2. 수질(Water quality) 수질오염: 오염물질이 물의 자정능력을 초과하여 자연수체내로 배출될때 해당 수체가 이용목적에 적합하지 않게 된 상태라고 말 할수 있음.

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1 2. 수질(Water quality) 수질오염: 오염물질이 물의 자정능력을 초과하여 자연수체내로 배출될때 해당 수체가 이용목적에 적합하지 않게 된 상태라고 말 할수 있음

2 수질오염현상 물속에 산소가 없어지는 현상 중금속에 의한 오염으로 가정하수보다도 주로 공장폐수에서 기인된다고 볼 수 있다.
질소나 인과 같은 무기물이 물속으로 다량 들어왔을 경우로서 이는 주로 호수나 저수지 등과 같이 정체된 수체에서 발생하는 오염현상 전염성 세균에 의한 오염현상이다.

3 수질 오염원 (Water pollution source)
오염원: 크게 점 오염원과 비점오염원으로 나뉨 - 점오염원 (Point source): 한 지점에서 혹은 극히 좁은 구역내에서 오염물질이 집중적으로 배출되는 곳을 말함 - 비점오염원(Non point source): 오염물질이 집중적으로 배출되지 않고 광범위한 지역으로부터 배출되어 배출원을 하나의 점으로 파악하기 힘든 경우 - 선오염원(Line source): 비행기, 자동차, 기차 등

4 2.1 용어의 해설(Terminology) 1. 기본적 단위 설명 가. % (percent) 농도 백분율 농도: 용액의 질량에 대한 용질의 질량비를 백분율로 나타내 사용한다. % 농도 = 용질 질량 (용매+용질) ×100 (2) W/V % (weight/volume) 농도 용액 100ml 중의 성분무게(g)수 또는 가스 100 ml중의 성분무게(g)수를 말하며, 보통 용해의 농도를 %로만 표시할 때는 W/V%농도를 말함. (3) V/V % (용량 백분률) 용액 100ml 중의 성분용량(ml)를 나타낸 농도이다. (4) V/W% 농도 용액 100g 중의 성분용량(ml)를 나타낸 농도이다. (5) W/W %농도(중량백분률) 용액 100g 중의 성분무게(g)를 나타낸 농도이다.

5 나. 몰농도(mole:M) 다. 노르말 농도(Normal: N)
보통 수중의 용존물질의 농도를 Mol농도로 표시하며, 이것은 용액 1L중에 존재하는 gram 분자량의 수를 말한다. g 분자량은 해당 화합물의 분자량에 g을 붙여 나타낸다. 따라서 1몰 용액은 1g 분자량을 물에 녹인 다음 그 부피를 1L로 만든 용액으로서 mole 농도가 같은 용액은 단위질량당 용존 물질의 분자수가 같게 된다. 다. 노르말 농도(Normal: N) 규정농도라고도 하며 용액 1L중에 녹아있는 용질의 g 당량수를 말하며 N으로 표시한다. 산-염기반응의 경우 H+이온과 OH-이온수로 나눈 값이며 산화-환원반응에서는 주고 받는 전자수로 분자량을 나눈 값을 말한다. CaCO3의 당량 /2=50 H2SO4의 당량 /2=49 Ca(OH)2의 당량 /2=37

6 라. ppm (parts per million)
1L 중에 1mg 오염물질을 함유할 때의 농도(mg/L)를 1ppm으로 표시한다. 또한 mg/kg도 ppm과 같다. ppm = 𝑚𝑜𝑙농도 × 𝑔분자량 × 용액의 밀도 mg/L = mol농도 × g분자량 × 10 3 하천오염 또는 처리시설의 평가 및 효율을 표시 할때는 mg/l로 나타내고 농도가 1mg/l보다 적을때는 ppb(μg/l)로 표시하고 농도가 10,000mg/l(=1 %)보다 클 때는 %로 표시한다.

7 수질평가항목 물리적 특성 TS, SS, Turbidity, color, taste 등 화학적 특성
TDS, Alkalinity, Hardness, Organic matters, metals 등 생물학적 특성 -병원균 지표, 대장균군 등

8 1. 총 고형물(total solids; TS)
물속에 함유되어 있는 총 고형물은 시료를 104℃ (±1℃)에서 증발시켰을때 찌꺼기 (잔류물)로 남는 모든 물질을 말한다. 수중 고형물의 입자 크기 분류도

9 2. 현탁고형물(suspended solids; SS)
: 수중에 현탁해 있는 부유물질 또는 부유물질량을 나타낸다. 직경 2mm체를 통과시켜서 거대 입자들을 제거함. 그 후 여지 또는 여지(1.2 μm)를 병용하는 유리여과기로 여과, 건조시켜 저울로 달아서 구한다. TS = VS + FS TSS = VSS + FSS TDS = VDS + FDS 총고형물 (TS; total solids) 휘발성 고형물(VS; volatile solids) 강열잔류고형물(FS; fixed solids) 총부유성고형물(TSS; total suspended solids) 총용존성 고형물(TDS; total dissolved solids) 휘발성부유물(VSS; volatile suspended solids) 강열잔류부유물(FSS; fixed suspended solids) 휘발성용존고형물(VDS; volatile dissolved solids) 강열잔류용존고형물(FDS;fixed dissolved solids)

10 고형물 특성의 의의 빛의 수중의 전달율을 방해하여 식물성 플랑크톤의 광합성을 방해 어류의 아기미에 부착되어 폐사
유기성성분은 물속에 체류하면서 분해되어 DO를 소모시키는 작용 무기질소와 무기인 등의 무기성 성분 등은 부영양화 현상을 일으키는 요인

11 SS 실험방법 Whatman 여과지 GF/C 현탁고형물질(mg/L)=[b-a] x 1000/V
a: 시료여과전의 유리섬유 거름종이 무게 [mg] b: 시료여과후의 유리섬유 거름종이 무게 [mg] V: 시료의 양 [ml]

12 예제- 고형물 자료의 분석 다음 실험 결과는 폐수 처리장에서 시료를 채취해 얻은 것이다. 모든 실험에서 시료 채취량은 50ml이었다. 총 고형물, 총 휘발성 고형물, 현탁 고형물(ss), 휘발성 현탁고형물의 농도를 결정하라. 증발접시의 무게 = g 104℃ 증발후 잔여무게 + 증발접시의 무게 = g 600℃ 소각후 잔여무게 + 증발접시의 무게 = g Whatman GF/C 여과지 무게 = g 104℃ 건조후 Whatman GF/C 여과지 잔여무게 = g 600℃ 소각후 Whatman GF/C 여과지 잔여무게 = g

13 탁도(Turbidity) : 수중의 현탁물질들에 의해서 빛이 흡수되거나 산란되는 정도를 측정하는 것
단위로는 1도 또는 1ppm이라고 함. 흡수와 산란은 현탁 물질의 크기와 표면 특성에 의해 영향을 받기 때문에 탁도는 현탁 물질의 직접적인 정량방법은 아니다. 콜로로이드 물질은 화학물질을 흡착하여 해롭고 좋지 못한 맛과 냄새를 내며 생물에 해를 미칠 수 있다. 탁도 측정은 보통 폐수가 아닌 깨끗한 물에 이용된다. 광학적 방법

14 색도(Color) : 순수한 물은 색깔이 없으나 자연수는 이 물질에 의해 색을 띄게 된다.
다양한 상태의 부패된 유기물이 색도를 유발 Lignin의 분해에서 유래되는 tannin, humin산과 humin염 등이 색도의 주체로 생각되고 있다. 철분은 때때로 humin 철염으로 나타나며 높은 색도를 나타낸다. 색도는 크게 외양색도 (apparent color)와 진색도(true color)로 구분된다. 투과광측정법

15 맛과 냄새(Taste and odor) 무기물질은 거의 대부분 맛을 내게 하지만 냄새를 동반하지 않음
알칼리물질은 물에 쓴맛을 내게 하는 반면 금속염은 짠맛이나 쓴맛을 내게 한다. 유기물질은 거의 맛과 냄새를 동반한다. 독립적일때에는 맛과 냄새가 없다가 결합하게 되면 맛과 냄새의 문제를 생성시킬 때도 있음(유기물과 염소의 경우) 냄새의 특성을 규명하려면 강도(intensity), 특질(character), 쾌락성(hedonics), 검출성(detectability) 등을 고려.

16 냄새한계값(TON;threshold odor numbers)
수중 냄새물질의 분류 냄새물질 화학식 냄새묘사 아민류(Amines) 암모니아(Ammonia) 디아민류(Damines) 황화수소(Hydrogen sulfide) 머캅탄류(Mercaptans) 유기황(Organic sulfide) 스카톨(Skatole) CH3(CH2)nNH2 NH3 NH2(CH2)nNH2 H2S CH3SH;CH3(CH2)nSH (CH3)2S;CH3SSCH3 C8H5NHCH3 비린내 암모니아 냄새 고기 썩는 냄새 달걀 썩는 냄새 스컹크분비물 냄새 채소 썩는 냄새 분변 냄새 냄새한계값(TON;threshold odor numbers) :냄새나는 물의 양을 변화시키면서 용기에 넣고 냄새가 나지 않는 증류수로 희석하여 전체를 200ml 혼합물로 만든다. 시료부피(A) mL TON 200 175 150 125 100 75 67 50 40 25 10 2 1 1.0 1.1 1.3 1.5 2.0 2.7 3.0 4.0 5.0 8.0 20.0 TON = (A+B)/A A: 냄새나는 물 B: 증류수

17 온도(temperature) : 지표수의 온도는 생물개체의 생존과 활동에 상당한 영향을 미침
온도는 물에 대한 기체의 용해도에 큰 영향을 미침 낮은 온도에서는 생물의 활동속도가 늦어짐

18 화학적인 특성 pH(hydrogen ion exponent)
: 순수한 물은 해리하여 수소이온과 수산화이온으로 해리하여 10-7 mole/l의 농도를 각각 가지게 된다. H2O H+ + OH- [H+][OH-]/[H2O] = K [H+][OH-] = K w = 10-7 x 10-7 = 10-14(mol/l) 수소이온농도를 몰농도로 나타내는 일은 다소 불편한 일이다. 이러한 난점을 극복하기 위하여 Sorenson(1909)는 이 값들을 음의 로그로 취하여 나타내어 pH+로 표시하였으며 나중에 간단히 pH로 바뀌게 되었다. pH = -log[H+] or pH = log/[H+] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 [H+]=1M [H+]=10-7M [H+]=10-14M

19 pH의 계산 수산화 이온농도를 – 로그를 취하여 pOH로 나타낼 수 있는데 pH와 pOH의 관계는 다음과 같다.
pH = 14 – (-log[OH-]) pH = 14 + log[OH-]

20 pH 측정 방법 pH 메터기

21 알칼리도(alkalinity) : 수중에 수산화물(OH-), 탄산염(CO32-), 중탄산염(HCO32-)의 형태로 함유되어 있는 알칼리성을 이에 대응하는 CaCO3으로 환산하여 나타낸 것으로 물속에서 산을 중화시키는데 필요한 능력의 척도가 된다. 자연수계의 알칼리도의 구성성분은 (CO32-, HCO3-, OH-, H2BO3-, HPO42-, H2PO4-, HS-와 NH3) 등이다. 수산화물 > 탄산염 > 중탄산염의 순서로 기여가 크다.

22 알칼리도의 측정 및 계산 알칼리도는 0.02N황산으로 적정하여 측정하는 탄산칼슘 등가량으로 다음과 같이 환산 계산한다.
알칼리도(CaCO3 mg/l) = (A x N x 50 x 1000)/시료량(ml) A: 소비된 산의 부피(ml) N: 산의 N농도 0.02N 황산 1ml는 알칼리도 1mg을 중화한다. 시료 100ml 페놀프탈레인 지시약 3방울 0.02N-황산으로 적정(홍색이 무색이 될때까지 메틸오렌지 지시약 3방울 메틸 오렌지 지시약 페놀프탈레인 지시약 0.02N 황산용액 0.02N-황산으로 적정(황색이 오렌지색이 될때까지

23 예제- 알칼리도의 결정 알칼리도 메터기 수질 시료 200ml의
초기 pH는 10이다. 시료를 pH 4.5까지 적정하는데 필요한 0.02N 황산(H2SO4)는 30ml이다. 물의 전 알칼리도는 CaCO3로서 몇 mg/l인가?

24 경도(hardness) : 물속에 용해되어 있는 Ca2+, Mg2+ 등의 2가 양이온 금속이온에 의하여 발생하며 이에 대응하는 CaCO3(ppm)으로 환산 표시한 값으로 물의 세기를 나타낸다. 경도를 유발한 주요 양, 음이온들(Ca2+, Mg2+, Sr2+, Fe2+, Mn2+, HCO32-, SO42-, Cl-, NO3-, SiO32-)이 있음 경도 CaCO3 mg/l = (M2+ mg/l) x 50/(M2+당량) 경도의 분류 mg/l 경도(degree of hardness) 0-75 76-150 300 이상 단물(soft) 약한 센물(mederately hard) 센물(hard) 대단히 센물(very hard)

25 HCO3-, CO32-, OH-(alkalinity)
경도의 종류 : 일시경도(temporary hardness), 영구경도(permanent hardness)로 구별되고 양자를 합한 것을 총경도(total hardness) Ca2+, Mg2+ (hardness) HCO3-, CO32-, OH-(alkalinity) 일시경도 영구경도 Na+, K+ (nonhardness) SO42-, Cl-, NO3- (acid ion) 염 형성 경도의 분류

26 경도의 특성과 의의 센물: 표토층이 두텁고 석회암층이 존재하는 곳에서 발생하기 쉽다.
단물: 표토층이 얇고 석회암층이 없거나 드문 지역에서 발생하기 쉽다. 지표수보다 지하수의 경도가 높다. 센물은 세탁효과를 저하시킨다. : 센물속의 이온들이 비누와 먼저 결합반응하여 세척효과를 떨어뜨리며, 비누의 거품을 만드는데 다량의 비누가 소비된다. 보이러, 온수관 장애 발생 : 설비에 물때(Scale)를 만들어 각종 장치의 장애를 일으키며 열 효율을 떨어뜨린다. 위생적으로 나쁘다. : 경도가 높은 물을 마실때는 설사, 복통을 유발하게 된다.

27 예제- 총경도를 구하라 다음 아래표와 같이 수질 분석 결과를 얻었다. 총경도를 구하라 양이온(mg/l) 음이온(mg/l) Na+ Ca2+ Mg2+ Sr2+ 10 20 24 2.2 Cl- SO42- NO3- 30 15 5

28 색 비교

29 플로오르(fluoride) : 다량의 플루오르느 인간과 다른 동물에게 해를 주지만, 적은 농도에서는 유익하기도 하다.
음료수에 있어 1.0 mg/l 정도의 농도는 어린이들의 충치 현상을 방지 영구치가 생기는 동안 플루오르는 이의 에나멜과 화학적 으로 결합하여 더 단단하고 강한 이가 되어 쉽게 파손되지 않는다. 플로오르의 과잉섭취는 이의 색깔을 퇴색시키기도 하며, 심한 퇴색을 반점화(mottling)라고 한다.

30 금속(metal) 비독성 금속(non-toxic metal) 독성 금속(toxic metal)
경도 이온인 칼슘과 마그네슘이외에 다른 비독성 금속물질로서 나트륨, 철, 망간, 알루미늄, 구리 및 아연 등이 수중에서 자주 검출된다. 구리와 아연은 동시 발생적이며 함께 존재하게 되면 적은 양이라도 많은 생물종에 독성을 미치기도 한다. 독성 금속(toxic metal) 독성 금속물질은 적은 양으로도 사람과 다른 생물체에 해를 미친다. 비소, 바륨, 카드뮴, 크롬, 납, 수은 등이 있다. 비소, 카드뮴, 납과 수은은 축적성 독성물질로서 아주 유해하다.

31 유기물(organic materials)
생분해성 유기물(biodegradable organics) 자연적으로 발생하는 미생물에 의해 어느 정도의 시간내에 먹이로서 사용될 수 있는 유기물들이다. 용존형태(전분, 지방, 단백질, 알코올 등)로 많이 존재 분해시 대부분 호기성 및 혐기성 분해 반응을 거친다. 비생분해성 유기물(nonbiodegradable organics) 어떤 유기물질들은 생물학적 분해가 잘 일어나지 않는다. 어떤 유기물은 균에 독성을 나타내기 때문에 비생분해성인 경우도 있다.

32 영양염류(nutrients) 질소(N2) 단백질, 클로로필 및 많은 생물학적 화합물의 구성성분이다.
산소가 존재시 암모니아는 산화되어 아질산염이 되고 이는 다시 질산염으로 된다. 인(P; phosphorous) 인은 수중에서는 인산염(PO43-) 형태로만 나타난다. 폐수처리 공정을 방해하기도 한다. 0.2mg/l 정도의 낮은 농도에서도 탁도의 화학응집을 방해하기 때문이다.

33 생물학적 특성(Biological characteristics)
병원균 지표(pathogen indicator) 모든 물의 형태에 적용할 수 있을 것 병원균이 있을 때는 항상 존재할 것 병원균이 없을 때는 항상 없을 것 이질적인 균에 의해서 방해를 받던가 혼란이 일어나지 않고 계속 정량 시험을 할 수 있을 것 실험자의 안전을 위해 병원균 자체는 아니어야 한다. 대장균군(Escherichia coli) 인체의 배설물 중에 항상 존재한다. 소화기 계통의 전염병균은 언제나 대장균과 함께 존재한다. 대장균이 검출되지 않으면 병원균은 사멸된 것으로 간주할 수 있다. 병원균 보다 검출이 용이하다. 시험이 정밀하여 적은 양도 신속하게 검출된다.

34 대장균의 최확수(M.P.N; most probable number of coliforn organisms)
시료에 포함된 대장균수를 확율론적으로 추정하는 방법으로서 시료 10ml, 1ml, 0.1ml, 0.01ml 등의 1/10 연속수로 각기 5개씩 시험한 결과에 대하여 양성과 음성으로 판정된 시료수에 따라 계산하며 100cc 중에 포함된 대장균수를 나타낸다. MPN = 양성시료수 ×100 (음성시료 총량, 𝑚𝑙)(총시료량, 𝑚𝑙) 예제 어떤 하천물에 대한 대장균군시험에서 5개의 10ml 시료, 5개의 1ml 시료, 5개의 0.1ml 시료에 대하여 실시하였다. 그 결과 10ml 중 3개, 1ml 중 2개, 0.1 ml 중 1개가 양성반응을 나타냈다. 이물의 대장균군에 대한 MPN을 구하여라.

35 하천의 자정작용(self-purification)
오염된 하천이 여러 가지 자연현상(물리, 화학, 생물학적 작용)에 의하여 오염물질의 농도가 저하되어 깨끗한 물이 유지되는 현상을 말한다. 자정능력 < 오염물질 하천의 자정작용의 중요한 인자는 희석, 확산작용과 미생물에 의한 분해작용 등이며, 이러한 자정능력의 크기를 환경용량(environmental capacity)이라 한다. 하천의 환경용량에 미치는 환경인자로는 수온, 용존산소량, 태양방사선량, pH 자정효과 용존산소 수온

36 용존 산소(DO; dissolved oxygen)
:물속에 녹아 있는 산소를 의미 산소는 물에 조금밖에 용해되지 않지만 수생생물에게는 가장 기본이 되는 것 물속에 유리용존산소가 없게 되면 대부분의 수생 생물이 살지 못한다. 온도가 상승함에 따라 산소포화 값은 급속히 감소한다. 수온(℃) 산소의 포화농도(mg/l) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 14.6 13.8 13.1 12.5 11.9 11.3 10.8 10.4 10.0 9.5 9.2 8.8 8.5 8.2 8.0 7.6 산소 포화농도 수온

37 오염물질 유입지점으로부터 하류의 용존산소 변화
산소 소모율 = k1(L0-y) = K1L1 산소 공급율 = K2D L0: 유기물질을 분해하는데 필요한 총 산소량(mg/l), 최종 BOD라고 함 L1: t일 지난 후의 BOD(mg/l) y: t일 동안에 소모된 산소량 K1: 탈산소 계수(day-1) D: 시간 t에서의 용존산소 부족량(Dos-DO) (용존산소 포화농도와 실제용존산소 농도와의 차이(mg/l)) DOs: 포화용존산소량 DO: 하천의 주어진 위치에서의 용존산소 K2: 재포기 계수(하천의 크기에는 무관하고, 하천의 유속, 깊이 등에 따라 다르다(day-1))

38 Do =DOs - 𝑄𝑤𝐷𝑂𝑤+𝑄𝑟𝐷𝑂𝑟 𝑄𝑤+𝑄𝑟
초기산소결핍량 계산 Do =DOs - 𝑄𝑤𝐷𝑂𝑤+𝑄𝑟𝐷𝑂𝑟 𝑄𝑤+𝑄𝑟 Do : 혼합된 강과 하수의 초기 산소결핍량 DOs : 어떤 온도에서의 포화 용존산소량 DOw: 하수의 DO DOr : 하수 배출 지점 상류에서의 하천의 DO Qw : 하수의 유량(m3/s) Qr : 하천의 유량(m3/s) 예제 20만명의 인구를 가진 도시의 하수처리장에서 1.10m3/s의 처리된 물은 최종 BOD 50 mg/l의 하수를 방류한다. 하천의 유량은 8.7m3/s, DO는 8.3mg/l, BOD는 6 mg/l이다. 하수의 용존산소농도와 유량은 각각 2mg/l, 1.1 m3/s이다. 수온은 20℃이다. 만약 하수가 하천에 완전히 순간적으로 섞인다면 초기 산소결핍양을 구하여라(단, 20℃에서의 포화용존산소는 9.2mg/l이다.)

39 예제 어떤 하천의 재포기 상수 K2가 0.4 day-1 이고, 유속이 8km/hr, 오염물 유입지점의 하천에는 10mg/l의 산소로 포화되어 있다. 물과 폐수와의 혼합물의 산소요구량은 20mg/l이고, 탈산소계수(K1)는 0.2 day-1였다. 오염물 유입지점으로부터 48km 떨어진 하류의 용존 산소농도는 얼마이겠는가?

40 생화학적 산소요구량(biochemical oxygen demand;BOD)