제 2 장 수질 : 정의, 특성과 전망 2-1 물의 순환과 수질

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1 제 2 장 수질 : 정의, 특성과 전망 2-1 물의 순환과 수질
과거 : 양적인 관점에서 물의 중요성 판단 음료수, 농업, 운송 등의 목적 19세기 중엽 : 물과 질병과의 인과관계 고려 19세기 말 : Pasteur에 의한 세균이론 정립  수질화학과 수생미생물학 동시에 발전  공업 및 농업분야에서 사용한 수중 화학물질 규명  화학물질과 건강과의 관계 연구 2-1 물의 순환과 수질 Location Volume, 1012 m3 % of total Freshwater lakes 125 0.009 Saline lakes and inland seas 104 0.008 Rivers (average Instantaneous volume) 1.25 0.0001 Soil moisture 67 0.005 Groundwater (above depth of 4000 m ) 8,350 0.61 Ice caps and glaciers 29,200 2.14 Total land area (rounded) 37,800 2.80 Atmosphere (water vapor) 13 0.001 Oceans 1,320,000 97.3 Total all locations (rounded) 1,360,000 100.0

2 국내 수질오염 방지 관련 역사 1963년 11월 : 공해방지법이 공포된 후 수질오염문제가 크게 대두
화학적, 물리학적, 생물학적 요인에 의하여 하천을 오염시키는 공장폐수, 사업장폐수 및 일반하수 등에서 오는 보건위생상의 위해를 규정 1977년 7월 : 환경보전법 공포 배출허용기준에 따라 오염물질을 배출하도록 규정 전환 1990년 8월 : 환경보전법이 폐지되고, 환경정책기본법, 수질환경보전법 등 4개 개별 단행법으로 분리 합리적 체계로 정비

3 물의 순환 수중 고형물질의 크기 분류 물 순환과정 또는 인간활동에 의해 물에 누적된 불순물들은 현탁 또는 용존 상태로 존재

4 물리적 수질 매개변수 (Physical Water-Quality Parameter)
감각에 관계되는 물의 특성 시각, 맛, 냄새, 부유물질, 탁질, 온도 2-2 현탁고형물 (Suspended solid) 용존 및 부유성으로 존재하며, 유기 또는 무기성으로 구분 발생원 : 물의 침식작용, 사람의 사용, 공업용수의 이용 영 향 : 심미적 불쾌, 화학 및 생물학적 작용제의 흡착 측 정 : 전 고형물 측정 방법이 주로 이용 105℃ 건조로 및 600℃ 고로(muffler) 이용

5 현탁고형물 여과장치

6 현탁 고형물질의 분류 공극크기 1 ㎛ 의 여지로 분리 105 ℃ 건조 후 무게차 600 ℃ 건조 후 무게차

7 (예제 1) 현탁 고형물질 농도의 결정 (예제 2) 고형물질 농도의 결정
물시료에 대한 여과성 잔류물을 분석한 결과 다음과 같다. 여과하기 전 도가니와 여과지의 무게는 g 이었다. 여과지에 시료 250ml를 통과시켰다. 도가니와 여과지를 104℃에서 건조시킨 후 무게는 g이었다. 이 시료의 현탁 고형물 농도(mg/L)를 구하여라. 풀이 도가니 + 여과지 무게 + 고형물 질량 = g - 도가니 + 여과지 무게 = g 고형물 질량 = 0.038g = 37mg 현탁 고형물 농도 (37mg / 250ml) × (1000ml / L) = 148mg/L (예제 2) 고형물질 농도의 결정 폐수처리장 시료 50ml에 대해 TS, VS 농도를 구하여라. (증발접시 : g, 105℃ 건조후 증발접시 : g, 550℃ 소각후 증발접시 : g) 풀이 TS = (105℃ 건조 증발접시 – 증발접시) / 시료량 = ( g – g) / 50ml = 720mg/L VS = (105℃ 건조 증발접시 – 550℃ 건조 증발접시) / 시료량 = ( g – g) / 50ml = 42mg/L

8 2-3 탁도(Turbidity) 2-4 색도(Color)
수중의 현탁 물질들에 의한 빛의 흡수 또는 산란 정도 발생원 : 콜로이드 물질의 침식, 식물의 섬유질 및 미생물 영 향 : 심미적 불쾌감, 화학물질 흡착, 소독의 어려움, 빛 투과 방해, 하상퇴적 측 정 : 흡수나 산란의 강도에 따른 광학적 방법 Jackson Turbidity Meter: 유리막대주위를 금속막으로 둘러쌈 1 JTU: 1 mg SiO2 를 1L 의 증류수에 용해시켜 만든 탁도 대부분탁도계: 입사각의 90º 방향에서 빛 강도측정 Nephelometry Turbidity Meter(NTU) 2-4 색도(Color) 겉보기색(apparent color) : 현탁물질에 의해 야기 진색(true color) : 용존물질에 의해 야기 발생원 : 자연유기물의 수중 접촉-> 탄닌, 부식산(황갈색) 산화철(붉은색), 산화망간(갈색, 검은색) 색도를 지닌 공장폐수의 하천 유입 영 향 : 심미적 영향, 세탁, 염색, 청량음료 제조 등 염소요구량 증대, 화학작용으로 악취발생, THM 생성 측 정 : 진색도(1 TCU) 1 K2PtCl2 ㎎/ℓ

9 Turbidity standards of 5, 50, and 500 NTU
Portable turbidity meter

10 2-5 맛과 냄새(Taste & odor) 맛과 냄새는 상호 관계가 있으며 가끔 혼동(주관적) 발생원 : 물과 접촉
무기물:  맛을 내게하지만 냄새를 동반하지 않음 알카리 물질: 쓴맛 금속염 : 짠맛 유기물:  맛과 냄새 유발 영 향 : 심미적(깨끗한 물은 맛과 냄새가 없다고 인식) 측정 정성 및 정량분석 Gas or Liquid Chromatography. 관능법: threshold odor number (TON). TON = (A+B)/A A : 냄새나는 물 부피(mL) B : 냄새없는 희석수 부피(200 -A) mL 냄새를 유발하는 물질 화학식 특징 아민류(Amines) CH3NH2 생선 냄새 암모니아 NH3 암모니아 냄새 디아민류(Diamines) NH2(CH2)4NH2 부패된 고기 냄새 황화수소 H2S 썩은 달걀 냄새 머캅탄류(Mercaptans) CH3SH 부패된 채소 냄새 유기황화물 (CH3)2S 썩은 채소 냄새 스카톨(Skatole) C9H9N 배설물 냄새

11 2-6 온도(Temperature) 온도별 용존산소 농도
생물종의 존재와 활동 등에 큰 영향을 미치는 인자 화학반응, 가스의 용해도, 미생물 활동성 발생원 : 주위온도, 산업체의 폐열, 산림벌체, 관개 등 영 향 : 생물종의 다양성, 10 ℃ 증가시 생물활성 2배 반응속도와 용해도 변화 물의 점성, 밀도 등 물리적 특성 변화 온도별 용존산소 농도 온도, ℃ 염 농도, mg/L 10,000 14.62 12.97 5 12.80 11.39 10 11.33 10.13 15 10.15 9.14 20 9.17 8.30 25 8.38 7.56 30 7.63 6.86

12 화학적 수질 매개변수 (Chemical Water-Quality Parameters)
TDS, 알카리도, 경도, 플루오르, 금속, 유기물과 영양분 2-7 용액의 화학 (Chemistry of Solutions) 원자(atom) : 각 원소들의 가장 적은 단위 원소(element) : 한 종류의 원자로 이루어진 물질 분자(molecule) : 같은 원소 또는 다른 원소들의 원자 들이 결합된 원자결합체 H + H → H2 H2 + O → H2O 원자량 : 원자의 원자질량단위(amu)에 의해 측정된 원자의 질량 1 amu는 핵안에 6개의 양성자와 6개의 중성자를 갖는 탄소 질량의 1/12 (즉 탄소를 12로 정하고 이것과 비교하여 다른 원자의 질량을 나타낸 것) 분자량 : 그 분자에 포함된 모든 원자의 원자량을 합한 값 H2SO4의 분자량 : 1×2 + 32×1 + 16×4 = 98 몰(mole) : 물질의 원자량, 분자량 또는 화학식량에 상당하는 양을 몰이라고 정의 1몰의 CaSO47H2O : ×4 + 7×(1×2+16) = 262g/mol

13 당량 무게 (Equivalent Weight)
몰 농도 (M) 정의 1몰(mole) 용액이란 1리터 중에 1몰의 물질을 포함하는 용액이라 정의됨 (1 M = 1 mole/ L). 예제 1.26g의 AgNO3를 250ml 용량의 플라스크에 넣고 눈금까지 묽혔다. 용액의 몰농도를 계산하라. 1.26g / (170g/mol) = mol = 7.41mmol 7.41mmol / 250ml = 29.64mmol/L(mM) 당량 무게 (Equivalent Weight) 정의 아보가드로수의 반응단위에 해당하는 물질의 질량에 상당한다. 따라서 화학식량을 반응단위수로 나눔으로써 얻어짐. 원자 및 이온의 당량 (원자량/원자가) Ca2+ 당량(40/2=20), Na+ 당량(23/1=23) 분자의 당량 (분자량/양이온의 수) CaCO3 당량(100/2=50), NaCl 당량(58.5/1=58.5) 산의 당량 (분자량/H+ 수) H2SO4 당량(98/2=49), HCl 당량(36.5/1=36.5) 염기의 당량 (분자량/OH- 수) Ca(OH)2 당량(74/2=37), NaOH 당량(40/1=40)

14 당량 무게 (Equivalent Weight)
산화제 및 환원제의 당량 (분자량/주고받는 전자수) KMnO4 당량(158/5=31.6), K2Cr2O7(294/6=49) 예제 H2SO4 196g은 몇 당량인가 196g / (98g/2eq) = 4eq 노르말 농도 (N) 정의 많은 물질이 1:1몰비로 반응하지 않으므로 몰농도에 당량의 개념을 도입하였다. 이때의 농도를 노르말농도(N)이라고 하며, 용액 1리터당 물질의 당량(equivalent)수이다. N = eq/L = meq/ml 예제 H2SO4 196g/L의 노르말 농도는 (196g/L) / (98g/2eq) = 4eq/L = 4N K2Cr2O7 98g/L의 노르말 농도는 (98g/L) / (294g/6eq) = 2eq/L = 2N 몰랄 농도 (m) 정의 1000g의 용매 속에 1몰을 포함 몰 농도는 온도에 영향을 받으나 몰랄 농도는 그렇지 않음.

15 예제 2-2 당량계산 예제 2-3 당량농도의 결정 문제 2-12
탄산칼슘(CaCO3)을 만들기 위해 탄산이온 90g과 결합해야 할 칼슘은 몇 g 인가? CO32- 90g의 당량수 = 90g / (60g/2eq) = 3eq 결합에 필요한 Ca g = 3eq × (40g/2eq) = 60g 예제 2-3 당량농도의 결정 다음 물질에 해당하는 당량의 탄산칼슘 (CaCO3) 농도는 얼마인가? NaCl 117mg/L (117mg/L) / (58.5mg/meq) × (100mg/2meq) = 100mg NaCl/L as CaCO3 NaCl 2 × 10-3 mol/L = 2 mmol/L 2 × mmol/L / (mmol/meq) × (100mg/2meq) = 100mg NaCl/L as CaCO3 문제 2-12 초기 153mg/L CaSO4가 있다면, 1L에 반응시켜야할 소다회(Na2CO3)의 질량은? 반응식 Na2CO3 + CaSO4 → CaCO3 + Na2SO4 153mg/L CaSO4의 당량 (153mg/L) / (136mg / 2meq) = 2.25meq/L 필요한 Na2CO3의 질량 2.25meq/L × (106mg / 2meq) = mg/L

16 문제 2-13 문제 2-14 Mg(HCO3)2 246g의 화학 당량으로 요구되는 CaO는 몇 g 인가?
Mg(HCO3)2 당량 무게 146.3g / 2eq = 73.2g/eq CaO 당량 무게 g / 2eq = 28.0g/eq 문제 2-14 다음성분과 화합물의 농도를 CaCO3㎎/L로 표시하라. Ca2+ 95㎎/L Na+ 125 ㎎/L NaHCO3 189 ㎎/L

17 문제 2-15 다음의 원소와 화합물의 몰농도를 CaCO3㎎/L로 나타내어라. Al3+ 1.0× 10-2 mol/L
SO × 10-3 mol/L Cl- 3.2 × 10-3 mol/L CaSO4 1.8 × 10-3 mol/L NaOH 3.5 ×10-3 mol/L

18 화학 반응에 대한 질량작용식 (Mass Action Reaction)
AxBy ↔ xA + yB Solid compound ionic components [AxBy] = Ks(일정), [A]x[B]y = KKs = K네 Ksp: Solubility Product 이온쌍의 용해도곱 (Solubility Product) 예 평형식 Ksp, 25℃ 환경공학에서의 중요성 MgCO3 ↔ Mg2+ + CO32- 4 × 10-5 경도제거, 스케일 형성 Mg(OH)2 ↔ Mg2+ + 2OH- 9 × 10-12 CaCO3 ↔ Ca2+ + CO32- 5 × 10-9 Ca(OH)2 ↔ Ca2+ + 2OH- 8 × 10-6 경도제거 CaSO4 ↔ Ca2+ + SO42- 2 × 10-5 배기가스 탈황 Zn(OH)2 ↔ Zn2+ + 2OH- 3 × 10-17 중금속 제거 Al(OH)3 ↔ Al3+ + 3OH- 1 × 10-32 응집 Fe(OH)3 ↔ Fe3+ + 3OH- 6 × 10-36 응집, 철분제거, 부식 Ca3(PO4)2 ↔ 3Ca2+ + 2PO43- 1 × 10-27 인산염 제거 AgCl ↔ Ag+ + Cl- 3 × 10-10 염소분석 및 침전

19 문제 2-16 MgCO3의 해리에 대한 용해도곱은 4×10-5이다. 평형상태에서 Mg2+와 CO32-의 농도를 결정하라. MgCO3 ↔ Mg2+ + CO32- [Mg2+][CO32-] = 4×10-5 Mg2+를 x라 가정 하면, CO32- 역시 x가 됨. [x][x] = x2 = 4×10-5 x = 6.3×10-3 Mg2+ = CO32- = 6.3×10-3 mol/L 예제 2-4 Mg(OH)2의 해리에 대한 용해도곱은 9×10-12이다. 평형상태에서 Mg2+와 OH-의 농도를 결정하여 CaCO3 ㎎/L로 나타내어라. Mg(OH)2 ↔ Mg2+ + 2OH- [Mg2+][OH-]2 = 9×10-12 Mg2+를 x라 가정 하면, OH-는 2x가 됨. [x][2x]2 = 4x3 = 9×10-12 x = 1.3×10-4 Mg2+ = x = 1.3×10-4 mol/L (1.3×10-4 mol/L) / (mol/2eq) × 50g/eq = 13㎎/L as CaCO3 OH- = 2x = 2.6×10-4mol/L = (2.6× 10-4 mol/L) / (mol/eq) × 50g/eq = 13㎎/L as CaCO3

20 2-8 전 용존 고형물(Total Dissolved Solid)
정의 여과한 후에 남아있는 고형물질로 대부분이 이온성 물질 영향 심미적으로 좋지 못한 색과 냄새, 맛 등을 유발 측정 현탁 고형물질을 여과를 통해 제거하고, 여과된 물을 증발 건조시켜 건조전후의 무게차로 확인 자연수계의 공통이온 (Common ions in natural water) 주요 성분 (Major Constituents) 1.0~ ㎎/ℓ 2차 성분 (Secondary Constituents) 0.01~10.0 ㎎/ℓ Sodium (Na+) Iron (Fe2+) Calcium (Ca2+) Potassium (K+) Magnesium (Mg2+) Carbonate (CO32-) Bicarbonate (HCO3-) Nitrate (NO3-) Sulfate (SO42-) Fluoride (F-) Chloride (Cl-) Boron (B) Silica (SiO2)

21 예제 2-5 (Charge Balance) 수질 시료에 대한 공통 이온의 시험을 한 결과는 아래와 같다. 수지에 10% 오차가 허용된다. 이 분석이 완전하다고 할 수 있는가? 이온 농도 Ca2+ 55㎎/L Cl- 89 ㎎/L HCO3- 250 ㎎/L Mg2+ 18㎎/L Na+ 98 ㎎/L SO42- 60 ㎎/L 양이온 농도 (㎎/L) 당량 (㎎/meq) 당량농도(meq/L) 음이온 Ca2+ 55 40/2 2.75 Cl- 89 35.5/1 2.51 Mg2+ 18 24.3/2 1.48 HCO3- 250 61/1 4.10 Na+ 98 23/1 4.26 SO42- 60 96/2 1.25 총 계 8.49 7.86

22 문제 2-18 (Charge Balance) 하천의 물시료를 공통이온에 대해 분석한 결과는 다음과 같다. 양이온-음이온 수지에 있어서의 % 오차를 구하고 물에 대한 막대그림을 그려라. 이온 농도 Ca2+ 98㎎/L Cl- 89 ㎎/L HCO3- 317 ㎎/L Mg2+ 22㎎/L Na+ 71 ㎎/L SO42- 125 ㎎/L 양이온 농도 (㎎/L) 당량 (㎎/meq) 당량농도(meq/L) 음이온 Ca2+ 98 40/2 4.9 Cl- 89 35.5/1 2.5 Mg2+ 22 24.3/2 1.8 HCO3- 317 61/1 5.2 Na+ 71 23/1 3.1 SO42- 125 96/2 2.6 총 계 9.8 10.3

23 2-9 알카리도 물질(Alkalinity) 정의 발생원 주요 구성성분 및 반응 영향 측정
수소이온의 중화를 위해 반응할 수 있는 물 속의 이온 양 발생원 CO32-, HCO3-, OH-, HSiO3-, H2BO3-, HPO42-, H2PO4-, HS-와 NH4+ 등 토양 및 대기 중의 광물질들이 용해되어 생성 인산염 – 폐수 중의 세제와 농경지의 비료나 살충제 황화수소, 암모니아 – 미생물의 분해 주요 구성성분 및 반응 탄산수소염(HCO3-), 탄산염(CO32-)과 수산화물(OH-) 광물질, 대기중 이산화탄소, 미생물 분해 등에 의해 생성 CO2 + H2O ↔ H2CO3* (용존 CO2 와 탄산) H2CO3* ↔ H+ + HCO3- (탄산수소염) HCO ↔ H+ + CO32- (탄산염) CO32- + H2O ↔ HCO3- + OH- (수산화물) 영향 물에 쓴맛을 발생시킴 수중에서 다른 양이온들과 반응, 침전물 발생 측정 물을 산으로 적정하여 수소당량을 결정하는 방법 단위는 CaCO3 mg/L로 표현 0.02N H2SO4 1ml는 CaCO3로 알카리도 1mg을 중화

24 pH에 대한 알카리도 성분 예제 2-6 전 알카리도가 100mg CaCO3 /L 인 25℃의 물에서 계산한 값
물 시료 200ml의 초기 pH는 10이다. 시료를 pH를 4.5까지 적정하는데 필요한 0.02N H2SO4는 30ml이다. 물의 전 알카리도는 CaCO3로서 몇 mg/L 인가?

25 알카리도 적정곡선 pH에 따른 알카리도 물질의 중화 pH 8.3 : 모든 수산화물과 탄산염의 반이 중화
P = pH 8.3에 도달하는 필요한 산의 양 M = pH 4.5에 도달하는데 필요한 산의 전량 P = M, 모든 알카리도는 OH- P = M/2, 모든 알카리도는 CO32- P = 0, 초기 pH는 8.3 이하이며, 모든 알카리도는 HCO3- P < M/2, 우세한 물질은 CO32-, HCO3- P > M/2, 우세한 물질은 OH-, CO32-

26 예제 2-7 물 시료 200ml의 초기 pH는 10이다. 시료를 pH 8.3까지 적정하는데 H2SO4는 11ml가 소모되었고, pH 4.5까지 적정하는데 필요한 0.02N H2SO4는 30ml이다. 알카리도의 각 물질과 그 양을 결정하여라. OH- 결정 pH 10 = pOH 4 5mg/L as CaCO3 → 1mg/200ml as CaCO3 1mg/200ml as CaCO3 → 1ml-0.02N H2SO4/200ml CO32- 결정 CO32- = (P – OH- )× 2 = (11ml –1ml ) × 2 = 20ml-0.02N H2SO4/200ml = 20mg-CaCO3/200ml HCO3- 결정 HCO3- = (M - OH- - CO32-)= (30ml – 1ml – 20ml) = 9ml-0.02N H2SO4/200ml = 9mg-CaCO3/200ml

27 문제 2-28 물 시료 100ml의 초기 pH는 9.5이다. 시료를 pH 8.3까지 적정하는데 H2SO4는 6.2ml가 소모되었고, pH 4.5까지 적정하는데 0.02N H2SO4는 9.8ml가 필요하다. 이 용액의 알카리도의 각 물질과 그 양을 결정하여라. OH- 결정 pH 9.5 = pOH 4.5 1.58mg/L as CaCO3 → mg/100ml as CaCO3 → ml-0.02N H2SO4/100ml CO32- 결정 CO32- = (P – OH- )× 2 = (6.2ml –0.158ml ) × 2 = ml-0.02N H2SO4/100ml = mg-CaCO3/100ml HCO3- 결정 HCO3- = (M - OH- - CO32-)= (16ml-0.158ml ml) = 3.758ml-0.02N H2SO4/100ml = 3.758mg-CaCO3/100ml 총 알카리도 = = 160 mg/L as CaCO3

28 2-10 경도(Hardness) 정의 용액 중 다가금속의 양이온 농도로 정의 과포화 시 물속의 음이온과 반응하여 침전물을 형성
알카리도에 상당하는 경도는 탄산경도이며, 나머지는 비탄산경도로 불리움 Ca(HCO3)2 → CaCO3 + CO2 + H2O Mg(HCO3)2 → Mg(OH)2 + 2CO2 발생원 자연수 중에 가장 많이 함유되어 있는 Ca2+, Mg2+ 환원상태의 Fe2+, Mn2+ 그리고 Sr2+, Al3+ 영향 비누의 과다 사용으로 인해 경제적 손실을 유발 2NaCO2C17H33 + 양이온2+ → 양이온(CO2C17H33)2 + 2Na+ 다가의 양이온과 결합하여 침전, 계면활성도를 잃음 온수파이프의 막힘, 침전물 퇴적 유발 일반적인 경도의 기준 연수 < 50 mg/L as CaCO3 약한연수 ~ 150 mg/L as CaCO3 경수 ~ 300 mg/L as CaCO3 강한경수 > 300 mg/L as CaCO3

29 2-11 Fluoride (F-) 2-12 금속 다량의 플루오르는 인간과 다른 동물에게 해를 주지만, 저농도에서는 유익
음료수 내 1.0 mg/L 정도의 플루오라이드는 영구치가 생기는 기간 동안 더 강한 이를 형성 2-12 금속 모든 금속은 물에 어느 정도 용해, 과잉 존재시 건강상 위해 상대적으로 적은 양에 건강상 위해를 미치는 중금속을 독성 금속이라하며, 그 외는 비독성 물질. 비독성 금속(non-toxic metal) 칼슘, 마그네슘, 나트륨, 철, 망간, 알루미늄, 구리 나트륨 - 쓴 맛, 심장 및 신장환자들에 위해 철, 망간 - 색도 문제 유발 독성 금속(toxic metal) 비소, 바륨, 카드뮴, 크롬, 납, 수은 및 은 비소, 카드뮴, 납, 수은 등은 축적성을 가져 먹이연쇄에 의해 농축 대부분의 수계에서 미량으로 존재

30 2-13 유기물(organics) 자연 발생 또는 인간활동에 의해 배출되어 물에 용해
유기물은 생분해성과 비분해성으로 크게 구분 생분해성 유기물(biodegradable organics) 미생물에 의해 어느 정도의 시간 내에 먹이로서 사용될 수 있는 유기물 용존상태로서 전분, 지방, 단백질, 알코올, 산 등으로 구성 미생물에 의한 용존 유기물의 이용은 산화와 환원반응이 동반 호기성 환경에서 유기물 분해의 최종산물은 안정된 화합물 혐기성 환경에서 유기물 분해의 최종산물은 불안정한 화합물 산화 – 유기분자의 원소에서 산소가 붙거나 수소가 떨어져 나감 환원 – 유기분자의 원소에서 수소가 붙거나 산소가 떨어져 나감 호기 – 용존산소가 존재하는 환경 혐기 – 용존산소가 존재하지 않는 환경 생화학적 산소요구량(biochemical oxygen demand) 미생물의 유기물 소비에 따른 산소 소모량 300ml 병에 시료를 넣고 20℃에서 5일간 배양, 5일간의 용존산소 소모량을 통해 물속의 유기물 농도를 계산 DOi : 초기 용존산소 농도(㎎/ℓ) DOf : 최종 용존산소 농도(㎎/ℓ) P : 희석배수(희석시료량/전체시료량)

31 DO 측정기, BOD 병

32 희석에 따른 BOD 측정 범위 예제 2-8 BOD의 결정
전체 시료 중 혼합 % 300 ㎖ 중 직접 주입부피 % 혼합물 측정 범위 ㎖ 측정범위 100 0-7 300 50 4-14 6-21 10 20-70 12-42 1 60-210 0.1 예제 2-8 BOD의 결정 폐수의 예상 BOD는 50~200 ㎎/ℓ이다. 이 시료에 대해 아래의 표와 같이 배율을 달리하여 세 종류의 시료로 희석하고 5일간 20℃에서 배양하였다. 세번째 시료의 측정값을 무시한다면 이 시료의 BOD 농도는 얼마인가. 주입량 (㎖) DO0 (㎎/ℓ) DO5 소비된 O2 BOD 5 9.2 6.9 2.3 138 10 9.1 4.4 4.7 142 20 8.9 1.5 7.4 110

33 유기물 소비속도 미생물에 의한 유기물 소비속도는 1차 반응이라고 가정 상기식을 적분하여 정리하면 아래와 같다.
Lt(㎎/ℓ) : 시간 t 에서 유기물의 산소당량 k (d-1) : 반응상수 상기식을 적분하여 정리하면 아래와 같다. L0((㎎/ℓ) : 시간 0 에서 유기물의 산소당량 유기물은 시간의 흐름에 따라 지수적으로 분해된다. BOD 농도는 지수적으로 증가 DO 농도는 지수적으로 감소

34 BOD와 산소 당량 관계 유기물 소비속도 유기물 소비에 사용된 산소량(BODt) 계산
L0와 Lt의 차이가 소모된 산소당량 또는 소비된 BODt 유기화합물의 탄소성분에 의한 BOD(㎎/ℓ) 질소나 황과 같은 다른 유기물성분에 의해서도 산소소모

35 반응상수 k와 BOD 소비곡선 반응속도 k 최종 BOD에는 영향을 미치지 않으나, BOD 반응속도 결정 물의 종류
화합물의 종류에 따라 달라지며, 온도에 따라서도 변화 물의 종류 k (d-1) Yu(㎎/ℓ) 수돗물 < 0.1 0~1 지표수 0.1 ~ 0.23 1 ~ 30 약한 도시폐수 0.35 150 강한 도시폐수 0.40 250 처리수 0.12 ~ 0.23 10 ~ 30

36 예제 2-9 BOD 계산 폐수의 BOD5는 20℃에서 150㎎/ℓ이다. k값은 0.23d-1로 알려져 있다. 시험이 15℃에서 이루어 진다면 BOD8은 얼마인가? 최종 BOD 계산 K20을 k15로 보정 K15에서 BOD8 계산

37 비생분해성 유기물 (nonbiodegradable organics)
생물학적 분해가 잘 일어나지 않는 유기물질 자연수계에서 탄닌과 리그닌산, 셀룰로오스와 페놀 등이 있음 강한 분자결합(다당류), 고리형태 구조(벤젠) 영향 ABS - 폐수처리장에서 거품발생, 고형물을 안정화시켜 탁도 증가 유기살충제, 공업용 화학약품, 염소와 결합한 탄화수소 화합물 – 균에 대해 독성을 나타내므로 비생분해성, 대부분 축정성 독성물질로 작용 측정 화학적 산소 요구량(COD) 시험으로 측정 전 유기탄소(TOC) 분석으로 추정 비생분해성 유기물은 COD 또는 TOC에서 BODu를 뺀값으로 측정

38 2-14 영양염류 (nutrients) 질소 (N) 식물과 동물의 성장 및 번식을 위해 필수적인 원소
탄소, 질소, 인 및 기타 미량원소 탄소는 여러 발생원을 통해 공급되며, 주로 질소와 인이 수중 생물의 성장에 제한 인자가 됨 질소 (N) 질소가스(N2)는 대기권의 주요 구성 성분 단백질, 클로리필 및 많은 생물학적 화합물의 주요 구성성분이 됨. 수계 내 질소형태 NH4+, NO2-, NO3- 배출원 동식물의 사체 동물의 배설물, 화학약품, 폐수배출 영향 NH4+, NO2- - 생물학적 산소 요구량을 증가시킴 NO blue baby 또는 청백증

39 질소 순환과정

40 인 (P) 생물학적 수질 매개변수 동식물 조직의 주요 구성요소이며, 수계 내에서는 인산염(PO43-) 형태로만 존재
수계 내 인 형태 orthophosphate, condensed phosphates (pyro-, meta-, and polyphosphates) 배출원 인산염 비료, 동물의 배설물, 도시폐수, 세제, 산업폐기물 영향 인체에 대한 독성은 없으나, 수계 내 직간접적인 위협 수중 식물이 급격히 성장 생물학적 수질 매개변수 수중의 모든 생물군은 각각 어느 정도 수질 매개변수로 작용 생물군의 존재여부로 물의 특성을 간접적으로 확인 종다양성 지표를 정성적인 매개변수로 활용

41 보편적인 수인성 병원균 (Waterborne Infection)
2-15 병원균 (pathogen) 성장 및 번식을 위해 동물 숙주를 필요로 하며, 수계 내로 이동하여 일시적인 수중 생물군의 일원이 됨 대부분의 병원균들은 수중에서 생존할 수 있어 상당기간 전염능력을 보유 대표적인 수인성 병원균으로는 박테리아, 바이러스, 원생동물 및 기생충 들이 포함 보편적인 수인성 병원균 (Waterborne Infection) 생 물 질 병 박테리아 Francisvlla tulurvnsis Leptogpirae Salmonella paratyphi (A,B,C) Salmonella typhi Shigella Vibrio comma(Vibrio cholerae) 아토병(사슴 파리 열병) Leptospirosis (Weil씨 병, 돼지 치기병, 출혈성 황달) 파라티푸스(장열) 장티푸스(장열) Shigellosis(세균성 이질) 콜레라(Asiatic, Indian, El Tor) 바이러스 Enteric cytopathogenic human orphan Poliomyelitis 무균성 수막염, 유행성 발질, 유아성 설사 급성 소아마비, 소아성 마비 원생동물 Giardia lamblia Giardiasis 기생충(기생 벌레) Dracunculus medinensis 뱀, 날도마뱀 벌레 감염증

42 박테리아(bacteria) 바이러스(virus) 원생동물(protozoa)
막대, 지팡이를 의미하는 희랍어로서, 주위 환경으로 부터 원형질을 합성할 수 있는 가장 낮은 단세포 미생물 위장 장애와 같은 공통적인 증상은 수인성 병원균에 기인 콜레라 – 18세기, 19세기 유럽에 만연, 구토와 설사 동반 장티푸스 – 위장장해, 고열, 궤양 등 바이러스(virus) 가장 작은 생물구조를 가진 것으로, 자신의 번식에 필요한 정보를 가지고 있는 절대 기생균 소아마비 및 전염성 간염과 같은 신경계통의 장해 개인 면역에 따라 소아마비는 감소추세, 반면, 오염된 조개류에 의한 간염 발생 원생동물(protozoa) 가장 낮은 형태의 동물상 박테리아에 의한 전염보다 약간 둔한 위장 장해 Giardia lamblia가 대표적인 병원균

43 2-16 병원균 지표 (pathogen indicator)
지표균 – 존재 유무로 오염정도를 예상할 수 있고 오염물질의 성질과 정도를 알수 있는 균 이상적인 병원균 지표 모든 물의 형태에 적용 가능할 것 병원균이 있을 때는 항상 존재할 것 병원균이 없을 때는 항상 없을 것 이질적인 균에 의해서 방해를 받지 않을 것 실험자의 안전을 위해서 병원균 자체는 아니어야 함 수인성 병원균의 지표 사람의 내장에서 나온 균으로 위의 조건으 만족시키는 균이 좋은 지표균이 됨 대장균군, Escherichia coli로서 배설물과 함께 배출 계수방법 막 여과법 – 0.45㎛ 공극의 막으로 걸른 뒤 배지에서 배양 다중관 발효법 – 대장균의 최종생성물인 이산화탄소의 유무를 통해 확인 (추정, 확정, 완전 시험 세 단계로 실시) 단위는 100ml 당 MPN(most probable number)로 표현

44 다중관 발효법에 의한 전 대장균 분석과정

45 예제 2-10 대장균의 최확수 결정 대장균에 대한 잘못된 인식
표준 다중관 시험법을 이용하여 하천 시료의 수지을 조사하였다. 확정시험에 대한 시험결과는 아래와 같다. 대장균군의 MPN을 구하여라. 시료주입량 10, 1, 0.1 조건의 양성관을 선택 → 26 MPN/100ml 시료주입량 1, 0.1, 0.01 조건의 양성관을 선택 → 90 MPN/100ml 시료크기 (ml) 양성수 음성수 10 4 1 2 3 0.1 0.01 0.001 5 대장균에 대한 잘못된 인식 대장균은 병원균이 아니며, 대장균 실험법에 의해 병원균이 검출되는 것은 아님 대장균군은 인축의 장관내에 생식하므로, 수중내 존재시에는 인축분에 의한 오염을 의미 소화기계 병원세균에 의한 오염가능성을 의미

46 요망수질(water quality requirement)
농업용수, 오락시설 및 발전, 특정 공업용수 등의 사용목적에 따라 달라짐 먹는물 수질기준 수질환경기준 하천, 호소, 지하수, 해역 수질규제기준 폐수 배출허용 기준 하수 종말처리시설 등 방류수 수질기준 오수 처리시설 및 단독정화조 방류수 수질기준 분뇨처리시설 및 축산폐수처리시설의 방류수 수질기준 관리형 매립시설 침출수의 배출허용기준