물의 자정작용

자정작용이란

물의 자정작용은 오염된 물이 스스로 깨끗해지는 현상이다.

오염물질을 없애는 것이 아니라 농도를 낮추는 것이 핵심이다.

이 개념은 수질 예측과 하천 관리의 출발점이 된다.

세 가지 작용

자정작용은 물리적, 화학적, 생물학적 작용이 동시에 일어나는 복합 과정이다.

물리적 작용은 희석과 침전으로 농도와 부유물질을 줄인다.

화학적 작용은 산화·환원·중화로 물질의 형태를 바꾼다.

그중 호기성 미생물의 분해가 유기물 제거의 중심이다.

재폭기와 탈산소

재폭기와 탈산소는 하천의 용존산소 변화를 결정하는 두 과정이다.

탈산소는 미생물이 유기물을 분해하며 산소를 소비하는 현상이다.

재폭기는 대기 산소가 물속으로 다시 녹아드는 현상이다.

두 과정의 균형이 DO를 결정하며, 자정 계수는 f = K₂/K₁로 나타낸다.

자정 진행 절차

오염물이 하천에 들어오면 자정작용이 단계적으로 진행된다.

먼저 희석과 혼합이 일어나고, 호기성 미생물이 유기물을 분해하며 DO를 소비한다.

DO가 최저점에 이르면 재폭기와 광합성으로 회복이 시작된다.

결국 유기물이 충분히 분해되어 원래 수질로 돌아온다. 하류로 갈수록 DO 부족량은 먼저 커졌다가 줄어드는 곡선이 된다.

재폭기 영향 인자

재폭기 계수 K₂는 여러 물리적 조건에 따라 달라진다.

수온은 낮을수록, 수심은 얕을수록, 유속은 클수록 K₂가 커진다.

난류가 크고 하상이 거칠고 구배가 클수록 K₂가 커진다.

수온이 오르면 K₁은 커지고 K₂는 작아져 자정 계수 f가 줄어든다. 다만 여름에는 미생물 분해가 빨라 일부 보완된다.

계산 예제

가상의 예로 최종 BOD 20mg/L, 초기 DO 부족량 2mg/L, 포화 DO 9mg/L를 가정한다.

먼저 임계 시간 공식에 대입하면 임계 시점은 약 2.19일이다.

이 시점의 부족량은 약 4.3mg/L로 최대가 된다.

최저 DO는 포화값 9mg/L에서 부족량 4.3mg/L를 뺀 4.7mg/L이다.

결과는 상식 범위에 있다. 답안에는 식의 구조와 최저점 원리를 먼저 쓰고 수치는 조건과 함께 제시한다.

핵심 정리와 확인

정리하면 자정작용은 세 가지 작용이 함께 일어나는 복합 과정이다.

핵심은 재폭기와 탈산소의 균형이며, 자정 계수는 f = K₂/K₁로 나타난다.

직접 풀어 보자. 방금 배운 식을 적용하는 문제다.