물과 오염의 화학 | 수질 오염의 지표

pH(hydrogen ion exponent)

pH는 물의 산 또는 알칼리의 세기를 나타내는 데 이용되며 수소이온 농도(mol/L)의 역수에 상용대수(log)를 취하여 구한 값이다.

 

 

BOD(Bio-Chemical Oxygen Demand : 생화학적 산소 요구량)

BOD는 일반적으로 세균(bacteria)이 호기성 상태에서 분해 가능한 유기 물질을 20℃에서 5일간 안정화시키는데 소비한 산소량을 말한다. 그리고 이것은 수중에 함유된 분해 가능한 유기물질 함유량의 정도를 아는데 간접적 측정법으로도 이용된다. BOD는 5일 BOD 또는 BOD₅를 말하며 BOD 농도가 높다는 것은 수중에 유기물질이 다량 함유되어 세균이 이것을 분해하는 데 많은 양의 유리산소(O₂)를 소모했다는 것을 말한다. 반대로 BOD 농도가 낮다는 것은 수중에 유기 물질 함유량이 적어 세균이 이들을 분해하는데 적은 유리 산소를 소모했다는 것을 의미한다. BOD는 수질오염도를 측정하는데 널리 이용되고 있다.

 

BOD가 큰 하천수나 호수는 활발한 미생물의 작용에 의하여 물 속에 녹아 있는 산소가 다량 소모된다. 따라서 수질이 급격히 악화되어 많은 어류가 살기에 매우 부적당하게 된다. 메기는 BOD 2mg/L 이상, 연어는 BOD 3mg/L 이상이 되면 살기 어려우며 오염에 강한 잉어나 붕어도 BOD 5mg/L 이상에서는 살수가 없다. 더욱이 BOD 10mg/L 이상이 되면 물에서 악취가 난다.

 

우리나라 수질환경기준에 의하면 상수원수 1급수(또는 자연환경보전수)의 BOD를 1mg/L 이하로 규정하고 있다. 상수원수 2급수와 상수원수 3급수는 각각 BOD 3mg/L와 6mg/L 이하로 규정하고 있다. 상수원수 1급수란 여과 등에 의한 간이 정수처리 후 사용이 가능한 물을 말하며 상수원수 2급수란 침전여과 등에 의한 일반적 정수처리 후 사용 가능한 물을 말한다. 그러나 상수원수 3급수란 물의 오염도가 매우 높아서 일반 정수처리로는 음용수로서 사용할 수 없는 물을 말한다.

 

 

COD(Chemical Oxygen Demand : 화학적 산소 요구량)

COD는 BOD와 마찬가지로 물중의 유기물질을 간접적으로 측정하는 방법이다. 이것은 유기물질(분해가능한 물질 + 분해 불가능한 물질)을 강력한 산화제로 산화시킬 때 소모된 산화제의 양에 상당하는 산소량을 말한다. 일반적으로 폐수의 COD 값은 그 BOD 값보다 높은데 이것은 미생물에 의하여 분해되지 않는 유기물까지 화학적으로 산화되기 때문이다.

 

산화반응을 촉진하기 위하여 사용되는 물질을 산화제라 하며 중크롬산칼륨(K₂Cr₂O₇)과 과망간산칼륨(KMnO₄)이 COD 시험에 많이 이용된다. 그러나 환경오염공정시험법에서는 산화제로 0.025N-KMnO₄ 용액이 사용되고 있으며, 구미지역에서는 CODCr 시험법이, 한국과 일본 등에서는 CODMn 시험법이 이용되고 있다.

 

우리나라 수질환경기준에 의하면 BOD와 마찬가지로 상수원수 1급수와 상수원수 2급수 그리고 상수원수 3급수를 각각 COD 1mg/L와 3mg/L 그리고 6mg/L 이하로 규정하고 있다. 무기염류가 다량 함유된 해역에서는 COD의 규정만 설정되어 있다. 해역의 수질 1등급은 COD 1mg/L 이하의 수질로서 이는 수산 생물의 서식 및 산란에 적합한 수질을 말하며 2등급은 COD 2mg/L 이하의 수질을 말하는데 이 값보다 COD가 높으면 해수욕을 할 수가 없다.

 

 

DO(Dissolved Oxygen : 용존산소)

DO는 물의 오염상태를 나타내는 지표로서 물에 녹아 있는 유리 산소량(O₂)을 말한다. 일반적으로 하천수가 오염될 경우 유기물이 부패하므로 수중 미생물에 의하여 용존산소를 소비하게 된다. 따라서 용존산소가 부족하게 되면 어패류의 생존을 위협하게 된다. 한편 너무 빨리 하천수의 유기물이 분해되면 산소의 결핍으로 혐기성 상태가 되어 H₂S, NH₃, CH₄ 등을 발생시킨다.

 

대기 중에는 산소가 약 2L(v/v%) 함유되어 있으며 이 산소는 수면의 교란 상태 등에 의하여 물 속으로 분산되면서 흡수된다(Ficks 법칙). 물중에 용해되는 산소는 분압(partial pressure)에 의해서 어느 정도까지는 증가되다가 물의 온도, 압력 및 오염물의 농도에 따라 다르지만 정지된다. 이때 물 속에 녹아 있는 유리된 산소를 용존산소라 한다.

 

우리나라 수질환경기준에 의하면 상수원수 1급수의 DO를 7.5㎎/L 이상으로 규정하고 있는데 이는 연어나 송어의 부화에 적합한 수질 환경조건에 해당된다. 일반 수서생물의 생육 조건은 DO가 6㎎/L 이상이고, DO가 2㎎/L 이하인 경우에는 물에서 악취가 나며 이를 농업용수로 사용할 경우에는 뿌리가 썩게 된다. 바닷물의 경우는 다량의 무기염류로 인하여 DO가 하천수보다 적은데 일반적으로 5㎎/L 이상이면 양호하다고 한다.

 

 

SS(Suspended Solids : 부유물질)

SS는 무기 및 유기 물질을 함유한 0.1㎛ 이상부터 2㎜ 이하의 고형물질로서 물에 용해되지 않는 물질을 말한다. 그리고 수중에 부유하는 불용성 물질은 탁도(turbidity)의 원인이 되기도 한다. 물중에 부유물질이 유기물일 경우는 이것이 부패할 때 DO를 소모시키며 많을 경우는 어류의 아가미에 부착되어 폐사를 시킨다. 그리고 빛의 수중 전달률을 방해하거나 식물의 광합성에 장해를 일으킨다.

 

SS값의 측정은 미리 무게를 단 유리섬유 여과지(GF/C)를 여과기에 부착하여 일정량의 시료를 여과시킨 후 건조하여 무게를 달고 여과 전후의 유리 섬유 여과지의 무게차를 산출하여 부유물질의 양을 구한다.

 

 

알칼리도(Alkalinity)

알칼리도는 수질의 알칼리성 강약을 나타내는 지표로 나타낸 값이다. 수중의 알칼리(OH^-, HCO₃-, CO₃^2-)는 적당한 지시약(indicator)을 사용하여 황산 등의 강산(strong acid) 표준용액으로 중화적정하는데 소비되는 양을 CaCO₃로 환산하여 나타낸다. 이때 지시약으로 메틸오렌지(methyl orange : M.O.)를 사용한 경우에는 메틸오렌지 알칼리도(M-alkalinity), 페놀프탈레인(phenolphthalein : P.P.)을 사용한 경우에는 페놀프탈레인 알칼리도(P-alkalinity)라고 한다.

 

 

산도(Acidity)

산도는 알칼리성을 중화시킬 수 있는 능력을 말하며 산도의 유발물질은 CO₂가 대부분이다. 산도는 알칼리도 측정법의 반대로서, M. O. 지시약을 사용하여 0.02N- NaOH로 적정할 때 pH 4.5까지 소비된 NaOH량을 CaCO₃로 환산하여 나타낸다(M-산도). 그리고 다시 여기에 P. P. 지시약을 가해 종말점(end point)까지 계속해서 적정하며 pH 8.3까지 소비된 NaOH량을 CaCO₃로 환산해 P-산도를 나타낸다. 이때 최초부터 pH 8.3까지 구한 P-산도값을 총산도(total acidity)라고 한다.

 

 

경도(Hardness)

경도는 일반적으로 수중에 함유된 Ca²⁺, Mg²⁺의 함유량에 상당하는 양을 CaCO₃로 환산한 값이다. 그러나 실제로는 Ca²⁺, Mg²⁺ 외에도 금속 2가 양이온(Sr²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺ 등)의 함유량을 CaO 또는 CaCO₃의 상당량으로 환산해 나타낸 값이다. 경도는 물의 세기 정도를 나타낸 지수로서 다음 식으로 계산된다.

 

위의 식으로 계산된 값이 0～75mg/L일 경우는 연수(soft water)라 하고 75～150㎎/L일 경우는 경수(hard water)라고 한다. 특히 150～300㎎/L를 강한 경수, 300㎎/L 이상을 아주 강한 경수라 한다. 아주 경도가 높은 물을 섭취하게 되면 위장 장애 등을 일으키며 이런 물에는 세탁도 잘되지 않는다.

 

 

기타 오염지표

(1) 이화학적 지표

① 외관

자연수는 무색투명하여야 한다. 그러나 물의 색은 부유물질과 현탁물질 그리고 색상물질 등에 의하여 변화를 받는다. 따라서 탁도(turbidity)와 색도(color units)의 변화 정도에 따라 오염여부를 판정한다.

② 냄새와 맛

자연수는 무미무취하여야 하지만 혼합 또는 용해된 물질의 특성에 따라 다르다. 냄새와 맛은 감각적인 성질의 것으로 관능검사에 의해 오염 여부를 판정한다.

③ 중금속(heavy metals)

일반적으로 유해중금속은 카드뮴, 구리, 수은, 비소, 납 등으로 공장 폐수, 광산 및 제련소 등에서 하천에 방류되어 먹이사슬에 의하여 인체에 생축적되면 만성 중독을 일으킨다. 이 중금속들은 일반 분석법에 의하여 확인해야 한다.

④ 질소 화합물

수질 오염물질로 중요한 것은 NH3-N(암모니아성 질소), NO2-N(아질산성 질소) 및 NO3-N(질산성 질소)로서 이들 물질은 주로 단백질의 분해과정에서 생성되며 부영양화현상을 일으키는 영양염류이다. 이들의 분석은 일반 분석법에 의하여 확인해야 한다.

⑤ 염소이온(Cl^-)

염소이온의 값은 염소 자체의 증가에 따른 수질 오염보다는 가정하수의 유입에 의한 오염 여부를 판별하는 간접지표이며, 폐수처리시 희석(dilution) 배률을 산출해 처리효율을 계산하는 간접지표이다.

 

(2) 생물학적 지표

① 대장균군

대장균군은 콜레라, 이질, 장티푸스, 파라티프스, 간염 등인 수인성 전염병의 유해 가능성을 간접적으로 알 수 있는 지표이다. 이는 오염된 물 100mL 중 대장균군의 오염량을 MPN(Most Probable Number)으로 표시한다.

② 일반세균

물중에는 세균 증식에 의하여 수중 생태계의 변화를 일으키며 특히 상수도원으로 사용되는 물은 인체에 유해한 세균이 함유되어 있으면 수인성 전염병을 일으킬 수도 있다. 일반적으로 한천 배양지에서 30oC, 18～24시간에 발생하는 세균 집락수를 일반세균이라고 한다.

 

 

 

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