KR20200061689A - 아쿠아포닉스 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 아쿠아포닉스 장치에 관한 것으로, 사육수를 공급받는 제1 공급 유로 및 사육수를 배출하는 제1 배출 유로를 포함하는 어류 양식부와, 상기 어류 양식부와 연결되며, 상기 제1 배출 유로로부터 전달된 사육수 저장하는 메인 수조와, 상기 메인 수조에 저장된 사육수를 제2 공급 유로를 통해 공급받고, 상기 공급받은 사육수를 정화시켜 제2 배출 유로를 통해 상기 메인 수조로 전달하는 식물 재배부와, 상기 메인 수조 내 사육수의 농도를 측정하는 IoT 센서부와, 상기 IoT 센서부에서 측정된 상기 사육수의 농도에 따라 상기 사육수의 일정 비율을 상기 어류 양식부 및 식물 재배부로 교차 순환하도록 제어하는 제어부를 포함한다. 따라서, 본 발명은 어류 양식부와 식물 재배부로 공급되는 사육수의 순환을 조절함으로써 사육수를 재순환하여 어류를 양식하고 식물을 재배할 수 있다.

Description

아쿠아포닉스 장치{AQUAPONICS APPARATUS}
본 발명은 아쿠아포닉스 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 IoT 센서를 통해 사육수의 상태를 모니터링하여 일정 조건에 도달하는 경우 독립 순환 및 교차 순환을 적용하는 아쿠아포닉스 장치에 관한 것이다.
아쿠아포닉스는 어류의 양식 과정에서 이용된 사육수를 식물에게 공급하여 식물의 뿌리에서 사육수 내에 존재하는 다양한 무기물질들을 영양소로 흡수하는 과정을 통해 사육수 내의 독성을 정화하는 재배양 식법으로 사육수의 지속적 재사용에도 유익 미생물을 통한 어류 질병 발생 방지와 식물을 통한 대기 환경 오염을 저감시키는 방법이다.
일반적인 어패류의 양식방법에서는 사육수를 외부에서 주입하는데, 초기에 항생제 등을 살포하여 바이러스, 병원균 및 기생생물의 유입을 억제한다. 그러나 양식 중 사육수를 지속적으로 교체하기 때문에 이들의 유입에 노출될 위험이 계속해서 존재하며 항상 질병 감염에 의한 대량 폐사의 위험을 가지게 된다.
이러한 위험을 방지하기 위한 강제 순환여과형 양식은 입자상 물질들을 모두 강제 여과시키고 정수한 후 멸균처리하기 때문에 바이러스 및 병원성세균 감염 예방에 효과가 있으나 시설비와 강제 순환여과에 드는 에너지 비용이 매우 과다하여 경제성을 확보하기 어려우며, 이 경우에도 5~10% 정도의 사육수를 교체해야 하는 문제가 있다.
아쿠아포닉스 시스템은 식물과 어패류뿐만 아니라 환경유용 미생물이 포함되며, 환경유용 미생물을 이용하여 암모니아, 아질산 등 오염물질을 분해시키거나 새로운 유기물로 전환시켜 먹이로 재이용하게 한다. 사육수 내에는
미생물-식물플랑크톤-동물플랑크톤-양식생물 사이에 건강한 생태계가 균형을 유지하게 하면 환경 유용 미생물군이 사육수 내에 우점하기 때문에 기생충이나 비브리오 등의 병원균이 외부에서 유입되더라도 경쟁에서 밀려 질병을 일으키기 어렵다.
또한 아쿠아포닉스 시스템은 기존 양식장에서 배출되는 사육수로 인한 환경오염을 줄일 수 있다. 양식생물의 배설물과 사료찌꺼기 등이 다량 포함되어 있는 사육수를 외부로 배출하면 주변 하천이나 연안을 오염시키고 부영양화를 일으켜 녹조 또는 적조를 유발하며 이로 인한 수질악화를 처리하기 위해 많은 비용이 소요된다. 그러나 폐쇄된 양식 시스템인 아쿠아포닉스 시스템을 사용하면 사료찌꺼기, 양식생물 배설물 등이 환경유용 미생물에 의해 천연유기물로 전환되어 재이용될 수 있으며, 수경재배 식물이나 식물플랑크톤과 동물플랑크톤 및 양식생물로 이어지는 안정적인 생태계를 이루어 균형을 유지하게 되어 수계로 배출되는 폐수량을 저감시켜 환경개선 효과를 가져 온다.
또한 친환경적이고 사료 및 에너지의 효율이 높을 뿐만 아니라, 자연환경 및 지리적 입지 조건에 제한 받지 않고 연중 안정적인 유기 농수산물의 생산 및 공급 체계 구축이 가능하기 때문에 아쿠아포닉스 시스템에 대한 연구가 활발하다. 아쿠아포닉스 사육수의 순환은 식물과 어항간의 1 사이클(Cycle) 순환 형태로 식물과 어항 각각의 안정된 환경으로 조절하기 불가능한 형태이고 각각의 식물종류나 어류 종류에 따라 적절한 환경 조성의 어려움이 상존한다. 식물은 암모니아와 이산화질소의 독성작용을 보이며 통합순환으로 인해 어항의 질화 세균 활성도가 낮아 탁도가 빨리 높아지며, 비교적 생존 적응력이 큰 어류가 필요한 문제가 있었다.
한국 공개 특허 제 10-2015-0038957호는 식물재배장치 및 그 작동방법에 관한 것으로, 어류가 서식하는 수조와, 상기 수조의 상부에 배치되되, 상기 수조에 담긴 물 가운데 일부를 상기 수조 외부로 배출하는 펌프, 상기 수조 외부로 배출되는 물을 정화하는 필터, 상기 수조 외부로 배출되는 물의 적어도 일부가 함침되며 식물이 재배되는 배지를 구비하는 트레이와, 상기 수조와 상기 트레이가 일체로 이동가능하도록 결합시키는 결합부를 포함한다.
한국 공개 특허 제 10-2018-0004696호는 아쿠아포닉스 시스템과 이를 사용한 어패류 사육 방법 및 식물 재배 방법에 관한 것으로, 사육 시스템의 사육조와 재배 시스템의 재배 베드를 구비하고, 재배 베드는 수직 방향으로 2단 이상 배치되고, 상기 사육조는 상기 2단 이상의 재배 베드에 공급하는 액체를 저장할 수 있는 크기 및 깊이를 구비하고, 상기 사육조와 상기 재배 베드의 사이에 급수관이 배관되고, 상기 급수관으로부터 각 단의 재배 베드에 분배관이 배관되고, 상기 급수관에 펌프가 연결되어 해당 펌프에 의해 사육조로부터 급수관에 공급되는 액체를 각각의 분배관을 통해 각 단의 재배 베드에 공급할 수 있도록 하고 있고, 각각의 재배 베드에 벨 사이펀이 설치되고, 상기 각각의 재배 베드의 벨 사이펀의 출구가 배수관에 연결되고, 상기 배수관이 상기 벨 사이펀으로부터 해당 배수관에 집합한 액체를 사육조에 낙하시켜 해당 사육조 내의 액체를 에어레이션할 수 있도록 하단이 사육조 내의 액면보다 상방에 배치되고, 상기 구성에 의해 사육조-펌프-급수관-분배관-재배 베드-벨 사이펀-배수관-사육조로 순환하는 사육 재배 순환계가 형성되고, 상기 사육 재배 순환계에 물리 여과 장치와 생물 여과 장치의 쌍방 또는 어느 한쪽을 구비하고,상기 사육 재배 순환계를 순환하는 액체에 의해 사육조 내에서 어패류를 사육할 수 있고, 재배 베드에서 식물을 재배할 수 있다.
한국공개특허 제 10-2015-0038957호 한국공개특허 제 10-2018-0004696호
본 발명의 일 실시예는 어류 양식부와 식물 재배부 간의 사육수 순환 과정에 있어서 일정 조건에서만 상호 교차 순환이 가능한 아쿠아포닉스 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 양식되는 어류 및 재배되는 식물의 종류에 따라 최적의 수질 환경 조성, 유지 및 조절 가능한 아쿠아포닉스 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 IoT 센서를 통한 실시간 모니터링 기능에 따라 기 데이터에 기반한 정량적인 자동 관리가 가능한 아쿠아포닉스 장치를 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 아쿠아포닉스 장치는 사육수를 공급받는 제1 공급 유로 및 사육수를 배출하는 제1 배출 유로를 포함하는 어류 양식부와, 상기 어류 양식부와 연결되며, 상기 제1 배출 유로로부터 전달된 사육수 저장하는 메인 수조와, 상기 메인 수조에 저장된 사육수를 제2 공급 유로를 통해 공급받고, 상기 공급받은 사육수를 정화시켜 제2 배출 유로를 통해 상기 메인 수조로 전달하는 식물 재배부와, 상기 메인 수조 내 사육수의 농도를 측정하는 IoT 센서부와, 상기 IoT 센서부에서 측정된 상기 사육수의 농도에 따라 상기 사육수의 일정 비율을 상기 어류 양식부 및 식물 재배부로 교차 순환하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 메인 수조는 상기 어류 양식부와 연결된 제1 저장탱크 및 상기 식물 재배부와 연결된 제2 저장탱크로 구성되며, 상기 제1 저장탱크 및 상기 제2 저장탱크는 선택적으로 개폐가 가능한 차단막에 의해 분리된다.
상기 제어부는 상기 IoT 센서부에서 측정된 상기 사육수의 농도에 따라 상기 차단막의 개폐 여부를 결정하고, 상기 차단막의 개방 또는 폐쇄를 제어할 수 있다.
상기 어류 양식부와 상기 메인 수조 사이에 상기 어류 양식부로부터 배출된 상기 사육수 내의 암모니아를 아질산태와 질산태 질소로 변환시키는 외부 미생물 바이오 필터를 더 포함한다.
상기 식물 재배부와 상기 메인 수조 사이에 상기 식물 재배부로부터 배출되는 상기 사육수 내의 불순물 및 및 유기 입자를 여과하는 솔리드 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 IoT 센서부는 상기 메인 수조 내 상기 사육수의 화학 물질 농도를 일정 시간 간격으로 측정한다.
상기 제어부는 상기 IoT 센서부에서 측정된 상기 사육수의 농도가 일정 농도 이상인 경우 상기 사육수 전체를 상기 어류 양식부로 전달하고, 상기 IoT 센서부에서 측정된 상기 사육수의 농도가 일정 농도 이하인 경우 상기 사육수를 상기 어류 양식부 및 상기 식물 재배부로 혼합 분배할 수 있다.
상기 제어부는 상기 IoT 센서부에서 측정된 상기 사육수의 농도에 따라 상기 어류 양식부로 공급되는 사육수 : 상기 식물 재배부로 공급되는 사육수의 비율을 1 ~ 3 : 7 ~ 9로 조정하여 상기 사육수의 교차 순환을 결정할 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 아쿠아포닉스 장치는 어류 양식부와 식물 재배부 간의 사육수 순환 과정에 있어서 일정 조건에서만 상호 교차 순환이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 아쿠아포닉스 장치는 양식되는 어류 및 재배되는 식물의 종류에 따라 최적의 수질 환경 조성, 유지 및 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 아쿠아포닉스 장치는 IoT 센서를 통한 실시간 모니터링 기능에 따라 기 데이터에 기반한 정량적인 자동 관리가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 아쿠아포닉스 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1에 있는 아쿠아포닉스 장치를 설명하는 블록도이다.
도 3은 도 1에 있는 아쿠아포닉스 장치에서 수행되는 사육수 순환 과정을 설명하는 순서도이다.
도 4는 도1에 있는 아쿠아포닉스 장치를 간략하게 도시한 도면이다.
도 5는 도 2에 있는 제어부에서 사육수의 교차 순환 또는 독립 순환이 결정되는 시점을 설명하는 그래프이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 아쿠아포닉스 장치를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 아쿠아포닉스 장치(100)는 어류를 양식하는 어항으로 구성된 어류 양식부(110)를 포함한다.
아쿠아포닉스 장치(100)는 식물을 재배하는 화분통으로 구성된 식물 재배부(150)를 포함한다.
식물 재배부(150)에 식재되는 식물은 공기 정화 식물일 수 있다. 예를 들어, 식물 재배부(150)는 시파티필름, 에피프렘넘, 싱고니움, 녹죽, 접란, 아이비, 스킨답서스, 파키라, 옥시카르디움, 나한송, 산데리아, 빅토리아 및 이들 중 선택된 하나 이상의 식물을 포함할 수 있다. 이러한 공기 정화 식물의 생육 배지에는 바이오 필터의 주요 성분인 아질산균(Nitrosomonas. sp)의 암모니아 산화세균 및 질산균(Nitrobactor. Sp)의 아질산 산화세균을 포함하여 구성된다. 따라서, 사육수 내의 암모니아를 완전 분해하여 공기 정화 식물의 영양분으로 소비할 수 있다.
아쿠아포닉스 장치(100)는 어류 양식부(110) 및 식물 재배부(150)로부터 배출된 사육수를 저장하고, 상기 저장된 사육수를 다시 어류 양식부(110) 및 식물 재배부(150)로 재 공급할 수 있는 메인 수조(105)를 포함한다. 메인 수조(105)는 어류 양식부(110)와 연결된 제1 저장탱크(105a) 및 식물 재배부(150)와 연결된 제2 저장탱크(105b)를 포함한다. 도시하지는 않았지만, 제1 저장탱크(105a) 및 제2 저장탱크(105b)는 각각 사육수를 끌어올리는 펌프를 더 포함할 수 도 있다.
제1 저장탱크(105a) 및 제2 저장탱크(105b)는 선택적으로 개폐가 가능한 차단막(105c)에 의해 분리된다. 제1 저장탱크(105a) 및 제2 저장탱크(105b)를 분리하는 차단막(105c)은 수문 형태로 형성되어, 필요에 따라 차단막(105c)이 개방되거나 폐쇄되도록 할 수 있다. 또한, 제1 저장탱크(105a) 및 제2 저장탱크(105b)를 분리하는 차단막(105c)은 수류 밸브를 포함하여 필요에 따라 상기 수류 밸브가 제1 저장탱크(100a) 및 제2 저장탱크(100b) 사이의 유로를 선택적으로 개방 또는 차단할 수 있다.
제1 저장탱크(105a)는 어류 양식부(110)로 정화된 사육수를 공급하는 제1 공급 유로(120)와 연결되고, 어류 양식부(110)로부터 배출된 사육수를 전달받는 제1 배출 유로(130)와 연결된다.
한편, 제2 저장탱크(105b)는 식물 재배부(150)로 사육수를 공급하는 제2 공급 유로(160)와 연결되고, 식물 재배부(150)로부터 배출된 사육수를 전달받는 제2 배출 유로(170)와 연결된다. 식물 재배부(150)는 제2 공급 유로(160)를 통해 점적, 스프레이 방식 또는 벨쉬폰 타입으로 사육수를 공급받을 수 있다.
사육수가 식물 재배부(150)에 공급되면 식물 화분의 생육배지에 존재하는 암모니아 산화세균 및 아질산 산화세균에 의해 암모니아가 분해되어 공기 정화 식물의 양분으로 공급될 수 있으며, 정화된 세균수가 메인 수조(105)로 배출되어 다시 어류 양식부(110)의 사육수로 사용될 수 있다. 또한, 공기 정화 식물을 식재하는 식물 재배부(150)의 생육배지는 유용 미생물(EM)을 포함하여 어류 양식부(110)의 어류들로부터 생성되는 유기물을 분해하여 공기 정화 식물의 영양분으로 공급하는 역할을 수행할 수 도 있으며, 화학적 농약을 대체할 치료용 유기 미생물이나 수경 재배용 양분 등을 첨가할 수 있다.
제2 공급 유로(160)를 통해 공급받은 사육수는 식물 재배부(150)를 통과하면서 식물 및 식물 뿌리에 부착된 유용 미생물에 의해 NH4+, NO2- 또는 NO3-가 분해되어 청정한 사육수로 정화된 상태로 메인 수조(105)로 전달된다. 더욱 바람직하게는 메인 수조(105)의 제2 저장탱크(105b)로 전달되고, 제1 저장탱크(105a)와 제2 저장탱크(105b) 사이의 차단막(105c) 개방 시 제1 저장탱크(105a)로 재순환된다.
메인 수조(105)와 어류 양식부(110) 사이에 외부 미생물 바이오 필터(140)를 더 포함할 수 있다. 외부 미생물 바이오 필터(140)는 어류 양식부(110)에서 배출된 사육수의 불순물을 1차적으로 제거할 수 있다. 또한, 도시되지는 않았지만 메인 수조(105)의 제1 저장탱크(105a) 내에 내부 바이오 필터(미도시)를 더 포함할 수 있다. 외부 미생물 바이오 필터(140) 및 내부 바이오 필터(미도시)는 아질산균(Nitrosomonas. sp)의 암모니아 산화세균 및 질산균(Nitrobactor. Sp)의 아질산 산화세균을 포함하여 구성된 것으로, 메인 수조(105)의 제1 저장탱크(105a)에 저장된 사육수 내의 암모니아를 아질산태와 질산태 질소로 변환시킴으로써 어류의 생장 조건을 적절히 유지하도록 할 수 있다.
메인 수조(105)와 식물 재배부(150) 사이에는 솔리드 필터(180)를 더 포함한다. 솔리드 필터(180)는 일라이트볼, 제올라이트를 포함하여 구성된 것으로 메인 수조(105)의 제2 저장탱크(105b)에 저장된 사육수 내의 불순물, 유기입자를 여과시키는 기능을 수행한다. 이와 같이, 미생물 바이오 필터(140) 및 솔리드 필터(180)를 통해 사육수를 정화시킴에 따라 식물의 종류별, 양식 어류별 특성에 맞는 최적의 수질 환경을 조성할 수 있으며, 이를 유지하여 열대식물 재배와 1급수 냉수 어류 양식과 같은 환경을 조성할 수 있다.
도 2는 도 1에 있는 아쿠아포닉스 장치를 설명하는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 아쿠아포닉스 장치(200)는 어류를 양식하는 어항으로 구성된 어류 양식부(210) 및 식물을 재배하는 화분통으로 구성된 식물 재배부(240)를 포함한다.
아쿠아포닉스 장치(200)는 어류 양식부(210)와 식물 재배부(240)에서 전달받은 사육수 내의 특정 화학물질 농도를 측정하는 IoT 센서부(220)를 포함하고, IoT 센서부(220)에서 측정된 상기 사육수 내의 특정 화학물질 농도에 따라 상기 사육수의 일정 비율을 어류 양식부(210) 및 식물 재배부(240)로 교차 순환하도록 제어하는 제어부(230)를 포함한다.
IoT 센서부(220)는 메인 수조(도 1의 '105')의 제1 저장탱크(도 1의 '105a')에 저장된 사육수의 암모늄 이온(NH4+)의 농도를 기본적으로 측정하며, 질산염(NO3) 및 이산화질소(NO2)의 농도를 추가적으로 측정할 수 있다. 일정 기간 동안은 어류 양식부(210)에서 사용되는 사육수를 정화하고 다시 어류 양식부(210)로 순환하는 독립 순환만 진행하게 된다. 그러나, 독립 순환만 진행하게 되면 사육수 내에 용존 산소가 부족해지거나 과잉 유기물, 암모니아 축적 등의 무기 질소 및 이산화탄소가 축적되어 수질 오염이 발생하게 되고, 어류의 생육에 유해한 환경이 조성되게 된다. 따라서, 사육수 내의 특정 화학 물질 농도를 측정할 수 있는 IoT 센서부(220)를 통해 사육수 내의 특정 화학 물질 농도를 실시간으로 모니터링하고, 측정된 특정 화학 물질의 농도 변화를 제어부(230)로 전달하여 사육수를 어류 양식부(210)로 독립 순환할 것인지 어류 양식부(210) 및 식물 재배부(240)로 교차 순환할 것인지 결정할 수 있다.
제어부(230)는 IoT 센서부(220)로부터 전달받은 상기 사육수 내 특정 화학 물질의 농도에 따라 도 1에 도시된 아쿠아포닉스 장치(도 1의 '100')의 메인 수조(도 1의 '105') 내에 구비된 차단막(도 1의 '105c')의 개폐 여부를 결정하고, 차단막(도 1의 '105c')의 개방 또는 폐쇄를 제어할 수 있다. 예를 들어, IoT 센서부(220)에서 측정된 상기 사육수 내 특정 화학 물질의 농도가 기준 값을 초과하는 경우 상기 사육수 전체가 어류 양식부(210)로 전달되어 독립 순환이 진행되도록 제어한다. 한편, IoT 센서부(220)로부터 전달받은 상기 사육수 내 특정 화학 물질의 농도가 기준 값 이하인 경우 상기 사육수를 어류 양식부(210) 및 식물 재배부(240)로 교차 분배하여 교차 순환이 진행되도록 제어한다. 바람직하게는, 어류 양식부(210) 및 식물 재배부(240)로 교차 순환되는 사육수의 순환량 비율은 어류 양식부(210)로 공급되는 사육수 : 식물 재배부(240)로 공급되는 사육수가 1 ~ 3 : 7 ~ 9로 조정할 수 있다. 그러나, 사육수의 순환량 비율은 이에 한정하지 않으며, 사육수 내의 용존이온 농도에 따라 조절할 수 있다. 일정 규모의 안정된 재배양식 시설조건에서는 실험 관찰된 사육수의 순환시점은 어류 양식부(210)의 어류와 식물 재배부(240)의 식물의 밀도 별 타임 범위를 설정하여 측정된 시간을 기반으로 순환시킬 수 있다. 이때, 사육수의 교차 순환은 사육수 내의 순환용량비가 채워져 이온 농도가 평행이 될 때까지 계속 진행될 수 있다.
도 3은 도 1에 있는 아쿠아포닉스 장치에서 수행되는 사육수 순환 과정을 설명하는 순서도이다. 도 4는 도1에 있는 아쿠아포닉스 장치를 간략하게 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하여 아쿠아포닉스 장치에서 수행되는 사육수의 순환과정을 설명하면 다음과 같다.
도 3 및 도 4에서, 아쿠아포닉스 장치(400)는 어류 양식부(410)에서 배출된 사육수를 메인 수조에 저장한다(단계 S300). 더욱 구체적으로는 어류 양식부(410)에서 배출된 사육수는 메인 수조의 제1 저장탱크(430)에 저장될 수 있다. 제1 저장탱크(430)에 전달되기 전에 외부 미생물 바이오 필터(420)를 거쳐 사육수의 불순물을 제거할 수 있다.
다음으로, 제1 저장탱크(430)에 저장된 사육수를 어류 양식부(410)로 공급한다(단계 S310). 이때, 외부 미생물 바이오 필터(420)에 의해 사육수가 다시 정화된다. 외부 미생물 바이오 필터(420)는 아질산균(Nitrosomonas. sp)의 암모니아 산화세균 및 질산균(Nitrobactor. Sp)의 아질산 산화세균을 포함하여 구성된 것으로, 사육수 내의 암모니아를 아질산태와 질산태 질소로 변환시킴으로써 어류의 생장 조건을 적절히 유지하도록 할 수 있다.
아쿠아포닉스 장치(400)는 제1 저장탱크(430)에 저장된 사육수가 기본적으로는 어류 양식부(410)에만 공급되도록 하여 독립 순환을 진행한다.
다음으로, IoT 센서부(도 2의 '220')를 통해 저장된 사육수의 특정 화학물질 농도를 측정한다(단계 S320). IoT 센서부(도 2의 '220')는 어류 양식부(410)의 사육수가 독립 순환하는 과정에서 어류 생육에 유해한 암모늄 이온(NH4+)의 농도를 기본적으로 측정하며, 질산염(NO3) 및 이산화질소(NO2)의 농도를 추가적으로 측정할 수 있다.
측정된 특정 화학물질의 농도가 기준 값을 초과하는지 판단한다(단계 S330). 사육수 내의 특정 화학물질의 농도가 기준 값 이하로 판단되면, 상기 사육수를 어류 양식부(410)로 재순환하여 독립 순환을 계속 유지한다. 어류 양식부(410)로의 독립 순환 과정에서 암모늄이온의 농도 증가가 아질산 생성보다 빠르게 진행되면 사육되는 어류의 밀도가 지나치게 높은 것으로 판단되어 어류의 밀도를 줄여주어야 한다.
한편, 상기 사육수 내의 특정 화학물질의 농도가 기준 값을 초과한다고 판단되면, 상기 사육수의 일정 비율을 어류 양식부(410) 및 식물 재배부(440)로 분배하여 전달하는 교차 순환을 진행한다(단계 S340). 특정 화학물질의 농도가 기준 값을 초과하는지 판단하는 단계는 도 5에 도시된 그래프를 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 5는 도 2에 있는 제어부(도 2의 '230')에서 사육수의 교차 순환이 시작되는 시점(A) 및 독립 순환이 시작되는 시점(B)을 설명하는 그래프이다. 도 5를 참조하면, NO2의 농도가 최고점을 지나 NO3의 생성량과 대등한 시점 이후 NO2 농도가 감소하게 되는 최저 시점(A)에서 상기 사육수의 일정 비율을 식물 재배부로 분배하여 교차 순환이 이루어지도록 한다. 한편, 각 화학물질의 농도가 바닥값에 가까워지면서 평행을 이루는 시점(B)에서 교차 순환을 멈추고 독립 순환을 시작한다. 이때, 안정적인 연속 순환의 지속적인 확보를 위해 어류의 밀도 조절, 질화균 착상 면적 증가, 저장탱크의 물 용량 증가, 순환되는 사육수의 부분 교체등을 실시할 수 있다.
다음으로, 식물 재배부(440)를 통과하여 정화된 사육수를 어류 양식부(410)로 공급한다(단계 S350). 더욱 바람직하게는 식물 재배부(440)에서 정화된 사육수가 제2 저장탱크(460)에 저장되었다가 어류 양식부(410)로 공급될 수 있다. 상기 사육수는 식물 재배부(440)를 통과하면서 식물 및 식물 뿌리에 부착된 유용 미생물에 의해 NH4+, NO2- 또는 NO3-가 분해되어 청정한 사육수로 정화된다.
일 실시예에서, 아쿠아포닉스 장치는 기본적으로는 어류 양식부로부터 배출된 사육수를 정화하여 어류 양식부로 재순환하는 독립 순환을 적용한다. 일정 기간동안 독립 순환을 진행하다가 어류 양식부로부터 배출된 사육수 내의 특정 화학물질의 농도가 일정한 기준 값을 초과하면 상기 사육수를 분배하여 어류 양식부 및 식물 재배부로 교차 순환하도록 할 수 있다. 교차 순환에 따라 식물 재배부를 통과한 사육수는 어류 생육에 유해한 물질이 분해되어 청정한 사육수로 정화된다. 식물 재배부를 통해 정화된 사육수를 다시 어류 양식부에 공급하여 어류의 사육수로 사용할 수 있다.
이와 같이, 일정한 조건에 도달하면 어류 양식부로 순환되는 사육수와 식물 재배부로 순환하는 사육수의 순환 비율을 조절 가능함에 따라 사육수를 폐기하거나 새로운 사육수를 추가로 공급하지 않고, 사육수를 재순환하여 어류를 양식하고 식물을 재배할 수 있다.
또한, 제한된 시설 공간 내에서 식물과 어류의 종류나 개채수의 밀도 변화와 무관하게 식물 재배부 최적의 Ph, Eh, 미량원소를 조절할 수 있고, 어류 양식부 최적의 Ph, Eh, 질화세균 활성도의 환경 조건에 가깝게 맞추어 줄 수 있다. 그리고, 사육수 내의 수치 유지확인, 조절이 가능하므로 지속적이고 과학적인 정량 관리가 가능하게 된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100, 200, 400 : 아쿠아포닉스 장치
105 : 메인 수조 105a : 제1 저장탱크
105b : 제2 저장탱크 105c : 차단막
110, 210, 410 : 어류 양식부 120 : 제1 공급 유로
130 : 제1 배출 유로 140 : 외부 바이오 필터
150, 240, 440 : 식물 재배부 160 : 제2 공급 유로
170 : 제2 배출 유로 180 : 솔리드 필터

Claims (8)

  1. 사육수를 공급받는 제1 공급 유로 및 사육수를 배출하는 제1 배출 유로를 포함하는 어류 양식부;
    상기 어류 양식부와 연결되며, 상기 제1 배출 유로로부터 전달된 사육수 저장하는 메인 수조;
    상기 메인 수조에 저장된 사육수를 제2 공급 유로를 통해 공급받고, 상기 공급받은 사육수를 정화시켜 제2 배출 유로를 통해 상기 메인 수조로 전달하는 식물 재배부;
    상기 메인 수조 내 사육수의 농도를 측정하는 IoT 센서부; 및
    상기 IoT 센서부에서 측정된 상기 사육수의 농도에 따라 상기 사육수의 일정 비율을 상기 어류 양식부 및 식물 재배부로 교차 순환하도록 제어하는 제어부
    를 포함하는 아쿠아포닉스 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 메인 수조는
    상기 어류 양식부와 연결된 제1 저장탱크 및 상기 식물 재배부와 연결된 제2 저장탱크로 구성되며, 상기 제1 저장탱크 및 상기 제2 저장탱크는 선택적으로 개폐가 가능한 차단막에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 아쿠아포닉스 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 IoT 센서부에서 측정된 상기 사육수의 농도에 따라 상기 차단막의 개폐 여부를 결정하고, 상기 차단막의 개방 또는 폐쇄를 제어하는 것을 특징으로 하는 아쿠아포닉스 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 어류 양식부와 상기 메인 수조 사이에
    상기 어류 양식부로부터 배출된 상기 사육수 내의 암모니아를 아질산태와 질산태 질소로 변환시키는 미생물 바이오 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 아쿠아포닉스 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 식물 재배부와 상기 메인 수조 사이에
    상기 식물 재배부로부터 배출되는 상기 사육수 내의 불순물 및 및 유기 입자를 여과하는 솔리드 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 아쿠아포닉스 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 IoT 센서부는
    상기 메인 수조 내 상기 사육수의 화학 물질 농도를 일정 시간 간격으로 측정하는 것을 특징으로 하는 아쿠아포닉스 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 IoT 센서부에서 측정된 상기 사육수의 농도가 일정 농도 이상인 경우 상기 사육수 전체를 상기 어류 양식부로 전달하고, 상기 IoT 센서부에서 측정된 상기 사육수의 농도가 일정 농도 이하인 경우 상기 사육수를 상기 어류 양식부 및 상기 식물 재배부로 교차 분배하는 것을 특징으로 하는 아쿠아포닉스 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 IoT 센서부에서 측정된 상기 사육수의 농도에 따라 상기 어류 양식부로 공급되는 사육수 : 상기 식물 재배부로 공급되는 사육수의 비율을 1 ~ 3 : 7 ~ 9로 조정하여 상기 사육수의 교차 순환을 결정하는 것을 특징으로 하는 아쿠아포닉스 장치.
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