물속 산소의 힘

작물의 뿌리부터 양식 생물, 오·폐수 처리 미생물까지. 물속 산소는 생명활동과 수질관리에 중요한 역할을 합니다.

물속에 녹아 있는 산소를 "용존산소(DO, Dissolved Oxygen)"라고 합니다.

용존산소는 식물 뿌리의 호흡, 물고기와 새우의 생존, 오염물질을 분해하는 미생물의 활동에 필요한 요소입니다.

따라서 물을 사용하는 산업현장에서는 산소를 얼마나 안정적으로 공급하고 관리하느냐가 중요한 과제가 됩니다.

① 농업·스마트팜 — 작물의 뿌리에도 산소가 필요합니다

식물은 잎에서 광합성을 하지만, 뿌리에서는 산소를 이용한 호흡을 통해 생명활동에 필요한 에너지를 얻습니다.

특히 수경재배와 양액재배에서는 뿌리가 물과 직접 접촉하기 때문에 용존산소 관리가 중요합니다. 산소가 부족하면 뿌리의 정상적인 활동과 양분 흡수가 제한되고 생육에도 영향을 줄 수 있습니다.

농업용수의 산소환경 관리는 건강한 뿌리 생육을 위한 중요한 조건입니다.

② 양식장 — 산소는 생존과 사육환경의 기본입니다

물고기와 새우 등 양식 생물은 물속에 녹아 있는 산소를 이용하여 호흡합니다.

사육밀도가 높거나 수온이 상승하면 산소 부족 문제가 발생할 수 있으며, 용존산소가 적절하게 유지되지 않으면 섭식·성장·생존에 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 양식장에서는 사육 생물의 종류와 밀도, 수온 등에 맞춰 용존산소를 지속적으로 관리하는 것이 중요합니다.

안정적인 산소공급은 양식 생물의 건강과 사육환경을 관리하는 핵심 요소입니다.

③ 오·폐수처리 — 미생물의 오염물질 분해에도 산소가 필요합니다

생물학적 오·폐수처리에서는 호기성 미생물이 산소를 이용하여 유기물 등 오염물질을 분해합니다.

산소공급이 부족하면 미생물 활동이 제한되어 처리효율과 공정 안정성에 영향을 줄 수 있습니다.

반대로 필요 이상으로 산소를 공급하면 불필요한 전력소비가 발생할 수 있습니다.

따라서 오·폐수처리에서는 처리조건에 맞는 산소공급량과 용존산소 관리가 중요합니다.

효율적인 산소공급은 안정적인 생물학적 폐수처리를 위한 기본 조건입니다.

중요한 것은 산소를 얼마나 효율적으로 공급하느냐 입니다.

산소를 공급한다고 해서 공급된 산소가 모두 물속에 녹는 것은 아닙니다.

기포의 크기, 기체와 물의 접촉면적, 접촉시간, 수온, 압력 및 순환조건에 따라 산소전달 특성이 달라집니다.

농업용수 순환·공급 구성 

기존 저장조가 있는 시설에서 농업용수를 순환펌프와 미세기포 발생·혼합부로 순환시킨 뒤 저장조로 되돌리고, 관수·가압펌프와 배관을 통해 재배구역에 공급하는 적용 예시입니다. 저장조가 없는 시설은 원수 또는 관수배관 직결형으로 별도 구성할 수 있으며, 실제 장비와 배관 구성은 관수 방식, 공급 유량·압력 및 기존 설비 조건에 따라 달라질 수 있습니다.  

▪ 기존 저장조 농업용수 취수 및 순환

▪ 산소 또는 공기 유입·미세기포 혼합

▪ 혼합 순환수 저장조 재공급

▪ 관수·가압펌프와 관수배관 연계

▪ DO·수온 및 유량·압력 계측(선택) 

양식수 순환·산소 공급 구성 

수조의 양식수를 순환시키면서 산소 또는 공기를 미세기포 발생장치에 혼합한 뒤 수조로 다시 공급하는 적용 예시입니다. 여과·냉각설비와 계측장치는 현장 여건에 따라 연계할 수 있으며, 실제 장비와 배관 구성은 수질·수온·사육밀도 및 목표 용존산소에 따라 달라질 수 있습니다. 

순환여과식 또는 바이오플록 양식시설에서 미세 부유물 관리가 필요한 경우에는 미세기포를 활용한 별도의 부상분리 공정 연계도 검토할 수 있습니다. 이 경우 부상조와 스키밍 설비가 별도로 필요하며, 실제 성능은 사육수의 수질·염분·부유물 특성 및 운전조건에 따라 달라질 수 있습니다. 

▪ 양식수 취수 및 순환

▪ 여과·냉각설비 연계(선택)

▪ 산소 또는 공기 유입·혼합

▪ 순환수 수조 재공급

▪ 용존산소(DO)·수온 모니터링(선택) 

▪ 미세 부유물 관리를 위한 부상분리 공정 연계 검토(선택) 

  참고: Aquacultural Engineering 104 (2024), 양식수 DAF 적용 연구 

미세기포는 부유물이나 응집된 플록에 부착하여 기포와 입자가 결합된 물질의 겉보기 밀도를 낮추고 수면으로 떠오르도록 돕습니다. 수면에 모인 부상물은 스키밍 장치로 회수하고, 분리된 처리수는 후단 공정으로 이송합니다.

미국 EPA는 용존공기부상 공정을 가압된 물에 공기를 용해한 후 감압하여 미세기포를 발생시키고, 이 기포가 부유물에 부착해 수면으로 부상하면 스키밍 장치로 제거하는 방식으로 설명합니다. 실제 성능은 원수 특성, 응집 상태, 기포 조건 및 부상조 운전조건에 따라 달라질 수 있습니다.

자료 참고: 미국 EPA, Dissolved Air Flotation Fact Sheet 3.1.6

버블크기 분류기준·산소전달 연구

01 에어스톤 · 다공성 소재로 기체를 분산

작은 구멍을 통해 공기나 산소를 내보냅니다. 일반 에어스톤을 측정한 연구에서는 기포의 90%가 약 0.5~3 mm였으며, 특수 세라믹 디퓨저에는 100~500 μm 기포를 만드는 제품도 있습니다. 큰 기포일수록 같은 기체량에서 접촉면적이 작고 빨리 떠올라, 산소를 물에 전달하는 데 불리할 수 있습니다.

02 마이크로버블 · 1 μm 이상~100 μm 미만

mm급 기포보다 작아 물과 닿는 면적이 넓고 상승 속도가 느립니다. 기포를 잘게 나누어 산소와 물의 접촉을 늘리는 방식입니다.

03 나노급 버블 · 1 μm 미만의 초미세기포

부력의 영향이 작아 물속에 분산·체류하기 유리합니다. 작은 기포의 넓은 접촉면적과 분산 특성을 활용해 산소 전달 효율을 높이는 것이 이 방식의 목적입니다. 닥터바니는 현장의 용수량과 산소 요구량에 맞춰 장비와 운전 조건을 제안합니다.

크기는 연구·제품별 예시입니다. 실제 산소 전달량과 에너지 효율은 기체 농도·유량·수심·수질·장비 구성에 따라 달라집니다. 기포 체류시간이 길다고 용존산소 유지시간도 반드시 길어지는 것은 아닙니다.

근거: 에어스톤 기포 측정 연구 · 세라믹 디퓨저 공식 사양 · ISO 기포 분류 · 산소전달 비교 연구 · 용존산소 유지 비교 연구

액체산소 공급, 장점과 단점

액체산소는 고순도 산소를 전용 탱크에 저장하고 기화해 공급하는 방식으로, 산소 요구량이 큰 현장에서 유용합니다. 기포 크기를 결정하는 방식은 아니며, 물에 전달되는 산소량은 연결하는 디퓨저·혼합장치와 운전 조건에 따라 달라집니다.

설비·비용 · 저장탱크와 기화기 설치 공간, 설비비 또는 임대료, 정기 충전·운송비를 함께 검토해야 합니다.
공급 관리 · 잔량과 보충 일정을 관리하고 공급 중단에 대비해야 합니다. 사용량이 적으면 자연 기화·배출에 따른 손실도 고려합니다.
취급 안전 · 극저온 접촉과 압력 상승, 누출로 인한 산소 농후 상태를 관리해야 합니다. 산소 자체가 타는 것은 아니지만 주변 가연물의 연소를 강하게 하므로 환기와 적합한 설비가 필요합니다.

현장 산소발생기 (닥터바니 제품)를 사용하면 액체산소 충전·운송 의존도를 줄일 수 있습니다. 대신 전력·정비 비용, 공급량·산소 농도와 정전 시 예비 공급을 확인해야 합니다. 산소 취급 안전관리는 공급 방식과 관계없이 필요합니다. 닥터바니는 현장 조건에 맞는 산소 공급원과 혼합 구성을 함께 검토합니다.

참고: Linde 산소 공급 방식 · Air Products 액체산소 취급 안내