[위생공학실험]BOD, COD의 측정

실험 목적

1. COD를 측정하는데 쓰이는 두 종류의 시약(중크롬산칼륨, 과망간살칼륨)에 대해 알아보고, 중크롬산칼륨으로 COD를 측정하는 CODcr을 직접 측정한다.

2. 부가적으로 일반 수돗물과 폭기한 수돗물에서의 염소 함유량의 차이를 알 수 있다.

3. 실험에 사용한 물에 대한 수질을 분석 및 평가해본다.

실험 이론 및 원리

1. 실험 요약

① 자연에 존재하는 물, 위생공학에서 다루는 물에 대한 각종 지표를 직접 측정하고 그 성질을 파악할 수 있다.

② DO를 이용하여 BOD를 측정할 수 있다.

③Hach DR-5000을 이용한 CODcr 검출 방법을 익힌다.(시약으로 두가지 Range의 K2Cr2O7(중크롬산칼륨) 이용)

④ 실험 기구의 명칭과 조작법 등을 이해하고 실험 도중에 발생할 수 있는 사고에 유의한다.

 

2. 용존산소(Dissolved Oxygen:DO)

오염물질이 방류되는 자연 수역을 호기성 조건으로 유지시키는데 절대적인 것과 도시하수나 산업폐수를 호기성 미생물에 의해 정화하는데 필수적인 것이다. 모든 호기성 처리 process에서의 DO추정은 호기성 조건을 유지하기 위한 적정량의 공기공급과 과도한 량의 공기사용을 방지하기 위한 조정방법으로 필수적이다. 물의상태를 평가하는데 중요하여 미국의 표준시험법(Standard Method)에도 잠정적으로 채택하고 있다.

 

3. 생화학적 산소요구량(Biochemical oxygen demand :BOD)

가정하수와 산업 폐수를 호기성 상태에 있는 자연수로에 배출할 때 오염정도를 여기에 요구되는 산소의 양으로 환산하여 측정하는 방법이며 유입 수역물의 자정능력을 평가하는 데 중요하여 오염의 지표로도 사용된다. 수중의 각종 유기물은 미생물에 의해 분해되는데 이러한 작용으로 산소 소비가 증가하게 되는데, 이때 산소소비량을 측정함으로써 유기물질의 간접적인 양을 측정하고자 한다.

 

일반적으로 박테리아가 호기성 조건에서 분해성 유기물질을 안정화 시키는데 필요한 산소의 양이다. 이때 `분해성` 유기물질이란 용어는 박테리아가 먹이로 이용할 수 있는 유기물질을 의미하여 박테리아는 이 유기물질들을 산화하여 에너지를 얻는다. 즉, 미생물은 유기물을 영양원으로 이용, 분해, 섭취하여 세포를 합성시킬때 산소가 필요 하게 된다. 그러므로 폐수내의 유기물질은 일일이 분석하지 않고 호기성 미생물로 합성시키는데 필요한 산소량을 측정하면 유기물의 양을 안정적으로 측정 가능하게 된다.

 

또한, BOD는 수중에 유기물질이 호기성 미생물에 의해 산화 분해 될때 소비되는 산소량을 ppm(mg/L)으로 표시한 것으로 수질오염의 지표로 삼는다. BOD는 1, 2단계로 구분하나 일반적으로는 1단계 BOD치로 유기물의 양을 간접적으로 측정한다. 여기서 1단계는 BOD5로 20℃에서 5일간 배양해서 얻은 BOD로서 주로 탄수화합물이 산화, 분해 될 때 소비되는 산소량이다.

 

이는 2단계 BOD (질산화 또는 질소 BOD, 20일부터 2단계) 중 20℃에서 5일간 BOD만을 나타낸 것이며 수중의 유기오염물질의 절대치가 아닌 상대치인 것이며 그 이유는 이 조건이 가장 재현성이 좋고 통계적으로 보편성이 있기 때문이다.

 

보통 20℃에서 5일간(유기물의 70%내지 80% 산화되는 시간의 평균) 시료를 배양했을 때의 소모된 산소량을 5일 BOD 또는 BOD5 라하며 통상 BOD라고 한다. 즉, 초기 DO값과 T일 후의 DO값의 차로 BOD를 구할 수 있다.

 

만일 하폐수가 많이 오염되어 있으면 하폐수중에는 다량의 유기물질이 함유되어 있으며, 박테리아는 이것을 분해, 안정화하기 위해 다량의 산소를 필요로 하게 된다. 따라서 BOD가 크게 된다. 반대의 경우엔 BOD가 적게 된다.

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

Hach DR-5000 분광광도계	K2Cr2O7 시약 (중크롬산칼륨)	항온기 (20℃ 유지)	비커 300㎖ BOD병
pH meter	DO meter	메스플라스크	500㎖ 우유
가열기	폭기조	피펫	수돗물, 폭포수

실험 방법

1. 실험군 / 대조군 만들기

① 다음과 같은 Blank, Sample을 조별로 나누어 만든다.

Blank	일반 수돗물
Sample 1	일정시간동안 폭기조를 이용하여 폭기한 일반 수돗물
Sample 2	일반 폭포수
Sample 3	1/10 비율로 폭포수를 희석한 폭포수
Sample 4	1/1000 비율로 우유를 희석한 증류수
Sample 5	1/10000 비율로 우유를 희석한 증류수

② BOD, COD를 모두 측정하기 위하여 각각을 충분한 양만큼 취하여 만든다.

 

2. 생물 화학적 산소 요구량(BOD)의 측정 - BOD5

① Blank 및 Sample을 각각 600㎖이상 준비한다.

② 300㎖ BOD병 2개씩을 준비하고 각 용액을 완전히 채운다. (총 12개의 BOD병이 만들어짐)

③ 둘 중 하나는 마개를 꼭 닫고 물로 마개 주위를 밀봉하여 BOD용 배양기(항온기)에 넣고 20℃ 어두운 곳에서 5일간 배양한다.

④ 나머지 한 병은 15분간 방치 후, 희석된 시료자체의 초기 용존산소를 측정하는 데에 사용한다.

⑤ 배양이 완료되면 각 BOD병을 꺼내어 5일 후의 용존산소를 측정한다.

⑥ 초기 용존산소에서 5일 후 용존산소량의 차가 곧 BOD가 되며, 이를 기록한다.

 

3. 화학적 산소 요구량(COD)의 측정 – CODcr (Hach DR-5000 분광광도계 이용)

① 두가지 측정범위를 갖는 중크롬산칼륨 시약에 미리 Labelling을 실시한다.(시약에 샘플을 잘못 넣는 일을 방지하기 위해서)

② Blank 및 Sample을 각각 2㎖씩 취수하여 시약에 주입한다.

③ 가열기를 이용하여 150℃에서 120분간 가열한 뒤 충분히 식혀준다.

④ 일정 온도(예를 들면, 상온)에 도달하면 분광광도계(DR 5000)를 이용하여 CODcr 값을 측정하고 기록한다.

 

4. 수돗물 내 염소(Cl2) 측정

① 1L 비커에 일반 수돗물을 채워 비커 2개를 준비한다.

② 하나는 그대로 두고, 나머지 하나는 일정 시간동안 폭기조를 이용하여 폭기 시켜준다.

③ 잔류염소측정기(DPD법 휴대용 염소측정기)를 이용하여 일반 수돗물과 폭기한 수돗물 내의 염소를 측정하여 그 값을 비교한다.

실험 결과

1. BOD5의 산정

식종하지 않은 시료의 BOD : BOD5 = (D0 - D5)×P

 식종희석수를 사용한 시료의 BOD : BOD5 = [(D0 - D5) - {(B1 – B2)×f}]×P

 

D0 : 희석(조제)한 검액(시료)를 15분간 방치한 후의 DO

D5 : 5일간 배양한 다음의 희석(조제)한 검액(시료)의 DO 평균치

B1 : 식종액의 BOD를 측정할 때 희석된 식종액 배양 전 DO

B2 : 식종액의 BOD를 측정할 때 희석된 식종액 배양 후 DO

f : 시료의 BOD를 측정할 때 희석시료 중의 식종액 함유율(x%)에 대한

식종액의 BOD를 측정할 때 희석한 식종액 중의 식종액 함유율(y%)의 비(x/y)

P : 희석시료 중 시료의 희석배수 (= 희석시료량 / 시료량)

 

식종희석수는 따로 사용하지 않았으므로 1번 식만 이용하며, 희석하지 않은 경우는 P 값이 100/100이므로 1로 계산한다.

 

2. 실험 data

CODcr, BOD5, Cl2, pH 측정 결과 종합

항목		Blank	Sample 1	Sample 2	Sample 3	Sample 4	Sample 5
CODcr (㎎/L)	narrow range	43.0	7.00	14.9	0.70	33.5	8.0
	wide range			21.6		미측정	66.8
DO0 (㎎/L)		7.71	7.56	7.90	8.06	8.27	7.42
DO5 (㎎/L)		7.26	7.28	3.44	7.64	0.07	0.24
검액 자체의 BOD5 (㎎/L)		0.45	0.28	4.46	0.42	8.20	7.18
원 시료의 BOD5 (㎎/L)		0.45	0.28	4.46	4.20	8000	71800
Cl2 (㎎/L)		0.20	0.09	-	-	-	-
pH0		6.811	7.011	6.800	5.550	5.539	5.720
pH5		-	-	-	-	-	-

토의 사항

1. 실험 고찰

① Blank vs 폭기한 수돗물(Sample 1)

이론상으로 염소농도와 pH를 제외한 BOD와 COD는 비슷한 값 혹은 Sample 1 쪽이 더 큰 값을 보여야 했다. 하지만 실험결과 그렇지 못했고, COD는 Blank 쪽이 비정상적으로 큰 값을 보이고 있었다. 실험이 제대로 되었다면 폭기한 수돗물에서의 BOD 수치가 더 높았을 것이다.

pH를 관찰해보면 Sample 1이 0.2 가량 높은 것을 볼 수 있는데, 이는 폭기 중에 수돗물 내 탄산이온이 CO2로 바뀌어, 공기 중으로 방출된 이유도 있었을 것이다. 시간 경과에 따른 pH도 관측했었으면 좋았을 것이란 아쉬움이 있다. COD를 고려해볼 때도 Blank는 문제가 있다. Blank의 COD는 43.0 ㎎/L로 상당히 높은 수치를 보이고 있다. 심각한 오류가 있음이 아닌 이상 너무 오차가 컸다. 실험하는 과정에서 청결하지 못함 등의 오류를 범한 것 같다.

 

② Blank(Sample 1로 대체) vs 폭포수 원액(Sample 2) vs 희석 폭포수(Sample 3)

각 BOD를 비교하면 이론과 동일하게 (일반수돗물) < (희석한 폭포수) < (폭포수 원액) 임을 확인할 수 있다.

Sample 2와 3은 알맞은 BOD 실험결과를 보여주고 있다. 폭포수 원액의 BOD가 4.46㎎/L 으로 나왔는데 Sample 3에서 계산한 원 시료의 BOD 역시 4.20㎎/L로 비슷한 수치로 나왔다. COD도 측정하였는데, 의외로 예상만큼 높지는 않았다. 그리고 원래는 두가지 range에서 동일한 값을 보여야하지만 그렇지 못하였다. 

COD를 비교하면 약간 오류를 발견할 수 있는데, Sample 3에서의 COD가 7.0보다 높아야함에도 불구하고 0.7로 오히려 매우 낮은 수치를 보이고 있다. 이론상으로는 일반 수돗물과 폭포수가 희석된 것이므로 수돗물의 COD보다 높고 순 폭포수의 COD보다 낮아야했다. 기기를 다루는 데에 있어서의 오류를 범한 것같다.

 

③ Blank(Sample 1로 대체) vs 1/1000 우유 희석 증류수(Sample 4) vs 1/10000 우유 희석 증류수(Sample 5)

이론 및 예상에 따르면 수질오염도는 Sample 1 < Sample 5 < Sample 4 순이어야 한다.

우선 BOD를 비교해보면, Sample 5의 BOD는 8.20㎎/L로 1:1000으로 우유를 희석한 실험군에서 가장 높으며, 1:10000 실험군은 7.18㎎/L로 대조군의 0.28㎎/L와 현저한 차이를 보이고 있다. 이는 우유에 포함된 미생물에 의한 영향과 그 외 다른 영향들도 있을 것이다. 또, Sample 4가 5보다 10배 가량 더 진함에도 불구하고 Sample 5와 큰 차이가 없었다.

 

두 샘플의 원 시료 BOD를 관찰하면 본래는 두 값이 흡사해야 하지만 Sample 5에서의 BOD가 Sample 4보다 10배가량 높은 것을 볼 수 있다. Sample 5를 만든 우리 조는 시료 우유를 흔들고 넣었다. 만약에 실험에서 흔들지 않고 우유 표면층의 우유를 넣었다면 두 샘플 내에 들어간 미생물 및 유기물의 함유율이 달라질 수 있다.

 

다른 이유로는 두 샘플의 배양환경이 동일해야 하는데 서로 다른 곳에서 만들다 보니 미생물이 배양되는 배지 형성과정에서 차이가 발생했을 것이다.

 

발효균이 함유된 우유 역시 폭포수에서와 동일한 가정에서 COD값이 높을 것임을 감안하여 wide range에서의 COD도 측정하였다. 두 실험군 모두에서 폭포수보다는 높은 수치를 보이고 있다. 실험자의 착오가 있어 Sample 4의 wide range에서의 CODcr는 측정하지 못하였다. 오류가 발생하지 않았다면 narrow range에서와 근사한 값을 보였을 것이다.

 

Sample 5에서의 COD는 두 가지 범위 내에서 근사한 값을 보여야 하는데, 다른 값을 보이고 있다. 대조군을 고려하였을 때 넓은 범위에서의 값보다는 좁은 범위에서의 값 8.0㎎/L가 Blank군의 7.0㎎/L와 근사하므로 BOD를 고려할 때, 미생물이 충분히 번식했다고 가정하면 이 수치는 비정상적인 수치이다. 따라서 넓은 범위의 값을 따른다면, 이때에는 Sample 4의 실험결과에도 그 비정확성을 생각할 수 있다. 비정상 측정값의 원인은 샘플병 내의 잔류고형물 때문인 것 같다.

 

2. 결론

BOD, COD로 수돗물 수질에 대해 알아보았는데, 실험을 통하여 염소의 살균력 덕분에 수돗물에서 미생물이 덜 번식하게 됨을 알 수 있었다. 솔직히 실험값에 오류가 많아서 실험으로 인하여 결과를 알아냈다고 생각은 하지 못하였다. 우유 내에는 상당량의 미생물 및 유기물이 포함되어 있음을 알 수 있었다. 실험결과 전반에서 COD값이 BOD값보다 일반적으로 높게 정량됨을 확인할 수 있었다.

참고 문헌

1. 수질오염방지기술(2012) - Metcalf, Eddy 저, 동화기술 출판, 김병욱 외 2명 역, 4th Edition

2. 수질환경공학요론(2007) – 장준영 저, 성안당 출판

3. 수질오염공정시험기준 해설 및 정도관리(2010) - 최성현, 김종택 저, 신광출판사