한국의 순환여과양식시스템(RAS) 이용 현황과 발전 방안

Current Status & Development Strategy of Recirculating Aquaculture System (RAS)

in Korea

2011년 05월

강원도립대학 김 병 기

발표순서 1. RAS의 필요성 2. RAS의 기술 특성 3. 발전 과정과 설치 사례 4. 뱀장어 RAS 양식 현황 5. 운전에 따른 문제점 6. RAS 상업화 제약조건 7. 발전방안

▶ 한국의 동절기 특성

- 긴 저수온기(11월 중순∼5월 중순)

⇒ 낮은 연평균 수온(성장지연)

- 단기간의 수온 급변으로 폐사량 증가

(일일, 주간 수온 변화가 심함)

▶ 양성기간 단축과 에너지 비용 절감 필요

- 동절기간 중 외부환경의 영향이 적고 적은 에너지로도

적정 수온을 유지할 수 있는 육상 양성 시스템 필요

1. RAS의 필요성

Jan. Feb. Mar. Apr. May Jun. Jul. Aug. Sep. Oct. Nov. Dec.

Tem

pera

ture

(o C)

0

5

10

15

20

25

30

35RAS Flow-through RAS

자연수온을 어떻게 극복할 수 있는가?

1. 생물의 입장 : 깨끗한 물 보다 안정된 물(변화가 적은 물) 2. 사육수의 부유물은 해로운가? : 물리여과에 관심 3. 생물여과조는 살아 있는 생명체 : 매우 민감 4. 과도한 사료 투입, 높은 단백질 사료 공급은 피함. 5. 기존 판매용 장치들은 산업용으로 적합한가? : 항상 처리할 수량을 고민 6. 시스템의 안정성이 최우선 : 복잡한 시설은 사업에 장애, 단순해야 함. 7. 순환여과식에 대한 상식이 부족하면 효율 있는 시설을 할 수 없다. 8. 초기 시설비가 적정한가? : 화려하고 보기 좋은 시설보다 초기 투자가 적은 시설

(순환여과의 이해) 2. RAS의 기술특성

◈ 제어 가능한 환경에서 생물의 연중 생산

및 계획 생산 체제 확립

- 기술의 특성

◈ 생물 생산 시스템의 필요 조건 1) High bio-security ㆍ 사육 환경의 안정화 ㆍ 해적 생물 및 외부 기원 질병으로부터 보호 2) Environmental independent facility ㆍ 자연 환경 영향 최소화(해황 또는 재해) ㆍ 적정 수온 및 적정 수질 유지 3) Sustainable technology ㆍ 환경 친화적인 시스템 (배출수 최소화 / 환경 오염의 최소화)

◈ 순환여과식 사육 시스템의 필요 조건

- 단계적인 수처리 장치 및 시설 1) 포말분리, 드럼필터 2) 생물학적 여과 - 효율적인 열관리 기술 1) 2중 비닐막 설치

기술 적용

순환여과 양식 기술

인공적인 환경에서 해양생물의 생명 유지를 위해 필요한 기술

순환여과식 생산 시스템

• 순환여과시스템의 특징

- Environmental Independent Systems

: 환경 독립적 순환여과 양식 시스템

· 외부 환경 변화에 영향을 받지 않고 독립적으로 운전

· 사육 시스템 환경 제어로 안정적인 사육 환경 유지

- Environmental Friendly Systems

: 환경 친화적 순환여과 양식 시스템(오염원 최소화) - Economic Energy Systems : 에너지 절감형 양식 시스템(사육수 재순환)

◈ 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 시스템의 주요 구성 요소

1) 사육수조

2) 고형물 제거 장치

3) 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 시스템 운전시 고려사항

- 고형물 제거(침전조의 운전)

- 사육수조 내 충분한 유속 유지

· 사육수조 내 고형물의 신속한 제거

· 과도한 유속 : 사육어류가 중앙으로 몰리는 현상 발생

· 1회/일 침전조 내 집적 고형물을 배출

⇒ 사육환경에 따라 2회/일 고형물 배출

- 고형물 제거(스크린필터 운전)

고형물(분)은 최대한 빨리 사육조로부터 제거하는 것이

순환여과 시스템 에서 가장 중요

◈ 순환여과 양식 시스템의 공정 모식도

사육조 고형물 제거 부유 고형물,

용존 유기물 제거

생물학적 여과

용존산소 보충, 소독, Degassing, pH 조절, 가온

보충수 (5~10%)

고형물 배출수(5~10%)

탈질화 슬러지 집적 처리수 재순환

소 독

▶ 부유 고형물 및 용존유기물 제거(포말분리기의 운용)

- 생물여과조의 부하량 감소에 기여

- 공기입자의 크기 및 상승 속도는 매우 중요

- 공기입자의 체류시간을 늘리기 위해서는 사육수를

counter-current 형을 채택

- 지속적으로 포말이 배출되는 것이 바람직

⇒ 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)

- 어류를 증가시킬 필요가 있을 경우

· 갑자기 어류량을 증가시키지 않아야…

· 여과 미생물이 증식할 때까지 물 교환율을 증가…

· 소량씩 서서히 증가시키거나 사료량을 그대로 유지

- 사료 공급량을 갑자기 증가시키지 말아야…

· 일일 사료 공급은 섭취 가능량의 80% 만…

- 갑자기 수온 변화 방지해야…

· 특히 수온 상승시 보다 감소시에 큰 영향

⇒ 암모니아 산화세균 보다 아질산 산화세균의 활력 감소

⇒ 아질산 농도 증가

⇒메트헤모글로빈 형성, 산소 운반능력 감소, 질식사 우려

<실험에 이용된 여과 매질의 물리적 특성>

▶ 생물학적 여과조의 비 표면적 중요성

여과매질 스티로폼 비드 썬라이트 플라스틱 골판 조각

Polyethylene 여과매질

형태와 크기 구형, 1.5 ㎜ 부정형 실린더 모양, 25×30㎜

비표면적(㎡/㎥) 1,350 229.7 205.0

운전방식 살수식 침지식 침지식

▶ 생물학적 여과조의 운전 방식 중요성

<침지식 여과조> <살수식 여과조>

<스티로폼 bead 매질로 이용한 살수식 여과조의 여과 면적당

일간 TAN 제거량>

- 스티로폼 비드 살수식 여과조가 침지식 여과조 보다 용적당 제거량이

약 5.1~7.0 배 더 많음

⇒ 생물학적 여과조의 용적 감소: 침지식 여과조의 1/6

살수식 생물학적 여과조

- 여과매질 스티로폼 비드

- Superficial water velocity (SWV, 여과조 표면적 대비 사육수 통과 속도)

0.11∼0.13 cm/sec (현장 적용: 0.11 cm/sec)

포말분리기

- Hydraulic Retention Time (HRT, 사육수가 포말분리기 내 머무는 시간)

약 1~3분

- Superficial air velocity (SAV포말분리기 표면적 대비 공기 상승 속도)

약 1.1~1.5 cm/sec 현장 조건: 1.1 cm/sec

<RAS 시설 및 운전조건>

◈ 생물학적 여과에 영향을 미치는 요인 ▶화학적 요인

- pH

- 암모니아와 아질산(높은 농도에서 질산화 감소)

- 독성화합물(Toxic compounds) 존재

- 고형물(질산화 활성 억제, 타가영양세균과 경쟁, 사수 및

혐기 지역 발생, 메탄 및 황화수소 생성)

- 용존산소, 염분(질산화 효율 최대 50% 감소)

▶물리적 요인

- 수온

미생물 종류 수온 (℃)

범위 최적 저해

암모니아 산화세균

10-40 30-35 <5

아질산산화 세균

10-40 28-42 <4, >45

- 수리학적 부하량

- 여과매질의 종류 및 비표면적(표면이 거친 것, 용적당

표면적이 큰 것, 청소와 관리가 용이할 것)

- 생물막의 두께, 빛(차단 필요)

▶생물학적 요인

- 여과생물의 conditioning (숙성시간)

- 생물막여과조는 거대한 생물 집단

- 생물 수용전 여과생물의 숙성에 필요한 먹이 공급 필요

- 효과적인 고형물 및 부유 고형물 제거로 여과생물의

부착기질 보호

IBK 담수용 양성시설

3. RAS 발전과정과 설치사례

IBK 담수용 생물여과조

IBK 배출수 활용 방식

IBK 시스템내 사육수의 순환

IBK 시스템내 산소의 순환

IBK 시스템내 산소의 보충

IBK 순환여과시스템의 배치

• 구조가 간단하여 초기시설비 절감 및 운전 리스크 감소

• 수조 옆에 1차 침전조를 채택하여 고형물을 우선 분리

• 생물여과조는 판라이트 고정상을 채택하여 생물여과와 미

세 부유물의 침전을 동시에 수행(유속 최소화 설계)

• Vertical Pump를 채택하여 전기사용량을 절감

• U-tube 장치를 활용하여 거품분리, 탈기(CO2), 산소공급

3가지를 동시에 해결(시설비 절감)

• 생물여과조에 수생식물을 키워 광 차단 및 탈질 극대화

• 2중 비닐하우스로 가온,보온 극대화 및 초기 시설비 절감

IBK 시스템의 특성

강원도립대학, 아쿠아씨드택(1), 강원도수산자원연구소

- 넙치 종묘,중간양성

▶ 총 수량 100 m3 규모

◈ 설치사례

침전조 (큰 고형물 침전) Overflow

(큰 고형물이 제거된 상등액이 넘어가는 배관)

중앙배출구 (큰 고형물이 침전조로 배출)

소량의 물과 함께 집적된 고형물 최종 배출

살수식 생물학적 여과조

포말 분리기

펌프

사육수조 사육수조

유입수라인

- 시스템 개념도

- 사육수 순환

<하우스 및 배수구 설치>

설치사례 - 아쿠아씨드택(2)

- 상업규모 돌돔 양성용

순환여과 시스템

▶ 총 수량 400 m3 규모

<바닥 배관 설치 공정>

바닥 기초배관 및 순환배관 매립작업

<사육 수조 바닥 경사 조정 및 벽체 설치공정>

PP시트 용접 및 작업사진

PP시트 용접 및 작업사진

비닐 하우스 및 콘크리트 타설 작업사진

아쿠아씨드택(강원도 강릉소재)

<난방 장치 및 시스템 전경>

설치사례

(제주대학교)

설치사례

미국 넙치류 양식시설

사육수조 크기(용량) Ø7.2m 원형 사육수조(40 m3) × 4EA = 160 m3

여과조 수량 10.8 m × 2.8 m × 1.5 m = 45.36 m3

여과조 여과매질 수용량 10 m3 (비표면적: 800 m2/m3)

순환펌프 용량 - 5 마력 1개: 1,600 L/min

- 3 마력 2 개: 1,100 L/min (2개 합산: 2,200 L/min)

일간 사육수 순환 횟수

(100% 가동시) 26.6 회전 / 일 (총 사육수량 205.36 m3)

브로워 용량 1 마력 (수위 1.2 m에서 풍량 650 L/min)

드럼필터 용량 (처리수량/분) 4,300 L/min

드럼필터의 망목 규격 40~60 um

산소콘

- 2 개

- 허용 유량: 1,200 L/min (산소콘 1개 기준)

- 산소 공급 가능량: 2.8~3.8 kg O2/hr (10~20 psi 기

준)

UV

- 1 개 (260 와트 램프 5개, 15 암페어)

- 조사량: 15,000 uWs/cm

- 허용 유량: 4,000~4,600 L/min (위 조사량 기준)

미국의 넙치 류 양식용 시스템 예

설치사례(강원도립대학 전복 순환여과시설

전복과 해삼 복합 양성용 순환여과시스템

설치사례

-경북상주

송어양식장

4. 뱀장어 RAS 양식현황

콘크리트 사각수조, 유동상여과

1. 국내 내수면 양식업에서 뱀장어는 가장

중요한 위치

2. 최근 발전 저해 요인 상존

- 최근 실뱀장어의 수급 불안

- 수입수산물의 식품안전성 문제에서 기

인한 국내산의 소비 위축

- 고유가 시대의 도래

- 수질 환경 문제의 이슈화 등

뱀장어 양식산업의 개요

뱀장어 양식 시스템의 변천

1. 지수식(못양식) : 자연환경에 의존, 저밀도 2. 지수식 A :콘크리트탱크/수차 등을 사용하여 밀도를 높임/수처리방식 - 식물플랑크톤 조 성으로 암모니아 처리, 보온 시설, 사육수 교 환율 높음 3. 지수식 B : 콘크리트 수조가 깊다. 활성오니 법으로 암모니아 처리, 보온시설, 사육수 교환

율 비교적 낮음 4. 순환여과시스템 : 적극적인 수처리, 사육수 교환율 낮음. 생물여과방식으로 암모니아 처 리. 보온시설, 고밀도 양식가능

양식시스템의 변천과정

- 운전 수온은 27～30℃ 수준 - 용존산소량은 6.0～7.2㎎/L 수준 - 암모니아 : 5-23㎎/L (기준 : 1 ㎎/L이하) - 아질산 : 0.02-33.52㎎/L (기준 : 3 ㎎/L이하) - 탁도(SS) : 1-30 ㎎/L 수준 - 탱크의 수심 : 0.8-1.2m 정도 - 일일 환수량은 10～20% - pH 변동 : 3.8～6.8 범위(탄산칼슘 살포)

운영실태

양식시설 예

1. 반죽사료 사용으로 생물막 유기물 축적 – 질산 화 세균의 효율감소(암모니아만 증가) 2. 거품분리공정으로 시스템에서 유기물 제거(생 물여과 부하 감소, 질산화 촉진 및 질병 예방) 3. 사료관리 – 적정 DP/DE ratio 사료공급으로 암모니아 제어(암모니아 축적 – 요소배설량 증가가 성장감소로 연결) 4. 유동상 생물여과조의 성능 약화(과도한 유동으 로 질산화 박테리아의 탈락으로 질산화 효율 감소)

5. 운전에 따른 문제점

NH3

NH4+

NO2-

(아질산염)

NO3-

(질산염)

고형물(분) 아미노산

질 산 화 과 정

무 기 물 화 과 정 Nitrosomonas

Nitrobacter

▶ 생물학적 여과의 과정(질산화 과정)

아가미에서 직접 배출

사료의 관리 - 암모니아 배설 제어

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

사료 단백질 함량과 성장 (1) (%DM)

사료 단백질 함량과 성장 (2) - 47일

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

사료 종류에 따른 배설 - 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)

- 배합사료는 고단백질 : 남는 것은 자가오염

- 칼로리가 낮으면 단백질이 에너지원으로 전용(효율 감소)

- 단백질과 칼로리를 적정화시킨 고에너지사료를 사용

(사료의 가격을 절감, 오염 부하량 감소)

- 단백질 함량이 42% 배합사료, 지방 함량을 24%에서

30%로 증가(질소 배설이 8%나 감소)

- 단백질 함량은 40% 수준으로 낮추고 지방을 30%까지

높인 고에너지 사료를 대서양연어에게 먹였더니 질소

배설이 35.0%～37.6%나 감소

사료와 배설 특성

6. 순환여과시스템의 상업화 제한요인 ▶ pH의 하강

- 알칼리도의 상승 방안(탄산칼슘 등)

- 탈기공정의 도입(상업성 판단)

▶ 질산염의 과도한 축적

- 탈질공정의 효율화 방안

- 대체공법의 개발(Bio-filter의 개발 등)

▶ 용존산소의 공급 방안(고밀도 사육)

- 생산성 결정요소

▶ 질병의 제어(식품안전성 문제)

- 항생제 사용제한, 백점충 등의 통제 방법 등

◈ CO2 탈기 장치

- RAS 시설로 고밀도 사육시 수중 알카리도의 소모로 지속적인

pH 하강현상 발생

· 보충제(중탄산나트륨) 첨가로 인한 생산 경비 상승

- pH 하강시 문제점

· 성장 저하

· 혈중 헤모글로빈의 산소 결합능력 저하

· 생물여과조의 질산화 작용 능력 저하

- 알카리도를 소모하는 1차적 원인인 CO2 제어 방법 필요

· 탈기 장치 및 CO2 제거 원리

- 생물학적 여과조의 질산화 작용 ⇒ 지속적인 질산염 제공

-고형물 제거장치 - ⇒ 지속적인 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

▶ 탈질 공정의 중요성

- 식물, 해조류 등을 이용, 탈기장치 활용

▶ 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

◈ 미세비드 유동장치

- 미세비드 여과조내 유기 고형물 축적

· 비드층 내부에 사수구역 발생(여과효율 감소)

· 질산화세균과 공간경쟁 및 환원구역 발생(대량 폐사 유발)

- 병원체 번식 조장

· 기생충 및 병원성 세균의 서식처 제공

· 기생충성 질병으로 인한 폐사 발생

- 여과조 세척을 위한 인력 및 시간 소모

· 월 1회 이상 세척으로 시스템 가동 일시적 중지

· 미세비드 세척을 위한 추가 인건비 발생

1. 고가의 어종을 대상

2. 생물여과의 특성을 고려하여 적수온이 높은

어종(수질유지에 장점)

3. 암모니아 등의 독성에 강한 어종 대상

4. 식품안전성 확보 노력 – 수질개선 노력, HACCP,

면역강화제 활용 등

4. 빨리 키우는 것보다 생산경비를 낮추는 노력,

연중 양식이 필요

7. 발전방안

1. 순환율(turnover rate)을 높이는 것이 유리?

2. 많이 먹여서 빨리 키우는 것이 유리?

3. 사육수를 맑게 유지하는 것이 유리?

4. 수조는 큰 것이 유리?

5. 냉동된 MP사료 공급이 수질유지에 도움?

6. 복잡한 수처리 시설이 필요?

7. 예방적인 약 처리 필요?

- RAS 양성, 산업화를 위한 고민

1. 고급 비닐하우스 채택 – 시설비 절감, 자연난방

2. 수조나 수처리시설 : 콘크리트보다 PP sheet

3. RAS 1기 수량 200-300톤 규모(리스크 관리)

4. RAS 1기 당 수조는 5-6m 크기 6-8개 정도

5. 펌프는 수중펌프 3-5마력, 20회전 내외

6. 생물여과조 : 비표면적이 큰 소재 선택(ex.

100톤 생산 규모에 bio-ball 약 1,700m2,

스치로폼비드 약 240m2 소요)

- 뱀장어 양성을 위한 시설제안

스티로폼 비드 Polyethylene 매질

암모니아 제거량1)

(g TAN/m3 media/day)

447.2±27.3 64.5±6.0

암모니아 배설량2)

(g/100ton eel/day) 108,000

필요 여과매질 용적 (m3 media)

241 1,674

여과매질 단가 (원)

60,000 300,000

필요 여과 매질 금액 (백만원)

14.5 502.2

뱀장어 100ton 생산 시 필요한 여과매질

1) 박정환(2005) - 부경대학교대학원 박사학위 논문 2) Engin and Carter (2001) – Aquaculture 194 : 123-136

감사합니다!!!