친환경양식기술(바이오플락(BFT)씨스템)

 

친환경양식기술(바이오플락(BFT)씨스템)

 

BFT(바이오플락) 양식기술이란?
BFT양식기술은 물이 부족하고 부지가 좁은 공간에서 미생물을 이용하여 많은 양의 물고기를 키워내기 위한 양식기술이다. 좁은 공간에서 많은 양을 키워내기 위해서는 치밀하고 과학적인 “물관리”가 필수적이다. “물관리”는 물고기가 죽지 않도록 수중 환경을 만들어 주는 것인데, 수중에 투입되는 오염유발 물질, 즉 사료, 물고기 배설물 등을 물고기가 영향을 받기 전에 빠른 속도로 분해해야 하는 것이다. 오염물 분해는 미생물에 의해 이루어지므로 결국은 미생물의 성공적인 관리가 BFT양식의 성공여부를 결정 할 것이다.

바이오플락(Bio-Floc)이란?
바이오플락이란 미생물, 조류, 원생동물 및 미세입자가 뭉쳐져 있는 작은 덩어리를 일컫는다. 작은 바이오플락은 다시 미생물에 의해서 분비되는 끈끈한 엑스트라셀룰라 효소에 의해 서로 뭉쳐져 좀 더 큰 플락을 형성하게 되어 육안으로 구분할 수 있는 크기(50~200 micron)로 발전하며 쉽게 침전된다. 이렇게 형성된 바이오플락은 영양적 가치가 높다. 현장에 따라 다르겠지만 일반적으로 건조된 바이오플락에는 단백질이 30~45%, 지방질이 1~5%, 그리고 각종 비타민과 미네랄이 들어있고, 생균제로서 역할도 담당한다.

바이오플락 시스템의 역할
바이오플락은 두 가지 중요한 역할을 한다. 하나는 물을 정화하는 것이고 다른 하나는 물고기에 영양을 공급하는 것이다. 일반적으로 물고기에 주어지는 사료의 단백질 성분 중 실제로 물고기에 의해 소모되는 양은 20~30%에 지나지 않고, 나머지 70~80%은 물에 녹아 해로운 암모니아 성분으로 변한다. 바이오플락 시스템에서는 물에 녹아 버려지는 질소를 미생물이 섭취하여 다시 단백질 상태로 물고기에 되돌려 주는 것 이다.이렇게 바이오플락 시스템은 물을 정화하고 물고기에 영양을 공급할 뿐 아니라 사료의 낭비를 줄여주는 역할까지 한다.

BFT 물관리 포인트
믹싱 & 산소공급    DO 5mg/L 이상유지
적정 미생물량 확보             MLSS 300~500 mg/L
질소 관리             C/N ratio 20 이상 유지
pH 조절  6.8~7.2
알카리도 100~150 mg/L 이상

믹싱 및 산소 공급
BFT에서 가장 중요한 요소가 믹싱 및 산소 공급이다. 고형물질이 가라앉지 않고 항상 떠 있는 상태를 유지해야 한다. 고형물이 가라앉으면 주변의 산소를 급속하게 고갈시켜 혐기상태가 되며 황화수소, 메탄가스, 암모니아등의 독성 가스가 발생하여 새우나 물고기 폐사의 원인이 된다. BFT시스템에서의 산소요구량은 일반 양식시스템에 비해 월등히 높다. 일반적으로 시간당 산소소비량이 5~8mg/L 로 매우 높아 동력이 중단되면 산소가 급격히 소비되어 물고기가 폐사할 수 있다. 1시간 이상 공기 공급이 중단돼서는 안 된다. 산소 공급을 위한 동력은 일반적으로 25~35hp/ha이며, 초 고밀도 양식의 경우 100~150hp/ha에 달한다. 일반적으로 수차를 많이 사용하나 수차는 산소공급에는 효과적이나 믹싱에는 효과적이지 않다. 수차는 물의 상하 교류가 잘 이루어지지 않는 단점이 있어 바닥에 고형물이 쌓여 혐기상태가 될 위험이 있다. 산기관과 에어리프트를 사용하는 것이 효과적이다. 산기관과 에어리프트를 병합한 것이 MixOx이다.

양식장 물관리에서 가장 중요한 요소중의 하나가 암모니아를 치사 농도 이하로 낮추는 것이다. 암모니아를 제거하는 방법은 크게 세가지로 대별 되는데, 조류에 의한 섭취, 미생물에 의한 섭취, 그리고 질산화 미생물에 의한 질산화가 그것이다.

바이오플락 시스템에서 암모니아제거는 사료 투입량, 미생물농도(MLSS), 암모니아농도, 빛의 강도, C/N 비에 따라 세가지 기능이 서로 복합적으로 이루어 진다.

1. 조류에 의한 암모니아 섭취
바이오플락 시스템에서 암모니아는 조류에 의해 빠르게 섭취된다. 조류에 의한 암모니아 섭취는 빛의 강도에 따라 좌우된다. 하지만 흐린날이 계속되면 암모니아 섭취율이 떨어지고 산소가 고갈되며 PH가 변화되는 현상이 발생하므로 조류에 의존 하는 것은 위험하다. 일반적으로 사료투입량이 300kg/ha(30g/m2) 이하일 때 조류가 우점하게 된다.

2. 미생물에 의한 섭취
바이오플락의 주요 미생물 중의 하나는 종속영양세균이다. 종속영양세균은 외부로부터 탄소원을 얻어 성장하는 세균을 일컫는다. Bacillus subtilis, Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus lichenformis, Cellumomona sp., Cellulomonas biazotea, Pseudomonas stutzeri, Pseudomonas denitrificans, Rhodopseudomonas palustris 등의 미생물이 여기에 속한다. 종속영양세균은 탄소와 암모니아를 섭취하여 성장한다. BFT 시스템에서 사료투입량이 많지만 충분한 양의 종속영양균을 확보하기에는 부족한 부분이 많다. 일단 탄소원이 부족하고, 각종 미네랄과 비타민 등이 부족한 경우가 많다. 따라서, 적절한 C/N 비(20:1)를 맞추기 위해 탄소원(당밀, 설탕 등)을 추가하여 부족한 유기물을 확보하고, 비타민과 미네랄을 추가하므로 건강하고 충분한 양의 종속영양균을 확보할 수 있다. 종속영양균의 번식 속도가 질산화 미생물보다 훨씬 빠르기 때문에 암모니아 제거 속도가 그 만큼 빠르다. 따라서, 암모니아가 높아질 때 탄소원을 투입하면 빠른시간에 암모니아를 제거할 수 있다. 하지만 종속 영양균에 흡수된 암모니아는 혐기상태가 되면 다시 암모니아로 유출 될 수 있다. 한편, 암모니아는 종속영양균에 섭취되어 단백질로 저장되어 새우나 물고기의 먹이가 되어 추가적인 단백질 원이 되기도 한다.

3. 질산화
암모니아가 질산화 미생물에 의한 아질산을 거쳐 질산성 질소로 변화되는 과정을 질산화라 한다. 질산성 질소는 암모니아에 비해 그 독성이 작다. 물의 환수가 적은 BFT 시스템에서 질산화는 매우 중요한 역할을 한다. 암모니아를 줄이기 위해 탄소원을 추가 할 수 있지만, 탄소원을 지니치게 많이 사용하면 산소가 고갈될 수 있고, 슬러지가 많아져 새우나 물고기 아가미를 막히게 할 수 있으므로, 암모니아제거는 가능하면 질산화 미생물에 의해 독성이 낮은 질산성 질소로 바꾸는 것이 좋다. 질산성 질소는 산소가 부족한 환경에서 탈질되어 질소가스로 대기 중으로 방출된다. 질산화에 관여하는 미생물은 독립영양세균으로 나이트로소모나스(Nitrosomonas)와 나이트로박터(Nitrobacter)가 대표적이다.  [표2]는 질산화 과정을 화학식으로 나타낸 것이다.

반응식	미생물
NH4+ + 1.5O2 à NO2- + H2O + 2H+	Nitrosomonas
NO2- + 0.5O2 à NO3-	Nitrobacter
NH4+ + 2O2 à NO3- + H2O + 2H+	전체 화학 반응식

[표2]

①     BFT 시스템에서 암모니아 관리
C/N 비 관리: BFT 시스템에서 암모니아 관리를 위해 C/N비가 매우 중요하다. 단백질 함량이 30~35%인 사료의 C/N는 약 9~10:1 정도로 낮다. 이를 15~20:1로 늘려 종속영양균에 의한 암모니아제거 효율을 높인다. 부족한 탄소원은 설탕이나 당밀 등을 넣어 보충한다. 탄소원은 암모니아를 빠르게 제거하는 데 도움이 되나, 지속적으로 사용하면 슬러지가 지나치게 많아지므로 질산화가 진행되면 사용을 줄이고 암모니아 농도가 높아질 때만 사용하도록 한다.

②     질산화 미생물에 의한 질산화: 질산화 미생물은 종속영양균에 비해 성장이 느리기 때문에 시운전 초기에는 질산화에 의한 암모니아제거를 기대할 수 없다. 시운전 후 2~3주가 되면 질산화 미생물 개체수가 확보되어 탄소원 없이도 암모니아를 제거할 수 있게 된다. 질산화가 진행되면 알카리가 소모되어 PH가 내려갈 수 있으므로 알카리를 보충해주어야 한다.

바이오플락 농도(MLSS) 관리
바이오플락의 농도는 1000mg/L이하로 유지해야 하며, 가능하면 200~500mg/L 로 유지하는 것이 바람직하다. 바이오플락 농도를 측정하는 방법은 [그림 2]와 같은 임호프관에 1리터의 잘 섞인 물을 받아 1시간 침전 시킨 후 침전된 고형물의 양이 약 10~15ml가 되면 적당하다. 탁도계를 사용할 경우 75~150 NTU 가 적당하다. 바이오플락 농도가 높아지면 산소요구량이 많아지고 아가미등에 낄 수 있으므로 가능하면 낮게 유지하는 것이 좋다. 정기적으로 임호프관를 이용하여 슬러지양을 측정하고, 농도가 늘어날 경우 슬러지를 빼내야 한다. 슬러지를 빼내는 방법 중의 하나는 침전조를 이용하는 것이다. 하루에 1~5%의 폭기상태의 물을 침전조로 빼내어 슬러지를 침전시키고 상등수는 다시 반송하고 슬러지는 폐기하는 것이다. 침전조 운영은 간헐적으로 빼내는 배치(Batch) 형태로 운영하거나, 연속운전 할 수 도 있다. 연속 운전할 경우 침전조 체류시간은 약 30분 정도로 한다. 침전조를 이용하는 것이 비교적 쉽고 간단하나, 플락이 미세하여 잘 침전이 되지 않을 경우 폼프랙셔네이터(Foam Fractionator) 혹은 DAF를 이용하여 분리해 낸다.

알카리도 관리
알카리도는 BFT시스템에서 물의 PH 변화를 막기 위해 매우 중요하다. 질산화가 진행되면서 알카리도가 급격히 소모되기 때문에 알카리를 추가 공급해주지 않으면 PH가 산성으로 변할 수 있다. 산성으로 변하면 질산화 미생물을 포함하여 모든 미생물 활동의 둔화되어 수질이 악화될 수 있다. 알칼리도는 항상 100~150mg/L(as CaCO3) 이상을 유지해야 한다. 알카리도는 (중)탄산나트륨을 첨가하여 유지할 수 있는데, 일반적으로 사료 1kg 당 0.25kg의 (중)탄산나트륨을 투입하는 것이 좋다. 그리고 적어도 1주일 간격으로 알카리도를 확인해야 한다.

탈질 및 잉여 슬러지 처리
탈질이란 질산성 질소를 질소가스로 환원시켜 대기 중으로 방출하는 것이다. 탈질은 산소가 없는 환경에서 미생물에 의해 이루어지는데, 탈질 작용으로 질산성 질소의 농도를 낮출 수 있을 뿐 만 아니라 질산화 작용으로 인하여 소비되었던 알카리도가 일부 회복된다. 탈질 작용은 물의 환수 없이 양식을 할 때 유용하다. 질산성 질소의 농도를 낮추기 위해 물을 환수하면 외부로부터 병균이 들어올 수도 있고, 폐수가 발생하지만, 탈질을 통해 질소를 탈질시키고 처리수를 다시 사용하면 폐수발생도 없고 외부 병균의 유입을 차단하며 알카리도를 환원할 수 있다. 탈질조를 운영할 경우, 무산소 조건에서 1~2일의 체류시간과 유기물의 투입이 필요하다. 한편, SBR(Sequencing Batch Reactor)를 이용하면 슬러지 소화와 탈질을 동시에 이룰 수 있어 유용하다. 침전된 잉여슬러지를 SBR 반응조로 보내어 호기성 소화에 의해서 슬러지는 분해되고 처리수는 다시 양식조로 보내지므로 폐기물 발생이 거의 없게 된다.

BFT 시스템 시운전
BFT 시스템은 고밀도 양식을 하기 때문에 많은 양의 미생물과 다양한 종류의 미생물이 필요하다. 따라서 적정한 수준의 미생물을 확보할 때까지 시운전 기간이 필요하다. 시운전 초기에는 질산화 미생물 개체수가 적으므로 종속영양균을 대량 확보해야 한다. 따라서 질산화가 이루어질 때까지 탄소원을 투입하여 미생물 증식을 돕고 암모니아 농도가 증가하는 것을 방지해야 한다. 초기에는  탄소원과 함께 질소와 인 등 영양염류 물질과 무기질 등의 투입도 필요하다.

입식 밀도 및 생산량
[표2]은 새우 와 틸라피아 BFT양식에 따른 일반적인 입식밀도 및 생산량을 나타낸 것이다.

시스템	입식밀도	Aeration (hp/ha)	사료투입량 (kg/ha day)*	수확량
새우노지	125~150 PL/m2	25~35	400~500	20~25t/ha
새우실내	200 PL/m2	150	1000~1500	5~7kg/m2
새우실내	300~500치하/m2	**	400~650	4~7(up to 10kg/m2
틸라피아	20~25/m3	130~150	1750~2000	15~20(up to 30)kg/m3
*1kg/ha = 0.1g/m2 ** Airlift and diffusers supplied by blower; Venturis injected oxygen from oxygen generator

[표 2]