생활하수 수질지표

왜 배우는가: 생활하수의 수질지표인 BOD·COD·부유물질·수소이온농도는 하수처리시설 설계와 방류수 관리의 기준이 되는 값이다. 건축설비 분야에서는 오수정화시설과 중수도 설계에서 유입수 부하를 산정할 때 쓰이며, 기술사 시험에서 용어 정의와 지표 간 비교 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제93회 1교시 8번, 제75회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

생활하수 수질지표는 하수 속 오염 부하를 수치로 나타낸 값으로, 생물학적 산소요구량(BOD), 화학적 산소요구량(COD), 부유물질(SS), 수소이온농도(pH)가 대표적이다.

• 핵심 키워드: BOD, COD, 부유물질(SS), 수소이온농도(pH), 용존산소(DO), 유기물 부하, 방류수 수질기준, 산화제(중크롬산칼륨)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 수질지표는 물이 얼마나 더럽고, 그 더러움이 물속 생물과 처리시설에 얼마나 부담이 되는지 재는 잣대다. 같은 물이라도 무엇을 재느냐에 따라 값이 달라지므로 목적에 맞는 지표를 골라야 한다.

생물학적 산소요구량(BOD, Biochemical Oxygen Demand)은 호기성 미생물이 물속 유기물을 분해하는 데 쓰는 산소량이다. 일반적으로 20℃에서 5일간 소비된 용존산소량을 mg/L로 나타내며, 이를 BOD₅라고 한다. 완전 분해까지의 산소량은 이론적으로 최종 BOD(BODu)라고 하며 시간이 오래 걸리므로 실무에서는 BOD₅를 쓴다.

화학적 산소요구량(COD, Chemical Oxygen Demand)은 강한 산화제로 물속 유기물을 화학적으로 산화시킬 때 필요한 산소량이다. 생분해 여부와 무관하게 산화되는 물질을 모두 잡으므로 BOD보다 측정 범위가 넓다. 표준 방법은 중크롬산칼륨(K₂Cr₂O₇)을 산화제로 쓴다.

부유물질(SS, Suspended Solids)은 물에 녹지 않고 떠다니는 입자를 여과로 걸러 건조 중량으로 잰 값(mg/L)이다. 점토, 유기물 조각, 조류 세포 등이 포함된다. 침전과 여과 공정의 제거 효율을 판단하는 기준이다.

수소이온농도(pH)는 물의 산성·알칼리성 정도를 나타내는 지표다. pH는 수소이온 농도의 상용로그에 음의 부호를 붙인 값(pH = −log[H⁺])으로, 중성은 25℃에서 pH 7이다. 생물처리 공정은 pH가 크게 벗어나면 미생물 활성이 떨어지므로 관리 대상이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

하천과 호소에 도시하수와 공장폐수가 방류되면 산화되기 쉬운 유기물이 자연 정화 능력을 넘어 용존산소를 소모한다. 그 결과 수생태계가 훼손되므로 오염 정도를 정량화할 지표가 필요해졌다. BOD는 이런 자연 정화 작용을 모사한 생물학적 지표로 발전했다.

BOD 측정은 5일이 걸리고 미생물 조건에 민감하다. 이 한계를 보완하려고 짧은 시간에 측정할 수 있는 COD가 도입됐다. 초기 COD 시험에서는 과망간산칼륨(KMnO₄)을 산화제로 썼으나 유기물 산화력이 불안정해 BOD보다 낮게 나오는 경우가 많았다. 이후 산화력이 높은 중크롬산칼륨이 표준 산화제로 자리 잡았다.

부유물질은 하수처리 공정의 물리적 제거 능력을 보여 주는 지표다. 물에 녹은 물질은 SS로 잡히지 않으므로 용존 오염물질 관리는 별도 지표가 필요하다. 수소이온농도는 생물학적 처리와 방류 환경 기준을 동시에 만족시키기 위해 함께 관리된다.

이 네 지표를 함께 쓰는 이유는 하나만으로는 하수의 성질을 충분히 설명할 수 없기 때문이다. BOD는 생분해성 유기물, COD는 전체 산화성 물질, SS는 입자성 물질, pH는 화학적 환경을 나타낸다. 답안에서는 이 역할 구분을 먼저 제시하는 것이 좋다.

4. 구성요소·원리·절차

생활하수의 수질지표는 물속 오염물질의 양을 산소량이나 고형물량으로 환산해 나타낸다. 생물학적 산소요구량(BOD)은 호기성 미생물이 유기물을 산화할 때 소비하는 용존산소량이고, 화학적 산소요구량(COD)은 강한 산화제로 유기물을 화학적으로 산화할 때 소비되는 산소량이다. 두 지표는 측정 원리가 달라서 같은 시료라도 값의 크기와 적용 범위가 다르다.

BOD는 미생물의 분해 능력, COD는 화학적 산화 가능 물질 전체를 본다

표의 구성요소는 측정 대상과 방식이 서로 다르다. BOD와 COD는 산소를 기준으로 하고, SS는 무게를, pH는 이온 활량을 본다.

원리는 다음과 같다. 생물학적 방법은 미생물이 유기물을 분해할 때 소비하는 용존산소(DO)를 측정한다. 화학적 방법은 다이크롬산칼륨(K2Cr2O7)을 산화제로 쓴다. 이 산화제는 거의 모든 유기물을 산화시키고 가격이 저렴해 표준 산화제로 쓰인다.

절차는 다음과 같다.

• BOD: 시료의 초기 용존산소(DO)를 측정한다.
• BOD: 미생물을 접종하고 20℃ 암소에서 5일간 배양한다.
• BOD: 배양 후 DO를 다시 측정하고 초기값에서 최종값을 뺀다.
• COD: 시료에 산화제와 촉매를 넣고 가열해 산화시킨다.
• COD: 소비된 산화제량을 산소량으로 환산한다.
• SS: 시료를 여과지로 거르고 105℃ 건조 후 무게를 잰다.
• pH: 유리전극으로 수소이온 활량을 측정하고 pH 값으로 나타낸다.

공식은 다음과 같다.

$BOD_5 = (DO_i - DO_f) \times P$

여기서 DO_i는 초기 용존산소(mg/L), DO_f는 5일 후 용존산소(mg/L), P는 희석배수다.

$pH = -\log_{10}[H^+]$

여기서 [H^+]는 수소이온 활량(mol/L)이다.

도식 설명을 위해 측정 흐름을 아래에 정리한다.

5. 관련 법령·기준·표준

생활하수 수질지표의 시험 방법은 수질오염공정시험기준에 정해져 있다. 이 기준은 BOD, COD, SS, pH의 시험 방법과 단위를 규정한다. 아래 표는 측정 방식과 기준 조건을 정리한 것이다.

표의 pH 범위는 생활하수 방류수 수질 기준의 일반적인 값이다. BOD와 COD는 측정 원리가 달라 같은 값이 나오지 않는다. 생활하수에서는 COD/BOD5 비가 대체로 일정한 범위를 보이는 것으로 알려져 있다.

개정 연혁으로는 수질오염공정시험기준이 여러 차례 개정되어 현행 기준을 따른다. 다이크롬산 산화제는 유럽연합에서 사용이 제한되고 있어 대체 산화제 연구가 진행 중이다.

6. 유형과 비교

생활하수의 수질지표는 측정 원리에 따라 생물학적 방법과 화학적 방법으로 나뉜다. BOD는 미생물이 유기물을 산화할 때 소비하는 산소량을 재고, COD는 강산화제가 화학적으로 산화시키는 산소량을 잰다. 부유물질(SS)은 여과로 분리되는 고형물의 건조 중량이며, 수소이온농도(pH)는 용액의 산성·염기성 정도를 나타낸다.