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2. 수질(Water quality)
수질오염:
오염물질이 물의 자정능력을 초과하여 자연수체내로 배출될 때 해당 수체가 이용목적에 적합하지 않게 된 상태라고 말 할 수 있음
수질오염현상
물속에
산소가 없어지는 현상
중금속에 의한 오염
다도 주로 공장폐수에서 기인된다고 볼 수 있다.
으로 가정하수보
질소나 인과 같은 무기물이
물속으로 다량 들어왔을 경우로서 이는 주로 호수 나 저수지 등과 같이 정체된 수체에서 발생하는 오염현상
전염성 세균
에 의한 오염현상이다.
수질 오염원 (Water pollution source)
오염원: 크게 점 오염원과 비점오염원으로 나뉨 - 점오염원 (Point source): 한 지점에서 혹은 극히 좁은 구역내에서 오염물 질이 집중적으로 배출되는 곳을 말함 - 비점오염원(Non point source): 오염물질이 집중적으로 배출되지 않고 광 범위한 지역으로부터 배출되어 배출원을 하나의 점으로 파악하기 힘든 경 우 - 선오염원(Line source): 비행기, 자동차, 기차 등
2.1 용어의 해설(Terminology) 1. 기본적 단위 설명 가. % (percent) 농도 (1) 백분율 농도: 용액의 질량에 대한 용질의 질량비를 백분율로 나타내 사용 한다.
% 농도 = 용질 질량 ( + 용질 ) × 100 (2) W/V % (weight/volume) 농도 용액 100ml 중의 성분무게(g)수 또는 가스 100 ml중의 성분무게(g)수를 말 하며, 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.
나. 몰농도(mole:M)
보통 수중의 용존물질의 농도를 Mol농도로 표시하며, 이것은 용액 1L중에 존 재하는 gram 분자량의 수를 말한다. g 분자량은 해당 화합물의 분자량에 g을 붙여 나타낸다. 따라서 1몰 용액은 1g 분자량을 물에 녹인 다음 그 부피를 1L 로 만든 용액으로서 mole 농도가 같은 용액은 단위질량당 용존 물질의 분자 수가 같게 된다.
다. 노르말 농도(Normal: N)
규정농도라고도 하며 용액 1L중에 녹아있는 용질의 g 당량수를 말하며 N으 로 표시한다. 산-염기반응의 경우 H + 이온과 OH 이온수로 나눈 값이며 산화 환원반응에서는 주고 받는 전자수로 분자량을 나눈 값을 말한다.
CaCO 3 의 당량 -------------------------------- 100/2=50 H 2 SO 4 의 당량 -------------------------------- 98/2=49 Ca(OH) 2 의 당량 ------------------------------ 74/2=37
라. ppm (parts per million)
1L 중에 1mg 오염물질을 함유할 때의 농도(mg/L)를 1ppm으로 표시한다. 또한 mg/kg도 ppm과 같다.
ppm = 𝑚𝑜𝑙 농도 × 𝑔 용액의 밀도 mg/L = mol농도 × 분자량 ×10 3 g분자량 × 10 3 하천오염 또는 처리시설의 평가 및 효율을 표시 할때는 mg/l로 나타내고 농도 가 1mg/l보다 적을때는 ppb(μg/l)로 표시하고 농도가 10,000mg/l(=1 %)보다 클 때는 %로 표시한다.
수질평가항목
물리적 특성 -TS, SS, Turbidity, color, taste 등 화학적 특성 -TDS, Alkalinity, Hardness, Organic matters, metals 등 생물학적 특성 -병원균 지표, 대장균군 등
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
2. 현탁고형물(suspended solids; SS)
: 수중에 현탁해 있는 부유물질 또는 부유물질량을 나타낸다. 직경 2mm체를 통 과시켜서 거대 입자들을 제거함. 그 후 여지 또는 여지(1.2 μm)를 병용하는 유 리여과기로 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)
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
SS 실험방법
현탁고형물질(mg/L)=[b-a] x 1000/V a: 시료여과전의 유리섬유 거름종이 무게 [mg] b: 시료여과후의 유리섬유 거름종이 무게 [mg] V: 시료의 양 [ml] Whatman 여과지 GF/C
예제- 고형물 자료의 분석
다음 실험 결과는 폐수 처리장에서 시료를 채취해 얻은 것이다. 모든 실험에서 시 료 채취량은 50ml이었다. 총 고형물, 총 휘발성 고형물, 현탁 고형물(ss), 휘발성 현탁고형물의 농도를 결정하라.
증발접시의 무게 = 53.5433g
104℃ 증발후 잔여무게 + 증발접시의 무게 = 53.5793g
600℃ 소각후 잔여무게 + 증발접시의 무게 = 53.5772g
Whatman GF/C 여과지 무게 = 1.5433g
104℃ 건조후 Whatman GF/C 여과지 잔여무게 = 1.5553g
600℃ 소각후 Whatman GF/C 여과지 잔여무게 = 1.5531g
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 내 며 생물에 해를 미칠 수 있다. - 탁도 측정은 보통 폐수가 아닌 깨끗한 물에 이용된다.
광학적 방법
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
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 생 성시킬 때도 있음(유기물과 염소의 경우) - 냄새의 특성을 규명하려면 강도(intensity), 특질(character), 쾌락성(hedonics), 검출성(detectability) 등을 고려.
수중 냄새물질의 분류
냄새물질 아민류(Amines) 암모니아(Ammonia) 디아민류(Damines) 황화수소(Hydrogen sulfide) 머캅탄류(Mercaptans) 유기황(Organic sulfide) 스카톨(Skatole) 화학식 CH 3 (CH 2 ) n NH 2 NH 3 NH 2 (CH 2 ) n NH 2 H 2 S CH 3 SH;CH 3 (CH 2 ) n SH (CH 3 ) 2 S;CH 3 SSCH 3 C 8 H 5 NHCH 3 냄새묘사 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 희석 하여 전체를 200ml 혼합물로 만든다. 시료부피(A) mL TON TON = (A+B)/A A: 냄새나는 물 B: 증류수 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
100 200
온도(temperature)
: 지표수의 온도는 생물개체의 생존과 활동에 상당한 영향을 미침 -온도는 물에 대한 기체의 용해도에 큰 영향을 미침 - 낮은 온도에서는 생물의 활동속도가 늦어짐
화학적인 특성 pH(hydrogen ion exponent)
: 순수한 물은 해리하여 수소이온과 수산화이온으로 해리하여 10 -7 를 각각 가지게 된다.
mole/l의 농도 H 2 O H + + OH [H + ][OH ]/[H 2 O] = K [H + ][OH ] = K w = 10 -7 x 10 -7 = 10 -14 (mol/l) 수소이온농도를 몰농도로 나타내는 일은 다소 불편한 일이다. 이러한 난 점을 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 + ]
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
[H + ]=1M [H + ]=10 -7 M [H + ]=10 -14 M
pH의 계산
수산화 이온농도를 – 로그를 취하여 pOH로 나타낼 수 있는데 pH와 pOH의 관계는 다음과 같다.
pH + pOH = 14 pH = 14 - pOH pH = 14 – (-log[OH ])
pH = 14 + log[OH ]
pH 측정 방법
pH 메터기
알칼리도(alkalinity)
: 수중에 수산화물(OH ), 탄산염(CO 3 2 ), 중탄산염(HCO 3 2 )의 형태로 함유되어 있는 알칼리성을 이에 대응하는 CaCO 3 으로 환산하여 나타낸 것으로 물속에서 산을 중 화시키는데 필요한 능력의 척도가 된다.
- 자연수계의 알칼리도의 구성성분은 (CO 3 2 , HCO 3 , OH , H 2 BO 3 , HPO 4 2 , H 2 PO 4 , HS 와 NH 3 ) 등이다.
- 수산화물 > 탄산염 > 중탄산염의 순서로 기여가 크다.
알칼리도의 측정 및 계산
알칼리도는 0.02N황산으로 적정하여 측정하는 탄산칼슘 등가량으로 다음과 같이 환산 계산한다. 알칼리도(CaCO A: 소비된 산의 부피(ml) N: 산의 N농도 3 mg/l) = (A x N x 50 x 1000)/시료량(ml) 0.02N 황산 1ml는 알칼리도 1mg을 중화한다.
메틸 오렌지 지시약 페놀프탈레인 지시약 0.02N 황산용액 시료 100ml 페놀프탈레인 지 시약 3방울 0.02N-황산으로 적정(홍색이 무색이 될때까지 메틸오렌지 지시 약 3방울 0.02N-황산으로 적정(황색이 오렌지색이 될때까지
알칼리도 메터기
예제- 알칼리도의 결정
수질 시료 200ml의 초기 pH는 10이다. 시료를 pH 4.5까지 적정하는데 필요한 0.02N 황산(H 2 SO 4 )는 30ml이다. 물의 전 알칼리도는 CaCO 3 로서 몇 mg/l인가?
경도(hardness)
: 물속에 용해되어 있는 Ca Cl , NO 3 , SiO 3 2 )이 있음 2+ , Mg 2+ 등의 2가 양이온 금속이온에 의하여 발생하 며 이에 대응하는 CaCO 3 (ppm)으로 환산 표시한 값으로 물의 세기를 나타낸다.
-경도를 유발한 주요 양, 음이온들(Ca 2+ , Mg 2+ , Sr 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , HCO 3 2 , SO 4 2 , 경도 CaCO 3 mg/l = (M 2+ mg/l) x 50/(M 2+ 당량) 경도의 분류 mg/l 0-75 76-150 150-300 300 이상 경도(degree of hardness) 단물(soft) 약한 센물(mederately hard) 센물(hard) 대단히 센물(very hard)
경도의 종류
: 일시경도(temporary hardness), 영구경도(permanent hardness) 로 구별되고 양자를 합한 것을 총경도(total hardness) Ca2+, Mg2+ (hardness) 일시경도 HCO3-, CO32-, OH-(alkalinity) Na+, K+ (nonhardness) 염 형성 경도의 분류 SO42-, Cl-, NO3 (acid ion)
경도의 특성과 의의
센물: 표토층이 두텁고 석회암층이 존재하는 곳에서 발생하기 쉽다.
단물: 표토층이 얇고 석회암층이 없 거나 드문 지역에서 발생하기 쉽다.
지표수보다 지하수의 경도가 높다.
센물은 세탁효과를 저하시킨다 보일러, 온수관 장애 발생 위생적으로 나쁘다
.
.
: 센물속의 이온들이 비누와 먼저 결합반응하여 세척효과를 떨어뜨리며, 비누의 거 품을 만드는데 다량의 비누가 소비된다.
: 설비에 물때(Scale)를 만들어 각종 장치의 장애를 일으키며 열 효율을 떨어뜨린다.
: 경도가 높은 물을 마실때는 설사, 복통을 유발하게 된다.
예제- 총경도를 구하라 다음 아래표와 같이 수질 분석 결과를 얻었다. 총경도를 구하라 양이온(mg/l) Na Ca Mg Sr + 2+ 2+ 2+ 10 20 24 2.2
음이온(mg/l) Cl SO 4 2 NO 3 30 15 5
색 비교
플루오르화물 (fluoride)
: 다량의 플루오르는 인간과 다른 동물에게 해를 주지만, 적은 농도에서는 유 익하기도 하다.
- 음료수에 있어 1.0 mg/l 정도의 농도는 어린이들의 충치 현상을 방지 - 영구치가 생기는 동안 플루오르는 이의 에나멜과 화학적으로 결합하여 더 단단하고 강한 이가 되어 쉽게 파손되지 않는다.
- 플로오르의 과잉섭취는 이의 색깔을 퇴색시키기도 하며, 심한 퇴색을 반점 화(mottling)라고 한다.
금속(metal) 비독성 금속(non-toxic metal)
-경도 이온인 칼슘과 마그네슘이외에 다른 비독성 금속물질로서 나트륨, 철, 망 간, 알루미늄, 구리 및 아연 등이 수중에서 자주 검출된다.
- 구리와 아연은 동시 발생적이며 함께 존재하게 되면 적은 양이라도 많은 생 물종에 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.
유기물(organic materials) 생분해성 유기물(biodegradable organics)
-자연적으로 발생하는 미생물에 의해 어느 정도의 시간내에 먹이로서 사용 될 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.
영양염류(nutrients)
질소(N 된다.
2 ) -단백질, 클로로필 및 많은 생물학적 화합물의 구성성분이다.
- 산소가 존재시 암모니아는 산화되어 아질산염이 되고 이는 다시 질산염으로 인(P; phosphorous) -인은 수중에서는 인산염(PO 4 3 화학응집을 방해하기 때문이다.
) 형태로만 나타난다.
- 폐수처리 공정을 방해하기도 한다. 0.2mg/l 정도의 낮은 농도에서도 탁도의
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.
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 양 성과 음성으로 판정된 시료수에 따라 계산하며 100cc 중에 포함된 대장균수 를 나타낸다.
MPN = 양성시료수 ×100 ( 음성시료 총량 ,𝑚𝑙)( 총시료량 ,𝑚𝑙) 예제 어떤 하천물에 대한 대장균군시험에서 5개의 10ml 시료, 5개의 1ml 시료, 5 개의 0.1ml 시료에 대하여 실시하였다. 그 결과 10ml 중 3개, 1ml 중 2개, 0.1 ml 중 1개가 양성반응을 나타냈다. 이물의 대장균군에 대한 MPN을 구하여 라.
하천의 자정작용(self-purification)
1) 자정작용(self-purification) - 오염된 하천이 여러 가지 자연현상(물리, 화학, 생물학적 작용)에 의하여 오염 물질의 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 한 다.
- 하천의 환경용량에 미치는 환경인자로는 수온, 용존산소량, 태양방사선량, pH 수온 용존산소 자정효과
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(℃) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 산소의 포화농도(mg/l) 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
산 소 포 화 농 도 수온
오염물질 유입지점으로부터 하류의 용존산소 변화
산소 소모율 = k 1 (L 0 -y) = K 1 L 1
L L K 0 1 1 : 유기물질을 분해하는데 필요한 총 산소량 (mg/l), 최종 BOD라고 함 : t일 지난 후의 BOD(mg/l) y: t일 동안에 소모된 산소량 : 탈산소 계수(day -1 )
산소 공급율 = K 2 D
D: 시간 t에서의 용존산소 부족량(Dos-DO) (용존산소 포화농도와 실제용존산소 농도와의 차이(mg/l)) DOs: 포화용존산소량 DO: 하천의 주어진 위치에서의 용존산소 K 2 : 재포기 계수(하천의 크기에는 무관하고, 하천의 유속, 깊 이 등에 따라 다르다(day -1 ))
초기산소결핍량 계산
D o =DO s -
𝑄
𝑤
𝐷𝑂
𝑤
+𝑄𝑟𝐷𝑂𝑟 𝑄
𝑤
+𝑄𝑟
D o DO s : 혼합된 강과 하수의 초기 산소결핍량 : 어떤 온도에서의 포화 용존산소량 DO w : 하수의 DO DO Q Q r w r : 하수 배출 지점 상류에서의 하천의 DO : 하수의 유량(m3/s) : 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, BOD 는 6 mg/l이다. 하수의 용존산소농도와 유량은 각각 2mg/l, 1.1 m3/s이다. 수 온은 20℃이다. 만약 하수가 하천에 완전히 순간적으로 섞인다면 초기 산소결 핍양을 구하여라(단, 20℃에서의 포화용존산소는 9.2mg/l이다.)
생화학적 산소요구량(biochemical oxygen demand;BOD)
BOD: 물에 함유된 유기오염물의 지표로서 가장 광범위하게 이용되 는 것이 생화학적 산소요구량이다. 이는, 미생물의 유기물 소비에 따 른 산소 소모량을 생화학적 산소 요구량(BOD)이라 한다.
BOD 실험은 5일 동안 행하여지므 로 5일 BOD(BOD5)라고 함. 20일 동안 배양한 BOD을 최종 BODu (Ultimate BOD)라고 함
1) 희석수에 식종(seeding)을 안한 경우:
BOD =
𝐷𝑂 𝑖 − 𝐷𝑂 𝑓 𝑝 𝐷𝑂 𝑖 와 𝐷𝑂 𝑓 는 초기 및 최종의 용존산소농도 (𝑚𝑔/𝑙) P = 희석배율 = 폐수의 부피 / (폐수의 부피 + 희석수의 부피) 2) 희석수에 식종(seeding)을 한 경우;
BOD m V m = BOD·V + BOD d V d
BOD BOD V d m d : 폐수와 식종희석수 혼합물의 BOD BOD : 폐수만의 BOD : 식종 희석수의 BOD V: 폐수만의 부피 : 희석수의 부피 V m : 희석된 시료의 부피 = V d + V B i : 식종 희석수의 초기 DO B f : 식종 희석수의 마지막 DO P는 희석률 = V/V m 이므로 (1-p)는 식종 희석수의 비율 (V d /V m )이 된다.
예제- 식종이 없는 경우의 BOD5 실험 10ml의 시료를 300ml의 BOD병에 넣은 후 희석수를 채웠다. 초기 DO는 9.0mg/l였다. 실험을 정확하게 하기 위해 5일동안 DO가 2mg/l 정도로 떨어지는 것이 바람직하며, 최종의 DO가 2.0 mg/l 이상 존재해야 한다. 이 희석률은 어는 정도의 BOD5 값에서 올바른 값을 보일까?
예제- 식종이 있는 경우의 BOD5 실험 식종 희석수는 5일후 DO가 1.0mg/l 떨어졌다. 300ml의 BOD병에 15ml의 폐수 를 넣은 후 나머지는 식종된 희석수로 채웠다. (희석비 1:20). 이 희석된 시료는 5 일동안 DO가 7.2mg/l 떨어졌다. 폐수의 BOD5는 얼마인가?
예제- BOD5 계산 시료온도 = 20℃, 최초의 DO는 포화되어 있으며, 희석비율 1:30, 식종 희석한 희 석수의 최종 DO = 8mg/l, 시료와 희석한 물의 최종 DO = 2mg/l, BOD 병 용량 은 300ml이다.(20℃에서 산화포화농도는 9.2mg/L라고 하자)
BOD 시험의 한계
1) 활성이 있고 순화된 종균의 박테리아가 다량 필요 2) 독성 폐수일 때는 전처리가 필요하고 3) 질화 박테리아의 영향을 배제하여야 하며 4) 생분해성 유기물만이 측정되며 5) 시료중의 용해성 유기물의 양과 BOD실험의 결과 산정한 산소 소비량은 정확히 일치하지 않을 수 있으며 6) 결과를 얻기까지 장시간이 필요하다는 점
질소성 생화학적 산소요구량(nitrogenous biochemical oxygen demand;NBOD) 𝑁𝐻 3 + 𝑁𝐻𝑂 2 + 3 2 𝑂 2 1 2 𝑂 2 → → 𝑁𝐻 3 + 2𝑂 2 → 𝐻𝑁𝑂 2 + 𝐻 2 𝑂 𝐻𝑁𝑂 𝐻𝑁𝑂 3 3 + 𝐻 2 𝑂 BOD 곡선
화학적 산소요구량(chemical oxygen demand; COD) 유기물(C
a
H
b
O
c
) + Cr
2
O
7 2-
+ H
+
→ Cr
3+ 가열
+ CO
2
+ H
2
O
BOD와 COD와의 관계
1) 일반적으로 COD ≥ BOD의 관계를 나타낸다.
2) COD = BOD : 그 폐수내 유기물질을 생화학적으로 완전히 미생물에 의해 서 분해 가능한 경우 3) COD > BOD : 그 유기물질이 생화학적으로 분해 불가능한 물질을 어느정 도 함유하고 있음을 의미 4) COD >>> BOD : 그 폐수가 생화학적으로 분해 불가능한 유기물로 구성 되어 있거나 혹은 미생물에 독성을 끼치는 물질을 함유한 상태 5) BOD > COD : BOD 실험중에 질산화 또는 COD 실험에 방해되는 물질이 폐수내에 존재함을 의미하여 폐수내에 방해물질이 없다면 방향족 화합물 등이 함유된 공장폐수의 경우이다.
CODcr = 2 × BOD B-COD: 분해가능한 COD (70%) N-COD: 분해 불가능한 COD (30%)
3. 물의 오염 및 해석
3.1 물 오염
• 정의: 산업 활동을 비롯한 인간의 활동에 따라 배출되는 오수, 하수, 폐수 등 이 공공수역에 유입되어 수질을 악화시킴으로써 사람과 동식물의 건강이나 재 산, 생활환경에 피해를 발생시키는 것을 말한다. [환경정책기본법]과 [수질 및 수생태계 보전에 관한 법률] 등을 제정하여 수질관리를 수행하고 있음.
• 물 오염의 역사 -가장 오래된 기록은 기원전 3천년경으로 수메리아의 한 도시에서 급수용으로 우물을 사 용하였으며 도시 내에서 대규모 하수시설을 갖추었던 기록이 있음 - 기원전 2천년 경에는 물을 여러가지 방법으로 정수한다고 하는 기록이 있음 - 식수원으로 우물을 사용했다고 하는 기록은 페르시아, 이집트, 인도, 중극 등에서 찾아 볼 수 있음.
-고대 예루살렘에서는 지하 저수조를 사용하였으며 그리스나 로마제국에서는 수도관을 이용하였음 -로마제국 시대에는 공중변소를 사용하였으며 그에 대한 규정도 있었다고 함 -중세시대 특히, 16세기 말에 발명된 펌프의 영향으로 근대에는 급수시설에 큰 발전을 가져오게 됨 -실질적으로 수질오염에 대한 관리가 행해지기 시작한 것은 19세기 산업혁명 이후라고 할 수 있음.
-19세기 중엽 영국에서 발생한 콜레라의 발생으로 지표수를 여과하여 음용수로 사용하 게 되었으며, 정수시설 운영에 대하여 체계적인 확립을 가져오게 됨 -현대에 들어 다양한 법과 제도가 많들어졌으며, 최근 다목적댐들이 많아지고 관리 면에 서도 양적인 관리에서 질적인 관리를 중시하는 흐름으로 전환되어 가고 있음.
물 오염의 원인
오염물질의 형태 분류
오염물질, 공통의 오염원 그리고 수반효과
자정작용
정의: 자연은 스스로 깨끗하게 하는 능력을 가지고 있으며, 각 생태계는 유기물 을 비롯한 오염물질이 유입되면 자기의 환경용량을 초과하지 않는 한 끊임없 이 이 능력을 발휘함으로써 모든 생물의 생활터전으로서의 조건을 유지하고 자 함
자정작용 단계
-자정작용은 물리·화학 및 생물학적 자정작용으로 나눌 수 있으며, 일반적 으로 지표수는 항상 자정작용의 영향을 받고 있다.
-다양한 인자에 영향을 받는다.
-겨울보다 여름에 자정작용이 크다.
1) 물리적 자정작용 - 희석, 확산, 혼합, 침전, 여과, 폭기 및 살균 등으로 수중의 오염물질 농도 가 감소하거나 폭기에 의해 공기중의 산소가 용해되어 유기물질의 분해 를 촉진시킴 - 표백과 살균은 각각 태양관선과 자외선에 의해 이루어짐 2) 화학적 자정작용 - 산화과정: 순수한 공기 중에서 흡수된 산소에 의해 유기물을 수중의 용존 산소보다 안정된 유기물이나 가스로 용해시킴 - 응집과정: 흡수된 산소에 의해 오염물질이 분해될때 발생되는 탄산가스 가 물의 pH를 증가시켜 수산화물의 생성을 촉진시키므로 용해되어 있는 철이나 망간 등을 침전시킴.
3) 생물학적 자정작용 - 분해작용: 세균이나 미생물들이 유기물질을 분해하여 안정된 무기물이나 가스로 변형시키는 작용. 호기성 분해 >혐기성 분해 - 광합성 작용: 플랑크톤과 미생물이 가스나 질소를 흡수해서 산소를 방출 하는 작용
자정단계 그림으로 설명
수질 및 수생태계별 생물학적 특성
수질분석 항목 및 분석
하천의 생활환경기준
3.2 부영양화(녹조)와 적조현상
● 부영양화
부영양화의 정의: 인간 활동의 결과 생성된 영양물질들이 호소에 과도하게 유입 되어 정상적인 물질순환상태가 교란되면 조류의 이상번식을 초래하게 되고 이것 은 먹이연쇄의 다음 단계에 연쇄적으로 영향을 미쳐 쓸모 없는 곳으로 변화시키게 되는데 이러한 변화의 단초가 되는 부영양 상태로 진행되는 과정 영양상태에 따른 호소의 변화
부영양화의 영향
• 직접적인 영향 -생물체, 특히 부유성 조류가 외부 영양 물질의 유입으로 영양결핍상태가 해결 되면서 태양에너지의 공급이 원활하여
유기물의 생산속도가 증가하고 개체증 가에 따라 종의 분포가 변하게 되는 것 이다.
• 간접적인 영향 -한 종의 생산성 증가가 서식처의 물리 화학적 환경을 변화시킬 때 일어나는 것으로 용존산소 농도의 변화, 광 투과 량 변화 등인데 이 결과는 그 생태계 내에서 직접적인 자원경쟁은 없으나
환 경을 공유하는 다른 종들에게 영향을 미치게 된다.
부영양화의 영향인자
: 식물성 플랑크톤의 영양원소는 탄소, 질소, 인과 미량원소들이다.
1) 물리학적 인자 -
온도 및 일조량, 체류기간
, 수표면 형태, 물질순환 등이 있음 - 하폭이 좁고 수심이 깊지 않은 강에서는 수초의 번성이나 부영 양화가 발생할 가능성이 있다. 그리고
수리학적 체류기간이 길 어질수록
부영양화가 발생할 가능성이 크다.
2) 화학적 인자 - 탄소, 수소, 황, 칼슘, 마그네슘, 질소, 인 등이 있으나
질소와 인
은 수초나 수중생물의 성장을 좌우하는 제한적인 요인이 된다.
- 질소는 조류에 의해 대기중으로부터 합성이 가능하므로 부영 양화의 주된 인자는 인이라고 추측하기도 한다.
3) 생물학적 인자 - 부영양화의 생물학적 인자로서는
엽록소를 가진 생물의 광합 성 작용이 주된 요인이다
. 수초의 번성과 수화현상을 초래 - 물고기는 부영양화의 진행여부에 따라 환경조건에 내성이 강 한 물고기로 교체되는 것으로 조사되었다.
영양물질의 한계 농도
한계영양물질 지표 클로로필-a 농도에 따른 영양화 상태
호소의 영양상태 분류 항목별 영양상태 분류
부영양화에 따른 수환경변화
① 심수층의 용존산소량의 감소 ② pH의 상승과 변화 ③ 질소, 인, 탄소와 같은 영양물질 농도 증가 ④ 조류의 다량 발생으로 인한 투명도 저하 ⑤ 규조류가 녹조류로 변화하여 미생물의 우점종이 출현 ⑥ 어종의 변화 부영양화에 따른 수이용가치의 변화
부영양화에 대한 대책
1) 영양물질 유입량의 저감 - 농경지로부터의 유입 비료물질의 양을 저감 - 생활하수나 산업폐수, 축산폐수의 철저한 처리감시와 관리를 통해 계획방 류수질에 적합하도록 유지 - 호수로 유입되는 물을 영향을 덜 받을 수 있는 주변 수용수계로 우회시키 는 방법 - 유입수로의 유속을 늦출 수 있도록 상류 침전지를 형성하는 방법 - 호소주변에 환경용량이 풍부한 습지를 확장 및 조성 2) 호소내 대책 - 근접한 곳의 수자원을 이용하여 희석, 세척하는 방법 - 여름철 성층현상시 저층부의 물을 빼주는 방법 - 바닥의 퇴적층을 준설하는 방법 - 황산구리(CuSO4)와 같은 약품을 이용한 조류의 제거방법 등
●적조현상
적조의 정의와 원인
적조의 영향
- 식물성 플랑크톤의 해수표층에의 밀집으로 해저층으로의 산소공급이 차단 되어 산소결핍현상을 나타냄 -해역 유기물질의 증가로 각종 세균의 증가를 초래하고 이것은 결국 수중 동 식물에 질병을 유발하고, 세균이 생산하는 독성물질이 어패류에 피해를 주게 됨 - 편모조류 중 일부 종은 세포 밖으로 점액물질을 분비하는데 이 점액질이 어패류의 호흡기관에 부착, 호흡장해를 일으키는데 최근 가두리 양식장에서 의 물고기의 대량 폐사 사고가 대표적인 예이다.
적조의 대책 • 사전대책 -연안의 산업활동 억제, 폐기물을 비롯한 오염물질의 투기제어, 해저퇴적물 제거, 다발지역에의 공기주입 등 • 사후대책 - 과산화수소 방제법과 황토살포법이 실효를 거둔 것으로 나타남
주요한 적조생물과 그 특징
여러 종류의 적조생물
적조편모조류의 생리적 특성
적조생물의 이상증식과 영양인자 간의 관계
3.3 물 오염의 대표적 사건
(1) 가정하수의 오염 - 1982년 독일의 함부르그 시에서 취수하여 급수한 벨베강의 콜레 라 환자 배설물 사건 - 1914년 스페인의 바르셀로나 시에서 급수하는 물이 장티푸스균 으로 오염 (2) 중금속으로 인한오염 - 중금속에 의한 오염은 산업화가 시작된 이래 널리 알려진 것으로 직접적인 생태계의 피해와 동식물을 통한 중금속의 인간 체내에 서의 축적으로 인한 피해가 나타남 - 1953-1959년에 걸쳐 일본 미나마따 마을에서 발생한 수은 중독 - 1968년 일본 도야마현에서 카드뮴에 의해 발생한 이따이이따이 병
(3) PCB 중독 -세계에서 유일하게 알려진 PCB중독사건은 1968년 일본 키타큐우슈우 시 에서 발생한 가네미창고㈜의 제품인 미강유 오염사건 (4) 유해화학물질에 의한 오염 - 1977년 미국의 뉴욕주 펄스시에서 발생한 복합 화학물질에 의한 오염사건 으로 일명 러브 캐널(love canal) 사건으로 알려짐 (5) 다이옥신에 의한 오염 - 1983년 미국의 미주리주에서 발생한 사건으로 고엽제 생산공장에서 부산 물로써 폐유 속에 다이옥신이 높은 농도로 함유된 것이 발견됨
(6) 하이테크에 따른 오염 - 1982년 미국의 캘리포니아주, 실리콘밸리에서 발생한 사건 - 1983년 일본의 효고현 도시바 공장에서 트리클로로에틸렌에 의한 지하수 오염사건 - 1986년 치바현의 도시바 반도체 공장에서 트리클로로 에틸렌에 의한 지하 수 오염사건 (7) 낙동강 페놀 사건 - 우리나라에서 1991년 봄에 발생한 페놀사건은 낙동강의 상수원을 페놀로 오염시킨 사건