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문제 정의
- 본 연구에서는 package 형태로 설계하고 제작된 pilot scale 순환여과식 양식 시스템의 개시운전시 발생하는 현상을 고찰하고 순환수 처리장치의 안정화에 소요되는 시간을 측정하고자 하였다. 이를 위해 시스템에 틸라피아를 2%의 사육밀도로 수용하여 사육조의 각종 수질인자의 변화를 측정하고 회전원판 반응기, floating bead filter, 포말분리기 등의 순환수 처리효율을 점검하 고자 하였다.
- 또한 수요가 증가할수록 생산단가가 낮 아져서 매우 경제적으로 발전할 수 있다. 이에 본 연구자는 우리나라의 실정에 적합하고 실용적인 순환여과식 양식 시스템을 package 형태로 개발하기 위하여 2.5n? 규모의 double drain 형태의 사육조와 침강성 고형물질을 제거하기 위한 침전조, 부유성 고형 물의 제거를 위한 floating bead filter, 용존고형물을 제거하기 위한 포말 분리기와 암모니아성 질소를 제거하기 위한 회전 원판 반응 기를 조합한 순환여과식 양식 시스템을 설계하고 제작하였다 (Suh et al., 2001).
제안 방법
- Pilot plant의 운전은 매일 오전 9:00시에 첫 사료를 공급하고 침전조 및 플라스틱 bead filter를 청소하여 어류사육을 통하여 발생한 고형물질을 시스템 외부로 제거하고 보충수를 공급하여 시스템의 수위를 유지시켰다. 시스템 점검을 마친 후 약 1시간 경과 후 수질 분석에 필요한 시료를 채취하였다.
- 이에 본 연구자는 우리나라의 실정에 적합하고 실용적인 순환여과식 양식 시스템을 package 형태로 개발하기 위하여 2.5n? 규모의 double drain 형태의 사육조와 침강성 고형물질을 제거하기 위한 침전조, 부유성 고형 물의 제거를 위한 floating bead filter, 용존고형물을 제거하기 위한 포말 분리기와 암모니아성 질소를 제거하기 위한 회전 원판 반응 기를 조합한 순환여과식 양식 시스템을 설계하고 제작하였다 (Suh et al., 2001).
- 본 연구에서 개발된 순환여과식 양식 시스템의 점검과 질산화 반응기인 회전 원판 반응기 (rotating biological contactor)의 원 판에 질산화 미생물의 부착을 위하여 사육밀도를 설게 조건인 50kg fish/m3 rearing water의 40% 인 ZOkg/nf의 밀도로 어류를 입식하여 2일간의 어류 안정화 후 총 14일간 사료를 공급하면서 시스템 내의 질소성분의 농도 변화와 질산화 반응기의 성능 변화를 고찰 하였다.
- 본 연구에서 사용한 순환여과식 양식 시스템은 전보 (Suh et al., 2001)에서 개발한 것으로 double drain 형태인 2.5m3 규모의 사 육조, 0.25m3 규모의 저류조와 동일한 규모의 침강성 고형물을 제거하기 위한 침전조, 부유 고형 물을 제거하기 위한 floating bead filter, 암모니아 산화를 위한 0.45m3 규모의 회전원판반응기, 용존 및 미세 고형물을 제거하기 위한 포말 분리기로 구성되었다. 시스템의 상부에는 태양광에 의한 수온의 급격한 변화와 조류의 번식 등을 방지하기 위해 차양막을 설치하였다.
- ), 화학적 산소요구량 (chemical oxygen demand, COD)은 개 방 환류법 (open reflux method), 총부유물질 (total suspended solid, TSS)은 진공 여과법, 총 알칼리도 (total alkalinity, TA)는 적정법에 의해 수행하였다. 수소이온농도 (pH)와 용존산소 (dissolved oxygen, DO) 는 pH meter(720A, Orion Research Co.) 와 DO meter(YSI-55, Yellow Springs Instrument)를 이용하여 분석하였다. 총 무기 질소 (total inorganic nitrogen)의 농도는 암모니 아성 질소, 아질산성 질소, 질산성 질소의 합으로 구하였다.
- 28cm/sec의 공탑공기 속도를 유지하였다. 실험어에 공급한 사료는 침강성 사료로 성상은 Table 2와 같으 며 사료공급은 초기 사육밀도를 기준으로 총 어체중의 1%에 해당하는 500g의 사료를 1일 3회에 나누어 손으로 던져 공급하였다. 어류가 사료를 섭취하지 않을 경우 사료 공급을 중지하였다.
- 본 연구에서는 package 형태로 설계하고 제작된 pilot scale 순환여과식 양식 시스템의 개시운전시 발생하는 현상을 고찰하고 순환수 처리장치의 안정화에 소요되는 시간을 측정하고자 하였다. 이를 위해 시스템에 틸라피아를 2%의 사육밀도로 수용하여 사육조의 각종 수질인자의 변화를 측정하고 회전원판 반응기, floating bead filter, 포말분리기 등의 순환수 처리효율을 점검하 고자 하였다.
- ) 와 DO meter(YSI-55, Yellow Springs Instrument)를 이용하여 분석하였다. 총 무기 질소 (total inorganic nitrogen)의 농도는 암모니 아성 질소, 아질산성 질소, 질산성 질소의 합으로 구하였다.
대상 데이터
- 본 연구를 위해 수용한 실험어는 수질에 대한 내성이 뛰어난 열대성 담수어종인 틸라피아 중 국내 내수면의 주요 양식 대상 종인 나일 틸라피아 (Oreochroinis m7oticus)로 부경대학교 양어 장에서 사육중인 것을 사용하였다. 사육 밀도는 사육조 기준 2% 로서 평균 어체중 393 g의 어류를 127마리, 총 49, 890g 수용하였다.
- 본 연구를 위해 수용한 실험어는 수질에 대한 내성이 뛰어난 열대성 담수어종인 틸라피아 중 국내 내수면의 주요 양식 대상 종인 나일 틸라피아 (Oreochroinis m7oticus)로 부경대학교 양어 장에서 사육중인 것을 사용하였다. 사육 밀도는 사육조 기준 2% 로서 평균 어체중 393 g의 어류를 127마리, 총 49, 890g 수용하였다. 어류 수용후 2일간은 어류의 사육시설 내 적응을 위하여 사료를 공급하지 않았으며 3일째부터 사료를 공급하였다.
- Pilot plant의 운전은 매일 오전 9:00시에 첫 사료를 공급하고 침전조 및 플라스틱 bead filter를 청소하여 어류사육을 통하여 발생한 고형물질을 시스템 외부로 제거하고 보충수를 공급하여 시스템의 수위를 유지시켰다. 시스템 점검을 마친 후 약 1시간 경과 후 수질 분석에 필요한 시료를 채취하였다. 보충수의 양은 사육조 의 약 10% 에 해당하는 0.
이론/모형
- 시스템의 수질을 측정하기 위한 시료채취는 시스템 점검을 마친 후 약 1시간이 경과한 뒤 수행하였다. 각 수질항목은 standard method (APHA, 1989)에 따라 암모니아성 질소 (total ammonia nitrogen, TAN)는 선택성 이온 전극법(9512-BN, Orion Co.), 아 질산성 질소 (nitrite nitrogen, NOf-N)와 질산성 질소 (nitrate nitrogen, N0LN)는 이온 크래마토그래피법(DXT20, Dionex Co.), 화학적 산소요구량 (chemical oxygen demand, COD)은 개 방 환류법 (open reflux method), 총부유물질 (total suspended solid, TSS)은 진공 여과법, 총 알칼리도 (total alkalinity, TA)는 적정법에 의해 수행하였다. 수소이온농도 (pH)와 용존산소 (dissolved oxygen, DO) 는 pH meter(720A, Orion Research Co.
성능/효과
- 7일까지의 질산성 질소 농도는 보충 수로 사용한 부경대학교 부속 양어장의 순환수에 함유되어 있던 질산성 질소의 농도와 같은 농도를 보이는 것으로 시스템 내의 질산성 질소의 발생은 없었던 것으로 사료된다. 7일이 경과한 후 질산성 질소의 농도가 증가하였으며 아질산성 질소의 농도가 감소하는 경향을 나타내어 시스템이 정상상태로 작동되었다.
- 5는 암모니아성 질소를 제거하기 위한 회전 원판 반응기와 floating bead filter의 사육기간 중의 총 암모니아성 질소의 제거 율을 도시한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 회전 원판 반응기는 사료 투입 후 2일, floating bead filter는 4일째부터 암모니아 제거 율이 나타나기 시작하여 사육기간이 길어짐에 따라제거율이 증 가하였으며 전체적으로 회전 원판 반응기의 암모니아 제거율이 더 높았다. 암모니아성 질소의 제거율이 회전 원판 반응기에서 먼저 나타나는 것은 회전 원판 반응기의 원판 회전에 의해 발생하는 전단응력이 floating bead filter 내부의 bead 표면에 미치는 전단 응력에 비해 더 작아 질산화 미생물의 부착이 더 빨리 이루어졌기 때문으로 생각된다.
- 유기물의 농도를 예측할 수 있는 CODc, 의 농도는 사료가 공급 되면서부터 급격히 증가하여 3일째의 경우 65g/nP의 최고 농도를 나타내었으나 이후 점차 감소하여 20g/m5 이하의 농도를 나타내었다. 본 시스템에서 유기물의 제거는 회전 원판 반응기에 질산화 미생물 뿐 아니라 타가 영양체 미생물이 일부 부착성장되어 이들 미생물에 의해 이루어지는 것으로 사료되며 고형물의 제거가 신 속하게 이루어져 고형물로부터 용출되는 유기물의 양이 극히 적어 순환수 내의 유기물 제어는 용이할 것으로 사료된다.
- (Albaster and Lloyd, 1982). 본 시스템에서 총 부유 고형물은 침전조와 floating bead filter에 의해 제거되는데 어류 사육 초기부터 정상적인 고형물 제거가 수 행되어 어류 사육 기간 전반에 걸쳐 4~12g/m3의 총 부유 고형물 농도 범위를 나타내었다. 이는 보충수의 총 부유 고형물 농도가 7g/n?임을 감안하면 시스템에서 발생되는 고형물은 거의 모두 다 제거되는 것으로 본 시스템에서 채택한 침전조 및 floating bead filter의 고형물 여과 능력이 본 시스템에 적정한 것으로 사료된다.
- Floating bead filtei.의 암모니아 제거율은 회전 원판반응기에 비해 작은 것으로 나타났으나 고형물을 효율적으로 수행함과 동시에 얻어지는 효율이며 또한 floating bead filter의 용적이 50L 정도로 매우 작은 것을 감안하면 양어장 순환수 처리 장치로 매우 효율적이라고 사료된다.
- 부유 고형물과 CODc, 의 농축비는 대부분 5~15 정도의 값을 나타내었으며 30 정도의 매우 높은 농축비를 보이기도 하였다. 이 것으로 보아 포말 분리기의 포말 유출액은 사육조 내의 부유 고 형물과 용존 유기물의 농축, 제거에 뛰어난 효과를 보이는 것으로 생각되었다.
- 아질산성 질소는 사료 공급 후 3일까지는 서서히 증가 하였으나 3일 이후 7일까지는 급격히 증가하여 최고 23g/m3의 농도를 나타내었다. 질산성 질소의 농도는 사료 투입 후 7일까지는 5g/cm3 정도의 농도를 유지하다가 7일이 경과한 후부터 조금씩 증가하는 경향을 나타내었다. 7일까지의 질산성 질소 농도는 보충 수로 사용한 부경대학교 부속 양어장의 순환수에 함유되어 있던 질산성 질소의 농도와 같은 농도를 보이는 것으로 시스템 내의 질산성 질소의 발생은 없었던 것으로 사료된다.
- 1에 나타내었다. 총 암모니 아성 질소의 농도는 사료 공급이 시작됨과 동시에 증가하기 시작 하여 3일이 경과한 후에는 13.6g/m, 까지 증가하였으며 4일이 경 과하면서부터 감소하여 7일 부터는 0.3g/m3의 안정된 농도를 유 지하였다. 아질산성 질소는 사료 공급 후 3일까지는 서서히 증가 하였으나 3일 이후 7일까지는 급격히 증가하여 최고 23g/m3의 농도를 나타내었다.
후속연구
- 본 실험 기간 중 포말 유출액의 양이 작았던 것은 순환수 내에 계면 활성을 유도하는 물질인 단백질 성분 (Suh and Lee, 1995)의 농도가 낮기 때문으로 본 연구의 경우 사육밀도가 낮아 공급 사 료량이 작아 순환수 중에 용존되어 있는 단백질의 농도가 낮아 포말 생성량이 작았던 것으로 사료되며 어류를 고밀도로 사육할 경우 용존되는 단백질의 농도가 높아지게 되므로 순환수 처리에 더 큰 기여를 하게 될 것으로 생각된다.
- 실험 기간 중에 나타난 pH의 변화는 어류 사육에 큰 영향을 나타내지 않은 것으로 판단되었으나 회전 원판 반응기의 질산화가 정상화 될 때의 총 알카리도는 20 g/m3 이하로 보다 높은 밀도로 어류를 사육할 경우 별도의 알칼리도 주입이 필요할 것으로 사료된다
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