한국의순환여과양식시스템 (RAS) 이용현황과발전방안 Current Status & Development Strategy of Recirculating Aquaculture System (RAS) in Korea 2011 년 05 월 강원도립대학김병기
발표순서 1. RAS의필요성 2. RAS의기술특성 3. 발전과정과설치사례 4. 뱀장어 RAS 양식현황 5. 운전에따른문제점 6. RAS 상업화제약조건 7. 발전방안
한국의동절기특성 1. RAS 의필요성 - 긴저수온기 (11월중순 5월중순 ) 낮은연평균수온 ( 성장지연 ) - 단기간의수온급변으로폐사량증가 ( 일일, 주간수온변화가심함 ) 양성기간단축과에너지비용절감필요 - 동절기간중외부환경의영향이적고적은에너지로도적정수온을유지할수있는육상양성시스템필요
자연수온을어떻게극복할수있는가? 35 30 RAS Flow-through RAS Temperature ( o C) 25 20 15 10 5 0 Jan. Feb. Mar. Apr. May Jun. Jul. Aug. Sep. Oct. Nov. Dec.
2. RAS의기술특성 ( 순환여과의이해 ) 1. 생물의입장 : 깨끗한물보다안정된물 ( 변화가적은물 ) 2. 사육수의부유물은해로운가? : 물리여과에관심 3. 생물여과조는살아있는생명체 : 매우민감 4. 과도한사료투입, 높은단백질사료공급은피함. 5. 기존판매용장치들은산업용으로적합한가? : 항상처리할수량을고민 6. 시스템의안정성이최우선 : 복잡한시설은사업에장애, 단순해야함. 7. 순환여과식에대한상식이부족하면효율있는시설을할수없다. 8. 초기시설비가적정한가? : 화려하고보기좋은시설보다초기투자가적은시설
- 기술의특성 순환여과양식기술인공적인환경에서해양생물의생명유지를위해필요한기술 생물생산시스템의필요조건 1) High bio-security ㆍ사육환경의안정화ㆍ해적생물및외부기원질병으로부터보호 2) Environmental independent facility ㆍ자연환경영향최소화 ( 해황또는재해 ) ㆍ적정수온및적정수질유지 3) Sustainable technology ㆍ환경친화적인시스템 ( 배출수최소화 / 환경오염의최소화 ) 제어가능한환경에서생물의연중생산및계획생산체제확립 기술적용 순환여과식생산시스템 순환여과식사육시스템의필요조건 - 단계적인수처리장치및시설 1) 포말분리, 드럼필터 2) 생물학적여과 - 효율적인열관리기술 1) 2 중비닐막설치
순환여과시스템의특징 - Environmental Independent Systems : 환경독립적순환여과양식시스템 외부환경변화에영향을받지않고독립적으로운전 사육시스템환경제어로안정적인사육환경유지 - Environmental Friendly Systems : 환경친화적순환여과양식시스템 ( 오염원최소화 ) - Economic Energy Systems : 에너지절감형양식시스템 ( 사육수재순환 )
순환여과양식의특징 장점 - 물자원의절약 소량의보충수 (0 20%) 로고밀도사육가능 소량의배출수 최종배출수처리용이 ( 고형물및유 무기질소, 인 ) - 에너지자원절약 물의재이용으로열손실감소 ( 에너지효율 ) 적은에너지비용으로동절기간중지속성장가능
- 환경독립적운전 외부해적생물및질병의유입차단 High bio-security, 질병처리비용감소 식품안전성확보 - 사육수온조절, 사육환경조절 다양한어종에적용 연중지속생산, 성장도향상 연속정량생산에대한잠재력 (2차산업화특성 ) - 대규모의취수시설불필요 대규모취수시설비용및운전비용절감
단점 - 초기시설투자비가높다 (?) 부대시설 - 여과조, 침전조, 포말분리기등 대규모취수시설비용절감을고려할경우, 기존유수식시설과시설비용은유사 - 급격한환경변화위험 - 운전및관리전문기술필요 시설운전관리및비상조치 ( 운전 risk가높음 )
순환여과시스템의주요구성요소 1) 사육수조 2) 고형물제거장치 3) 부유고형물및용존유기물제거장치 4) 생물학적여과조 5) 용존산소보충장치 6) Degassing 장치 7) 소독장치및방법 8) 순환펌프 9) 탈질장치 10) 가열및보온시설 11) 보조동력장치 12) 경보장치
순환여과시스템운전시고려사항 - 고형물제거 ( 침전조의운전 ) - 사육수조내충분한유속유지 사육수조내고형물의신속한제거 과도한유속 : 사육어류가중앙으로몰리는현상발생 1회 / 일침전조내집적고형물을배출 사육환경에따라 2회 / 일고형물배출 - 고형물제거 ( 스크린필터운전 ) 고형물 ( 분 ) 은최대한빨리사육조로부터제거하는것이 순환여과시스템에서가장중요
순환여과양식시스템의공정모식도 용존산소보충, 소독, Degassing, ph 조절, 가온 소독 생물학적여과 보충수 (5~10%) 사육조 고형물제거 부유고형물, 용존유기물제거 고형물배출수 (5~10%) 처리수재순환 탈질화 슬러지집적
부유고형물및용존유기물제거 ( 포말분리기의운용 ) - 생물여과조의부하량감소에기여 - 공기입자의크기및상승속도는매우중요 - 공기입자의체류시간을늘리기위해서는사육수를 counter-current 형을채택 - 지속적으로포말이배출되는것이바람직 사육조건에따라포말분리기배출구의높이조절
생물학적여과조의운용 - 생물여과조는거대한생물체와같음호흡하고 (O 2 필요 ) 먹으며 ( 암모니아 ) 배설한다 (CO 2, 질산염 ) 생물을다루듯여과조를운전 - 생물학적여과조의 start-up 최초여과조운전시여과조가아직충분히숙성되지않은상태 : 암모니아급상승 4 주이상충분히숙성하여야 ( 생산전충분한숙성필요 )
- 어류를증가시킬필요가있을경우 갑자기어류량을증가시키지않아야 여과미생물이증식할때까지물교환율을증가 소량씩서서히증가시키거나사료량을그대로유지 - 사료공급량을갑자기증가시키지말아야 일일사료공급은섭취가능량의 80% 만 - 갑자기수온변화방지해야 특히수온상승시보다감소시에큰영향 암모니아산화세균보다아질산산화세균의활력감소 아질산농도증가 메트헤모글로빈형성, 산소운반능력감소, 질식사우려
생물학적여과조의비표면적중요성 < 실험에이용된여과매질의물리적특성 > 여과매질 스티로폼비드 썬라이트플라스틱골판조각 Polyethylene 여과매질 형태와크기구형, 1.5 mm부정형 실린더모양, 25 30 mm 비표면적 ( m2 / m3 ) 1,350 229.7 205.0 운전방식살수식침지식침지식
생물학적여과조의운전방식중요성 < 침지식여과조 > < 살수식여과조 >
- 스티로폼비드살수식여과조가침지식여과조보다용적당제거량이 약 5.1~7.0 배더많음 생물학적여과조의용적감소 : 침지식여과조의 1/6 < 스티로폼 bead 매질로이용한살수식여과조의여과면적당일간 TAN 제거량 >
<RAS 시설및운전조건 > 살수식생물학적여과조 - 여과매질스티로폼비드 - Superficial water velocity (SWV, 여과조표면적대비사육수통과속도 ) 0.11 0.13 cm/sec ( 현장적용 : 0.11 cm/sec) 포말분리기 - Hydraulic Retention Time (HRT, 사육수가포말분리기내머무는시간 ) - Superficial air velocity (SAV 포말분리기표면적대비공기상승속도 ) 약 1~3 분 약 1.1~1.5 cm/sec 현장조건 : 1.1 cm/sec
생물학적여과에영향을미치는요인 화학적요인 - ph - 암모니아와아질산 ( 높은농도에서질산화감소 ) - 독성화합물 (Toxic compounds) 존재 - 고형물 ( 질산화활성억제, 타가영양세균과경쟁, 사수및혐기지역발생, 메탄및황화수소생성 ) - 용존산소, 염분 ( 질산화효율최대 50% 감소 )
물리적요인 - 수온 미생물종류 암모니아산화세균 아질산산화세균 수온 ( ) 범위 최적 저해 10-40 30-35 <5 10-40 28-42 <4, >45 - 수리학적부하량 - 여과매질의종류및비표면적 ( 표면이거친것, 용적당표면적이큰것, 청소와관리가용이할것 ) - 생물막의두께, 빛 ( 차단필요 )
생물학적요인 - 여과생물의 conditioning ( 숙성시간 ) - 생물막여과조는거대한생물집단 - 생물수용전여과생물의숙성에필요한먹이공급필요 - 효과적인고형물및부유고형물제거로여과생물의부착기질보호
3. RAS 발전과정과설치사례 IBK 담수용양성시설
IBK 담수용생물여과조
IBK 배출수활용방식
IBK 시스템내사육수의순환
IBK 시스템내산소의순환
IBK 시스템내산소의보충
IBK 순환여과시스템의배치
IBK 시스템의특성 구조가간단하여초기시설비절감및운전리스크감소 수조옆에 1차침전조를채택하여고형물을우선분리 생물여과조는판라이트고정상을채택하여생물여과와미세부유물의침전을동시에수행 ( 유속최소화설계 ) Vertical Pump를채택하여전기사용량을절감 U-tube 장치를활용하여거품분리, 탈기 (CO 2 ), 산소공급 3가지를동시에해결 ( 시설비절감 ) 생물여과조에수생식물을키워광차단및탈질극대화 2중비닐하우스로가온, 보온극대화및초기시설비절감
설치사례 강원도립대학, 아쿠아씨드택 (1), 강원도수산자원연구소 - 넙치종묘, 중간양성 총수량 100 m 3 규모
- 시스템개념도 중앙배출구 ( 큰고형물이침전조로배출 ) 펌프소량의물과함께 침전조 ( 큰고형물침전 ) 집적된고형물최종배출 Overflow ( 큰고형물이제거된상등액이넘어가는배관 ) 포말분리기 사육수조 사육수조 살수식생물학적여과조 유입수라인 - 사육수순환
< 하우스및배수구설치 >
설치사례 - 아쿠아씨드택 (2) - 상업규모돌돔양성용순환여과시스템 총수량 400 m 3 규모
< 바닥배관설치공정 >
바닥기초배관및순환배관매립작업
< 사육수조바닥경사조정및벽체설치공정 >
PP 시트용접및작업사진
PP 시트용접및작업사진
비닐하우스및콘크리트타설작업사진
아쿠아씨드택 ( 강원도강릉소재 )
< 난방장치및시스템전경 >
설치사례 ( 제주대학교 )
설치사례 미국넙치류양식시설
미국의넙치류양식용시스템예 사육수조크기 ( 용량 ) Ø7.2m 원형사육수조 (40 m 3 ) 4EA = 160 m 3 여과조수량 10.8 m 2.8 m 1.5 m = 45.36 m 3 여과조여과매질수용량 10 m 3 ( 비표면적 : 800 m 2 /m 3 ) 순환펌프용량일간사육수순환횟수 (100% 가동시 ) 브로워용량드럼필터용량 ( 처리수량 / 분 ) 드럼필터의망목규격산소콘 UV - 5 마력 1개 : 1,600 L/min - 3 마력 2 개 : 1,100 L/min (2개합산 : 2,200 L/min) 26.6 회전 / 일 ( 총사육수량 205.36 m 3 ) 1 마력 ( 수위 1.2 m에서풍량 650 L/min) 4,300 L/min 40~60 um - 2 개 - 허용유량 : 1,200 L/min ( 산소콘 1개기준 ) - 산소공급가능량 : 2.8~3.8 kg O 2 /hr (10~20 psi 기준 ) - 1 개 (260 와트램프 5개, 15 암페어 ) - 조사량 : 15,000 uws/cm - 허용유량 : 4,000~4,600 L/min ( 위조사량기준 )
설치사례 ( 강원도립대학전복순환여과시설
전복과해삼복합양성용순환여과시스템
설치사례 - 경북상주 송어양식장
4. 뱀장어 RAS 양식현황 콘크리트사각수조, 유동상여과
뱀장어양식산업의개요 1. 국내내수면양식업에서뱀장어는가장중요한위치 2. 최근발전저해요인상존 - 최근실뱀장어의수급불안 - 수입수산물의식품안전성문제에서기인한국내산의소비위축 - 고유가시대의도래 - 수질환경문제의이슈화등
뱀장어양식시스템의변천 1. 지수식 ( 못양식 ) : 자연환경에의존, 저밀도 2. 지수식 A : 콘크리트탱크 / 수차등을사용하여밀도를높임 / 수처리방식 - 식물플랑크톤조성으로암모니아처리, 보온시설, 사육수교환율높음 3. 지수식 B : 콘크리트수조가깊다. 활성오니법으로암모니아처리, 보온시설, 사육수교환율비교적낮음 4. 순환여과시스템 : 적극적인수처리, 사육수교환율낮음. 생물여과방식으로암모니아처리. 보온시설, 고밀도양식가능
양식시스템의변천과정
운영실태 - 운전수온은 27~30 수준 - 용존산소량은 6.0~7.2 mg /L 수준 - 암모니아 : 5-23 mg /L ( 기준 : 1 mg /L 이하 ) - 아질산 : 0.02-33.52 mg /L ( 기준 : 3 mg /L 이하 ) - 탁도 (SS) : 1-30 mg /L 수준 - 탱크의수심 : 0.8-1.2m 정도 - 일일환수량은 10~20% - ph 변동 : 3.8~6.8 범위 ( 탄산칼슘살포 )
양식시설예
5. 운전에따른문제점 1. 반죽사료사용으로생물막유기물축적 질산화세균의효율감소 ( 암모니아만증가 ) 2. 거품분리공정으로시스템에서유기물제거 ( 생물여과부하감소, 질산화촉진및질병예방 ) 3. 사료관리 적정 DP/DE ratio 사료공급으로암모니아제어 ( 암모니아축적 요소배설량증가가성장감소로연결 ) 4. 유동상생물여과조의성능약화 ( 과도한유동으로질산화박테리아의탈락으로질산화효율감소 )
생물학적여과의과정 ( 질산화과정 ) 아가미에서직접배출 NH 4 + 무기물화과정 Nitrosomonas NO 2 - 고형물 ( 분 ) 아미노산 NH 3 ( 아질산염 ) Nitrobacter 질산화과정 NO 3 - ( 질산염 )
사료의관리 - 암모니아배설제어
사료단백질함량과성장 (1) (%DM) Diet No * Moist. CP CL Ash TP A 8.45 ±0.01 52.78 ±0.65 7.31 ±0.10 12.13 ±0.01 2.03 ±0.08 B 8.02 ±0.04 45.45 ±0.39 13.04 ±0.35 10.87 ±0.05 1.72 ±0.05 C 8.00 ±0.03 38.95 ±0.34 19.63 ±1.15 9.48 ±0.11 1.44 ±0.04
사료단백질함량과성장 (2) - 47 일 Exp. Group * A B C Initial stocking (kg) 6.40 6.40 6.40 av. (g) 26.0 26.0 26.0 Final yield (kg) 8.65 9.20 7.40 av. (g) 45.5 48.5 43.0 Diet intake (kg) 4.76 5.12 4.31 Mortality (kg) 1.10 0.91 1.41 Increment (kg) 3.35 3.71 2.41 FC 1.42 1.38 1.79
사료종류에따른배설 - Nitrogen balance (g, %) Diet No * FM MP CEP Nitrogen intake 166 (100) 134 (100) 127 (100) Retention 44 (26.3) 26 (19.6) 22 (17.0) Excretion estimated 122 (73.7) 108 (80.4) 105 (83.0)
사료와배설특성 - 배합사료는고단백질 : 남는것은자가오염 - 칼로리가낮으면단백질이에너지원으로전용 ( 효율감소 ) - 단백질과칼로리를적정화시킨고에너지사료를사용 ( 사료의가격을절감, 오염부하량감소 ) - 단백질함량이 42% 배합사료, 지방함량을 24% 에서 30% 로증가 ( 질소배설이 8% 나감소 ) - 단백질함량은 40% 수준으로낮추고지방을 30% 까지높인고에너지사료를대서양연어에게먹였더니질소배설이 35.0%~37.6% 나감소
6. 순환여과시스템의상업화제한요인 ph의하강 - 알칼리도의상승방안 ( 탄산칼슘등 ) - 탈기공정의도입 ( 상업성판단 ) 질산염의과도한축적 - 탈질공정의효율화방안 - 대체공법의개발 (Bio-filter의개발등 ) 용존산소의공급방안 ( 고밀도사육 ) - 생산성결정요소 질병의제어 ( 식품안전성문제 ) - 항생제사용제한, 백점충등의통제방법등
CO 2 탈기장치 - RAS 시설로고밀도사육시수중알카리도의소모로지속적인 ph 하강현상발생 보충제 ( 중탄산나트륨 ) 첨가로인한생산경비상승 - ph 하강시문제점 성장저하 혈중헤모글로빈의산소결합능력저하 생물여과조의질산화작용능력저하 - 알카리도를소모하는 1차적원인인 CO 2 제어방법필요
탈기장치및 CO 2 제거원리
탈질공정의중요성 - 생물학적여과조의질산화작용 지속적인질산염제공 N 2 ( 탈기 ) NO 3 - ( 질산염 ) N 2 O 탈질여과조 NO 2 - NO - 혐기적탈질미생물탈질작용 유기고형물 ( 영양원 ) -고형물제거장치 - 지속적인유기고형물제공 소량의유입수 / 무산소상태유지 + H 2 O CO 2 ZERO Emission 오염배출 최소화 환수 최소화 - 식물, 해조류등을이용, 탈기장치활용
해조류를이용한여과조 (Bio-filter) a) b) c) d) a), b) 생물학적여과조에이용된해조류 ; c) 해조류여과수조 ; d) 해조류의여과성능평가실험
미세비드유동장치 - 미세비드여과조내유기고형물축적 비드층내부에사수구역발생 ( 여과효율감소 ) 질산화세균과공간경쟁및환원구역발생 ( 대량폐사유발 ) - 병원체번식조장 기생충및병원성세균의서식처제공 기생충성질병으로인한폐사발생 - 여과조세척을위한인력및시간소모 월 1회이상세척으로시스템가동일시적중지 미세비드세척을위한추가인건비발생
7. 발전방안 1. 고가의어종을대상 2. 생물여과의특성을고려하여적수온이높은어종 ( 수질유지에장점 ) 3. 암모니아등의독성에강한어종대상 4. 식품안전성확보노력 수질개선노력, HACCP, 면역강화제활용등 4. 빨리키우는것보다생산경비를낮추는노력, 연중양식이필요
- RAS 양성, 산업화를위한고민 1. 순환율 (turnover rate) 을높이는것이유리? 2. 많이먹여서빨리키우는것이유리? 3. 사육수를맑게유지하는것이유리? 4. 수조는큰것이유리? 5. 냉동된 MP사료공급이수질유지에도움? 6. 복잡한수처리시설이필요? 7. 예방적인약처리필요?
- 뱀장어양성을위한시설제안 1. 고급비닐하우스채택 시설비절감, 자연난방 2. 수조나수처리시설 : 콘크리트보다 PP sheet 3. RAS 1기수량 200-300톤규모 ( 리스크관리 ) 4. RAS 1기당수조는 5-6m 크기 6-8개정도 5. 펌프는수중펌프 3-5마력, 20회전내외 6. 생물여과조 : 비표면적이큰소재선택 (ex. 100톤생산규모에 bio-ball 약 1,700m 2, 스치로폼비드약 240m 2 소요 )
뱀장어 100ton 생산시필요한여과매질 스티로폼비드 Polyethylene 매질 암모니아제거량 1) (g TAN/m 3 media/day) 암모니아배설량 2) (g/100ton eel/day) 필요여과매질용적 (m 3 media) 여과매질단가 ( 원 ) 필요여과매질금액 ( 백만원 ) 447.2±27.3 64.5±6.0 108,000 241 1,674 60,000 300,000 14.5 502.2 1) 박정환 (2005) - 부경대학교대학원박사학위논문 2) Engin and Carter (2001) Aquaculture 194 : 123-136
감사합니다!!!