초기 단백질 농도가 해수의 포말 분리에 미치는 영향

김병진·이정훈·서근학

부경대학교 화학공학과

Initial Protein Concentration Effect of Foam Separation in Seawater

Byong-Jin Kim, Jung-Hoon, Lee and Kuen-Hack Suh

Department of Chemical Engineering, Pukyong National University, Pusan, Korea

서론

최근 경제 성장과 더불어 고단백, 저지방 식품인 어류의 수요가 증대되고 있으며, 특히 횟감용 활어의 소비량이 급증하고 있다. 반면 해수의 수급이 용이하지 않은 내륙지방의 경우 활어수조 내 해수의 오염도가 높아 어류의 폐사가 발생하며, 이로 인해 국민건강에 영향을 미친다. 활어 수조 내에서 발생되는 어류의 배설물 중 단백질 성분은 미생물에 의해 분해되어 암모니아를 발생시키고 용존산소를 감소시키는 물질로서 신속한 제거가 필요하다[1].

본 연구에서는 공기부상식 포말분리기를 제작하여 해수 속의 단백질, 부유 고형물, 화학적 산소 요구량, 탁도, 암모니아성 질소와 같은 양식 폐기물의 연속 제거운전을 수행하여 유입 단백질 농도에 따른 양식 폐기물의 제거 특성을 검토하였으며 포말분리기의 용존산소 공급 능력을 검토하였다.

재료 및 방법

본 실험에서 사용된 포말분리장치는 형태로 내경 5 cm, 높이 60 cm의 아크릴관을 사용하여 제작하여 사용하였다. 포말분리관의 액본체 부피는 1 L였으며 포말분리관 하부에는 유리 여과기(pore size : G3)를 이용한 공기 분산기를 접합시켜 기포가 작고 균일하게 발생하여 포말에 의한 분리능이 최대가 될 수 있게 하였다. 공기의 공급은 공기펌프를 이용하여 공급하였으며, 공기 유량은 유량계의 조절밸브를 이용하여 조절하였다. 원수는 액층 상부에서 공급하고, 처리수는 하부에서 유출 되도록 하였으며 공기는 탑의 하부에서 공급함으로써 향류식 접촉을 시켰다.

실험에 사용한 해수는 부산지역 횟집에 공급되는 해수에 부경대학교 부속양어장에서 발생하는 포말 농축물을 희석시켜 사용하였다. 단백질의 농도 분석은 UV280 method[2]를 이용하여 수행하였다. 총 부유고형물은 standard method [3]에 따라 분석하였고, 총 암모니아성 질소의 분석은 이온선택성 전극법[3]에 의해 분석하였으며, 용존산소는 DO meter를 이용하였다.

결과 및 고찰

유입되는 해수내 단백질 농도가 단백질 제거 속도 및 제거율에 미치는 영향을 알아보기 위하여 체류시간을 2.34 min, 공탑 공기 유속을 0.85 cm/sec로 유지하고 유입되는 해수 내의 단백질 농도를 12.0, 23.7, 38.0, 49.3, 62.4 g/m3으로 변화시키면서 연속운전을 수행하였다. Fig. 1서 보는 바와 같이 유입되는 단백질의 농도가 증가함에 따라 단백질 제거율은 감소하였으며 단백질 제거속도는 증가하다가 평형에 도달하는 것으로 나타났다. 이는 유입되는 단백질의 농도는 증가하나 단백질이 흡착될 수 있는 기·액 계면의 면적이 한정되어 있어 나타나는 현상으로 사료된다.

Fig. . The effect of initial protein concentration on protein removal rate.

포말분리에서 계면 활성 물질이 기포 표면에 흡착하는 현상은 친수기(hydrophilic side chain)가 액측으로, 소수기(hydrophobic side chain)가 기체 측으로 배열되어 액본체(bulk liquid)농도가 증가함에 따라 기체 표면에 흡착되는 용질의 분자수가 점차 증가하여 그 표면이 완전 포화되어 표면 과잉 농도에 이르는 것으로 Langmuir 등온 흡착식으로 나타낼 수 있으며[4] 반 포화 상수(C1/2)와 최대 단백질 제거 속도(-rP,m)를 다음의 Lineweaver-Burk plot, Eadie-Hofstee plot, Hanse-Woolf plot에 의해 구할 수 있다[5].

Fig. 2는 상기 세 가지 형태의 plot을 이용하여 선형회귀 분석을 행한 결과와 선형회귀 분석하여 구한 계수를 사용하여 얻어진 액본체 농도 변화에 따른 제거속도의 변화와 실험에서 얻어진 결과를 비교하여 나타낸 것이다.

Fig. . The Lineweaver-Burk plot (a), Eadie-Hofstee plot (b) and Hanse-Woolf plot (c) for the determination of kinetic parameter and the comparison between the experimental data and the regression results (d).

세 가지 plot의 상관계수 r2이 0.954 ∼ 0.996의 범위로 나타나 포말분리관 내의 단백질 흡착은 Langmuir 등온흡착식과 잘 일치하는 것으로 나타났다. 최대 단백질 제거속도와 C1/2는 plot의 형태에 따라 조금 차이가 있으나 각각 10.0 ∼ 11.0 g/m3·min, 13.7 ∼ 17.2 g/m3의 범위로 나타났다. 본 연구에서 얻어진 최대 단백질 제거속도는 유입 단백질 농도를 150 g/m3로 한 Suh 와 Lee[6]의 담수 양어장수로부터 단백질제거에 관한 연구 결과에서 공탑 공기속도가 0.85 cm/sec일 때 얻어진 결과와 유사한 것으로 나타났다.

Fig. 3은는 유입 단백질 농도가 총 부유 고형물의 제거속도 및 제거율에 미치는 영향을 나타낸 것이다. 총 부유성 고형물은 입경이 1 □ 이상인 고형물로서[7] 어류 양식에서는 어종이나 어류의 성장정도에 따라 차이는 있으나 25 - 80 g/m3 이하의 농도가 권장되고 있다[8]. 부유성 고형물은 유기물 성분 및 무기물 성분들로 이루어져 있으며, 휘발성 부유 고형물로 표시되는 유기성 성분은 산소의 소비와 함께 biofouling의 문제를 야기하는 반면에, 무기성 성분은 침전물을 형성하여 어류의 생활 공간에 악영향을 미치게 된다[7].

Fig. . The changes of TSS removal rate and removal efficiency on initial protein concentration.

Fig. 3에서 보여지는 바와 같이 유입수의 단백질의 농도가 증가함에 따라 총 부유 고형물의 제거속도는 거의 선형적으로 증가하였으며 제거율은 단백질 농도가 증가할수록 감소하는 것으로 나타났으나 전반적으로 70% 이상의 높은 제거율을 나타내었다.

수중에서 비이온성 암모니아(NH3)와 이온성 암모니아(NH4+) 형태로 평형을 이루고 있는 암모니아성 질소는 온도와 pH에 따라 존재 비율이 달라진다. 특히 비이온성 암모니아는 동물의 세포벽을 통과하여 저농도에서도 어류에게 치명적인 피해를 주게되어 미국 환경 보호청에서는 사육조 내의 비이온성 암모니아의 농도를  0.02 g/m3 이하로 유지하도록 권장하고 있다[9]. 유입 단백질의 농도 변화에 따른 포말 분리기의 암모니아성 질소의 제거 속도 및 제거율을 Fig. 4에서 나타내었다.

Fig. 4에서 보여지는 바와 같이 유입 단백질 농도가 증가함에 따라 암모니아성 질소의 제거속도는 앞서 나타난 다른 성분과 동일한 경향으로 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 제거율의 경우 다른 성분들이 유입 단백질 농도의 증가에 따라 제거율이 감소하는 것과 달리 암모니아성 질소의 제거율은 증가하는 것으로 나타났다.

Fig. . The changes of TAN removal rate and removal efficiency on initial protein concentration.

이와 같이 포말 분리기에 의해 암모니아성 질소가 제거되는 것은 비이온성 암모니아의 경우 stripping 효과에 의해 제거되고 이온성 암모니아의 경우 기·액 계면에 흡착된 계면활성 물질 중 음이온성 물질에 정전기적으로 부착되는 기작[10]에 의해 제거되는 것으로 사료되며, 유입 단백질의 농도가 증가할수록 암모니아의 제거율이 증가하는 것은 유입되는 암모니아의 농도가 증가하여 기·액 계면에 접촉되는 암모니아의 양이 증가되기 때문이라고 사료된다.

어류의 사육에 권장되는 용존산소 농도는 어종에 따라 다르나 담수성 어종의 경우 온수성 어류에 대해서 최소 5.0 g/m3 정도이며, 냉수성 어류인 경우에는 최소 6.0 g/m3 정도의 산소가 필요한 것으로 권장되고 있다[8].

Fig. . The changes of overall mass transfer coefficient of oxygen and saturation on initial protein concentration.

Fig. 5는 포말분리기의 용존산소 공급 효율을 알아보기 위하여 단백질 농도의 변화에 대한 총괄 물질 전달계수, KLa와 유출수의 용존산소 포화도의 변화를 도시한 것이다. 이때 유입수의 용존산소 농도는 6.5 ∼6.6 g/m3로서 용존산소 포화도는 41.7 ∼ 44.7% 였다.

그림에서 보는 바와 같이 KLa는 유입 단백질의 농도가 49.28 g/m3까지 상승함에 따라 완만하게 상승하였으나 그 후 급격히 상승하는 것으로 나타났으며 용존산소의 유출수의 용존산소 포화도도 동일한 경향을 나타내었다. 본 연구의 결과 유출수의 용존산소 포화도가 전체적으로 96.6 ∼ 98.5%의 비교적 높은 값을 나타내어 포말분리 장치는 용존산소의 공급에도 효율적이라고 판단되어진다.

결론

공기부상식 포말분리기를 이용하여 유입 단백질 농도에 따른 해수 속의 단백질, 부유 고형물, 암모니아성 질소와 같은 양식 폐기물의 연속 제거운전을 수행하였다.

유입수의 단백질의 농도가 증가할 때 단백질 제거속도는 선형적으로 증가하다가 거의 동일한 값을 나타내었으며 제거율은 유입수의 단백질 농도가 증가할수록 감소하는 것으로 나타났고, 단백질 제거속도식은 Langmuir 등온 흡착식과 잘 일치하였으며 최대 단백질 제거속도와 반 포화 상수, C1/2는 각각 10.0 ∼ 11.0 g/m3·min, 13.7 ∼ 17.2 g/m3의 범위로 나타났다.

총 부유성 고형물는 유입수의 단백질의 농도가 증가함에 따라 증가하였으며 제거율은 단백질 농도가 증가할수록 감소하는 것으로 나타났고 암모니아성 질소의 경우 유입 단백질 농도가 증가함에 따라 제거속도는 증가하였으나 제거율은 유입 단백질 농도의 증가에 따라 증가하는 것으로 나타났다.

포말분리기에 의한 용존산소의 공급은 효율적이었으며 유출수는 96.6 ∼ 98.5%의 용존산소 포화도를 나타내었다.

결론적으로 해수 속의 양식 폐기물에 존재하는 단백질 성분을 이용하는 포말분리공정은 단백질 성분 뿐 아니라 총 부유 고형물, 암모니아성 질소도 제거할 수 있었으며 동시에 용존산소의 공급도 효율적으로 수행할 수 있어 매우 효율적인 것으로 판단되었다.

참고문헌

[1] Suh, K. H., Lee, H. G., Kim, B. J.,  Cho, M. C., An, S. H. and Cho, J. Y.: "J. Korean Environmental Science", 7, 41(1998).

[2] Bollag, D. M. and Edelstein, S. J.: Protein Methods, Wiley-Liss, New York, 46(1991).

[3] APHA, AWWA and WEF: □Standard methods for the examination of water and wastewater□, 18th ed., EPS Group(1992).

[4] Valsaraj, K. T.: in K. A. Matis(Ed.) "Flotation Science and Engineering: Removal Organics from Water by Nonfoaming Flotation", Marcel Dekker Inc., New York, 369(1995).

[5] Shuler, M. L. and Kargi, F.: "Bioprocess Engineering - Basic Concepts", Prentice- Hall, New Jersey, 84(1992).

[6] Suh, K. H. and Lee, M. G.: J. Korean. Fish. Soc., 28, 599(1995).

[7] Chen, S., Stechy D. and Malone R. F.: in M. B. Timmons and T. M. Losordo (Eds.) "Aquaculture water reuse system: Engineering design and management: Suspended Solids Control in Recirculating Aquaculture Systems", Elsevier, Amsterdam, 61(1996).

[8] Roger, G. L. and Klementson, S. L.: Aquaculture engineering, 4, 135(1985).

[9] Environmental Protection Agency: □Quality criteria for water, Office of technology transfer□, Washington D. C. (1976).

[10] Chen, S.: Ph.D. Dissertation, Cornell University, Ithaca, New York(1991).