화학적 산소 수요에 대한 지식

화학적 산소 수요에 대한 지식

1. COD의 정의.

화학적 산소 수요(COD, Chemical Oxygen Demand)는 물 시료를 특정 강력한 산화제로 처리할 때 소비된 산화제의 양을 의미하며, 이는 물에 포함된 환원성 물질의 양을 나타내는 지표입니다. 물 속의 환원성 물질에는 다양한 유기물질, 질산염, 황화물, 아연 염 등이 포함되며, 주로 유기물질이 대부분을 차지합니다. 따라서 화학적 산소 수요(COD)는 종종 물에 포함된 유기물질의 양을 측정하는 지표로 사용됩니다. 화학적 산소 수요가 클수록 물의 유기물질에 의한 오염이 심각하다고 볼 수 있습니다. 화학적 산소 수요의 결정은 물 시료의 환원성 물질 결정과 결정 방법에 따라 달라집니다. 가장 일반적으로 사용되는 방법은 산성 고망간산칼륨(KMnO4) 산화법과 중크롬산칼륨(K2Cr2O7) 산화법입니다. 고망간산칼륨 산화법은 산화율이 낮지만 비교적 간단하여 물 시료의 유기물 함량 상대비교값을 결정할 때 사용할 수 있습니다. 중크롬산칼륨 산화법은 높은 산화율과 좋은 재현성을 가지고 있어 물 시료의 유기물 총량을 결정하기에 적합합니다. 유기물질은 공업용 수계에 매우 해롭습니다. 엄밀히 말하면, 화학적 산소 수요는 물 속의 무기 환원성 물질도 포함합니다. 일반적으로 폐수에서 유기물질의 양이 무기물질보다 훨씬 많기 때문에 화학적 산소 수요는 일반적으로 폐수 내 유기물질의 총량을 나타내는 데 사용됩니다. 측정 조건 하에서 물 속의 비질소 유기물질은 고망간산으로 쉽게 산화되지만, 질소를 포함한 유기물질은 분해하기가 더 어렵습니다. 따라서 산소 수요는 자연수나 쉽게 산화되는 유기물을 포함한 일반 폐수의 결정에 적합하며, 구성이 더 복잡한 유기 공업 폐수는 종종 화학적 산소 수요를 측정합니다.

유기물이 많은 물은 탈염 시스템을 통과할 때 이온 교환 수지, 특히 음이온 교환 수지를 오염시켜 수지의 교환 용량을 감소시킵니다. 예처리(응집, 정화 및 여과) 후 유기물은 약 50% 줄어들 수 있지만, 탈염 시스템에서는 제거되지 않으므로 보일러 급수를 통해 보일러 물의 pH 값을 낮추는 경우가 종종 있습니다. 때로는 유기물이 증기 시스템과 응축수에도 들어가 pH를 낮추고 시스템 부식을 일으킬 수 있습니다. 순환수 시스템에서 높은 유기물 함량은 미생물 번식을 촉진합니다. 따라서 탈염, 보일러 물 또는 순환수 시스템 모두에 있어 COD가 낮을수록 좋지만, 통일된 한계 기준은 없습니다. 순환 냉각수 시스템에서 COD(KMnO4법)가 5mg/L를 초과하면 수질이 악화하기 시작합니다.

음용수 기준에서 1급수와 2급수의 화학적 산소 수요(COD)는 ≤15mg/L이며, 3급수의 화학적 산소 수요(COD)는 ≤20mg/L, 4급수의 화학적 산소 수요(COD)는 ≤30mg/L이고, 5급수의 화학적 산소 수요(COD)는 ≤40mg/L이다. COD 값이 클수록 수체의 오염이 심각하다.

2. COD는 어떻게 생성됩니까?

COD(화학적 산소 수요)는 주로 물 시료에 포함된 강력한 산화제에 의해 산화될 수 있는 물질, 특히 유기물로부터 발생한다. 이러한 유기물질은 폐수와 오염된 물에 널리 존재하며, 당류, 지방, 암모니아 질소 등이 포함되지만 이에 국한되지 않는다. 이러한 물질들의 산화는 물의 용존 산소를 소비하여 화학적 산소 수요를 증가시킨다. 구체적으로는:

1. 당질: 포도당, 과당 등은 식품 가공 산업 및 생물 제약 산업의 폐수에 일반적으로 발견되며, 이들은 COD 함량을 증가시킵니다.

2. 기름과 지방: 산업 생산 중 배출되는 기름과 지방이 포함된 폐수도 COD 농도를 증가시키게 됩니다.

3. 암모니아 질소: COD 측정에 직접적인 영향을 미치지는 않지만, 암모니아 질소의 산화는 폐수 처리 과정에서 산소를 소비하여 간접적으로 COD 값을 영향을 줍니다.

또한 폐수에서 COD를 생성할 수 있는 많은 종류의 물질들이 존재하며, 이에는 생분해 가능한 유기물, 산업 유기 오염물질, 환원성 무기물질, 생분해가 어려운 일부 유기물, 그리고 미생물 대사산물 등이 포함됩니다. 이러한 물질들의 산화는 물속의 용존 산소를 소비하여 COD가 발생하게 됩니다. 따라서 화학적 산소 수요는 물에 있는 유기물과 환원성 무기물의 오염 정도를 측정하는 중요한 지표입니다. 이는 특정 조건 하에서 산화제(일반적으로 중크롬산カリ 또는 고망간산カリ)에 의해 산화 및 분해될 수 있는 물속 물질의 총량을 반영하며, 즉 이러한 물질들이 얼마나 많은 산소를 소비하는지를 나타냅니다.

1. 유기물: 유기물은 폐수에서 COD의 주요 원천 중 하나로, 단백질, 탄수화물 및 지방과 같은 분해 가능한 유기물을 포함합니다. 이러한 유기물은 미생물의 작용으로 이산화탄소와 물로 분해될 수 있습니다.

2. 페놀류 물질: 페놀 화합물은 일부 산업 과정에서 폐수 오염물질로 자주 사용되며, 수환경에 심각한 영향을 미치고 COD 함량을 증가시킬 수 있습니다.

3. 알코올류 물질: 에탄올, 메탄올과 같은 알코올 화합물도 일부 산업 폐수에서 COD의 일반적인 원천입니다.

4. 당류 물질: 포도당, 프루크토스 등 당류 화합물은 일부 식품 가공 산업 및 생물 제약 산업의 폐수에서 흔히 발견되며, 이들 또한 COD 함량을 증가시킵니다.

5. 기름과 지방: 산업 생산 중 배출되는 기름과 지방이 포함된 폐수도 COD 농도 상승을 초래할 수 있습니다.

6. 암모니아 질소: 암모니아 질소는 COD 측정에 직접적인 영향을 미치지 않지만, 폐수 처리 과정에서 암모니아 질소의 산화가 산소를 소비하게 되어 간접적으로 COD 값을 영향을 준다.

또한, COD는 물속의 유기물뿐만 아니라 황화물, 이온철(2+), 아황산나트륨 등의 환원성을 가진 무기물질도 반응한다는 점에 주목할 필요가 있다. 따라서 폐수를 처리할 때는 다양한 오염물질이 COD에 미치는 영향을 종합적으로 고려하여 적절한 처리 방안을 취하여 COD 값을 줄여야 한다.

유기물은 COD의 주요 원천입니다. 이들은 폐수에 포함된 다양한 유기 물질, 부유 물질 및 분해하기 어려운 물질들을 포함합니다. 폐수 중 높은 COD 함량은 수자원 환경에 큰 위협이 됩니다. COD의 처리와 모니터링은 오염 방지 및 통제를 위한 중요한 조치 중 하나입니다. 따라서 COD 측정은 폐수 처리 및 환경 모니터링에서 자주 사용되는 시험 방법 중 하나입니다.

COD 측정은 조작이 간단하고 분석 민감도가 높은 과정입니다. 화학약품이 산화 생성물을 형성하도록 적정되면 샘플의 색상 변화나 전류 또는 기타 신호를 직접 관찰하여 COD를 결정할 수 있습니다. COD 값이 기준을 초과할 경우 환경 오염을 피하기 위해 적절한 처리가 필요합니다. 요약하면, COD의 의미를 이해하는 것은 수자원 환경을 보호하고 오염 통제를 수행하는 데 있어 매우 중요한 역할을 합니다.

3. 높은 COD의 영향.

‌ COD(화학적 산소 수요)는 수체의 유기 오염 정도를 측정하는 중요한 지표입니다. 과도한 양은 강수의 수질에 심각한 영향을 미칩니다. ‌

COD의 측정은 주로 유기물 등 환원 물질이 특정 조건 하에서 1리터의 물에 산화 분해될 때 소비된 산화제의 양을 기반으로 합니다. 이러한 환원 물질들은 분해 과정에서 많은 용존 산소를 소비하여 수생 생물들이 산소 부족을 겪게 만들며, 이는 그들의 정상적인 성장과 생존에 영향을 미치고 심한 경우 대량 사망을 초래할 수 있습니다. 또한 용존 산소의 감소는 수질 악화를 가속화하고 유기물의 부패와 분해를 촉진하며, 암모니아 질소와 같은 더 독성 있는 물질을 생성하여 수생 생물과 수질에 더 큰 피해를 줄 수 있습니다. 높은 농도의 유기물이 포함된 폐수에 장기간 노출되면 인체 건강에도 심각한 위해를 가져올 수 있으며, 위장병이나 피부병 등을 일으킬 수 있습니다. 따라서 과도한 COD는 수생 생물에게 위협이 되는 동시에 인간 건강에도 잠재적인 위험을 안겨줄 수 있습니다.

수질과 인류 건강을 보호하기 위해 과도한 COD를 예방하고 통제하기 위한 효과적인 조치를 취해야 합니다. 이는 산업 및 농업 활동에서 유기물의 배출을 줄이고, 폐수 처리와 모니터링을 강화하여 방출하는 물의 수질이 기준에 부합하도록 함으로써 양호한 수생태환경을 유지하는 것을 포함합니다.

COD는 수중 유기물의 함량을 나타내는 지표입니다. COD가 높을수록 수체는 유기물에 의해 더 심각하게 오염된 것입니다. 독성 유기물질이 수체에 들어가면 물고기와 같은 수생 생물에게 해를 끼칠 뿐만 아니라, 식사 연에서 축적되어 인체로 들어가 만성 중독을 일으킬 수도 있습니다. .

COD는 수질과 생태 환경에 큰 영향을 미칩니다. 높은 COD 값을 가진 유기 오염물질이 강, 호수 및 저수지에 유입되면 즉시 처리되지 않으면 많은 유기 물질이 수심이 깊은 토양에 흡착되어 수년간 축적될 수 있습니다. 이러한 물질들은 수중의 다양한 생물들에게 피해를 줄 수 있으며, 몇 년 동안 독성을 유지할 수도 있습니다. 이 독성 효과는 두 가지 측면으로 나타납니다:

한편, 대량의 수생 생물의 사망을 초래하여 수체의 생태 균형을 파괴하고, 심지어 전체 강 생태계를 직접적으로 파괴할 수 있습니다.

반면에, 독소는 어류나 새우와 같은 수생 생물体内에서 천천히 축적됩니다. 인간이 이러한 독성 수생 생물을 섭취하면 독소가 인체 내로 들어가 여러 해 동안 축적되어 암, 기형, 유전자 변이 등 예측할 수 없는 심각한 결과를 초래할 수 있습니다. 마찬가지로, 만약 사람들이 오염된 물을 관개에 사용하면 작물에도 영향을 미치고, 사람들이 음식을 먹는 과정에서 대량의 유해 물질을 흡입하게 될 것입니다.

COD가 매우 높을 경우, 이는 자연 수질의 악화를 초래합니다. 그 이유는 물의 자정 작용이 이러한 유기물질을 분해해야 하기 때문입니다. COD의 분해는 필연적으로 산소 소비를 필요로 하지만, 물 속의 재산소화 능력은 이러한 요구를 충족하지 못합니다. DO(용존산소)는 직접 0으로 떨어져 혐기 상태가 됩니다. 혐기 상태에서는 계속해서 분해가 진행되며(미생물의 혐기 처리), 물은 검고 악취가 납니다(혐기성 미생물은 매우 검으며 황화수소 가스를 포함합니다).

4. COD 처리 방법

첫 번째 점

물리적 방법: 이는 물리적인 작용을 이용하여 폐수 내의 부유 물질이나 탁도를 분리하여 폐수의 COD를 제거할 수 있습니다. 일반적인 방법에는 침전지, 필터 격자, 필터, 기름 함정, 유수분리기 등을 통한 폐수의 사전 처리로, 폐수 내 입자 물질의 간단한 COD를 제거하는 것입니다.

두 번째 점

화학적 방법: 폐수에 있는 용해된 물질이나 콜로이드 물질을 제거하기 위해 화학 반응을 사용하며, 폐수의 COD를 제거할 수 있다. 일반적인 방법으로는 중화, 침전, 산화환원, 촉매 산화, 광촉매 산화, 미세 전기분해, 전기 응집, 소각 등이 있다.

세 번째 점

물리화학적 방법: 물리화학 반응을 이용하여 폐수에 있는 용해된 물질이나 콜로이드 물질을 제거한다. 폐수의 COD를 제거할 수 있다. 일반적인 방법으로는 격자, 여과, 원심분리, 정수, 분리, 유분 분리 등이 있다.

네 번째 점

생물학적 처리 방법: 미생물 대사 작용을 이용하여 폐수의 유기 오염물질과 무기 미생물 영양소를 안정적이고 무해한 물질로 전환한다. 일반적인 방법으로는 활성슬러지법, 생물막법, 혐기성 생물 소화법, 안정화 연못 및 습지 처리 등이 있다.

5. COD 분석 방법.

디크롬산염법

화학적 산소 수요를 결정하는 표준 방법은 중국 표준 GB 11914 "이산화크롬법에 의한 수질의 화학적 산소 수요 측정"과 국제 표준 ISO6060 "수질의 화학적 산소 수요 측정"으로 표시됩니다. 이 방법은 높은 산화율, 좋은 재현성, 정확성 및 신뢰성을 가지고 있으며, 국제적으로 일반적으로 인정받는 고전적인 표준 방법이 되었습니다.

결정 원리는 다음과 같습니다: 황산 용액에서 고망간산カリ륨을 산화제로, 은황산염을 촉매로, 그리고 수은황산염을 염소 이온의 마스킹제로 사용합니다. 소화 반응액의 황산 농도는 9 mol/L입니다. 소화 반응액은 가열되어 끓게 되며, 148℃±2℃의 끓는점 온도가 소화 온도입니다. 반응은 물에 의해 냉각되며, 2시간 동안 회류됩니다. 소화액이 자연적으로 식은 후, 물로 약 140ml까지 희석합니다. 철염을 지시약으로 사용하여 남아있는 고망간산カリ움을 황산아철암모늄 용액으로 적정합니다. 수용액의 COD 값은 황산아철암모늄 용액의 소비량에 기초하여 계산됩니다. 사용된 산화제는 고망간산カリ움이며, 산화제는 6가 크롬이므로 이를 디크로메이트법이라고 합니다.

그러나 이 고전적인 표준 방법은 여전히 단점이 있다: 역류 장치가 큰 실험 공간을 차지하고, 많은 양의 물과 전기를 소비하며, 많은 양의 시약을 사용하며, 조작이 불편하고, 대량의 빠른 측정이 어렵다.

고망간산カリ법

COD는 산화제로 고망간산カリ를 사용하여 측정하며, 그 결과를 고망간산カリ 지수라고 한다.

분광광도법

고전적인 표준 방법에 따르면, 칼륨 디크로메이트는 유기 물질을 산화시키고, 6가 크롬은 3가 크롬으로 전환됩니다. 수질 샘플의 COD 값은 6가 크롬 또는 3가 크롬의 흡광도와 COD 값 간의 관계를 설정하여 결정됩니다. 위 원리를 기반으로 한 대표적인 해외 방법들로는 EPA.Method 0410.4 "자동 수작업 색상 측정법", ASTM: D1252-2000 "수중 화학적 산소 수요 결정을 위한 Method B - 밀봉 소화 스펙트로포토메트리" 및 ISO15705-2002 "수질의 화학적 산소 수요(COD) 결정을 위한 작은 밀폐관 방법"이 있습니다. 우리 나라의 통일된 방법은 국가 환경 보호국의 "빠른 밀폐 촉매 소화법(스펙트로포토메트리를 포함)"입니다.

빠른 소화법

고전적인 표준 방법은 2시간 환류법이다. 분석 속도를 높이기 위해 사람들은 다양한 빠른 분석 방법을 제안했다. 주요 방법은 두 가지로, 하나는 소화 반응 체계에서 산화제의 농도를 증가시키고, 황산의 산성을 강화하며, 반응 온도를 높이고 촉매를 추가하여 반응 속도를 증가시키는 것이다. 국내 방법으로는 GB/T14420-1993 "보일러 수 및 냉각수의 화학적 산소 요구량 결정: 중크롬산カリ우ム 빠른 방법"과 국가환경보호국이 권장하는 통합 방법인 "컬럼트리피카션법"과 "빠른 폐쇄 촉매 소화법 (광도법 포함)"이 있다. 해외 방법으로는 독일 표준 방법 DIN38049 T.43 "물의 화학적 산소 요구량 결정을 위한 빠른 방법"이 대표적이다.

고전적인 표준 방법과 비교할 때, 상기 방법은 소화 시스템의 황산 농도를 9.0 mg/L에서 10.2 mg/L로, 반응 온도를 150℃에서 165℃로, 소화 시간을 2시간에서 10분~15분으로 증가시킵니다. 두 번째는 열 방사에 의한 전통적인 가열 소화 방법을 변경하고, 마이크로파 소화 기술을 사용하여 소화 반응 속도를 향상시키는 것입니다. 마이크로파 오븐의 종류가 다양하고 출력이 다르기 때문에 최적의 소화 효과를 얻기 위해 통일된 출력과 시간을 검증하기 어렵습니다. 또한 마이크로파 오븐의 가격도 매우 비싸서 통일된 표준 방법을 수립하기가 어렵습니다.

1982년 연화테크놀로지(Lianhua Technology)는 화학적 산소 수요량(COD)을 위한 빠른 소화 분광도법을 개발하여 "10분 소화, 20분 값" 방법으로 폐수의 COD를 신속히 결정할 수 있게 되었습니다. 1992년, 이 연구 개발 성과는 미국 "CHEMICAL ABSTRACTS"에 세계 화학 분야에 대한 새로운 기여로 포함되었습니다. 이 방법은 2007년 중화인민공화국 환경보호산업의 검사 표준(HJ/T399-2007)이 되었으며, 20분 이내에 정확한 COD 값을 얻는데 성공했습니다. 이 방법은 조작이 간단하고 편리하며 빠르며, 시약 사용량이 적어 실험에서 발생하는 오염을 크게 줄이고 다양한 비용을 절감합니다. 이 방법의 원리는 연화테크놀로지의 COD 시약을 첨가한 수표본을 파장 420nm 또는 610nm에서 165도로 10분간 소화시키고, 2분간 식힌 후 증류수 2.5ml를 추가하는 것입니다. 연화테크놀로지의 COD 빠른 측정기기를 사용하면 COD 결과를 얻을 수 있습니다.