KR102379735B1 - 에너지제로 생태순환형 농수축산 통합생산시스템 - Google Patents
에너지제로 생태순환형 농수축산 통합생산시스템 Download PDFInfo
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Abstract
양식어류 및 바이오플락 사육수가 저장되는 공간이 마련된 양식수조를 갖는 바이오플락 양식시스템; 일정 면적의 철망바닥부가 지면에 설치되고, 철망 바닥부 가장자리를 둘러싸며 일정 높이의 축사외벽이 형성되며, 축사외벽 상부에는 지붕이 설치되어 내부에 가축 사육공간이 형성되는 축사; 재배식물이 안착된 재배분 및 재배수를 저장할 수 있는 프레임구조의 재배조가 복층 또는 다층구조로 설치되는 식물재배시스템; 상기 바이오플락사육수 공급라인을 매개로 상기 축사 및 식물재배시스템과 연결되어 배수된 바이오플락 사육수가 공급되고, 상기 축사와 식물 재배시스템은 축사분뇨 공급라인으로 연결되며, 상기 식물재배시스템은 바이오플락 양식시스템과 식물재배수 공급라인으로 연결되어 생태순환시스템을 형성하며; 상기 시스템의 가동은 신재생에너지 발전에서 신재생에너지를 에너지 공급원으로 하여 전기에너지를 생산하여 공급되는 것인 에너지제로 생태순환형 농수축산 통합생산시스템을 제공한다.
Description
본 발명은 필요한 에너지를 자연에서 생산하여 얻어 에너지 넷 제로를 구현할 수 있으면서 물을 자연순환시켜 폐수배출없이 유기농 방식의 농, 수, 축산물의 복합적 생산이 가능한 시스템에 관한 것이다. 상세하게는 바이오플락 어류양식시스템과, 가축 사육 공간이 형성되는 축사, 식물재배가 가능한 식물재배시스템이 상호 연결되어, 바이오플락 사육수의 일부를 식물재배시스템으로, 일부는 축사로 보내져 실시간 분뇨처리를 거쳐 식물재배시스템에 보내져 식물성장에 필요한 양분을 제공하고 다시 바이오플락 사육수로 순환될 수 있도록한 에너지제로 생태순환형 농수축산 통합생산시스템에 관한 것이다.
에너지제로기술 또는 제로에너지기술이란 화석연료를 사용하지 않고 필요한 만큼의 에너지를 자연에서 얻은 에너지로 충당하는 기술로 정의되는데, 건축분야에서 많이 활용되고 있으며, 최근에는 제로에너지기술을 넘어 필요한 에너지를 자연에서 생산하는 것을 뛰어넘어 일정구역 내에서 필요한 것보다 더 많은 에너지를 자연에서 생산하는 플러스에너지 기술로 발전하고 있다.
한편, 바이오플락 기술(BioFloc Technology)은 수처리 장치 없이, 종속영양세균(heterotrophic bacteria, 타가영양균) 및 독립영양세균(autotrophic bacteria, 자가영양균)의 유용미생물과 양식어종을 함께 한 수조에서 양식하면서 세균이 사육수 내의 암모니아 등 양식어류에 유해한 물질을 분해시키거나 양식어류가 섭취 가능한 다른 형태의 유기물로 전환시키는 방식으로 사육수내 유해물질을 제거시켜, 환수, 여과, 생물학적 처리, 폭기, 멸균 등의 수처리 공정이 필요 없는 양식방법을 말한다.
바이오플락 기술을 이용하면 조류(algea)에 의한 분해보다 약 10~100배 더 빠른 속도로 유기물질을 분해시킬 수 있어 양식에 적합한 수질의 사육수로 유지할 수 있다. 또한, 이 기술은 양식과정 중 환수 등에 의하여 바이러스, 병원균 및 기생충 등이 유입되는 것을 원천적으로 차단할 수 있는 폐쇄 사육시스템을 만들 수 있어, 바이러스 감염 등을 통제할 수 있으며, 이로 인한 항생제 등의 사용을 획기적으로 저감시킬 수 있다. 또한 육상의 사육시설에서 환경조건을 컨트롤하며 양식어류를 사육할 수 있으므로 계절에 상관없이 양식어류를 생산할 수 있다.
한편, 수질, 토양, 대기오염의 심화로 환경을 보전하고 물질의 자원순환을 활용하여 자연 생태계를 유지 보전할 수 있은 농,축,수산업 분야의 생산 방법이 요구되고 있다.
통상적인 농업 및 축산업의 자연순환 농업은 가축생산중에 발생한 가축분뇨 퇴액비를 작물 생산에 적용하여 지력증진 및 토양개량에 활용함으로써 화학비료를 저감하도록 하고, 생산된 작물은 친환경 사료로서 가축에게 공급되는 시스템이다. 이에 선행문헌으로는 국내 등록실용신안공보 제20-0410605호에 축산분뇨 및 폐수와 슬러리를 이용한 에너지 생산과 유기질 비료 제조장치에 관하여 게시하고 있다.
축산업의 환경오염원으로는 가축분뇨가 대표적이고 이 중 83.2%가 퇴,액비로 자원화되어 활용되고 나머지는 정화방류, 해양배출 등의 방법으로 처리되었으나 해양배출의 경우에는 전면 중단된 실정이며, 상기 퇴액비 생산, 유통 과정 중에 악취와 같은 문제점이 있다.
농업 및 수산 분야의 생태순환형 양식방법인 아쿠아포닉(Aquaponics)이 있다. 아쿠아포닉이란 양식(aquaculture)과 수경재배(hydroponics)를 합친 말로, 순환여과식 어류양식 시스템과 수경재배 시스템을 결합시켜 하나로 통합한 양식 기술을 가리킨다.
기존의 순환여과식 시스템에서는 고밀도의 어류를 적은 양의 양식수를 재이용하여 양식한다. 이때 독성을 제거하여 물을 재사용하는데, 이 횟수가 거듭됨에 따라 무독성 영양분과 유기물질이 축적된다. 반면 폐쇄 순환여과식 시스템에서는 일일 환수량이 5% 미만으로 아주 적어 용존 영양분이 축적되면서 수경재배에서 사용하는 영양액의 농도에 가까워진다.
어류가 직접 배설 또는 분비하는 물질과 이를 미생물이 분해함으로써 발생되는 용존 영양물 질은 식물이 빠르게 성장하도록 돕는 역할을 하므로, 어류의 대사부산물을 부가적인 작물재배에 이용함으로써 경제적 가치를 창출하거나 수질관리측면에서 어류생산시스템에 유익을 가져올 수 있다. 즉, 어류 배설물이 작물에게는 유기농비료가 되고 작물은 자연적으로 물을 여과해준다. 이에 유사한 선행문헌으로는 국내 등록특허번호 제10-1774048호에는 아쿠아포닉 방식의 양식수 순환 농법시스템에 관하여 게시하고 있다.
현재 제로에너지하우스, 제로에너지 마을, 에너지제로시티 등 태양광, 지열, 바이오가스 등을 이용하여 전기를 생산하고 에너지 자립을 시도하는 사례가 있고, 농업과 수산양식업에서 물을 순환시켜 사용하려는 시도도 있다. 그러나 일정구역내에서 제로에너지를 달성하면서 동시에 폐수 배출없이 물을 실시간으로 순환시켜 농,축,수산물의 생산을 동시에 복합적으로 실시할 수 있는 시스템 개발은 전무한 실정이다.
본원발명에서는 에너지 관점에서 일정 구역내에 사용이 필요한 에너지를 동일구역내 자연에서 생산하여 일정 구역내에서의 에너지 소비량 = 에너지 생산량(제로에너지 시스템) 또는 에너지 소비량 < 에너지생산량(플러스에너지 시스템)을 구현할 수 있고, 1차생산 관점에서 일정 구역내에 바이오플락 어류양식이 이루어지는 바이오플락 양식시스템과, 가축 사육 공간이 형성되는 축사, 식물재배가 가능한 식물재배시스템이 상호 연결되어, 바이오플락 사육수의 일부를 식물재배시스템으로 보내 양액이나 비료없이 식물생산을 할 수 있으며, 식물생산에 이용된 물은 다시 바이오플락 양식 사육수로 순환되어 이용될 수 있고, 바이오플락 사육수의 일부는 축사로 보내져 실시간 분뇨처리를 거쳐 식물재배시스템에 보내져 식물성장에 필요한 양분을 제공하고 다시 바이오플락 사육수로 순환될 수 있어서 축산폐수에 의한 악취문제와 폐수처리 문제도 동시에 해결 가능한 에너지제로 생태순환형 농수축산 통합생산시스템을 제공하고자 한다.
본 발명은 환경과 에너지와 식량이 더욱 중요해지는 미래시대를 대비하여, 화석연료를 사용하지 않는 신재생에너지 생산시스템과, 미생물 분해 기능을 활용한 무배출 생태 바이오플락 양식 시스템과, 양액이나 비료, 농약을 사용하지 않고 바이오플락 양식 사육수로만 운영되는 식물재배시스템과, 바이오플락 사육수로 분뇨처리되어 악취가 나지 않고 축산폐수가 배출되지 않는 축사 시스템으로 이루어진 에너지제로 에너지제로 생태순환형 농수축산 통합생산시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지제로 생태순환형 농수축산 통합생산시스템은 양식어류 및 바이오플락 사육수가 저장되는 공간이 마련된 양식수조와 상기 양식수조 내부에는 바이오플락 사육수에 공기 공급 및 수류를 형성하는 벤추리장치가 설치되는 바이오플락 양식시스템; 일정 면적의 철망바닥부가 지면에 설치되고, 상기 철망 바닥부 가장자리를 둘러싸며 일정 높이의 축사외벽이 형성되며, 상기 축사외벽 상부에는 지붕이 설치되어 내부에 가축 사육공간이 형성되는 축사; 재배식물이 안착된 재배분 및 재배수를 저장할 수 있는 프레임구조의 재배조가 복층 또는 다층구조로 설치되는 식물재배시스템; 상기 바이오플락 양식시스템은 바이오플락사육수 공급라인을 매개로 상기 축사 및 식물재배시스템과 연결되어 배수된 바이오플락 사육수가 공급되고, 상기 축사와 식물 재배시스템은 축사분뇨 공급라인으로 연결되며, 상기 식물재배시스템은 바이오플락 양식시스템과 식물재배수 공급라인으로 연결되어 생태순환시스템을 형성하며; 상기 시스템의 가동은 신재생에너지 발전에서 신재생에너지를 에너지 공급원으로 하여 전기에너지를 생산하여 공급되는 것일 수 있다.
철망 바닥부 하부에는 분뇨 수집부가 설치되고, 분뇨 수집부 바닥은 일정방향으로 경사가 형성되며, 분뇨 수집부 하부에는 수처리시스템이 설치되며, 상기 분뇨 수집부의 경사 말단부에는 상기 수처리시스템에 분뇨가 이동할 수 있도록 이동파이프가 설치되는 것일 수 있다. 분뇨 수집부 및 가축 사육공간에는 바이오플락사육수 분사장치가 설치되어 분뇨 수집부의 경사면 또는 철망 바닥부에 바이오플락 사육수를 분사하는 것일 수 있다.
본 발명의 시스템 전력은 신재생에너지를 에너지 공급원으로 전력을 생산하여 지구온난화에 영향을 미치는 화석연료사용을 줄일 수 있으며, 에너지 공급에 따른 비용을 감소시키고 상기 에너지원은 친환경적인 것으로 환경오염의 원인발생을 막을 수 있다.
또한, 본 발명의 생태순환 농수축산 통합생산시스템은 생산과정에서 발생하는 가축분뇨, 양식 사육수 슬러지 등을 식물생산에 활용하고 순환시킴에 따라 폐수발생 및 배출을 억제시키고, 양액, 비료, 농약 및 항생제를 사용하지 않아 비용이 절감되고 식품안전성이 향상되며, 생산면적의 효율적 사용, 폐수처리시설의 축소 등으로 생산 효율 또한 증가시킬 수 있어, 미래의 환경파괴문제, 에너지고갈문제, 식량부족문제에 크게 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 에너지제로 생태순환형 농수축산 통합생산시스템 개략도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 축사 측면도를 나타낸다.
도 3은 수생식물 생산장치가 설치된 바이오플락 시스템이 포함된 에너지제로 생태순환형 농수축산 통합생산시스템을 나타낸다.
도 4는 수중식물 생산장치 및 회전장치 사시도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 수중식물 생산장치 사시도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 수중식물 생산장치 사시도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 축사 측면도를 나타낸다.
도 3은 수생식물 생산장치가 설치된 바이오플락 시스템이 포함된 에너지제로 생태순환형 농수축산 통합생산시스템을 나타낸다.
도 4는 수중식물 생산장치 및 회전장치 사시도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 수중식물 생산장치 사시도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 수중식물 생산장치 사시도를 나타낸다.
이하, 본 발명의 에너지제로 생태순환형 농수축산 통합생산시스템과 관련한 도면을 첨부하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 에너지제로 생태순환형 농수축산 통합생산시스템 개략도를 나타낸다. 본 발명의 에너지제로 생태순환형 농축수산 생산시스템은 양식어류 및 바이오플락 사육수가 저장되는 공간이 마련된 양식수조와 상기 양식수조 내부에는 바이오플락 사육수에 공기 공급 및 수류를 형성하는 벤추리장치가 설치되는 바이오플락 양식시스템; 일정 면적의 철망바닥부가 지면에 설치되고, 상기 철망 바닥부 가장자리를 둘러싸며 일정 높이의 축사외벽이 형성되며, 상기 축사외벽 상부에는 지붕이 설치되어 내부에 가축 사육공간이 형성되는 축사; 재배식물이 안착된 재배분 및 재배수를 저장할 수 있는 프레임구조의 재배조가 복층 또는 다층구조로 설치되는 식물재배시스템; 상기 바이오플락 양식시스템은 바이오플락사육수 공급라인을 매개로 상기 축사 및 식물재배시스템과 연결되어 배수된 바이오플락 사육수가 공급되고, 상기 축사와 식물 재배시스템은 축사분뇨 공급라인으로 연결되며, 상기 식물재배시스템은 바이오플락 양식시스템과 식물재배수 공급라인으로 연결되어 생태순환시스템을 형성하며; 상기 시스템의 가동은 신재생에너지 발전에서 신재생에너지를 에너지 공급원으로 하여 전기에너지를 생산하여 공급되어 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 신재생에너지 발전부(100)는 신재생에너지를 에너지 공급원으로서 발전을 하여 전력을 생산하는 장치 구성부를 포함하여 이루어질 수 있다. 본 발명에서 지칭하는 용어, 신재생에너지는 기존에 공지된 신에너지와 재생에너지를 포함하는 것으로 구체적으로는 기존의 화석연료를 변환하여 이용하거나, 햇빛, 물, 강수, 생물 유기체 등 재생 가능한 에너지를 변화하여 이용하는 에너지를 포함한다. 재생에너지는 태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 수력 등을 포함할 수 있고, 신에너지는 연료전지, 수소에너지 등이 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 실시예로서 신재생에너지 발전부는 태양광 발전장치로 형성된다. 태양광 발전장치는 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지판과, 상기 태양전지판에서 변환된 전기에너지를 저장하는 축전장치와, 상기 축전장치에 저장된 직류전원을 교류전원으로 변환하는 인버터와, 상기 태양전지판에서 발생된 전기에너지의 조절 및 축전장치의 과충전 및 과방전을 보호하는 전력 조절기를 포함할 수 있다.
신재생에너지 발전부는 무한정, 무공해의 자연에너지를 이용함으로 별도의 전력요금이 불필요하고, 대기오염이나 폐기물 발생이 없는 친환경적인 시스템으로, 기계적인 진동과 소음이 발생하지 않으며, 운전 및 유지관리에 따른 비용을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 2는 본 발명의 축사 측면도를 나타낸다. 본 발명의 축사(200)는 일정 면적의 철망바닥부(240)가 지면에 설치되고, 상기 철망바닥부 가장자리를 둘러싸며 축사외벽(220)이 형성되고, 상기 축사외벽 상부에는 지붕(210)이 설치되어 내부에 가축을 사육되는 가축 사육공간(230)이 형성될 수 있다. 상기 가축 사육공간에 저장되는 가축은 통상적으로 식육을 목적으로 하여 축사에서 사육하는 유제류와 설치류, 식육류, 조류 등이 포함될 수 있다.
상기 철망바닥부(240)를 망구조로 이루어지고, 하부에는 분뇨 수집부(250)가 설치된다. 이에 상부에 서식하는 가축의 분뇨가 망을 통해 하강하여 하부에 설치된 분뇨 수집부로 수집될 수 잇다.
분뇨 수집부 하부 바닥은 일정방향으로 경사가 형성된 구조로 상부에 설치된 철망 바닥부를 통과한 분뇨가 경사를 따라 이동할 수 있도록 하고, 경사 말단부에는 바이오플락 사육수와 함께 경사를 따라 이동한 분뇨가 수처리시스템(260)으로 이동할 수 있도록 이동파이프가 설치될 수 있다.
분뇨 수집부 및 가축사육 공간에는 바이오플락 사육수 공급라인(10)과 연결되어 바이오플락 시스템에서 배수된 바이오플락 사육수가 분사될 수 있는 바이오플락 사육수 분사장치(231)가 설치될 수 있다.
상기 바이오플락 사육수 분사장치가 가축사육 공간에 설치되는 경우에는 철망 바닥부를 향하도록 설치되어 철망 바닥부로 분뇨가 통과하기 용이하도록 한다. 또한, 분뇨 수집부에 설치되는 경우에는 상기 하부 바닥의 경사면에 분사되도록 설치하여 상기 분뇨가 바이오플락 사육수와 함께 경사를 따라 씻겨져 내려갈 수 있도록 한다.
상기 바이오플락 사육수 분사장치로 분뇨와 바이오플락 사육수와가 조우하고, 이에 따라 바이오플락 사육수에 포함되어 있는 미생물은 분뇨에 포함되어 있는 유기질 등을 분해시켜 통상적인 축사에서 발생하는 악취를 저감시킬 뿐만 아니라 후술 할 식물 재배시스템에 액비로 즉각 공급될 수 있도록 단시간에 부숙시킬 수 있다.
통상적인 분뇨의 액비화에는 호기적 처리 및 혐기적 처리가 이루어지고 이때, 혐기 또는 호기 미생물을 활성화시켜 유기물을 분해시키고 부숙하여 유기질 액상 비료가 되도록 미생물 첨가제가 필요하다.
그러나, 본 발명의 바이오플락 사육수에는 미생물이 포함되어 분뇨 발생과 동시에 즉각적으로 함께 씻겨져 내려감에 따라 분뇨에 포함되어 있는 유기질 분해가 활성화되고, 부숙기간 단축이 가능하여 실시간 처리 및 활용이 가능하다. 이에 따라 기존의 부숙기간 동안 발생하는 가스 및 악취가 감소하고 즉각적인 분뇨제거가 가능하여 축사 내에 장기간 분뇨방치 시 발생하는 가스의 발생을 저감시키고 지속적인 청결유지가 가능하다.
본 발명의 수질 처리시스템(260)은 통상적인 상면여과구조로서, 상기 이동파이프를 통해 이동한 분뇨 및 바이오플락 사육수가 수집될 수 있는 공간이 포설되는 저장조와, 상기 저장조에는 분뇨 및 바이오플락 사육수가 이동하면서 영양염이 제거될 수 있는 수류저감벽이 하나 이상 일정 간격으로 설치되어 이루어질 수 있다.
상기 수류저감벽은 판형상으로 저장조 내부가 이중격벽의 역저면 상면여과 구조를 형성할 수 있도록 저장조의 상측 또는 하측과 수직하도록 수류저감벽 일단이 연결 설치되어 이루어진다.
수류저감벽의 높이는 저장조 높이보다 짧은 길이로 형성되어 저장조 내부로 이동한 분뇨 및 바이오플락 사육수가 이웃하는 수류 저감벽 및 이격공간으로 이동할 수 있는 분뇨 및 바이오플락 사육수 이동부가 형성된다.
이에 상기 수류저감벽에 의해 형성되는 분뇨 및 바이오플락 사육수 이동부는 상부와 하부로 교차되며 형성되고, 수질처리시스템의 측단면구조는 지그재그 형상의 이동통로 구조를 형성한다.
상기 이동통로에는 물리적 여과를 할 수 있는 재질의 여과재(261)가 충전될 수 있다. 물리적 여과재는 활성탄, 활성 알루미나, 제올라이트, 규조토, 규산염, 규산알루미늄, 티탄산염, 골탄, 칼슘 히드록시아파티트, 산화망간, 산화철, 산화마그네슘(magnesia), 퍼라이트, 탈크, 중합체 미립자, 점토, 요오드 수지, 이온교환 수지, 세라믹 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
수류저감벽은 저장조로 입수되는 바이오플락 사육수 및 분뇨가 상기 지그재그 형상의 이동통로를 따라 흐르면서 여과재에 여과되는 시간을 상대적으로 길어지게 하여 바이오플락 사육수의 미생물이 분뇨에 포함된 영양염을 분해시킬 수 있는 충분한 시간 부여 및 여과효율을 높일 수 있도록 한다.
최후단에 설치된 수류저감벽이 설치된 공간 하부에는 식물재배시스템과 연결되는 축사분뇨 공급라인(20)이 설치된다. 상기 축사분뇨 공급라인을 통해서 식물재배시스템에 공급되는 가축분뇨는 수질처리시스템을 통과하면서 바이오플락 사육수에 의해 발효되고, 부유물질 함량이 여과되었으며, 무기이온함량이 감소된 상태의 발효액비가 공급될 수 있다.
통상적인 가축분뇨는 각종 영양분을 골고루 함유하고 있어 작물에게 영양소공급, 탄산가스, 생육성장촉진 물질을 포함하여 식물재배 시에 양액 성분으로 사용할 수 있다. 그러나 통상의 가축분뇨 액비는 부유물질의 밀도감소 및 유기질 분해에 따른 부숙기간이 필요하나, 본 발명에 따라 제공되는 상기 발효액비는 바이오플락 사육수와 융합됨에 따라 여과와 동시에 부숙작용이 발생하여 단시간에 발효액비 제공이 가능하고, 슬러지로 처리되는 분뇨를 식물재배에 활용함으로써 별도의 화학비료 및 시비구입에 따른 비용을 아낄 수 있다.
본 발명의 식물재배시스템(300)은 통상적인 수경재배시스템으로 이루어질 수 있다. 본 발명에 따른 일 실시예로서 식물재배시스템은 재배 식물이 안착된 재배분 및 재배수를 저장할 수 있는 프레임구조의 재배조가 복층 또는 다층구조로 설치되어 이루어질 수 있다.
상기 재배조는 바이오플락 사육수 공급라인과 연결되어 바이오플락 사육수가 재배수로서 공급되고, 축사분뇨 공급라인이 연결되어 발효액비가 공급되며, 식물재배수 공급라인이 바이오플락 시스템과 연결되어 재배식물이 재배수에 포함되어 있는 어류 및 축사 배설물 등의 유기물에서 영양을 섭취한 후 어류에 유해한 암모니아를 정화시켜 바이오플락시스템의 사육수로 재공급할 수 있다.
상기 재배수는 바이오플락 기술에 의한 미생물 분해로 1차 정화과정을 거치고 1차 정화가 된 사육수이다. 축사에서 발생한 분뇨는 바이오플락 사육수와 합쳐져 발효된 액비로 제공된다. 이에 바이오플락 시스템에서 배수된 바이오플락 사육수는 재배수 및 액비로 재활용되며, 식물재배시스템에서 재배된 식물은 양어 및 축사 사료로 생산되어 제공될 수 있으므로 본 발명은 친환경적 생태순환 시스템이 가능하다.
재배분은 충전재로 충전한 후 재배식물이나 식물종묘, 씨앗이 식재된다. 이때 충전재는 일반적으로 수경재배에 사용되는 암면, 코코피트, 펄라이트 등의 인공토양이나, 스펀지 또는 스티로폼을 사용할 수 있으며, 인공토양의 경우 재배식물의 뿌리를 지지시키기에 용이하고 재배수가 되는 사육수의 고형분을 일부 여과할 수 있다. 재배분은 재배수가 재배식물에 충분히 도달할 수 있도록 투과성이 좋은 망지 등으로 이루어지는 것이 적절하다.
일실시예에 따른 상기 식물재배시스템에서 재배되는 재배식물은 개구리밥이 포함될 수 있다. 개구리밥은 단자엽의 개구리밥 과(Lemnaceae)에 유일하게 속하는 식물이다. 이의 5가지 속 및 38가지 속의 식물들은 모두, 식물지리학적으로 전 세계적으로 분포되어 있고, 자유롭게 부유하는 담수 식물이다.
개구리밥의 성장 습성은 미생물 배양 방법에서 다루고 있다. 효모의 무성 번식과 유사한 거시적인 방식으로, 식물은 새로운 잎의 무성적인 출아를 통해 빠르게 증식한다. 이러한 증식은 분열 세포로부터 식물 발아에 의해 이루어진다. 분열 부위는 작으며 잎의 하단면에서 발견된다.
분열 세포는 잎의 주간엽맥(midvein) 양쪽에 위치한 두개의 포켓에 있다. 작은 주간엽맥 부위에서 또한 뿌리가 시작되고, 작은 주간엽맥은 각 잎을 그 모체 잎에 연결시키는 줄기가 발생되는 부위이다. 분열 포켓은 조직 플랩(flap)에 의해 보호된다. 잎은 이들 포켓에서 엇갈리게 발아한다. 2배 증식되는 시간(Doubling time)은 종에 따라 다양하며, 짧게는 20-24시간이다. 여러 조건에서 증식시킨 다수 개구리밥 종의 단백질 함량은, 건중량의 15-45% 인 것으로 보고된 바 있다
본 발명의 바이오플락 시스템(400)은 통상적인 바이오플락 기술이 접목된 양식시스템을 포함할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따라 구현된 바이오플락 시스템은 양식어류 및 바이오플락 사육수가 저장될 수 있는 공간이 마련된 양식수조와, 상기 양식수조 내부에는 바이오플락 사육수에 공기 공급 및 수류를 형성하는 벤추리 장치가 설치되고, 일측에는 상기 식물재배시스템에서 이동한 재배수가 공급되는 식물재배수 공급라인(30)과, 축사 및 식물 재배시스템에 바이오플락 사육수가 배수되어 공급될 수 있는 바이오플락 사육수 공급라인(10)이 설치될 수 있다.
본 발명에서 지칭하는 용어, 바이오플락 기술(BioFloc technology)은 종속 영양세균과 양식어종을 함께 양식하여 종속 영양세균이 수조물속의 유기부산물을 조류(algae)보다 10~100배 빨리 분해하여 물을 정화시킴으로서 종속 영양세균에 분해된 유기부산물은 다시 양식 어종에 단백질 먹이가 되어 물 교환 및 수처리 등의 여과 과정이 필요 없는 양식방법이다.
보다 상세하게는 양식 중 발생하는 암모니아가 식물성 플랑크톤, 질화세균, 타가영양세균의 세가지 경로에 의해 제거되는데, 바이오플락 기술은 광합성 및 자가 영양 미생물이 우점하는 군집을 타가영양 미생물이 우점하는 군집으로 전환시킴으로써 양식활동에서 발생하는 유해성 암모니아와 아질산성 질소를 보다 효율적으로 제거하여 생물생산에 활용할 수 있다.
바이오플락 사육수에는 보통 소비되지 않은 사료 찌꺼기, 광합성 박테리아, 부착조류, 타가영양박테리아, 식물성 플랑크톤, 동물성 플랑크톤, 요각류, 선충류, 원생동물류 등과 이들의 사체 등이 한데 엉켜있는 덩어리로, 80% 이상이 유기물이고, NaNO3와 Na, P, Si, Fe, Cu, Mo, Zn, Co, Mn 등의 무기염류와 비타민 B12, 비오틴 등이 선택적으로 포함될 수 있다.
성분으로는 조단백질이 25~41%, 조지방 2~3% 조회분 20~30%을 함유하며, 특히, 고도의 불포화지방산, 카로티노이드, 인, 메티오닌, 리신과 아르기닌 등의 아미노산류까지 포함되어 있다.
상기 플락(floc)은 미생물 및 분해사료 집합체로서 자체가 미생물과 영양원이 풍부하다. 또한, 바이오플락 슬러지는 광합성 박테리아, 부착조류, 타가영양박테리아, 식물성 플랑크톤, 동물성 플랑크톤, 요각류, 선충류 등과 기타 찌꺼기가 포함되어 있다.
본 발명에 따른 바이오플락 사육수는 양식어류를 사육하고 난 후, 바이오플락 사육수 공급라인으로 배수되어 식물재배시스템 및 축사로 공급된다. 축사로 공급된 바이오플락 사육수는 분뇨의 액비화를 활성화시키고, 식물재배시스템으로 공급된 바이오플락 사육수는 아쿠아포닉 시스템을 형성할 수 있도록 한다.
본 발명에서 지칭하는 용어, 아쿠아포닉은 아쿠아포닉(Aquaponics)은 물고기 양식(Aqualculture)과 수경재배(Hydroponics)를 융합한 기술을 지칭할 수 있다. 수조에서 물고기를 키우고, 물고기 배설물과 소진되지 않은 물고기 사료 등 사육수의 수질을 악화시킬 수 있는 오염원을 순환시켜 수경재배하는 식물에게 공급하며, 식물의 뿌리는 물속의 녹아든 물고기 배설물 등의 유기물에서 영양을 섭취하고 물고기에 유해한 암모니아를 정화시켜 물고기에게 깨끗한 물을 돌려주는 시스템이다.
본 발명에 따른 바이오플락 시스템에는 수생식물을 함께 저장하여 성장시킬 수 있다. 도 3은 수생식물 생산장치가 설치된 바이오플락 시스템이 포함된 에너지제로 생태순환형 농축수산 생산시스템을 나타낸다.
본 발명의 실시예 1에 따른 바이오플락 시스템은 다각형의 수조바닥을 일정높이의 수조외벽이 둘러싸며 바이오플락 사육수 및 양식어류가 저장되는 양식공간이 구비된 양식수조(401); 상기 양식수조 중심부에는 회전장치(402)가 수조바닥과 수직하게 설치되며; 상기 회전장치 최상단에 설치되어 회전 장치의 설치방향을 중심축으로 하여 회전하는 수중식물 생산장치(403)와; 상기 양식수조 일측에는 산소공급 및 수류를 형성하는 벤추리 장치(404)와 식물재배수 공급라인(30)이 설치되며; 상기 양식수조 하부에는 바이오플락 사육수 공급라인(10)이 설치되어 이루어질 수 있다.
본 발명의 양식수조(401)는 다각형의 수조바닥을 일정높이의 수조외벽이 둘러싸며 상부가 개구되고, 내부공간이 형성되어 바이오플락 사육수와 양식어류가 저장될 수 있다. 바람직하게는 양식수조는 원형수조가 적절한데 이는 후술 할 수중식물 생산장치가 수조 내에서 용이하게 회전운동을 할 수 있도록 하기 위함이다.
본 발명에 따른 수중식물을 바람직하게는 군체형성 미세조류 및 동물 플랑크톤이 포함될 수 있다. 이때, 상기 수중식물이 성장할 수 있도록 바이오플락 사육수에는 군체형성 미세조류 및 동물 플랑크톤 접종물이 포함될 수 있다.
본원 발명에 저장되는 군체형성 미세조류로는 바람직하게는 부유 미세조류가 적절하다. 이는 후술 할 수집장치가 부유한 미세조류를 수집하여 배양하기 용이하도록 하기 위함이다.
부유생물은 다종다양하며, 특히 동물에서는 거의 모든 동물들이 나타나는데, 갑각류에 속하는 지각류(물벼룩 류), 요각류(류)가 많고, 식물에는 남조류, 편모조류, 규조류가 있다. 미세조류(microalgae)는 상기 조류 중에서 광합성 색소를 가지고 광합성을 하는 단세포 생물들에 대한 통칭으로, 규조, 녹조, 남조, 부착조류 등을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 군집형성 미세조류의 실시예로서 Pseudokirchneriella subcapitata, Scenedesmudus subspicatus, Arthrospira plantensis, diatom 등으로 이루어질 수 있다. 상기 미세조류는 군체를 형성하여 후술 할 수집장치에 걸러져 축적됨과 동시에 배양이 가능하도록 하기 위함이다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 동물성 플랑크톤은 로티퍼(Rotifer) 또는 알테미아(Artemia), 물벼룩(Daphnia), 요각류(Copepods), 단각류(Amphipods), 또는 원생동물(Protozoa)일 수 있다. 실시예에 언급된 동물성 플랑크톤은 양식 종묘산업에서 자어, 치어 등의 기초 먹이로 이용되는 먹이 생물의 종류이다.
양식수조는 상부가 개구되어 태양광의 조사에 의해 군체형성 미세조류 및 동물성 플랑크톤이 배양될 수 있다. 태양광 조사에 의해 배양이 이루어지는 경우, 수조외벽은 최대 1m 이내로 형성되는 것이 적절하나, LED 광원을 추가적으로 설치함으로써 태양광 조사의 한계를 극복할 수 있다.
양식수조의 수조바닥 측면에는 회수수조에서 군체형성 미세조류 및 동물성 플랑크톤을 배양하고 난 후, 유기질 및 무기염류가 일부 제거된 바이오플락 사육수를 배수되어 축사 및 식물재배시스템으로 이동할 수 있도록 바이오플락사육수 공급라인이 설치될 수 있다.
미세조류는 단백질(미세조류 건조 중량의 45~60%), 핵산, 및 인지질합성을 위해 질소와 인을 필요로 하여 상당량의 영양염류를 체내로 흡수하고, 영양염류의 제거로 광합성과정에서 pH의 증가가 유발되기 때문에 암모니아의 탈기 또는 인의 침도를 유도한다. 또한, 필요한 산소는 조류의 광합성을 통해 공급 받으므로 동력비가 절감되고, C/n비 조절을 위한 탄소원을 공급해 줄 필요가 없다.
또한, 통상적인 조류의 배양에 있어서 주로 질소원으로 사용되는 것은 암모늄염(ammoniumsalt), 질산염(nitrate), 요소(CO(NH2)2, urea)가 있다. 암모늄염과 질산염을 질소원으로 사용할 경우, 조류의 성장에 따라 pH가 변하게 되는데, NO3--N 이온을 흡수할 경우에는 pH가 증가하게 되고, NH4+-N를 소비할 경우에는 pH가 감소하게 된다. 질소 이외에 중요한 영양소로는 인이 있다. 인은 모든 생물의 대사 과정에서 중요한역할을 한다. 인은 수용액 상에서 주로 무기인인 H2PO4- 또는 HPO42-의 형태로 존재한다.
이에 따라 본 발명에 따라 군체형성 미세조류 및 동물성 플랑크톤의 배양시에 배양수로 이용되는 바이오플락 사육수에 무기염류 및 영양성분이 다량 포함되어 있으므로 별도의 영양염을 공급하지 않고, 배양하고 배수되는 바이오플락 사육수는 영양염류 및 질소원이 제거되어 바이오플락사육수 공급라인으로 배수될 수 있다.
벤추리 장치(404)는 통상적으로 양식장에 설치되는 에어레이션 또는 에어리프트 방법을 이용할 수 있는 장치로 형성될 수 있다. 통상의 에어레이션이라 함은 에어펌프로 공기로 보내주고 에어스톤을 사용하여 공기를 미세한 거품을 만들어 물 밑에서 뿜어 주어 산소를 물 속에 녹아들도록 하는 장치이고, 에어 리프트는 에어 펌프로부터 수중에 공기를 보내어 그 공기 거품의 상승하는 힘을 이용하여 물을 움직이는 장치를 지칭한다.
벤추리 장치는 미세조류 및 플랑크톤을 부유시킴과 동시에 수집장치에 수집될 수 있는 수류를 형성함은 물론 회전장치가 수류에 의해 회전운동할 수 있는 동력을 제공할 수 있다.
도 4는 수중식물 생산장치 및 회전장치 사시도를 나타낸다. 본 발명의 회전장치(402)는 봉 구조의 회전축의 형상으로 수조바닥과 수직하게 설치되고, 상기 회전장치 최하단부에는 베어링이 설치되어 설치방향을 중심으로 회동이 가능하다. 상기 회전장치에는 동력장치가 연결되어 회전축이 자체적으로 회전이 가능하게 할 수 있고, 수류에 의해 회전이 가능하도록 할 수 있다.
회전장치의 최상단부에 수중식물 생산장치(403)의 장착 및 분리 가능하도록 연결프레임(61)이 설치될 수 있다. 수중식물 생산장치는 임펠러 형상의 틀프레임이 형성되고 수류 형성 방향과 동일한 어느 한 측면에는 경사프레임이 형성되며, 상기 틀프레임 내부에는 미세조류 및 동물 플랑크톤이 걸러질 수 있는 망목크기의 배양망이 형성될 수 있다.
틀프레임은 스티로폴 또는 플라스틱과 같이 물의 표층에 부유할 수 있는 재질로 형성되거나, 연결프레임에 고정되어 물 표층에 부유할 수 있도록 유지시킬 수 있도록 한다.
틀프레임의 임펠러 형상은 통상적인 프로펠러와 같이 회전방향과 반대로 절곡부가 형성되어 회전 시 저항을 최소화할 수 있는 구조가 적절하다. 또한, 틀프레임의 일측에는 연결프레임에 고정될 수 있도록 고정장치가 형성되는 것이 적절하다. 본 발명의 일실시예에 따른 고정장치와 연결프레임은 슬라이드 고정 가능하도록 돌기 및 홈구조로 형성하였다.
상기 경사프레임은 사육수에 포함되어 있는 군집형성 미세조류 및 동물 플랑크톤이 수류와 함께 경사를 따라 이동하면서 배양망에 걸러질 수 있다. 이에 표층에 부유한 군집형성된 미세조류와 동물플랑크톤을 배양망에 걸러 수집하고, 수집된 미세조류 및 플랑크톤은 지속적으로 수집 및 수집 된 상태로 배양이 가능하다.
본 발명의 실시예 1은 부유하는 수중식물의 배양을 목적으로 실시되고 실시예 2는 부유 수중식물 및 수중에 잠입하여 성장하는 수중식물을 생산할 수 있는 수중식물 생산장치가 설치된다. 도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 수중식물 생산장치 사시도를 나타낸다.
실시예 2에 따른 수중식물 생산장치는 회전장치 최상단에는 상부 배양장치(403a)가 설치되고 하단부에는 하부 배양장치가 설치되어 회전장치의 설치방향으로 중심축으로 하여 회전한다. 상부 배양장치는 수표에 부유하여 회전장치를 중심으로 회전운동할 수 있도록 임펠러 형상의 베드(bed) 프레임과 프레임 상, 하 측면에는 수중 식물을 고정하거나 수집하여 배양할 수 있는 배양부가 형성된다.
배양부는 수집망 형태 또는 수중식물을 고정할 수 있는 프레임 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 베드 프레임 일측면에는 회전장치의 운동에 따라 함께 회전이 가능하도록 고정부가 형성될 수 있다.
상기 베드 프레임은 스티로폴 또는 플라스틱과 같이 물의 표층에 부유할 수 있는 재질로 형성되거나 상기 고정부를 매개로 수표면층에 부유상태가 유지될 수 있도록 회전장치와 고정될 수 있다. 베드 프레임의 임펠러 형상은 통상적인 프로펠러 구조와 같이 회전방향과 반대로 절곡부가 형성되어 회전 시 저항을 최소화할 수 있도록 형성된다.
고정부는 회전장치에 고정될 수 있는 구조로 형성된다. 본 발명에 따른 실시예로서 고정부는 돌기구조로 형성되고 회전장치 일측면에는 상기 돌기를 수용할 수 있는 고정홈이 형성되어 슬라이드 고정 될 수 있도록 구현하였으나, 이에 한정되지 않는다. 상부 배양장치에 배양되는 식물은 수표면에 노출되거나 식물 구성부 어느 한 부분이 사육수에 접촉하는 경우에 생존 및 성장이 가능한 수중식물을 포함할 수 있다.
이에 배양부가 망 형태로 형성되는 경우 실시예 1과 동일하게 수표면에 부유한 미세조류 등을 수집하여 배양부에 적층하는 동시에 배양이 가능하도록 군집형성 미세조류 및 동물 플랑크톤이 바람직하다.
도 6은 배양부가 수중식물 고정프레임으로 형성된 수중식물 생산장치를 나타낸다. 도 6에 도시된 배양부는 상, 하로 관통되게 복수개의 고정공이 형성되어 재배하고자 하는 수중식물이 고정되어 배양될 수 있다.
상기 수중식물은 식물 구성 일부가 사육수에 접촉해도 생존이 가능한 것으로 재배포트와 재배포트에 고정된 식물이 고정공에 안착되고, 상기 고정 식물이 사육수와 접촉하여 배양이 가능하다.
상기 재배포트는 통상적인 수경재배 방법에서 사용되는 재배박스에 파종 후 발아 과정을 거쳐 자란 뿌리부가 고정되어 이루어진다. 통상적인 수경재배에서 양액은 질소, 인산, 가리 등 주요원소와 철, 아연, 마그네슘, 붕소, 칼슘, 망간 등 필수 미량원소와 아미노산을 순차적으로 녹여 배합하는데 본 발명에 따른 바이오플락 사육수에는 풍부한 영양염류가 포함되어 있어 추가적으로 영양염류의 공급이 필요하지 않은 효과가 있을 뿐만 아니라 부득이하게 자주 양액을 교체하여야 하는 작업이 필요하지 않는다.
하부 배양장치(403b)는 일정 공간이 형성되는 틀프레임과 사육수의 출입이 가능한 틀망이 형성되는 바스켓(basket) 구조로 형성되어 회전장치 하부에 설치된다. 본 발명에 따른 하부 배양장치에 저장되어 배양되는 식물은 해수에 잠입하여 생존하는 식물들이 포함되며 바람직하게는 옥덩굴목의 바다포도가 포함될 수 있다.
상기 바다포도는 해수의 흐름이 형성되어야 양식이 가능하고, 본 발명에 따른 하부 배양장치는 회전장치 또는 수류 흐름에 따라 회전운동을 하여 해수의 흐름이 지속적으로 형성됨으로 양식이 가능하다. 이에 본 발명의 하부 배양장치는 회전장치의 회전운동과 함께 회전하여 지속적으로 해수 순환 시스템이 가능하여 대량 재배가 가능하다.
농작물의 생장 및 생육, 축산물의 생산, 어류 양식이 복합적으로 가능할 뿐만 아니라 각 분야에서 발생한 생산물 및 생산 폐기물이 순환하며 타 분야에 사용됨으로써 친환경적인 생산물의 수득이 가능하고, 생산자에게는 시스템 가동을 위한 에너지 공급이 필요하지 않은 무공해의 생산 시스템 및 안정적 수익구조를 창출하여 농,축,수산 분야의 대량 생산이 가능하도록 함으로 산업상 이용가능성이 있다.
10: 바이오플락사육수 공급라인 20: 축사분뇨 공급라인
30: 식물재배수 공급라인 100: 신재생에너지 생산부
200: 축사 210: 지붕
220: 축사외벽 230: 가축 사육공간
231: 바이오플락 사육수 분사장치 240: 철망바닥부
250: 분뇨 수집부 260: 수질처리시스템
261: 여과재 300: 식물재배 시스템
400: 바이오플락 시스템 401: 양식수조
402: 회전장치 403: 수중식물 생산장치
404: 벤추리 장치 403a: 상부 배양장치
403b: 하부 배양장치 61: 연결프레임
30: 식물재배수 공급라인 100: 신재생에너지 생산부
200: 축사 210: 지붕
220: 축사외벽 230: 가축 사육공간
231: 바이오플락 사육수 분사장치 240: 철망바닥부
250: 분뇨 수집부 260: 수질처리시스템
261: 여과재 300: 식물재배 시스템
400: 바이오플락 시스템 401: 양식수조
402: 회전장치 403: 수중식물 생산장치
404: 벤추리 장치 403a: 상부 배양장치
403b: 하부 배양장치 61: 연결프레임
Claims (3)
- 양식어류 및 바이오플락 사육수가 저장되는 공간이 마련된 양식수조와 상기 양식수조 내부에는 바이오플락 사육수에 공기 공급 및 수류를 형성하는 벤추리장치가 설치되는 바이오플락 양식시스템과
일정 면적의 철망바닥부가 지면에 설치되고, 상기 철망 바닥부 가장자리를 둘러싸며 일정 높이의 축사외벽이 형성되며, 상기 축사외벽 상부에는 지붕이 설치되어 내부에 가축 사육공간이 형성되는 축사를 포함하되,
상기 철망바닥부 하부에는 분뇨 수집부가 설치되고, 분뇨 수집부 바닥은 일정 방향으로 경사가 형성되며, 상기 분뇨 수집부 및 가축 사육공간에는 바이오플락 사육수 분사장치가 설치되어, 분뇨 수집부의 경사면 또는 철망 바닥부에 바이오플락 사육수를 분사하며, 분뇨 수집부 하부에는 수처리시스템이 설치되고, 분뇨 수집부의 경사 말단부에는 수처리시스템에 분뇨가 이동할 수 있도록 이동파이프가 설치되며,
재배식물이 안착된 재배분 및 재배수를 저장할 수 있는 프레임구조의 재배조가 복층 또는 다층구조로 설치되는 식물재배시스템을 포함하고,
상기 바이오플락 양식시스템의 양식수조에서 배수된 바이오플락 사육수는 바이오플락사육수 공급라인을 통해 상기 축사 및 식물재배시스템으로 공급되고, 상기 축사와 식물재배시스템은 축사분뇨 공급라인으로 연결되고, 상기 식물재배시스템은 바이오플락 양식시스템과 식물재배수 공급라인으로 연결되어 바이오플락 사육수가 재활용되는 생태순환시스템을 형성하는 것을 특징으로 하는 에너지제로 생태순환형 농수축산 통합생산시스템 - 삭제
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