육상 기반 산업화 순환 양식 시스템 (RAS) 공정 및 매개변수 설계 (제3부): 수질 매개변수

순환 수질 파라미터

수질 파라미터와 설계 기준은 순환 수 처리 시스템의 설계 및 운영 관리의 기초를 형성합니다. 아래는  엔지니어링 팀 :

1. 고체 입자 제거 시스템 설계

순환 양식 시스템(RAS)에서 수중의 고체 입자를 측정하는 매개변수로 총 현탁 고체(Total Suspended Solids, TSS)가 일반적으로 사용됩니다. 이는 주로 1마이크론보다 큰 입자 크기를 가진 고체 물질의 총량을 의미합니다. 순환 수 체계 내에서 TSS에는 어분, 남은 사료, 생물학적 응집체(사망한 및 살아있는 박테리아 등)가 포함됩니다. 이러한 현탁 입자의 크기는 마이크로미터 단위에서 센티미터 단위까지 크게 다릅니다. 현탁된 입자는 어류의 건강과 성장에 직접적인 영향을 미치며(특히 냉수어류), 생물학적 여과기의 부담도 증가시킵니다. 따라서 순환수 내 현탁 입자의 농도를 적절한 범위 내로 유지하는 것이 필요합니다.

일부 EU 국가들의 순환 양식 시스템(RAS)에서 부유 입자의 관리는 비교적 엄격합니다. 예를 들어, 순환 양식 시스템(RAS)에 사용되는 수역에서는 총 부유 물질(TSS)로 측정된 부유 입자 농도가 보통 15mg/L 이하로 유지되어야 좋은 수질과 생태 환경을 보장할 수 있습니다.

미국 역시 양식 및 수처리 분야에서 관련된 수질 규제를 가지고 있습니다. 순환 양식 시스템(RAS)에서 탁도와 기타 관련 지표로 전환된 부유 입자 농도에도 일정한 제한이 있습니다. 부유 입자의 이상적인 농도 범위는 약 8-12 mg/L로, 이를 통해 수생 생물의 생존과 번식이 보장됩니다.

중국의 공장 기반 순환 양식 시스템(RAS)에서 실제로 운영할 때 일반적으로 현탁 입자 물질 농도(현탁 고체 SS)를 10mg/L 이하로 제어해야 합니다. 일부 수질이 좋은 물을 요구하는 귀한 종류, 예를 들어 연어 같은 경우에는 이를 5mg/L 이하로 제어해야 할 정도입니다.

2. 용존 오염물질 제거 매개변수

용존 성분에는 용해된 무기물질과 유기물질이 포함됩니다. 그 중 용존 해로운 물질은 주로 암모니아 질소(NH3-N)와 아질산성 질소(NO2--N)입니다. 암모니아 질소는 어류의 지느러미와 피부를 통해 혈액으로 들어가 정상적인 삼카르복실산 회로를 방해하고 삼투압을 변화시키며 물에서 산소를 흡수하는 능력을 낮추어 정상적인 성장과 생존에 영향을 미칩니다.

순환 양식 시스템(Recirculating Aquaculture System, RAS)에서 자주 사용되는 고정 막질 니트리피케이션 생물학적 필터는 특정 생물학적 채우기 재료 표면에 성장하는 암모니아 질소 전환 세균 군집을 의미하며, 암모니아 질소는 확산을 통해 고정된 생물막으로 이동하여 전환됩니다. 생물학적 필터 공정 설계의 주요 목적은 필터가 물고기가 배출한 암모니아 질소를 제거하고, 양식 체계 내 암모니아 질소 농도를 사전 설정된 범위 내에 유지하며, 물고기의 안전과 효과적인 성장을 보장하기 위해 충분한 니트리파잉 박테리아를 확보하는 것입니다.

2.1 암모니아 질소 (NH₃-N) 관리

암모니아 질소는 순환 양식 시스템(RAS)에서 물에 용해된 주요 오염 물질 중 하나입니다. 이는 주로 양식 생물의 배설물과 남은 사료에서 발생합니다. 높은 농도의 암모니아 질소는 양식 생물에게 유독하며, 그들의 성장, 면역력 및 번식 능력에 영향을 미칠 수 있습니다. 생물학적 필터에서는 암모니아 질소의 제거가 주로 니트리파이션 균 등의 미생물의 작용에 의존하여, 암모니아 질소가 아질산염과 질산염으로 전환됩니다.

생물학적 여과기를 설계할 때, 충분한 표면적과 여과 물질의 부피를 고려하여 질소 화합물을 분해하는 박테리아가 자라고 번식할 공간을 제공해야 합니다. 동시에 유입수의 암모니아 질소 부하를 조절하고 생물학적 여과기에 과도한 암모니아 질소 농도가 영향을 미치는 것을 방지해야 합니다. 예를 들어, 자동 사료 투여기와 소량 다회식 사료 전략을 채택하여 유입수의 암모니아 질소 농도를 줄일 수 있습니다. 양식된 생물의 암모니아 내성 및 사육 밀도에 기반하여 생물학적 여과기에 허용되는 암모니아 질소 농도를 결정합니다. 일반적으로 대부분의 담수 양식 어류의 경우 전체 암모니아 질소 농도는 1mg/L 이하로 통제되어야 하며, 비이온화 암모니아는 0.025mg/L를 초과하지 않아야 합니다.

2.2 아질산 (NO₂⁻-N) 관리

질산화 과정에서 암모니아 질소의 중간 산물인 아질산염은 양식 생물에게 독성이 있는 물질로, 순환 양식 시스템(RAS)에서 밀접하게 모니터링해야 할 수질 파라미터 중 하나입니다. 아질산염은 양식生物의 혈액 내 산소 운반을 방해하여 저산소증 증상(호흡곤란, 머리 떠오름, 심할 경우 사망)을 유발할 수 있습니다.

설계 단계에서는 아질산염이 질산염으로 효과적으로 전환될 수 있도록 생물학적 필터의 성능을 확보해야 합니다. 이를 위해 생물필터 내 탈질균의 활성을 유지하고 적절한 용존산소와 같은 적합한 환경 조건을 제공해야 합니다. 일반적으로 아질산염 농도는 0.5mg/L 이하로 제어해야 합니다.

2.3 해수 양식 고려사항

바다물의 염도는 비교적 높으며, 나트륨 이온(Na ⁺ ) 및 염소 이온(Cl ⁻ ), 마그네슘 이온(Mg ² ⁺ ), 칼슘 이온(Ca ² ⁺ 등등. 해양 양식 생물들은 장기적인 고염 환경 적응 과정에서 복잡한 이온 조절 시스템을 발전시켰습니다. 질산화가 해양 생물에 침투하면, 이러한 생물들은 자체 이온 조절 시스템을 이용하여 질산화의 생리적 영향을 부분적으로 완화할 수 있습니다. 순환 양식 시스템(RAS)에서 염소 이온(Cl -)은 경쟁 억제를 통해 질산화(NO2-)의 독성을 줄여줍니다. 구체적으로, 염소 이온과 질산화는 모두 지느러미 판의 염소 세포를 통해 어류 몸 안으로 들어가야 합니다. 염소 이온의 존재는 질산화가 어류 몸 안으로 들어가는 것을 어렵게 만들어 그 독성을 줄입니다. 일반적으로 물의 염소 이온 농도가 질산화보다 6배 높으면 질산화의 독성을 효과적으로 억제할 수 있습니다. 담수 양식에 비해 해수 양식에서는 질산화로 인한 독성 위험이 덜하며, 이는 해수의 더 높은 염소 이온 농도와 관련이 있습니다. 따라서 순환 양식 시스템(RAS) 시스템에서는 염분을 적절히 조절하여 질산화의 독성을 효과적으로 줄이고 양식 생물의 건강과 안전을 보호할 수 있습니다.

3. 용존 산소 (DO)

순환 양식 시스템(RAS)에서 용존 산소(DO)는 주요 수질 파라미터입니다. 물고기와 다른 수생 생물들은 길이 호흡을 통해 물로부터 용존 산소를 흡수하여 대사 활동을 유지합니다. 대부분의 온수 어류가 정상적으로 성장하기 위해 필요한 용존 산소 농도는 일반적으로 약 5-8mg/L입니다. 용존 산소 농도가 임계치 이하로 떨어지면 수생 생물들의 호흡이 억제되고, 성장 속도가 느려지며, 면역력이 감소하고 질병에 걸릴 가능성이 커집니다. 예를 들어, 용존 산소가 2mg/L 미만일 때 많은 물고기가 머리 띄우기 현상을 경험하며, 저산소 상태가 장기간 지속되면 물고기가 사망할 수 있습니다.

순환 양식 시스템(RAS)에서는 용존 산소를 8-10 mg/L 사이로 유지하는 것이 권장됩니다. 더 높은 용존 산소는 사료 섭취량을 증가시키고 사료 효율을 개선하는 데 유리합니다.

4. pH 제어

순환 양식 시스템(RAS)에서 어류에 적합한 pH 범위는 일반적으로 7.0-8.5 사이입니다. 예를 들어, 대부분의 담수 어류는 pH 7.2-7.8의 환경에서 잘 자랍니다. 이는 이 pH 범위 내에서 어류의 호흡, 삼투압 조절 등 생리적 기능이 비교적 정상적으로 이루어질 수 있기 때문입니다. 기체 교환은 지느러미를 통해 이루어지며, 물의 적절한 산성도나 알칼리도는 산소와 이산화탄소의 정상적인 교환 과정을 돕습니다.

새우 양식, 예를 들어 남미 흰 새우와 같은 경우 적정 pH 범위는 약 7.8-8.6 정도입니다. 이는 갑각류의 생리적 구조와 활동 특성 때문으로, 이들은 약간 높은 pH 환경에 더 적응할 수 있습니다. 적정 pH는 새우의 탈피 성장에 유리합니다.

그러나 순환 양식 시스템(RAS) 과정 중에 시간이 지남에 따라 물의 pH 값이 계속해서 감소하므로 물의 pH 값을 조절해야 합니다. 자동 pH 조절 장비를 사용할 수 있으며, pH 센서 데이터에 따라 물의 pH 값을 자동으로 조절할 수 있습니다.