2006년 11월 “Science” 에 보고된 자료에 의하면 남획에 의하여 21세기 중반에는 바다의 자원이 거의 없어질 것이라고 예상하였다. 이 극단적인 추정은 많은 사람들이 부정할 수는 있으나 인류의 해산물 수요증가를 보면 결코 간과할 수 없는 실정이다.
어류와 갑각류의 소비상태를 보면 지난 50년 전보다 수요가 두 배로 증가하였고 현재 1인당 소비되는 어류는 1년에 16 kg으로 집계되었다(FAO, 2001). 어류 어획량은 1995년부터 90～95백만 톤으로 수요와 공급의 불균형으로 인하여 1947년 어류 가격보다 약 3배로 뛰게 되었다. 그럼으로 미래의 수요를 충족하기 위해선 수산물의 가격 상승은 불가피하게 여겨진다.
이러한 남획의 결과 여러 종류의 해산자원이 고갈되었고 해산양식의 중요성이 최근 더 대두되게 되었다. 그림 1과 같이 해산 양식생산량은 1970년대부터 약 9%씩 증가를 하였으나 총 어획량에 대한 비율이 1970년에는 2%에서 2005년에 13% 증가 된 것을 알 수 있다.
그러나 해산양식은 아직까지도 개방양식형태로(연안 가두리)로 주로 연안에서 이루어지고 있음으로 연안을 이용하는 다른 산업들과 충돌을 하게 된다(항만, 관광사업, 수산업 등). 개방형태의 해산양식은 정확한 관리가 이루어지지 않으면 생태계를 위협하기도 하며 오염원 배출 등으로 문제시 되고 있어 육상 순환여과시스템에 의한 양식생산이 주목되어 지고 있다.
순환여과시스템 양식
현재는 아직까지 풀지 못한 환경문제를 양식과 환경을 격리시키는 기술력으로 해결하려하는 양식의 체계의 변화가 일어나고 있다. 주 영양원은 집약적인 양식시스템에서 특정 형태로 배출이 되며 순환여과시스템은 이 배출물을 기계적, 화학적, 생물학적 여과장치를 통하여 환경을 훼손하지 않는 형태로 배출하게 하는 것이 원리라고 할 수 있다.
오늘날 순환여과시스템의 신기술은 2%이하로 최소한의 물을 보충하며 사육생물의 성장에 가장 적절한 환경을 조절하여 집약적으로 생산하고 유류사고, 화학오염물, 적조 등과 같은 현상에 크게 영향을 받지 않는 장점을 갖게 되었다. 순환여과시스템은 미래형 양식에 좀 더 중요한 역할을 할 것 이며 현재 독일에서 순환여과시스템 개발의 선두주자인 IFFT(International Fish Farming Technology)의 순환여과시스템에 새로운 개념을 도입한 폐쇄회로식 해산양식(Closed Loop Mariculture, CLM, 그림 2) 체계의 특성은 다음과 같다.
폐쇄회로식 해산양식 (Closed Loop Mariculture)
에너지효율
IFFT의 기술은 일반 양식과는 차별화된 경향을 보인다. 에너지 소비가 적고 자연환경과 격리됨으로 환경친화적인 시스템이라 할 수 있다. 순환여과시스템의 성공여부를 결정하는 가장 중요한 요인은 운영비로 각 시스템의 단계들을 상호 연결하여 시너지효과를 얻게 설계되어 있다.
한 예로 각 수조의 처리단계의 수위차가 적게 설계되어 있다. 이는 수위차에 의한 펌프의 동력이 크게 필요하지 않음으로 경제적으로 시스템을 운영할 수 있게 되었고, 또한 다양한 형태의 수조들을(콘크리트수조, FRP 수조, 호지 등) 목적에 따라 사용할 수 있다 (그림 3). 수조 형태를 잘 계획하면 생산을 최적화하여 불필요한 과정을 줄일 수 있다.
수처리
-고형물제거
수질과 탁도는 사육생물의 맛과 질을 결정하는 중요한 요인이다. 일반 양식장이 사육생물과 배설물, 먹이잔여물, 박테리아 등과 혼재되어 있어 빠르게 스럿지가 생산되어 전체 사육수를 교체하여야 하는 경우가 있는 반면에 CLM 양식은 모든 고형물을 쉽게 분리할 수 있는 시스템으로 되어있다.
이는 두 단계의 고형물 분리시스템으로 기계적인 분리와 수표면 경계여과(boundary surface filtration)법을 사용한다. 기계적인 제거는 드럼필터를 이용하여 물의 순환시 고형물이 제거되며 여과재 세척시 고형물이 모아지기도 한다. 분리된 고형입자의 크기는 여과재를 통과하는 유수량과 관련이 있다.
고형물의 크기가 작을수록 가동비와 에너지비용이 증가하게 된다. 수표면 경계여과란 제거비용이 높은 작은 입자들을 미세한 다량의 기포들을 단백질제거장치에 별도로 주입하여 응집시키고 수표면에 단백질복합물과 같이 모이게하여 거품과 함께 자동으로 제거되는 시스템을 말한다(그림 4). 이러한 미세기포장치를 이용하면 고농도의 산소 포화도를 얻을 수 있다.
-질소제거필터 (nitrifying biofilter)
IFFT는 특수한 생물학적 여과재를 사용하여 최대한의 박테리아가 부착할 수 있는 표면적을 제공한다. 이 탈질화 바이오필터는 시스템 유지를 안정화 할 수 있는 최대면적을 갖는다. 단백질 복합체, 어류 배설물 또는 먹이 잔류물 등과 같은 유기물질이 고형물 분리에서는 여과되지 않으나 광화작용(mineralization)에 의하여 생물학적 여과장치에서 무기물로 전환이 된다. 이 과정은 생물학적 여과장치의 질산화과정에 악영향 영향을 미침으로 고형물의 효율적인 분리가 중요하다.
-탈질화필터 (denitrifying biofilter)
암모니아의 탈질화과정 결과는 질산염의 증가이다. 비록 이것이 고밀도의 어류에 독성을 갖지는 않지만 고농도로 존재할 경우 질산화 과정을 억제하기 때문에 제거가 필요하다. 질산염의 분해는 혐기성 탈질과정에서 일어나며 종속영양 박테리아가 질산염을 질소로 전환하여 외부로 방출한다. 탈질화세균이 부착하는 부위는 질화여과기와 유사한 여과재를 사용한다. 질소화하는 생물학적 여과기와는 달리 탈질화과정은 별도로 공기 주입 없이 작용하게 하며 추가적으로 탈질화 박테리아가 탄소원을 필요로 하기 때문에 액체형태의 메탄올 등과 같은 물질을 첨가하여 조절한다.
-멸균과정(sterilization)
폐쇄된 해산어 양식에서 병원체를 막거나 확산을 방지하는 것이 가장 중요하다. 완전한 살균을 하기보다는 어류의 내성범위에서 병원체의 양을 유지하여야 한다. 정확한 양의 오존을 스키머에서 사용하면 대다수의 병원체를 불활성 시키며 박테리아의 활성은 유지가 된다. 생물여과기에서도 생물학적으로 분해가 가능하지 않는 물질들이 존재한다. 이 물질들은 화학적 산소소비를 필요로 하며(COD) 오존에 의하여 산화되어 생물학적 산화가 가능하게 되고 생물학적 여과기에서 분해되어 생화학적 산소 요구량(BOD)을 증가시키는 결과를 갖게 한다.
생물학적을 분해되지 않는 물질 중 Fulvic acid는 물의 색깔을 노랗게 하고 탁도를 높이며 어류가 식욕을 잃게 하는 원인이 된다. 오존은 이런 fulvic acid를 산화시키며 물을 깨끗하게 하고 고기의 맛을 향상시킨다. 또한 오존은 미세한 응집(micro flocculation)을 유발하여 기계적 여과기에 점착하도록 한다. 추가적으로 걸름장치도 오존에 의하여 영향을 받는데 단백질 복합체의 변성으로 기포에 잘 결합되도록 도와주어 스키머(걸름) 과정으로 들어가게 하며 유기물의 급증을 막아주는 효과가 있다.
-사육수 순환시스템
IFFT 사육수 순환기술의 용량은 전체 시스템의 용수가 1일 수회 회전이 가능하도록 되어있다. 물리, 화학적 처리 시스템을 상호 보완적으로 접목함으로서 사육수에 산소를 풍부하게하고 이산화탄소를 제거하고 pH값을 조절하고 적절한 수온을 유지하는 등 완충 시스템으로 작용이 가능하게 한다. 보충수는 가동시 손실되는 양을 보충되는 비율로 전체 시스템에서 하루에 1%이하로 조절된다. 해수는 고형물을 제거할 때 손실이 되는데 보충수는 수돗물에 인공염을 첨가하고 강한 폭기를 하여 용해시켜 인공해수를 만들며 이때 인공염의 농도와 조성은 사용수의 질과 생산되는 어종에 따라 결정이 됨으로 지역적인 영향이 거의 없다.
-자동화시스템
순환여과시스템 기술개발은 각 양식장의 표준화를 목표로 이루어진다. 현대적인 조절기와 감지기들이 시스템내의 에너지 흐름을 안정화시킨다. 지역적인 기후와 날씨도 순환여과시스템을 설계하는데 중요한 요인이 된다. 또한 기능적으로 사육생물의 성장과 관련하여 다단계로 별도의 순환여과시스템 라인을 만들 수 있으며, 다양한 생물을 사육함으로 배설물과 용존 유기물을 또 다른 생물이 에너지원으로 사용하게 하는 것이 가능하다. 현재 IFFT는 매년 500톤의 해산어를 생산할 수 있는 대규모 양식장을 건설하고 있으며 물고기 생산은 일차적으로 물질과 에너지의 재생을 통하여 이루어질 것이다. 일차단계에서 생산된 고형폐기물은 바이오가스 생산에 이용이 되며 그로 인하여 생산된 열과 에너지는 양식장에 의해 재사용 될 것임으로 순환여과시스템의 고비용을 해결할 수 있는 방법으로 제시되고 있다.
