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가설 설정
- 침전조에서 제거하고자 하는 고형물의 최소 입경은 100pm (100 XlOem)이므로 이를 기준으로 하여 상기 식을 이용하여 침전조 의 단면적을 구하였다. 고형물의 밀도는 1190kg/m3 (Chen et al., 1994)으로 가정하였으며 유량은 순환수의 순환이 1일 36회전 (3.75n?/hr)이라고 가정하고 침전조로 유입되는 순환수의 양은 전체 순환수의 30%인 1.125m3/hrt 사용하였다. 시스템의 운전 온 도인 2℃에서 물의 밀도와 점도는 각각 999kg/m3, 0.
- 일간 공급되는 사료에서 발생하는 암모니아성 질소의 분율을 3% 라고 가정 (Liao and Mayo, 1974; Speece, 1973)하여 다음과 같이 계산하면 암모니아의 발생속도는 37.5g TAN/n?/day이다.
제안 방법
- 본 연구를 통해 설계 제작된 사육조와 수처리 장치를 조합하여 기존의 양어장과는 달리 수처리 시스템을 한 곳에 집약시킨 순환 여과 양식 시스템을 제작하였다. Fig. 7에서 보는 바와 같이 사육 조와 수처리 시스템 사이의 유로를 가장 짧게 설계하여 관리, 운 전이 용이하도록 하였으며 수처리 시스템 중 floating bead filter와 RBC는 침전조와 저류조 상부에 2층 구조로 설치하여 전체 시스 템이 차지하는 면적을 최대한 줄일 수 있도록 하였다. 또한 시스템 전체에 걸쳐 순환수는 1대의 펌프만을 이용하여 이동되며 bead fi- Iter의 세척과 포말분리기에 공기를 공급하는 blower는 사육조내 용존산소가 떨어질 경우 포기를 할 수 있도록 여분의 유출구를 설 치하였다.
- Pilot plant의 운전은 매일 오전 9: 00시에 첫사료를 공급하고 침 전조 및 플라스틱 bead filter를 청소하여 어류사육을 통하여 발생한 고형물질을 제거하고 보충수를 공급하여 시스템의 수위를 유지시켰다. 이러한 시스템 점검을 마친 후 약 1시간 경과 후 수질 분석에 필요한 시료를 채취하였다.
- 7에서 보는 바와 같이 사육 조와 수처리 시스템 사이의 유로를 가장 짧게 설계하여 관리, 운 전이 용이하도록 하였으며 수처리 시스템 중 floating bead filter와 RBC는 침전조와 저류조 상부에 2층 구조로 설치하여 전체 시스 템이 차지하는 면적을 최대한 줄일 수 있도록 하였다. 또한 시스템 전체에 걸쳐 순환수는 1대의 펌프만을 이용하여 이동되며 bead fi- Iter의 세척과 포말분리기에 공기를 공급하는 blower는 사육조내 용존산소가 떨어질 경우 포기를 할 수 있도록 여분의 유출구를 설 치하였다. 순환펌프 (DOLL SA, Model Sprint)는 토출량 7 m3/hr, 전양정 13 이인 것을 설치하였으며 blower (A-Sung Machinery Co.
- 본 시스템의 질산화 장치는 회전원판식 반응기를 선정하였다. 회전 원판 반응기는 단위 표면적당 여과 효율이 우수하고 원판이 회전하면서 대기 중의 공기와 접촉하면서 산소를 수중에 용해시킬 수 있으며 (Miller and Libey, 1984)수두가 낮아 운전 경비가 절 감되고 원판의 회전에 의한 전단력으로 원판 표면에 느슨하게 부 착된 생물막이 탈리되어 활성 높은 생물막의 유지가 가능하며, 한 번 활성화되면 급작스런 충격에 대해서도 활성이 쉽게 떨어지지 않는 장점이 있다.
- 본 연구를 통해 개발된 순환여과식 양식 시스템의 실재 어류 사육 효율을 알아보기 위해 나일 틸라피아 (Oreochromis niloti- cus)를 수용하여 어류 사육을 수행하였다. 본 어류 사육 실험에서 는 시스템의 점검과 질산화 반응기인 회전 원판 접촉반응기 (rotating biological contactor)의 원판에 질산화 미생물의 부착을 위하여 순환여과식 양식시스템에서는 낮은 사육 밀도인 2%로 어류를 입식하여 총 14일간 수행하였으며 실험기간 동안 어류의 폐사는 없었다.
- 본 연구를 통해 개발된 순환여과식 양식 시스템의 실재 어류 사육 효율을 알아보기 위해 나일 틸라피아 (Oreochromis niloti- cus)를 수용하여 어류 사육을 수행하였다. 본 어류 사육 실험에서 는 시스템의 점검과 질산화 반응기인 회전 원판 접촉반응기 (rotating biological contactor)의 원판에 질산화 미생물의 부착을 위하여 순환여과식 양식시스템에서는 낮은 사육 밀도인 2%로 어류를 입식하여 총 14일간 수행하였으며 실험기간 동안 어류의 폐사는 없었다.
- 본 연구를 통해 설계 제작된 사육조와 수처리 장치를 조합하여 기존의 양어장과는 달리 수처리 시스템을 한 곳에 집약시킨 순환 여과 양식 시스템을 제작하였다. Fig.
- 사육조 하부의 경사도(B/A)는 침강성 고 형물을 제거하는데 매우 중요하며 일반적으로 소형, 원형 수조의 경우 15%이며 아주 깊은 사일로와 같은 수조에서는 30%의 경사 로가 필요하다 (김, 1996). 본 연구에서 제작한 사육조는 소형 수 조보다는 조금 큰 20%로 설계하였다. 사육조 상부에는 시스템의 누수로 인한 수위 하강시 이를 감지하여 펌프를 정지시켜 사육조 내의 수의를 보전할 수 있도록 level switch를 설치하였으며 정상 수와보다 10cm 이상 하강시 pump를 멈추도록 설치하였다.
- 본 연구에서 제작한 사육조는 침강성이 높은 고형물은 하부에서 침전조로 유입시키고 침강성이 낮은 부유성 고형물은 사육조 상 부의 유출구를 통해 저류조로 유입시켜 침전조에 가해지는 수력 학적 부하를 감소시킬 수 있는 double drain 형태의 원형수조 (김, 1996)를 설계 . 제작하였다.
- 본 연구에서는 현재까지 알려진 순환여과식 양식장에 대한 자료를 검토하여 순환 여과식 양어장의 순환수 처리시설을 설계하고 이를 효율적으로 조합하여 순환 여과식 양식 시스템을 개발하여 package 형태로 설계하고 제작하였다.
- 3과 같은 형태의 침전조를 설치하였다. 사육조 하부의 고형물 성분이 많은 순환수가 빠른 유속으로 침전조 하부로부터 유입되어 침전조의 내부 원통관을 통해 상부로 유출되어 외부 원통관을 통해 하강하면서 유입되는 속도에 비해 상대적으로 감소된 유속에 의해 비중이 큰 고형물은 침전조 하부 에 모이고 고형물이 제거된 순환수는 상부의 유출구를 통해 배출 될 수 있도록 하였다.
- 순환여과식 양식 시스템의 설계 및 제작은 어류의 생장에 가장 큰 영향을 미치는 오염물은 고형물과 암모니아성 질소 (Timmons, 1994)의 처리에 중심을 두고 진행하였다. 사육조에서 발생하는 고형 물 중 100firn 이상의 비교적 큰 침강성이 큰 입자는 침전조, 30jum 이상의 부유물질은 floating bead filter, 30pm 이하의 미세입자와 용존 고형물은 포말분리기를 이용하여 제거할 수 있도록 설계하 였으며 암모니아성 질소의 제거를 위한 질산화 반응기는 회전원판 반응기를 선정하였다. 용존산소의 공급은 순환수의 순환에 의한 자연적인 포기를 주로 하여 어류 밀도 증가시 부족한 용존산소는 산기석에 의한 포기를 하도록 하였다.
- 수위의 하강이나 단전 등에 의해 펌프가 작동을 멈추는 등의 시스템 이상이 발생할 경우 관리자에게 신속하게 알리기 위해 auto dialer를 설치하였다. Auto dialer는 시스템에 이상이 발생할 경우 전화를 이용하여 입력된 전화번호로 신호를 보내어 관리자를 호출하는 시스템으로 기존의 경보기와는 달리 무선호출이 가능하여 관리자가 외부에 있더라도 연락을 받을 수 있는 장점이 있다.
- 시스템의 수질을 측정하기 위해 암모니아성 질소 (total ammonia nitrogen, TAN), 화학적 산소 요구량 (chemical oxygen demand, COD), 수소이온농도 (pH), 총부유물질 (total suspendrd solid, TSS), 용존산소 (dissolved oxygen, DO)에 대한 수질분석을 수행하였다. 각 수질 항목별 분석 방법은 Table 1에 나타내었다.
- 이때 사용한 보중수는 부경대학교 부속 양어장의 순환수를 이용하였으며 수질은 Table 1과 같다. 어류 성장 실험을 위한 사료는 침전사료를 이용하였 고, 사료공급은 어체중에 대하여 약 1%에 해당하는 사료를 1일 3 회에 공급하였다. 공급한 사료의 조성은 Table 2와 같다.
- 어류에 의해 오염된 사육조 내의 순환수 중 침강성 고형물은 사육조 하부의 유로를 통해 침전조로 유입시켜 제거하고 사육조 상부에서 유출되는 순환수와 저류조에서 모이도록 하였다. 저류조 는 Fig.
- (1994)은 1992년 미세 고형물 제거를 위해 포말 분리기, 포기와 용존산소 공급을 위해 산기석을 충진한 하향류 접 촉조, 이산화탄소를 제거하기 위하여 산기석 충전충 접촉기를 설 치하고 순환여과식 양어장의 가장 큰 문제중의 하나인 고형물과 암모니아성 질소의 제거를 위한 여러장치를 설치한 양식 시스템을 개발하였다. 연구에 사용된 systeme 고형물 제거를 위해 침전조, 여과망 여과기 (screen filter)와 입상매체 여과기 (granular media filter)를 사용하였으며 암모니아를 제거하는 질산화 반응기로 회 전원판 접촉기 (rotating biological contactor, RBC)와 충전층 반응 기, 유동층 반응기를 사용하였다. Losordo et al.
- 사육조에서 발생하는 고형 물 중 100firn 이상의 비교적 큰 침강성이 큰 입자는 침전조, 30jum 이상의 부유물질은 floating bead filter, 30pm 이하의 미세입자와 용존 고형물은 포말분리기를 이용하여 제거할 수 있도록 설계하 였으며 암모니아성 질소의 제거를 위한 질산화 반응기는 회전원판 반응기를 선정하였다. 용존산소의 공급은 순환수의 순환에 의한 자연적인 포기를 주로 하여 어류 밀도 증가시 부족한 용존산소는 산기석에 의한 포기를 하도록 하였다. Fig.
- 우리나라의 실정에 적합하고 실용적인 순환 여과식 양식 시스템을 개발하여 package 형태로 개발하기 위하여 2.5m5 규모의 double drain 형태의 사육조와 침강성 고형물질을 제거하기 위한 침전조, 부유성 고형물의 제거를 위한 floating bead filter, 용존고 Wt= final weight, Wo=initial weight, t=culture period (day) 형물을 제거하기 위한 포말 분리기와 암모니아성 질소를 제거하기 위한 회전 원판 반응기를 조합한 순환 여과식 양식 시스템을 설 계하고 제작하였다.
- 6 m2 이었다. 원판의 회전은 유입수를 원판 상부에서 살수하여 순환수가 낙하하는 수력에 의해 회전하도록 하여 별도의 구동장치가 필 요 없도록 하였다.
- 25Hi, 의 규 모로 외형은 침전조와 동일하게 제작하였다. 저류조 상부에는 순 환수의 증발, 누수 등에 의해 사육조 수위가 낮아지거나 용수가 부족하게 되어 펌프의 공회전이 발생할 경우를 대비하여 항상 일 정 용량의 순환수를 보유할 수 있도록 수위계를 설치하여 저류조 수위가 일정수위 이하로 떨어지면 펌프의 작동을 멈추고 일정 수 위 이상이 되었을 때 다시 펌프를 작동하도록 하였다. 저류조 하 부에는 시스템 전체의 일정한 수온을 유지하기 위해 3kW의 용량 을 가지는 전기 heater를 설치하였다.
- Auto dialer는 시스템에 이상이 발생할 경우 전화를 이용하여 입력된 전화번호로 신호를 보내어 관리자를 호출하는 시스템으로 기존의 경보기와는 달리 무선호출이 가능하여 관리자가 외부에 있더라도 연락을 받을 수 있는 장점이 있다. 저류조의 물은 순환 펌프에 의해 저류조 상부에 위치한 floating bead filter로 유입되도록 하였다. Bead filter를 거쳐 고형물이 제 거된 순환수는 질산화 반응기인 회전 원판 반응기로 유입되며 회 전원판 반응기를 거친 물은 사육조로 순환된다.
- Bead filter를 거쳐 고형물이 제 거된 순환수는 질산화 반응기인 회전 원판 반응기로 유입되며 회 전원판 반응기를 거친 물은 사육조로 순환된다. 처리수가 사육조 로 유입될 때 산소 포기 효율을 높일 수 있도록 유출구와 수면이 45°의 각도를 유지하도록 하였으며 사육조 내 수류를 형성시키기 위하여 유출구의 위치는 사육조의 벽면에 위치하도록 하였다. 사 육조 내에는 2개의 포말분리기를 설치하였다.
- 여기서 A는 침전조의 단면적 (nF)이며 Q는 유량 (n?/sec)이다. 침전조에서 제거하고자 하는 고형물의 최소 입경은 100pm (100 XlOem)이므로 이를 기준으로 하여 상기 식을 이용하여 침전조 의 단면적을 구하였다. 고형물의 밀도는 1190kg/m3 (Chen et al.
- 침전조와 입상 여재 여과기에서 제거되지 않는 30pm 이하인 미세 입자와 용존 고형물의 제거를 위해 포말분리기를 설계 제작 하였다. 본 연구에서 사용한 포말분리기는 Fig.
대상 데이터
- 이러한 시스템 점검을 마친 후 약 1시간 경과 후 수질 분석에 필요한 시료를 채취하였다. 보충수는 사육조 체적의 약 10% 에 해당하는 0.25 m, 의 물을 사용하였다. 이때 사용한 보중수는 부경대학교 부속 양어장의 순환수를 이용하였으며 수질은 Table 1과 같다.
- 본 연구를 통해 개발된 시스템의 시험운전을 위해 수용한 실험 어는 수질에 대한 내성이 뛰어난 열대성 담수어종인 틸라피아 중 국내 내수면의 주요 양식 대상 종인 나일틸라피아 (Oreoc/iromis niloticus)로 부경대학교 양어장에서 사육중인 평균 어체중 393g의 어류를 127마리 수용하였다. 어류의 총 중량은 49.
- 침전조와 입상 여재 여과기에서 제거되지 않는 30pm 이하인 미세 입자와 용존 고형물의 제거를 위해 포말분리기를 설계 제작 하였다. 본 연구에서 사용한 포말분리기는 Fig. 6에서 보는 바와 같이 내경 15 cm의 플라스틱 원통관으로 이루어져 있으며 하부의 air stone에서 발생되는 기포에 의해 순환수가 동반 상승하면서 내부 순환을 이루는 병류 공기 구동식 (co-current air driven type) 으로 제작하였다. 포말관 내에서 생성된 기포는 수면 상부에서 농 죽되어 유줄구를 통해 배줄되며 기포와 동반 상승한 순환수는 수 주의 유출구를 통해 배출된다.
- 본 연구에서 제작한 회전원판반응기는 Fig. 5에서 보는 바와 같이 1200mmX900mmX450mm의 규모로 PVC plate를 이용하여 제작하였으며 액충의 부피는 0.475 &이다. 원판은 직경 68 cm의 corrugated skylight plate 100장을 사용하였으며 표면적은 72.
- 5 n?이다. 사육조 하부의 배 출구는 40mm PVC 관을 사용하였으며 상부 배출구는 100mm PVC관을 사용하였다. 사육조 하부의 경사도(B/A)는 침강성 고 형물을 제거하는데 매우 중요하며 일반적으로 소형, 원형 수조의 경우 15%이며 아주 깊은 사일로와 같은 수조에서는 30%의 경사 로가 필요하다 (김, 1996).
- 시스템에서 발생하는 암모니아의 양은 어류 사육밀도와 사료 공 급량에 의해 결정된다. 어류의 사육밀도를 5%(50kg fish/m3 rearing tank), 1일 사료 공급량을 어 체중의 1%(0.01 kg feed/kg fish) 라고 가정하면 본 연구에서 설계한 2.5m, 의 수조에 공급되는 사 료의 양은 일간 1.25 kg이다.
- 475 &이다. 원판은 직경 68 cm의 corrugated skylight plate 100장을 사용하였으며 표면적은 72.6 m2 이었다. 원판의 회전은 유입수를 원판 상부에서 살수하여 순환수가 낙하하는 수력에 의해 회전하도록 하여 별도의 구동장치가 필 요 없도록 하였다.
- Pilot plant의 운전은 매일 오전 9: 00시에 첫사료를 공급하고 침 전조 및 플라스틱 bead filter를 청소하여 어류사육을 통하여 발생한 고형물질을 제거하고 보충수를 공급하여 시스템의 수위를 유지시켰다. 이러한 시스템 점검을 마친 후 약 1시간 경과 후 수질 분석에 필요한 시료를 채취하였다. 보충수는 사육조 체적의 약 10% 에 해당하는 0.
이론/모형
- 100pm 이상의 고형물을 제거하기 위한 침전조의 단면적은 다 음의 Stoke's 식 (McCabe, "993)을 이용하여 구하였다.
성능/효과
- Lomax (1976)는 생물 여과기에 침강 탱크, 포말 분리 장치 또는 기계식 여과기를 각각 조합하여 사용한 어류 양식 시스템을 비교한 결과, 비용이나 효율성의 측면에서 볼 때 포말 분리법을 함께 사용한 생물 여과기가 최적의 설계 조합이었다고 하였으며, Dwi- vedy (1975)는 포말 선별법에 의해 굴양식장 폐수에서 부유성 유 기물과 용존성 유기물을 제거할 수 있었다고 하였다. 또한 포말 분리법에 의해 유기산이 제거되게 됨에 따라 양식장수의 pH를 일정하게 유지하는데 도움이 되었으며, 물 속의 박테리아도 제거 할 수 있음을 확인하였다.
- 암모니아성 질소의 평균 농도는 0.348g/n?로서 매우 낮게 나타났으며 화학적 산소 요구량과 총 부유물질의 농도는 유입수와 거의 유사하게 나타났으며 용존산소의 평균 농도는 4.31 g/m5 정도를 유지하여 본 연구에서 설계한 시스템이 매우 효율적임을 알 수 있었다.
- 본 시스템에 평균 어체중 392.8 g의 나일 틸라피아 173마리를 수용하여 일간 보충수를 사육조 용적의 10%를 사용하여 14일간 어류사육을 실시한 걸과 사육조의 수질을 보충수와 거의 동일한 수질로 유지할 수 있었으며 사료계수 1.4, 일간 성장률 0.64를 얻을 수 있었다.
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