생화학적 산소 요구량

3. 측정 방법

BOD는 물속의 유기물이 미생물에 의해 분해되는 과정을 모방하여 측정한다. 먼저 측정 대상 시료의 용존산소량(DO)을 측정하고, 미생물을 주입한 후 20°C의 어두운 곳에서 5일 동안 보관한다. 5일 후 다시 DO를 측정하여 처음 DO 값에서 뺀 값이 BOD₅가 된다.^[2]

BOD 측정에는 크게 두 가지 방법이 사용된다.

• 희석법: 미국 환경 보호국(EPA)에서 인정하는 방법으로, "수질 및 폐수 검사를 위한 표준 방법"에서 방법 5210B로 명시되어 있다.^[12] 300 mL 배양 병에 완충 희석수와 종균 미생물을 넣고 20°C의 암실에서 5일 동안 보관하여 측정한다.

• 압력법: 압력 센서가 장착된 밀폐 용기에 시료를 넣고, 이산화 탄소를 흡수하는 수산화 리튬을 시료 위에 추가한다. 희석법과 동일한 조건으로 보관하며, 압력 변화를 통해 소비된 산소량을 측정한다.

• 유기물의 양: 박테리아가 분해를 마쳤을 때 용기 내 산소가 절반 정도 남아있도록 희석해야 한다.
• 박테리아의 종류와 양: 박테리아가 부적합하거나 부족하면 유기물 분해가 제대로 진행되지 않아 측정값이 낮아지므로, 종균 접종이 필요할 수 있다.
• 저해 물질: 산, 알칼리, 중금속, 살균제 등 독성 물질은 박테리아 활동을 방해하므로, 전처리나 내성 박테리아 순응 배양이 필요하다.

3. 1. 종류

• 총 생화학적 산소 요구량 (총 BOD): 유기 화합물이 미생물의 성장, 죽음, 부패, 카니발리즘 등 여러 세대를 거쳐 이산화탄소와 물로 완전히 산화되는 데 필요한 산소의 양이다. 총 BOD는 먹이 그물에 수질보다 더 중요하다.^[3]
• 5일 BOD (BOD₅): 수생 미생물이 호기성 조건에서 분해 가능한 유기물을 안정화하는 데 필요한 산소의 양을 나타내는 지표이다. 5일 BOD 검사 결과는 미국 환경 보호국(EPA)에서 승인했다.^[7]
• 탄소성 BOD (C-BOD): BOD에서 질소성 BOD (N-BOD)를 뺀 값이다. 질산화성 미생물의 활동(질소성 물질의 산소 소비)을 억제하여 측정한다.
• 질소성 BOD (N-BOD): 질산화성 미생물의 활동으로 인해 질소성 물질이 산화되는 과정에서 소비되는 산소량을 의미한다.
• BODatu: 질산화성 미생물의 활동을 억제하는 BOD 측정 방법 중 하나이다.

3. 2. 계산

• 초기 DO - 최종 DO = BOD

• $L\_a$ : 최초 BOD(mg/L) 또는 최종 BOD(=BOD_u)
• $k\_1$ : 탈산소 계수(day^-1)
• t : 경과 시간(day)

• 무종균:

• 유종균:

• $D\_0$: 제조 후 희석된 용액의 용존산소량(DO) (mg/L)
• $D\_5$: 5일 배양 후 희석된 용액의 DO (mg/L)
• $P$: 소수 희석 계수
• $B\_0$: 제조 후 희석된 종균 시료의 DO (mg/L)
• $B\_5$: 5일 배양 후 희석된 종균 시료의 DO (mg/L)
• $f$: 희석 용액 내의 종균 부피와 종균 검사 내의 종균 부피의 비율

4. 한계

BOD 측정법은 재현성이 낮아, 같은 실험을 같은 방법으로 수행해도 약 10~20%의 오차가 발생할 수 있다.^[34] 이는 실험 결과의 신뢰도를 떨어뜨리는 요인이 된다.

또한, 산업 폐수, 무단으로 버려진 의약품의 항생제, 세정제, 하수 처리 과정에서 사용되는 염소 등은 BOD 측정에 사용되는 미생물의 활성을 저해하여 측정값이 실제보다 낮게 나올 수 있다.^[34] 독성 물질이 포함된 폐수의 경우, BOD 측정값이 왜곡될 수 있다는 점을 고려해야 한다.

5. 대한민국의 하천 수질 등급

대한민국에서 하천의 수질 등급은 BOD, COD, DO 등 다양한 지표를 기준으로 판정하고 있다.^[35] BOD 기준 하천 수질 등급은 Ia(매우 좋음)부터 VI(매우 나쁨)까지 6단계로 나뉜다. 각 등급별 자세한 내용은 아래 표와 같다.

6. 기타 측정 방법

생화학적 산소 요구량(BOD) 측정에는 여러 가지 방법이 있다. 1888년 빈클러(Winkler)가 발표한 용존 산소 분석 절차는^[11] 표면수 분석의 핵심이 되었으며, 산소 전극 측정기 보정에 사용되는 두 가지 기술 중 하나이다. 다른 하나는 헨리의 법칙에 기반한다.

BOD 측정을 위한 국제 표준 방법은 없지만, 널리 인정되는 방법은 다음과 같다.

• 압력법: 압력 센서가 있는 밀폐 용기에 시료를 보관하고, 이산화 탄소 흡수제(수산화 리튬)를 넣어 압력 변화를 측정한다.^[11] 산소 소비와 이산화 탄소 흡수로 압력이 감소하면, 이를 통해 산소 소비량을 계산한다. 시료 희석 등이 필요 없고, BOD 값을 직접 읽으며, 배양 중 BOD 값을 지속적으로 볼 수 있다.^[11]
• 바이오센서: 생물학적, 물리화학적 검출 요소를 결합한 장치로 BOD를 간접 측정한다. ''Trichosporon cutaneum'', ''Bacillus cereus'' 등의 미생물을 사용하며,^[13] 취급, 준비가 쉽고 장치 비용이 저렴하나, 유지보수 비용이 높고 작동 길이가 제한적이며 품질 변화에 대응하기 어렵다.
• 형광: 광활성 화학 물질의 발광 현상과 산소에 의한 발광 억제를 이용, 슈턴-볼머(Stern–Volmer) 방정식을 통해 용존 산소 농도를 계산하며,^[17] 정확도와 재현성이 높다.^[18]
• 폴라로그래피법: 1950년대 개발된 방법으로,^[19] 금속 전극 존재 하 산소의 산화-환원 반응을 이용한다. 산소 투과성 막을 통해 확산된 기체 농도를 폴라로그래피 전극, 갈바니 전극으로 측정하며, ± 0.1 mg/L까지 감지 가능하다.^[19]

6. 1. 희석법

• 무종균:

• 유종균:

일본 JIS 규격 K0102-21에 규정된 표준 희석법의 예시는 다음과 같다.

# 시료를 전처리(온도 조절, 중화, 환원, 탈기, 질산화 억제제 첨가)한다.

# BOD 값을, 이전 측정값이나 COD・TOC 값에서 추정하여 희석 배수를 결정한다(4 - 5단계).

# 희석수 또는 종균 희석수로 희석하여 첫 번째 희석 시료를 조제한다(추정 농도가 낮고 DO가 충분하다면 무희석).

# 2 - 4개의 배양 병에 기포가 들어가지 않도록 희석 시료를 채워 밀봉한다.

# 다음 희석 배수의 희석 시료를 조제하고, 마찬가지로 병에 담는 것을 반복한다.

# 15분 후, 배양 병 중 1개에서 배양 전 DO를 측정한다.

# 20±1 ℃의 차광된 항온기 또는 항온조 내에서 5일간 배양한다.

# 배양 후 DO를 측정하여, 배양 전 DO에 대해 40 - 70%인 것을 선택한다.

# 배양 전 DO에서 선택한 값을 빼고(종균한 경우에는 보정) 희석 배수를 곱하여 BOD₅를 구한다.

6. 2. 압력법

• 단순성: 시료 희석 불필요, 종균 불필요, 블랭크 시료 불필요.
• BOD 값의 직접 판독.
• 현재 배양 시간에서의 BOD 값의 지속적인 표시.

6. 3. 바이오센서

6. 4. 형광

• $I$: 산소가 있을 때의 발광
• $I\_0$: 산소가 없을 때의 발광
• $K\_\{SV\}$: 산소 억제를 위한 슈턴-볼머 상수
• [O2]: 용존 산소 농도

6. 5. 폴라로그래피법

참조

_[1] 서적 Chemistry for Environmental Engineering and Science McGraw-Hill
_[2] 서적 Limnology https://archive.org/[...] McGraw-Hill 1983
_[3] 서적 Ecology of Inland Waters and Estuaries https://archive.org/[...] Van Nostrand Reinhold 1961
_[4] 서적 Report of the Commissioners appointed in 1898 to inquire and report what methods of treating and disposing of sewage (including any liquid from any factory or manufacturing process) may properly be adopted. Standards and Tests for Sewage and Sewage Effluents Discharging into Rivers and Streams https://archive.org/[...] His Majesty's Stationery Office 1912
_[5] 문서 Standard Methods for the Examination of Water and Sewage American Public Health Association 1946
_[6] 문서 Civil Engineering Handbook McGraw-Hill 1959
_[7] 문서 Chemistry for Sanitary Engineers McGraw-Hill 1967
_[8] 문서 Final Report of the Commissioners Appointed to Inquire and Report What Methods of Treating and Disposing of Sewage https://archive.org/[...] 1912
_[9] 간행물 Secondary Treatment Regulation. U.S. Environmental Protection Agency (EPA)
_[10] 서적 The United Nations World Water Development Report 2016: Water and Jobs, chapter 2: The Global Perspective on Water UNESCO 2016
_[11] 논문 Die zur Bestimmung des in Wasser gelösten Sauerstoffes 1888
_[12] 서적 Standard Methods For the Examination of Water and Wastewater American Public Health Association
_[13] 웹사이트 Microbial biosensors http://www.cbs.umn.e[...] Analytica Chimica Acta 568 (2006) 200–210 2014-09-16
_[14] 웹사이트 Immobilized Microbial Consortium Useful for Rapid and Reliable BOD Estimation http://www.igib.res.[...] CSIR-Institute of Genomics & Integrative Biology (IGIB) 2004
_[15] 특허 Process for directly measuring multiple biodegradabilities
_[16] 논문 International cross-validation of a BOD5 surrogate 2014
_[17] 논문 Luminescent Nafion Membranes Dyed with Ruthenium(II) Complexes as Sensing Materials for Dissolved Oxygen. 1999
_[18] 논문 Evaluation of a new optical sensor for measuring dissolved oxygen by comparison with standard analytical methods. 2008
_[19] 논문 Polarometric determination of oxygen. 1950
_[20] 논문 Applying Kohonen Self-Organizing Map as a Software Sensor to Predict Biochemical Oxygen Demand https://www.jstor.or[...] 2021-09-03
_[21] 논문 Understanding dissolved organic matter dynamics in urban catchments: insights from in situ fluorescence sensor technology 2018
_[22] 논문 In situ tryptophan-like fluorometers: assessing turbidity and temperature effects for freshwater applications 2015
_[23] 논문 Rapid and direct determination of wastewater BOD values using a fluorescence technique 1997-08-01
_[24] 서적 2015 IEEE Sensors 2015-11
_[25] 논문 The in situ bacterial production of fluorescent organic matter; an investigation at a species level 2017-11-15
_[26] 논문 Polarometric determination of oxygen. 1950
_[27] 뉴스 Technically Speaking: dissolved oxygen control http://wwtonline.co.[...] 2017-09-28
_[28] 뉴스 Repair or Rethink? http://www.tpomag.co[...] 2017-09-28
_[29] 서적 Water and Waste-Water Technology John Wiley & Sons
_[30] 웹사이트 용어해설 ： 생물화학적산소요구량(BOD) http://www.city.yoko[...] 2018-02-14
_[31] 웹인용 물의 오염 지표에는 무엇이 있는가? https://www.water.or[...] 2023-02-18
_[32] 서적 토목기사 대비 상하수도 공학 null 한솔아카데미 2017-08-22
_[33] 서적 토목기사 대비 상하수도 공학 한솔아카데미 2016
_[34] 서적 Water and Waste-Water Technology https://archive.org/[...] John Wiley & Sons
_[35] 웹인용 환경정책기본법 시행령 [별표 1] 환경기준(제2조 관련) [시행 2022. 12. 8.] [대통령령 제33023호, 2022. 12. 6., 타법개정] https://www.law.go.k[...] 2023-02-20