유기물 지표

왜 배우는가: 유기물 지표(BOD, COD, TOC)는 하수처리장 설계·운전 관리와 방류수 수질 판정의 기본 자료이며, 하천 자정과 부영양화 평가에도 쓰여 기술사 시험에서 반복 출제된다. 세 지표의 측정 원리와 상호 관계를 이해하면 처리 공정별 변화를 논리적으로 설명할 수 있다.

출제 이력: 제126회 4교시 2번, 제117회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

유기물 지표는 물속 유기물이 소모하는 산소량 또는 유기탄소량으로 오염 정도를 나타내는 수질 지표로, BOD는 생물학적으로, COD는 화학적으로 산화시키는 데 필요한 산소량을, TOC는 유기물 내 탄소량을 측정한다.

핵심 키워드

• 생물화학적 산소요구량(BOD): 호기성 미생물이 유기물을 분해할 때 소비하는 산소량
• 화학적 산소요구량(COD): 강한 산화제로 유기물을 산화시킬 때 소비되는 산소량
• 총유기탄소(TOC): 유기물 분자에 결합된 탄소의 총량
• 생분해성 유기물: 미생물이 분해할 수 있는 유기물
• 난분해성 유기물: 생물학적으로 분해되기 어려운 유기물
• 총산소요구량(TOD): 유기물을 완전 연소시킬 때 필요한 산소량
• 용존산소(DO): 물에 녹아 있는 산소량
• 부영양화: 영양염류 과잉으로 조류가 증식하는 현상

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 물이 얼마나 더러운지를 물속 유기물이 산소를 얼마나 먹어치우는지로 재는 것이다. 유기물이 많을수록 산소를 많이 쓰므로 값이 커지고, 값이 클수록 오염이 심하다.

정식 정의는 다음과 같다. BOD는 수중의 분해 가능한 유기물이 일정 조건에서 미생물에 의해 분해·안정화될 때 소비하는 산소량이며, 보통 20℃에서 5일간 소비한 산소량(BOD5)으로 나타낸다. 시료를 배양하기 전후의 용존산소 차이로 구한다. 측정에 5일이 걸리고 미생물 활성에 영향을 받는다는 한계가 있다.

COD는 중크롬산칼륨(K2Cr2O7)이나 과망간산칼륨(KMnO4) 같은 강한 산화제로 물속 유기물을 화학적으로 산화시킬 때 소비되는 산소량이다. 측정 시간이 수 시간으로 짧고, 생물학적으로 분해되기 어려운 유기물도 산화시킨다. 따라서 생분해성 유기물만 반영하는 BOD보다 보통 큰 값을 보인다.

TOC는 시료를 고온 연소나 산화시켜 생성된 이산화탄소를 측정하여 유기물에 포함된 탄소량을 구하는 방법이다. 탄소 원소의 총량인 총탄소(TC)에서 무기탄소(TIC, 탄산염·중탄산염·용존 CO2)를 뺀 값이다. 산소 요구량이 아니라 탄소 질량으로 나타내므로 산화 방식과 무관하게 유기물 양을 직접 보여 준다. 측정이 빠르고 장치가 간단하여 음용수 관리에 널리 쓰인다.

산화 원리를 정리하면 다음과 같다. BOD는 미생물 호흡에 의한 산소 소비, COD는 화학 산화제에 의한 산소 소비, TOD는 완전 연소에 의한 산소 소비이고, TOC는 탄소 원소 자체를 잰다. 따라서 세 지표는 같은 오염을 서로 다른 방식으로 본다. 일반적으로 TOD ≥ COD ≥ BOD 관계가 성립하고, TOC는 그 크기가 시료 성상에 따라 달라 직접 비교하기 어렵다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 하수 관리에는 유기물 양을 직접 재는 방법이 없었다. 그래서 하천 자정능력을 기준으로 미생물이 유기물을 분해하는 데 쓰는 산소량을 측정하는 BOD가 먼저 자리 잡았다. BOD는 하천수 오염 정도 측정, 하수처리장 유입 부하 산정, 처리 효율 평가, 방류수 기준 준수 판정에 쓰여 왔다.

BOD의 한계가 드러나면서 COD가 도입되었다. BOD 시험은 5일이 걸리고, 산업폐수처럼 미생물에 독성이 있는 시료는 값을 얻기 어렵다. COD는 수 시간 안에 결과를 얻을 수 있어 공장폐수와 같이 BOD 측정이 곤란한 경우에 대체 지표로 쓰인다. 그러나 COD는 난분해성 유기물과 무기성 환원물질까지 산화시키므로 생물학적 영향을 직접 나타내지 못한다는 단점이 있다.

TOC는 산화제를 쓰지 않고 탄소를 직접 재어 신속하고 재현성 있게 유기물을 평가하기 위해 쓰이게 되었다. 음용수와 초순수처럼 극미량 유기물을 관리해야 하는 분야에서 필요성이 커졌다. 미국에서는 2001년 안전음용수법(Safe Drinking Water Act) 시행 이후 TOC 분석이 빠르고 정확한 대안으로 자리 잡았다고 알려져 있다. 소독부산물(DBP) 관리와 천연유기물(NOM) 제어에도 TOC가 핵심 지표로 쓰인다.

이처럼 세 지표는 측정 목적에 따라 나뉘어 발전했다. BOD는 생물학적 영향과 처리 공정의 생물 반응을 보고, COD는 전체 산화 가능 오염의 신속한 파악에, TOC는 유기탄소의 정량에 쓰인다. 하수처리 현장에서는 이 셋을 함께 보고 상호 관계로 유기물 상태를 추정하는 것이 필요하다.

4. 구성요소·원리·절차

유기물 지표는 물속 유기물이 산소를 소모하는 양으로 환산한 값이다. 세 지표는 측정 원리가 달라 각각 다른 유기물 분획을 반영한다. 생물학적 산소요구량(BOD)은 호기성 미생물이 유기물을 분해할 때 쓰는 산소량이고, 화학적 산소요구량(COD)은 강한 산화제가 유기물을 산화시킬 때 쓰는 산소량이다. 총유기탄소(TOC)는 시료 속 유기탄소를 연소 또는 산화로 CO₂로 바꿔 직접 재는 값이라 산소 소모량이 아닌 탄소량이다.

표는 세 지표가 무엇을 재는지 구분한다. BOD와 COD는 산소 단위로 같은 차원이지만 대상 물질이 다르다. TOC는 탄소 단위라 산소 요구량으로 바로 비교할 수 없다.

원리는 다음과 같다. 유기물이 미생물에 의해 분해되면 $\text{유기물} + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O + \text{새 세포}$ 반응이 일어난다. BOD는 이 반응에서 소비된 산소량이다. 난분해성 유기물은 미생물이 분해하지 못하므로 BOD에 잡히지 않는다.

측정 절차는 다음과 같다.

• 시료를 희석수로 희석하고 용존산소(DO)를 측정한다.
• 암실에서 20℃로 5일간 배양한다.
• 배양 후 DO를 다시 측정한다.
• $BOD_5 = (DO_i - DO_f) \times P$ 식으로 계산한다. DO_i는 초기 DO(mg/L), DO_f는 5일 후 DO(mg/L), P는 희석 배율(시료량 비)이다.

COD는 산화제로 중크롬산칼륨(K₂Cr₂O₇) 또는 과망간산칼륨(KMnO₄)을 쓴다. 산화제 소비량을 산소량으로 환산하며, 반응 시간이 수 시간 이내로 짧다. TOC는 시료를 연소 또는 산화시켜 생성된 CO₂를 적외선 검출기로 재고, 무기탄소(TIC)는 따로 제거하거나 빼서 계산한다.

BOD는 생분해성, COD는 산화성, TOC는 탄소량을 잰다

생분해성, 산화제 소비량, 총유기탄소(TOC)는 답안에 반드시 쓴다.

5. 관련 법령·기준·표준

유기물 지표의 기준은 수질환경보전법 체계의 수질환경기준과 방류수 수질기준에 있다. 하천·호소는 BOD 또는 COD 중 하나로 기준을 정하고, 하수처리장 방류수는 BOD, COD, TOC 기준을 따로 둔다. 기준 체계는 개정될 수 있으므로 적용 시점의 최신 고시를 따른다.

표는 기준 수치를 한 칸에 모았다. 방류수 BOD·COD 값은 지역과 시설 규모에 따라 달라진다. 하천 등급별 값은 등급마다 다르므로 표에서는 등급 구분만 적는다.

개정 연혁은 BOD 중심 기준이 오랫동안 쓰였고, 이후 COD와 TOC 기준이 병행되었다. TOC는 2001년 미국 Safe Drinking Water Act 이후 상수 분야에서 빠른 대체 분석법으로 확산되었다.

계산 예제로 BOD₅를 확인한다. 초기 DO 8.5mg/L, 5일 후 DO 3.5mg/L, 희석 배율 P=0.1이면 BOD_5 = (8.5-3.5)\times 0.1 = 0.5가 아니라 시료 1L 기준 \frac{(8.5-3.5)}{P}로 환산해 해석한다. 결과가 수십 mg/L 범위면 상식적인 범위다.