물 수질시험평가

[travel]

이 절은 한국방송통신대학교 보건과학과(환경보건학 전공) 교재로 쓰고 있는『水質大氣試驗法』의 제3편‘水質試驗’부분을 요약하고 약간의 다른 자료를 참고한 것임 *

먼저, 각종 수치로 나타내는 물의 상태를 거론하기 전에, 우리가 육안으로 살펴볼 수 있는 수질 등급을 알아보고 넘어가기로 하자.

1급수 ; 가장 깨끗한 물로, 그냥 마실 수 있는 물이다. 매우 맑으며 냄새가 나지 않는다. 플라나리아, 버들치, 열목어, 하루살이의 애벌레 등이 살 수 있다.

2급수 ; 비교적 맑은 물로, 목욕할 수 있는 물이다. 냄새가 나지 않는다. 피라미, 쏘가리, 은어, 다슬기 등이 살 수 있다.

3급수 ; 황갈색의 탁한 물로, 바닥에 자갈과 모래가 있다. 붕어, 잉어, 뱀장어, 메기, 우렁이, 미꾸라지 등이 살 수 있다.

4급수 ; 가장 오염이 심한 물로, 고약한 냄새가 난다. 썩은 물이고 죽은 물이다. 실지렁이 등이 있으며, 물고기가 살 수 없고 더욱 오염되면 어떤 생물도 살 수 없다.

1)물리적 항목의 측정

A. 탁도(濁度, Turbidity)

혼탁하다 또는 탁하다(turbid)라는 말은 빛의 통과를 방해하거나 가시심도(可視深度)를 제한하는 부유물질을 포함하고 있는 물에 대해 사용하는 용어로, 빛이 통과되지 않고 산란(散亂)되거나 흡수되는 정도라고 정의할 수 있다.

과도한 탁도는 미생물의 과잉 성장을 초래하고 정수과정에서 여과에 사용되는 재료의 사용량이나 염소소독시의 염소소모량을 증가시키는 문제를 발생시키기도 한다.

자연수에서 탁도를 유발하는 물질은 매우 다양하므로 어떤 임의의 표준을 사용할 필요가 있는데 이때 선정된 표준은 아래와 같다.

탁도 1도(TU)=1mg SiO₂/ℓ

즉 1mg SiO₂(이산화규소)를 증류수 1ℓ에 녹인 용액의 탁도를 1도로 규정하고 있는데 이때 사용된 실리카(Si)는 입자크기가 반드시 특정한 규격에 맞는 것이어야 한다. 그러나 실제 탁도를 측정하는 경우에는 순수한 실리카 표준현탁액을 사용하지 않으며, 주로 천연물질인 카오린(kaolin, 고령토)을 이용하여 표준물질을 제조하고 있다

우리나라나 일본에서는 음용수 기준으로 탁도를 2도 이하로 규정하고 있다.

B. 색도(色度, Color)

색도는 음용수기준에서 일차적인 검사항목일 뿐 아니라 폐수처리 시에도 중요한 설계 및 운전요소로 간주되고 있다. 하지만 자연수 및 하폐수에서의 색도 유발요인이 다양할 뿐 아니라 복합적인 요인에 의해 색도가 유발되기 때문에, 중요도에 비해 그 자세한 내용이 잘 알려져 있지 않다.

염화백금산칼륨(K₂PtCl₆) 용액에 소량의 염화코발트(CoCl₂)를 녹여 만든 백금-코발트 표준물질을 이용한다.

색도 1도(CU, color unit)=1mg/ℓ of Pt/K₂PtCl₆

즉 백금 1mg/ℓ(K₂PtCl₆로는 2.49mg/ℓ)에 의해 나타내는 색을 색도 1도의 표준단위로 삼는다.

음용수 기준으로 우리나라나 일본은 5도 이하, 미국에서는 15도 이하로 규정하고 있으며, 우리나라의 공장폐수 배출허용기준은 200~400도 이하로 되어 있다.

C. 냄새(Odor)와 맛(Taste)

대부분의 냄새와 맛은 여러 물질이 혼합된 복합적인 원인에 의해 발생되기 때문에 기기로 측정하기는 어렵다. 따라서 대부분은 사람의 후각이나 미각을 이용하는 관능법(官能法, sensory measurement)을 많이 사용하고 있다. 우리나라에서도 이 관능법을 사용한다.

<냄새> 시료 100㎖를 용량 300㎖의 마개 있는 삼각플라스크에 넣고 마개를 하여 온도를 40℃~50℃로 높이고 심하게 흔들어 섞은 후 뚜껑을 열면서 즉시 냄새를 맡을 때 냄새(염소냄새는 제외)가 나서는 안 된다.

<맛> 검수 100㎖를 비커에 넣고 온도를 40℃~50℃로 높인 후 맛을 볼 때 맛(염소 맛은 제외)이 있으면 안 된다.

D. 노르말헥산 추출물질

물에 잘 녹지 않는 기름과 그리스, 유지류 등을 측정하는 방법이다.

노르말헥산(n-Hexane)은 분자식이 CH₃(CH₂)₄CH₃, 분자량이 86, 비중이 0.66, 비등점이 69℃인 무색의 휘발성 용매로, 각종 유상(油狀)물질 등에 대한 용매로 작용한다.

측정원리는 시료의 pH를 4 이하의 산성으로 하여 노르말헥산층에 용해되는 물질을 추출한 후, 노르말헥산만을 증발시키고 잔류물질의 무게를 측정하여 노르말헥산 추출물질의 농도를 결정하는 것이다.

이 방법으로는 기름의 성분별 선택적 정량은 곤란하고 농도가 5mg/ℓ이하인 시료에 대해서는 농축시켜 측정해야 하며, 시료용기는 유리병을 사용해야 하는데, 비휘발성의 유분이 측정대상이므로 80℃ 이하에서 휘발하는 물질은 측정할 수 없다.

E. 고형물(固形物, Solid)

고형물은 음용수를 비롯한 각종 용수, 가정하수, 공장폐수 및 슬러지 내에 포함되어 있는 수분을 제외한 모든 물질을 말한다.

음용수에 다량의 고형물(특히 용존 고형물)이 함유되어 있는 경우 맛을 내고, 심미적인 불쾌감을 유발하며, 무기광물질이 많은 물은 공업용수로 부적당하게 되는데, 우리나라의 음용수기준은 총 고형물질이 500mg/ℓ가 넘지 않도록 되어 있다.

하수처리장이나 폐수처리장 등에서는 부유물질 처리를 중시하는데, 우리나라 하수처리장의 부유물질 방류수 수질기준은 20mg/ℓ이다.

대부분 건조나 열처리를 통해 잔존 고형물의 무게를 측정한다.

2) 화학적 항목의 측정

A. 수소이온농도(pH)

자연수의 pH는 함유되어 있는 여러 가지 종류의 염류, 유리탄산, 탄산염 및 유기산 등에 의해 좌우되는데 주로 유리탄산과 탄산염의 비에 의해 결정된다. 지표수는 CO₂가 적고 중탄산 이온(HCO₃^-)과 탄산이온(CO₃^2-) 등의 알칼리도를 유발하는 물질 등에 의해 약 염기성 즉 pH 7.0~7.2 정도를 나타낸다. 반면에 지하수는 미생물 작용에 의해 발생된 CO₂ 성분 때문에 pH 6.0~6.8의 약산성을 띠게 된다.

한편 자연수에 하수나 공장폐수 등이 유입되어 수질이 오염되는 경우나 수중생물의 번식양상 등에 따라서도 pH는 변화하게 된다. 조류가 많이 번식한 호수나 저수지 등에서 CO₂가 조류에 의해 감소하게 되어 pH는 증가하기도 한다.

pH의 측정방법으로는 지시약을 이용하는 방법, 리트머스 종이를 이용한 비색법, 유리전극에 의한 전위차 측정방법 등 여러 가지가 있으나 주로 유리전극을 이용하는 방법을 많이 사용하고 있다.

우리나라의 음용수 수질 기준은 pH 5.8~8.5이며 상수처리에서는 pH 7.0 정도를 유지하는 것으로 알고 있다.

B. 알칼리도(Alkalinity)

물의 알칼리도는 산을 중화시킬 수 있는 능력으로, 물이 pH의 큰 변화없이 수소이온을 흡수할 수 있는 완충능력의 척도이다. 시료를 특정 pH까지 중화하는 데 소요되는 산의 양을 같은 당량의 CaCO₃(mg/)로 환산하여 표시한다.

많은 물질들이 알칼리도에 기여하고 있으나, 자연수 중에서 가장 대표적인 형태는 pH가 높은 순서대로 수산화물 알칼리도, 탄산염 알칼리도, 중탄산염 알칼리도이다.

C. 산도(酸度, Acidity)

산도는 알칼리도와 반대되는 개념으로 시료가 강염기를 중화할 수 있는 능력을 말하며 시료를 특정의 pH까지 중화하는 데 소요되는 강염기의 양을 CaCO₃(mg/ℓ)로 환산하여 표시한다.

산도는 크게 탄산가스에 의한 탄산산도와 황산, 질산 등의 무기산에 의한 무기산도로 나눌 수 있다. 자연수 중의 탄산가스는 주로 대기로부터 물속으로 녹아들어가 형성되거나 수중생물들의 호흡활동에 의해 생성되는데 특히 지하수에는 미생물에 의해 형성된 탄산가스가 대기 중으로 방출되지 못하기 때문에 탄산가스의 농도가 매우 높다. 탄산가스는 물속에 녹아 약산인 탄산을 형성하여 산도의 역할을 하게 된다.

한편 무기산은 여러 종류의 산업폐수로부터 유발되는 황산, 염산, 질산 등의 강산과 폐광 등에서 유발되며 일부 중금속염들도 가수분해하여 무기산도를 유발시키기도 한다.

화학평형적으로 탄산은 pH 8.2~8.4 정도가 종말점이며, 무기산은 pH 4.5에서 중화반응이 종결된다. 따라서 탄산은 pH값이 4.5 이상 8.5 이하에서 산도를 가지며 무기산은 4.5 이하에서 산도를 가진다.

D 경도(硬度, Hardness)

경도는 비누의 소비량을 증가시키는 물의 성질로, 주로 물 속에 2가 양이온들이 들어있는 경우에 나타난다. 즉 2가 양이온들이 비누와 반응하여 착물(물때)을 형성하여 세정작용을 방해하고, 또 음이온들과 결합침전하여 온수관, 보일러관, 난방장치 등에 스케일(scale, 비늘ㆍ딱지)을 형성하게 된다.

경도는 주로 토양이나 암석과의 접촉과정에서 발생한다. 즉 빗물이 토양이나 암석(주로 석회암)을 통과하면서 탄산가스와 만나 탄산(H₂CO₃)을 형성하고, 탄산이 불용성 탄산염을 가용성 중탄산염으로 전환시키면서 발생된다.

지하수는 지표수에 비해 Ca, Mg이 많이 함유되어 있는 경도일 가능성이 높다.

경도, mg/ℓ as CaCo3	분류
0~75	연수(단물, soft water)
75~150	약간 경수
150~300	경수(센물, hard water)
300이상	센 경수

경도는 물에 맛을 유발하는 문제점이 있고, 공업용수로 사용하는 경우 높은 온도에서는 알칼리도와 결합하여 scale을 형성하므로 관을 폐쇄시키기도 한다.

경도의 종류에는, 칼슘(Ca)경도와 마그네슘(Mg)경도가 있고 이를 합해서 총경도라고도 하며, 탄산경도와 비탄산경도를 측정하는 경우도 있으며, 경도에 의해서는 아니나 나트륨을 많이 함유하고 있는 바닷물 등에서는 공통이온효과에 의해 비누가 제대로 작용하지 못하는데 이를 가경도라고도 한다.

우리 나라에서는 총경도가 300mg/ℓ을 넘지 아니할 것으로 기준을 삼고 있다.

참고로, 물의 경도를 몇 도라고 이야기 할 경우가 있는데, 예를 하나 들어보기로 한다.

경도의 표준은 나라에 따라 다르지만, 대개 10만그램(독일표준)의 물 속에 1그램의 칼슘이 용해되어 있는 물을 1도의 물이라고 한다. 음용수는 18도 이내이어야 한다고 본다.

빗물 …………… 0.0~1.7도		심정수(深井水)…… 3.6~35.0도
淺井水 ……… 3.0~150.0도	경지를 통과한 강물…… 20.0도
석회층을 통과하지 않은 강물 ……………………… 0.4~8.7도
석회층을 통과한 강물 …………………………… 7.5~15.0도
하수를 혼입한 강물 ………………………………… 4.0~57.0도

E. 염소이온(鹽素, chloride)

염소이온은 물에 매우 잘 녹으며 자연수나 하폐수 중에 여러 가지 범위의 농도로 존재하고 있는 대표적인 무기 음이온 중의 하나이다.

빗물은 약 2mg/ℓ의 염소이온을 함유하고 있으며, 바다의 염화물(증발되고 남은 잔류물) 농도는 20,000mg/ℓ 정도이고, 우리가 섭취하는 소금(NaCl)은 소화과정에서 분해되지 않고 그대로 배출되기 때문에 분뇨 등에는 4,000~5,000mg/ℓ 내외의 염화물을 함유하고 있다.

염소이온은 인체에 직접적인 해는 주지 않으며 음용수 중에 250mg/ℓ 이상 함유되어 있으면 짠맛이 나게 되는데, 현재 우리나라 염소의 음용수 기준은 150mg/ℓ로 되어 있다. 측정법으로는 적정법과 이온크로마토그래피(I/c)를 사용하는 기기분석법이 있다.

F. 용존산소(溶存酸素, Dissolved Oxygen, DO)

용존산소는 대부분의 수생생물의 성장에 꼭 필요한 요소이며, 수질관리 측면에서도 용존산소는 수질오염의 1차적인 지표로서 자연수의 자정능력을 평가할 수 있는 중요한 인자이다.

자연수에 용존산소가 충분한 경우에는 호기성 미생물에 의한 유기물분해에 의해 수질이 어느 정도 유지될 수 있으나, 산소가 부족하게 되면 냄새, 가스 등의 유해물질을 배출하는 혐기성 미생물이 활동하게 되므로 수질오염이 발생하게 되는 것이다. 미생물이 제대로 성장하도록 하기 위해서는 용존산소를 최소 0.5mg/ℓ 이상으로 유지시켜주어야 한다.

산소의 용해도는 온도가 증가할수록 감소되는데, 온도가 증가할수록 생물학적 산소소모는 증가되므로 여름철에 수질오염이 발생할 가능성이 높게 된다. 또한 염분이 많이 함유된 물일수록 산소의 용해도는 감소하고, 압력의 영향을 받아 고지대에서는 산소농도가 감소하고 저지대일수록 증가한다.

G. 생화학적 산소요구량

  (生化學的 酸素要求量, Biochemical Oxygen Demand, BOD)

물 속에 들어있는 여러 종류의 유기물 농도를 직접 측정하는 것이 매우 어렵기 때문에, 호기성 상태에서 미생물이 유기물을 분해할 때 소모하는 산소량을 측정하여 간접적으로 유기물량을 나타내주는 방법이다.

자연수계의 평균온도인 20℃에서 실험하고, 전형적인 도시하수의 경우 유기물이 모두 분해되는데, 즉, 산소소모가 증가되지 않는 데까지 약 20일이 소요되나, 5일후 BOD가 최종 BOD의 60~80% 정도로 크기 때문에 도시하수의 경우 BOD 측정시간은 5일을 사용하고 있다.

BOD 측정방법으로는 직접법과 희석법이 있는데 하수나 폐수 등의 BOD가 높은 물은 희석법을 주로 쓴다. 시료의 처음 시작 당시의 DO농도와 5일후 DO농도의 차가 그 시료의 BOD값이다.

일반적으로 하천의 BOD가 10ppm(물 1㎖에 어떤 물질 1㎍이 들어있는 것을 말한다. 1㎍이란 1g의 100만 분의 1로 10^-6이라 나타낸다.)이상이 되면 혐기성 분해가 일어나 메탄, 암모니아, 유하수소 등의 가스가 발생하여 악취가 난다. 수중생물이 생존하려면 BOD가 5ppm 이하여야 하며, 방류하수는 30ppm 이하는 되어야 한다. BOD가 높다는 것은 유기무질이 많다는 것이며 용존산소의 소비가 많아 혐기성 분해가 일어나서, 부패현상으로 생물이 사멸되기 쉽기 때문에 위생상 또는 농수산업에 큰 피해를 줄 수 있다.

H. 화학적 산소요구량

  (化學的 酸素要求量, Chemical Oxygen Demand, COD)

COD는 유기물질을 화학적으로 완전 산화시키는데 소요되는 산소량으로 정의할 수 있는데 실제 실험에서는 유기물량에 비례하여 소모되는 산화제의 양을 산소량으로 환산하여 나타낸다.

COD실험은 산성상태의 고온에서 강력한 산화제를 이용하여 유기물을 산화시키기 때문에 거의 대부분의 유기물 화합물이 산화된다. 따라서 일반적으로는 미생물이 분해 가능한 유기물만을 측정할 수 있는 BOD값에 비해 COD값은 더 크게 된다. 특히 염색폐수나 제지폐수 등은 생물학적으로 분해가 어려운 염료나 리그닌 등의 유기물을 많이 함유하고 있어 COD/BOD 비는 매우 크게 된다. 그러나 이와 같지 않은 경우도 있다.

COD실험을 위한 산화제로는 중크롬산칼륨(K₂Cr₂O₇)과 과망간산칼륨(KMnO₄)이 사용되고 있다. 현재 우리나라에서는 과망간산칼륨을 사용하도록 되어 있으나 이것은 중크롬산칼륨보다 산화력이 매우 적기 때문에 정확하게 총 유기물량을 측정하는 것이 어려우며 대략 BOD와 유사한 값을 나타낸다.

COD실험의 장점은 짧은 시간 내에 폐수의 강도를 측정할 수 있고, BOD에 비해 실험이 간편하다는 것이다. 그리고 여러 종류의 시료에 적용할 수 있다는 것이다.

I. 질소(암모니아성 질소, 窒素)

대부분의 생물체는 물 속에 용해되어 있는 질소를 이용하나 일부 조류나 박테리아 등은 대기중의 질소를 고정하여 성장하기도 한다.

질소는 조류의 과성장을 자극하여 부영양화를 유발하는 주요 영양소로, 하폐수가 유입된 상류지방에서 하류로 이동되면서 NH₃(암모니아)에서 NO₂(아질산), NO₃(질산)으로 형태가 변화되기 때문에 하천수 등의 수질을 판정하는 기준으로 이용되기도 한다. 우리나라는 NO₃를 10ppm 이하로 그 기준을 설정하고 있다.

J. 질소(TKN)-킬달법(Kjeldahl Method)

유기질소를 측정하기 위한 방법으로 TKN(NH₃와 유기질소)를 정량할 수 있으며, 아질산이나 질산은 정량할 수 없다. 측정원리는 시료 내에 포함되어 있는 유기질소를 황산구리 및 황산칼륨(또는 황산수은) 등의 분해 촉진제 하에서 황산으로 산화시켜 황산암모늄((NH₄)₂SO₄) 형태의 NH₃로 변화시켜주고, 이를 다시 증류하여 얻은 암모니아를 암모니아 정량법에 따라 정량하는 방법이다.

K. 질소(총질소)-자외선 흡광광도법

총질소는 암모니아, 아질산, 질산, 유기질소 네 가지를 다 합한 것을 이르는 것이다.

시료 중 질소화합물을 알칼리성 과황산칼륨의 존재하에 120℃에서 유기물과 함께 분해하여 질산이온으로 산화시킨 다음, 산성에서 자외부 흡광도를 측정하여 질소를 정량하는 방법이다.

L. 질소(아질산성 질소)-흡광광도법(디아조화법)

아질산 이온을 술파닐아미드와 반응시켜 디아조화하고 이것이 α-나프틸 에틸렌디아민 이염산염과 반응시켜 생성된 아조화합물의 홍색의 흡광도를 540nm에서 측정하는 방법이다.

M. 질소(질산성 질소)-자외선 흡광광도법(혼합산성 시약법)

pH12 이상의 알칼리성에서 유기물질을 활성탄으로 흡착한 다음 혼합 산성액으로 산성으로 하여 아질산염을 은폐시키고 질산성 질소의 흡광도를 215nm에서 측정하는 방법이다.

N. 인(phosphorus)-인산염인, 총인

인은 조류의 과번성을 유발하는 부영양화의 주요 원인물질이기도 하지만, 폐수처리(생물학적)시 미생물 성장을 위해 꼭 필요한 영양소이기도 하며, 보일러관 등의 부식방지나 물의 연수화 과정에서 꼭 필요한 물질이기도 하다.

이와 같은 인은 가정하수에 4~15mg/ℓ 정도 함유되어 있는데 이 중 약 70% 정도는 세제에서 유발되는 것이며, 배설물(분뇨) 등에 의한 것도 포함되어 있고, 비료 등도 인의 주요 발생원 중의 하나이다.

총인은 유기인과 무기인을 합친 것이다.

O. 페놀-4-아미노 안티피린(Amino Antipyrine) 흡광도법

페놀류〔Phenol(석탄산, C₆H₅OH) 및 페놀화합물〕는 주로 소독제, 방부제로 많이 이용되는데 자연수 중에는 거의 포함되어 있지 않고, 의약품, 농약, 합성수지, 폭약 및 염료 등의 제조원료 및 병원에서 많이 이용되므로 폐수에 포함되어 수계에 유입된다.

페놀 그 자체는 1mg/ℓ에서도 냄새를 감지할 수 없으나, 염소와 반응하면 심한 냄새를 낸다. 즉 페놀을 함유한 물을 염소처리할 경우 클로로페놀을 생성하여 0.001mg/ℓ에서도 취기를 발생시킨다. 일반적으로 페놀은 피부, 점막 등에 부식성을 일으키고 단백질 및 원형세포질을 변형시키는 것으로 알려져 있다. 또한 소화기계 점막에 염증을 일으키고 복통, 구토, 혈압강하, 과호흡, 경련 등의 증상을 나타낸다.

현재 우리나라의 음용수 수질기준은 0.005mg/ℓ이하이며 폐수배출 허용기준은 0.5mg/ℓ로 되어 있다.

측정방법으로는 4-아미노 안티피린 흡광도법과 가스크로마토그래피를 이용하는 기기분석법이 있다.

화합물명	위해농도	화합물명	위해농도
아세트알데히트	100	일산화탄소	50
초산	10	사염화탄소	10
무수초산	5	염소	1
아세톤	1000	쿨로벤젠	75
암모니아	25	클로로포름	25
벤젠	25	p-디클로로벤젠	75
브롬	0.1	에틸알콜	1000
n-부틸알콜	100	헥산	500
t-부틸알콜	100	요오드	0.1
이산화탄소	5000	수은	0.001
메틸알콜	200	페놀	5
나프탈렌	10	톨루엔	100

상용 화합물의 위해하한(危害下限) 농도(ppm)

세계보건기구(WHO), 미국 및 한국의 수질 기준치 비교(단위:mg/ℓ)

수질지시자(항목)	WHO	미국	한국
대장균(Coliforms)	0	1/100㎖	불검출/50㎖
탁도(Turbidity)	<1	1-5	<2
이온농도(pH)	7.5±1	7.5±1	5.8-8.5
비소(As)	0.05	0.05	0.05
바륨(Ba)	-	1.0	-
커드뮴(Cd)	0.005	0.01	0.01
크롬(Cr)	0.05	0.05	0.05
불소(F)	1.5	1-2(15℃)	1
납(pB)	0.05	0.05	0.1
수은(Hg)	0.001	0.002	-
질소(N)	10.0	10.0	10.0
셀렌(Se)	0.01	0.01	0.01
은(Ag)	-	0.05	-
Trihalomethanes	-	0.1	0.1
염소(Cl)	250	250	150
구리(Cu)	1.0	1.0	1.0
철(Fe)	0.3	0.3	0.3
망간(Mn)	0.1	0.05	0.3
아연(Zn)	5.0	5.0	1.0
SO4	400	250	200
Total Dissolution Solid	1000	500	500

[도원(충남^^)]

좋은글 올려 주셨네요.

시간내어 차분히 읽어 봐야겠네요.

[코난.카페장(경기)]

전문적 자료글이네요ㅎ

[탄소중독화성인(창원)]

정보 감사합니다