바이오필터 기능과 종류
질소는 모든 생명체에 있어서 필수적인 영양소임과 동시에 단백질, 핵산, 아데노신 인산, 피리딘 뉴클레오타이드와 색소들에서 발견된다.
양식장 환경에서 질소는 물고기들이 만들어 내는 폐기물이라는 점에서 우선적으로 고려되어야 할 부분이다. 여기서 발생한 폐기물들 중에 질소가 함유된 소스는 총 4가지로 나눠볼 수 있다. 소변, 요산, 물고기들이 배설하는 아미노산, 그리고 사체나 생명체의 썩은 부위 등에서 발생하는 잔재로 나뉘고 그리고 물고기들이 먹지 않은 먹이, 분뇨, 그리고 대기중 질소도 포함된다.
특히, 물고기들은 아가미를 통해 암모니아 등 다양한 질소물질을 방출한다. 이와 같은 질소 화합물의 분해는 고도의 순환여과시스템(RAS)에서 특히 더 중요한데, 그 이유는 독성 암모니아, 아질산염, 그리고 일정 수준의 질산염 때문이다.
바이오 필터를 이용해 암모니아(NH3)를 제거하는 과정을 질산화라고 부르며(Nitrification) 암모니아의 연속적인 산화를 통해 아질산염(NO2)을 거쳐 최종적으로 질산염(NO3)에 이르기까지의 과정으로 구성되어 있다. 역으로 진행되는 과정은 탈질화(denitrification)이라고 부르고 질산염이 질소가스(N2)로 전환될 때 산소가 제거된 상태로 진행되는 혐기성 과정이다.
최근 상업적 양식에 있어서는 잘 이용되지 않는 설비들이기는 하나, 탈질화 과정(챕터 9)은 해양 시스템에서 양식장의 밀도가 증가하였지만 물 교환 주기는 낮아졌기에 양식 환경에서 질산염이 지나친 수준으로 발생하는 결과를 가져옴에 따라서 특히 그 중요도가 커지고 있다.
요즘들어 제로-물 교환 시스템 (zero-exchange management system)이 종속 영양 박테리아에 의해 새우, 그리고 틸라피아를 기반으로 생산성이 극도로 높아지며 발달해 왔다.
이 시스템 안에서 종속 영양 박테리아의 성장은 유기 탄소 기질의 첨가를 통해 촉진된다.
유기 탄소와 질소(C/N) 공급 비율이 높을 때 종속 영양 박테리아는 외부 부착성 바이오 필림을 대신하여 암모니아 질소를 물에서부터 직접 흡수한다.
실제 환경에서는 각각의 과정들이 보통 물의 흐름에 따라서 서로 연결 되어있다.
보통 양식 탱크에서 배출되는 양의 5~10%는 중앙 배수관을 통해 제거되는데 그 이유는 “찻잔 효과”로 인해 많은 고형물이 쌓이기 때문이다.
일부 가라앉은 고형물들을 제거하는 회전 분리기, 침전지와 같은 기구들의 형태는 측면 유출구에서 방출되는 90 ~ 95%의 유량과 합해져 사전 처리가 된다.
양식장에서 배출되는 물 중의 부유물(SS)들은 보통 마이크로스크린 필터를 회전시켜 제거시키고 용존 암모니아는 박테리아에 의해 질산염으로 전환시켜 살수여상이나, 비드필터, 모래여과(流沙)필터, 유동상 바이오 리액터 등 일종의 생물여과필터(Biofilter)로 제거한다.
유기물을 분해하는 과정에서 생성되는 고농도 이산화탄소(CO2)는 탈기장치(에어스트리핑)를 통해 제거하고 폭기씨스템을 통해 물 속에 필요 산소를 공급시켜준다.
고밀도양식장에서는 충분한 산소를 공급하기 위하여 고순도 산소 공급장치(액체산소, 산소발생기 등)를 사용한다.
종종 방역의 일부로써 처리수를 UV나 오존시스템으로 소독하기도 한다.
암모니아는 단백질 대사의 가장 주된 최종 산물이며 비이온화된 암모니아 상태로 아가미를 통과하며 배출된다. 암모니아, 아질산염, 그리고 질산염은 물에 매우 잘 녹는다.
암모니아는 두 가지 형태로 존재하는데 이온화 되지 않은 NH3 형태와 이온화 된 NH4+ 형태로 존재한다.
물 속에서 각 암모니아 형태의 상대적인 농도는 주로 pH, 온도, 그리고 염분 농도에 따라 다른 형태로 존재한다.
(NH4+ + NH3) 이 두 형태의 암모니아는 ‘총 암모니아(TAN)’ 또는 간단하게 ‘암모니아’라고 불린다.
화학에서 이온화된 암모니아 질소, 비이온화된 암모니아 질소, 아질산성 질소, 그리고 질산성 질소처럼 질소가 포함하는 내용에 따라서 이를 ‘무기 질소’라고 표현하는 것은 매우 일반적이다.
이렇기 때문에 더욱 쉽게 총 암모니아 질소(TAN = NH4+ + NH3)를 계산할 수 있고 다양한 질산화 단계간 편리한 전환이 가능하다.
생물학적 여과(Biological filteration)는 암모니아 농도를 낮추기 위한 물 환수와는 반대로 암모니아를 제어하는 효과적인 수단이 될 수 있다.
질산화를 수행하는 (발생학적으로 뚜렷이 구분되는) 두 가지 박테리아 그룹에 의해 가능해진다.
이 두 그룹은 유기화합물로부터 에너지를 얻어내는 종속 영양 박테리아(Heterotrophic bacteria)와 달리 무기 화합물로부터 에너지를 얻는(보통 화학적 합성) 독립 영양 박테리아(Chemosynthetic Autotrophic bacteria)로 구분한다.
암모니아를 산화시키는 질산화박테리아는 비이온화 된 아질산염을 분해함으로 자신들이 사용할 에너지를 얻는데 이 박테리아들은 Nitrosomonas, Nitrosococcus, Notrosospira, Nitrosolobus 그리고 Nitrosovibrio 등이 있다.
질산화 박테리아들은 우선적으로 독립 영양 미생물에 해당되고, 주요 탄소원으로써 이산화탄소(CO2)를 소비하며 성장에 산소를 필요로 하는 호기성 미생물이다.
바이오 필터에서 질산화 박테리아는 보통 생물학적으로 분해가 가능한 유기 화합물을 대사하는 종속 영양 박테리아, 원생 동물 등을 포함하는 종속 영양생물과 공존한다.
종속 영양 박테리아는 질산화 박테리아보다 상당히 빠른 속도로 성장하기 때문에 유기물이 고농도로 녹아 있는 환경에서 바이오 필터 안에서 공간과 산소를 차지하려는 질산화 박테리아와의 경쟁에서 승리하게 된다.
따라서 바이오필터에 유입되는 물은 가능한 한 고형물이 걸러진 맑은 물 이어야 한다
질산화 과정은 두 단계로 진행되는데 암모니아가 먼저 아질산염(NO2)으로 산화된 후 아질산염이 질산염(NO3)으로 산화되는 단계를 거친다.
반응의 두 단계는 순차적으로 진행되는 것이 일반적이며, 첫 스텝 kinetic(동역학) 반응 속도가 두 번째 스텝보다 빠르기 때문에 전체 kinetics(동역학)은 보통 암모니아의 산화로 제어되며, 결과적으로 아질산염의 축적이 많이 줄어들게 된다.
스텝1, 2는 Nitrosomones와 Notrobacter에 의해 질산화가 일어나는 과정상 기본 화학 전환을 보여준다.
Nitrosomonas:
NH4+ + 1.5 O2 -> NO2– + 2 H+ + H2O + 84 kcal/mole 암모니아 (1)
Nitrobacter:
NO2– + 0.5 O2 -> NO3– + 17.8 kcal/mole 아질산염 (2)
질산화 박테리아 – 전체 반응
NH4+ + 1.83 O2 + 1.97 HCO3– → 0.0244 C5H7O2N + 0.976 NO3– + 2.90 H2O + 1.86 CO2
전체:
NH4+ + 2O2 -> NO3– + 2H+ + H2O + 에너지 (3)
이 화학량론적 관계를 이용하면 아질산성 질소로 변환되는 암모니아성 질소 g당 용존 산소 4.18g과 7.05g의 알칼리성(무기탄소 1.69 g)이 소모되며 0.2g의 미생물 바이오매스 (0.105g의 유기 탄소와 5.85g의 이산화 탄소(1.59g의 무기 탄소)가 생성된다.
산소와 알칼리성의 소비량은 일반적으로 보고되는 암모니아 질소 g당 산소 4.57g과 알칼리성 7.14g보다 적다는 것에 주목해야 한다.
위 식에서 암모니아성 질소 일부는 바이오메스로 전환된다. 이 때 전환되는 바이오메스의 양은 다른 영향 인자들보다 영향이 미미하기 때문에 화학량 관계에는 포함되지 않는다.
알칼리성은 수산화물, 탄산염, 또는 중탄산염 이온을 포함하는 화학물질을 추가하여 50~100mg/L의 CaCO3 수준으로 유지해야 한다.
일반적으로 중탄산나트륨이 상대적으로 안전하며, 구하기 쉽고, 물에 빠르고 완전히 녹기 때문에 사용된다.
보통 사료 매 kg을 급여할 때마다 약 0.25kg의 중탄산나트륨이 질산화과정 중에 손실된 알칼리성을 보충하기위해 필요하다.
표 7.2에서 유기 및 무기 탄소의 소비와 생산을 포함해 독립영양 박테리아가 대사 하는 암모니아 질소 1g의 화학량론을 요약해 보여주고 있다.
순수 독립영양 질산화 과정 (위의 표)에 대하여 VSS로써 생성된 미생물 바이오매스의 질량은 암모니아 질소 생산률과 VSS 수율로 계산할 수 있는데,
사료 1kg당 VSS 약 10.1g정도이다.
박테리아 바이오매스(VSS)는 화학량 기준 53.1%의 탄소와 12.3%의 질소를 포함하기 때문에 5.35g의 유기 탄소와 1.25g의 질소만 미생물 바이오매스에서 분리된다.
흥미로운 점은 사용 가능한 탄소의 6.2%정도만 실제 미생물 바이오매스(5.35g)에 포함되어 있으며 다른 대대수의 탄소는 이산화탄소(295g)로 방출된다는 것이었다.
덧붙여, 2.5%의 질소만 박테리아성 바이오매스 안에서 분리되며, 다시 대부분의 질소는 질산성 질소로 전환된다.
독립영양미생물이 필요로 하는 무기 탄소원은 355g의 알칼리성을 CaCO3로 사용하며 얻어진다.
독립영양생물에 의해 전환되는 최적의 탄소/질소(C/N) 비율은 4.28(유기탄소)/1(질소)의 미생물 바이오매스 비율과 비교하였을 때에 1.69(무기탄소)/1(질소)로 나타났다.
새로운 바이오 필터의 최대 용량을 알아보기 위한 전형적인 시운전 특징을 위에서 볼 수 있다.
암모니아 농도는 14일에 정점을 찍고 28일에 아질산염이 정점에 도달하며 21일 후에 질산염의 축적이 시작된다.
바이오 필터에 암모니아와 아질산염을 미리 seeding할 경우 위의 과정을 가속할 수 있다.
안전을 위하여 물고기를 양식하기 전에 새로운 시스템에서 생물 여과 과정이 제대로 작동한다는 의미에서 아질산염이 줄어드는 것이 관찰되어야 한다.
일반적으로 매일 급여되는 사료의 3%가 수중에서 암모니아성 질소로 끝나지만, 이것은 사료 내 단백질 함량의 직접적인 기능이기도 하다.
또한, 남은 사료와 기타 유기물질은 광물화라는 과정을 통해 박테리아에 의하여 빠르게 암모니아로 분해된다.
그리고 암모니아 1g은 질산염 4.42g과 이산화탄소 5.93g 그리고 약간의 세포 질량을 얻는다.
질산화 과정 동안에는 4.57g의 산소와 7.14g의 알칼리를 소모한다.
단백질 내용물 생산과 관련된 암모니아성 질소의 더욱 정확한 계산은 텍스트 내 4.9 식에서 볼 수 있다.
섭씨 20도, pH 7.0 조건에서 주어진 TAN = 5.0mg/L에서 이온화되지 않은 암모니아의 몰 비율은 고작 0.020 이어 대부분의 물고기에 미치는 영향은 무시할 수 있다.
그러나 pH 9.0에서는 이온화되지 않은 암모니아가 1.43mg/L로 증가하기 때문에 대부분의 보통 물고기를 몇 시간 안에 죽인다.
다른 온도와 pH에서 이온화되지 않은 암모니아의 비율은 부록에 포함되어 있다.
암모니아는 물에서 살아가는 동물의 성장에 직접적인 영향을 주는 것으로 보인다.
비이온화된 암모니아는 낮은 농도에서 물고기에게 독성을 띄며, 96시간의 LC50은 각 종마다 다른데 제일 낮은 경우 분홍 연어가 NH3-N 0.08mg/L정도로 낮고 일반 잉어의 경우 NH3-N 2.2mg/에 이르기까지 광범위하다.
보통 난류성 물고기는 한류성 물고기보다 암모니아 독성에 더 내성이 있으며 민물 물고기는 바닷물 물고기보다 더 내성이 있다.
상업적으로 생산되는 경우 비이온화된 암모니아 농도는 0.05mg/L 미만으로 TAN 농도는 1.0mg/L 아래로 유지해야 한다.
pH나 온도의 증가는 비이온화된 암모니아 질소 형태의 비율을 높인다.
예로, 섭씨 20도, pH 7.0에서 비이온화된 암모니아의 몰 분율은 고작 0.4%이지만 pH 10에서는 약 80%까지 증가한다.
비이온화된 암모니아의 96시간 LC50은 분홍 연어의 경우 NH3-N 0.08mg/L부터 일반 잉어의 경우 2.2mg/L NH3-N에 이르기까지 종에 따라 다양하다.
장기 노출을 고려했을 때에 비이온화된 암모니아 농도를 0.05mg/L로 유지하는 것이 권장된다.
아질산염은 암모니아가 질산염으로 질산화 되는 과정 중에 생겨나는 중간생성물이다.
보통 이 중간생성물은 생성되는 즉시 질산염으로 전환되지만 아질산염의 생물학적 산화가 결여될 경우 물고기들에게 독성을 띄는 수준으로 아질산염의 농도가 높아질 수 있다.
아질산염은 암모니아와 질산염 사이의 중간단계로써 계속해서 생산된다.
또한 높은 농도의 아질산염은 바이오필터의 수명이 임박했음을 나타나기 때문에 항상 적절한 조치가 취해져야 한다.
아질산염은 혈액 헤모글로빈 산소 운반 능력에 영향을 미치기에 독성을 띈다. 아질산염이 혈액으로 들어갈 경우 헤모글로빈 분자 내의 철 이온을 2가 이온에서 3가 이온으로 산화시킨다. 이 결과로 생겨난 생성물을 methemoglobin이라고 부르며, 갈색을 띄므로 갈색 혈액병이라는 이름을 갖고 있다. 혈액으로 흡수되는 아질산염의 양은 물에 녹아있는 아질산염과 염화물의 비율에 따라 다르다.
아질산염 독성 영향을 줄이기위한 방법으로 염화물 농도를 높일 수 있다.
연못 메기, 틸라피아, 그리고 송어 등을 위해서는 적어도 20:1의 염화물 : 아질산 질소 비율이 권장된다. 염화물의 수치는 일반적인 소금이나 염화칼슘을 넣어 증가시킬 수 있고 200mg/L의 염화물 농도는 물고기에게 삼투압 스트레스를 줄이기 위해 RAS 시스템에서 관리 유지되기도 한다.
고농도의 아질산염은 Nitrosomonas와 Nitrobacter 개체 수의 불균형이 있을 때에 생성될 수 있으며, 이 조건이 일어나는 때는 아래와 같다.
– 바이오 필터 시운전시 첫 4 ~ 8주 이내
– 불충분한 면적이나 낮은 용존 산소 농도
– 오존이 정해진 기간을 넘겨 사용된 경우
(O3 + NO2– ► NO3– + O2)
질산염(NO3)은 질산화의 최종 산물이며 질소 화합물 중에서 독성이 제일 낮다.
96시간 LC 값은 보통 NO3-N/L 당 1,000 mg를 넘는다.
순환여과 시스템에서 질산염의 농도는 일반적으로 매일 수질을 교환해줌으로 제어된다.
이 시스템에서 수압 유지 시간이 길수록, 물의 교환 정도가 낮을수록 탈질산화는 점점 더 중요성이 상승한다.
질산화에 영향을 미치는 인자
생물 여과 질산화율에 대한 pH의 영향은 60년 이상 연구되었으나, 최적 pH의 범위는 여전히 광범위하다.
이것이 의미하는 것은 박테리아가 배양되어온 환경과 조건들이 pH의 반응에 영향을 미칠 수 있다는 것을 말한다.
가장 최근 결과로써 최적의 pH 범위가 7.0 – 9.0 사이라는 결과가 도출되었다.
Nitrosomonas의 최적 pH 범위는 7.2 ~ 7.8 사이이며, Nitrobacter의 경우 7.2 ~ 8.2 사이이다.
질산화 바이오 필터는 필터상 박테리아가 실제로 작동되는 조건에 적응하기 때문에 훨씬 넓은 범위인 pH 6 ~ 9 사이로 작동되어왔다.
양식 어종에 대한 암모니아 스트레스를 최소화하기 위하여 질산화 박테리아의 최적 pH 범위 중 낮은 범위에서 pH를 유지하는 것이 좋을 것이라고 보인다.
추가로, 짧은 시간 동안 pH 범위가 0.5 ~ 1.0 단위로 급격히 변화할 경우에는 필터에 무리가 가해지며 박테리아가 새로운 환경에 적응하는 시간이 필요하다.
알칼리도는 수중 시스템 완충 용량의 척도이다.
위 관계에서 질산성 질소로 환원되는 암모니아성 질소 매 그램 당 7.14g의 알칼리가 소비되는 것으로 나타났다. 이러한 알칼리의 손실은 보통 베이킹 소다라고 불리는 중탄산나트륨 또는 중탄산염 보충제를 첨가하여 쉽게 보충할 수 있다. 겸험에 의했을 때에 사료 1kg 당 0.25kg이다.
질산화는 산을 생성하는 과정이며 따라서 바이오 필터 시스템에 물이 제대로 완충 역할을 하지 못할 시 pH가 낮아져 바이오필터 성능이 저하될 수 있다.
오른쪽 그림은 질산화에 있어서 알칼리성이 낮을 때의 영향을 극단적으로 보여주고 있다.
이 연구는 알칼리도를 일정하게 유지하기 위하여 염화 암모니아 형태의 암모니아를 매일 사용하였고, 베이킹 소다를 55일차 되는 날까지 사용했다. 베이킹 소다를 사용하지 않았을 때에는 알칼리성이 지속적으로 감소했으며, 알칼리성이 CaCO3로써 100 mg/L 밑으로 떨어졌을 때 암모니아 질소 농도가 62일차에 크게 증가했다.
알칼리도가 150mg/L 이상으로 증가하게 되면 질산화가 다시 시작되어 매우 낮은 농도로 빠르게 떨어졌다.
알칼리도는 수중 시스템 완충 능력의 척도로, 앞서 보여 진 질산화에 대한 관계에서 질산성 질소로 환원된 암모니아 질소 1 g 당 CaCO3 7.14g의 알칼리성이 소비되는 것으로 나타났다.
이러한 알칼리도 손실은 중탄산나트륨이나 기타 중탄산염을 보충하여 간단히 보충할 수 있다.
3.온도
바이오 필터에 요구되는 온도가 아닌, 배양되는 종에 따라서 결정된다. 질산화율은 섭씨 17도에서 77%가 얻어지며 섭씨 27도에서 27%의 환원률을 보인다.
온도는 여타 화학, 생물학적 반응과 마찬가지로 부유 배양 시스템에서도 질산화 반응률에서도 매우 중요한 역할을 하지만 여전히 온도가 고정 필름 질산화율에 대하여 미치는 영향에 대한 연구는 많이 이루어지지 않았다.
2002년 Zhu와 Chen은 실험실 조건에서 수학적 모델링과 민감도 분석을 통해 질산화율에 대한 온도의 영향을 연구하였다.
이 연구는 고정 필름의 질산화율에 대한 온도의 영향이 van Hoff-Arrhenius 방정식으로 예측할 수 있는 것 보다 더 적다는 것을 보여주었다.
더욱 구체적으로 설명하자면 Zhu와 Chen은 산소를 제한한 조건에서 섭씨 14 ~ 27도의 온도 범위 안에서는 고정 필름 바이오 리액터의 질산화 속도가 크게 영향을 받지 않는다는 것을 보여주고 있다.
2006년 Malone과 Pfeiffer는 통상적으로 온도는 바이오필터 설계에서 중요한 요소로 반영되어왔으나 지금으로써 온도는 바이오 필터 능력을 제어하는데 있어서 그 중요도가 계속 줄어들고 있다고 보고했다.
산소는 유입수 농도가 낮을 경우 종속 영양 박테리아의 경쟁적인 수요로 인해 특정 바이오 필터에서는 비율에 영향을 미치는 요소가 될 수 있다.
질산성 질소로 산화된 암모니아성 질소 1 g 당 산소 4.57g이 필요하다.
1955년 Knowles 팀은 혼합 배양 리액터를 통해 질산화 연구를 수행하였으며 용존 산소가 2.0mg/L 이상일 때에는 Nitrosomonas 성장률에 거의 영향을 미치지 않았으나 Nitrobacter는 4.0mg/L 미만의 용존산소 농도에서 성장률이 감소되었다고 보고했다.
1985년 Wheaton 및 1998년 Malone 팀은 바이오 필터에서 유출되는 물에서 최소 2 mg/L의 산소 농도가 최대 질산화율을 유지하는데에 적절한 농도라고 말하고 있다.
5. 염도
박테리아는 거의 대부분의 염도 범위 내에서 적응 가능하다.
염도가 질산화에 미치는 영향에 대한 자료는 매우 드물다.
충분한 시간이 주어질 경우 염도는 질산화에 작용하는 박테리아가 거의 모든 염도 범위 안에서 작용할 수 있다는 점이 온도, pH와 비슷한 부분이다.
2006년 Chen 팀은 다수의 엔지니어링 회사와 실험실 단위 장기 실험에서 담수 및 해수 재순환 시스템에 대한 평균 제거율 실험을 진행하였는데 담소에 비해 염수에서 약 37%정도 감소한다고 보고했다.
2006년 Rusten 팀은 21-24ppt의 염도에서 운영되는 상업 양식장 데이터를 바탕으로 질산화율이 유동상 바이오 리액터 담수에서 예측된 것 보다 60%의 수준인 것으로 나타났다.
저자를 포함한 많은 연구진이 바이오필터를 바다에 적응시키는 것은 담수에서 적응시키는 것 보다 훨씬 오래 걸린다는 것을 관찰했다.
1990년 Hochheimer에 의하면 5g/L 보다 높은 염 농도의 급격한 변화는 질산화 박테리아에 충격을 주어 암모니아 질소 및 아질산 질소 제거에 대한 반응속도를 저하시킨다.
6. 광원
빛은 질산화 박테리아의 성장을 저해하는 것으로 보여 진다.
빛은 바이오 담체(biomedia)에서 질산화 박테리아 성장을 저해시키며 녹조류 성장을 촉진하는 것으로 나타났다.
암모니아 농도 자체는 질산화율에 직접적으로 영향을 미친다.
일반적으로 암모니아 농도가 증가할수록 바이오 필터 성능 또한 일부 제한된 농도 범위 안에서 비례하여 증가한다.
우리는 이 비례 관계가 0mg / L에서 적어도 3 mg/L까지의 범위 안에서 보여진다고 추정한다.
특정 시점에 이르러서 비례 증가는 감소하고, 이후에는 농도가 증가하여도 추가적인 질산화를 제공하지 않는다.
이 현상은 Ebeling의 2000년도 자료인 위 그래프에서 확인할 수 있다.
암모니아와 아질산염의 농도가 양식 운용 분야에서 볼 수 있는 농도보다 매우 높을 경우에는 암모니아가 축적되며 질산화가 억제된다는 증거가 있다.
바이오 필터 용어
1. 빈 공간(void)/다공
2. 단면적
3. 수면적 부하율
4. 비표면적
바이오 필터의 원리와 다양한 선택안에 대한 장점과 단점을 논의하는 것은 유익하다.
일반적으로 위의 용어들은 바이오필터 설계와 특성화에 사용되는 용어이다.
1. 빈 공간(void)/다공
배지 void (빈 공간) 부피와 필터 담체 부피의 비율
높은 void 비율은 막힘을 유발한다.
비어 있는 공간은 바이오 필터 담체가 차지하고 있지 않은 부피이며, 그 비율은 비어 있는 공간의 부피를 바이오 필터의 총 부피로 나눈 값이다. 높은 빈 공간의 비율은 고형물이 필터를 쉽게 통과할 수 있도록 하기 때문에 열린 공간은 막힘을 줄여준다.
2. 단면적
물 흐름 방향에서 보이는 필터 베드 영역
단면적이란 물 흐름 방향에서 보이는 필터 베드의 면적을 뜻한다.
필터 상단의 영역은 보통 의도한 유속/유량을 얻기 위한 필터 설계에서 마지막으로 선택되는 변수 중 하나이다.
3. 수면적 부하
시간당 필터 담체 단면적 단위당 필터를 통과하는 물의 부피
수면적 부하는 단위 시간당 필터의 단면적 단위당 바이오 필터를 통과하는 물의 양을 의미한다.
일반적으로 m3/m2 day로 나타낸다.
보통 바이오 필터에는 최소 및 최대 수상 부하율이 있다.
4. 비표면적
단위 부피당 담체의 표면적
비표면적은 단위 부피당 담체의 표면적을 의미한다.
담체의 비표면적이 넓을수록 단위 부피당 더 많은 박테리아를 배양할 수 있으며 필터의 단위 부피당 총 암모니아 제거율이 더 높아진다.
담체의 크기, void의 비율 및 비표면적은 서로 관련되어 있다. 크기가 작을수록 비표면적 비율은 높아지며, void의 비율은 작아진다.
용적당 TAN 전환률
필터의 용적당 암모니아 질소 제거율
바이오 필터 성능을 설명할 때 사용하는 용적당 TAN 전환률은 담체의 부피나 표면적을 바탕으로 한다.
질산화 반응 속도는 표면적인 현상이지만 유동상 모래여과 등 기타 미립자 담체의 경우 실제 담체 표면적을 측정하기가 어렵기에 단위 표면적보다 단위 용적당 속도로 더욱 용이하게 나타낼 수 있는 경우가 있다.
면적당 TAN 전환률
필터의 면적당 암모니아 질소 제거율
면적당 TAN 전환률은 바이오 필터의 담체의 표면적을 바탕으로 바이오 필터의 성능을 나타내기 위하여 사용된다.
생물학적 처리 공정은 고정 담체 표면에 부착되거나 물 컬럼에 떠다니며 자라는 박테리아를 사용한다. 대부분의 순환여과시스템(RAS)은 고정상 담체 바이오 리액터를 사용하고, 질산화 박테리아는 잠겨 있거나 젖어 있는 담체 표면에서 성장한다.
바이오 필터의 암모니아 제거 능력은 질산화 박테리아의 생물학적 성장에 사용될 수 있는 총 표면적에 크게 의존한다. 최대 효율을 내기 위하여 사용되는 담체는 시스템의 적절한 성능을 위해 많은 void 비율과 높은 비표면적, 즉 단위 용적당 표면적 균형을 유지해야 한다.
바이오 필터에 사용되는 담체는 비압축성이어야 하고, 생물학적으로 분해되지 말아야 하며 비활성이어야 한다. 양식 바이오 필터에 사용되는 일반적인 담체를 보면 모래, 부순 돌, 강 자갈, 또는 구슬 형태의 플라스틱이거나 세라믹 재료, 공 모양 등이다.
바이오 필터는 산소 제한, 과도한 고형 이물질이 생화학적 산소 요구량, 암모니아를 피하도록 유의하여 설계하여야 한다.
높은 밀도로 양식을 응용하는 분야에 가장 적합한 바이오 필터 기술에 대해 많은 논란이 있다.
이상적인 바이오 필터는 유입구에서 암모니아의 농도를 전부 제거하고 아질산염을 생성하지 않고, 상대적으로 작은 설치 공간만 요구하며 저렴한 가격의 담체를 사용하고, 작동을 하기 위하여 수압이나 별도의 유지 관리가 필요치 않고, 고형물이 걸려들지 않는 바이오 필터이다.
안타깝게도 이런 모든 조건을 이상적으로 충족하는 바이오 필터는 없으며 각 종류의 바이오 필터는 각각의 강점과 약점이 있고 각각 가장 적합한 사용처가 있다. 대규모 상업용 재순환 시스템은 미립자 필터를 사용하는 방향으로 기울고 있다. 하지만 높은 밀도로 집약하여 RAS에 사용되는 일반적 필터에는 침적형 바이오필터, 회전식 생물학적 접촉기(RBC), 부유 미립자 바이오 필터, 다이나믹 입자 바이오 필터, Trickling Biofilter등이 있다.
바이오필터 크기는 일간 처리해야 하는 TAN 생산량에 의해 결정된다.
일간 TAN 생산량 (kg TAN/일)을 알아야 하고
면적당 TAN 제거율(m2당 TAN 제거율/일)을 알아야 하며
비표면적(m2/m3)을 알아야 한다.
바이오 필터 – 설계
좋은 성능을 제공하고 고형물로 막히는 것을 방지하기 위해서 필요한 것들.
그리고 사각지역(Dead zone) 또한 아래의 적절한 사항을 필요로 한다.
1. 담체 선정
2. 담체 지지대 또는 체류 매커니즘
3. 물의 흐름 분산
4. 물의 흐름 수집
밀식 양식시설에 가장 적합한 생물여과(바이오필터)기술에 대하여는 상당한 논쟁이 있다.
순환여과 양식시스템(RAS)에 의해 나타나는 수질 요구사항 및 환경 조건으로 인해 어느 기술이 더 적합한지 논의하는 것은 더욱 복잡해진다.
이상적인 바이오 필터는 담체의 비표면적을 최대화하며 유입구에서 암모니아 농도를 100% 제거하고, 아질산염을 현저하게 적게 생산함과 동시에 산소 전달을 최대화하고 설치 공간 또한 상대적으로 적은 공간을 필요로 한다.
또한 저렴한 담체를 사용하며 수두 손실을 최소화하고 작동 시 필요한 유지 보수도 쉽게 한다.
아쉽게도 이 모든 것을 충족하는 이상적인 바이오 필터 종류는 없으며 각 바이오 필터에는 각각의 장점과 단점 및 가장 적합한 적용 분야가 있다.
지금으로써 대규모 상업용 순환여과시스템은 미립자 필터(확장식 담체, 유동상 담체, 및 플로팅 비드 담체)를 사용하는 방향으로 흘러가고 있다.
하지만 밀식 양식시설에서 일반적으로 사용되는 종류들의 바이오 필터들은 침적형 바이오 필터, RBC, 플로팅 비드 바이오 필터, 유동상 바이오 리액터, 살수여상 등 그 종류가 굉장히 많다.
2006년 Malone과 Pfeiffer는 설계자들에게 가능한 많은 옵션을 보여주는 의사 결정 트리를 만들었다.
전략적으로 산소를 공급하는 방법과 생물막 성장을 다루는 방법에 기반하여 만들어진 의사결정 트리이다.
부유 성장 시스템은 최근까지 틸라피아나 해양 새우와 같이 단단한 종의 생산을 위한 바이오 플록 시스템의 활용이 증가하기 전까지는 양식장에서 거의 볼 수 없었다.
이런 시스템들 속에서 종속 영양 박테리아는 당밀, 설탕, 밀, 카사바 등과 같은 유기 탄소원을 공급하여 성장되었다.
높은 유기탄소 대비 질소의 공급 비율(C/N)에서 종속 영양 박테리아는 외부 고정상 담체 바이오필터 대신 암모니아 질소에서 질소(N)를 직접 흡수한다.
기존의 밀식 순환여과 시스템에서는 대형 고정상 담체 바이오 필터가 암모니아 산화 박테리아 및 아질산염 산화 박테리아에 의한 암모니아 질소가 질소의 질산염 질소로 질산화 되는 것에 사용되었다.
밀식 순환여과 시스템에서 종속 영양 박테리아의 성장과 유기 탄소의 누적은 이 시스템에서 의도한대로 고형 물질을 신속하게 없애고 물을 갈아줌으로써 최소화시킨다.
일반적으로 고정상 담체 바이오 필터는 부유식 성장 시스템보다 더욱 안정적이다.
고정상 담체 바이오필터
고정상 담체 바이오 필터에서 얇은 박테리아 생물막이 담체를 코팅하고 용해된 영양소 및 산소는 확산 효과로 인하여 생물막으로 운반된다.
돌, 조개껍질, 모래, 플라스틱 등 다양한 종류의 소재가 이 생물막을 보강하기 위하여 사용되어 왔다.
생물막을 지지할 수 있고 합리적인 비표면적이 있는 거의 모든 것이 수 년에 걸쳐 사용되어 왔으며, 이러한 유형에 해당하는 필터들의 주요 단점은 종속 영양 박테리아에 의해 빠르게 폐쇄되어 막대한 성능 저하를 초래할 수 있다는 것이다.
2006년도에 Malone과 Pfeiffer는 고정상 바이오필터를 산소 공급 전략과 생물막 성장 처리 방법을 기반으로 4가지 기본 종류로 세분화했다.
Emergent Biofilter는 공기 중의 산소를 이용하고 생물막에 공기를 공급한다.
RBC(회전원판)의 경우 담체를 물 안과 밖에서 천천히 회전시키며 영양분과 공기를 제공한다.
Trickling Biofilter(살수여상)의 경우 물이 컬럼의 배지 위로 흘러가게 하여 담체 생물막으로 영양분과 산소를 공급한다. 이런 유형을 가진 바이오 필터는 공기중 암모니아 전환율을 높일 수 있지만, 낮은 비표면적을 가진 점이 단점이다.
또한 이런 유형의 필터는 환기가 적게 요구되며 이산화탄소 스트리핑을 요구하기도 한다.
고정상 바이오 필터는 회전식 생물반응기(RBC) 또는 바이오 디스크 필터라고도 불린다.
가운데 위치한 축에 정렬되어 있는 원형 디스크가 있으며 초창기에는 가정 하수 처리를 위하여 발명되었다.
바이오 필터는 보통 디스크 표면의 절반 정도가 물에 잠기고 나머지 절반은 공기중에 노출된 상태이다.
재순환된 물이 흐르는 물에 잠긴 부분에서 직렬로 배치된다.
바이오 디스크는 1.5 ~ 2.0rpm 정도로 천천히 회전하며 생물학적으로 활성화된 담체를 재순환된 물과 공기에 번갈아 노출시켜 생물막에 영양분과 산소를 제공한다.
초기에 RBC 디자인은 주름이 진 유리 섬유 소재로 만들어졌다. 요즘 들어서는 더 넓은 비표면적을 가진 담체가 RBC에 사용되며 이로써 요구되는 크기를 줄이고, 암모니아와 아질산염 제거 능력을 향상시켰다.
1998년 Hochheimer와 Wheaton은 하루에 300m3/m2의 RBC에 있어서 최대 물 부하를 한계로 설계할 것을 권장했다.
2006년 Brazil은 섭씨 28도에서 틸라피아를 양식할 때 사용하는 상업 규모의 RBC에 대하여 총 암모니아 질소 제거율의 평균치를 하루에 0.43±0.16g/m2로 정했다.
2005년 Van Gorder와 Jug-Dugakovic은 하루 1.2g/m2의 상업 규모에 대해 더 높은 비율을 보고한 바 있다. 또한 RBC로 물이 흐를 때에 이산화탄소 농도는 39% 정도 감소하였으며 예상치로써 생성된 이산화 탄소 발생의 65%가 RBC에 의해 생성되었다.
RBC는 양식업에 있어서 독특한 이점이 있다. 자체 환기식이며 수압 헤드가 필요 없고 운영 비용이 싸며 스트리핑이 가능하다.
또한 일관적으로 호기성 환경을 유지할 수 있다. 더불어, 물을 통과하는 배지의 회전으로 바이오 필터의 약한 부분이 탈락되어 자체적으로 청소되는 것도 하나의 이점이다.
단점으로써는 작동하는 기계의 특성과 담체의 바이오매스 부하, 그리고 샤프트와 베어링에 걸리는 부하로 인한 무게의 증가이다.
RBC를 사용할 때 초창기에는 약하게 설계된 샤프트와 부품 등을 사용하여 고장을 일으켰었지만, 알맞게 설계된 RBC는 대단히 기능적이고 신뢰도 또한 높다.
그림 7.7은 펌핑된 공기나 물을 사용하여 회전하는 부유/공기/구동/RBC로 분류된 RBC를 보여준다(Fresh-Culture System社 제조).
이 무게는 물 컬럼에 의해 지탱되며 바이오 필터의 회전에 있어서 저항이 거의 없는 수준이다.
또한 이 기기는 폐수 처리 산업에서 사용하는 대다수의 상업적 이용 가능한 부품들로 제조되었기에 기계적 유지의 난이도가 낮다.
Trickling filter(살수여상)는 필터의 높이에 따라서 폐수가 아래로 떨어지며 여과되는 고정상 담체 베드로 구성된다.
폐수는 얇은 호기성 생물막을 통과하며 아래로 흐르고, 녹아 있는 물질들은 질산화 박테리아에 의하여 사용되는 생물막으로 확산된다.
이 물이 담체 위로 흘러가며 물은 지속적으로 산소를 공급받으며 이산화탄소는 환기되는 공기에 의하여 제거된다.
Trickling filter는 전체 구성이나 작동이 간단하며 자체 환기가 가능하고 이산화탄소 배출 관리에 있어서 효과적이며 비용이 적당한 수준이기 때문에 양식업에 널리 사용되어 왔다.
2006년도 Eding 팀은 Trickling tower의 설계와 운영에 대한 리뷰를 발표하였다.
도시단위에서 운영되는 폐수 처리 시스템에서 Trickling filter는 돌과 같은 암석으로 만들어져 있다.
하지만 현대 대부분의 필터는 가벼운 중량, 넓은 비표면적(100~300m2/m3) 및 높은 void 비율(>90%)로 인해 플라스틱 배지를 사용하고 있다.
2006년 Eding 팀 리뷰에 따르면 1986년 Gudjer는 150-200 m2/m3의 비표면적이 담체에 가장 적절하다고 분석했다.
여기서 말하는 플라스틱 담체와 유사한 비표면적이 양식업에 적용되는 Trickling filter에 설치된다.
또한 Trickling Filter 설계 기준에 해당하는 범위가 보고되었다.
일반적으로 온수 시스템의 경우 수리학적 부하 설계는 100 ~ 250m3/m2/일, 담체 깊이는 1~5m, 비표면적 100~300m2/m3 그리고 TAN 제거율은 0.1~0.9g/m2/일 로 합니다
Trickling biofilter는 낮은 수온, 그리고 담체의 낮은 비표면적으로 인해 발생하는 질산화율의 감소로 인하여 대형 저온 시스템에서는 사용하지 않았다.
대신에 부하가 낮고, 변화가 작은 부화장 시스템에서 사용하기 적합하다는 것을 알아냈다.
2006년 Eding 팀은 필터 담체의 종류가 암모니아의 특정 제거율에 효과가 있다고 발표했다.
교차 흐름 담체는 수직 흐름 또는 무작위 흐름 배지보다 더 나은 성능을 발휘한다.
이는 수압이나 습도 차이에서 발생하는 효과이다.
필터 담체가 막히는 것은 상업 양식장, 농장에서 큰 문제가 될 수 있으므로 사전에 방지하여야 한지만 이에 대하여 필터의 수리학적 표면 부하와 필터 소재의 종류에 따른 영향을 정량화 하는 것은 어렵다.
경험에 의하면 무작위 유동상 담체는 쉽게 막힐 수 있기 때문에 수직 흐름 또는 교차 흐름 담체가 더욱 많이 사용된다.
교차흐름 또는 수직 흐름 담체는 자체적으로 지탱되는 블록으로 이루어져 있으며 쉽게 블록을 쌓아 올릴 수 있고, 필요시 분리하기 용이하다.
무작위 담체는 대부분 쳐져 있는 볼 형태이며 별도의 지탱 틀이 필요하다.
Trickling(살수여상) 필터의 경우 상단에 물을 공급하는 장치와 환기를 위해 바닥이 열려 있어야 한다.
일부 Trickling 필터는 수조에 물을 추가로 공급하기 위한 탱크로 사용되기도 하며 바닥이 닫혀 있는데 이런 구조에서는 강제적인 환기를 위해 송풍기 설치가 필수적이다.
질산화 및 BOD 제거 목적 외에도 Trickling 필터는 이산화 탄소 제거에 이상적인 필터이다. 또한 더운 날씨에서 증발과 냉각 모두 사용 가능하다.
필터를 통한 공기 흐름의 컨트롤이 필요하며, 이를 위하여 Trickling 필터 윗 부분의 공간을 닫고, 환기 시스템에 연결시킬 수 있다.
적절한 가스 제거를 위하여 필요한 공기와 물의 비율은 최소 10이며, 필터 베드 높이도 최소치가 요구된다. 환기율이 더 높을 때 증발률이 증가되는데 이는 여름에 물 온도를 낮출 때 도움이 된다.
강제적으로 환기를 시켜주는 것 또한 필터상 물 온도가 필터의 외부 공기 온도와 거의 유사할 때에 발생할 수 있는 공기의 정체를 방지할 수 있다. 공기의 흐름이 정체된다면 결과적으로 필터의 질산화율이 떨어질 수 있다.
필터 용량을 충분히 활용하기 위해서는 필터 상단의 성능 좋은 물 공급장치가 필수이다.
물은 가지 달린 부분, 구멍을 낸 막, 또는 노즐을 통해 공급될 수 있다. 때로는 무작위 배지가 위치한 원형 필터에서는 회전하는 기둥이 적용된다.
이런 구조는 기계적 마모가 쉽게 되므로 제작시 주의해야 한다.
구멍이 난 막은 작은 필터 종류에 사용되나, 각 구멍이 막히지 않도록 관리를 해야 한다.
회전식 노즐은 적은 압력에서도 큰 흐름을 처리할 수 있으며 효과적인 물 공급을 가능케 한다.
두 번째 주요 범주인 침적형 바이오 필터는 아래와 같은 기능이 있다고 알려져 있다.
충분한 산소가 공급될 수 있는데 높은 재순환 속도, 산소의 내부 재활용, 유입수의 산소 농축 등을 통해 공급될 수 있다.
또한 녹아 있는 산소가 아니라 암모니아가 생물막 안으로 확산되는 것이 변수 제한율이라는 추측을 해볼 수 있다. 이렇기에 침적형 필터의 주된 목적은 질산화 향상을 위해 비표면적을 최대화하는 것이 우선이다.
침적형 바이오 필터의 일반적인 세 가지 종류는 생물막 누적 관리 전략에 따라 나뉜다. 침적형 바이오 필터의 첫 번째 주요 카테고리는 고정상 충전층을 사용한다는 것이다.
생물막이나 고형 이물질이 쌓이는 것에 대한 관리가 없는 담체이다. 고정상 담체란 자갈, 바이오필터, 플라스틱 충전층 및 모래가 있다.
수중에 충전된 담체는 생물막에 쌓이는 물질을 제어하기 위하여 내생 호흡에 전적으로 의존한다. 물은 아래에서 위로, 또는 위에서 아래로 흐를 수 있으며 따라서 유량을 조절하여 수리학적 체류 시간이 조정될 수 있다.
바이오필터 내의 고형 이물질은 침적형 바이오필터 내부에 쌓일 수 있으며 질산화 및 종속영양 박테리아 세포들과 함께 축적될 수 있다. 이 과정은 필터의 void를 막을 수 있으며 오랜 기간 작동을 문제없이 하기 위하여 필터를 씻는 과정이 요구된다.
필터가 막히는 현상을 사전에 방지하기 위하여 큰 void를 만들 수 있도록 침적형 생물막에 사용되는 담체는 지름 5cm 이상의 균일하게 깨진 자갈 또는 직경 2.5cm 이상의 플라스틱 담체와 같이 큰 크기의 담체를 이용해 왔다. 하지만 직경이 5cm인 자갈은 비표면적이 75m2/m3이며 void가 40~50%밖에 되지 않는다. 무작위 패킹 플라스틱 담체는 비표면적이 100-200m2/m3로 비교적 좁지만 공극률이 훨씬 높다.
이와 같은 필터 종류들의 단점은 낮은 용존 산소량, 고형물 축적의 문제가 있으며 사료에서 비롯된 유기물의 축적 및 역세척 등의 어려움 등이 있다.
따라서 이런 유형의 바이오 필터는 이전에는 양식업에 있어서 권장되어 사용되었지만, 높은 제작 비용, 생물막 폐쇄 문제와 운영 비용 등으로 인해 이제는 다른 방법들로 대체되어가고 있다.
고정상 충전 담체 바이오필터는 전시관, 수족관, 해산물 보관 등 이물질 축적으로 인한 부하가 많지 않는 시스템에서는 여전히 사용되며, 굴 껍질과 같은 탄산칼슘 농도 및 기타 필수 미네랄 농도를 유지하는데 사용되고 있다.
두 번째 카테고리로는 공기, 물, 또는 기계식 혼합기를 활용하여 ‘확장 가능한’ 고정 베드를 사용한다.
담체가 흔들릴 때 마다 마모 과정에 의해 생물막이 지나치게 성장한 부분이 제거되며 이는 다음 플로우가 들어오기 전에 침전된다. 확정형 바이오필터는 고형 이물질 제거를 위한 기계적 여과기, 암모니아 제거를 위한 생물 여과기, 그리고 설계 목적이나 역세척 빈도 등에 따라 고형 이물질을 모으고 질산화를 하는 생물학적 여과기 두 가지의 역할을 모두 수행한다.
확장 가능한 바이오 필터의 종류로는 상향류 모래 여과기(업 플로우 샌드 필터), 부유성 비드 생물 정화기, 거품 여과기 등이 있다.
상향류식 모래 필터 또는 전형적인 수영장 기계식 필터는 질산화에 다소 기여할 수 있지만 이론적으로만 기계식 필터로 활용되어질 수 있다.
두 필터는 역세척 속도가 빠른데 비해 바이오 필터 성장 속도는 느리기에 썩 좋지 않은 바이오 필터가 된다.
모래 필터의 경우 전시 목적 수족관에 주로 사용되었으며 상향류 자갈 필터는 대형 수족관에서 활용되나, 역세척시 물 낭비가 심해 오늘날에는 거의 사용되지 않고 있다.
이런 종류 바이오 필터들의 확장을 개시하려면 아주 빠른 유속이 필요하다.
부유식 비드 필터는 생물학적 정화 기능을 보여주는 확장 가능한 미립자 필터이다.
이는 모래 필터와 유사성을 띄며 고형물질을 제거함으로써 여과장치 또는 정화장치로써의 기능을 하는 동시에 물에 녹아 있는 질소를 제거하는 질산화 박테리아의 부착을 위해 넓은 표면적을 제공한다.
비트 필터의 경우 이 장치에서 생물 여과와 정화가 모두 가능하며 따라서 ‘생물 정화기’로 불리기도 한다.
정화란, 물에서 떠다니는 고형물질을 제거하는 것을 의미한다. 떠다니는 고형물질은 일반적으로 소화되지 않았거나 일부만 소화된 사료, 박테리아, 해조류, 진흙 등 100 마이크론 미만의 미립자를 말한다.
비드 필터는 물이 플라스틱 비드로 채워진 층을 지날 때 적어도 4가지 각기 다른 방법으로 이물질을 제거한다. 100 마이크론보다 입자 크기가 클 경우 크기에 의해 물리적으로 걸러진다.
이보다 조금 더 작은 50 ~ 100 마이크론 입자의 경우 가장 많이 차지하는 방법은 침전이다.
또한 5 ~ 50 마이크론의 부유성 이물질은 입자와 비드 담체 표면이 부딪혀 발생되는 방해로 제거된다.
20 마이크론 미만의 미립자는 박테리아 생물막에 의해 이물질이 포획되며 생체 흡수를 통해 제거된다.
부유식 비드는 생물학적 오염에 잘 버티며, 특수한 상황이 아닌 경우 역세척을 위한 물이 거의 필요하지 않다.
비드 필터는 일반적으로 담체를 넓히고, 비드에 갇힌 이물질을 빼내는 역세척 과정에서 버블 세척 또는 프로펠러 세척을 사용한다.
사용되는 비드는 지름이 3~5mm이고 비중은 0.91, 비표면적은 1150~1475 m2/m3인 폴리 에틸렌이다.
비드 필터의 장점으로써는 모듈식, 집약된 디자인, 설치와 작동의 심플함 등이 있다.
또한 이물질을 제거함과 동시에 질산화를 위한 두 가지 목적을 복합한 필터로써 사용이 가능하다.
프로펠러 세척 생물 여과기들은 대부분의 시간에 여과모드로 작동한다.
물이 재순환 하여 담체를 통과할 때에 이물질이 포집되어 생물 여과 공정이 시작된다.
비드 담체를 역세척 또는 청소를 할 때에는 펌프를 종료시킨 후 수행하며 입구에 위치한 밸브를 닫은 후 혼합 모터와 프로펠러를 작동시켜서 수행하여야 한다.
역세척의 목적은 비드 사이에 갇힌 이물질과 지나치게 축적된 찌꺼기들을 배출하는 것이다.
이것은 비드가 아래쪽 팽창 위치로 밀려 나갈 때에 프로펠러에 의해 만들어진 수력과 소용돌이로 물과 비드가 접촉되어 청소되는 원리이다.
비드 필터의 프로펠러 세척은 짧은 시간동안 많은 에너지를 들이도록 설계가 되어 있다.
하지만 지나친 세척의 경우 뚜렷한 근거가 없이 생물 여과 성능만을 저해시킨다.
담체가 확장된 후 수 초 동안 교반되면 혼합 모터가 종료되며 침전 모드로 전환된다.
이 때 보통 필터는 5분에서 10분 정도 휴식 상태로 유지되는데 비드가 부유함으로써 여과 담체를 재형성하는 반면, 슬러지는 원뿔 모양 침전 콘에 모이게 된다.
최종 작업 모드로 슬러지 제거에 있어서 침전은 매우 효과적이며, 필터를 완전히 배수할 필요 없이 수행될 수 있다.
보통 슬러지 방출 부분에는 관의 투명 부품이 달려있어 방출되는 오염수의 투명도를 눈으로 확인 가능하다.
비드 필터가 인기있는 다른 형태로는 작은 정원 연못과 내부에 모래시계 형태로 좁은 세척통로가 있는 생물여과 시스템이다.
연속 여과를 하는 동안 피쉬탱크에서 흘러나오는 물은 입구 파이프에 있는 홈을 통하여 바닥으로 주입되며 부유 폴리에틸렌 비드의 담체를 통해 위쪽으로 올라가 배출 파이프의 홈을 따라 위쪽으로 배출됩니다.
유입관은 역세척 할 때 슬러지의 배출 용도로 사용되기도 한다.
배출을 위하여 바닥에 위치한 슬러지 밸브가 열릴 때 필터 쪽으로 공기가 역류하는 것을 막는 밸브가 장착되어 있다.
따라서 필터 내에 진공이 형성되며 세척 통로 바로 아래에 위치한 필터의 측면에 있는 흡기구가 열려 배수시 공기가 필터로 흡입될 수 있다.
이 때 일어나는 문제점은 물이 여과 헤드를 지날 때 비드가 아래를 향해 흐르고 상승하는 기포에 의해 좁은 통로를 지나기 때문에 매우 치명적일 수 있다.
필터로 배수가 완료되고 모든 비드가 확장통으로 떨어져 모이면 모든 세척 과정이 완료된다.
이 후 밸브를 다시 조정하고 재순환 펌프로 필터를 다시 채우면 다음 단계의 여과 사이클이 시작된다.
프로펠러 세척장치와 비교하여 버블 세척 비드의 경우 역세척시 필터에 있는 모든 물을 버리게 된다. 두 가지 방법 모두 간단한 조작기로 쉽게 자동화할 수 있으며 프로펠러로 역세척을 하는 비드 필터는 최대 2.8m3의 비드 부피로 제작된다.
대다수 소형 시스템은 0.28m3 보다 작은 버블 세척 필터를 사용한다.
PolyGeyser Bead Filter는 주로 자동 공압 역세척 메커니즘을 통한 비드 필터 기술의 차세대 제품이다.
물은 패킹된 EN 베드 담체 아래로 유입되며 기계적, 생물학적 여과가 이뤄지는 여과 챔버를 향해 위쪽으로 올라간다.
이와 동시에 공기는 사전에 정해진 역세척 빈도를 달성하기 위하여 등속으로 공기 충전 챔버로 주입된다.
충전 챔버가 용량에 도달했을 때 이를 작동시키는 방아쇠가 당겨지며 배지 담체 아래의 충전 챔버에 있는 공기를 배출한다.
공기가 갑자기 배출됨으로써 비드가 혼합되며, 공기가 비드를 흔들 때에 비드가 떨어진다.
순환 펌프가 지속적으로 작동하며 필터 챔버가 각각의 역세척 이후에 다시 채워진다. 이로 인해서 비드가 위로 부유하고 담체로 변형된다.
재충전 주기동안 역세척에 사용된 물에 포함된 부유 이물질은 슬러지 배수 밸브를 통해 후처리를 위하여 슬러지 저장 챔버로 가라 앉는다(보통 2~3일 주기). 이와 동시에 공기 충전 챔버가 다시 재충전됨으로 상층액이 비드 담체를 다시 통과하여 지나간다.
역세척으로 인해 발생하는 물 손실을 없애는 것은 이 과정의 핵심이다.
이와 관련된 대부분의 분야에서 슬러지 제거 전에 수십 번의 역세척을 실행할 수 있다.
이 때 역세척 공정과 관련된 물의 손실은 없으며 슬러지 배수와 관련된 물의 손실은 유의적 수준이 아니다.
이 밸브는 특히 해수의 손실과 대형 역세척 정수 장치의 필요성이 최소화되는 해양 조건에서 유리하다.
공압 밸브는 세척 빈도와 수두 손실이라는 두 관계를 끊고 단위당 최대치의 질산화 용량을 활용할 수 있도록 한다.
자주 시행되는 역세척은 필터의 질산화 용량을 최적화하는 것에 유리하다는 것이 밝혀졌다.
셀 수 없이 많은 부드러운 스크러빙 주기는 비드 표면에 건강하고 얇은 생물막을 유지함으로 높은 질산화율을 달성할 수 있도록 한다.
보통 역세척 주기는 3~6시간 사이에 한 번씩 가동된다.
PolyGeyser 비드 필터가 정화기로 작동함과 동시에 바이오 필터로써 작동하여 순환 생물 정화기 적용 분야에서 EN 비드 배지의 세제곱 피트 당 사료 공급량 (하루 사료 8kg, 16kg, 그리고 24 kg/m3) 총 암모니아 질소(TAN)의 농도는 0.5, 1.0, 또는 1.5 파운드의 공급 부하율에서 각각 0.3, 0.5 그리고 1.0mg-N/I 미만으로 추측된다.
상향류식 유동상 배드 바이오 필터는 몇몇 대규모 상업용 양식 시스템으로 사용되었다. (15m3/분 ~ 150m3/분 또는 400 ~ 4,000 gpm).
이 필터의 주요 장점은 담체의 매우 넓은 비표먼적으로 일반적으로 등급이 매겨진 모래이거나 매우 작은 플라스틱 비드이다.
모래의 경우 비표면적은 4,000 ~ 45,000 m2/m3인데 반하여 살수여상 바이오 필터의 경우 100 ~ 800 m2/m3이고 비드 여과재의 경우 1,050 m2/m3이다.
유동상 베드 바이오 필터는 큰 크기로 인하여 쉽게 확장할 수 있으며 단위 처리 용량당 제조 비용이 상대적으로 저렴하다.
바이오 필터의 비용은 대략 표면적에 비례하므로 유동상 베드 바이오 필터는 다른 종류들 대비 가격 경쟁력이 높고 크기가 상대적으로 작다.
유동상 베드 바이오 필터는 암모니아 제거에 효율적이다. 보통 저온 양식 시스템에서 각 필터링마다 암모니아의 50 ~ 90%가 제거된다. 저온 시스템의 질산화율은 확장된 베드 부피의 세제곱 미터당 하루 0.2 ~ 0.4 kg의 TAN 제거량이다.
온수 조건에서 TAN 제거율은 확장된 베드 부피 세제곱 미터당 0.6 ~ 1.0 kg 범위이다.
유동상 베드 바이오 필터의 주요 단점은 바이오 필터를 통해 물을 공급하는데 높은 비용이 든다는 것과 유동상 베드 바이오 필터가 살수여상 타워 및 RBC처럼 물에 공기를 공급하지 않는다는 것이다.
이 외에 단점은 운영의 난이도가 더 높고 보통 부유 이물질 제어 및 생물학적 오염으로 인한 유지관리에 심각한 문제가 있을 수 있다는 것이다.
유입수 분배 메커니즘을 고려한 설계는 신뢰도 있는 유동상 베드 바이오 필터 작동에 매우 중요한 요소이다.
지금까지 대형 유동상 모래 바이오 필터의 바닥으로 물을 주입하기 위하여 다양한 방법들이 사용되었다.
전통적으로 바이오 필터 상단에서 시작하여 리액터 내부로 내려가는 파이프 매니폴드의 일부 형태가 사용되어왔다.
이 헤더 부분과 측면 시스템은 일반적으로 대기압의 1/3 수준에서 1/2정도의 펌프가 작동해야 하는 추가 작동 압력을 생성한다.
재래식 유동상 모래 바이오필터 장치와 Cyclo-bioTM형태의 가장 큰 장점은 50,000kg 정도의 어류 바이오매스로부터 암모니아 생산을 동화할 수 있는 능력으로 확장할 수 있다는 것이다.
사실상 유동상 모래 바이오필터는 배정된 어류 바이오매스를 처리하는데 필요한 만큼 크게 만들 수 있다.
다른 고려 사항들은 실제 어류 부하량을 결정하는 것이며, 그 중 중요한 고려 사항은 자연재해 또는 재난적 규모의 실패이다.
둥근 플리넘 안으로 주입되는 물은 바닥 부분에 1.9cm의 홈이 난 주입구로 통과한다.
오늘날의 혁신적인 모습의 Cyclo-Bio TM은 물 흐름을 바이오 리엑터 벽면에 연속적으로 위치한 작은 홈으로부터 외부 고리를 통하여 바닥 부분의 관까지 유도시키는 것이다.
이 설계는 기존 파이프 측면에서 높은 마찰로 인한 손실을 제거하여 에너지를 절약할 수 있다.
또한 Cyclo-BioTM 디자인은 더 낮은 유속으로 인해 압력 차이가 거의 없다.
마이크로 비드 필터는 통상 사용되는 플로팅 비드 필터와 확연히 다르다.
플로팅 비드 필터는 압력이 가해진 용기 안에서 작동하며 아주 약간의 부력이 있는 담체를 사용한다. 요구되는 부피에 따른 비드 질량을 고려해야 하므로 부피 기준으로 훨씬 저렴한 모래나 마이크로 비드 담체와 대비하였을 때에 상대적으로 비싼 담체가 된다.
마이크로 비드 필터는 지름이 약 3mm인 부유 비드 필터 담체와 비교하여 세제곱 미터당 밀도 16kg의, 직경이 1~3mm인 Polystyrene 비드를 사용한다.
마이크로 비드 필터는 대형 생산 체계로 확장할 수 있기 때문에 유동상 모래 필터와 비슷하게 저렴한 설계에 대한 대안으로 여겨진다.
마이크로 비드 필터의 큰 이점으로써 기존의 유동상 모래 베드 필터대비 거의 절반 정도의 운영 비용을 꼽을 수 있는데 이는 저양정 고유량 펌프를 사용할 수 있기 때문이다.
설계하는 목적에 따라서 마이크로 비드 필터는 유입되는 암모니아 질소의 농도가 리터당 2~3mg인 온수 시스템일 경우 일일 담체 세제곱 미터당 약 1.2kg의 TAN을 질산화 하는 것으로 추측할 수 있다.
저온의 경우 이 비율을 온수 비율의 50% 수준으로 가정해야 하며 이 때 속도는 유동상 모래 베드에 사용되는 속도와 비슷하다.
마이크로 비드 필터는 살수여상 및 미립자형 바이오 필터의 조합 형태이다.
전형적인 소형 마이크로 비드 필터의 구성은 그림 7.15에서 볼 수 있다.
마이크로 비드 필터는 담체 베드 위쪽에 유입수가 분배된 다음, 물이 배지를 통해 흘러내리고 중력으로 인해 용기 밖으로 흘러나오는 흐름으로 작동된다.
배지는 부피 밀도가 16kg/m3이며 비표면적이 1mm 비드의 경우 3,936m2/m3으로 고부력 Polystyrene 비드로 이루어져 있다.
배지의 다공성 범위는 36%에서 40% 사이이며 신제품 비드일수록 40%에 가깝고 기존 비드의 경우 36%에 가깝다.
비드의 소재는 일회용 플라스틱 컵에 사용하는 것과 동일한 재료이다. 비드는 결정화 된 고분자를 열 증기 처리하여 만든다.
비드 소재의 상품명은 DyliteTM이며 캐나다 캘거리에 위치한 Nova Chemical Coporation社로부터 구매할 수 있다. 비드의 평균 지름은 3, 2, 1.5, 그리고 1mm으로 이루어져 있으며 비표면적은 각각 3,780 2,520 1,890 그리고 1,260m2/m3인 유형 A, B, C, T로 나눌 수 있다.
마이크로 비드 필터는 기존 Type T 비드가 주로 사용되었고 최근에는B유형 또는 C유형이 선호되고 있다고 한다. A유형은 선택하지 않는 것이 좋다.
마이크로 비드 필터는 어떤 물이 비드 위로 공급되느냐에 따라 변화를 줄 수 있다.
그림 7.15에서 스프레이 디퓨저가 보인다. 다른 응용 방법으로는 구멍이 난 물에 잠긴 판을 사용하며 물을 공급하기 위해 윗 부분에 몇 cm의 꼭지를 만든다. 일부는 사실 오리피스 판을 사용하여 비드를 밑으로 고정시키며 비드가 바이오필터의 지체 용기 속에 잠기게 한다.
다른 설계 방법으로써 의도적으로 비드의 윗 부분과 스프레이 사이에 공기층을 만들어 에어 스트리핑을 유도할 수 있다.
이 배열의 궁극적인 결정체는 이산화탄소 스트리핑을 감당할 수 있도록 수리학적 부하율의 3 ~ 10배로 환기되는 공기층이다.
원하는 모든 방법으로 작동하도록 제작할 수 있으나 디자인에 따라서 각기 다른 제한 사항을 인지하고 있어야 한다.
예를 들면 기존의 trickling 필터는 배지의 공극 면적이 높기 때문에 에어 스트립이 발생한다.
마이크로 비드는 비드 표면 상단에 물을 주입하는 과정을 거치지 않고서는 가스 스트리핑이 되지 않고 비드 표면 위에서 고농도의 이산화 탄소를 씻어내기 위하여 추가 기능이 설계되어야 한다.
권장되는 최소 수량부하는 1,290 m3/m2 이다.
마이크로 비드 필터의 비드 깊이는 50cm 부근으로 제한된다.
정확한 이유가 밝혀지지 않았지만, 깊이가 제한되는 이유는 물이 비드 축을 통해 흘러 나갈 때의 과정과 관련이 있을 것으로 추정된다.
베드의 깊이가 깊어짐에 따라 물 채널링의 확률이 높아지고 따라서 베드의 깊이에 제한을 두거나 베드의 추가 또는 교반을 해야 할 필요가 있다.
비드 베드는 배지가 잘 섞인다는 점에서 유동상 모래처럼 작용하지는 않는다.
비드 베드는 거의 고정된 큰 덩어리처럼 보이지만 부하율이 높아지면 비드가 위에서 아래로 이동하는 것을 볼 수 있다.
비드 베드는 서서히 침식되는 해변의 모래성처럼 작용하며, 베드 비드 축의 외부 부분이 벽에서 떨어져 베드의 메인 부분으로 돌아간 다음 다시 다른 비드와 섞인다.
이렇게 일정하지만 느린 비드의 회전율은 하루에 비드 부피의 세제곱 미터당 1kg TAN 총 부피 질산화를 가능케 한다.
MBBR은 80년대 초, 북해로 배출되는 질소의 양을 줄이기 위하여 노르웨이에서 개발되었다.
운영중인 폐수 처리 시설을 업그레이드할 때의 이점은 살수여상 바이오 필터나 회전원판 바이오 필터와 관련된 유지 관리에 있어서 필요한 공간이 작고 많은 유지관리가 필요치 않았다는 것이다.
MBBR 기술은 현재 유럽에 위치한 폐수 처리 시설들과 소형, 대형 상업용 양식업에서 많이 사용되고 있다.
MBBR은 막히지 않는 생물막 필터, 역세척이 요구되지 않는 연속 작동, 높은 특정 생물막 표면적 등을 기반으로 한 부착형 성장 생물학적 처리 공정이다.
MBBR 리액터는 질산화를 위하여 호기성 조건 또는 탈질화를 위한 혐기성 조건에서 작동될 수 있다.
질산화를 위해 담체는 호기성 조건을 만드는 기포 공급 장치를 통해 일정한 혼합 효율을 유지하며, 탈질화를 위한 무산소 조건은 수중 교반기를 통해 유지한다.
담체는 일반적으로 반응기 부피의 최대 70% 정도인데, 충전 비율이 높을수록 혼합 효율은 감소하게 된다.
담체는 수직으로 장착될 수 있는 스크린이나 직사각형 또는 원통형 축, 수직 또는 수평으로 장착될 수 있는 배출구 내에 설치된다.
가장 흔하게 이용하는 담체는 폴리에틸렌으로 제작되며 내부에 교차점(십자형)이 있고 외부에 ‘fins’가 있는 작은 실린더 형태이다.
생물막 성장을 위한 보호 구역이라는 벽을 가지고 있음에도 다른 담체들도 사용되어 왔다.
리액터 내부의 교반은 담체를 일정한 속도로 움직이게 하여 막힘을 방지하고 지나치게 생성된 바이오매스를 제거하는 효과를 준다.
MBBR은 부착성 성장 공정이기 때문에 담체의 비표면적에 따라 처리 능력이 결정된다.
이는 리액터의 비표면적을 리액터의 부피로 나눈 담체의 총 표면적이나 담체가 차지하는 총 반응기 부피 비율을 곱한 담체의 비표면적와 동일한 것으로 알려져 있다.
일부의 경우 생물막 개발에서 사용될 수 있는 담체의 총 표면적을 반응기의 부피로 나눈 값을 사용하기도 하는데, 이는 일부 담체 종류에 있어서 외부 표면으로부터 생물막의 마모가 있는 것도 반영된다.
위에서 본 모든 바이오 필터는 암모니아와 아질산염을 질산염으로 산화시키는 동일한 목표를 가지고 설계되었다.
따라서 바이오 필터는 생성된 암모니아 질소를 완전히 산화할 수 있도록 설계되어야 하고, 예상치 못한 상황을 대비할 수 있도록 안전을 위해 추가적인 여유가 있어야 한다.
실용적인 관점에 있어서 바이오 필터를 선택할 때 중요성은 사료가 일일 50kg 미만으로 제공되는 소규모일 경우 대규모 양식장보다 그 중요도가 조금 낮다.
소규모 양식장에서 바이오 필터는 종종 필요한 성능보다 과도하게 설계될 수 있으며, 이 때 발생하는 추가 비용은 소규모 양식장의 재정적 부담이 될 수는 있다.
하지만 소규모 양식장은 도매 시장에서 가격 소숫점을 다투며 가격경쟁을 하지 않으며, 틈새시장을 목표로 하고 판매자에게 기타 서비스나 다른 제품을 제공함으로써 프리미엄 가격을 받아 매출을 확보하기 때문에 도매시장에서 소수점 가격을 가지고 다투며 경쟁하는 하루에 사료 100 kg 이상을 공급하는 대규모 양식장에서 경제성을 고려한 필터의 설계가 더욱 중요하다고 할 수 있다.
위에 보이는 각 바이오 필터는 초기 설계부터 고려해야 할 장점과 단점이 있다.
살수여상 바이오 필터와 RBC의 주요 장점으로는 작동 중에 물에 산소를 추가할 수 있다는 것이다. 또한 이산화탄소 제거 기능을 제공하기도 한다.
이와는 반대로, 침적형 바이오 필터, 비드 필터, 및 유동상 베드 바이오 필터는 모두 순 산소 소비를 하는 필터이며 생물막의 호기성 조건은 완전히 유입되는 산소에 의존하게 된다.
따라서 어떤 만약 유입되는 물에 용존 산소가 적으면 바이오 필터 안에서 혐기성 조건이 만들어진다.
살수여상 바이오 필터와 RBC 필터 모두 담체 비표면적이 낮다는 명확한 단점이 있다.
필터에 소요되는 금전적 비용은 전체 표면적에 비례하기 때문에 위 두 종류는 결국 크기가 크고 비싼 필터가 된다.
이와는 대조적으로, 비드 필터나 특히 유동상 배드 필터의 경우에는 비표면적이 높은 담체를 사용하기 때문에 살수여상 필터에서 동일한 표면적을 갖기 위해 필요한 공간과 비용보다 적은 공간과 비용으로 사용이 가능하다.
부유 이물질이 적절히 다뤄지지 않을 경우 쉽게 오염될 수 있다는 것 또한 살수여상 바이오 필터와 RBC의 또 다른 단점이다.
탄소를 소비하는 종속 영양 박테리아는 독립 영양 질산화 균들보다 약 100배 더 빠르게 성장한다.
이 박테리아의 개체수는 한 시간에 두 배로 증가할 수 있지만, 질산화는 두 배가 되는데 걸리는 시간이 수 일 소요된다.
이렇게 높은 성장률에 동반되는 산소 요구량은 생물막 깊숙한 곳에 묻혀 있는 질산화균을 질식시키므로 결과적으로 생물 반응기 표면에서 탈락하는 결과를 가져온다.