양식장 물고기 배설물의 생물학적 처리에 관한 연구

서인선, 신평균, 이상득, 정문조

한국과학기술연구원 환경·CFC 연구부

The studies on the biological treatment of fish-excretion

In-Seon Seo, Pyong-Kyun Shin, Sang-Deuk Lee, Moon-Jo Chung

Division of Environmental and CFC Technology, Korea Institute of Science and Technology

서론

환경보전에 대한 관심이 급속도로 고조되고 환경규제가 강화되고 있는 현상황에서 모든 산업은 경제성과 더불어 환경에 대한 영향을 우선적으로 고려해야만 하며, 환경에 영향을 준다고 판단될 경우에는 그 영향을 최소화할 수 있는 기술개발을 위한 노력이 요구된다.

과거 정부의 육성산업으로 적극 장려되었던 양식산업이 경제발전과 국민의 식생활에 큰 기여를 한 것은 무시할 수 없는 사실이지만 오늘날에 와서는 양식장에서 배출되는 오염물질로 인하여 주변 상수원의 수질이 오염될 뿐 아니라 주변환경을 훼손하고 있어 그 영향을 최소화할 수 있는 처리방안에 대한 연구가 진행되고 있다.

본 연구에서는 양식장 바닥에 퇴적되어 있는 물고기 배설물을 수거하여 자연에 그대로 방치할 경우 물고기 배설물 중에 포함되어 있는 다량의 유기물과 수분으로 인하여 부패와 악취가 발생할 수 있기 때문에 생물학적 처리를 통하여 환경에 미치는 악영향을 줄이고 동시에 퇴비로서의 재활용 가능성을 검토하기 위하여 물고기 배설물의 물리, 화학적 특성을 분석하고, 활성오니에 의한 생분해도측정 및 퇴비화실험을 하였다.

실험장치 및 방법

실험장치

실험장치는 ASTM D5209-92를 바탕으로 Figure 1.과 같이 크게 3부분  CO2 제거장치, test reactor, CO2 포집장치)으로 구성하였다. CO2 제거장치는 호기적 조건을 위해 공급해주는 공기 중에 포함되어있는 CO2를 제거하기 위한 것으로서 10N NaOH와 0.025N Ba(OH)2 수용액을 각각 1L 삼각플라스크에 700mL씩 넣어 Figure 2.와 같은 배열로 연결하였다. CO2 포집장치는 반응기에서 유기물이 분해되어 발생하는 CO2를 잡기 위해 0.025N Ba(OH)2 수용액을 일정량씩 담은 bottle를 반응기 각각에 3개씩 연결하였다. 반응기의 공기공급라인과 CO2배출라인을 각각 CO2제거장치와 CO2 포집장치에 연결하였다. Figure 3.의 (a)는 활성오니에 의한 생분해도 측정을 위한 반응기이며, (b)는 퇴비화를 위한 반응기를 나타낸 것이다. (b)의 경우에 공기공급라인을 아래에 둔 것은 고체시료중으로의 공기공급을 원활히 하기위함이며, 아크릴 원통바닥에서 3cm 정도 높이에 다공성 원판을 둔 것은 원활한 공기공급이 되면서 내용물중에서 빠져나오는 침출수를 내용물과 분리될 수 하기위함이다. 그리고 일정온도를 유지하기 위해 반응기는 shaking incubator에 놓았다.

Air →

Carbon dioxide

scrubber

→

Testing   bottle

→

Carbon dioxide

absorber

→

Figure 1.  Aerobic testing schematic.

Air →

N

→

N

→

N

→

N

→

B

→

D

→

D

→

B

→Testing bottle

N : 10N NaOH,   B : Blank,   D : 0.025N Ba(OH)2,

Figure 2. Schematic of carbon dioxide scrubber.

Figure 3. Schematic of test reactors for (a) biodegradation test by

activated sludge and composting test

실험방법

1. 활성오니에 의한 생분해도 측정실험 : ASTM D5209-92에 명시된 대로 활성오니상등액 1%를 접종한 배지를 준비한 후 250ml bottle에 100ml씩 담은 후 건조된 물고기 배설물을 100mg씩 넣어준 후 25℃, 100rpm의 shaking incubator에서 생분해도 실험을 하였다. 퇴비화 실험을 끝낸 시료도 함께 실험하여 남아있는 유기물이 활성오니에 의해 더 분해될 수 있는지를 알아보았다.

2. 퇴비화 실험 : 물고기배설물 3g을 반응기에 담은 후 수분의 함량이 50%가 되도록 수분을 골고루 공급해주었다. 시중에서 판매되고 있는 퇴비를 반응물 총질량의 10%로 접종 해준후 골고루 섞어주었다. 온도의 영향을 알아보기 위해 30℃, 50℃의 항온조에서 실험을 진행하였으며 실험의 정확성을 위하여 각 온도별로 반응기를 2개씩 실험하였다.

생분해도와 퇴비화의 진행정도는 물고기배설물중의 탄소가 분해되어 발생하는 CO2양을 Ba(OH)2로 적정하여 이론적으로 가능한 총 CO2 발생량기준대비로 나타내었다.

결과 및 토론

1. 물고기 배설물의 특성분석

수거한 물고기배설물을 105℃ dry oven에서 24시간 건조시킨 후 질량을 측정하여 초기질량과 비교한 결과 물고기배설물의 함수율은 85% 정도였으며 건조된 물고기배설물을 650℃ furnace에서 2시간 동안 태워 물고기배설물중에 포함된 유기물과 무기물분석을 실행한 결과 65wt%, 35wt%가 각각 유기물, 무기물임을 알수 있었다. 또한 시료중에 포함되어 있는 탄소, 질소, 인의 성분분석을 한 결과 table 1.과 같은 분석치를 얻을 수 있었다.

Table 1. 양식장 물고기배설물의 성분분석 (단위 : wt%)

분석항목	C	N	P	유기물	무기물
분석치	31.9	3.05	3.37	65.0	35.0

* C/N = 10

물고기 배설물중에 질소와 인이 풍부하고 탄소와 질소의 비가 약 10이라는 위의 결과만을 볼때는 물고기 배설물을 그대로 퇴비로 사용하여도 무방하다. 그러나 실제적으로는 자연상태에서 쉽게 부패하고 악취를 내므로 오랫동안 보관하면서 퇴비로 사용하기에는 어려움이 있다. 그러므로 부패와 악취를 없애고 퇴비로서 재활용할 수 있는 방법을 모색하기 위하여 다음의 실험을 실시하였다.

2. 생물학적처리 및 재활용 가능성 검토

물고기배설물의 퇴비화 가능성 검토를 위한 실험결과 30℃, 함수율 50% 조건에서 물고기배설물중의 유기물이 탄소함량기준으로 약 20% 감소하였다(Figure 4). 실험시작 후 약 2일부터 분해가 활발히 진행되어 10일이 경과하였을 때 약 15%의 분해도를 보였으며 분해속도는 느려졌으나 분해가 계속진행되어 28일 경과후 최종 분해도가 20%가 되었다. 실험진행동안 반응기 내부의 변화 및 시료의 냄새도 병행하여 관찰하였는데 CO2발생시작과 함께 반응기 내부에 곰팡이의 번식이 눈에 띄게 증가하기 시작하였으며 물고기배설물 특유의 냄새대신에 퇴비특유의 부식토냄새가 나기 시작하였다. 실험을 끝낸후 퇴비화에 관여하는 균의 성상을 알아본 결과 곰팡이외에 1종의 박테리아만이 보였다. 이는 퇴비화가 박테리아보다는 곰팡이에 의해 이루어짐을 보여주는 결과이다. 물고기배설물의 분해도가 20% 정도로 나타났지만 이 결과가 한계치인지는 아직 확실하지 않다. 그러므로 물고기 배설물에 포함된 유기물중 어느정도까지 생물학적으로 처리가능한지는 더 많은 실험을 해볼 필요가 있겠다.

퇴비화에 의해서 분해되는 유기물의 양과 활성오니에 의해서 분해될 수 있는 유기물의 양을 비교하기 위하여 물고기배설물의 활성오니에 의한 생분해도 측정을 하였다. 또한 퇴비화실험을 끝낸 시료에 대한 생분해도도 함께 측정하였다. 그 결과 활성오니에 의해서 6일 경과시의 분해도는 퇴비에 의한 경우보다 약 3% 낮은 분해도를 보였지만 16일 경과후에는 17%정도의 분해도를 보여 퇴비화실험과 유사한 결과를 보였다. 퇴비화실험을 끝낸 시료의 생분해도는 16일 동안 약 1%정도의 미미한 분해도를 보였다. 활성오니에 의한 실험은 진행중이므로 계속적인 관찰이 요구된다(Figure 5).

참고문헌

1. ASTM D5209-92, 1992, Standard test method for determining the aerobic biodegradation of plastic materials in the presence of municipal sewage sludge. Annual Book of ASTM Standards, Vol.08.03., American Society for testing and Materials, Philadelphia, USA.

2. "수질보전과 내수면 양식산업□ 우리양식 1996, 12, 67-69.