Abstract
Denitrification by anaerobic bacteria is one of the most common processes of removing nitrate from recirculating aquaculture systems. This process is affected by many factors such as external carbon sources, hydraulic retention time (HRT), and $COD/NO_3-N$ ratio. Although external organic carbon sources are essential for the denitrification process, these also contribute to increase dissolved organic carbon concentration in recirculating aquaculture systems. So these external organic carbons must be removed from the systems. This study was conducted to find out the optimum operating conditions for the removal of external organic carbons in a submerged denitrification biofilter. Combinations of two external carbon sources (glucose and methanol), two HRT (4- and 8-hour), and four different C:N ratios (3, 4, 5, and 6) were used in this experiment. The removal efficiencies of organic carbon sources at 8-hour HRT were always better than those at 4-hour's (P<0.05). Maximum removal efficiencies were achieved when C:N ratio was 5 in both glucose and methanol. The removal efficiencies of methanol were always better than those of glucose. The maximum removal efficiencies of glucose and methanol were 76.5% and 84.0%, respectively and the removal rates were 223.5 $g/m^2/day$ and 247.1$g/m^2/day$. The maximum removal rates of glucose (290.9 $g/m^2/day$) and methanol (355.6 $g/m^2/day$) were achieved at 4-hour HRT and 5 C:N ratio. But the concentrations of SCOD in the effluent of both glucose ($52.5 mg/\ell$) and methanol ($40.9 mg/\ell$) were too high for rearing fish. Therefore, the optimum operating conditions for the removal of external carbon in a submerged denitrification biofilter were 8-hour HRT and 5 C:N ratio. And methanol showed better efficiency as an external carbon sources.
순환여과식 어류 양식 시설에서 호기성 미생물의 질산화 작용에 의하여 암모니아는 질산염으로 산화되어 축적되며 이를 제거하기 위하여 협기성 미생물을 이용한 탈질산화 과정을 많이 이용하고 있다. 이 과정에서 혐기성 미생물에 의한 탈질산화 효율은 외부 탄소원의 종류, 수리학적 체류시간(hydraulic retention time, HRT) 및 외부 탄소원 농도에 대한 수중 질산염의 농도비율 ($COD/NO_3^-N$, C;N)에 따라 달라진다. 따라서 우리 나라 순환여과식 양식장에서 일반적으로 이용되고 있는 선라이트 골판을 여과 재료로 한 침지식 여과조를 탈질 여과조로 이용하여 적정 유기 탄소원 제거 조건을 구명하기 위해 질산염의 농도를 순환여과식 양어장의 일반적인 농도인 $20.0mg/\ell$로 고정하고 외부 탄소원으로 메탄올과 글루코스를 사용하여 HRT와 C:N 비율 변화에 따른 적정 제거 조건을 알아보았다. 외부 탄소원의 종류에 따른 질산성질소의 제거 효율은 어떤 실험 조건에서도 메탄올이 글루코스보다 높게 나왔으며 HRT의 경우 글루코스와 메탄올 어느 쪽도 HRT 4시간 보다 8시간에서 효율이 좋았다. (P<0.05). HRT 8시간에서 C:N의 비율 3,4,5,6 중에서 5까지는 효율이 증가하여 글루코스의 경우 최대 제거 효율은 76.5%였고 일간 제거속도는 $223.5 g/m^2/day$였다. 그러나 외부 탄소원으로 메탄올을 사용할 경우 C:N 비율이 6으로 증가하면 효율이 감소되었다. HRT가 4시간일 경우 일간제거속도는 C:N 비율 5의 조건에서 메탄올이 $355.6g/m^2/day$로 가장 높았으나 배출수에 포함된 유기물 농도가 $40.9 mg/\ell$로 양어 용수에는 부적당하였다. 적정 제거 조건으로 생각되어지는 HRT 8시간, C:N 비율 5, 유기탄소원으로 메탄올을 사용하여 유입수의 질산성질소 농도를 $40.9 mg/\ell$ 로 높일 때 일간 제거속도는 질산성질소 농도가 20.6 mg/\ell$일 때 보다 2.2배가 증가하였다. 또한 배출수의 질산성질소 농도도 $5.6 mg/\ell$로 나타나 질산성질소의 일간제거속도는 높아졌으나 C:N 비율 5를 맞추기 위한 메탄올의 농도 증가로 인하여 배출수의 메탄올 농도가 $71.3 mg/\ell$로 증가하여 양식 dydt로는 부적당하였다. 따라서 선라이트 골판을 이용한 침지식 탈질조의 최적 운전 조건은 HRT 8시간, C:N 비율 5및 외부 탄소원으로 메탄올을 이용하는 것이 가장 좋은 결과를 나타내었다. 유입수의 질선성질소 농도가 증가하면서 질산성질소의 일간제거속도도 함께 증가하였고 이에 따라 수중 pH도 8.0에서 8.8까지 점차적으로 증가하는 결과를 나타내었다.
