에너지절감을 위한 순환여과식 종묘생산 기술 강원도립대학 김 병 기

순환여과식 종묘생산의 필요성

순환여과식을 위한 물의 이해 사람의 입장 : 맑고 깨끗한 물이 우수함 생물의 입장 : 안정된 물(환경변화가 적은 물) 자연수역의 생물생산력은? : 사람의 입장에 맞는 물은 죽은 물(생물의 생산과 직결되는 수계의 생산력을 위해서는 선택 접근 필요) 자연상태에서 일정한 생산력을 유지하기 위해서는 영양염류(nutrients)는 과유불급(過猶不及)의 개념(부족하면 생물생산력 하락, 넘치면 환원형 수역으로 오염을 초래) - 양면성 존재

<종묘 생산 시 에너지 및 먹이 관련 비용 현황> 수면적 주요 양식 종 년간 생산 마리수 (만 마리) 유류 비용 (만원/년) 전기비용(만원/년) 먹이, 사료, 첨가제 비용(만원/년) 업체 1 961 m2 (291 평) 넙치 200 3,500 800 11,000 업체 2 6,646 m2 (2,014 평) 우럭 100 7,000 1,200 8,500 150 돌돔 업체 3 1,154 m2 (350 평) 1,000 5,700 업체 4 3,188 m2 (966 평) 50 10,000 2,400 7,200 250

강원지역의 수온을 극복할 수 있는 양식방법의 개발 RAS :Recirculating Aquaculture System (순환여과식 사육 방법) Flow-through (유수식 사육 방법)

순환여과식양식의 필요성 순환여과식 종묘생산 ◈ 적용 기술 개념 ◈ 기술의 핵심 특성 ㆍ 인위적인 사육환경 창출 ◈ 동해안 해양 특성 ◈ 유수식 사육 시설 ㆍ 인위적인 사육환경 창출 긴 저수온기 낮은 연평균 수온 수온 급변 자연 수온에 의존 (환경의존형 시설) - 대규모 취수시설 ▶ 인위적인 수온 조절, 질병제어 가능, 획기적인 에너지 절감 실현 ▶ 획기적인 사육기간의 단축으로 생산 원가 절감 ▶ 해양생물 생산에 2차 산업 개념 도입 - 해양생물 생산 전과정을 공정화함으로써 안정적 계획·정량 생산 체제 확립 ▶ 환경 친화적 생물생산 수행 - 배출오염원 제어 가능 ⇒ 환경 오염을 최소화 긴 사육·양성 기간 높은 폐사 ⇒ 성장 지연 ⇒ 사업 규모 영세 안정적 양식 기반 확립 필요 순환여과식 종묘생산

◈ 순환여과 양식의 개념 한번 사용한 사육수를 다양한 수처리 과정을 거쳐 재사용하는 환경친화적인 양식 방법 순환여과 양식 시스템의 구분 (운전 방식에 따른 구분) - Semi-Closed Recirculating Systems : 해산어류 종묘 생산 시설에서 주로 이용 ⇒ 일간 120% 정도의 새물의 보충 - Closed Recirculating Systems : 총 사육수량 기준 80~100% 재순환 (최근의 개념)

순환여과 양식 시스템의 구분(환경 영향에 따른 구분) - Environmental Independent Systems : 환경 독립적 순환여과 양식 시스템 · 외부 환경 변화에 영향을 받지 않고 독립적으로 운전하는 시스템 · 사육 시스템 환경 제어로 안정적인 사육 환경 유지 - Environmental Friendly Systems : 환경 친화적 순환여과 양식 시스템 · 양식 노폐물(오염원)이 외부 환경에 최소한으로 배출을 줄여 영향을 주지 않는 시스템

◈ 순환여과 양식 시스템에 대한 요구 - 적조, 태풍 등 자연 재해 발생 · 자연환경 급변에 따른 연간 피해 (적조에 의한 피해액)      ▶ 95년: 764억원 / 01년: 84억원 / 02년: 48억원 / 03년: 176억원      ▶ 최근 강원동해 북부 지역까지 확산 위험 - 환경 오염에 대한 규제 강화 · 침전조 20%, 침전조 5% 및 수질오염방지 시설 (드럼스크린, 경사 침사지 등) - 계절적 수온 변동

◈ 순환여과 양식의 특징 장점 물 자원의 절약 · 소량의 보충수(0∼20%)로 고밀도 사육 가능 ⇒ 소량의 배출수 ⇒ 최종 배출수 처리 용이 (고형물 및 유·무기 질소, 인) - 에너지 자원 절약 · 물의 재이용으로 열손실 감소(에너지 효율) ⇒ 적은 에너지 비용으로 동절기간 중 지속 성장 가능

환경 독립적 운전 · 외부 해적 생물 및 질병의 유입 차단 ⇒ High bio-security, 질병 처리 비용 감소 ⇒ 식품 안전성 확보 - 사육 수온 조절, 사육 환경 조절 · 다양한 어종에 적용 · 연중 지속 생산, 성장도 향상 ⇒ 연속정량생산에 대한 잠재력 (2차 산업화 특성) - 대규모의 취수 시설 불필요 · 대규모 취수 시설 비용 및 운전 비용 절감

단점 - 초기 시설 투자비가 높다(?) · 부대시설 - 여과조, 침전조, 포말분리기 등 · 대규모 취수 시설 비용 절감을 고려할 경우, 기존 유수식 시설과 시설 비용은 유사 - 급격한 환경 변화 위험 - 운전 및 관리 전문 기술 필요 ⇒ 시설 운전 관리 및 비상조치 (운전 risk가 높음)

◈ 순환여과 양식 시스템 내 주요 구성 시설 및 장치 사육수조 고형물 제거 장치 부유 고형물 및 용존 유기물 제거 장치 4) 생물학적 여과조 5) 용존산소 보충 장치 6) Degassing 장치 7) 소독 장치 및 방법 8) 순환펌프 9) 탈질 장치 10) 가열 및 보온 시설 11) 보조 동력 장치 12) 경보 장치

◈ 순환여과 양식 시스템의 공정 모식도 사육조 용존산소 보충, 소독, Degassing, pH 조절, 가온 소 독 생물학적 여과 보충수 (5~10%) 사육조 부유 고형물, 용존 유기물 제거 고형물 제거 탈질화 슬러지 집적 처리수 재순환 고형물 배출수(5~10%)

◈ 배출수 내 고형물 제거 · 유기 고형물(분) 제거의 필요성 ▶ 양식생물의 배설물이나 먹이 찌꺼기로부터 기원하는 침전 가능한 오물 ▶ 시스템 내에서 배관을 막히게 하거나 생물학적 여과조에 과도한 부하를 주어 기능을 저하시킴 ▶ 시스템 내 과도한 BOD 및 COD를 소모를 조장하여 산소 소모 ▶ 양식 시설 내 암모니아의 70%가 고형물에서 유래 (Liao and Mayo, 1974) ⇒ 신속한 고형물 제거가 순환여과 시설 내 수질관리 의 첫걸음

· 고형물 제거 방법 1) 침전 분리 제거 ▶ 가장 간단하고 전문적 지식 없이 관리 가능 ▶ 부유 고형물을 효과적으로 제거하기 위해서는 큰 규모의 침전 시설 필요 ⇒ 원심력을 이용한 원형 와류 침전조 적용 ⇒ 비교적 단시간 내 침전 가능한 큰 고형물을 제거 하는데 이용하는 것이 바람직 ▶ 해수에서는 물의 비중이 높아 담수에 비해 침전 효율 감소 ⇒ 따라서, 해수 시설에서는 침전조 관리 비중 증가

◈ 부유 고형물 및 용존 유기물 제거 · 부유 고형물 및 용존 유기물 제거의 필요성 ▶ 양식 생물의 분 및 먹이 찌꺼기 기원 미세입자로 된 고형물 ⇒ 수중에 현탁, 쉽게 침전 않고 지속적으로 부유 ⇒사육 생물에 스트레스 ⇒ 물에 녹아서 암모니아 농도 상승 유발 ⇒ 병원성 미생물 번성 장소 제공, 질병 발생 촉진

· 미세 고형물 제거 방법 ▶ 활성탄소(activated carbon) ▶ 이온교환(Ion exchange) ▶ 포말분리기(Foam fractionation, protein skimmer) ⇒ 이온 또는 분자 수준의 물질 간 물리,화학적 흡착 원리 이용

· 포말분리기 및 제거 원리 미세유기고형물 친수성 소수성 공기방울

: 정류(co-current), 역류(count-current) 방식 · 포말분리기의 효율에 영향 인자 ▶ 접촉시간 - 공기 상승속도: 1.8 cm/sec - 수리학적 체류시간: 30초~3분(1분~2분) ▶ 공기방울의 직경: 0.8 mm ▶ 포말분리기의 높이와 직경 ▶ 포말 수거 높이: 양수량의 약 0.3% 전후 ▶ 사육수의 흐름(접촉 시간) : 정류(co-current), 역류(count-current) 방식

◈ 질소성 화합물의 제거(생물학적 여과) ㆍ질소성 화합물 제거의 필요성 ▶ 질소성 화합물(암모니아, 아질산, 질산성 질소) - 양식생물의 사료 내 단백질 대사 산물 - 저농도에서도 높은 독성 : 암모니아(1~2 mg/L), 아질산(0.1 mg/L), 질산(100mg/L) ⇒ 아가미 새엽의 곤봉화로 산소 전달 효율 감소 ⇒ 높은 용존산소 농도에서도 질식사 초래

ㆍ생물학적 여과조 ▶ 양식 생물의 대사산물인 유독한 암모니아, 아질산을 제거하기 위해 질산화 미생물이 대량 부착하여 있는 장소 ▶ 미생물이 부착하는 여과 기질에 따라 효율 차이 ⇒ 수류를 방해하지 않은 한 입자가 작아 단위 용적당 표면적이 큰 매질 좋음

ㆍ생물학적 여과의 과정(질산화 과정) 무 기 물 화 과 정 질 산 화 과 정 아가미에서 직접 배출 Nitrosomonas NH4+ 아가미에서 직접 배출 Nitrosomonas NO2- 고형물(분) (아질산염) 아미노산 NH3 무 기 물 화 과 정 Nitrobacter NO3- 질 산 화 과 정 (질산염)

ㆍ 생물학적 여과 방법 및 장치 <침지식 여과조> <살수식 여과조>

<회전 원판식 여과조>

ㆍ생물학적 여과조 성능에 영향을 미치는 요인 ▶화학적 요인 - pH, 알칼리도 : pH가 낮아질수록 질산화 효율 감소 : 암모니아 1g 산화시 약 7g의 알칼리도 소모 : 순환여과 시설 내 지속적 알칼리도 소모 ⇒ pH 하강: 어체에 영향, 질산화 효율 감소 ⇒ 최소 50 mg/L CaCO3 유지가 바람직 ▶ 일간 15 kg 사료 공급 (일간 사료 공급률: 1.5% 가정, 어체중: 약 1 톤) ⇒ 450 g의 암모니아 생성 ⇒ 약 3.2 kg의 알카리도 소모 ⇒ 중탄산나트륨 기준 약 1~1.5 kg을 투여, pH 하강 방지

- 용존산소 · 생물학적 여과조 배출수 내 최소 2 mg/L 이상 유지 - 고형물 · 여과조 내 질산화 활성 억제(타가영양세균과 경쟁) · 여과조 막힘 현상 초래 ⇒ channeling, short-circuiting 효과 ⇒ 사수 및 혐기 지역 발생(메탄 및 황화수소 생성) · 시스템 내 소독 및 살균 효과 감소 - 염분 · 담수에 비해 해수에서 최대 약 50% 효율 감소

(비표면적 약 200 ㎡/㎥ 매질, 침지식 여과조 기준) · 15 ℃: 267 g TAN/㎥/day (사료 7~8 kg) ▶물리적 요인 - 수온 : 암모니아 제거율 = 140 + 8.5T (비표면적 약 200 ㎡/㎥ 매질, 침지식 여과조 기준) · 15 ℃: 267 g TAN/㎥/day (사료 7~8 kg) · 30 ℃: 395 g TAN/㎥/day (사료 13~14 kg) 미생물 종류 수온 (℃) 범위 최적 저해 암모니아 산화세균 10-40 30-35 <5 아질산산화 세균 28-42 <4, >45

- 수리학적 부하량 : 여과매질의 종류와 운전 방법에 따라 큰 차이 ⇒ 제거 효율보다 일간 총 제거량 기준으로 설계와 운전이 바람직 - 여과매질의 종류 및 비표면적 : 불활성화 재질로 표면이 거친 것 : 수류를 방해하지 않은 한 용적당 표면적이 큰 것 : 청소와 관리가 용이할 것

- 생물막의 두께 : 막이 두꺼워지면 용존산소 및 질소성 화합물의 전달 저해 ⇒ 미생물의 대량 탈락으로 효율 감소 및 시설 내 유기물 농도 증가 - 빛 : 태양광의 1%에서도 질산화 작용 저해, 완전한 암조건이 바람직

▶생물학적 요인 - 여과생물의 conditioning (숙성시간) - 생물막 여과조는 거대한 생물 집단 - 생물 수용전 여과생물의 숙성에 필요한 먹이 공급 필요 - 효과적인 고형물 및 부유 고형물 제거로 여과생물의 부착기질 보호

: 여과조가 완전한 질산화 작용을 하는데 소요되는 시간 : 약 15~100일 정도 소요 - 여과조의 숙성 시간 : 여과조가 완전한 질산화 작용을 하는데 소요되는 시간 : 약 15~100일 정도 소요 암모니아 아질산 질산 약 15~100일

◈ 탈질 공정의 개념 “ZERO” Emission - 식물, 해조류 등을 이용한 복합 양식 탈질 여과조 오염 배출 “최소화” - 생물학적 여과조의 질산화 작용 ⇒ 지속적인 질산염 제공 고형물 제거장치 유기 고형물 제공 ⇒ 소량의 유입수 / 무산소 상태 유지 NO3- (질산염) NO2- NO- N2O N2 혐기적 탈질 미생물 탈질 작용 유기 고형물 (영양원) (탈기) H2O CO2 + 오염 배출 “최소화” 환수 “최소화” “ZERO” Emission 탈질 여과조 - 식물, 해조류 등을 이용한 복합 양식

◈ 해조류의 질소 제거 효과 Parameter Initial Concentration (mg/L) Removal ◈ 해조류의 질소 제거 효과 Parameter Initial Concentration (mg/L) Removal (mg /kg seaweed/hr) Daily removal (mg /kg seaweed/day) Light condition (after 14 hr) Dark condition (after 10 hr) TAN Cont. 1.01±0.01ab* 0.99±0.00b 1.00±0.01ab 16.3±2.4A 4.9±1.1B 276.8±27.2 Treat. 1.04±0.03a 0.69±0.02c 0.59±0.02d NO2--N 0.11±0.00a 0.11±0.00ab NC** NC 0.10±0.00a 0.10±0.00ab 0.10±0.00b NO3--N 3.09±0.00a 3.06±0.00a 3.07±0.00a 9.6±0.28A 3.7±1.2B 171.5±9.6 3.07±0.03a 2.87±0.03b 2.79±0.02c PO4--N 0.20±0.01a 2. 6±0.4A 2.2±0.2A 57.6±3.8 0.19±0.00a 0.14±0.01b 0.09±0.00c

◈ 해조류를 이용한 여과조(Bio-filter) a) b) c) d) a) , b) 생물학적 여과조에 이용된 해조류; c) 해조류 여과 수조; d) 해조류의 여과 성능 평가 실험

(강원도립대학, 강원전복양식영어조합법인) ◈ 순환여과 양식 기술 적용례 (1) (강원도립대학, 강원전복양식영어조합법인) 상업 규모 전복 순환여과 시스템 ▶ 총 수량 240 m3 규모

◈ 순환여과 양식 기술 적용 실례 (2) (강원도립대학-시스템 효율 개선 연구) 생산성 향상을 위해 고효율의 수처리 장치 접목 연구 ▶ hydrocyclone, 모래 유동층 생물학적 여과조 등 ▶ 사육수조의 구조적 개선 (사육수조 내 고형오물의 자동 세척) <전복사육수조> <모래 유동층여과조> <포말 분리기> <고형물 제거기> <펌프>

- 시스템 개념도 - 사육수 순환 소량의 물과 함께 집적된 고형물 최종 배출 침전조 (큰 고형물 침전) 중앙배출구 (큰 고형물이 침전조로 배출) Overflow (큰 고형물이 제거된 상등액이 넘어가는 배관) 펌프 포말 분리기 사육수조 사육수조 살수식 생물학적 여과조 - 사육수 순환 유입수라인

▼ 넙치 종묘의 일령별 평균 체장 성장 - 넙치 종묘 20만마리 생산 · 2,000마리/m2 생산 - 70일만에 전체 80%이상 판매 크기 도달 ⇒ 사육수온을 19℃로 항온 유지 - 백화 개체 전체 2% 미만 - 흑화 개체 전체 5% 미만

▼ 체장별 생산 비율 (>70mm) (55~70mm) (<55mm)

▼ 넙치 종묘 순환여과 시스템 내 수질 변화

▼ 자연수와 사육수의 수온변화/시스템의 열에너지 효율 자연수온: 5.8~10.5℃(2월~4월) 사육수온: 19.0℃±0.3(항온 유지) 열에너지 절감 효율(19℃ 유지 가정) · 일반 유수식 시스템(일간 4회전) ⇒ 필요 연료량: 약 12,000L (약 680만원) · 3,750L의 경유 사용(약 212만원) ⇒ 약 60% 이상 에너지 비용 절감.

◈ 순환여과 시스템 내 수질 정화법 관리상의 주의점 ▶ 고형물 제거(침전조의 운전) - 사육수조 내 충분한 유속 유지 · 사육수조 내 고형물의 신속한 제거 · 과도한 유속: 사육어류가 중앙으로 몰리는 현상 발생 : 수조 전체에 고루 유영, 분산 - 고형물 제거장치(침전조) 내 주기적인 고형물 제거 · 1회/일 침전조 내 집적 고형물을 배출 ⇒ 사육환경에 따라 2회/일 고형물 배출 고형물(분)은 최대한 빨리 사육조로부터 제거하고 주기적인 침전조의 세척이 순환여과 시스템 내 수질관리의 첫걸음

▶ 부유 고형물 및 용존유기물 제거(포말분리기의 운용) - 공기 유량계의 지시량 확인 : 200~250L 유지 확인(직경 약 80cm 포말분리기 기준) - 배출 포말 유무 확인 : 지속적으로 포말이 배출되는 것이 바람직 ⇒ 사육수조 내 탁도 상태를 확인 ⇒ 사육조건에 따라 포말분리기 배출구의 높이 조절

▶ 생물학적 여과조의 운용 - 생물여과조는 거대한 생물체와 같음 호흡하고 (O2 필요) 먹으며 (암모니아) 배설한다 (CO2, 질산염) ⇒ 생물을 다루듯 여과조를 운전 - 생물학적 여과조의 start-up · 최초 여과조 운전시 여과조가 아직 충분히 숙성되지 않은 상태: 암모니아 급상승 · 4 주이상 충분히 숙성하여야… (생산 전 충분한 숙성 필요)

(강원도립대학, 아쿠아씨드택, 강원도립배양장 -넙치 종묘 생산) ◈ 순환여과 양식 기술 적용 실례 (4) (강원도립대학, 아쿠아씨드택, 강원도립배양장 -넙치 종묘 생산) - 넙치 종묘 생산 순환여과 시스템 ▶ 총 수량 100 m3 규모