상하수도공학 담당교수명 : 서 영 민 연 락 처 : elofy@naver.com

3) 수질 3-1) 수질오염

수질오염의 발생원 □ 수질오염의 발생원 - 생활하수 (도시하수), 산업폐수, 농축산 폐수 등으로 구성 1) 생활하수(도시하수) - 하수 중 가장 큰 수질 오염원 (전체 하폐수 배출량의 약 68%) - 가정하수와 도시하수에는 다량의 미생물, 유기물, 무기물 등 포함 - 특히 중성세제는 정수과정 중에서도 잘 제거되지 않음 2) 산업폐수 - 공장의 생산공정에서 사용하고 버려지는 물 - 생활하수 다음으로 많은 비중을 차지 (전체 폐수량의 약 31%) - 업종과 작업공정에 따라 그 수량과 수질이 달라짐 - 각종 화학물질과 중금속류가 다량 함유, 오염농도가 심함 3) 농축산 폐수 - 전체비중이 1%이나 오염부하량이 대단히 큼 - 비료와 농약 등이 큰 오염원이 됨 # 오염부하량: 수질오염물질 및 특정 수질유해물질의 양을 무게로 환산한 것

하수의 수질 □ 하수의 수질과 관련된 인자 1) 증발잔유물 - 증발잔유물 (total solids) • 물을 105~110℃로 증발시킨 후에 남아있는 잔유물 • 부유물질과 용해성 물질의 합 - 강열잔유물 • 증발잔유물을 600±25℃로 가열(강열)한 후에 남아있는 잔유물 - 수도수로서는 증발잔유물이 적을수록 좋은 물임 2) 무기물 - 염 (식염, 인산염, 질산염, 암모늄염)과 철분 등을 포함하는 물질 - 무기물이 호수, 하천수, 해수에 유입되면 부영양화와 적조현상을 일으킴 - COD (Chemical Oxygen Demand, 화학적 산소요구량)를 증가시키는 요인이 됨 식염: NaCl, 인산이온: PO43-, 질산이온: NO3-, 암모늄이온: NH4+

하수의 수질 [참고] 염과 이온 - 염 (salt): 음이온과 양이온이 정전기적 인력으로 결합하고 있는 이온성 물질 - 이온 (ion): 전자를 잃거나 얻어 전하를 띠는 원자 또는 분자 <염의 종류> 양이온＼음이온 NO3− Cl− S2− SO42− CO32− 물에 대한 용해성 Na+ NaNO3 NaCl Na2S Na2SO4 Na2CO3 잘 녹음 K+ KNO3 KCl K2S K2SO4 K2CO3 NH4+ NH4NO3 NH4Cl (NH4)2S (NH4)2SO4 (NH4)2CO3 Mg2+ Mg(NO3)2 MgCl2 MgS MgSO4 MgCO3 잘 녹지 않음 Ba2+ Ba(NO3)2 BaCl2 BaS BaSO4 BaCO3 Ca2+ Ca(NO3)2 CaCl2 CaS CaSO4 CaCO3 Pb2+ Pb(NO3)2 PbCl2 PbS PbSO4 PbCO3 Ag+ AgNO3 AgCl Ag2S Ag2SO4 Ag2CO3

하수의 수질 3) 유기물 - 전분 ((C6H12O6)n), 단백질 (NH2CHRnCOOH)n), 지방질 등이 포함되어 있는 물질 - 수중에서 분해되는 과정에서 용존산소 (DO, Dissolved Oxygen)를 소모  부패, 악취의 원인이 됨. - 중성세제, 연성세제가 가정이나 공장에서 배출되어 하천 수면에 포막형성  자정작용을 방해하고 용존산소를 감소시켜 부패의 원인이 됨 4) 용해성 물질 - 하수의 함유물질 중 물에 용존되어 있는 물질의 총칭 - 유기물과 무기물로 구성 - 용해성 물질이 많을수록 수질이 나빠짐 5) 부유물질 (현탁물질, suspended solids, SS) - 수중에 떠서 돌아다니는 (수중에서 부유하는) 여러 물질로서, 여과 또는 원심분리에 의해 분리될 수 있는 0.1μm 이상 2mm 이하의 입자 - 부유물질은 물의 탁도 (turbidity)를 발생시키는 원인 물질 - 유기질과 무기질로 되어 있음 - 대부분 유기질로서 플랑크톤, 세균 등 미생물을 다량 함유

수질오염의 지표 □ 수질오염 지표 - pH, DO, BOD, COD 등 1) pH (수소이온 농도) - pH의 범위: 0~14 (pH<7이면 산성, pH>7이면 염기성) - 자연수와 같은 알칼리성 물에서 pH는 수중에 용해되어 있는 CO2에 의해 지배  CO2가 많을수록 pH가 작아짐 (산성화) http://fmss12ucheme.files.wordpress.com/2013/05/ph-scale.jpg

염산 위산 레몬주스 식초, 콜라, 맥주 토마토 블랙커피 빗물 소변, 타액 순수한 물 혈액 바닷물 베이킹 소다 Great Salt Lake 제산제 가정용 암모니아 가정용 표백제 오븐 클리너 수산화나트륨 수질오염의 지표 수소이온 (H+) 농도 증가 Great Salt Lake: 미국 유타주의 솔트레이크시티 인근에 위치, 세계에서 염도가 가장 높은 내륙호, 물의 화학성분이 바다와 유사, 유입량보다 증발량이 많아서 염도가 높음 수산화나트륨 (NaOH) http://www.industrial-needs.com/technical-data/images/ph-meter-pce-228-n.jpg http://imgs.inkfrog.com/pix/gadgetpooluk/YFH126A-2.jpg http://academic.cuesta.edu/gbaxley/chem1A/notes/ph_scale_2.jpg

수질오염의 지표 2) DO (용존산소) - 물 속에 녹아있는 산소량 - 물의 온도, 기압, 염분 등의 불순물 농도에 따라 영향을 받음 - 수중생물의 생육과 밀접한 관계가 있음 • 어류가 살 수 있는 용존산소의 최소치: 5mg/L 정도 - 용존산소곡선 (DO Sag Curve) • 시간에 따른 용존산소의 변화를 나타내는 곡선 (담수) (염수) 기압이 증가할수록 DO 증가 담수의 DO > 염수의 DO 수온이 증가할수록 DO 감소 http://docs.engineeringtoolbox.com/documents/841/oxygen-solubility-water.png

수질오염의 지표 http://sarajordanbiosphere.weebly.com/uploads/2/4/3/6/24368311/255773_orig.gif http://ian.umces.edu/imagelibrary/albums/userpics/84469/normal_iil_diagram_dissolved_oxygen_shifting_sands.png

수질오염의 지표 - 용존산소의 특징 오염된 물은 용존산소량이 낮음 (∵ 오염물질의 산화) BOD가 큰 물은 용존산소량이 낮음 수중의 염류 농도가 증가할수록 용존산소의 농도는 감소함 수중의 온도가 높을수록 용존산소의 농도는 감소함 ( ∵ 증발) 수면의 교란상태가 클수록, 수압이 낮을수록 용존산소량은 증가함 (∵ 대기 중 산소 유입) 용존산소량이 적은 물은 혐기성 분해가 일어나기 쉬움

수질오염의 지표 용존산소곡선 (DO Sag Curve) 용존산소곡선 (용존산소부족곡선) (산소부족량) = (포화산소량) - (용존산소량) [A~E 구간] 유기물 분해에 따라 DO농도가 점차 고갈 용존산소곡선 (DO Sag Curve) [E점] 임계점 유기물 분해에 따른 산소소비와 재폭기에 의한 산소공급이 균형을 이루는 점 (산소부족량 최대) D 하천이 오염되지 않을 경우 용존산소는 거의 포화상태 (포화농도) 임계시간 [E~B 구간] 임계점 이후부터 재폭기가 우세해지고 DO농도가 증가 분해과정 동안 생긴 무기물 증가 탈산소 곡선 재폭기 곡선 용존산소곡선 (용존산소부족곡선) 재폭기가 없는 경우 DO 부족량 유기물 분해로 인해 시간이 경과함에 따라 DO농도 감소 산소수준이 떨어짐에 따라 산소결핍을 보충하기 위해 대기 중의 산소가 물 속으로 유입 # 재폭기 (reaeration): 공기로부터 산소가 다시 물에 녹아 들어가는 현상 # 탈산소 (deoxygenation): 유기물 분해 시 산소가 소비되어 없어지는 현상

수질오염의 지표 - 용존산소곡선의 특징 시간 변화에 따른 DO 농도의 변화를 나타내는 곡선 DO 농도가 최소 (또는 DO 부족량 최대)가 되는 임계점 형성 임계점에서는 유기물 분해에 따른 산소소비와 재폭기에 의한 산소 공급이 균형을 이룸 시간이 경과함에 따라 DO 농도가 점차 감소하다가 임계점에서 최소됨 임계점 이후로는 DO 농도가 점차 증가함 임계점에 도달하기 전까지는 탈산소가 재폭기보다 우세하게 나타남 임계점에 도달한 이후로는 재폭기가 탈산소보다 우세하게 나타남 (산소부족량) = (포화산소량) – (용존산소량) 재폭기가 없는 경우 DO 부족량

수질오염의 지표 3) BOD (biochemical oxygen demand, 생화학적 산소요구량) (1) BOD의 정의 - 어떤 유기물을 (호기성) 미생물에 의하여 호기성 상태에서 분해 및 안정화시키는데 요구되는 산소량 - BOD는 “유기물질의 함량”을 간접적으로 나타내는 하천수질오염의 판정지표 - BOD가 높으면 유기물의 오염도가 높음을 의미함  “BOD가 높다”함은 수중에 유기물질이 다량 함유되어 미생물이 이것을 분해 및 안정화시키는데 많은 양의 산소를 소모했음을 의미 (2) BOD 측정 - BOD5 (5일 BOD)를 측정 - 실험실에서 보통 20℃에서 5일간 시료 (유기물)를 배양했을 때, 미생물에 의해 소비되는 산소량을 BOD5로 표시 - 유기물을 완전 분해시키기 위해서는 20일 소요됨  총 BOD의 70~80%가 소모되는 5일 BOD값을 사용 - 20일 BOD (BOD20): 유기물질을 완전히 분해 시 소비되는 산소량 (총 BOD 또는 최종산소요구량 (UOD))

수질오염의 지표 (3) BOD 측정단계 - 제1단계 BOD (탄소 BOD (CBOD)) • 미생물에 의해 분해되기 쉬운 탄소 화합물 분해 시 소모되는 산소량 그래프 • 20℃에서 탄소 화합물인 유기물이 분해되는데 소비되는 20일간의 산소 소비량을 말함 - 제2단계 BOD (질소 BOD (NBOD)) • 질화균에 의해 질소 화합물을 분해하는데 소모되는 산소량 그래프 • 20℃에서 질소 화합물인 유기물이 분해되는데 소비되는 20일간의 산소 소비량을 말함 BOD 곡선

질산화 (nitrification) 발생 수질오염의 지표 질화균은 수중에 비교적 수가 적고 20℃에서 성장속도가 완만 8일 전에는 산소 소비에 관여하지 않음 질산화 (nitrification) 발생 (질화균에 의한 질소 화합물 분해) 8~10일 탄소 화합물 분해 (탄소 화합물을 분해하는 미생물만 활발하게 활동)

수질오염의 지표 (4) BOD 계산식 4-1) BOD 감소반응식 - 용해성 유기물질에 대한 미생물의 산화반응속도는 유기물질 농도 (미생물의 먹이의 양)에 반비례. 산화반응속도 유기물질 농도

수질오염의 지표 4-2) 탈산소반응식

수질오염의 지표 - 탈산소반응식: 잔존 BOD 농도 산정 또는 초기 BOD

수질오염의 지표 4-3) BOD 소비식 BOD 소비량 = 총 BOD 농도 – 잔존 BOD 농도 상기 식을 상용대수로 나타내면

수질오염의 지표 [예제] 탈산소 계수가 0.1/day (base 10)인 하천의 어떤 지점에서의 평균 BOD가 30ppm일 때 그 지점에서 3일 후의 BOD를 구하라. 탈산소반응식으로부터 = 15mg/L [참고] [예제] 어느 폐수의 최종 BOD가 300mg/L이고 탈산소계수 K1값이 0.2day-1 (base 10)일 경우 BOD5를 구하라. BOD 소비공식으로부터

수질오염의 지표 (5) BOD 혼합농도 여기서, Cm: BOD 혼합농도 (mg/L), Q2: 하천유량 (m3/day), C2: 하천의 수질 (mg/L), C1: 유입 오수의 수질 (mg/L) [예제] 유량 2000m3/day, BOD 2mg/L의 하천에 방류량 200m3/day, BOD 300mg/L인 오수를 방류할 때 완전 혼합 후의 BOD를 구하라.

수질오염의 지표 4) COD (chemical oxygen demand, 화학적 산소 요구량) (1) COD의 정의 - 유기물질을 산화제로 화학적으로 산화시킬 때 소모된 산화제의 양에 상응하는 산소량을 의미 - 유기물이 산화제에 의해 CO2와 H2O로 산화 (분해)되는데 소요되는 총 산소량 (2) COD의 특징 - 가정하수나 산업폐수의 오염도 (유기물 함량)을 측정하기 위한 수단으로 BOD 대신 널리 이용 - BOD와 함께 수질오염을 나타내는 중요한 지표로 주로 해역, 호수 등의 수질오염지표 ※ 호수나 해수의 오염도를 BOD가 아닌 COD로 나타내는 이유  조류에 의한 탄소동화작용이 BOD값에 영향을 미치기 때문 - 도시하수의 오염도를 나타내는 지표로 사용 ※ 도시하수의 오염도 판단에 COD를 사용하는 이유  도시하수는 무기물을 함유하고 있어 정확한 BOD 측정이 불가능 - 폐수의 COD 값은 BOD 값보다 일반적으로 높음  미생물에 의해 분해되지 않는 유기물까지 화학적으로 산화되기 때문 - COD는 BOD보다 단시간에 측정 가능 (약 2시간 이내)

수질오염의 지표 (3) 산화제 (oxidizing agent) - 산화반응을 촉진하기 위하여 사용되는 산화성 물질 - 중크롬산칼륨 (K2Cr2O7), 과망간산칼륨 (KMnO4) 등 (4) COD의 측정 - 시료에 산화제 (과망간산칼륨)를 넣고 가열 반응시켜 소비된 산화제의 양을 측정한 후 산소의 양으로 환산하여 COD를 측정 (5) BOD와 COD의 관계

수질오염의 지표 [예제] 어느 공장폐수를 분석한 결과 BOD 300mg/L (5일 BOD), COD 500mg/L인 경우, 생물학적으로 분해 불가능한 COD (NBDCOD)를 구하라. 단, 탈산소계수 (base 10)는 0.2/day이다.

수질오염의 지표 [예제] 하천 상류지점의 BOD가 200mg/L이었다. 물이 6시간 흘러온 지점의 BOD는 150mg/L로 측정되었다. 이 하천구간의 탈산소계수 K1을 구하라. 단, 상용대수에 대한 반응식을 이용하라. 탈산소반응식으로부터 (days)

수질오염의 지표 [예제] 20℃ 하수의 5일 BOD가 200mg/L일 때 최종 BOD를 구하라. 단, 반응식에서 자연대수를 사용할 경우 탈산소 계수는 K=0.2/day이다. [예제] 하수의 최종 BOD가 5일 BOD의 1.8배라면 반응식에서 상용대수를 사용할 때 탈산소계수를 구하라.

수질오염의 지표 [예제] 질소계 유기물에 의한 BOD를 무시할 때, 20℃에서 5일 동안 사용된 BOD값이 300mg/L, BOD 극한값이 475mg/L인 폐수의 탈산소 계수 (base e) 값은? [예제] 탈산소 계수가 0.1/day (base 10)인 20℃ 폐수의 BOD가 250mg/L일 때 1일 BOD와 최종 BOD를 구하라.

수질오염의 지표 [예제] BOD 200mg/L, 유량 600m3/day인 어떤 공장의 폐수가 BOD 10mg/L, 유량 2m3/sec인 하천에 유입한다. 폐수가 유입되는 지점으로부터 하류 10km 지점의 BOD를 구하라. 단, 하천의 유속은 0.05m/sec, 20℃ 탈산소계수 (상용대수)는 0.1/day이다. 1) A 지점에서의 BOD 공장 A B 10km

수질오염의 지표 2) B 지점에서의 BOD 공장 A B 10km