질소산소요구량(NOD)

왜 배우는가: 질소산소요구량(NOD)은 하수 방류수가 하천의 용존산소를 소모하는 원인을 탄소성 BOD와 구분해 설명하는 개념이다. 방류수 수질 관리와 질소 제거 공정 설계에서 BOD 측정값을 해석할 때 반드시 필요하다. 기술사 시험에서는 BOD 측정 시 질산화 영향을 묻는 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제126회 1교시 9번, 제119회 1교시 10번, 제94회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

질소산소요구량(NOD)은 물속 질소화합물(주로 암모니아성 질소)이 질산화 과정에서 소비하는 산소량이다.

• 질소산소요구량(NOD)
• 질산화
• 탄소성 BOD(CBOD)
• 질소성 BOD(NBOD)
• BOD 측정 시 질산화 간섭
• 화학적 산소요구량(COD)과의 차이

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 하수 속 유기물을 미생물이 분해할 때 쓰는 산소와 별도로, 암모니아가 질산염으로 바뀌는 과정에서 쓰는 산소가 있다. 이 두 번째 산소 소모를 질소산소요구량이라고 한다.

정식으로는 물속 질소화합물이 호기성 조건에서 산화되는 데 필요한 산소량을 말한다. 질소화합물이 호기성 조건에서 산화되는 과정이 질산화이며, 이 과정에서 소모되는 산소를 질소성 BOD(NBOD) 또는 NOD라고 부른다. 질산화 반응은 다음과 같이 쓴다.

$\mathrm{NH_4^+ + 2O_2 \rightarrow NO_3^- + H_2O + 2H^+}$

이 식에서 암모니아성 질소 1mol(14g-N)을 산화하는 데 산소 2mol(64g)이 필요하다. 즉 질소 1g당 산소 약 4.57g이 소모된다.

탄소성 BOD(CBOD) 는 탄소를 포함한 유기물이 미생물에 의해 산화되면서 쓰는 산소량이다. 전체 BOD는 다음과 같이 나눠 쓴다.

$\mathrm{BOD_{total} = CBOD + NBOD}$

여기서 CBOD는 탄소화합물 산화에 쓰인 산소(mg/L), NBOD는 질산화에 쓰인 산소(mg/L)이다.

질산화는 주로 Nitrosomonas(암모니아를 아질산으로 산화)와 Nitrobacter(아질산을 질산으로 산화) 같은 독립영양 세균이 담당한다. 이 세균은 증식 속도가 느려, 일반적으로 BOD 측정 초기 수 일 동안은 나타나지 않고 7~10일 후부터 두드러진다.

3. 등장 배경과 필요성

하수처리 기술이 발전하면서 유기물은 많이 제거되었지만 질소는 상대적으로 많이 남게 되었다. 처리수에 남은 암모니아가 하천에서 질산화되면 용존산소가 계속 소모되어 수생태계에 악영향을 준다.

또한 BOD 측정값이 실제 유기물 양보다 높게 나오는 문제가 생겼다. BOD 시험병 안에 질산화 세균이 있으면 탄소성 산소 소모에 질소성 산소 소모가 더해져 측정값이 부풀려진다. 따라서 방류수 수질을 정확히 평가하려면 CBOD와 NOD를 구분해야 한다는 요구가 생겼다.

질산화는 BOD 측정 후 약 7~10일 후부터 두드러진다. 이 시점 이전의 BOD5 값은 대체로 탄소성 산소 소모로 본다.

이 구분은 질소 제거 공정 설계에도 중요하다. 질산화 용량이 부족하면 처리수의 NH3-N이 높게 남고, 하천 방류 후 NOD가 용존산소를 소모해 물고기 서식 환경을 악화시킬 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

NOD는 질산화 미생물이 암모늄성 질소(NH4+-N)를 산화시키면서 소모하는 산소량이다. 탄소계 유기물을 분해하며 쓰는 산소(CBOD)와 구분해야 하며, 두 값을 합한 것이 전체 BOD다. 구성요소는 암모니아 산화 단계와 아질산 산화 단계로 나뉜다.

표 아래 설명: 두 단계는 서로 다른 세균군이 맡으며, 2단계가 1단계 산물을 바로 소비하므로 대개 아질산염은 낮게 유지된다. 산소 소모량은 질소 기준으로 계산하면 NH4+-N 1g당 약 4.57g의 산소가 필요하다.

원리: 질산화는 호기성 조건에서만 진행한다. 암모니아 산화효소(AMO)와 히드록실아민 산화환원효소(HAO)가 에너지를 얻는 과정에서 산소가 전자 수용체 역할을 한다. 따라서 NOD는 DO 농도, 온도, pH, 질산화 미생물의 양에 따라 달라진다. 온도가 낮아지면 질산화 속도가 줄어 BOD 시험에서 NOD가 늦게 나타난다.

식 (NOD 산소 요구량 산정):

$NOD = 4.57 \times (NH_4^+\text{-}N) \;\; [\text{mg/L}]$

여기서 NOD는 질산화에 필요한 산소요구량(mg/L), NH4+-N는 질산화되는 암모니아성 질소 농도(mg/L), 4.57은 질소 1g을 질산염으로 바꾸는 데 필요한 산소량(g/gN)이다. 세포 합성에 쓰이는 질소를 빼면 실제 값은 이보다 작다.

계산 예제: 유출수 NH4+-N가 20mg/L일 때 NOD = 4.57 × 20 = 91.4mg/L. 단위는 mg/L로 같고, 수치가 전체 BOD의 상당 부분이므로 상식 범위에 맞다.

절차(BOD 시험에서 NOD 분리 확인):

• 시료를 20℃에서 5일간 배양하여 BOD5를 구한다.
• 질산화 억제제(예: 알릴티오요소)를 넣고 같은 시료를 다시 배양한다.
• 억제제를 넣은 값이 CBOD, 넣지 않은 값에서 억제제 값을 뺀 차이가 NOD에 해당한다.

도식:

5. 관련 법령·기준·표준

대신 하수처리수의 질소 항목(총질소 등)과 BOD·COD 배출 기준이 관련 규제다.

표 아래 설명: 4.57g O2/gN은 질산화 반응식의 질량 계산에서 나온 값이다. COD 시험은 산화제가 암모니아를 질산염으로 바꾸지 못하므로 NOD를 포함하지 않는다. 따라서 NOD를 따로 평가하려면 BOD 시험에서 억제제 사용 여부를 기록해야 한다.

개정 연혁: 하수도 관련 BOD·T-N 배출 기준은 시행 중인 하수도법 및 하수처리시설 방류 기준에 따라 관리된다. NOD 단독 기준은 현행 법정 항목이 아니다.

6. 유형과 비교

NOD와 관련된 산소요구량은 측정 방법과 반응 대상에 따라 구분된다. 탄소계 유기물을 대상으로 하는 탄소성 BOD(CBOD), 질소 화합물의 산화를 대상으로 하는 질소성 BOD(NBOD, NOD), 화학적으로 산화 가능한 물질 전체를 대상으로 하는 COD, 그리고 이론적으로 계산하는 이론적 산소요구량(ThOD) 이 대표적이다. 각 항목은 반응 주체, 측정 기간, 포함 범위가 달라 비교표로 정리하면 혼동을 줄일 수 있다.