살수식 여과조의 질산화작용에 대한 수리학적 부하량과 C/N 비의 영향

Abstract

Maintaining suitable water quality for aquaculture organisms is one of the most important factors associated with productivity. Ammonia, which is a metabolite produced by aquaculture organisms, is toxic to themselves. Culture organisms exposed to ammonia and nitrite nitrogen are known to exhibit problems on tissue structure and function, blood chemistry, and osmotic pressure control, gills, activity, and growth rate. Thus those nitrogen forms must be appropriately controled in culture systems, especially intensive aquaculture systems such as recirculating aquaculture systems. In order to control ammonia and nitrite nitrogen, recirculating aquaculture systems use the biological filtration units for the nitrification process. Nitrification efficiency is affected by various physical, chemical, and biological factors such as water temperature, flow rate, and microbial biomass. The development and research on filter medium, which has a great effect on the microbial activity, is actively underway. In this experiment, styrofoam beads which are able to provide a large specific surface area and are relatively inexpensive were tested as filter media. Styrofoam beads with a size of 3 ± 0.5 mm were used and the specific surface area of the beads was 1,034 m2/m3. Five independent recirculating culture systems were used in the experiment. Each system consisted of one culture tank and three trickling bio-filters. Using the systems, nitrification efficiency was evaluated over the hydraulic loading rate (HLR) and carbon/nitrogen (C/N) ratios. The lowest ammonia and nitrogen concentrations were 0.84 mg·L-1 and 1.30 mg·L-1 respectively, and those were found at the hydraulic loading rate of 50.9 m3·m-2·hr-1. Nitrification efficiency for C/N ratio was highest at a C/N ratio 0, showing 0.32 mg·L-1 and 0.90 mg·L-1 for ammonia and nitrite nitrogen concentrations, respectively in the culture tank. Ammonia and nitrite nitrogen concentrations in the culture tank abruptly changed of a C/N ratio 3 or higher.

양식생물을 사육함에 있어 적절한 수질 환경을 유지하는 것은 생산성과 연관된 가장 중요한 요소 중 하나이다. 생물사육중 발생하는 암모니아는 양식생물에 독성을 띈다. 암모니아 및 아질산성 질소에 노출된 사육생물은 조직의 구조와 기능, 혈액 성상, 삼투압 조절, 성장 및 번식에 문제를 일으키고, 성장률 및 활동성 감소, 아가미 이상 현상 등이 나타나는 것으로 알려져 있다. 순환여과양식시스템은 생물 사육과정에서 발생하는 암모니아 및 아질산성 질소를 제거하기 위해 생물학적 여과조를 운용하며 생물학적 여과조 내 질산화 미생물의 질산화 반응을 이용한다. 질산화 반응은 수온, 유속, 미생물 생체량 등 물리적, 화학적, 생물학적인 다양한 요인에 영향을 받는다. 이중에서 미생물의 생체량에 큰 영향을 미치는 여과매질에 대한 개발과 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 실험은 기존의 플라스틱 재질의 여과매질을 대체하여 비표면적이 크고 비교적 가격이 저렴한 스티로폼 비드를 여과매질로 이용하였다. 3 ± 0.5 mm 크기의 스티로폼 비드를 이용하였으며 스티로폼 비드가 갖는 비표면적은 1,034 m2·m-3로 일반적으로 사용되는 여과매질의 비표면적과 비교하였을 때 높은 비표면적을 갖는다. 실험은 독립적으로 운용되는 5개의 순환여과시스템이 이용되었으며, 각 시스템은 1개의 모의 사육조와 3개의 살수식 여과조로 구성되었다. 이 시스템을 이용하여 미생물의 생체량과 질산화효율에 큰 영향을 미치는 요인 중 수리학적 부하량과 C/N비의 영향에 대한 질산화 효율을 평가하였다. 수리학적 부하량에 대한 질산화 효율평가 결과 50.9 m3·m-2·hr-1의 수리학적 부하량 일 때 모의 사육조 내 암모니아 및 아질산성 질소 농도는 각각 0.84, 1.30 mg·L-로 실험구 중 가장 낮은 농도를 나타내었다. 일간 암모니아와 아질산성 질소의 전환속도와 운영적인 측면을 고려했을 때 50.9 m3·m-2·hr-1가 최적의 수리학적 부하량으로 도출되었다. C/N비에 대한 질산화 효율평가 결과 C/N비 0의 조건에서 가장 높은 효율을 나타내었다. 모의 사육조 내 암모니아 및 아질산성 질소 농도는 각각 0.32, 0.90 mg·L-로 나타났다. 실험결과 C/N비 3 이상의 조건에서 모의 사육조 내 암모니아 및 아질산성 질소 농도의 급격한 변화가 관찰되었다. C/N비 0의 조건에서 질산화 효율이 가장 좋게 나타났다.