JOURNAL OF THE KOREAN SOCIETY OF AGRICULTURAL ENGINEERS, SEP. 2009, pp. 101-106
시설용수 및 영농편의용수 공급시스템 개발 (Ⅱ) - FDA 시스템 현장적용성 평가 -
Development of Clean Water Supplying System for Greenhouse Cultivation and Convenience Water (Ⅱ) - Assessment of the FDA System through a Site Application -
이광야*․최경숙**,†
Lee, Kwang-Ya*․Choi, Kyung-Sook**‚†
ABSTRACT
The previous study developed the Filter-Disinfection-Adsorption (FDA) system to provide clean irrigation water for greenhouse cultivation as well as convenience water to farmers. In this study, the field examination was undertaken to assess performance of the FDA system. The field application was made in the suburb of Daegu, one of the large city in Korea. The study area located near by down-stream of Gum-Ho river is suffering low irrigation water quality problems with no water supply service facilities.
Four water quality parameters including Suspended Solid (SS), Biological Oxygen Demand (BOD), coliform, and turbidity were selected to test the purification performance of FDA system. Also in order to improve the system, this study investigated the defects of using the FDA system through field monitoring. As results, it was found that this system can be used to supply good quality of irrigation water for greenhouse cultivation and also provide convenience water to farmers in the field areas of no water supply services.
Keywords: Clean water supply; FDA system; greenhouse cultivation; convenience water; site application
I. 서 론*
Free Trade Agreement (FTA)를 대비하여 농업분야의 가 장 중요한 당면과제로 인식되고 있는 것은 고품질의 안정성이 확보된 친환경 농산물을 생산하여 우리 농산물의 경쟁력을 확 보하는 것이다. 이를 실현하기 위해서는 품종 선택, 시비, 환경 제어, 청정 용수공급, 양질의 토양 등 여러 가지 요소가 있으 나, 그 중 청정 용수공급이 가장 중요한 요소로 제시되고 있다 (NAQS, 2006). 더욱이 친환경 농산물의 부가가치가 일반 농 산물의 2배에 해당하여 농가소득의 향상과 농업 경쟁력 확보
* 한국농어촌공사 농어촌연구원
** 경북대학교 농업토목공학과
† Corresponding author. Tel.: +82-53-950-5731 Fax: +82-53-950-6752
E-mail address: [email protected] 2009년 8월 24일 투고
2009년 9월 21일 심사완료 2009년 9월 23일 게재확정
가 가능함에 따라, 청정 농업용수에 대한 중요성이 더욱 커지 고 있다.
종래에는 농업용수의 부족을 해결하고, 저렴한 비용으로 청정 용수를 공급하기 위해서 각 주산단지 내에서 개별적으로 20 m 내외의 천층 관정을 개발하여 용수공급원으로 사용하고 있으 나, 천층 지하수의 고갈, 수질오염, 침수로 인한 누전, 동절기 수원변화 등 청정용수의 활용에 제약이 많이 따르는 것으로 조 사되고 있다 (MIFAFF, 2003). 특히 지표수를 용수원으로 사 용하고 있는 지역은 수질오염이 심각하여 수질개선이 요구되고 있으나 간이 정수장 설치․운영 등 시설용수의 수질개선에는 많은 어려움이 있어 저비용의 청정용수 공급이 가능한 정수장 치의 개발이 절실히 요구되고 있다.
이에 Lee and Choi (2009)에 의해 개발된 Filter-Disinfection- Adsorption (FDA) 시스템은 우리나라 농촌현실에 적합하면서 고품질의 친환경 농산물 생산을 위한 양질의 시설용수 공급과 농경지 상수시설을 대처할 수 있는 영농편의 용수공급을 주목
적으로 한다.
본 연구에서는 FDA 시스템 시작품의 현장설치를 통해 시설 농업현장에서 FDA 시스템의 수질정화능력을 직접 평가하고 사 용자 입장에서 시스템의 개선점을 파악하여 보완함으로써 FDA 시스템 본래의 목적을 충족하고 현장에서 실제 사용하는데 불 편함이 없도록 하고자 시스템 시작품의 현장적용성 평가를 실 시하였다.
II. 재료 및 방법
1. 시범지구 현황
FDA 시스템 현장적용성 평가대상지역은 시설재배가 많이 행 해지고 있는 지구로 깨끗한 시설용수 공급에 어려움이 있으며, 상수시설이 없어 영농편의 용수이용이 원활하지 않은 지역을 선정대상으로 하였다. 이를 위해 본 연구에서는 대도시 근교에 위치한 시설재배지로써 깨끗한 시설용수 공급에 어려움이 있으 며 상수시설이 구비되어 있지 않은 낙동강 지류인 금호강 하 류에 위치한 시설재배단지를 선정하였다 (Fig. 1). 본 연구 대 상지역은 개별 시설농가들이 모여 주로 엽채소류를 재배하고 있 는 20,000 ㎡ 이상 규모의 대단위 시설재배단지이다.
Fig. 1에 나타낸 바와 같이 본 연구대상지점은 대구도심지를 통과하는 금호강 하류지역에 위치하고 있어 도시생활폐수 유입 이 가능하고 비점오염의 위험에 노출되어 있는 지역으로 수질 오염 관리상 매우 열악한 환경을 가지고 있다. 이 지역의 시설 용수원은 금호강과 가까운 시설재배지는 양수기를 이용해 하천 수를 직접 취수하여 공급하고 있으며, 비교적 금호강과 먼 농 가는 지하 6 m 내외의 천층지표수를 관정으로 취수하여 용수 를 공급하고 있다.
본 지역의 토질상황은 양토여서 사질토지역에 비해 수질정화 능력이 떨어지므로 관정을 이용해 취수하는 농가 역시 청정농 산물 생산을 위해서는 수질관리가 필요한 것으로 조사되었다.
Fig. 1 Location of the application area
여기서도 대부분의 관정을 이용하고 있는 농가는 소규모 필터 를 양수기에 달아 공급관의 보호를 위해 이물질을 제거하고 있었다.
금호강 하류 하천수를 직접 취수하고 있는 지역의 용수취수 형태는 펌프를 이용해 하천수를 직접 취수하여 시설단지 내에 위치한 수로에 일시적으로 가두어 두고 필요시 마다 이를 취 수하여 각 시설 동에 공급하는 형태로써, 때때로 수로 내 생활 폐수의 유입으로 관개용수의 수질이 매우 저하되기도 하며, 금 호강 하류 주변에 위치하고 있는 공단지역들로 인해 취수원의 수질이 급격히 오염되는 경우도 있어 시설재배를 위한 청정용 수 공급에 어려움이 많은 것으로 파악되었다. 또한 금호강으로 부터 취수해서 가두어둔 배수로에는 청이끼가 항상 발생하여 용수가 녹색을 띄고 있으며, 용수를 사용하지 않는 경우에는 배수로에 용수가 항상 고여 있는 상태이므로 수질 저하를 더 욱 야기하고 있었다. 그러나 이러한 열악한 수질환경에도 불구 하고 이 지역에는 간이필터제품조차도 거의 사용하고 있지 않 는 등 수로 내에 가두어둔 용수에 대한 수질관리는 전혀 이루 어지고 있지 않아 용수의 수질오염상태가 때때로 심각한 경우 도 많을 것으로 사료되었다.
따라서 본 대상지역은 깨끗한 시설용수 공급을 위해 수질정 화처리가 필요한 지역으로써, 다양한 수질조건에 따른 FDA시 스템 성능을 평가하기에 매우 적합한 지역으로 판단되었다.
Photo 1은 대상지역의 현장 상황을 보여주고 있다. 상단의 그 림은 대상지구의 용수취수형태를 보여주며, 하단의 그림은 시 설동 내의 엽채류 재배 전경을 보여준다.
Photo 1 Site scenery
Table 1 Water quality of Gum-ho river No. 5
Mon BOD SS Coliform TP TN
㎎/L ㎎/L MPN/100㎖ ㎎/L ㎎/L
Jan 3.6 3.3 1360 0.508 6.789
Feb 4 4 1400 0.449 8.066
Mar 5.6 10.7 1165 0.38 6.856
Apr 4.6 5.7 1465 0.468 5.685
May 3.7 7.5 2900 0.666 5.383
June 3.3 7.5 2875 0.347 4.076
July 3 4.4 3400 0.336 3.963
Aug 2.7 9.2 3175 0.41 4.566
Sep 2.2 6.1 5050 0.431 4.897
Oct 2 5.3 3075 0.593 6.124
Nov 2.6 5.7 4075 0.608 6.933
Dec 2.8 3.6 3100 0.552 7.549
Average 3.3 6.1 2753.3 0.5 5.9
* Source: Daegu Regional Environmental Office (2008)
한편 본 대상지역은 대구 근교에 위치하고 있음에도 불구하 고 하천제방 변에 시설단지가 위치해 있어 상수도 시설이 전 혀 설치되어 있지 않아 영농편의면에서도 매우 열악한 여건을 가지고 있었다. 상수시설이 없음으로 음용수는 직접 마을에서 운반해 와야 하고 그 외 세정용수 등은 수로 내 가두어 둔 하 천수를 그대로 사용하고 있어 수질오염을 통한 병원균에 매우 취약한 환경이었다.
Table 1은 대구지방환경청에서 대상지점과 가까운 금호강 5 지점에서 2008년도에 수질항목들을 측정한 월별 평균치 결과 를 나타내고 있다. 금호강은 도심지역으로부터 유출되는 비점 오염으로 인해 강우기인 여름철에 Suspended Solid (SS)가 비 교적 높으며, 특히 대장균수는 거의 3급수 수준인 것을 알 수 있다. 이 자료는 월별로 8일 간격으로 측정한 자료의 평균치인 점을 고려하면 때로는 이보다 수질이 더 심각한 경우도 있을 것이라 사료되며, 이 경우 엽채류를 키우는 시설원예지역의 용 수원으로서 고품질의 안전한 친환경 작물재배를 위한 작물의 생육과 품질관리를 위해서 용수의 수처리가 반드시 필요한 것 으로 판단되었다.
2. 시스템 적용
FDA 시스템 시작품 설치는 연구대상지역 중에서 하천수를 직접 취수하여 공급하고 있는 780 ㎡ 면적의 시설재배지 3개 동을 대상으로 하였다. 본 지구는 2마력 정도의 양수기를 이용 하여 배수로에 저장해둔 하천수를 취수하여 살수관개에 의해 필요한 용수를 작물에 공급하고 있었다. Table 2는 대상 시설
Table 2 Details of the irrigation area Main
crop Area Total no.
of houses
Irrigation water source
Irrigation method
Cabbage 780㎡ 3 Gum-Ho river Sprinkler
Fig. 2 Site plan
Table 3 Details of the green house Application area Non application area No. House size (m2) No. House size (m2)
① 6.5×40 Ⓐ 6.5×80
② 6.5×40 Ⓑ 6.5×80
③ 6.5×40 Ⓒ 6.5×80
Ⓓ 6.5×80
Photo 2 Installation of the PDA system
재배지에 대한 상세내용을 나타내고 있다. 이 지역의 1회 관개 수량은 대략 15 mm/㎡ 정도로써 하절기에는 2일에 1회 정도 관개를 하고 동절기에는 30일 정도 간격으로 1회 관개를 실시 하고 있다. 대상지역의 기존 시설동에 설치한 FDA 시스템 현 장시작품의 배치도는 Fig. 2와 같으며, 각 시설동의 규모는 Table 3에 나타낸 바와 같다. Photo 2는 현장에 설치된 FDA 시스템 모습을 보여준다.
Table 4 FDA system examination criteria
Item Inflow Outflow
SS (㎎/ℓ) 70 10
BOD (㎎/ℓ) 10 6
Turbidity (NTU) 6 4
Coliform (MPN/100㎖) over 3,000 50
3. 시스템 평가 방법
FDA 시스템의 현장적용성 평가는 두 가지 항목으로 이루어 졌다. 첫 번째 항목은 시스템의 수질정화능력 평가이며, 두 번 째 평가항목은 사용자의 현장 모니터링을 통한 실제 사용자 의 견을 수렴하여 현장에서의 사용상 문제점 여부를 파악하여 최 적의 성능보완과 수요자의 요구를 최대한 충족할 수 있는 시스 템을 개발하고자 하였다.
이를 위해 먼저 FDA 시스템의 수질정화능력을 평가하기 위 해서 시스템 목표수질 평가항목인 SS, Biological Oxygen Demand (BOD), 탁도, 총대장균군에 대한 원수와 처리수의 수 질정도를 파악하였다. 위 네 가지 수질평가항목들은 농업용수 특성상 대부분의 수질오염정도를 가늠할 수 있는 대표적인 지 표라 할 수 있으며, FDA 시스템 처리공정이 살균 여과과정으 로 구성되어 있기 때문에 시스템의 각 과정별 수질정화성능을 평가하기에 타당한 기준으로 판단되어 선택하게 되었다. 본 연 구에서 기준으로 삼은 각 수질항목별 유입수대 유출수의 목표 수질은 Table 4와 같다.
III. 결과 및 고찰
1. 수질정화능력 평가
FDA 시스템의 수질정화능력을 평가하기 위하여 현장에 시스 템이 설치된 시기인 2008년 9월부터 2009년 2월 현재까지 10 회에 걸쳐 수질분석을 실시하였다. 원수와 FDA 시스템 통과수 에서 샘플을 각각 채취하여 SS, BOD, 탁도, 총대장균군 수질 평가항목을 대상으로 수질분석을 실시한 결과는 Table 5와 Fig.
3에서 Fig. 6에 나타낸 바와 같다.
먼저 대상지역의 원수의 특성을 살펴보면 원수의 수질은 측 정기간 동안 농도변화가 매우 심한 것으로 나타났다. 이는 금 호강의 수질과도 관계가 있겠지만 수로 내 저류시기와 배수로 내 인근 생활폐수의 유입에 의한 원인이 더 크게 작용했을 것 으로 판단되었다. 수질항목별 원수의 특성을 살펴보면 SS의 경우 원수가 4회, 5회, 10회차의 일반적인 농업용수 수질수준 (100 mg/L 이하)인 것을 제외하고는 모두 25 mg/L이하의 수
Table 5 The results of water purification performances No.
SS (mg/L)
BOD (mg/L)
Turbidity (NTU)
Coliform (MPN/100㎖)
Raw FDA Raw FDA Raw FDA Raw FDA
1 10.3 6.1 3.3 2.4 2.5 2.4 920 1.8
2 12.6 10.4 3.5 1.9 1.8 1.2 540 4.0
3 6.5 5.8 2.1 1.5 2.7 1.4 5,400 2.0
4 99.2 26.0 6.8 3.8 4.2 2.7 480,000 20.0
5 51.8 15.0 9.0 1.8 14.2 5.0 13,000 10.0
6 6.5 4.5 4.2 2.6 2.9 1.4 30,000 3.0
7 11.8 7.8 4.0 2.8 6.2 4.9 2,900 0.0
8 3.9 3.0 3.8 2.5 4.1 3.3 270 2.0
9 7.6 5.6 5.6 3.8 5.1 3.6 14,000 14.0
10 36 10.4 9.9 5.1 23.1 15.2 1,700 0.0
Fig. 3 SS results
Fig. 4 BOD results
준을 보였다. 가장 높은 수치는 4회차에 측정된 99.2 mg/L로 이 시기에는 BOD와 대장균, 탁도 모두 높은 수치를 나타내고 있어 이 시기의 원수의 수질은 매우 심하게 오염된 상태임을 알 수 있었다.
BOD의 경우도 SS와 동일하게 4회, 5회, 10회 차에서 6 ppm
Fig. 5 Turbidity results
Fig. 6 Coliform results
이상의 높은 수치를 보였으며, 이는 수질등급상 3급수 이하의 수준을 나타낸다. 여기서 BOD가 SS와 대체적으로 유사한 변동 을 나타내는 것은 SS상의 BOD, 즉 흡착성 BOD의 기여가 높 기 때문인 것으로 사료되었다. 이와 더불어 탁도의 경우도 위 결과들과 상관이 있는 결과를 보였는데 역시 5회와 10회차에 서 가장 높은 수치를 나타내었다. 그러나 경우에 따라서는 SS, BOD, 탁도가 서로 무관한 결과를 나타내기도 하였는데 이 경 우에는 용존성 BOD 수치가 높았거나 필터로 걸리지 않은 미 세입자에 의해 탁도가 높게 나타났기 때문인 것으로 추측되었 다.
마지막으로 대장균의 경우 생활폐수의 유입여부에 따라 대장 균 수치가 현저한 차이를 보였다. 대장균의 경우도 4회차는 수 치가 매우 높게 나타났는데, 이 경우는 영농활동상의 위해성 문제의 대두와 작물재배에 있어 심각한 품질저하현상, 안전성 문제 등이 심히 우려되는 경우였다. 대장균의 경우도 원수 수 질의 유동성이 매우 컸으며, 상수원 2급 수질기준인 1,000 MPN/100ml 이하를 나타내는 경우가 있는 반면 4, 5, 6, 9회 차처럼 5,000 MPN/100ml 이상의 심각한 수준을 보여주는 경 우도 있었다.
FDA 시스템 처리수의 수질분석 결과를 살펴보면, 측정시기 별로 원수의 수질에 따라 수처리 효율은 각각 다르게 나타났 으나 원수에 비해 처리수의 수질은 전반적으로 월등히 향상된 것을 알 수 있었다. 항목별로 처리수의 수질을 살펴보면 SS의 경우 유입수의 수질이 시스템 기준치인 70 mg/L 이상의 경우 를 제외하고는 유출수의 수질이 거의 모든 샘플조사에서 목표 수질인 10 mg/L내외의 수준을 나타냄으로써 매우 양호한 수 질을 나타내었다. BOD의 경우도 원수의 수질이 매우 나빴던 4회, 9회, 10회의 경우를 제외하고는 2급수 이상의 수준을 보 였으며, 열 번의 수질평가 모두 목표치 수질 이상을 달성함으 로 시스템 처리 후의 수질이 월등히 향상되었음을 알 수 있었 다. 탁도의 경우도 원수의 수질이 시스템 기준치인 6 NTU 이 상인 5회, 7회, 10회를 제외하고는 처리수의 수질이 모두 목 표치 수질 4 NTU 이하를 나타내었다.
마지막으로 대장균의 경우는 4회, 5회, 6회, 9회의 원수 수 질이 모두 5,000 MPN/100ml 이상으로 매우 오염된 상태였으 나 시스템 처리 후의 수질 측정결과는 처리효율이 모두 100
%에 가까운 월등히 향상된 수질상태를 나타내었다. 원수의 오 염정도에 상관없이 모든 샘플조사에서 처리수의 수준이 상수원 1급수 수질기준을 상회하는 결과를 보였다.
한편 원수의 특성상 용수 사용 시 볼 수 있었던 재배지 토 양과 배수로에 저장된 용수에서의 청이끼도 시스템 처리 후 현 저히 감소함을 볼 수 있었다. 따라서 이러한 결과들로 본 시스 템의 수질정화능력은 매우 만족스러운 것으로 판명되었다.
2. 사용자 모니터링
본 연구에서는 FDA 시스템의 수질정화 성능분석 외에도 수 질정화시스템에 대한 실제 수요자의 의견을 모니터링 함으로써 사용자 입장에서의 불편한 점 및 개선되어야 할 점을 파악하 였다. 현장의 시스템 성능 모니터링 분석 및 수요자 의견 모니 터링 결과를 통하여 최적의 시스템 보완을 추진함으로써 수요 자의 요구를 충족하는 제품 개발이 되도록 개선방안을 수립코 자 하였다.
그 결과로 몇 가지 사용편의상의 문제점들이 발견되었는데 이는 필터 배수구 위치조정, 동결방지를 위한 양수기 관리 및 양수기 배수 방법모색 등이었다. 이에 대한 문제점은 양수기 배수 방법 개선사항을 제외하고는 시스템을 보완 조치하여 개 선시켰다. 양수기 배수방식의 문제는 본 연구에서 개발된 FDA 시스템은 이미 제작된 양수기 제품을 구입하여 사용하는 경우 다 보니 본 연구팀에서 개선할 수 있는 사항이 아니었으며, 이 문제를 해결하기 위해서 양수기 제조사에 양수기 사용상의 애 로사항을 개선토록 의뢰한 상태이다.
FDA 시스템 적용 농장주의 사용자 모니터링을 통해 시스템 의 장점도 여러 가지 파악되었다. 이는 시스템의 규모가 작아 설치 부지면적이 적게 소요되며, 실시간 처리가 가능하여 용수 필요시 언제든지 용수공급이 가능함으로 용수를 절약하여 사용 할 수 있는 체계로써 사용상 편리성이 매우 높다는 점이었다.
또한 최종 공급 펌프는 처리시스템과 별도로 배치하여 자동밸 브만을 작동시켜 용수공급이 가능하도록 함으로써 용수공급처 를 달리할 경우, 즉 시설하우스의 다른 동으로 관개를 할 경우 사용자가 용수공급처를 쉽게 조작할 수 있도록 제작되어 있어 이로 인한 시스템 운영 및 유지관리의 편리성도 본 시스템의 또 다른 장점으로 파악되었다.
IV. 결 론
현재 우리나라 시설농가에서 사용하고 있는 기존의 필터제품 들의 문제점을 개선하고 경제적이고 기능적인 면을 고려하여 우리나라 농촌현실에 부합되게 개발된 FDA 시스템의 시작품 평가를 농업현장에서 실시하였다. 현장 설치지역의 재배현황 및 수질을 조사하여 이에 적합하게 설계․제작된 시설용수 공 급시스템 시작품을 대도시 근교인 금호강 하류지역에 위치한 시설농업현장에 적용시켜 보았다. 현장적용성 평가를 통해 시 스템을 개선․보완하고자 시스템의 수질정화성능 평가 실시와 사용자 모니터링을 통한 현장에서의 사용상 문제점들을 파악하 였다.
그 결과 FDA 시스템 유입 전․후 수질분석을 실시하여 평 가한 시스템의 수질정화능력은 평가항목 모두 처리수가 목표치 이상으로 매우 만족스러운 결과를 보였으며, 현장모니터링을 통해 파악된 개선점은 사용편의상의 문제점들로 이에 대한 개 선방안을 제시하여 시작품의 보완제작을 실시하였다.
따라서 본 시스템은 지속가능한 시설농업에 필요한 친환경 청정용수 공급에 활용가능하며, 상수시설이 없는 농촌지역에서 수리시설운영 및 영농작업 시 손․발 세정이나 농기구 세척 등에 필요한 영농편의용수 공급도 가능하기 때문에 농경지 상 수시설 대처 및 영농편의 시설의 제공으로 영농작업의 위해성 에 대한 안전을 확보하고 농업생산환경의 향상을 도모할 수 있을 것으로 사료된다.
더 나아가 본 시스템의 개발로 인하여 불필요한 지하수 개발 이나 대규모 정수시설을 대체 할 수 있으며, 용수공급 장치의 국산화에 의한 수입대체 및 국내 농업환경 산업의 경쟁력 강 화를 도모하고, 청정용수가 필요한 화훼 및 원예단지, 시설재 배 지역, 지하수가 부족한 범용화 지역 등에서 고품격․친환경 농산물 생산에 기여함으로서 시설농업 활성화에 도움이 되었으 면 한다.
본 연구는 농림기술관리센터의 연구비 지원 (과제번호:
107035-03-3-SB010)에 의하여 수행되었음.
REFERENCES
1. Daegu Regional Environmental Office, 2008. Water quality data (in Korean).
2. Lee, K. Y., and K. S. Choi, 2009. Development of clean water supplying system for greenhouse cultivation and convenience water (I) - Development of the FDA system -, Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers 51(5): 95-100 (in Korean).
3. Ministry for Food, Agriculture, Forestry and Fisheries (MIFAFF), 2003. Agricultural water supply system renewal plan. Korea Rural Community Corporation (in Korean).
4. National Agricultural Products Quality Management Service (NAQS), 2006. Implementing GAP (Good Agricultural Practice) (in Korean).
