KR102051259B1 - 내염성 호기성 그래뉼 슬러지 기반 친환경 탈질조 - Google Patents

내염성 호기성 그래뉼 슬러지 기반 친환경 탈질조 Download PDF

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Abstract

양식어장의 양식수 무배출 순환 사용을 위한 친환경 집적형 순환여과용 탈질조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 탈질조에 주입하여 양식과정에 발생하는 질산성 질소를 효율적으로 처리하는 장치에 관한 것이다.

Description

내염성 호기성 그래뉼 슬러지 기반 친환경 탈질조 {An eco-friendly denitration device based on salinity tolerant aerobic granular sludge}
본 발명은 양식어장의 양식수 무배출 순환 사용을 위한 친환경 집적형 순환여과용 탈질조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 탈질조에 주입하여 양식과정에 발생하는 질산성 질소를 효율적으로 처리하는 장치에 관한 것이다.
축제식 양식어장은 대부분 양식수 환수(바다로부터 새로운 양식수를 지속적으로 공급받고, 양어장 내 양식수를 다시 바다로 배출)에 의존하여 수질을 관리하는 형태로, 양식기간이 경과함에 따라 양식어장 내 사료 찌꺼기, 적조 및 양식어가 배출하는 노폐물 등이 축척되고 이로 인해 양식수 내 유기물 및 암모니아성 질소가 발생한다. 이러한 열악한 환경에서 양식되는 양식어는 질병에 매우 취약하여 대량폐사로 이어진다. 축제식 양식어장에서는 양식어의 대량폐사를 방지하기 위해 항생제, 살생제, 수질개선제 등 약품을 과다하게 투입하여 양식어 체내에 인체에 유해한 물질이 농축될 가능성이 높다. 또한 축제식 양식어장은 환수를 하는 과정에서 양식수 내 유기물 및 암모니아성 질소가 인근 해안으로 배출되어 부영양화, 적조, 지하수 오염 등 많은 환경오염을 유발시키고 있다.
축제식 양식어장은 지리적 여건 등에 의해 수면적 확보가 어렵고, 태풍, 적조 등의 자연재해에 취약하기 때문에 적은 면적에서 대량의 양식어를 생산할 수 있는 고밀도 육상양식법이 개발되었다. 육상 양식장은 인위적인 수온조절이 가능하고 연중 성장 및 생산이 가능하다. 하지만 축제식 양식어장과 마찬가지로 육상양식어장에서도 환수에 의존하여 수질을 관리하기 때문에 주변 바다를 황폐화시키고 있다. 또한 육상양식어장의 투자 대비 수익성을 확보하기 위해 양식어를 고밀도로 양식하면서 항생제, 수질개선제, 각종 약품 등을 사용하는데 이는 양식어류 체내에 축적되어 사람이 섭취할 때 인체에 위해성을 줄 수 있다.
상기 문제점으로 인해 현재까지 크게 두 가지 기술이 개발되어 알려져 있다.
첫 번째, 순환여과식 양식 시스템(RAS, Recirculating Aquaculture System)으로, 양식수의 재순환을 위해 양식어장 후단에 다양한 물리화학적 수처리 공정을 적용하여 안정적인 수질환경을 유지하는 양식방법이다. 순환 여과식 양식시스템은 물리화학적인 방법(고분자 응집제를 이용한 응집, 침전 처리, 값비싼 필터 등)으로 양식수 내 사료 찌꺼기, 적조 및 양식어가 배출하는 노폐물과 같은 고형물을 제거할 수 있지만, 이를 신속하게 제거하지 못하면 암모니아성 질소가 발생한다. 암모니아성 질소는 물리화학적인 방법으로 처리하기 매우 어려우며, 암모니아성 질소의 생물독성으로 인해 양식어 생장속도 저하 및 폐사를 초래할 수 있다. 또한 순환여과식 양식시스템은 양식수조 이외에 후단 설비가 복잡하고 운영이 어려우며 설비가격이 상당히 높아서 영세한 양식어장에 적용하기 불가능하다.
두 번째, 바이오플락 기술(Bio-floc technology)로, 타가영양 미생물(유기탄소와 암모니아를 에너지원으로 세균단백질을 합성하는 미생물)을 활성화해 양식어와 함께 공존시키면서 양식수 내의 오염물질을 처리하여 정화시키고, 증식된 미생물은 다시 양식어의 단백질 먹이가 되어, 양식수 교환 및 수처리 등의 여과 과정이 필요 없는 양식방법이다. 그러나 현재의 바이오플락 기술을 적용된 양식수 처리시스템에서는 타가영양 미생물에 의해 유기물 및 암모니아성 질소가 미생물 합성에 의해서 제거되기 때문에 암모니아성 질소 처리속도가 매우 느리고, 일부 부분질산화반응으로 인해 아질산성 질소가 발생한다. 아질산성 질소는 암모니아성 질소보다 더욱 높은 생물독성을 나타내어 양식어 폐사를 초래한다.
따라서, 상기 기재된 종래 기술의 문제점들을 보완하고 양식수 무배출 순환 사용을 위한 친환경 집적형 순환여과 시스템을 활용하기 위하여 본 발명의 순환여과 시스템용 탈질조가 제안되었다.
본 발명은 기존 축제식 양식, 육상양식, 바이오플락 기술 및 순환여과식 양식 시스템의 문제점을 해결하기 위해 내염성 호기성 그래뉼 슬러지 기반 친환경 집적형 순환여과용 탈질조를 고안하였다.
상기와 같은 탈질조를 활용하여 탈질 효율을 높여서, 양식어의 폐사율을 줄이고, 최종적으로 배출되는 양식수로 인한 환경오염을 최소화 하고자 한다.
상기 과제의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 양식수 여과 시스템에 사용되는 친환경 집적형 탈질조를 제공한다. 상기 탈질조는, 최종전자수용체로 질산성 질소를 활용하여 탈질반응을 수행하는 내염성 호기성 그래뉼 슬러지; 및 상기 내염성 호기성 그래뉼 슬러지가 고르게 분포되도록 교반시키는 교반기를 포함하되, 상기 탈질조의 운전 조건은 탈질조 내부로 유입되는 양식수의 질산성 질소 농도가 20 내지 150mg/L 일 때, 시간당 80 내지 95%의 제거효율을 가진다.
본 발명의 일 실시 태양으로, 상기 탈질조는 탈질반응에 사용될 외부탄소원을 공급하는, 외부탄소원 탱크를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 탈질조를 제공한다.
본 발명의 다른 일 실시 태양으로, 상기 내염성 호기성 그래뉼 슬러지는 할로모나스(Halomonas), 니트로소모나스(Nitrosomonas), 니트로코커스(Nitrococcus), 트루에페라(Trueper) 로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 미생물을 포함하는 복합 미생물 제제인 것을 특징으로 하는 친환경 탈질조를 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 실시 태양으로, 상기 내염성 호기성 그래뉼 슬러지는 염도 10 내지 40‰ 에서 생장가능한 것을 특징으로 하는 친환경 탈질조를 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 실시 태양으로, 상기 교반기는 10 내지 200rpm으로 작동되는 것을 특징으로 하는 친환경 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 실시 태양으로, 상기 탈질조 내부에 유입되는 양식수의 질산성 질소 농도 대비 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 농도를 10배 내지 15배만큼 충진시켜서 탈질반응을 진행하는 것을 특징으로 하는 친환경 탈질조를 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 실시 태양으로, 상기 탈질조 내부에 시간당 유입되는 양식수의 양을 Qd, 탈질조 전체의 부피를 Vd라 할 때, Qd : Vd는 0.8 : 1 내지 1.2 : 1 인 것을 특징으로 하는 친환경 탈질조를 제공한다.
본 발명의 다른 일 실시 태양으로, 상기 외부탄소원 탱크를 통해서 시간당 유입되는 외부탄소원의 양 (g/hr)은 상기 탈질조로 시간당 유입되는 질산성 질소의 양 (g/hr) 대비 2배 내지 3배인 것을 특징으로 하는 친환경 탈질조를 제공한다.
본 발명에 따르면 내염성 호기성 그래뉼 슬러지 기반 친환경 집적형 탈질조는 양식수의 탈질과정이 생물학적으로 이루어지기 때문에, 물리화학적 처리과정에서 사용되는 화학약품이 사용되지 않아서 환경오염을 최소화 할 수 있다. 또한, 탈질효율을 높일 수 있어서 탈질조의 크기를 줄일 수 있으므로 전체적인 설비를 설치하는 비용을 줄일 수 있으며 양식어의 폐사율을 낮출 수 있다
도 1은 전체적인 양식수 여과시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명 탈질조의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3는 양식수조 내의 양식시간에 따른 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 농도를 나타내는 도면이다.
도 4은 양식수조 내의 양식시간에 따른 DO 및 pH를 나타내는 도면이다.
도 5는 양식수조 내의 양식시간에 따른 질소 농도를 나타내는 도면이다.
도 6는 본 발명 탈질조로 유입 및 유출되는 양식수의 질산성 질소 농도를 나타내는 도면이다.
도 7은 비교예 탈질조로 유입 및 유출되는 양식수의 질산성 질소 농도를 나타내는 도면이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명은 내염성 호기성 그래뉼 슬러지 기반 친환경 집적형 순환여과용 탈질조(200)에 관한 발명으로서, 상기 탈질조(200)를 통해서, 친환경적으로 탈질반응을 진행하며 탈질효율을 향상시켜 경제성을 높일 수 있다.
본 발명의 탈질조(200)는 양식수조(100) 및 산소조(300)와 연결되어 양식수의 순환과정에 따른 여과공정 중 일부를 진행할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에서는 도 1에 기재된 것과 같은 양식수 여과시스템(10)을 이용하여 적절히 순환여과 공정을 진행함으로써 유기물 및 암모니아성 질소를 제거한다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명 양식수 여과시스템(10)는 양식수조 내 유기물 및 암모니아성 질소의 산화반응을 동시에 수행하는 양식수조(100), 상기 양식수조(100)에서 처리되어 유입된 양식수의 탈질반응을 수행하는 탈질조(200), 상기 탈질조(200)에서 처리되어 유입된 처리수의 용존산소 공급을 수행하는 산소조(300)를 포함하도록 구성된다.
또한, 상기 양식수 여과시스템(10)은 양식수 내에 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 충진시켜서 상기 내염성 호기성 그래뉼 슬러지가 양식수와 함께 순환되면서 산화반응 및 탈진반응을 통한 실질적인 여과반응이 진행될 수 있도록 구성된다.
구체적으로, 상기 양식수조(100)는 유기물 및 암모니아성 질소의 산화반응이 일어나는 장소로써, 바닷물이 유입될 수 있도록 유입구(110)가 마련되어 있다. 한편, 본 발명의 양식공정은 양식수조(100) 및 탈질조(200)를 통해 양식수에 영향을 끼칠 수 있는 오염물질들을 안정적으로 처리할 수 있는 바, 기존의 양식공정과 다르게 바닷물을 한번 채우면, 양식이 끝날 때까지 바닷물을 교환하지 않고도 양식을 진행할 수 있다. 따라서, 본 발명의 유입구(110)는 처음 바닷물이 유입될 때 개방되고, 공정이 진행되는 대부분의 시간동안 개방되지 않을 수 있다. 다만, 자연적인 양식수의 증발 등으로 전체적인 양식수의 양이 감소할 수 있는 바, 주 1회 정도 유입구(110)를 개방시켜 증발한 바닷물을 보충할 수 있다.
한편, 양식기간 동안 발생된 사료 찌꺼기 및 양식어가 배출하는 노폐물 등으로부터 생성된 유기물 및 암모니아성 질소는 양식어의 성장에 악영향을 줄 수 있는 바, 상기 유기물 및 암모니아성 질소를 생물독성 농도범위 아래로 유지하는 것이 중요하다.
본 발명에서는 상기 양식수조(100)에 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 충진시켜서 상기 유기물 및 암모니아성 질소의 산화를 진행할 수 있다.
상기 내염성 호기성 그래뉼 슬러지는 고가의 담체, 회전체 등의 생물막없이 생물학적, 물리적, 화학적 요인등에 의해서 활성 슬러지에 함유된 호기성 미생물들이 서로 자가고정화 현상을 나타내며 서로 뭉치면서 그래뉼화된 것으로, 니트로소모나스(Nitrosomonas), 니트로코커스(Nitrococcus), 할로모나스(Halomonas), 로도할로박터(rhodohalobacter), 파라로도박터(Pararhodobacter), 마리노스피릴럼(Marinospirillum), 트루에페라(Trueper), 펠라기박테리엄(Pelagibacterium), 등과 같은 호기성 또는 통성 혐기성 미생물을 이용하여 제조될 수 있고, 특히 내염성을 만족시키기 위하여 할로모나스(Halomonas), 니트로소모나스(Nitrosomonas), 니트로코커스(Nitrococcus), 트루에페라(Trueper) 로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 미생물을 포함하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 할로모나스(Halomonas), 니트로소모나스(Nitrosomonas), 니트로코커스(Nitrococcus), 트루에페라(Trueper)를 모두 포함하도록 조성물을 구성하는 것이 가장 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 의하면 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 미생물 군집 비율은 할로모나스(Halomonas)가 약 35 내지 45%, 니트로소모나스(Nitrosomonas)가 약 15 내지 25% , 니트로코커스(Nitrococcus)가 약 10 내지 20%, 트루에페라(Trueper)가 약 5 내지 15%가 되도록 조절될 수 있다. 상기와 같은 함량으로 구성될 때, 양식수의 오염물질을 제거효율 및 내염성이 가장 우수하게 나타날 수 있다.
본 발명의 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 경우, 앞서 살펴본 바와 같이 내염성을 가지는 미생물군을 선별하고 배양조건을 조절하여 상기 미생물의 내염성을 향상시켰다. 또한, 상기 미생물들의 함량 범위를 적절히 조절하여, 내염성을 높이는 동시에 적절히 그래뉼화 되어 오염물질을 효율적으로 처리할 수 있도록 하였다.
상기와 같이 제조된 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 경우, 기존 특허 KR 10-2012-0089495 등에 기재되어 있는 하폐수 처리장치에 사용되는 호기성 그래뉼 슬러지가 염도 10‰ 이상에서 유기물 및 질소 처리 효율이 크게 감소하는 것과 달리 해수의 염도 조건에서도 높은 유기물 및 질소 처리 효율을 보인다.
구체적으로 기존의 호기성 그래뉼 슬러지에 비해 4.5배 내지 8배의 처리 효율을 보이는 바, 해수를 이용한 여과 순환장치에 사용하기에 적합하다.
상기 내염성 호기성 그래뉼 슬러지는, 유기물산화 및 암모니아성 질소 산화반응의 경우에 유산소조건에서 최종 전자수용체로 용존산소를 이용하여 산화반응을 진행하고, 탈질반응의 경우에는 무산소 조건하에 최종 전자수용체로 질산성 질소를 이용하여 탈질반응을 진행할 수 있다.
또한, 앞서 살펴본 바와 같이 본 발명의 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 경우, 바다물의 염분농도 조건에서 사료 찌꺼기 및 양식어가 배출하는 노폐물을 분해할 수 있도록 배양되어, 고염분 환경에서도 생존하여 여과공정을 진행할 수 있다.
구체적으로 상기 배양조건을 통해 얻어지는 본 발명의 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 경우, 염도 10 내지 40‰에서 생장할 수 있는 것이 종래기술과 차별화되는 특징이다.
만약 내염성 호기성 그래뉼 슬러지가 견딜 수 있는 염도가 10‰ 미만이라면, 유입되는 물의 염도를 10‰ 미만으로 조절해줘야 하는데 상기 범위의 염도조건에서는 상기 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 유기물 및 질소 처리효율이 감소하므로 바람직하지 않다. 반면, 40 ‰을 초과하는 염도에서도 생존하기 위한 배양조건을 갖추는 것은 매우 까다로운 공정을 요구하므로, 경제적인 측면에서 바람직하지 않다.
따라서, 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 상기 범위 내의 염도 조건을 가진 양식수 내에서 생장 가능하도록 배양하는 것이 바람직하며, 양식환경 최적화를 위해서는 20 내지 35‰의 염도 조건에서 생장 가능하도록 배양하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 평균직경은 0.1 ~ 0.5mm인 것이 바람직하다. 만약 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 평균 직경이 0.1mm 미만인 경우에는 후술할 산소조에서의 침전이 제대로 일어나지 않아서, 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 농도를 조절하기가 어렵다. 반면, 평균 직경이 0.5 mm를 초과하는 경우에는 내염성 호기성 그래뉼 슬러지가 양식수조에서 원활히 유동하지 못하고 양식수조 바닥에 침전되어서 유기물 및 질소 처리효율이 감소할 수 있으므로 바람직하지 않다.
한편, 본발명에서는, 내염성 호기성 그래뉼 슬러지가 지속적으로 순환되며, 상기 순환과정을 거치면서 자연적으로 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 농도가 증가하므로, 한번 충진시킨 이후에는 대부분의 경우, 별도로 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 충진시키지 않아도 된다. 다만, 간혹 양식어가 상기 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 다량 섭식하여 농도가 적절 범위 이하로 줄어들 수 있는 바, 양식수조에 충진되는 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 양은 양식수조 및 탈질조의 혼합액 부유고형물(MLSS)의 농도 (내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 농도와 동일)에 따라 조절시켜 충진시킬 수 있다. 바람직하게는 부유고형물(MLSS)의 농도가 500 ~ 1,000ppm이 되도록 충진시킬 수 있다.
내염성 호기성 그래뉼 슬러지가 충진된 양식수조의 혼합액 부유고형물(MLSS)의 농도가500ppm 미만인 경우에는 유기물제거 및 질산화가 이루어지지 않는 문제가 발생하고, 혼합액 부유고형물(MLSS)의 농도가 1,000ppm을 초과하는 경우에는 양식어의 아가미에 현탁물이 쌓여 호흡에 악영향을 미치게 되고, 투명도가 저하되어 먹이 섭취가 곤란할 수 있다.
한편, 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 농도가 지나치게 높아지는 것은 후술할 산소조(300)에서의 침전반응을 통하여 조절할 수 있다.
본 발명에서는 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 이미 그래뉼화된 상태로 양식수조(100)에 주입함에 따라 전체적인 여과장치 내에서 고농도의 호기성 미생물을 유지할 수 있어서 유기물충격부하에도 강한 저항성을 유지할 수 있다.
따라서, 부유슬러지 관리가 용이할 뿐만 아니라, 원활한 고액분리가 가능하여 후술할 산소조에서의 내염성 호기성 그래뉼 슬러지 농도 조절이 빠르게 이루어질 수 있다.
또한, 내염성 호기성 그래뉼 슬러지는 양식수조 및 탈질조에서 부유한 상태로 활성화시키므로 내염성 호기성 미생물의 균질성을 증가시켜 잔류하는 유기물을 빠르게 제거하는 동시에 질산화반응 및 탈질반응의 효율을 높일 수 있다.
상기 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 유기물 산화 반응 메커니즘은 하기의 반응식과 같이 일어난다.
C6H14O2N + 3.358O2 → 0.878C5H7O2N + 1.608CO2 + 0.122NH4 + + 3.622H2O + 0.122OH-
또한, 상기 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 암모니아성 질소의 완전 질산화 반응메커니즘은 하기의 반응식과 같이 일어난다.
22NH4 ++ 37O2 + 4CO2 + HCO3 -→ C5H7O2N + 21NO3 -+ 20H2O+ 42H+
상기와 같은 반응을 통해 본 발명의 양식수조 내의 양식수의 오염물질 농도를 생물 독성 농도 아래로 조절할 수 있다. 구체적으로, 상기 양식수의 유기물 농도는 50 내지 300ppm, 더욱 바람직하게는 100 ~ 200ppm, 암모니아성 질소의 농도를 0 ~ 1.0 ppm, 더욱 바람직하게는 0~0.6ppm 으로 조절될 수 있다.
상기 유기물의 농도가 300ppm을 초과할 경우, 양식수의 부영양화, 적조 현상 등이 발생할 수 있고, 오염도가 증가하여 양식어의 질병 발생가능성이 급증하게 된다.
또한, 상기 암모니아성 질소의 농도가 1.0ppm을 초과할 경우, 양식수의 부영양화, 적조 현상 등이 발생할 수 있고, pH와 수온에 따라 비이온화된 암모니아(NH3)의 농도가 증가하고, 비이온화된 암모니아(NH3)의 생물독성으로 인해 양식어의 성장이 저조해지고 양식어의 폐사율이 급증하게 된다.
따라서, 유기물의 농도 및 암모니아성 질소의 농도를 각각 200 ppm, 0.6ppm 이하로 조절하는 것이 최적화를 위해서는 바람직하다.
한편, 유기물의 농도를 50ppm 미만으로 유지시키기 위해서는, 여과공정을 더욱 활발하게 진행시켜야 하는데, 상기와 같이 유기물의 농도를 50ppm 미만으로 조절한다고 하여도, 양식어의 폐사율이 크게 변하지 않는 바, 경제적인 측면에서 상기 양식수의 유기물 농도는 100 ~ 200 ppm으로 조절하는 것이 가장 바람직하다.
또한, 상기와 같은 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 통한 유기물 및 암모니아성 질소의 산화반응은 유산소 조건에서 활발히 일어나므로, 상기와 같은 반응이 일어나기 위해서는 양식수조(100)의 용존 산소농도가 1 내지 30mg/L, 더욱 바람직하게는 5 내지 20mg/L로 유지되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 용존 산소농도를 유지하기 위하여, 상기 양식수조(100)에는 산소발생장치가 구비될 수 있다.
상기 산소발생장치는 산소발생기(141), 산소용해기(142), 용해기 필터(143)로 구성될 수 있다. 상기 산소발생기(141)를 통해 생산된 산소는 산소용해기(142)로 이동된다. 한편, 산소용해기 필터(143)를 통해 양식수가 산소용해기(142)로 이동되고, 상기 산소발생기(141)로부터 생산된 상소가 산소용해기(142)내 고압조건하에 양식수에 녹아들게 된다. 상기 산소가 녹아든 양식수는 산소용해기(142)에서 양식수조(100)로 이동하여 양식수조 내 용존산소농도를 1mg/L 내지 30mg/L 로 유지시킬 수 있다.
만약, 양식수조 내 용존산소농도가 1mg/L 미만일 경우, 내염성 호기성 그래뉼 슬러지가 산화작용을 원활히 진행할 수 없을 뿐더러, 양식어들의 산소결핍으로 인한 먹이 섭취량 감소 및 양식어 폐사가 발생할 수 있으므로 바람직하지 않다.
반면, 양식수조 내 용존산소농도가 30mg/L 를 초과할 경우, 양식어의 폐사율이 크게 변하지 않는 바, 경제적인 측면에서 상기 양식수조 내 용존산소농도는 1mg/L 내지 30mg/L 으로 조절하는 것이 가장 바람직하다.
한편, 양식수에 산소용해기(142)에서 발생한 산소를 원활하게 공급시키고, 양식수조내에 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 균등하게 분포시키기 위해 양식수조 내부에 제1에어로튜브(132) 및 상기 제1에어로튜브(132)를 가동시키기 위한 제1브로워(131)을 구비할 수 있다.
상기 제1브로워(131)는 공기의 유동을 일으킬 수 있으며, 상기 제1에어로튜브(132)를 통해 공기를 용해기 필터(143) 주변에 집중적으로 공급하여, 용해기 필터(143)에 찌꺼기가 쌓이는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같은 작용으로 용해기 필터(143) 내부로 양식수가 원활하게 공급될 수 있어서, 양식수에 산소가 충분히 공급될 수 있다.
또한, 상기 제1브로워(131)에서 발생시킨 공기의 유동을 통해 상기 제1에어로튜브(132)에서 공기를 전체적으로 순환시켜서, 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 양식수조 내에 균등하게 분포시킬 수 있다. 상기와 같이 내염성 호기성 그래뉼 슬러지가 양식수조 내에 균등하게 분포되어야 양식수조 내에서 유기물 및 암모니아성 질소 산화가 효과적으로 일어날 수 있다.
본 발명에서는 상기와 같이 양식수조 내에 고루 분포되는 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 이용하여 양식 수 내의 유기물 및 암모니아성 질소를 빠른 속도로 완전 산화반응 시킬 수 있다.
따라서, 일반적인 타가 영양미생물을 이용하는 경우에는 처리속도가 저하되므로 부분 질산화반응이 일어나게 되어 높은 생물독성을 가지는 아질산성 질소가 생기는 부반응이 발생하게 되지만, 본 발명에서는 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 이용하여 그러한 부반응을 방지할 수 있다.
상기 양식 수조에는 보일러(150)가 설치될 수도 있다. 양식어가 살아가기 위해서는 늘 적정 수준의 온도를 유지해줘야 하는 바, 상기와 같은 보일러(150)를 통해 온도를 일정하게 유지함으로써, 양식어가 겨울철에도 수온의 영향을 받지 않고 살아갈 수 있다.
한편, 본 발명의 경우 지속적으로 해수의 공급이 일어나지 않고, 한번 들어온 해수를 순환시켜서 계속 사용하는 바, 외부 환경 변화(해수의 수온 변화 등)에 큰 영향을 받지 않는다. 따라서, 보일러(150)를 통해 초기에 유입된 양식수를 적정한 온도가 되도록 조절해주면 후에는 크게 에너지를 소비하지 않고도 양식수의 온도를 적절한 온도범위로 유지할 수 있다.
앞서 살펴본 바와 같이, 상기 유기물 및 암모니아성 질소의 경우, 상기 반응식에 나타난 것과 같이, 상기 양식수조를 통하여 완전산화를 시켜서 생물독성 농도범위 아래로 유지할 수 있다. 그러나, 상기와 같이 완전산화 과정만이 일어나고 후속으로 질산성 질소를 처리하는 과정이 수반되지 않을 경우, 질산성 질소가 존재하게 되어 양식수 내의 질소비율이 높게 유지되며 앞선 산화과정에 따라 pH가 감소함에 따라, 양식어들이 생존하기에 부적합한 환경이 조성되는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 상기 질산성 질소를 질소가스로 환원시켜서 외부로 배출시킴으로써, 양식수의 내의 질소비율을 조절하고, 알칼리도를 회복시켜 pH를 조절하기 위하여 탈질반응이 진행되어야 한다. 본 발명에서는 상기 산화과정을 거친 양식수가 양식수조(100)로부터 탈질조(200)로 연결되는 제1순환관(410)을 통하여 실질적인 탈질반응이 일어나는 탈질조(200)로 이동한다.
상기 탈질조(200)는 도 2에 도시된 바와 같이 구성된다.
상기 탈질조(200)에는 제1순환관(410)을 통해 양식수조에서 산화과정을 거친 양식수 및 내염성 호기성 그래뉼 슬러지가 유입된다.
본 발명에서는 탈질반응을 진행하기 위한 별도의 세균을 사용하지 않고, 단일 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 통해 유기물 산화, 질소 산화 반응 및 탈질 반응을 진행할 수 있는 바, 기기를 보다 간소화할 수 있어서 경제적으로 유리하다.
또한, 일반적으로 탈질 반응을 위해 생물막으로 형성된 탈질 세균을 사용할 경우, 시간이 지남에 따라 생물막 막힘에 의한 탈질효율의 저하가 일어나기 때문에 자주 생물막을 교체해 줘야 한다. 그러나, 본 발명에서는 양식수를 따라 부유하는 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 통하여 탈질 반응을 진행하는 바, 별도의 관리 없이도 지속적인 탈질 효율을 유지할 수가 있다.
한편, 탈질공정은 무산소 조건에서 일어나는 바, 상기 탈질조(200)은 무산소 조건으로 유지되어야 한다. 상기 무산소 조건을 위해서 탈질조(200)에는 양식수조를 거쳐 유입된 산소를 배출하기 위한 산소배출장치가 설치될 수 있다.
앞서 살펴본 바와 같이 본 발명의 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 경우 할로모나스(Halomonas), 니트로소모나스(Nitrosomonas), 니트로코커스(Nitrococcus), 트루에페라(Trueper) 를 포함하는 복합 미생물 제제로 이루어져 있어서 무산소조건에서 최종 전자수용체를 질산성질소로 삼아 탈질반응을 진행할 수 있다.
구체적으로 탈질을 위한 최적의 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 미생물 군집 비율은 할로모나스(Halomonas)가 약 35 내지 45%, 니트로소모나스(Nitrosomonas)가 약 15 내지 25% , 니트로코커스(Nitrococcus)가 약 10 내지 20%, 트루에페라(Trueper)가 약 5 내지 15%로 이루어지는 것이 바람직하다.
탈질조(200)에서 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 이용하여 탈질공정이 일어나는 메커니즘은 하기와 같다.
5CH3COOH + 8NO3 -→ 4N2 + 10CO2 + 6H2O + 8OH-
상기와 같은 반응을 통해 본 발명의 양식수의 질산성 질소의 농도를 생물 독성 농도 범위 아래인 10 ~ 100 ppm, 더욱 바람직하게는 20 내지 70ppm 으로 조절할 수 있다.
만약, 질산성 질소의 농도가 100 ppm을 초과할 경우, 질산성 질소로 인한 독성으로 인해 양식어들의 폐사율이 급증하게 된다.
또한, 질산성 질소를 질소가스로 환원시켜서 외부로 배출시키지 못해 질산성 질소의 농도가 100 ppm 을 초과할 경우, 양식수 내 알칼리도가 부족하여 양식수조의 pH가 낮아져서 양식어들이 살기에 부적합하다.
한편, 양식수의 질산성 질소 농도를 10ppm 미만으로 조절하려면, 탈질조의 크기를 늘리거나, 구동빈도를 늘려서 한번에 더 많은 양식수를 탈질 시켜야 한다. 그러나, 양식수의 질산성 질소 농도를 10ppm 미만으로 낮춘다고 해도, 양식어의 폐사율에 큰 변화가 나타나지 않으므로, 경제적인 측면을 고려할 때, 질산성 질소의 농도를 10 ~ 100 ppm 정도로 조절하는 것이 바람직하며, 20 내지 70ppm 으로 조절하는 것이 가장 바람직하다.
한편, 상기 반응식을 통해 알 수 있듯이, 상기 탈질공정을 위해서는 적정 수의 탄소원이 필요하다. 그러나, 앞서 양식수조(100)에서 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 이용하여 유기물 및 암모니아성 질소를 동시에 산화시키기 때문에 탈질조(200)의 유입수에는 질산성 질소가 고농도로 존재하게 되고 유기물의 농도가 상대적으로 낮아지게 된다. 따라서, 본 발명의 탈질조(200)에는 별도의 외부탄소원을 공급할 수 있는 장치가 필요하다.
본 발명의 탈질조(200)에는 외부탄소원 주입펌프(212)가 연결되고, 상기 외부탄소원 주입펌프는 외부탄소원 탱크(211)과 연결될 수 있다. 상기 외부탄소원 탱크(211)에서 발생한 탄소원은 상기 주입펌프를 통해 탈질조(200)로 주입되게 된다.
상기 외부탄소원은 특정 종류로 제한되지 않으며, 메탄올, 포도당, 아세테이트 및 당밀 등 일반적으로 사용되는 외부탄소원 중 하나이상을 투입하여 사용할 수 있다.
한편, 본 발명에서 탈질조(200)에 시간당 유입되는 외부탄소원의 양은 (g/hr) 탈질조에 시간당 유입되는 질산성 질소의 양 (g/hr)의 2 내지 3배로 조절되는 것이 바람직하고, 2.3 내지 2.7 배로 조절되는 것이 가장 바람직하다.
만약, 외부탄소원이 NO3 -N 대비 2배 미만으로 투입된다면, 탈질조(200)에 유입된 질산성 질소를 충분히 제거할 수 없으며, 반대로 외부탄소원이 NO3 -N 대비 3배가 넘게 투입된다면, 상기 외부탄소원으로 인한 유기물 축적이 발생하여 오염이 발생할 수 있으므로 바람직하지 않다.
구체적으로 본 발명의 일 실시예로서, 탈질조로 공급되는 유량이 약 4m3/hr 인 경우, 초기에 탈질조로 시간당 공급되는 질산성 질소의 양은 평균 약 80g/hr 로 나타났으며, 양식기간이 진행됨에 따라 양식어가 생장하면서 발생하는 질산성 질소의 양이 증가했다. 최종적으로, 양식기간 후기에 탈질조로 공급되는 질산성 질소의 양은 약 280g/hr 정도로 나타났다.
한편, 가장 효율적인 탈질조의 구동을 위해 첫 1개월 동안은 탈질조를 하루에 4시간만 구동시키고, 다음 1개월 동안은 하루에 8시간, 다음 2개월 동안은 24시간 내내 구동하는 것이 바람직하다.
이 때, 외부 탄소원의 양은 탈질조가 구동되는 시간 동안에만 유입되도록 조절하는 것이 바람직하며, 초기에는 160 내지 240g/hr, 최종적으로는 560 내지 840g/hr 이 되도록 유입시키는 것이 적절하다.
한편, 상기 외부탄소원 주입펌프(212)는 탈질조(200)로 양식수가 공급되는 제1순환관(410)의 뒤쪽에 위치하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 이루어질 경우, 탈질조로 유입되는 양식수가 외부탄소원과 바로 접촉하면서 탈질조 내부로 유입될 수 있기 때문에, 전체적인 탈질효율을 개선시킬 수 있다.
상기 탈질반응 중에 생성되는 수산화기(OH-)는 탄산(H2CO3)과 반응하여 탄산수소염(HCO3-)을 생성하고 질산성질소 1g당 탄산수소염(HCO3-)으로 구성된 알칼리도가 3.57g 생성된다. 따라서, 상기 탈질반응을 통하여 앞서 양식수조의 산화과정에서 형성된 산도를 회복시킬 수 있으며, 결론적으로 탈질조(200) 내의 pH 를 적절하게 조절할 수 있다.
이 때, 양식수의 pH가 4.5 미만이거나 10.7을 초과하는 경우, 양식어들이 폐사될 수 있으므로 양식어가 폐사하지 않기 위해서는 양식수의 pH 범위가 4.5 내지 10.7 로 조절되어야 하고, 양식어의 성장 등을 고려했을 때, 6.8 내지 8.5로 조절되는 것이 더욱 바람직하다.
양식수의 pH가 6.8 미만이거나, 8.5 를 초과하는 경우 양식어의 성장 및 양식어장 내의 사료효율이 저하될 수 있고, 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 유기물 및 질소의 산화반응이 저하되어 양식어장 내에 독성물질이 농축될 수 있으므로 바람직하지 않다.
구체적으로 상기와 같은 pH 농도를 유지하기 위해서 탈질조 내의 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 양은 500ppm 내지 1,000ppm으로 조절되는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 탈질조 내의 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 양은 시간당 유입되는 질산성 질소 대비 10배 내지 15배로 조절되는 것이 바람직하다.
만약, 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 양이 시간당 유입되는 질산성 질소 대비 10배 미만일 경우, 유입되는 모든 질산성 질소를 탈질시킬 수 없으므로, 전체적인 양식수내의 질산성 질소 농도를 생물독성 범위 아래로 유지할 수가 없다.
반면, 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 양이 시간당 유입되는 질산성 질소 대비 15배를 초과하는 경우 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 양이 과다함에 따라 양식수조 내에 균등하게 분포되지 않아서 탈질조 바닥에 내염성 호기성 그래뉼 슬러지가 쌓여 부패현상이 발생하여 암모니아성 질소가 생성될 수 있다.
한편, 앞서 양식수조에서는 유산소 조건으로 진행되므로, 공기 주입을 통해서 양식수 내 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 균등하게 분배 시킬 수 있었다. 그러나, 탈질조(200) 내부는 무산소 조건으로 운영되므로, 물리적인 교반이 없을 경우, 내염성 호기성 그래뉼 슬러지가 침전될 수 있다.
따라서, 본 발명 탈질조(200)의 내부에는 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 교반을 위한 교반기(220)가 설치될 수 있다. 상기 교반기를 통해 탈질조(200) 내 내염성 호기성 그래뉼 슬러지가 균등하게 분배되도록 운행하여, 탈질조(200)내의 탈질공정이 효율적으로 일어날 수 있도록 한다.
상기 교반기(220)는 탈질조(200)의 크기에 따라 한 개 또는 복수개로 설치될 수 있으며, 탈질조의 중심에 하나의 교반기(220)가 배치되고, 나머지 교반기(220)는 상기 중심 교반기(220)를 기준으로 대칭으로 배치되는 것이 가장 바람직하다.
한편, 상기 교반기는 10 내지 200rpm으로 작동되는 것이 바람직하며 50 내지 100rpm으로 작동되는 것이 가장 바람직하다.
상기 교반기가 10rpm 보다 느리게 작동될 경우, 바닥에 침전된 내염성 호기성 그래뉼 슬러지가 탈질조 전체로 교반되는 것이 어려워서 탈질 효율이 떨어질 수 있다. 반면, 200rpm이 넘는 속도로 작동될 경우, 교반기에 부딪혀서 내염성 호기성 그래뉼 슬러지가 깨질 수 있다. 상기 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 평균직경은 앞서 살펴본 바와 같이 0.1 ~ 0.5mm인 것이 바람직하다. 따라서, 교반기가 지나치게 빠르게 회전하여, 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 평균직경이 0.1mm 미만이 되도록 쪼개질 경우에는 후술할 산소조에서의 침전이 제대로 일어나지 않아서 농도 조절이 제대로 일어나지 않을 수 있다.
따라서, 상기 교반기는 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 분쇄하지 않으면서도, 탈질조 전체로 분배할 수 있도록 적절한 속도로 가동되어야 한다.
상기와 같이 산화공정 및 탈질공정을 거칠 경우, 양식수 내의 오염물질이 대다수 제거 되기 때문에, 일반적인 양식어장에서 주로 발견되는 비브리오병(Vibriosis), 아가미흑화병(Black gill disease), 타우라증후군(Taura syndrome), 흰반점병(White spot Disease)등이 발견되지 않는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 상기와 같은 탈질조(200)를 통해, 탈질반응을 진행할 경우, 내부로 유입되는 양식수의 질산성 질소 농도가 20 내지 150mg/L 일 때, 시간당 80 내지 95%의 제거효율을 가질 수 있다.
일반적으로, 양식어가 충분히 성장했을 때 탈질조를 하루 종일 가동할 경우, 탈질조 내로 시간당 유입되는 질산성 질소 농도가 20 내지 150 mg/L 정도로 형성되며, 상기 질산성 질소 농도를 20% 미만으로 줄이지 못할 경우, 양식수 내의 질산성 질소 농도가 생물 독성 농도보다 높게 되어 양식어가 폐사할 수 있다.
반면, 상기 질산성 질소 농도를 5% 미만으로 줄이기 위해서는, 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 양을 더욱 많이 충진시켜야 하는데, 상기와 같이 충진량을 늘릴 경우, 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 양이 과다함에 따라 양식수조 내에 균등하게 분포되지 않아서 탈질조 바닥에 내염성 호기성 그래뉼 슬러지가 쌓여 부패현상이 발생하여 암모니아성 질소가 생성될 수 있다.
따라서, 탈질조의 내부로 유입되는 양식수의 질산성 질소 농도가 20 내지 150mg/L 일 때, 탈질 효율이 시간당 80 내지 95%로 조절되는 것이 바람직하다.
상기 탈질조(200)에서 탈질공정을 거친 양식수는 제2순환관(420)을 통해 산소조(300)으로 유입된다.
상기 산소조(300)는 양식수내에 산소를 주입하여 양식어가 생존하기에 가장 적합한 DO조건으로 산소농도를 조절할 수 있도록 한다. 상기 양식수조(100)에도 별도의 산소 공급기가 존재하지만, 탈질조(200)를 거쳐서 무산소조건으로 변한 양식수가 그대로 양식수조(100)로 공급 될경우, 순간적인 산소부족현상으로 양식어들이 폐사할 수 있으므로,별도의 산소조(300)를 통해서 충분히 산소농도를 조절해준 후에 양식수조(100)로 유입시키는 것이 바람직하다.
한편 상기 산소조(300)는 상기와 같이 DO 농도를 조절하는 것 이외에도, 탈기공정을 진행하며, 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 양을 조절하는 역할도 수행한다.
구체적으로, 탈질조(200)에서 산소조(300)로 양식수가 유입될 때, 별도의 고액분리 과정없이 그대로 유입되는 바, 산소조(300)에는 탈질공정을 통해 생성된 질소가스 및 내염성 호기성 그래뉼 슬러지가 그대로 유입된다.
상기 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 농도가 적정할 경우에는 산소조에 공기를 주입하여 용존산소를 증가시키고, 질소가스 탈기과정을 마친 후, 다시 양식수조로 순환시킨다.
반면, 상기 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 농도가 높은 경우에는 산소조에 공기 주입을 중단하고 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 침전시켜 고액분리를 유도한다. 상기 고액분리 과정을 마친 후, 상등수는 양식수조로 이송시키고, 침전된 내염성 호기성 그래뉼 슬러지는 폐기시켜서 양식수조의 미생물 농도를 적정수준으로 유지시킬 수 있다.
한편, 실질적으로 양식어가 육성되는 장소는 양식수조 이므로, 상기 양식수조는 탈질조 및 산소조에 비해 크게 제조되어야 한다.
또한, 양식어가 생활하는 양식수의 환경이 급변하면 안되기 때문에, 산소조(300)를 거쳐서 유입되는 양식수로 인해서 양식수조(100)에 들어있는 양식수의 성질이 급변해서는 안된다. 따라서, 산소조(300)를 통해서 양식수조(100)에 1시간 동안 유입되는 양식수의 양 : 양식수조(100) 전체에 담겨있는 양식수의 양은 1 : 8 내지 1 : 12 가 되도록 운행되는 것이 바람직하며, 1 : 10 으로 운행되는 것이 가장 바람직하다.
아울러, 산소조(300)에서 양식수조(100)로 유입되는 양식수의 양만큼 양식수조(100)에서 탈질조(200)로 배출되어야 하므로, 양식수조에서 탈질조로 1시간 동안 배출되는 양식수의 양을 Q1, 양식수조 전체에 담겨있는 양식수의 양을 Qf 라고 할 때, Q1 : Qf 는 1 : 8 내지 1 : 12 이 되도록 운행되는 것이 바람직하며, 1 : 10 으로 운행되는 것이 가장 바람직하다.
만약, 상기 Q1 : Qf 가 1 : 8 미만일 경우, 양식수조(100) 내의 환경이 급변하여, 양식어들이 생존하는데 악영향을 미칠 수 있다. 아울러, 탈질조(200) 내부로 한번에 지나치게 많은 양식수가 유입됨에 따라 탈질조(200)가 한번에 처리할 수 있는 용량을 초과할 경우, 유입된 모든 양식수가 탈질처리 되지 못하고, 다시 양식수조(100)로 유입될 수 있다. 위와 같은 경우, 탈질조(200)의 탈질 효율이 감소하게 되고, 양식수 내의 질산성 질소의 농도가 높아질 수 있으므로, 바람직하지 않다.
반면, 상기 Q1 : Qf 가 1 : 12 를 초과할 경우, 양식수조(100) 내에 탈질조(200)로 이동하지 못하는 양식수의 양이 증가함에 따라, 양 식수 내에 탈질 처리 되지 못한 질산성 질소의 농도가 높아져서, 양식어들의 생장을 저해할 수 있다.
한편, 양식수 여과장치의 전체적인 크기가 커짐에 따라, 상기 여과장치의 설치 비용 및 유지 비용이 증가하게 되므로, 양식수조와 탈질조 및 산소조의 크기를 필요에 따라 적절하게 조절할 필요가 있다.
앞서, 살펴본 바와 같이 실질적으로 양식어들이 생장하는 장소는 양식수조(100) 이므로,양식수조(100)는 충분한 부피를 갖게끔 구성되어야 한다.
반면, 탈질조(200)의 경우, 앞서 살펴본 바와 같이 한번에 들어오는 양식수의 양이 양식수조(100) 내에 존재하는 양식수 대비 약 10% 정도에 불과하고, 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 이용하여 양식수조(100)에서 산화반응이 일어나는데 소요되는 시간과 탈질조(200)에서 탈질반응이 일어나는데 소요되는 시간이 비슷하므로, 전체적인 장치의 크기 또한 상기 양식수조의 부피를 Vf, 상기 탈질조의 부피를 Vd 라 할 때, Vf : Vd 는 8 : 1 내지 12 : 1로 조절되는 것이 바람직하다.
만약, Vf : Vd 가 8 : 1 미만일 경우, 탈질조의 부피를 크게 함에 따라 얻을 수 있는 추가적인 효과가 없는 반면, 탈질조의 부피를 키우기 위해 소비되는 비용이 증가하는 바, 경제적으로 바람직하지 않다.
반면, Vf : Vd 가 12 : 1 을 초과할 경우, 탈질조에 충진 될 수 있는 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 양 및, 탈질조로 시간당 유입될 수 있는 양식수의 양이 감소함에 따라, 양식수조내에 발생하는 질산성 질소가 효율적으로 제거될 수 없다.
한편, 산소조(300)에서 산소가 공급되는 속도는 앞선 장치에서 산화반응 및 탈질반응이 일어나는 속도 보다 훨씬 빠르게 진행될 수 있다. 따라서, 양식수는 산소조(300)에서 상대적으로 짧은 시간 동안 머물고 양식수조(100)으로 순환될 수 있는 바, 산소조(300)의 크기는 탈질조(100)에 비해서도 더욱 작게 설계될 수 있다.
구체적으로 상기 탈질조의 부피를 Vd, , 상기 산소조의 부피를 VO 라 할 때, Vd : VO는 2 : 1 내지 4 : 1인 것이 바람직하다.
만약, Vd: VO가 2 : 1 미만일 경우, 산소조의 부피를 크게 함에 따라 얻을 수 있는 추가적인 효과가 없는 반면, 산소조의 부피를 키우기 위해 소비되는 비용이 증가하는 바, 경제적으로 바람직하지 않다.
반면, Vd: VO가 4 : 1 을 초과할 경우, 산소조의 부피가 지나치게 작아짐에 따라, 유입된 만큼의 양식수를 배출하기 위해서는 산소조에서 양식수가 머무는 시간이 매우 짧아져야 한다. 상기와 같이 머무는 시간이 짧아질 경우, 산소조에서 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 침전시켜서 농도를 조절하는 공정이 충분히 일어나지 않아서, 전체적인 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 농도가 적정량 보다 많아질 수 있어서 바람직하지 않다.
한편, 양식어의 종류 및 밀식율에 따라 운영시간이 달라질 수 있으나, 일반적으로 양식기간이 점차 지남에 따라 질산성 질소의 발생량이 증가하므로 초기에는 특정 시간 동안만 순환공정을 진행시키고, 질산성 질소의 발생량이 증가함에 따라, 순환공정의 빈도를 증가시키는 것이 바람직하다.
앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 탈질조(200)는 양식수의 질산성 질소 농도가 20 내지 150mg/L 일 때,시간당 80 내지 95%의 제거효율을 가질 수 있는 바, 질산성 질소를 충분히 제거하기 위하여, 첫 1개월 가량은 하루에 4시간 정도 순환공정을 진행시키고, 향후 1개월 정도는 하루에 8시간, 이후에는 하루에 24시간 내내 순환공정을 진행시키는 것이 바람직하다.
상기와 같이 순환여과 양식시스템을 가동시킬 경우, 양식수 내의 DO 농도를 9~12 ppm, pH를 7.5~8, 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 농도를 500~1,000ppm, 양식수조 내 질산성 질소의 농도를 70ppm이하로 유지시킬 수 있다.
상기와 같이 DO 농도를 9~12 ppm, pH를 7.5~8, 양식수조 내 질산성 질소의 농도를 70ppm이하로 유지할 경우, 양식어들이 별다른 질병 없이 생장할 수 있으며, 특히 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 이용하여 상기 여과작용을 진행할 경우, 양식어들이 영양분이 풍부한 상기 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 섭식하여 더욱 건강하게 생장할 수 있다.
한편, 앞서 살펴본 바와 같이, 초기에는 질산성 질소의 함량이 적어서, 탈질조(200)가 가동되지 않는 시간이 길지만, 시간이 지나면서 양식어가 성장함에 따라 배출되는 질산성 질소의 함량이 증가하므로 최종적으로는 24시간 내내 탈질조(200)를 가동하여야 한다.
따라서, 탈질조(200)의 크기를 최소화 하면서도, 최종적으로 다량의 질산성 질소를 적정 수준으로 낮추기 위해서는 탈질조 내부에 시간당 유입되는 양식수의 양을 Qd, 탈질조 전체의 부피를 Vd라 할 때, Qd : Vd 는 0.8 : 1 내지 1.2 : 1 가 되도록 탈질조를 설계하는 것이 바람직하다.
만약, Qd : Vd 가 0.8 : 1 미만일 경우, 탈질조의 크기가 필요한 수준보다 크게 설계되어야 하므로 경제적으로 바람직하지 않고, Qd : Vd 가 1.2 : 1 을 초과할 경우, 양식수 내의 질산성 질소가 증가함에 따라 24시간 내내 탈질조가 가동된다고 하더라도, 질산성 질소를 충분히 제거하지 못해서 양식수 내의 질산성 질소 농도가 생물독성 범위 이상으로 높아지는 바, 바람직하지 않다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 구체적인 실험예를 제시한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위해서 제공되는 것일 뿐, 실험예에 의하여 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
양식수조는 높이가 1.5 m이고, 수표면적이 26.5m2 로서 부피가 약 40m3 인 원형 pp-수조를 사용하였다. 새우의 종은 흰다리 새우를 양식하였고 새우입식양은 약 12,000미로 1제곱미터당 460미가 입식되었다. 탈질조의 부피는 양식수조 대비 1/10배인 4m3로 하였고, 탈질조로 공급되는 양식수의 공급 유량은 4m3/hr 이다.
산소조의 부피는 탈질조 대비 1/2배인 크기인 2m3로 하였고, 산소조에 공기를 주입하여 용존산소 증가 및 질소가스 탈기과정 후 양식수를 양식수조로 순환시켰다.
한편, 상기 양식수조에는 할로모나스(Halomonas)가 약 40%, 니트로소모나스(Nitrosomonas)가 약 20% , 니트로코커스(Nitrococcus)가 약 15%, 트루에페라(Trueper)가 약 10% 포함된 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 충진시켰다.
상기 양식수조의 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 농도가 높은 경우에는 산소조에 공기 주입을 중단하고 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 침전시켜 고액분리를 유도하고 상등수는 양식수조로 이송시키고 침전된 내염성 호기성 그래뉼 슬러지는 폐기시켜서 양식수조의 미생물 농도를 적정하게 유지시켰다. 새우양식은 동절기에 이루어졌으며, 양식수조에 바닷물을 한번 채운 후 양식기간인 4개월 동안 바닷물 환수를 하지 않았다.
양식수조에 치하를 입식할 때, 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 농도가 50 mg/L이 되도록 양식수조에 주입하였고, 양식기간 동안 발생된 유기물 및 암모니아성 질소를 처리하면서, 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 농도가 700~800 mg/L까지 증가하였다. 시간이 지남에 따라 탈질조로 시간당 유입되는 질산성 질소의 농도가 약 70mg/L 까지 증가하는 바, 산소조에서의 침전반응을 통해 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 농도를 탈질조로 유입되는 질산성 질소의 농도의 10배 수준인 700~800 mg/L로 일정하게 유지하였다. (도 3 - 시간에 따른 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 농도)
양식수의 pH는 양식수조 내에서 질산화에 의해 알칼리도가 소모되면서 낮아지고, 탈질조 순환에 의해 알칼리도가 회복되면서 높아지는데, 첫 1개월동안은 하루 4시간 동안 탈질조 순환을 진행했고, 다음 1개월동안은 하루에 8시간, 다음 2개월 동안은 하루 24시간 내내 탈질조 순환을 진행시켜서 pH 7.5~8을 유지하였다.
한편, 양식시간이 지나면서 양식어가 생장함에 따라, 탈질조로 시간당 유입되는 질산성 질소의 양이 증가하였다. 따라서, 탈질조로 시간당 공급되는 외부탄소원의 양도 그에 맞춰 증가시켰다. 본 발명에서는 외부탄소원으로 소디움 아세테이트 (Sodium acetate) 를 사용했으며, 상기 외부탄소원의 양은 질산성 질소 대비 2배 내지 3배로 조절하는 것이 적절한 바, 본 실시예에서는 약 2.5배가 되도록 외부탄소원을 주입하였다.
구체적으로, 첫 1개월 동안은 탈질조 순환이 일어나는 4시간 동안 탈질조로 시간당 유입되는 질산성 질소의 양이 평균 80g/hr로 나타났고, 이 후에 탈질조로 시간당 공급되는 질산성 질소의 양이 점차 증가하여 이 후 1개월 동안은 탈질조 순환이 일어나는 8시간 동안 평균 160g/hr, 이 후 2개월 동안은 탈질조 순환이 일어나는 24시간 동안 평균 280g/hr의 질산성 질소가 탈질조 내로 유입되었다.
이에 따라, 탈질조로 시간당 유입되는 질산성 질소의 양이 평균 80g/hr인 첫 1개월 동안은 탈질조 순환이 일어나는 4시간 동안 평균 200g/hr로 외부탄소원을 공급하였고, 이 후 탈질조로 시간당 유입되는 질산성 질소의 양이 평균 160g/hr인 다음 1개월동안은 탈질조 순환이 일어나는 8시간 동안 평균 400g/hr, 탈질조로 시간당 유입되는 질산성 질소의 양이 평균 280g/hr인 다음 2개월 동안은 24시간 내내 평균 700g/hr의 외부탄소원을 공급하였다.
양식수조 내 DO 농도는 설치된 산소발생기 및 산소용해기를 이용해 9~12 mg/L을 유지하였다. 양식수조의 수온은 보일러를 이용해 27~30 ℃를 유지하였다.
양식수조 내 암모니아성 질소 및 아질산성 질소 농도는 양식수조내 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 생물학적 산화반응로 인해 양식기간 동안 각각 0~0.6 mg/L 및 0 mg/L 로 유지되었다.
양식수조 내 질산성 질소 농도는 탈질조순환 및 적정량의 외부탄소원 주입을 통해 평균 70 mg/L 이하를 유지하였다.
상기 실시예를 통한 수질분석 결과는 도 4 및 5를 통해 그래프로 나타내었다. 양식수의 수질을 안정적으로 유지시켜 주었을 때, 치하(1마리 당 무게: 약 0.05 g)에서 성어(1마리 당 무게: 약 20 g)까지 키우는데 약 4개월이 소요되었고, 새우 폐사량은 약 10% 내외로 낮게 나왔고, 출하량은 총 210 kg로 제곱미터당 8kg이었다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 탈질조를 통한 탈질 효율은 80% 내지 90%로 관찰되었고, 양식어가 충분히 성장한 이후에도 양식수조 내 질산성 질소의 농도가 70mg/L 이하로 유지되었다.
아울러, 출하된 새우들은 양식수 무배출 순환 및 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 통한 양식수 정화로 인해, 질병(비브리오병(Vibriosis), 아가미흑화병(Black gill disease), 타우라증후군(Taura syndrome), 흰반점병(White spot Disease) 등) 감염의 흔적들(멜라닌색소의 침착, 갈색 및 흑색 반점 형성, 아가미 변색, 옅은 불은색의 체색, 외골격의 흰 점 등)이 전혀 발견되지 않았다. 그리고 새우들의 크기 및 무게 편차는 적었고, 몸은 투명하고, 통통하며, 껍질은 단단하고 상처가 없으며, 활기찬 것으로 관찰되었다.
<비교예 1>
바다물의 염분농도 조건에서 내염성 호기성 그래뉼 슬러지와 일반 하수처리시설에서 사용되는 생물막 형 활성슬러지의 탈질효율을 비교 평가하기 위해 비교예1을 실시하였다.
비교예 1에서는 실시예 1에서의 양식수조에서 양식수를 간이 침전조로 이송한 다음, 양식수를 고액분리하여 상등수를 생물막이 부착된 탈질조(부피:0.1m3)에 공급하였다. 탈질조 바닥에서 200mm 이격된 곳에 하수처리시설에서 사용되는 활성슬러지가 부착된 활성탄 담체(Lianyungang Jinli Carbon CO.LTD)를 50ℓ으로 고정 설치하였다. 상기 생물막은 하수처리시설에서 샘플링한 활성 슬러지를 활성탄 담채에 접종한 다음 고액분리된 양식수로 회분식으로 주입하면서, 외부탄소원 주입펌프 및 내부순환펌프를 설치하여 1개월 정도 내부순환을 시켜 제조하였다.
상기 생물막이 안정적으로 생성이 된 후 고액분리한 양식수를 실시예 1의 탈질조와 동일 비율로 0.1m3/hr의 유량으로 생물막이 부착된 탈질조의 하부로 유입시켰다. 생물막을 통과한 처리수는 탈질조의 상부로 배출되었다. 배출된 양식수는 다시 양식수조로 순환시키지 않았다.
상기 비교예를 통한 수질분석 결과는 도 7를 통해 그래프로 나타내었다. 바다물의 염분농도에 1개월 정도 적응된 생물막이 부착된 탈질조의 질산성 질소 처리효율은 10% 내지 20% 수준이었다. 도 7에서와 같이 운전시작 2주 후부터 질산성 질소 처리효율이 감소하기 시작하였다. 운전 19일에는 질산성 질소 처리효율이 10% 이하로 감소하였다. 이 결과는 탈질조에 외부탄소원을 주입하여 생물학적 탈질을 유도하는 과정에서 과도한 미생물막이 생물막에 형성되어 생물막 막힘이 발생하였기 때문이다. 생물막의 일부분에 양식수의 이동이 제한되면서 질산성 질소 처리효율이 감소한 것으로 사료되어 운전 20일에는 과도하게 형성된 미생물막을 생물막에서 제거한 후 다시 운전을 시작하였다. 생물막에서 미생물막을 제거한 후, 탈질조의 질산성 질소 처리효율이 즉시 회복되었다.
상기 결과와 같이, 생물막이 부착된 탈질조의 질산성 질소 처리효율를 안정적으로 유지하기 위해서는 생물막에 형성되는 과도한 미생물막을 주기적으로 제거해야 하기 때문에 탈질조 제작비용 및 운전비용이 상승한다. 또한, 생물막이 형성되는 시간이 일정하지 않고, 이를 제거하지 못할 경우 질산성 질소 농도가 급격히 상승하여 양식어의 폐사를 유발할 가능성이 높다.
상기 실시예를 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 탈질조를 사용할 경우, 일반적으로 탈질장치에 사용되는 생물막 형태로 구성되는 것에 비해서, 미생물막을 주기적으로 제거할 필요가 없어서 경제적이며, 질산성 질소 농도를 일정하게 유지할 수 있어서, 양식수 내의 환경이 급변하지 않게 조절할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
특히, 본 발명의 탈질조의 경우 일반적인 활성슬러지를 이용한 탈질장치에 비해서 탈질효율이 훨씬 높은 것을 알 수 있다. 결론적으로 탈질조의 크기를 크게 늘리지 않으면서도 충분한 탈질효율을 내서 양식수를 관리할 수 있고, 양식과정이 끝난 후 최종적으로 바다로 배출되는 양식수의 질산성 질소의 농도 역시 20 내지 70 ppm으로 조절되므로, 외부의 환경을 오염시키는 문제가 발생하지 않는다.
또한, 상기와 같은 탈질조를 포함하는 양식수 순환여과 양식시스템을 가동시켜서 양식수를 관리할 경우, 한번 유입된 해수를 양식기간 동안 배출하지 않음으로써, 일반적인 축제식 양식어장에 비해 환경오염을 감소시킬 수 있다.
아울러, 양식수의 독성물질의 양이 생물독성 농도범위 미만으로 유지되고, 양식수 내의 DO 및 pH가 적절하게 유지될 수 있으며, 양식어들이 고단백질원인 내염성 호기성 그래뉼 슬러지를 섭식하여 건강하게 생장할 수 있는 바, 양식어의 폐사율이 10% 이하로 크게 감소할 수 있다.
10 : 양식수 여과 시스템
100 : 양식수조 110 : 유입구 120 : 배출구
131 : 제1브로워 132 : 제1에어로튜브
141 : 산소발생기 142 : 산소용해기 143 : 용해기 필터
200 : 탈질조 211 : 외부탄소원 탱크 212 : 외부탄소원 주입펌프
220 : 교반기 300 : 산소조
311 : 제2브로워 312 : 제2에어로튜브
410 : 제1순환관 420 : 제2순환관 430 : 제3순환관

Claims (8)

  1. 단일한 내염성 호기성 그래뉼 슬러지가 전체 시스템을 순환하면서 산화반응 및 탈질반응을 수행하는 친환경 순환여과 양식시스템에 있어서,
    양식수에 부유한 상태로 최종전자수용체로 질산성 질소를 활용하여 탈질반응을 수행하는 내염성 호기성 그래뉼 슬러지; 및,
    상기 내염성 호기성 그래뉼 슬러지가 고르게 분포되도록 교반시키는 교반기를 포함하는 탈질조로서, 상기 탈질조 내부에 유입되는 양식수의 질산성 질소 농도 대비 내염성 호기성 그래뉼 슬러지의 농도를 10배 내지 15배 높게 유지하여 탈질반응을 진행하며, 상기 탈질조의 운전 조건은 탈질조 내부로 유입되는 양식수의 질산성 질소 농도가 20 내지 150mg/L 일 때, 시간당 80 내지 95%의 제거효율을 가지는 친환경 탈질조.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 탈질조는 탈질반응에 사용될 외부탄소원을 공급하는, 외부탄소원 탱크를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 탈질조
  3. 제1항에 있어서
    상기 내염성 호기성 그래뉼 슬러지는 할로모나스(Halomonas), 니트로소모나스(Nitrosomonas), 니트로코커스(Nitrococcus), 트루에페라(Trueper) 로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 미생물을 포함하는 복합 미생물 슬러지인 것을 특징으로 하는 친환경 탈질조.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 내염성 호기성 그래뉼 슬러지는 염도 10 내지 40‰에서 생장가능한 것을 특징으로 하는 친환경 탈질조.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 교반기는 10 내지 200rpm으로 작동되는 것을 특징으로 하는 친환경 탈질조.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 탈질조 내부에 시간당 유입되는 양식수의 양을 Qd, 탈질조 전체의 부피를 Vd라 할 때, Qd : Vd 는 0.8 : 1 내지 1.2 : 1 인 것을 특징으로 하는 친환경 탈질조.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 외부탄소원 탱크를 통해서 탈질조로 시간당 유입되는 외부탄소원의 양 (g/hr) 은 상기 탈질조로 시간당 유입되는 질산성 질소의 양 (g/hr) 대비 2배 내지 3배인 것을 특징으로 하는 친환경 탈질조
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