유기물 지표

왜 배우는가: 유기물 지표는 하천·호소와 공장 폐수의 오염도를 판정하고 배출허용기준을 설정하는 근거가 되므로 수질 기술 분야의 기본 주제이다. BOD, COD, TOC는 측정 원리와 소요 시간이 달라 측정법의 차이를 비교하는 문항으로 자주 다뤄진다.

출제 이력: 제129회 1교시 9번, 제119회 1교시 13번, 제108회 3교시 3번, 제101회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

유기물 지표는 물속 유기물의 양을 산소 소모량이나 탄소량으로 환산하여 나타내는 수질 항목이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 생물화학적 산소요구량(BOD)
• 화학적 산소요구량(COD)
• 과망간산칼륨법(CODMn)
• 중크롬산칼륨법(CODCr)
• 총유기탄소(TOC)
• 용존산소(DO)
• 질산화 억제제
• 무기탄소(IC)

2. 개념 풀이

생물화학적 산소요구량(BOD)은 물속에 있는 생분해성 유기물을 호기성 미생물이 분해하는 데 필요한 산소량이다. 표준 시험에서는 시료를 20°C의 어두운 곳에 5일간 보관하고, 배양 전후의 용존산소(DO) 차이로 구하며 이를 BOD5라 한다. 어두운 곳에 두는 이유는 광합성으로 산소가 새로 생기는 것을 막기 위해서이다.

미생물은 유기물을 이산화탄소와 물로 분해하면서 용존산소를 소비한다. 따라서 감소한 산소량이 생분해되는 유기물의 양을 나타내며, BOD는 물질의 총량이 아니라 미생물이 실제로 분해할 수 있는 부분을 재는 지표이다. 질소 화합물이 질산화되면서 소비하는 산소는 탄소 유기물의 분해와 별도로 발생하므로, 질산화 억제제를 넣어 탄소 성분만 구한 값을 탄소 BOD(cBOD)라 한다. 배양 기간을 20일까지 늘려 얻은 값은 최종 BOD(BODu)라 한다.

화학적 산소요구량(COD)은 강한 화학 산화제로 물속의 유기물과 환원성 무기물질을 산화시킬 때 소비되는 산화제의 양을 산소량(mg/L)으로 환산한 값이다. 산화제에 따라 중크롬산칼륨을 쓰는 CODCr과 과망간산칼륨을 쓰는 CODMn으로 나뉜다. CODCr은 산화력이 강해 생분해되지 않는 유기물까지 거의 모두 산화하므로 BOD보다 넓은 범위의 오염을 나타낸다. 반면 CODMn은 산화력이 약해 하천수나 해수처럼 오염이 상대적으로 적은 시료에 주로 쓰인다.

CODCr 시험은 황산 산성에서 가열하여 산화시키며, 황산은을 촉매로 넣어 난분해성 유기물의 산화를 돕는다. 시료의 염화이온은 산화 반응을 방해하므로 황산수은으로 억제한다.

총유기탄소(TOC)는 시료 속 유기물의 탄소량을 직접 측정한 값이다. 분석기는 탄소의 총량(TC)만 셀 수 있으므로 무기탄소(IC)를 따로 측정해 뺀다. TOC는 총탄소(TC)에서 무기탄소(IC)를 뺀 값이다. 식으로 쓰면 TOC = TC − IC이다. 직접법(NPOC)에서는 시료를 pH 2 이하로 산성화하여 탄산염을 이산화탄소로 날려 보낸 뒤, 남은 비정화성 유기탄소를 산화시켜 측정한다.

세 지표는 모두 물속 유기물의 양을 나타내지만 측정 대상이 다르다. BOD는 생분해성 유기물에 의한 산소 소비, COD는 산화제로 산화되는 물질의 산소 상당량, TOC는 유기물에 든 탄소의 질량을 나타낸다. 따라서 세 값 사이에 고정된 환산 관계가 있는 것이 아니며, 시료의 성상에 따라 대소 관계가 달라진다. 일반적으로 BOD는 COD보다 작게 나타난다.

3. 등장 배경과 필요성

하천과 호소의 오염을 판단하려면 미생물에 의한 자정작용을 반영하는 지표가 필요했다. BOD는 미생물이 유기물을 분해하는 과정을 그대로 재현하므로 이 목적에 맞는 지표로 자리 잡았다. 다만 시험에 5일이 걸리고, 미생물의 상태에 따라 결과가 흔들리며, 독성 물질이 있으면 값이 왜곡되는 한계가 있다.

이 한계를 보완하기 위해 화학 산화제를 쓰는 COD가 도입되었다. COD는 수 시간 안에 결과를 얻을 수 있고 미생물의 활성에 좌우되지 않으므로, 오염이 빠르게 변하는 공장 폐수의 관리에 유리하다. 그러나 산화되는 무기 환원물질까지 포함하므로 유기물만의 양을 나타내지는 않는다는 한계가 있다.

TOC는 또 다른 필요에서 등장했다. 산소나 산화제 소비량을 재는 방법은 무기 환원물질의 간섭을 받으므로, 유기물을 탄소량으로 직접 세는 방법이 요구되었다. 초순수나 반도체 공정수처럼 유기물 농도가 매우 낮은 물을 관리하는 데는 TOC가 주로 쓰인다.

수질 기준의 측면에서도 배경이 있다. 하천 수질환경기준의 대표 유기물 지표는 BOD이고, 호소와 해역 수질환경기준의 지표는 COD이다. 같은 오염이라도 어떤 지표로 재느냐에 따라 판정이 달라지므로, 각 지표가 무엇을 재는지 구분해 이해해야 한다. 지표 선택은 측정 목적에 따라 달라진다. 자정능력을 평가할 때는 BOD가, 공정 관리와 신속 판정에는 COD나 TOC가 주로 쓰인다.