질산성 질소 유입 원인·특징 및 제거방법

왜 배우는가: 질산성 질소는 지하수·상수원 오염의 대표 항목이라 먹는물 수질기준 초과 대응을 묻는 문제가 반복해서 출제된다. 원인과 제거 공정을 함께 설명해야 답안이 완성되므로 정의와 배경을 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제136회 3교시 2번, 제110회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

질산성 질소(NO3-N)는 질소가 산화되어 생성된 질산이온(NO3-)의 질소량으로, 물에 용해되어 먹는물 수질기준 초과의 원인이 되는 무기성 질소이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 질산성 질소(NO3-N)
• 질산화(nitrification)
• 비료·축분 유입
• 먹는물 수질기준 10mg/L
• 메트헤모글로빈혈증
• 이온교환
• 생물학적 탈질
• 역삼투

2. 개념 풀이

질산성 질소는 쉽게 말하면 물속 질소 오염이 최종적으로 남긴 형태다. 비료나 축분, 생활하수의 유기질소가 미생물에 의해 암모니아성 질소로 바뀌고, 다시 산화되어 질산이온이 된다. 질산이온은 물에 잘 녹고 흡착이 잘 되지 않아 자연 상태에서 잘 제거되지 않는다.

정식으로는 질산성 질소를 질산이온(NO3-) 속 질소의 농도로 나타낸다. 단위는 mg/L로 쓰며, 질산이온 농도에 질소 분율을 곱해 환산하기도 한다.

질산화(nitrification) 는 암모니아성 질소가 미생물의 작용으로 아질산(NO2-)을 거쳐 질산(NO3-)으로 산화되는 반응이다. 자연계의 질소 순환에서 질산화는 호기성 조건에서 일어난다.

탈질(denitrification) 은 질산이온이 무산소 조건에서 탈질균에 의해 질소가스(N2)로 환원되는 반응이다. 탈질은 탄소원과 무산소 조건이 있어야 진행된다. 질산성 질소를 제거하는 생물학적 방법의 핵심 원리다.

먹는물 수질기준 은 질산성 질소를 10mg/L 이하로 관리한다는 뜻이다. 이 값은 미국 식수 기준과 같은 수준이며, 영아에게 메트헤모글로빈혈증을 일으킬 수 있다는 것이 기준 설정의 근거다.

3. 등장 배경과 필요성

질산성 질소는 농업 활동과 축산, 생활하수가 확대되면서 상수원에서 자주 검출되기 시작했다. 질소비료 사용이 늘면서 비료 성분이 빗물과 관개수에 씻겨 하천과 지하수로 유입된다. 축사에서 발생한 축분과 축산폐수도 적절히 처리되지 않으면 같은 경로로 유입된다.

특히 지하수는 자정 작용이 느리고 한번 오염되면 회복에 오래 걸린다. 따라서 질산성 질소는 상수원 보호와 정수처리 단계의 제거가 함께 필요한 항목이 되었다. 정수장에서 일반적인 응집·침전·여과로는 질산이온이 거의 제거되지 않아, 별도의 제거 공정을 도입하는 배경이 된다.

또한 지하수 오염은 간헐적으로 발생하고 농도 변동이 커서 원수 관리가 어렵다. 그래서 원수 수질 감시와 함께 이온교환, 생물학적 탈질, 역삼투 같은 제거 기술을 상황에 맞게 선택해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

질산성 질소 제거는 질소의 형태를 바꾸어 물에서 빼내는 방식이다. 생물학적 방법은 질산화와 탈질을 거쳐 질소를 질소가스(N2)로 바꾼다. 물리화학적 방법은 질산이온을 막이나 수지로 분리하여 농축한다. 두 방식은 처리 결과물이 다르므로 구성요소를 함께 이해해야 한다.

질산화는 암모니아가 아질산을 거쳐 질산으로 순차 산화되는 반응이다. 이 과정에서 산소와 알칼리도가 소비된다. 탈질은 산소가 없을 때 탈질균이 질산이온을 산소 대신 전자 수용체로 사용하는 호흡 과정이다. 환원은 NO3- → NO2- → NO → N2O → N2 순서로 진행한다.

탈질은 무산소 조건과 전자 공여체(탄소원)가 함께 있어야 성립한다. 탄소원이 부족하면 환원이 중간 단계에서 멈추고 아질산성 질소가 축적된다. 따라서 질산성 질소를 제거할 때는 질산화조와 탈질조의 용존산소를 나누어 관리해야 한다.

역삼투와 이온교환은 생물학적 방법과 원리가 다르다. 역삼투는 압력을 가해 반투막으로 물만 통과시키고 질산이온을 농축수로 보낸다. 이온교환은 수지에 붙은 이온과 질산이온을 맞바꾼다. 두 방법 모두 질소를 제거하지 않고 옮기는 방식이므로 농축수나 재생폐액의 처리 계획이 함께 필요하다.

생물학적 탈질의 표준 절차는 다음과 같다.

• 원수의 질산성 질소와 암모니아성 질소 농도를 측정한다.
• 호기 조건의 질산화조에서 암모니아를 질산이온으로 산화한다.
• 무산소 탈질조에 탄소원을 주입하여 질산이온을 질소가스로 환원한다.
• 재폭기와 침전으로 잔류 유기물과 미생물 유출을 줄인다.
• 여과와 소독 후 수질기준 적합 여부를 확인한다.

5. 관련 법령·기준·표준

먹는 물의 질산성 질소 기준은 「먹는물관리법」에 근거한 환경부령 「먹는물 수질기준 및 검사 등에 관한 규칙」 별표 1에서 정한다. 이 규칙은 2019년 12월 20일 시행본을 기준으로 한다. 질산성 질소는 질소량(NO3-N)으로 표시하며, 같은 규칙의 암모니아성 질소 기준과 함께 관리한다. 암모니아성 질소는 분뇨나 축산폐수 유입의 지표이고, 질산성 질소는 암모니아가 산화된 결과물이므로 두 항목을 함께 보아야 한다.

위 표에서 국내 기준과 미국 기준은 모두 질소 환산 여부에 따라 값의 의미가 달라진다. 국내 기준은 NO3-N 기준이므로 질산이온(NO3-) 농도로 환산할 때는 분자량 비를 곱해야 한다. 허용섭취량은 건강 영향 평가의 근거이며, 정수장 운영 기준으로 직접 쓰지는 않는다.

수질기준은 정수장 검사 항목과 연결된다. 광역 및 지방상수도 정수장은 매일 여섯 가지 항목을 검사하며, 질산성 질소는 먹는 물 기준 항목으로 관리된다. 정수 처리 설계에서는 원수의 최대 농도를 기준으로 제거율과 탈질 용량을 산정한다.

국내 기준은 환경부령으로 정하므로 개정 여부는 해당 규칙의 현행 조문으로 판단한다. 기준값이 바뀌면 설계 목표 농도와 운전 조건도 함께 바뀐다.

6. 유형과 비교

질산성 질소를 제거하는 방법은 크게 생물학적 방법과 물리·화학적 방법으로 나뉜다. 상수처리에서는 원수의 질산성 질소 농도, 유량, 처리 목표(먹는물 기준 10mg/L 이하 준수 여부)에 따라 방법을 고른다. 아래 표는 방법별 원리와 특징을 비교한 것이다.