료의 물리화학적 특성을 평가하였다. Fig. 2는 고형배지 원료들의 외관 특성을 나타낸 것이며, Fig. 3은 폐지 건식섬유화 전처리를 통해 준비된 OCC 섬유분과 ONP 섬유분의 형태적 특성을 광학현미경을 통해 관찰한 것이다. 건식섬유화 전처리를 통해 각각의 폐지 개별섬유로 섬유화가 일정 정도 이루어진 것을 확인할 수 있었고 OCC 섬유분의 경우 개별섬유가 상대적으로 길고 굵은 형태를 가지고 있는 것을 확인할 수 있었다.
각각의 고형배지 원료의 pH 및 전기전도도를 평가하여 Table 1에 나타내었다. 세척되어 품질이 안정화된 코코피트 제품의 경우 약산성의 특징을 나타내었고, 폐지 섬유분의 경우 약알칼리의 pH를 나타내었다. 목재 바이오차의 경우 중성 pH를 나타내었지만 왕겨 바이오차는 pH가 높은 특성을 보여주는 것을 확인할 수 있었다. 전기전도도의 경우 OCC 섬유분과 왕겨 바이오차에서 상대적으로 높은 값을 나타내었지만 인공토양 적용 시 농촌진흥청 고시 제2019호-10호 ‘비료 공정규격설정 및 지정’에서 적정한 인공토양 품질수준으로 규정하고 있는 1.2 dS/m 이하의 값을 나타냄에 따라 고형배지의 원료로서의 적용이 가능함을 확인할 수 있었다.
Table 1.
pH and electrical conductivity of the raw materials for solid substrate
| Cocopeat | OCC fibers | ONP fibers | Rice husk biochar | Wood chip biochar | |
| Moisture content (%) | 70.71 | 6.22 | 7.60 | 4.70 | 10.17 |
| pH | 5.63 | 7.89 | 7.98 | 9.64 | 7.05 |
| EC (dS/m) | 0.48 | 0.99 | 0.56 | 0.94 | 0.18 |
3.2 폐지섬유 고형배지 특성 평가
코코피트 대체 고형배지로서의 가능성을 평가하기 위하여 폐지섬유로 제조한 고형배지의 주요 품질들을 비교·평가하였다. Fig. 4는 각각의 폐지섬유로 제조된 고형배지의 표면 이미지이다. 두 폐지섬유 고형배지 모두 우수한 압착성형성을 가져 압착 후 균일한 고밀도 구조체로 성형되는 것을 확인할 수 있었다. 15 cm(L) × 15 cm(W)로 제조된 고형배지의 두께는 OCC 폐지섬유 고형배지 0.19 cm(H), ONP 폐지섬유 고형배지 0.23 cm(H)를 나타내었다.
Fig. 5는 코코피트 및 폐지섬유 고형배지의 pH 및 전기전도도 측정 결과를 나타낸 것으로 각 원료의 품질특성과 동일한 결과를 나타내는 것을 볼 수 있었는데 OCC 섬유분으로 제조된 고형배지에서 상대적으로 높은 전기전도도 값이 나타나는 것으로 확인되었으나 농진청 고시에 따라 인공토양으로서의 적용기준에 적합한 수준인 것으로 판단되었다.
Fig. 6과 Fig. 7에서는 각 고형배지의 보수성과 배수성을 평가한 결과를 보여주고 있다. 고형배지의 보수성 및 배수성의 상관관계는 일반적으로 반비례적인 경향을 가지게 되는데, 보수성의 경우 코코피트 고형배지가 폐지섬유 고형배지에 비해 상대적으로 높은 값을 나타났다. OCC 폐지섬유 고형배지는 ONP 폐지섬유 고형배지에 비해 상대적으로 높은 보수성을 가지며 이에 배수성은 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 코코피트 고형배지의 경우에는 표면 친수성기가 많이 발현되어 있는 폐지섬유 고형배지와 달리 친수성이 낮은 특성으로 원료 자체의 수분 흡수보다 원료 간 공극 사이에 보유되어 있는 물이 많아 고형배지 보수성 측정 시 상대적으로 높은 보수성을 나타내고, 배수성의 경우에도 원료 공극 사이의 물이 빠르게 공극 밖으로 탈수되므로 배수성 또한 상대적으로 높게 평가된 것으로 판단되었다.
3.3 바이오차 적용에 의한 폐지섬유 고형배지 특성변화
OCC 섬유에 비해 상대적으로 수분 흡수율 및 배수성이 우수한 ONP 폐지섬유 고형배지 제조 시 바이오차 적용에 따른 품질특성 변화를 알아보기 위하여 왕겨 바이오차와 목재 바이오차를 무게비로 각각 20wt%, 40wt% 배합 적용하여 고형배지 시료를 제조한 후, 각 배합 조건별 pH, 전기전도도, 보수성, 배수성의 품질특성을 비교·평가하였다. Fig. 8에서 나타난 바와 같이 바이오차 적용 시 고형배지의 표면구조가 상대적으로 거칠어지는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 바이오차의 적용에 의한 고형배지의 pH와 전기전도도의 변화를 평가하여 Fig. 9에 나타내었는데 원료의 물성에 의한 영향으로 왕겨 바이오차의 첨가 시 첨가량에 따라 pH와 전기전도도가 증가하는 경향을 보였고, 목재 바이오차 첨가의 경우에는 pH와 전기전도도가 감소하는 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
바이오차 적용에 따른 폐지섬유 고형배지의 보수성 및 배수성 특성변화를 Fig. 10와 Fig. 11에 나타내었다. 왕겨 바이오차 적용 시 적용량이 증가할수록 보수성은 감소하였지만 공극의 증가로 인해 배수성은 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 목재 바이오차의 적용 시에는 왕겨 바이오차의 경우와 달리 보수성의 유의한 변화가 나타나지 않았으나 배수성의 감소가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 목재 바이오차의 경우 원료적 특성상 다양한 형태와 크기의 입자들이 존재하여 고형배지 내 구조가 치밀하게 형성되고 수분이 빠져나가는 과정에서 미세한 입자들이 공극을 매워 물빠짐이 방해됨에 따라 배수성의 감소가 크게 나타나는 것으로 판단되었다.
Fig. 12은 바이오차의 적용에 따른 폐지섬유 고형배지의 수분 흡수율 변화를 보여주고 있다. 고형배지의 수분 흡수율은 각각의 바이오차 모두에서 배합량이 증가할수록 감소하는 결과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이는 바이오차에 비해 상대적으로 높은 친수성을 가지는 폐지의 함유량이 감소함에 따른 영향으로 판단되었다.
고형배지의 수분흡수가 발생됨에 따라 고형배지의 구조도 두께 방향으로 증가하면서 벌크한 구조를 가지게 되는데 이러한 벌크의 변화를 두께 팽윤율로 평가하여 Fig. 13에 나타내었다. ONP 폐지섬유로 제조된 고형배지의 경우 200% 이상 구조체의 두께가 팽윤되는 결과가 나타나는 것에 비해 바이오차의 적용량이 증가할수록 두께 팽윤율이 감소하는 것으로 나타났고 특히 왕겨 바이오차에 비해 목재 바이오차의 경우 두께 팽윤율이 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 바이오차 자체의 수분 흡수율이 폐지섬유 보다 낮은 특성에 기인하는 것으로 판단되었다. 목재 바이오차 적용 시에는 다양한 형태와 구조의 목재 바이오차로 인한 치밀한 구조가 형성되고 이에 따라 왕겨 바이오차에 비해 상대적으로 낮은 두께 팽윤율을 나타내는 것으로 판단되었다.
4. 결 론
농업 및 원예 작물의 재배에 있어서 생산성과 품질특성이 우수한 작물을 생산할 수 있는 시설재배 방식은 폭넓게 활용되고 있으며 최근 들어 재배관리의 자동화 및 효율성을 극대화 할 수 있는 스마트팜 재배가 주요한 관심의 대상이 되어 널리 확대되면서 이러한 재배방식에 필수적인 고형배지의 수요 및 관심도 지속적으로 높아지고 있다. 현재 고형배지의 주요 원료인 코코피트는 주로 수입에 의존하여 수급 안정성과 경제성이 저하될 수 있음에 따라 이를 대체하기 위한 원료로서 국내산 폐지의 적용방안에 대해 알아보았다. 이를 위해 건식분쇄 방법으로 ONP 및 OCC를 섬유화하고 이를 적용한 고형배지를 제조하여 그 특성을 평가하였으며, 폐지섬유 고형배지의 품질특성을 향상시키기 위한 방안으로 왕겨 바이오차와 목재 바이오차를 각각 적용하여 그 영향을 알아보았다.
폐지섬유의 경우 약알칼리 수준의 pH를 가지며 적절한 전기전도도 특성 및 높은 친수성으로 고형배지 원료로서의 적용이 가능한 것으로 나타났으며, 이를 이용하여 제조된 폐지섬유 고형배지의 경우 기존의 코코피트 고형배지와 비교하여 보수성은 유사한 수준을 나타내었고 배수성은 상대적으로 다소 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 각각의 바이오차를 적용하여 제조된 고형배지의 경우 목재 바이오차 적용 시 약간의 보수성 증가를 가져오는 것을 확인할 수 있었고 왕겨 바이오차의 적용 시에는 ONP 폐지섬유 고형배지의 배수성을 증가시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구를 통해 시설재배 고형배지용 원료로서 폐지의 적용 가능성을 확인하였으며 폐지의 종류 및 바이오차 등 추가적인 원료의 배합을 통한 고형배지의 품질변화 기반 자료를 확보함으로써 본 연구의 결과들은 향후 시설재배 작물별로 요구되는 다양한 수요에 맞춤형으로 고형배지를 제조할 수 있는 기술개발을 위한 기초연구 자료로써 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
