[논문]고분자 응집제를 이용한 반순환여과양식시스템의 배출수 내 고형물 응집 효율 및 입도 분포

서준혁; 운성천; 김지수; 박정환

doi:10.5657/kfas.2022.0010

고분자 응집제를 이용한 반순환여과양식시스템의 배출수 내 고형물 응집 효율 및 입도 분포
Flocculation Efficiency and Particle Distribution of Total Suspended Solids in the Effluent from Semi-recirculating Aquaculture Systems Treated with Polymers 원문보기

한국수산과학회지 = Korean journal of fisheries and aquatic sciences, v.55 no.1, 2022년, pp.10 - 16

서준혁 (부경대학교 수산생물학과) , 운성천 (부경대학교 수산생물학과) , 김지수 (부경대학교 수산생물학과) , 박정환 (부경대학교 수산생물학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Interest in effluent treatment is currently increasing and the use of polymetric coagulants is considered as a pretreatment of physical filtration prior to effluent discharge to increase solids recovery. A jar test evaluated effluent treatment efficiency of polymeric coagulants for semi-recirculating aquaculture systems. The particle coagulation efficiency and distribution were evaluated at different polymer dosages in freshwater and seawater effluents. The polymer was added at 0.005-0.08 mL/g of total suspended solids (TSS) in the effluents. TSS in the supernatant after coagulation decreased with increasing polymer dose in the freshwater, while showing no corresponding changes with dose in the seawater. However, in all treatments for both effluents, the removal efficiency was above 90%, regardless of the dose in the tested range. Both the De Brouckere Mean Diameter (DBMD) and volumetric median diameter (VMD) were all above 100 ㎛ in the freshwater effluent. In the seawater effluent, the particle size appeared to be larger than that in freshwater, ranging from 400-1,000 ㎛ for both DBMD and VMD. Considering that the typical pore size of physical filtration in aquaculture is between 60 and 200 ㎛, the use of polymers is expected to improve the practicality of physical filtration for efficient treatment.

주제어

표/그림 (7)

표 Table 1. pH, total ammonia nitrogen (TAN), nitrite nitrogen (NO₂^--N), nitrate nitrogen (NO₃^--N), turbidity of sampled effluents from semi-recirculating aquaculture systems (Mean±SE)
그림 Fig. 2. Changes of total suspended solids concentrations in the effluents from the freshwater semi-recirculating aquaculture system with different polymer dosing rates (Mean±SE).
그림 Fig. 1. The schematic diagram of the optimal polymer treatment rate evaluation test.
그림 Fig. 3. Changes of total suspended solids concentrations in the effluents from the seawater semi-recirculating aquaculture system with different polymer dosing rates (Mean±SE).
표 Table 2. Flocculation efficiencies (%) of total suspended solids in the effluents from semi-recirculating aquaculture systems with different dosing rates of polymers (Mean±SE)
표 Table 3. De Brouckere mean diameter (DBMD) and volume media diameter (VMD) in the effluents from freshwater semi-recirculating aquaculture systems with different dosing rates of polymers (Mean±SE)
표 Table 4. De Brouckere mean diameter (DBMD) and volume media diameter (VMD) in the effluents from seawater semi-recirculating aquaculture systems with different dosing rates of polymers (Mean±SE)

AI 본문요약
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문제 정의

양식산업에 있어서 이러한 배출수 처리 및 폴리머 응집제의 적정 이용량에 대한 자료가 부족한 실정이다. 본 연구에서는 양식장 배출수 내 고형물을 저감하고 친환경 양식을 수행하기 위한 기초 자료로서 현행 담수 및 해수 양식장 배출수에 대한 합성 폴리머 응집제의 투입량에 따른 고형물 응집 효율과 응집 후 고형물의 분포 특성을 평가하였다.
순환여과양식시스템의 최종 배출수 처리를 위해서 물리적 여과기를 이용할 경우, 물리적 여과기의 망목 또는 공극은 일반적으로 약 100 µm 이상 되는 고형물 입자를 제거하는 것을 목표로 한다

제안 방법

농축 시료는 담수 및 해수 양식 시스템에서 채수한 시료 내의 고형물 입자에 대한 영향을 최소화하기 위해 중력에 의한 침전법으로만 침전시킨 후 아래 침전물만을 채취하여 제조하였으며, 제조된 농축 시료는 4°C에서 냉장 보관하였다
두 시스템의 내부 순환율은 모두 일간 약 18-24회전이었으며, 일간 새물의 교환율은 전체 시스템 수량 대비 약 1회전으로 운영되었다. 따라서 전체 시스템 수량 대비 약 1회전에 해당되는 배출수가 연속적으로 방출되고 있었으며, 각각의 배출수를 채수하여 실험에 필요한 농축 시료을 제조하였다. 농축 시료는 담수 및 해수 양식 시스템에서 채수한 시료 내의 고형물 입자에 대한 영향을 최소화하기 위해 중력에 의한 침전법으로만 침전시킨 후 아래 침전물만을 채취하여 제조하였으며, 제조된 농축 시료는 4°C에서 냉장 보관하였다.
본연구에서는 담수와 해수에서 합성 폴리머 응집제의 처리 농도별 고형물 응집 효율과 입자 분포 특성을 평가하기 위해, 담수 및 해수에서 운영되고 있는 양식 시스템의 배출수를 이용하였다. 담수 양식장의 경우, 반순환여과식으로 운영되는 경상북도 상주 소재 무지개송어 양식장(전체 수량, 약 3, 300톤)의 최종배출수를 이용하였다.
각각의 배출수를 250 mL 삼각플라스크에 분주하였고, 이 때 앞서 논한 바와 같이 미리 제조하여 냉장보관한 농축 시료와 3 차 증류수를 이용하여 각 삼각플라스크 내 TSS의 양이 1 g이 되도록 조정하였다. 이 1 g의 TSS를 포함한 250 mL의 시료에 담수용 및 해수용 폴리머 응집제를 각각 0.005, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08 mL씩 혼합하였다. 이 때 실험 구의 설정은 폴리머 제조 업체에서 제시하고 있는 정보를 기준으로 설정하였고(SNF Korea), 모든 실험은 3회 반복실험으로 실시되었다.

대상 데이터

폴리머 응집제는 무지개송어 양식장에서 발생한 배출수를 대상으로 하는 담수용 폴리머 응집제의 경우에는 에멀젼형 고분자 응집제(FLOPAM C-840TBD; SNF Ko- rea, Seoul, Korea)를 사용하였다. 넙치 양식장의 배출수를 대상으로 하는 해수용 폴리머 응집제는 에멀젼형 고분자 응집제(ZetagTM 9186FS; Solenis, Wilmington, DE, USA)를 사용하였다.
본연구에서는 담수와 해수에서 합성 폴리머 응집제의 처리 농도별 고형물 응집 효율과 입자 분포 특성을 평가하기 위해, 담수 및 해수에서 운영되고 있는 양식 시스템의 배출수를 이용하였다. 담수 양식장의 경우, 반순환여과식으로 운영되는 경상북도 상주 소재 무지개송어 양식장(전체 수량, 약 3, 300톤)의 최종배출수를 이용하였다. 해수의 경우에는 경상남도 고성군 소재 부경대학교 수산과학기술센터에서 운전하고 있는 파일럿 규모의 넙치 반순환여과양식시스템(전체 수량, 약 25톤)에서 배출되는 최종 배출수를 실험에 이용하였다.
본 실험에서는 배출수 내 고형물의 응집을 위해 액상형의 양이온 합성 폴리머 응집제를 이용하였으며, 해수와 담수 특성에 따라 상이한 폴리머가 이용됨에 따라 각 시료에 적합한 제품을 선정하였다. 폴리머 응집제는 무지개송어 양식장에서 발생한 배출수를 대상으로 하는 담수용 폴리머 응집제의 경우에는 에멀젼형 고분자 응집제(FLOPAM C-840TBD; SNF Ko- rea, Seoul, Korea)를 사용하였다.
본 실험에서는 배출수 내 고형물의 응집을 위해 액상형의 양이온 합성 폴리머 응집제를 이용하였으며, 해수와 담수 특성에 따라 상이한 폴리머가 이용됨에 따라 각 시료에 적합한 제품을 선정하였다. 폴리머 응집제는 무지개송어 양식장에서 발생한 배출수를 대상으로 하는 담수용 폴리머 응집제의 경우에는 에멀젼형 고분자 응집제(FLOPAM C-840TBD; SNF Ko- rea, Seoul, Korea)를 사용하였다. 넙치 양식장의 배출수를 대상으로 하는 해수용 폴리머 응집제는 에멀젼형 고분자 응집제(ZetagTM 9186FS; Solenis, Wilmington, DE, USA)를 사용하였다.
담수 양식장의 경우, 반순환여과식으로 운영되는 경상북도 상주 소재 무지개송어 양식장(전체 수량, 약 3, 300톤)의 최종배출수를 이용하였다. 해수의 경우에는 경상남도 고성군 소재 부경대학교 수산과학기술센터에서 운전하고 있는 파일럿 규모의 넙치 반순환여과양식시스템(전체 수량, 약 25톤)에서 배출되는 최종 배출수를 실험에 이용하였다. 두 시스템의 내부 순환율은 모두 일간 약 18-24회전이었으며, 일간 새물의 교환율은 전체 시스템 수량 대비 약 1회전으로 운영되었다.

데이터처리

통계 처리는 SPSS 27 통계프로그램을 이용하여 실시하였다. One way ANOVA test를 실시하여 통하여 결과값들 간의 유의성 분석을 실시하였다. 이 때, 등분산성 검정을 위해 Levene 검정을 실시했다.
등분산일 경우에는 Tukey’s HSD test로, 등 분산이 아닐 경우에는 Games-Howell’s multiple range test로 결과값의 평균값 간의 유의성을 검정하였다.
One way ANOVA test를 실시하여 통하여 결과값들 간의 유의성 분석을 실시하였다. 이 때, 등분산성 검정을 위해 Levene 검정을 실시했다. 등분산일 경우에는 Tukey’s HSD test로, 등 분산이 아닐 경우에는 Games-Howell’s multiple range test로 결과값의 평균값 간의 유의성을 검정하였다.

이론/모형

이 때 각각의 농축 시료는 ‘해양환경공정시험기준’ 에 따라 총 부유고형물(total suspended solids, TSS)를 측정하였다

성능/효과

앞서 논한 바와 같이 일반적으로 양식장 배출수 처리 공정에 이용되는 Geotextile bag filter의 공극은 100 µm 전후이다. 따라서 배출수 처리 공정에 Geotextile bag filter를 사용할 경우, 담수용 폴리머 응집제는 약 0.01 mL/g TSS의 폴리머 응집제 주입량에서도 60% 이상의 높은 응집 효율을 보이며 응집 고형물의 크기 역시 공정에 충분히 적용할 수 있을 것으로 사료된다. 해수 시료의 경우에는 가장 폴리머 응집제 주입량이 적었던 0.
실험에서 담수 시료의 경우에는 폴리머 응집제 주입량이 많아지면서 고형물 응집 효율이 개선되는 경향을 보였지만 그 차이는 극히 미미한 수준이었다. 입도분석 결과, DBMD 항목에 대해서는 모든 실험구의 평균 직경이 100 µm를 초과하는 것으로 나타났다.
입도분석 결과, DBMD 항목에 대해서는 모든 실험구의 평균 직경이 100 µm를 초과하는 것으로 나타났다
입도분석 결과에서는 DBMD 항목에서는 입자들의 평균 직경이 약 500-1, 000 µm의 범위로 상대적으로 크게 나타났다
005 mL/g TSS의 폴리머 응집제 주입량에서도 실험구 내 반복구 중 평균 입자의 직경이 100 µm를 초과하는 경우가 발생하였다. 해수 시료의 경우, 0.08 mL/g TSS의 폴리머 응집제 처리구간에서 고형물 응집 효율이 가장 높게 나타났지만, 전체 실험구에서 60% 이상의 높은 응집 효율을 보였으며 유의미한 차이가 나타나지 않았다. 입도분석 결과에서는 DBMD 항목에서는 입자들의 평균 직경이 약 500-1, 000 µm의 범위로 상대적으로 크게 나타났다.
해수 시료의 경우에는 가장 폴리머 응집제 주입량이 적었던 0.005 mL/g TSS의 폴리머 응집제 주입량에서도 입도분석 항목 전체에 대해 평균 입자 직경이 약 400 µm를 초과한 것으로 나타났다
005 mL/g TSS의 폴리머 응집제 주입량에서도 입도분석 항목 전체에 대해 평균 입자 직경이 약 400 µm를 초과한 것으로 나타났다. 해수용 폴리머 응집제의 경우에는 0.005 mL/g TSS의 폴리머 응집제 주입량으로도 충분히 Geotextile bag filter를 이용한 배출수 처리 공정에 적용이 가능하며 70% 이상의 높은 응집 효율을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 일반적으로 공극의 크기가 60-200 µm인 망을 사용하는 드럼스크린필터와 벨트필터의 경우에도 0.

후속연구

폴리머 응집제를 이용함으로써 최종 배출수의 물리적 여과 효율을 높일 수 있는 장점은 있으나, 최종 배출수 처리 공정의 경제적인 적용 방안을 마련하는 것이 중요하다. 따라서 물리적 여과기에서 제거하고자 하는 고형물의 목표 크기와 목표 크기로 고형물을 응집할 수 있는 적정 폴리머 응집제의 이용 기준을 마련하는 것이 필요하다. 순환여과양식시스템의 최종 배출수 처리를 위해서 물리적 여과기를 이용할 경우, 물리적 여과기의 망목 또는 공극은 일반적으로 약 100 µm 이상 되는 고형물 입자를 제거하는 것을 목표로 한다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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