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2. 수질(Water quality)
수질오염: 오염물질이 물의 자정능력을 초과하여 자연수체내로 배출될
때 해당 수체가 이용목적에 적합하지 않게 된 상태라고 말 할수 있음
수질오염현상
 물속에 산소가 없어지는 현상
 중금속에 의한 오염으로 가정하수보
다도 주로 공장폐수에서 기인된다고 볼
수 있다.
질소나 인과 같은 무기물이 물속으로
다량 들어왔을 경우로서 이는 주로 호수
나 저수지 등과 같이 정체된 수체에서
발생하는 오염현상
전염성 세균에 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.
용질 질량
% 농도 =
× 100
(용매+용질)
(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 산화환원반응에서는 주고 받는 전자수로 분자량을 나눈 값을 말한다.
CaCO3의 당량 -------------------------------- 100/2=50
H2SO4의 당량 -------------------------------- 98/2=49
Ca(OH)2의 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 =
𝑚𝑜𝑙농도 × 𝑔분자량 ×103
용액의 밀도
mg/L = mol농도 × g분자량 × 103
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
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]
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
CH3(CH2)nNH2
NH3
NH2(CH2)nNH2
H2S
CH3SH;CH3(CH2)nSH
(CH3)2S;CH3SSCH3
C8H5NHCH3
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 mole/l의 농도
를 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 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
[H+]=1M
2
3
4
5
6
7
8
[H+]=10-7M
9
10
11
12
13
14
[H+]=10-14M
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(CO32-), 중탄산염(HCO32-)의 형태로 함유되어 있는
알칼리성을 이에 대응하는 CaCO3으로 환산하여 나타낸 것으로 물속에서 산을 중
화시키는데 필요한 능력의 척도가 된다.
- 자연수계의 알칼리도의 구성성분은 (CO32-, HCO3-, OH-, H2BO3-, HPO42-, H2PO4-,
HS-와 NH3) 등이다.
- 수산화물 > 탄산염 > 중탄산염의 순서로 기여가 크다.
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 지
시약 3방울
0.02N-황산으로 적정(홍색이
무색이 될때까지
메틸 오렌지 지시약
페놀프탈레인 지시약
0.02N 황산용액
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(H2SO4)
는 30ml이다. 물의 전 알칼리도는 CaCO3로서 몇 mg/l인가?
경도(hardness)
: 물속에 용해되어 있는 Ca2+, Mg2+ 등의 2가 양이온 금속이온에 의하여 발생하
며 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
150-300
300 이상
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)
Na+, K+
(nonhardness)
일시경도
염 형성
경도의 분류
HCO3-, CO32-,
OH-(alkalinity)
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.
: 센물속의 이온들이 비누와 먼저 결합반응하여 세척효과를 떨어뜨리며, 비
누의 거품을 만드는데 다량의 비누가 소비된다.
보이러, 온수관 장애 발생
: 설비에 물때(Scale)를 만들어 각종 장치의 장애를 일으키며 열 효율을 떨어
뜨린다.
위생적으로 나쁘다.
: 경도가 높은 물을 마실때는 설사, 복통을 유발하게 된다.
예제- 총경도를 구하라
다음 아래표와 같이 수질 분석 결과를 얻었다. 총경도를 구하라
양이온(mg/l)
음이온(mg/l)
Na+
Ca2+
Mg2+
Sr2+
ClSO42NO3-
10
20
24
2.2
30
15
5
색 비교
플로오르(fluoride)
: 다량의 플루오르느 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 화학적 으로 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(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.
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(℃)
산소의 포화농도(mg/l)
0
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
산
소
포
화
농
도
수온
오염물질 유입지점으로부터 하류의 용존산소 변화
산소 소모율 = k1(L0-y)
= K1L1
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)
산소 공급율 = K2D
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, 깊
이 등에 따라 다르다(day-1))
초기산소결핍량 계산
𝑄𝑤𝐷𝑂𝑤+𝑄𝑟𝐷𝑂𝑟
Do =DOs 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, 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.)
예제
어떤 하천의 재포기 상수 K2가 0.4 day-1 이고, 유속이 8km/hr, 오염물 유입지점
의 하천에는 10mg/l의 산소로 포화되어 있다. 물과 폐수와의 혼합물의 산소요
구량은 20mg/l이고, 탈산소계수(K1)는 0.2 day-1였다. 오염물 유입지점으로부터
48km 떨어진 하류의 용존 산소농도는 얼마이겠는가?
생화학적 산소요구량(biochemical oxygen
demand;BOD)