생화학산소요구량

Biochemical oxygen demand
폐수처리장 실험실에서 BOD 시험병.

생화학적 산소 요구량(BOD)은 특정 기간 동안 특정 물 샘플에 존재하는 유기 물질을 특정 온도에서 분해하기 위해 유산소 생물 생물이 필요로 하는 용존 산소(DO)의 양이다.BOD 값은 20 °C에서 배양 5일 동안 샘플 1리터 당 소비되는 산소의 밀리그램으로 가장 일반적으로 표현되며, 물의 유기 오염 정도를 대신하는 역할을 한다.[1]

BOD 감축은 폐수처리장의 효율을 측정하는 척도로 사용된다.폐수유출물 BOD는 수돗물의 산소 수준에 대한 단기적 영향을 나타내기 위해 사용된다.

BOD 분석은 화학적 산소요구량(COD) 분석과 기능이 유사하며, 두 분석 모두 물 속 유기화합물의 양을 측정한다는 점에서 유사하다.그러나 COD 분석은 생물학적으로 산화된 유기물질의 수준만이 아니라 화학적으로 산화될 수 있는 모든 것을 측정하기 때문에 덜 구체적이다.

배경

대부분의 자연수는 소량의 유기 화합물을 포함하고 있다.수생 미생물은 이러한 화합물의 일부를 음식으로 사용하기 위해 진화해왔다.산소가 함유된 물에 사는 미생물은 용존 산소를 사용하여 유기 화합물을 산화적으로 분해하여 성장과 번식사용되는 에너지를 방출한다.이러한 미생물의 개체수는 이용 가능한 음식의 양에 비례하여 증가하는 경향이 있다.이 미생물 신진대사는 식품으로 유용한 유기화합물의 양에 비례하는 산소 수요를 만들어 낸다.어떤 상황에서는 미생물 대사가 대기 산소가 물에 녹을 수 있거나 자생적 집단(알개, 시아노박테리아, 마크로피테스)이 생산할 수 있는 것보다 더 빨리 용존 산소를 소비할 수 있다.물고기와 수생 곤충은 미생물 신진대사에 의해 산소가 고갈되면 죽을 수도 있다.[2]

생화학적 산소 요구량은 물 속 유기화합물의 미생물 신진대사에 필요한 산소의 양이다.이러한 수요는 온도, 영양소 농도, 토착 미생물 집단이 이용할 수 있는 효소에 따라 일정 기간 동안 가변적으로 발생한다.세대에 걸친 미생물 성장, 사망, 부패, 식인 풍습 등을 통해 유기화합물을 이산화탄소와 물로 완전히 산화시키는 데 필요한 산소의 양은 총생화학산소요구량(BOD)이다.Total BOD는 수질보다 음식 그물에서 더 중요하다.용존산소 고갈은 다량의 유기물질에 대응하여 초기 수생 미생물 개체군 폭발 때 가장 명백해질 가능성이 높다.그러나 미생물 개체수가 탈산소화되면 산소가 부족하면 유산소 수생 미생물 생물의 개체 증가에 한계가 생겨 장기적인 식량잉여와 산소결손을 초래하게 된다.[3]

BOD 시험을 수행해야 하는 표준 온도는 1912년 영국 왕립 하수 처리 위원회가 여덟 번째 보고서에서 처음 제안하였다.

"다) 일반규격을 준수하기 위해 배출되는 배출물은 부유물질 10만개 당 3개 이상의 배출물을 포함할 수 없으며, 부유물질이 포함된 배출물은 5일 이내에 용존산소 10만개 당 2.0개 이상의 배출물을 65°F에서 섭취해서는 안 된다.이 일반 표준은 법령 또는 중앙 기관의 명령에 의해 규정되어야 하며, 10년 이상의 간격을 두고 해당 기관이 변경해야 한다.

이는 나중에 68°F에서 표준화된 후 20°C로 표준화되었다.이 온도는 시험하는 물의 자연환경 온도와 크게 다를 수 있다.

영국 왕립하수처리위원회는 영국아일랜드의 하천에 대한 적절한 시험기간으로 5일을 제안했지만, 북미 하천에 대한 조사 기간은 더 길어졌다.20세기 중반에는 1, 2, 5, 10, 20일의 잠복기가 사용되고 있었다.[4]조사관들은 용존산소를 20일 이내에, 10일 이내에 90%, 5일 이내에 약 68%의 BOD가 사용된다는 것을 발견했다.[5]가변 미생물 집단은 5일 이상 기간 동안 질화균 제한 검사로 이동한다.탄소성 BOD를 강조하는 허용 가능한 재현 결과를 가진 5일간의 시험 프로토콜은 미국 환경보호청(EPA)에 의해 승인되었다.이 5일간의 BOD 테스트 결과는 수생 미생물이 에어로빅 조건에서 분해 가능한 유기 물질을 안정화하는데 필요한 산소의 양으로 설명할 수 있다.[6]이러한 맥락에서 안정화는 일반적으로 음식물이 살아있는 수생동물로의 전환으로 인식될 수 있다.비록 이 동물원이 죽어가면서 생화학적 산소 수요를 계속 발휘할 것이지만, 이것은 더 높은 영양 수준을 포함한 더 안정적인 생태계 내에서 발생하는 경향이 있다.[3]

시리아 다마스쿠스 인근 하란알아와미드 폐수처리장에서 BOD 측정을 위해 유입된 원폐수천에서 시료 채취

역사

1865년 설립된 왕립하천공해위원회(왕립하천공해위원회)와 1898년 왕립하수처리위원회(왕립하천공해위원회)가 결성되면서 1908년 BOD가5 강물의 유기오염에 대한 최종시험으로 선정되었다.영국 왕립위원회는 6차 보고서에서 강물이 영국 근원에서 하구로 이동하는 데 걸리는 시간이 가장 길기 때문에 5일이 적절한 시험 기간으로 선정되었다.[7]그러나 9차 보고서에서 위원회는 권고기준을 다음과 같이 개정하였다.

" 10만 개당 용존산소의 2-0 부분을 차지하는 유출물은 단순 계산에 의해 발견될 수 있으며, 그 결과 혼합물이 0.4 부분 이상을 차지하지 않을 경우 최소한 8 부피의 강물이 0.2 부분을 차지하게 된다.우리의 경험에 따르면 대개의 경우 강물의 부피는 유출량의 8배를 초과할 것이며, 실행 가능한 것으로 보여졌던 10만 개당 용존산소의 2-0 부분은 다음과 같은 조건과 함께 일반 표준의 목적에 채택하기에 안전한 수치일 것이다.배출물은 부유물질 10만개당 3-0개 이상의 부품을 함유해서는 안 된다."[7]

이것은 영국에서 1970년대까지 하수처리장의 배출 품질을 측정하기 위해 사용되었던 20:30(BOD:Suspended Solid) + 완전한 질화화 표준이었다.

미국은 BOD 배출량 제한을 2차 치료 규정에 포함시킨다.2차 하수처리에서는 일반적으로 하수도에서 측정한 BOD의 85%를 제거하고 30일 평균 30mg/L 이하, 7일 평균 45mg/L 이하의 배출 BOD 농도를 생산할 것으로 예상된다.이 규정에서는 또한 "2차 치료와 동등한 치료"를 BOD의 65%를 제거하고 30일 평균이 45mg/L 미만, 7일 평균이 65mg/L 미만인 유출 BOD 농도를 생성하는 것으로 기술하고 있다.[8]

일반적인 값

대부분의 청정 하천은 1 mg/L 미만의 5일 탄소성 BOD를 가질 것이다.적당히 오염된 하천은 2~8mg/L 범위에서 BOD 값을 가질 수 있다.BOD 값이 8 mg/L를 초과할 경우 하천은 심각한 오염으로 간주될 수 있다.[9]3단계 공정에 의해 효율적으로 처리되는 도시 하수는 약 20 mg/L 이하의 값을 가질 수 있다.처리되지 않은 오수는 다양하지만 유럽에서는 평균 600 mg/L 정도, 미국에서는 200 mg/L 정도로 낮거나 지하수가 심하거나 지표수 침투/유입이 심한 곳에서는 평균 600 mg/L 정도 된다.미국의 일반적으로 낮은 가치는 세계 다른 지역보다 1인당 물 사용량이 훨씬 더 많은 데서 기인한다.[1]

하수 처리 시 사용

BOD는 처리장에 대한 폐기물 하중을 측정하고 그러한 처리 시스템의 BOD 제거 효율을 평가하는 데 사용된다.

방법들

윙클러는 1888년에 간단하고 정확하며 직접적인 용존 산소 분석 절차의 방법론을 발표했다.[10]그 이후로, 물에 대한 용존 산소 농도의 분석이 지표수 결정의 핵심이 되었다.윙클러 방법은 여전히 산소 전극 미터를 보정하는 데 사용되는 두 가지 분석 기법 중 하나이다. 다른 절차는 헨리의 법칙에 따라 포화상태에서 산소 용해도에 기초한다.

BOD 용존산소의 측정에는 두 가지 공인된 방법과 현재 국제적으로 표준법으로 인정되지 않은 여러 가지 다른 방법이 있다.

희석법

일회용 보드병
글라스 보드병

이 표준 방법은 EPA가 인정하고 있으며, EPA는 상수폐수 검사를 위한 표준 방법에서 방법 5210B로 표기하고 있다.[11]BOD를5 얻기 위해서는 배양 기간 전후에 시료 내 용존산소(DO) 농도를 측정하고 시료에 상응하는 희석 인자에 의해 적절히 조절해야 한다. 분석은 300ml 배양병을 사용하여 완충 희석수를 종자 미생물과 함께 투여하고 20℃의 어두운 방에서 5일간 보관하여 광합성을 통한 DO생성을 방지한다.이 병들은 전통적으로 유리로 만들어졌고, 이것은 표본들 사이에서 세척과 헹굼을 필요로 했다.SM 5210B 승인 일회용 플라스틱 BOD 병이 제공되므로 이 단계가 제거된다.BOD 샘플의 다양한 희석 외에도 이 절차에는 희석수 블랭크, 글루타민산(GGA) 제어 및 시드 제어가 필요하다.희석수 블랭크는 다른 시료를 희석하는 데 사용되는 희석수의 품질을 확인하는 데 사용된다.희석수의 불순물이 결과에 상당한 변화를 일으킬 수 있기 때문에 이것이 필요하다.GGA control은 시드의 품질을 결정하기 위한 표준화된 솔루션으로, 권장 BOD5 농도는 198mg/l ± 30.5mg/l이다.탄산음료 BOD(cBOD) 측정의 경우 희석수를 시료에 첨가한 후 질화억제제를 첨가한다.억제제는 질소성 BOD(nBOD)를 공급하는 암모니아성 질소의 산화를 방해한다.BOD5 테스트를 수행할 때 질소 요구량은 유기물로부터의 산소 수요를 반영하지 않기 때문에 cBOD만 측정하는 것이 일반적인 관행이다.왜냐하면 nBOD는 단백질의 분해에 의해 생성되는 반면, cBOD는 유기 분자의 분해에 의해 생성되기 때문이다.

BOD는5 다음을 통해 계산된다.

  • 불필요한 : =( - )
  • 시드: =( - )-( - 5)

여기서:

은(는) 준비 후 희석용액의 용존산소(DO)이다(mg/l).
스타일 는 5일 배양 후 희석된 용액의 DO이다(mg/l).
(는) 소수 희석 계수임
0은(는) 준비 후 희석된 시드 샘플의 DO이다(mg/l)
(는) 5일 배양 후 희석된 시드 샘플의 DO이다(mg/l
희석용액에서 시드 볼륨과 시드 볼륨의 비율이다.

공압법

이 방법은 탄소질 산화만으로 인한 산소 소비량 측정에 한정된다.암모니아 산화가 억제된다.

샘플은 압력 센서가 장착된 밀봉된 용기에 보관된다.이산화 탄소를 흡수하는 물질(일반적으로 수산화리튬)이 샘플 수준 이상의 용기에 첨가된다.표본은 희석 방법과 동일한 조건에서 저장된다.산소는 소비되고 암모니아 산화가 억제되면서 이산화탄소가 배출된다.가스의 총량, 즉 압력이 감소하는 것은 이산화탄소가 흡수되기 때문이다.압력강하로부터 센서 전자제품은 소비되는 산소의 양을 계산하여 표시한다.

희석법과 비교한 이 방법의 주요 장점은 다음과 같다.

  • 단순성: 검체 희석, 시딩, 빈 검체 없음.
  • BOD 값의 직접 판독
  • 현재 배양 시간에 BOD 값의 연속 표시.

대체 방법

바이오센서

BOD 측정을 위한 대안은 생물학적 구성요소와 물리화학 검출기 구성요소를 결합한 분석물질을 검출하기 위한 장치인 바이오센서의 개발이다.효소는 바이오센서 제조에서 가장 널리 사용되는 생물학적 감지 요소다.바이오센서 구조에서 그들의 적용은 지루하고, 시간이 많이 걸리고, 비용이 많이 드는 효소 정화 방법에 의해 제한된다.미생물은 이러한 병목현상에 이상적인 대안을 제공한다.[12]

BOD 평가에 유용한 많은 미생물들은 순수한 문화에서 비교적 쉽게 유지되고, 적은 비용으로 성장하고 수확한다.더욱이 바이오센서 분야에서 미생물을 활용함으로써 취급의 용이성, 준비성, 기기 비용 절감 등 새로운 가능성과 장점을 열어 놓았다.수많은 순수한 문화, 예를 들어.트리코스포론 커타네움, 바실러스 세레우스, 클렙시엘라옥시토카, 필로모나스 sp 등은 개별적으로 BOD 바이오센서 구축에 많은 노동자들이 사용해 왔다.한편, 많은 근로자들은 BOD 바이오센서 구축을 위해 2, 3종의 박테리아 종과 다양한 막에 있는 활성 슬러지를 고정시켰다.가장 많이 사용된 막은 폴리비닐알코올, 다공성 친수막 등이었다.[13]

정의된 미생물 컨소시엄은 다양한 산업 폐기물의 BOD 분석에 시딩 재료로 사용하기 위한 선별된 미생물에 대한 사전 테스트를 실시하는 등 체계적인 연구를 수행함으로써 구성될 수 있다.그러한 공식화된 컨소시엄은 적절한 막, 즉 충전된 나일론 막에 고정될 수 있다.충전된 나일론 막은 음전하된 박테리아 세포와 양전하된 나일론 막 사이의 특정한 결합으로 인해 미생물 고정화에 적합하다.그래서 나일론 막이 다른 막들에 비해 갖는 장점은 다음과 같다: 이중 결합, 즉끼임뿐만 아니라 흡착이 발생하여 보다 안정적인 고정 막이 형성된다.이러한 특정 미생물 컨소시엄 기반 BOD 분석 장치는 매우 짧은 시간 내에 광범위한 산업 폐수에서 오염물질의 강도 정도를 모니터링하는 데 큰 응용을 발견할 수 있다.[13]

바이오센서는 BOD 대체품으로 결정되는 단식(보통 <30분>)과 그에 상응하는 검정곡선 방법(Karube 등, 1977년)을 통해 BOD를 간접적으로 측정할 수 있다.결과적으로, 바이오센서는 현재 상업적으로 이용 가능하지만 높은 유지보수 비용, 재활성화의 필요성으로 인한 제한된 주행 길이, 폐수 처리 흐름에서 일반적으로 발생할 수 있는 것과 같은 품질 특성 변화에 대응할 수 없는 것 등 몇 가지 제한사항이 있다.세포막 안으로 유기물이 침투하고 다른 미생물 종에 의한 다른 반응이 결과의 재현성에 문제를 야기한다(Praet et al., 1995).또 다른 중요한 제한사항은 BOD 대체를 실제 BOD로 변환하기 위한 교정 기능과 관련된 불확실성이다(Rustum et al., 2008).

형광

BOD의5 대리인은 유기물 광물화를 위한 미생물의 산소 흡수 정도를 나타내는 레사주린 파생물을 사용하여 개발되었다.[14]유럽과 미국의 109개 표본에 대해 수행된 교차 검증에서는 두 방법의 결과 간에 엄격한 통계적 동등성이 나타났다.[15]

전극은 광 활성 화학 화합물의 발광 방출과 산소에 의한 발광 준수에 기초하여 개발되었다.이러한 담금질 광물리학 메커니즘은 용액 내 용존 산소에 대한 Stern-Volmer 방정식으로 설명된다.[16]

  • : 산소 존재 시 발광
  • : 산소가 없을 때의 발광
  • : 산소결핍을 위한 선미-볼머 상수
  • : 용존 산소 농도

발광 퀀칭에 의한 산소 농도 측정은 광범위한 산소 농도에 걸쳐 선형 반응을 보이며 정확도와 재현성이 뛰어나다.[17]

극성법

서로 다른 금속 전극이 존재하는 곳에서 산소의 감산-산소(redox) 화학물질을 활용하는 분석 기구의 개발은 1950년대에 도입되었다.[18]이 리독스 전극은 산소 허용 막을 사용하여 가스를 전기화학 셀로 확산하고 극지방 또는 갈바닉 전극에 의해 결정되는 농도를 허용했다.이 해석 방법은 민감하고 ± 0.1 mg/l 용존 산소 수준으로 정밀하다.이 막 전극의 리독스 전극을 보정하려면 여전히 헨리의 법칙표 또는 용존 산소에 대한 윙클러 테스트를 사용해야 한다.

소프트웨어 센서

온라인 프로세스 모니터링 및 제어에 사용할 수 있도록 BOD의 신속한 예측을 위한 자동화 제안이 있었다.예를 들어, 측정하기 쉬운 수질 파라미터를 사용하여 BOD에 대한 빠른 추론을 하기 위해 컴퓨터화된 기계 학습 방법을 사용한다.유량, 화학적 산소요구량, 암모니아, 질소, pH, 부유고형물 등과 같은 것들은 온라인 하드웨어 센서를 사용하여 직접적이고 신뢰성 있게 얻을 수 있다.이 아이디어의 테스트에서는 3년 동안 수행된 BOD와 함께 이러한 값을 측정하여 예측을 위한 모델을 훈련하고 테스트했다.그 기법은 일부 누락된 데이터를 허용할 수 있다.그것은 이 접근법이 가능하지만 이용가능하기 위해서는 충분한 역사적 자료가 필요하다고 지적하였다.[19]

실시간 BOD 모니터링

최근까지 BOD의 실시간 모니터링은 복잡한 특성상 불가능했다.영국의 한 유수 대학의 최근 연구는 전기 전도도, 탁도, TLF, CDOM을 포함한 여러 수질 변수 사이의 연관성을 발견했다.[20][21]이들 파라미터는 모두 전통적인 방법(전극을 통한 전기 전도도)과 형광등과 같은 새로운 방법의 조합을 통해 실시간으로 모니터링할 수 있다.트립토판과 같은 형광(TLF)의 모니터링은 특히 대장균(E. Coli)에 초점을 맞추어 생물학적 활동과 열거의 대용품으로 성공적으로 활용되었다.[22][21][23][24]TLF 기반 모니터링은 하수 처리 작업과 신선한 물을 포함한 광범위한 환경에 적용되지만 결코 제한되지는 않는다.따라서 파라미터를 모니터링하여 실시간으로 사용할 수 있는 조합형 센서 시스템을 향해 상당한 움직임이 있어 실험실 품질의 BOD를 판독할 수 있다.

용존 산소 프로브:막 및 발광

서로 다른 금속 전극이 존재하는 곳에서 산소의 감산-산소(redox) 화학물질을 활용하는 분석 기구의 개발은 1950년대에 도입되었다.[25]이 리독스 전극(용존 산소 센서라고도[26] 함)은 산소 허용 가능 막을 사용하여 가스가 전기화학 셀로 확산되도록 하고 극지방 또는 갈바닉 전극에 의해 결정되는 농도를 측정했다.이 해석 방법은 ± 0.1 mg/l 용존 산소 수준으로 민감하고 정확하다.이 막 전극의 리독스 전극을 보정하려면 여전히 헨리의 법칙표 또는 용존 산소에 대한 윙클러 테스트를 사용해야 한다.

오수 처리장의 용존 산소 센서 - 양극 시스템의 블로어를 제어하기 위한 피드백 루프로 사용됨.[27]

테스트 제한 사항

시험 방법에는 재현성을 제한하는 변수가 포함된다.검정에서는 일반적으로 평균을 중심으로 10~20%의 관측치가 ±0%로 변화한다는 것을 보여준다.[28]: 82

독성

일부 폐기물은 미생물학적 성장이나 활동을 억제할 수 있는 화학물질을 함유하고 있다.잠재적 배출원으로는 사업장폐기물, 의약품 또는 의료폐기물항생제, 식품가공 또는 상업용 청소시설의 살균제, 재래식 하수처리 후 사용하는 염소소독제, 객차 또는 이동식 화장실의 위생폐기물 보관탱크에 사용되는 악취조절제 등이 있다.폐기물을 산화시키는 미생물 집단을 억제하면 검사 결과가 낮아진다.[28]: 85

적정미생물군

실험은 이용 가능한 유기물질을 산화시킬 수 있는 효소를 가진 미생물 생태계에 의존한다.생물학적 2차 하수 처리와 같은 일부 폐수에는 이미 많은 수의 미생물이 시험 대상 물에 적응할 것이다.폐기물의 상당한 부분은 시험 절차를 시작하기 전 보관 기간 동안 사용될 수 있다.반면에 산업자원으로부터의 유기폐기물은 전문화된 효소를 필요로 할 수 있다.표준 종자 공급원의 미생물 집단은 그러한 효소를 생산하는 데 시간이 걸릴 수 있다.전문화된 종자문화는 수용수역의 진화된 생태계의 조건을 반영하는 것이 적절할 수 있다.[28]: 85–87

참고 항목

참조

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  27. ^ Wallace, Calvin. "Repair or Rethink?". Treatment Plant Operator. No. April 2012. Retrieved 28 September 2017.
  28. ^ a b c Hammer, Mark J. (1975). Water and Waste-Water Technology. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-34726-2.

추가 읽기

  • 러스텀 R, A. J. 아델로예, M.숄츠(2008)"코오넨 자가조직 지도를 소프트웨어 센서로 적용하여 생화학적 산소 수요를 예측"물 환경 연구, 80(1), 32–40.
  • 러스텀 R, 아델로예 A, 시말라 A, 2007.Kohonen 자가조직지도(KSOM)는 BOD5의 MLP-ANN 예측모델을 향상시키기 위한 기능을 추출했다.국제 심포지엄:지속가능한 수자원 관리를 위한 예측불확도 수량화 및 감소-국제지질물리학연맹(IUG) 제24차 총회 (pp. 181–187)

외부 링크