수질 분석에서의 일반적인 지표들

Thread Content

1. 유기화학 지표 용존 산소(Dissolved oxygen, 약칭 DO)는 물에 용해된 분자형 산소(O2)를 말하며, 약칭으로 DO라고 합니다.수중 용존 산소의 함량은 대기압, 수온 및 염분 농도와 같은 요인들과 관련이 있습니다.대기압이 낮아지고, 수온이 상승하며, 염분 함량이 증가하면 모두 용존 산소량이 감소하게 됩니다. 일반적으로 깨끗한 강에서는 용존산소 농도가 그 수온에 해당하는 포화값에 가까울 수 있습니다. 하지만 조류가 대량으로 번식할 경우, 용존산소 농도가 과포화 상태가 될 수 있습니다. 또한 수질이 유기물이나 무기 환원성 물질로 오염되면 용존산소 농도가 감소하여 0에 가까워질 수 있습니다. 이때는 혐기성 박테리아가 활발하게 번식하여 수질이 악화됩니다.수중 용존 산소가 3~4mg/L 미만이 되면 많은 어류들이 호흡곤란을 겪어 질식사합니다.용존 산소는 수질 오염 상태를 나타내는 중요한 지표 중 하나입니다. 화학적 산소 요구량(Chemical oxygen demand, 약칭 COD)이란, 중크롬산칼륨(K2Cr2O7)이나 고망가니즈산칼륨(KMnO4)을 산화제로 사용하여 물속의 환원성 물질들을 산화시키는 데 필요한 산화제의 양을 말합니다. 이 값을 산소의 양으로 환산한 것이며, 단위는 mg/L입니다. 수중의 환원성 물질에는 유기물과 아황산염, 황화물, 염화철과 같은 무기물이 포함됩니다.화학적 산소 요구량은 물이 환원성 물질에 의해 오염된 정도를 나타냅니다.수체가 유기물에 의해 오염되는 것은 매우 흔한 현상이므로, 이 지표는 유기물의 상대적 함량을 나타내는 종합 지표 중 하나로서, 수질과 관련된 각종 법규에서도 관리 항목으로 사용됩니다. 참고: 우리나라가 제정한 환경용 지표수 수질 기준(1988년)에 따르면, 산성 중크롬산칼륨법으로 측정된 COD 값은 화학적 산소 요구량이라고 하며, 약어로 CODCr이라 합니다. 반면, 고망가니즈산칼륨법으로 측정된 COD 값은 고망가니즈산염 지수라고 하며, 약어로 CODMn이라 합니다. 고망가니즈염 지수, 산소소비량(CODMn) 고망가니즈염 지수는 산소소비량이라고도 하며, 수중에 있는 유기적 및 무기적 산화 가능 물질들로 인한 오염을 나타내는 일반적인 지표입니다.정의: 특정 조건 하에서 과망가니즈산칼륨을 사용하여 수질 샘플 내의 특정 유기물 및 무기 환원성 물질을 산화시키고, 소모된 과망가니즈산칼륨의 양으로부터 해당하는 산소량을 계산하는 것.이는 물에 용존되어 있거나 현탁된, 과망가니즈산칼륨에 의해 산화될 수 있는 무기물과 유기물의 양을 나타냅니다. 과망가니즈산염 지수는 과거의 수질 모니터링 분석에서 화학적 산소 요구량이라고도 불리는 과망가니즈산칼륨법으로도 사용되었습니다.하지만 이 방법은 특정 조건 하에서 물속의 유기물이 일부만 산화될 뿐이므로, 이는 이론상의 산소 요구량도 아니며, 수중의 총 유기물 함량을 나타내는 지표도 아닙니다. 따라서 화학적 산소 요구량을 나타내는 칼륨크로뮴산염 지수라는 용어를 수질 지표로 사용하는 것이, 칼륨크로뮴산법과 구분하기에 더욱 적절합니다. CODcr은 일반적으로 CODMn의 2배에서 5배 사이입니다. 실제 작업에서 얻은 데이터도 대체로 이 범위 내에 있습니다. 생화학적 산소 요구량(Biochemical Oxygen Demand, 약칭 BOD)이란, 용존 산소가 있는 상태에서 호기성 미생물들이 물속의 유기물을 분해하는 과정에서 소비하는 용존 산소의 양을 말합니다.동시에 황화물, 저철 등의 환원성 무기물이 산화될 때 소모되는 산소량도 포함되지만, 이 부분은 보통 매우 작은 비율을 차지합니다. 유기물의 미생물에 의한 호기성 분해는 대체로 두 단계로 나뉜다. 1) 탄소 함유 물질의 산화 단계로, 주로 탄소를 포함한 유기물이 이산화탄소와 물로 산화됩니다.
2) 질화 단계에서는, 주로 질소를 포함한 유기 화합물들이 질화균의 작용에 의해 아질산염과 질산염으로 분해됩니다.약 5~7일 후에야 뚜렷하게 진행됩니다.따라서 현재 일반적으로 사용되는 20℃에서 5일간의 배양법(BOD5법)을 이용한 BOD 측정에는 질화 단계가 포함되지 않습니다. BOD는 수체가 유기물로 오염된 정도를 나타내는 종합적인 지표이며, 폐수의 생화학적 분해 가능성과 생화학적 처리 효과를 연구하는 데 있어서, 또한 폐수 처리 공정 설계 및 동역학 연구에서 중요한 파라미터입니다. 총인(Total Phosphorus, 약칭 TP)은 수체의 과영양화를 조절하는 주요 지표입니다.물속에서 강한 산화제에 의해 산화되어 인산염으로 전환되는 다양한 형태의 인의 총량을 말한다.인은 식물의 성장에 필요한 영양소이며, 생명에도 반드시 필요합니다.물속의 인이 임계 농도를 초과하면 수생 식물의 성장을 촉진하여 “조류”가 발생하고, 이로 인해 수역이 영양 과다 상태에 빠지게 됩니다. 인은 인을 함유한 화합물이 포함된 폐수의 배출, 농경지의 지표면 유출수, 그리고 축산장 등과 같은 여러 경로를 통해 수체로 들어옵니다.최근에는 인을 함유한 세제와 기타 일상용 인 함유 물질의 사용으로 인해 인의 배출량도 증가하고 있습니다. 암모니아 질소(Ammonia nitrogen, 약칭 NH3-N)는 물속에 존재하는 암모니아 질소로, 유리 암모니아 NH3(비이온성 암모니아라고도 함)와 이온형 암모니아 NH4+ 형태로 존재하는 질소를 말합니다.지표수의 경우, 비이온성 암모니아를 측정하는 것이 일반적으로 요구됩니다.두 성분의 비율은 물의 pH 값과 온도에 따라 결정됩니다. pH 값이 높을 때는 유리 암모니아의 비율이 높아지고, 반대로 pH 값이 낮을 때는 암모늄염의 비율이 높아집니다. 수중의 암모니아질은 주로 생활하수에 포함된 질소 함유 유기물이 미생물에 의해 분해되어 생성된 물질, 코크스화나 합성암모니아와 같은 산업 폐수, 그리고 농경지에서 나오는 배수 등에서 비롯됩니다.암모니아 질소 함량이 높을 때는 어류에 독성을 나타내며, 인체에도 다양한 정도의 해를 끼칩니다. 총질소(Total Nitrogen, 약칭 TN)는 물속에 존재하는 다양한 형태의 무기질 및 유기질 질소의 총량입니다.NO3-, NO2-, NH4+와 같은 무기질 질소와 단백질, 아미노산, 유기암모니아와 같은 유기질 질소를 포함하며, 1리터의 물에 포함된 질소의 밀리그램 수로 계산합니다.수역이 영양분으로 인해 오염된 정도를 나타내는 데 자주 사용됩니다. 수중의 총질소 함량은 수질을 평가하는 중요한 지표 중 하나입니다.이 측정은 수체의 오염 및 자정 상태를 평가하는 데 도움이 됩니다.지표수의 질소와 인 농도가 기준을 초과하면 미생물이 대량으로 증식하고 부유생물이 왕성하게 자라나 과영양화 상태가 발생합니다. 총 유기탄소(Total Organic Carbon, 약칭 TOC)는 탄소 함량을 통해 수체 내 유기물의 총량을 나타내는 종합 지표입니다.TOC의 측정에는 연소법이 사용되므로 유기물을 모두 산화시킬 수 있으며, 이는 BOD5나 COD보다 유기물의 총량을 더 잘 반영할 수 있다. 총 산소 요구량(Total Oxygen Demand, 약칭 TOD)이란 물속의 유기물이 연소될 때 필요한 산소의 양을 말하며, 그 값은 O2의 mg/L 단위로 표시됩니다.TOD는 거의 모든 유기물이 연소된 후 CO2, H2O, NO, SO2 등으로 변할 때 필요한 산소량만을 반영할 수 있습니다.이것은 BOD, COD보다 이론적 산소 요구량 값에 더 가깝습니다. 2. 무기화학 지표: 경도(hardness)
경도는 원래 물속에 있는 비누의 거품이 얼마나 많이 생기는지를 나타내는 지표였습니다. 하지만 현재는 화학적으로 물속의 Ca, Mg 이온의 함량을 해당하는 CaCO3의 양으로 환산하여 경도 값을 측정하며, 이 값은 mg/L로 표시됩니다.경도에는 총경도, 칼슘 경도, 마그네슘 경도, 탄산염 경도(일시적 경도), 비탄산염 경도(영구적 경도) 등의 표시 방법이 있습니다. pH 값(pH value)은 물의 산성도나 알칼리성의 강도를 나타내는 지표로, 용액 내 수소이온의 활동도의 음의 로그로 표시됩니다: pH = -lgαH+. pH 값은 물의 가장 기본적인 성질을 나타내며, 물속에 있는 약한 산이나 약한 염기의 해리 정도를 조절하고, 염화물, 암모니아, 황화수소와 같은 물질의 독성을 줄이며, 바닥 퇴적물 속에 있는 중금속의 방출을 막는 역할을 합니다.이는 수질의 변화, 생물의 번식 양상, 부식성, 수처리 효과 등에 영향을 미치며, 수질을 평가하는 중요한 파라미터입니다.천연수의 pH 값은 대체로 6~9 사이입니다. 식수의 경우는 6.5~8.5 사이입니다. 일부 산업용수의 경우에는 금속 장비와 파이프가 부식되는 것을 방지하기 위해 pH 값을 7.0~8.5 사이로 유지해야 합니다. 전도도(conductivity): 물의 전도도는 그 안에 포함된 무기산, 염기, 염의 양과 일정한 관계가 있습니다.이 지표는 물속 이온의 총 농도나 염분 함량을 추정하는 데 자주 사용됩니다.서로 다른 종류의 물은 전기전도도가 다릅니다. 산화환원 전위(Oxidation reduction potential) 산화환원 전위는 물속의 다양한 산화성 물질과 환원성 물질이 산화환원 반응을 일으키는 종합적인 결과입니다.이 지표는 특정 산화제와 환원제의 농도를 나타내는 지표로는 사용될 수 없지만, 수체의 전기화학적 특성을 이해하고 수질을 분석하는 데 도움을 주는 종합적인 지표입니다.수체의 산화환원 전위는 반드시 현장에서 측정해야 합니다. 3. 물리적 특성 지표: 탁도(Turbidity)
탁도란, 물속에 있는 부유물들이 빛이 통과하는 것을 어느 정도 방해하는지를 나타내는 지표입니다.물에 진흙, 점토, 유기물, 무기물, 부유생물 및 미생물과 같은 현탁 물질이 포함되어 있으면 빛이 산란되거나 흡수되어 탁도가 높아집니다.물의 탁도는 물에 존재하는 입자의 양과 관련이 있을 뿐만 아니라, 그 입자의 크기, 형태, 그리고 입자 표면의 빛 산란 특성과도 밀접한 관계가 있습니다.탁도의 높고 낮음만으로는 일반적으로 수질의 오염 정도를 직접 판단할 수 없지만, 탁도가 증가하면 수질이 악화되고 있음을 의미합니다. 투명도(Transparency)는 수질의 맑은 정도를 나타내며, 깨끗한 물은 투명합니다.투명도는 탁도와 반대로, 물속에 떠 있는 부유물과 콜로이드 입자가 많을수록 투명도는 낮아집니다.투명도를 측정하는 방법에는 활자법, 세이지 디스크법, 십자법 등이 있습니다. 부유물(Suspended solids, 약칭 SS)은 물속의 고체 오염물질들로, 주로 부유 상태, 콜로이드 상태, 용해 상태로 수중에 존재합니다.부유 상태의 고체 오염물질은 일반적으로 부유물이라고 하며, 이는 불순물, 퇴적물과 같은 무기물, 동식물체로 인해 생성된 유기물, 그리고 부유생물을 말합니다.고형 부유물은 수체의 외관을 악화시키고 탁도를 높이며, 물의 색깔을 변화시킵니다.부유물이 강바닥에 퇴적되면 수로가 막히고, 이는 수중에 사는 생물들의 번식에 해를 끼치며 어업 생산에도 영향을 줍니다. 또한 관개용 농지에 퇴적될 경우 토양의 모세관이 막혀 통기성이 저하되고, 토양이 단단해져 작물의 성장에 좋지 않은 영향을 미칩니다. 4. 흔한 금속 지표 카드뮴(Cadmium)(Cd) 카드뮴의 융점은 320.9℃이며, 끓는점은 765℃입니다. 이는 연성과 유연성이 뛰어난 금속으로, 묽은 질산에 용해됩니다.카드뮴은 독성이 매우 강하여, 인체의 간, 신장 등의 조직에 축적될 수 있습니다. 이로 인해 여러 장기와 조직이 손상되며, 특히 신장에 미치는 손상이 가장 심각합니다. 또한 골다공증이나 골연화를 유발하여 통증을 일으킬 수도 있습니다. 대부분의 담수의 카드뮴 함량은 1μg/L 미만이며, 자연계에서는 주로 황카드뮴광석의 형태로 존재하고, 종종 아연, 납, 구리, 망가니즈와 같은 광물들과 함께 발견됩니다.그래서 이러한 금속 정제 과정에서 대량의 카드뮴이 배출될 수 있습니다.또한, 도금, 염료, 배터리, 화학 산업 등에서 배출되는 폐수도 카드뮴의 주요 오염원입니다. 크로뮴(육가치)(Chromium)(Cr6+)은 광택이 있는 은백색의 고체 금속으로, 내식성과 내열성이 뛰어납니다. 또한 인체에 필수적인 미량 원소 중 하나이기도 합니다. 크로뮴 화합물의 일반적인 가치는 삼가치와 육가치입니다.크로뮴의 독성은 그 존재하는 화학적 형태와 관련이 있습니다. 금속 상태의 크로뮴은 무해하지만, 6가 크로뮴은 매우 독성이 강하며 발암물질입니다. 또한 인체에 쉽게 흡수되어 체내에 축적됩니다. 일반적으로 6가 크로뮴의 독성은 3가 크로뮴보다 100배 더 강하다고 여겨집니다.3가 크롬과 6가 크롬 화합물은 서로 전환될 수 있습니다.크롬의 산업적 오염원은 주로 크롬 광석 가공, 금속 표면 처리, 가죽 태닝, 인쇄 염색, 사진 재료 등의 산업에서 발생하는 폐수입니다.크롬은 수질 오염 관리의 중요한 지표입니다. 구리(Copper)(원소 기호: Cu)는 연성이 있어 가공이 용이하며, 열과 전기의 우수한 전도체입니다.구리는 인체에 필수적인 미량원소로, 구리가 부족하면 빈혈이나 설사와 같은 질병이 생길 수 있습니다. 하지만 구리를 과도하게 섭취하면 해로울 수도 있습니다.구리는 수생 생물에게 큰 해를 끼칩니다. 굴은 구리 이온이 오염된 물속에서 몸에 다량의 구리를 축적할 수 있으며, 일본의 엔고우만과 대만의 이인계에서도 녹색 굴 사례가 발생한 바 있습니다.구리의 수생생물에 대한 독성은 그 형태와 관련이 있으며, 유리 구리 이온의 독성은 결합 상태의 구리보다 훨씬 크다.구리의 주요 오염원은 도금, 제련, 금속 가공, 광산 채굴, 석유화학 및 화학 산업 등에서 배출되는 폐수입니다. 철(Iron)(원소 기호: Fe)은 자연수체에 존재하는 미량 원소 중 하나입니다. 물속의 철 함량은 해당 지역의 지질학적 특성과 물속에 있는 다른 화학 성분들에 따라 달라집니다.이가바리온과 삼가바리온은 수중 환경에서의 철의 기본 형태입니다.이가철은 용존 산소가 부족한 수역이나, 혐기성 바닥층을 가진 계층화된 호수의 깊은 곳에 존재합니다. 물속의 용존 산소가 증가하거나 산화제와 접촉하면, 이가철은 신속하게 삼가철 이온으로 산화됩니다. 그리고 황산철 형태로, 혹은 다른 음이온들과 함께 수저의 퇴적물 속으로 가라앉습니다. 삼가철의 산화물은 사실상 녹지 않습니다.저질 퇴적물에 황화수소가 있으면 각각 황화철이 형성되어 검은색의 무기물이 생겨납니다. 철은 식물과 동물에게 반드시 필요한 미량 원소입니다. 일부 수역에서는 철이 조류와 다른 식물들의 성장을 제한하는 요인이 될 수 있습니다. 또한 척추동물과 일부 무척추동물의 혈액에서는 철이 산소를 운반하는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 철은 인체 건강에 독성적인 영향을 미치지 않으며, 단지 물의 사용에만 영향을 줍니다.철은 물의 맛에 뚜렷한 영향을 미치며, 세탁된 옷에도 얼룩을 남길 수 있습니다. 아연(Zinc)(Zn) 아연은 일상생활에서 널리 사용되는 금속으로, 융점은 419.5℃이며 산이나 진한 알칼리에 용해됩니다.이는 다른 금속의 황화물, 특히 납, 구리, 카드뮴, 철의 황화물과 함께 결합하는 경우가 많습니다.아연은 인체에 필수적인 원소이지만, 어류와 다른 수생 생물에게는 큰 영향을 미칩니다. 어류에 있어서 아연의 안전한 농도는 약 0.1mg/L입니다.또한, 아연은 수체의 자정 과정을 어느 정도 억제하는 작용을 합니다.주요 오염원은 도금, 야금, 염료 및 화학 산업 등의 부문에서 나오는 폐수입니다. 셀레늄(Selenium)(Se)은 수중에서는 세레네이트나 세레이트 형태로 존재하며, 수중의 자연적인 셀레늄 농도는 토양의 셀레늄 함량과 정비례합니다.셀렌은 인체에 필수적인 원소이지만, 과도하게 섭취하면 중독 증상이 나타날 수 있습니다.금속 세레늄의 독성은 낮지만, 2가 세레늄의 독성은 매우 높으며, 일반적으로 장을 통해 흡수되어 간과 신장에 축적됩니다.그 오염원은 주로 광산업, 금속 제련업, 그리고 세레늄 제품을 생산하는 공장들에서 배출되는 폐수입니다. 중금속(Heavy metals)은 화학적으로 금속의 밀도에 따라 중금속과 경금속으로 나뉘며, 일반적으로 밀도가 4.5g/cm3보다 큰 금속을 중금속이라고 합니다.예: 금, 은, 구리, 납, 아연, 니켈, 코발트, 크롬, 수은, 카드뮴 등 약 45종. 수중의 중금속 원소 중에는 인체 건강에 필수적인 다량원소와 미량원소도 있지만, 수은, 카드뮴, 크롬, 납, 구리, 아연, 니켈, 바륨, 바나듐, 비소와 같이 인체 건강에 해로운 원소들도 있습니다.오염된 지표수와 산업 폐수에는 유해한 금속 화합물의 함량이 종종 현저하게 증가합니다.유해 금속이 인체에 들어오면 특정 효소의 활성이 저하되어 다양한 정도의 중독 증상이 나타납니다.그 독성의 정도는 금속의 종류, 물리화학적 특성, 농도 및 존재하는 가가와 형태와 관련이 있습니다.예를 들어, 수은, 카드뮴, 6가 크로뮴, 납 및 그 화합물들은 인체 건강에 장기적인 영향을 미치는 유해한 금속들입니다. 수은, 납, 비소와 같은 금속의 유기화합물은 해당하는 무기화합물보다 훨씬 더 독성이 강합니다. 또한, 용해성 금속은 고형 금속보다 독성이 더 큽니다. 6가 크로뮴도 3가 크로뮴보다 독성이 더 큽니다.