KR102242705B1 - 바이오플락 발효조와 아쿠아포닉스를 이용한 순환여과식 양식시스템 - Google Patents

바이오플락 발효조와 아쿠아포닉스를 이용한 순환여과식 양식시스템 Download PDF

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Abstract

물의 효과적인 순환을 가능하게 하는 생물사육수조; 유기물을 배출하지 않고 이를 다시 이용하여 바이오플락의 영양분을 이용하는 발효조; 또한 잔여 유기고형물을 자동으로 수세 및 역세를 통해 순환여과조 및 발효조로 이동이 가능한 유기고형물 제거 장치; 식물재배수조로 구성된 순환여과식 양식시스템(Recirculating aquaculture system; RAS)에서 발생한 유기물을 바이오플락(Biofloc Technology; BFT)으로 재활용하는 아쿠아포닉스 시스템을 제공함으로서, 양식생물과 재배식물의 생산성 증대로 이루어지며 또한 잔여 유기물의 세척을 통해 더욱 효과적인 수질관리를 통해 완전한 물 순환으로 매우 친환경적이며, 경비를 절감할 수 있는 시스템으로 친환경 양식 산업화에 기여한다.

Description

바이오플락 발효조와 아쿠아포닉스를 이용한 순환여과식 양식시스템{Recirculating aquaculture system use of Biofloc Technology}
본 발명은 순환여과시스템에서 발생하여 배출되는 유기물을 바이오플락(BFT)통해 재활용하여 수경재배가 가능하며 재배를 통한 정화된 사육수를 다시 생물사육조로 공급하여 배출수가 전혀 없는 친환경 내수면양식시스템에 관한 것이다.
세계적으로 인구증가와 더불어 식량자원의 증대는 매우 중요하며, 식량 자원 중 단백질 공급에 있어서 대부분 축산업을 통한 육상의 육류공급을 통해 이루어 졌으나, 축산의 경우, 낮은 생산성, 질병으로 인한 폐사, 분뇨로 인한 환경오염에 대해 대책이 필요하다.
이에 단백질 공급의 역할은 수산물을 통해 극복하려는 방법이 증가하고 있다. 그러나, 전세계적으로 해양 환경의 오염으로 인한 서식지의 파괴, 남획 등으로 어획량이 감소하여, 수산양식분야가 집중 조명받고 있다.
수산양식의 방법은 유수식, 지수식, 순환여과식, 가두리양식이 주로 행해지고 있으며, 우리나라의 양식 시스템은 유수식양식 혹은 연속적인 사육수 교환에 의한 양식 시스템(Continuous replacement system; CRS)을 이용하며, 많은 사육수가 필요하며, 사육에 이용된 많은 양의 사육수가 수계로 배출되어 환경오염 및 생태계 파괴의 주 오염원이 되며, 새로운 사육수의 가온을 위한 에너지의 소모량도 많이 증가하게 된다.
최근 양식장의 배출수 규제가 강해지고 있는 가운데, 양식장 내에서 발생하는 배출수를 줄이거나 정화하는 시스템에 대한 개발이 중요시 되고 있어, 오염을 막기 위해 순환여과식 양식시스템(Recirculating aquaculture system; RAS)의 개발 및 이를 이용한 연구 또한 많이 진행되고 있다.
순환여과시스템은 고밀도 양식이 가능하여 생산성을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 양식에 필요한 사육수를 재이용함으로써 적은 수량만으로도 운전이 가능하고 막대한 양수용 소비전력을 절감할 수 있다.
그러나, RAS의 경우 개발비, 설치비, 운영비 등의 비용이 부담되어 CRS 보다 RAS의 이용을 선호하지 않는 상황이다. 따라서 이를 보완하기 위해 Avnimelech에 의해 최초 명명된 새로운 양식 시스템인 바이오플락(Biofloc)을 기반으로 한 친환경 바이오플락 어류 양식 시스템(Biofloc Technology; BFT)이 개발되고 있으며, 현재, 틸라피아, 흰다리 새우 등의 양식대상종에 국한되어 산업화가 진행되었다.
BFT는 이론적으로 무환수를 이용한 사육 방식으로 사육수 내 타가영양세균 등의 미생물에 의해 형성된 Biofloc이 수조 내 질소유기물을 제거하여 사육수를 교환하지 않고 양성기간 안정된 수질을 유지시키면서 양식을 할 수 있다.
특히, 사육수를 교환하지 않는 폐쇄적인 방법으로서, 열손실도 적어 이 시스템을 활용할 시 겨울철 많은 경비를 절감할 수 있다. 또한 Biofloc은 수조 내 생물에게 추가적인 먹이공급원이 되어 효율적인 성장을 기대할 수 있다.
그러나 BFT의 경우, 유기물이 많아져 과잉 생산된 타가영양세균으로 인해 수조 내 사육수가 넘치는 Bulking 현상을 초리하며, 슬러지를 발생시킬 수 있으므로, 최소한의 물교환이 불가피하다. 또한 최근 수산생물양식과 수경재배를 접목시킨 아쿠아포닉스(Aquaculture + Hydroponics; Aquaponics)를 이용하여 양식과 식물재배로 추가적인 생산량 증대로 경제성이 높은 방법이 개발되고 있다.
이에 국내 특허등록번호 제10-1507057호에는 아쿠아포닉을 이용한 도심형 바이오플락 양식시스템에 관하여 게시하고 있으나 상기의 아쿠아포닉스의 경우, 유기물이 부족하여 식물들의 성장이 좋지 못하거나, 양식생물에게 다시 투입되는 물의 정화가 원활하지 못하여 생산성이 기대에 못미치는 문제점이 발생한다. 또한, 상기 선행문헌은 본 발명과 다르게 재배식물의 추가적인 영양분 공급을 위한 소규모 어류를 이용한 식물의 생육증대의 역할과 양식생물로부터 발생한 유기물이 포함된 배출수를 이용하여 소규모 식물의 부가적 생산이 가능하게 고안되어 본 발명의 잔여 유기물을 배출하지 않고 다시 이용함으로서 양식생물과 식물의 생산성 이 크게 증가를 기대할 산업화를 위한 목적이 다르다. 따라서, 수산양식과 아쿠아포닉스에 있어서 어느 한쪽의 생산성에 치우치지 않는 두 생산물의 효율을 극대화하며, 잔여유기물을 전혀 배출하지 않는 친환경 시스템 개발에 그 목적이 있다.
따라서, RAS에서 발생하는 유기물을 BFT를 이용하여 안정된 수질관리 및 유기물 분해로 발생한 영양분을 통해 아쿠아포닉스의 양식과 수경재배식물의 생산성의 향상을 위한 새로운 시스템 개발이 필요하다.
국내 등록특허공보 제10-2019-0040570호에는 어류가 서식되는 수조와 하측에 양액이 흐를 수 있는 유동공간이 형성되며, 상측에 식물이 배치될 수 있는 식물재배부, 상기수조로부터 식물재배부로 양액을 유동시키는 공급유로부 및 상기 식물재배부로부터 수조로 양액을 유동시키는 희귀유로부를 포함하는 아쿠아포닉스 시스템에 관하여 게시하고 있다. 국내 등록특허공보 10-1549217호에는 재배조가 수평축을 중심으로 회전가능하므로 재배조가 연결된 재배조연결축을 수평, 수직, 또는 비스듬히 배치함에 따라 단층, 복층, 또는 계단식재배조를 구성할 수 있으므로 양식장의 환경 및 구조에 따라 공간활용을 극대화 할 수 있고, 다층으로 지속적으로 이어 붙일 수 있으며, 부력재를 재배조 외부틀에 구성하여 단층 부유형 재배조를 구성할 수 있어, 양식장에 공간을 따로 마련하지 않아도 식물 재배와 사육수를 여과 및 정화할 수 있는 단층 부유형 재배조로의 전환을 용이하게 할 수 있어 빌딩양식 이외에도 육상 양식수조, 야외호지에서도 활용이 가능하다. 또한 재배조의 조립 구성을 달리함으로써 재배식물에 맞는 재배조를 용이하게 제작할 수 있는 아쿠아포닉스 식물재배시스템에 관하여 게시하고 있다. 국내 등록특허공보 10-1507057호에는 바이오플락을 이용한 양식수조에서 배수된 사육수를 식물재배 시스템과 여과시켜 양식수조에서 미생물에 미처 분해되지 못한 유기물질을 식물재배에 활용함과 동시에 정화효율을 높인 후, 다시 양식수조에서 재활용할 수 있는 사육수의 내부순환이 가능한 구조로 이루어져 별도의 사육수 보충 없이 수산생물과 농업식물을 생산함으로서 생산경비 절감 및 생산효율을 극대화 시킬 수 있는 도심형 바이오플락 양식시스템에 관하여 게시하고 있다. 국내 등록특허공보 10-1370075호에는 어류의 서식공간을 제공하고, 상기 어류의 생육에 필요한 물이 유입되고 배출되는 수조와 박테리아를 이용하여 상기 수조로부터 유입되는 상기 어류의 배설물을 포함하는 물을 상기 식물의 재배에 필요한 양분을 포함하는 1차양액으로 변환하는 바이오필터, 상기 바이오필터로부터 상기 1차양액을 공급받아 상기 1차양액에 포함된 고형물질을 여과한 2차양액으로 만들어 배출하는 고체여과기와 고체여과기로부터 상기 2차양액을 공급받아 상기 식물을 재배하고, 상기 2차양액에 포함된 상기 양분의 일부가 상기 식물에 흡수되어 제거된 3차양액을 배출하는 식물재배장치로 식물재배장치로부터 배출되는 3차양액을 상기수조로 회수하는 양액회수유로에 관하여 게시하고 있다.
본 발명은 순환여과식 양식시스템 내 BFT를 이용한 수처리 시스템을 추가하여, 아쿠아포닉스에도 활용가능하며 양식생물과 재배식물의 생산성 증대와 효율적인 수질관리 및 무배출수를 통한 산업화에 그 목적이 있다.
본 발명의 순환여과식 양식시스템(Recirculating aquaculture system; RAS)에서 발생한 유기물을 바이오플락(Biofloc Technology; BFT)시스템으로 재활용하는 아쿠아포닉스 시스템은 바이오플락 기술을 이용하여 양식어종을 사육하는 바이오플락 양식시스템; 상기 바이오플락 양식시스템에서 배수된 사육수를 필터링하는 드럼필터; 상기 드럼필터의 필터링 된 사육수가 이동되어 정화되는 순환여과시스템; 상기 드럼필터의 역세수가 이동되어 정화되는 자동여과시스템; 상기 자동여과시스템의 역세수에 산소를 공급 및 혼합하는 바이오플락 발효시스템; 상기 바이오플락 발효시스템에서 이동된 고농도 산소가 혼합된 사육수로 식물 재배가 가능한 식물재배시스템;을 포함하여 이루어지는 것일 수 있다.
본 발명은 순환여과양식시스템 내에 사육하고 있는 양식생물로부터 발생하는 유기물을 이용하여 BFT를 이용하여 수처리를 한 후 재배식물에게 공급되며 식물에 흡수되어 유기물이 사라진 사육수를 다시 양식생물에게 공급되기 때문에 배출수가 전혀 나오지 않는 친환경 시스템이며, 또한 규모에 따라 수조의 추가 및 사육수의 양을 조절 할 수 있어 다양한 모습의 구현이 가능하다.
도 1은 본 발명의 본 발명의 순환여과식 양식시스템(Recirculating aquaculture system; RAS)에서 발생한 유기물을 바이오플락(Biofloc Technology; BFT)시스템으로 재활용하는 아쿠아포닉스 시스템의 개략도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 순환여과식 양식시스템의 사육수조 부분 절개사시도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 미세공기공급관 부분절개 사시도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 드럼필터를 나타낸다.
도 5는 자동 역세가 가능한 유기물 제거 및 산소용해 장치의 결합 시스템이다.
도 6은 본 발명의 바이오플락 발효시스템의 구조 개략도를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 산소용해장치를 나타낸다.
도 8는 바이오플락 발효시스템의 수질변화를 나타낸다.
도 9은 바이오플락 발효시스템으로 유입된 유입수 및 배출수의 그래프를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 식물재배시스템을 나타낸다.
도 11은 순환여과식 양식시스템(Recirculating aquaculture system; RAS)에서 발생한 유기물을 바이오플락(Biofloc Technology; BFT)시스템으로 재활용하는 아쿠아포닉스 시스템의 사육수 순환과정을 나타낸 개략도이다.
본 발명은 순환여과식 양식시스템(Recirculating aquaculture system; RAS)에서 발생한 유기물을 바이오플락(Biofloc Technology; BFT)시스템을 이용한 발효조를 거쳐 아쿠아포닉스 시스템으로 연결되어 다시 순환여과식 양식시스템으로 보내어 재사용하도록 한다. 순환여과식 양식시스템에서 발생한 유기물을 포함한 사육수는 바이오플락 시스템을 이용한 발효조(400)로 보내기 위해서 순환여과식 양식시스템에서 배수된 사육수를 필터링하는 드럼필터(200)를 포함하며, 드럼필터에서 필터링된 사육수의 유기물 양을 조절하기 위한 자동역세 유기 고형물 제거기(300)를 통과하여 바이오플락 시스템을 이용한 발효조(400)로 공급된다.
이하, 구체적인 구성과 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명의 본 발명의 순환여과식양식시스템(Recirculating aquaculture system; RAS)에서 발생한 유기물을 바이오플락(Biofloc Technology; BFT)시스템으로 재활용하는 아쿠아포닉스 시스템의 개략도를 나타낸다. 양식대상종을 사육하고 있는 사육수조(100)를 통과한 배출수가 고형물제거기(101)를 통해 1차적인 물리적 여과를 거쳐 드럼필터(200)으로 이동하여 고형물을 추가 제거한다.
그 후 자동역세 유기고형물제거기(300, 자동여과시스템)를 통하여 곧바로 침전조(610) 혹은 BFT 1차 발효조(421, 422)로 배출수가 이동하며, BFT 1차 발효조를 거쳐 숙성한 사육수의 경우, 2차 발효조(422)에서 BFT 물만들기가 완성되며, 다시 식물재배수조(500)로 BFT 사육수로 수경식물을 재배한다. 식물재배수조를 거친 배출수는 다시 자동역세 유기고형물제거기로 이동되어 침전조(610)로 들어가게 되며, 침전조로 투입된 사육수는 다시 포말분리조(630)와 생물학적여과조(620)를 거쳐 최종 수질정화를 마치게 된다. 정화된 사육수는 다시 정화수 저장조(640)에 보관되어 다시 사육수조로 투입된다.
바이오플락 시스템을 이용한 발효조(400)에서 식물에 사용될 수 있도록 사육수가 발효되면 식물 재배가 가능한 식물재배시스템(500)으로 이동되어 식물성장에 사용되며, 이후 배출된 사육수는 자동역세 유기 고형물 제거기(300)를 통과하여 침전조 및 포말분리조를 거쳐 순환여과식 양식시스템(100)에서 사용될수 있도록 저장조에 저장되어 필요시 순환여과식 양식시스템(100)으로 공급된다.
본 발명의 순환여과시스템(600)은 통상적으로 공지된 침전조(610), 생물학적여과조(620), 포말분리조(630), 정화수 저장조(640)로 이루어질 수 있다. 또한 침전조로 유입된 사육수는 생물학적 여과조 및 포말분리조를 거쳐 일련의 정화과정을 거친 후 정화수 저장조에 저장되었다가 순환여과식 양식시스템(100)의 사육수로서 재공급이 가능하다.
상기 생물학적여과조는 유동성 여과방법으로 생물학적 여과조 내부에 링 또는 공형상의 유동성 여과재가 충진되고, 에어레이션이 이루어질 수 있는 산소공급장치가 설치되며 사육수가 입수되어 여과 후 사육수가 배출될 수 있도록 한다. 이로부터 에어레이션과 유동성을 띈 여과재를 이용하여 용존산소를 늘리는 동시에 암모니어성 질소를 질산성 질소로 전화시키는 질산화 과정에 호기성세균의 활동이 활성화되어 사육수의 정화가 이루어질 수 있다.
도 2는 본 발명의 순환여과식 양식시스템의 사육수조 부분 절개사시도를 나타내고, 도 3은 본 발명의 미세공기공급관 부분절개 사시도를 나타낸다. 순환여과식 양식시스템의 사육수조는 원형 또는 다각형으로 이루어질수 있으며 상기 사육수의 내부 일측면에는 어느 한 측면에는 산소발생기와 연결되어 산소를 공급하는 에어스톤 산소 공급관(20)과 연결되어 사육수의 에어레이션(Aeration)을 개시 및 유지할 수 있는 에어스톤(40)이 하나 이상 설치되고; 상기 양식수조 내부 바닥에서 기포가 발생할 수 있는 통공이 형성된 미세공기공급관(50); 및 미세공기공급관의 일측 또는 양측에 연결되어 미세공급공급관에 공기를 공급하는 공기공급관(30); 수류형성에 동력을 공급하는 수중펌프(60)를 포함하여 이루어지는 것일 수 있다.
에어스톤에 의하여 사육수는 중앙을 중심으로 사육수조의 가장자리를 회전하면서 수류를 형성하게 되므로 사육수 내에 형성되는 고형 덩어리 등은 비교적 수류의 속도가 낮은 사육수조의 중앙에 모이게 된다.
사육수조의 중앙에는 또한 사육수의 수위조절을 위한 배수장치가 설치된다. 바닥에는 배수구가 형성되고 상부에는 배관이 저지될 수 있는 물봉이 설치된다. 사육수 내에 분포하는 고형 덩어리는 특히 물봉의 주변에서 수류의 속도가 저감되면서 하부로 가라앉아 쌓이게 된다.
수중펌프는 사육수를 흡입하여 펌프 배출구를 통해 사육수조 내로 배출하여 사육수를 수조내에서 회전시키며 펌프 배출구에는 필터를 설치하여 대형 고형물을 제거할 수 있으며 밸브(미도시)를 별도로 설치하여 사육수의 교반속도를 조절할 수 있다.
물봉(70)의 하단부에는 물봉의 주변을 둘러 미세공기공급관(50)이 설치된다. 미세공기공급관은 물봉을 원주면을 둘러 설치될 수 있도록 원형의 링 모양으로 형성될 수 있다. 미세공기공급관의 상부 또는 측부에 공기가 배출되는 에어통공(80)이 형성되고, 일측에는 공기공급관(30)이 연결되어 미세공기공급관에 공기를 공급할 수 있다.
공기 공급관으로 공기가 공급되면 물봉 주변으로 기포가 형성되어 사육수의 상부로 올라가면서 물봉 하단부에 축적된 고형 덩어리도 같이 올라가면서 수표면 중앙에 모이게 되어 이를 수거하는 것으로 사육수 내의 고형물을 제거항수 있다.
또한, 원형 수조내 사육수의 물 순환을 돕기 위해 폭기(Aeration)를 위한 에어호스, 산소공급을 위해 산소발생기와 연결하는 에어호스, 에어스톤, 원형 제작이 가능한 유니온호스; 수중펌프로 구성되어 공급되는 산소에 의해 사육수 내의 용존산소량을 높여주며, 사육수가 수조 내에서 골고루 순환하여 침전물이 생기지 않는 구조로 이루어져 있다.
미세공기공급관은 플라스틱, 실리콘 튜브 등으로 구성될 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다. 에어통공은 미세공기공급관의 상부 또는 측부에 형성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 불규칙한 통공이 다수 형성된 다공성 재질로 미세공기공급관을 형성함으로써 미세공기를 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 드럼필터를 나타낸다. 본 발명의 드럼필터(200)는 통상적인 드럼스크린(스크린필터)구조로 일정크기의 사육수 저장이 가능한 공간이 구비된 드럼필터케이스(210)와 상기 드럼필터케이스 어느 한 측에는 RAS 양식시스템에서 배수된 사육수가 내부로 유입되는 입수관(220)이 설치되며, 상기 드럼필터케이스 내부에는 스크린필터(230)가 설치되어 유입된 사육수의 이물질을 제거하며, 상기 입수관과 마주하는 드럼필터케이스 측면에는 배수관(240)이 설치되어 이물질이 제거되는 사육수가 배출되며, 드럼필터케이스 하부에는 스크린필터로 걸러진 이물질이 배출될 수 있는 배출구(250)가 설치되어 이루어질 수 있다.
입수관에는 상기 RAS 양식시스템에서 양식에 사용후 배수된 사육수가 드럼필터케이스 내부로 입수된다. 드럼필터 케이스 내부에는 통상적으로 공지된 구조의 스크린필터가 설치되는데 바람직하게는 다수의 구멍이 형성되어 있는 원통구조의 스크린의 일부가 드럼필터 케이스 내부로 입수된 사육수에 잠기게 한 상태로 계속 회전시켜 사육수에 포함되어 있는 이물질을 회전방향으로 올려 수거하는 필터링 과정이 실시된다. 상기 이물질은 통상적으로 30마이크로미터 이상일 수 있다.
스크린필터 내부를 감압하여 필터 내부로 사육수가 흡입되며 이물질은 필터에 의하여 여과되어 필터 외부에 남게 된다. 이때, 사육수는 내부 유입방향으로 회전과 함께 이동하며 이물질이 걸러진 후 배수관을 통해 배출된다. 또한, 상기 필터 외부에 남아있던 이물질은 필터에서 떨어진 후 드럼필터케이스 하부에 형성된 배출구를 통해 배출된다..
도 5는 자동 역세가 가능한 유기물 제거 및 산소용해 장치의 결합 시스템이다. 사육조로부터 물이 투입되는 입수구(18); 사육수를 여과장치로 이동시켜주는 펌프(17); 그리고 역세 및 여과를 시킬 수 있는 벨브가 설치된 여과기(14); 역세시 세척수의 유입이 가능한 입수구(16); 역세시 세척수의 배출이 가능한 출수구(15); 그리고 여과된 사육수에 산소용해를 시켜주는 산소용해기(12); 산소투입이 가능한 산소투입구(13); 여과수가 이동하는 출수구(11)로 이루어져 있어 산소공급 및 유기물 제거가 가능한 구조로 이루어져 있다.
본 발명의 자동여과시스템(300)은 통상적으로 공지된 사육수여과장치 구조로 상기 드럼필터의 역세수가 유입될 수 있는 유입관과 카트리지필터로 정화된 사육수가 드럼필터로 이동할 수 있도록 배출관이 전, 후방측에 각각 제공된 사각 탱크 형상의 여과수조 내부에 사각판 형상의 카트리지필터(Cartridge filter)를 일정한 간격을 두고 다수 매를 수직 방향으로 삽입되어 이루어질 수 있다.
본 발명의 자동여과시스템은 여과수조로부터 카트리지필터를 매우 손쉽고 용이하게 분리 및 세척할 수 있고, 필요에 따라서는 사육수의 유동방향과 반대되는 방향으로 세척수를 공급시키는 역세척이 가능하며, 기존의 여과장치의 경우 여과수조로부터 여과재를 꺼내어 세척하는 작업이 매우 번거롭고 상기 여과재를 청소하여 여과수조를 다시 사용하기까지 비교적 긴 시간 동안 양식장의 정상적인 운영이 불가능한 문제점있는 문제를 해결할 수 있다.
또한, 카트리지 필터를 통해 정화된 사육수는 드럼필터로 이동되어 순환여과시스템으로 공급된 후 사육수조로 재공급될 수 있고, 카트리지 필터를 거치지 않는 역세수는 바이오플락 발효시스템으로 이동한다. 본 발명의 바이오플락 발효시스템(400)은 바이오플락 발효조(401)와 바이오플락 저장조(402)로 이루어진다.
본 발명에서 지칭하는 용어, 바이오플락(Bio-Floc)은 미생물, 조류, 원생동물 및 미세입자가 뭉쳐져 있는 작은 덩어리를 지칭한다. 바이오플락은 물을 정화하고 사육중인 어류에 영양을 공급한다. 일반 적으로 물고기에 주어지는 사료의 단백질 성분중 실제로 물고기에 의해 소모되는 양은 20~30%에 지나지 않고, 나머지는 물에 녹아 해로운 암모니아 성분으로 변한다.
통상적인 바이오플락(Biofloc Technology; BFT) 시스템에서는 물에 버려지는 질소를 미생물이 다시 섭취하여 플락을 형성하고 그 플락을 물고기가 재섭식 하는 것이다. 작은 바이오플락들은 다시 미생물에 의해서 분비되는 엑스트라 셀룰라 효소에 의해 서로 뭉쳐져 좀 더 큰 플락을 형성하게 되어 육안으로 구분할 수 있는 크기로 발전하며 쉽게 침전된다. 이와 같이 침전되는 경우, 주변의 산소를 급격하게 소모하여 혐기상태가 되며 유독가스를 유발할 뿐만 아니라 바이오플락시스템에서 산소 요구량은 일반 양식시스템에 비해 높아 산소공급에 주의가 필요하다.
바이오플락 발효조 및 저장조의 구조는 동일한 것이며 사육수가 발효조에서 저장조로 이동하게 된다. 이에 상기 발효조의 공급관으로 유입되는 바이오플락 사육수는 자동여과시스템에서 카트리지 필터에 걸러지지 않은 역세수이고, 저장조의 공급관으로 유입되는 바이오플락 사육수는 발효조로부터 공급되는 역세수라 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 바이오플락 발효시스템의 구조 개략도를 나타낸다. 본 발명의 바이오플락 발효시스템은 공급관(410)과, 상기 공급된 바이오플락 사육수가 저장 또는 발효되는 저장조 및 발효조(420), 상기 저장조 및 발효조 내부에는 바이오플락 사육수의 용존산소량 증대와 수류발생을 통한 유기물을 침전방지할 수 있는 산소용해장치(430)와 산소공급장치(550)가 하나 이상 설치되며, 상기 저장조 및 발효조 어느 한 측면에는 발효된 사육수가 저장조로 이동하거나 저장이 완료된 사육수가 식물재배시스템으로 이동할 수 있는 출수관(440)이 설치되며, 상기 저장조 및 발효조 내부에는 저장된 바이오플락 사육수의 수질측정이 가능한 센서부(450)가 설치되어 이루어질 수 있다.
센서부는 온도센서(451), DO센서(452), pH센서(453)를 포함하여 이에 수온, 용존산소량, 수중 pH를 실시간으로 감지하여 식물재배수로서 적정한 수준으로 조절이 되는 경우 조절시킬 수 있다. 또한, 산소공급장치는 상기 에어스톤, 수류발생장치, 미세공기공급관 중 어느 하나 이상의 구성으로 선택될 수 있으나 에어레이션이 가능하다면 이에 한정되지 않는다.
도 7은 본 발명의 산소용해장치를 나타낸다. 수류발생장치는 저장조 또는 발효조에 저장된 사육수를 산소용해기(431) 내부로 수집하기 위하여 사육수 입수장치(432)가 저장조 및 발효조 내부에 포함되어 있다. 사육수를 산소용해기로 수집하고 이를 다시 수조로 배출하기 위한 수압을 생성시키는데 사용되는 순환펌프(433); 산소원으로부터 공급되는 산소를 산소용해기로 유입시켜 주는 산소용해기의 일측면에 위치한 산소유입구(434), 산소용해기 내부에 위치하며, 산소용해기로 유입된 사육수가 수압으로 인하여 통과하며 수많은 기포를 발생시켜 산소유입구를 통하여 공급된 산소와 고효율로 사육수를 혼합하여 용존산소량을 증가시키는 저항판(미도시), 산소와 혼합된 사육수를 다시 발효조 및 저장조로 배출하기 위한 혼합수 공급관(435), 및 상기 배출관과 연결된 발효조 및 저장조 내부에 수류를 발생시켜 주는 수류발생부(436)로 구성된다.
상기 산소유입구에는 밸브를 장착하여 공급하는 산소의 양을 조절할 수 있으며, 수류발생장치에는 밸브를 장착하여 수류분사의 유무 및 분사 세기를 조절할 수 있다. 또한, 모든 부위에는 밸브를 추가적으로 설치하여 모든 단계의 강약을 조절할 수도 있으며, 모든 밸브는 전자밸브를 사용하여 리모콘에 의하여 개폐 및 사용 압력을 조정할 수 있다.
또한, 산소용해기의 일측면에 위치한 산소유입구에는 에어를 공급할 수 있는 에어레이션 펌프, 산소를 공급할 수 있는 고압산소통 등이 연결될 수 있다. 또한, 상기 저항판은 산소용해통의 내부에 가로로 소정 간격을 따라 복수개의 층으로 장착되며, 본체 내부로 유입된 사육수부터 다단계에 거쳐 수많은 기포를 발생시키며 산소유입구를 통하여 공급된 산소와 고효율로 혼합할 수 있기 때문에 사육수에 지속적으로 높은 용존산소량을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 수류발생장치를 장착한 경우, 사육수는 안정적으로 10ppm 이상의 높은 용존산소량을 나타내게 된다. 이에 지속적인 산소공급이 이루어지고 바닥에 슬러지 및 유기물이 축적되는 것이 방지되어 용존산소량 증대 및 유기물 침전 방지 과정이 이루어진다.
본 발명의 바이오플락 발효시스템에서는 자동여과시스템의 카트리지 필터에 필터되지 않은 사육수(역세된 사육수)로 총 부유물질(TSS)와 암모니아성 질소, 아질산성 질소의 함유량이 높은 상태이며 특히 식물재배수조에서 식물이 영양분으로 이용하기 위해서는 총부유물질양이 적어져야 하므로 바이오플락 발효시스템은 TSS 값을 낮추는데 매우 큰 역할을 하게 된다.
발효조에서 1차 물 만들기가 진행되며 이를 통해 순환되는 저장조는 더욱 안정된 바이오플락 사육수 물만들기가 이루어지며 TSS, 암모니아성 질소, 아질산성 질소 값이 식물이 이용하기 용이한 수준으로 낮춰지게 된다.
도 8은 바이오플락 발효시스템에서의 수질변화를 나타낸다. 자동역세유기고형물제거장치의 역세를 통해 BFT 사육수 발효조로 이동되어진 슬러지 및 유기물들은 BFT 타가영양세균의 탄소 및 질소원 등의 영양분으로 쓰이게 되는데, 시간이 지남에 따라 암모니아(TAN-N)와 아질산(NO2 -N)의 증가 및 감소를 통해 수질정화가 일어나며 총 부유성 유기물(TSS) 의 수치 또한 크게 감소함을 알 수 있다. 이로부터 기존의 수경재배 방식에서 식물에 추가적인 액상비료를 공급하는 역할을 대체할 수 있는 장점이 된다.
도 9은 바이오플락 발효시스템으로 유입된 유입수 및 배출수의 그래프를 나타낸다. 아쿠아포닉스 재배를 통한 사육수 수질수치 변화 비교결과(2주) 식물재배기로 들어가는 유입수와 배출수의 차이가 나타남을 확인할 수 있다. 즉, 총 암모니아성 질소(TAN-N, 암모니아성 질소), 아질산성 질소(NO3-N)의 이용량이 나타나며, 이 또한 식물을 통해 암모니아가 제거되며, 아질산성 질소의 경우에는 환수나 혐기조에서만 제거되기 때문에 사육조 및 어류에게 계속 축적이 되는 문제점이 있으나, 수질분석결과 식물이 대량으로 이용하게 되어 아질산성 질소가 20 미만으로 점점 떨어짐을 알 수 있고 이는 어류사육시 사육수로서 매우 이상적인 상태로 변하게 됨을 의미한다.
도 10은 본 발명의 식물재배시스템을 나타낸다. 본 발명의 식물재배시스템(500)은 상기 바이오플락 발효시스템의 바이오플락 사육수가 유입되는 식물재배유입관(510)과, 상기 식물재배유입관과 연결되어 바이오플락사육수가 저장될 수 있도록 공간부가 형성되는 재배대(530), 상기 재배대 상부에는 식물이 고정되어 상기 재배대에 저장된 바이오플락 사육수를 양액으로 이용할 수 있도록 형성된 베드(520)가 설치되며, 상기 재배대 내부에는 산소공급장치(550)가 하나 이상 설치되며, 상기 재배대 하부에는 자동여과시스템과 연결되는 식물재배 출수관(540)이 설치되어 식물재배에 사용된 후의 사육수가 배출되어 자동여과시스템으로 이동하여 여과조를 통과한 후, 저장조로 재공급이 가능하다.
베드에는 통상적인 수경재배 시 재배분이 고정될 수 있는 구조로 형성될 수 있다. 재배분은 충전재로 충전한 후 재배식물이나 식물종묘, 씨앗이 식재된다. 이때, 충전재는 일반적으로 수경재배에 사용되는 암면, 코코피트, 펄라이트 등의 인공 토양이나, 스펀지 또는 스티로폼을 사용할 수 있으며 인공토양의 겨웅 재배식물의 뿌리를 지지시키기에 용이하고 재배수가 되는 사육수의 공형분을 일부 여과할 수 있다. 재배분은 재배수가 재배식물에 충분히 도달할 수 있도록 투과성이 좋은 망지 등의 재질로 형성될 수 있다.
상기 식물재배유입관 및 식물재배출수관에는 유입량 및 출수량을 조절할 수 있도록 밸브가 설치될 수 있다. 상기 출수관과 연결되는 재배대 바닥부에는 중심을 향하여 경사가 형성되는 구배구조로 유기물들은 침전되지 않고 식물재배 출수관을 통해 바로 배출이 가능하다. 산소공급장치는 상기 에어스톤, 수류발생장치, 미세공기공급관 중 어느 하나 이상의 구성으로 선택될 수 있으나 에어레이션이 가능하다면 이에 한정되지 않는다.
기존의 RAS 사육수를 이용한 수경재배의 경우, 직접적으로 RAS 사육수를 재배수로서 공급이 불가능하고 양액농도를 조절한 후 제공되었으나 본원발명의 재배수로서 공급되는 RAS 사육수는 바이오플락 발효시스템을 통해 발효 및 높은 용존산소량이 포함된 사육수로서 일련의 액비화(양액화)과정이 필요가 없다.
또한, 식물재배 유입관으로 유입되는 RAS 사육수에는 슬러지로 발생한 암모니아와 같은 유기물은 식물재배에 필요한 영양소인 질소를 제공함으로써 식물이 유기물질들을 흡수하는 과정을 통해 사육수로 사용하기 전에 정화가 가능한 효과가 있다. 또한, 질소가 제거된 사육수는 자동여과시스템, 드럼필터, 순환여과시스템을 거치며 정화됨으로써 RAS 양식시스템의 사육수로 재활용이 가능하다.
도 11은 순환여과식 양식시스템(Recirculating aquaculture system; RAS)에서 발생한 유기물을 바이오플락(Biofloc Technology; BFT)시스템으로 재활용하는 아쿠아포닉스 시스템의 사육수 순환과정을 나타낸 개략도이다.
본 시스템의 순환 과정은 RAS 양식시스템(100)의 사육수조를 통해 배출되는 사육수가 드럼필터(200)를 거쳐 슬러지 및 유기물을 제거하게 된다. 드럼필터를 통과한 사육수 4가지 순환경로를 거친다
① 드럼필터에서 필터링된 사육수는 순환여과시스템(600)을 거쳐 RAS 양식시스템으로 재공급된다.
② 드럼필터에서 여과되지 않은 슬러지 및 유기물 포함하는 역세수는 사육수 자동여과 시스템(300)으로 이동한다.
③ 사육수 자동여과 시스템(300)의 카트리지 필터에 필터링 된 사육수는 다시 드림필터(200)로 이동하여 슬러지 및 유기물이 다시 제거되며 필터링된 사육수는 상기 ①의 과정으로 RAS 양식시스템으로 재공급될 수 있다.
④ 사육수 자동여과 시스템(300) 통과 후 카트리지 필터에 필터되지 않은 역세수는 바이오플락 발효시스템 및 식물재배시스템을 거친 후 순환여과시스템(600)으로 사육수가 이동하여 RAS 양식시스템으로 재공급될 수 있다.
본 발명은 RAS 사육수를 이용하여 순환여과식 방식을 적용하여 발생하는 유기물을 바이오플락으로 재활용하여 슬러지 및 유기물 제거, BFT 사육수 발효, 식물재배를 일련의 과정을 통해 진행되는 사육시스템이다. 폐쇄회로의 사육수순환으로 외부로부터의 질병 위험성 감소, 지하수 유입 최소화를 통한 가온비용 절감, 배출수가 발생하지 않아 환경문제 예방이 가능하다. 어류사육에서 발생하는 암모니아 및 아질산성 질소의 식물재배를 통한 제거로 어류사육시 발생하는 독성 위험성 감소, 어류사육수를 이용하여 발생하기 유기물 공급을 통한 식물 영양비용 절감, 어류와 식물을 동시 생산할 수 있는 장점이 있다.
RAS와 BFT 및 아쿠아포닉스의 결합을 통해 양식생물과 재배식물의 생산성 증대가 이루어지며 또한 유기물의 완전한 세척을 통해 더욱 효과적인 수질관리를 통해 완전한 물 순환으로 사육수의 공급이 불필요하여 가온비 등 경비를 절감할 수 있는 시스템으로 사용업자의 소득이 크게 향상된다.
100: 바이오플락 양식시스템 10: 사육수조
20: 에어스톤 산소공급관 30: 공기공급관
40: 에어스톤 50: 미세공기 공급관
60: 수중펌프 70: 물봉
80: 에어통공 200: 드럼필터
210: 드럼필터 케이스 220: 입수관
230: 스크린필터 240: 배수관
250: 배출구 300: 자동여과시스템
400: 바이오플락 발효시스템
410: 공급관 420: 저장조(421) 또는 발효조(422)
430: 산소용해장치 431: 산소용해기
432: 사육수 입수장치 433: 순환펌프
434: 산소유입구 435: 혼합수 공급관
436: 수류 발생부
440: 출수관 450: 감지부
451: 온도센서 452: DO센서
453: pH센서
500: 식물재배시스템 510: 식물재배 유입관
520: 베드 530: 재배대
540: 식물재배 출수관 550: 산소공급장치
600: 순환여과시스템
610 ; 침전조 620 : 생물학적여과조
630 : 포말분리조 640 ; 정화수 저장조

Claims (5)

  1. 양식어종을 사육하는 바이오플락 양식시스템(100); 바이오플락 양식시스템에서 배수된 사육수를 필터링하는 드럼필터(200); 상기 드럼필터의 필터링된 사육수가 이동되어 정화되는 순환여과시스템(600);
    상기 드럼필터의 역세수가 이동되어 정화되는 자동여과시스템(300); 상기 자동여과시스템의 역세수에 산소를 공급 및 혼합하는 바이오플락 발효 시스템(400);
    상기 바이오플락 발효시스템에서 이동된 고농도 산소가 혼합된 사육수로 식물 재배가 가능한 식물재배시스템(500);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오플락 발효조와 아쿠아포닉스를 이용한 순환여과식 양식시스템
  2. 제1항에 있어서 상기 바이오플락 양식시스템(100)은 원형 또는 다각형의 사육수조, 상기 사육수조의 내부 일측면에는 어느 한 측면에는 산소발생기와 연결되어 산소를 공급하는 에어스톤 산소공급관(20)과 연결되어 사육수에 에어레이션(Aeration)을 개시 및 유지할 수 있는 에어스톤(40)이 하나 이상 설치되고, 상기 사육수조 내부에 수류형성에 동력을 공급하는 수중펌프(60)를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오플락 발효조와 아쿠아포닉스를 이용한 순환여과식 양식시스템
  3. 제1항에 있어서, 상기 바이오플락 발효시스템(400)은 공급관과, 상기 공급된 바이오플락 사육수가 저장 또는 발효되는 저장조(421) 및 발효조(422), 상기 저장조 및 발효조 내부에는 바이오플락 사육수의 용존산소량 증대와 수류발생을 통한 유기물을 침전 방지할 수 있는 산소용해장치(430)와 산소공급장치(550)가 하나 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 바이오플락 발효조와 아쿠아포닉스를 이용한 순환여과식 양식시스템
  4. 제3항에 있어서, 상기 저장조(421) 및 발효조(422)의 어느 한 측면에는 발효된 사육수가 저장조로 이동하거나 저장이 완료된 사육수가 식물재배시스템으로 이동할 수 있는 출수관이 설치되며, 상기 저장조 및 발효조 내부에는 저장된 바이오플락 사육수의 수질측정이 가능한 센서부가 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오플락 발효조와 아쿠아포닉스를 이용한 순환여과식 양식시스템
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