NOD(Nitrogenous Oxygen Demand), 질소성 산소요구량의 개요

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NOD(Nitrogenous Oxygen Demand), 질소성 산소요구량의 개요

기민한청가뢰 2023. 9. 29. 19:53

수중 유기물질의 측정지표로서 생물화학적 산소요구량(BOD : C-BOD, NOD), 화학적 산소요구량화학적 산소요구량(COD), 총 유기탄소 (TOC)가 있으며, 고도처리공법의 도입이 증가되어 기존 유기물질과 더불어 TN TP가 처리장의 중요한 운영 평가지료로 활용되고 있으나 실질적인 유기물 처리효율과, 처리공정의 질산화율 등을 정상 작동여부를 판단하기 위해 BOD 측정 시 NOD를 세부적으로 관리하여야 합니다.

TOC는 물속에 들어 있는 유기물 중 탄소량을 직접 측정하고 측정에 소요되는 시간이 다른 것들에 빨라 최근 수질분석 지표로 전면 대체되고 있습니다.

일반적으로 도시하수나 산업폐수에서 질산화의 원인이 되는 미생물은 그 성장속도가 느린 것으로 알려져 있다. 따라서, 보통 BOD 실험 시작 후 5일 혹은 그 뒤까지도 일어나지 않기 때문에 BOD 실험을 5일 표준 배양시간으로 정해지게 된 주요 이유입니다..

1. NOD 정의

질산성 산소 요구량(NOD, Nitrogenous Oxygen Demand)는 물속에서 질소 화합물, 주로 암모니아성 질소(NH₃)나 유기 질소 화합물이 산화되는 과정에서 소비되는 산소량을 의미합니다. 이 산화 과정은 미생물에 의해 촉매되며, 결과적으로 질소 화합물이 질산염(NO₃⁻)으로 변환될 때 산소가 소모됩니다.
NOD는 보통 하천, 호수, 폐수 처리장 등의 수질 관리에서 중요한 지표로 사용되며, 물속 질소 화합물의 오염 정도를 평가하는 데 도움이 됩니다. 질소는 물속에서 생물학적 산화 과정을 거치면서 많은 양의 산소를 소비하게 됩니다. NOD는 이 산소 요구량을 측정하여 물속 질소 오염이 환경에 미치는 영향을 평가하는 데 유용합니다.

가. NOD 산화 과정

암모니아성 질소 산화: 물속에서 암모니아(NH₃)가 존재하면, 이것은 미생물에 의해 아질산염(NO₂⁻)으로 산화되고, 다시 질산염(NO₃⁻)으로 변환됩니다. 이 과정에서 산소가 소비됩니다.
유기 질소 산화: 물속에 존재하는 유기 질소는 먼저 암모니아로 전환된 후 동일하게 산화 과정을 거치며 산소를 소모하게 됩니다.
이때 소비된 산소량을 측정한 값이 바로 NOD입니다.

나. NOD의 특징

시간 소요: BOD(생화학적 산소 요구량)와 달리, NOD는 질소 화합물이 산화되기까지 더 긴 시간이 걸릴 수 있습니다. BOD 측정에서 주로 5일 동안 산소 요구량을 평가하지만, NOD는 그보다 더 오랜 기간을 필요로 할 수 있습니다.
산화 과정의 비율: NOD는 물속 질소 농도에 따라 산소 소비 비율이 크게 달라지므로, 고농도의 질소를 포함하는 폐수에서는 NOD가 높게 나타납니다.
환경에 미치는 영향: NOD가 높으면 물속 산소량이 급격히 줄어들어 수중 생물에게 해로운 환경을 초래할 수 있습니다. 이는 부영양화(eutrophication)를 유발하여 물속 생태계의 균형을 무너뜨리게 됩니다.

2. BOD와의 관계 (BOD = C-BOD + NOD)

BOD(생화학적 산소 요구량, Biochemical Oxygen Demand)와 NOD(질산성 산소 요구량, Nitrogenous Oxygen Demand)는 모두 물속에서 산소가 소모되는 과정을 측정하는 지표이지만, 두 지표는 서로 다른 물질에 의해 발생하는 산소 소모를 의미합니다.

가. BOD의 정의

: BOD는 물속에 존재하는 유기물이 미생물에 의해 분해되는 과정에서 소비되는 산소량을 측정한 것입니다. 일반적으로 5일 동안 측정되며, 주로 유기 오염 물질(음식물 찌꺼기, 생물체의 유기물 등)의 분해 과정에서 산소가 얼마나 소모되는지를 나타냅니다. 이는 물의 유기물 오염 정도를 파악하는 데 사용됩니다.

나. NOD의 정의

NOD는 물속의 질소 화합물, 즉 암모니아성 질소(NH₃)나 유기 질소가 산화될 때 소비되는 산소량을 의미합니다. NOD는 주로 유기 질소와 암모니아가 아질산염(NO₂⁻) 및 질산염(NO₃⁻)으로 산화될 때 발생하는 산소 소모를 나타냅니다.
관계: BOD는 물속에서 산소를 소모하는 모든 생물학적 과정(유기물 분해와 질소 화합물의 산화)을 포함합니다. 즉, BOD 측정치에는 탄소계 BOD와 **질소계 BOD(NOD)**가 포함됩니다.
- 탄소계 BOD: 유기 탄소 화합물이 분해되면서 산소가 소비되는 부분입니다.
- 질소계 BOD (NOD): 암모니아성 질소 또는 유기 질소가 산화되면서 산소가 소비되는 부분입니다.

따라서, 총 BOD는 탄소계 BOD와 질소계 BOD(NOD)의 합계라고 볼 수 있습니다. 다만, BOD 측정에서 일반적으로 NOD는 초기 5일 동안 발생하지 않거나 적게 나타날 수 있으며, 이는 NOD 산화 과정이 더 느리게 일어나기 때문입니다.

다. BOD와 NOD의 관계

BOD의 정의: BOD는 물속에 존재하는 유기물이 미생물에 의해 분해되는 과정에서 소비되는 산소량을 측정한 것입니다. 일반적으로 5일 동안 측정되며, 주로 유기 오염 물질(음식물 찌꺼기, 생물체의 유기물 등)의 분해 과정에서 산소가 얼마나 소모되는지를 나타냅니다. 이는 물의 유기물 오염 정도를 파악하는 데 사용됩니다.
NOD의 정의: NOD는 물속의 질소 화합물, 즉 암모니아성 질소(NH₃)나 유기 질소가 산화될 때 소비되는 산소량을 의미합니다. NOD는 주로 유기 질소와 암모니아가 아질산염(NO₂⁻) 및 질산염(NO₃⁻)으로 산화될 때 발생하는 산소 소모를 나타냅니다.
관계: BOD는 물속에서 산소를 소모하는 모든 생물학적 과정(유기물 분해와 질소 화합물의 산화)을 포함합니다. 즉, BOD 측정치에는 탄소계 BOD와 **질소계 BOD(NOD)**가 포함됩니다.
- 탄소계 BOD: 유기 탄소 화합물이 분해되면서 산소가 소비되는 부분입니다.
- 질소계 BOD (NOD): 암모니아성 질소 또는 유기 질소가 산화되면서 산소가 소비되는 부분입니다.

3. NOD 사례

질산성 산소 요구량(NOD)이 발생하는 대표적인 사례는 물속 질소 화합물(암모니아성 질소, 유기 질소 등)이 산화될 때입니다. 이는 폐수 처리 시설, 자연 하천, 호수, 또는 농업 폐수에 흔히 나타나며, 다음과 같은 상황에서 NOD가 발생할 수 있습니다.

가. 폐수 처리장에서의 NOD

폐수 처리 공정에서 가장 중요한 역할 중 하나는 유기물과 질소 화합물을 제거하는 것입니다. 폐수 처리장은 생활하수, 산업 폐수, 농업 폐수 등을 처리하며, 여기에는 유기물뿐만 아니라 암모니아성 질소(NH₃)나 유기 질소가 포함될 수 있습니다.

1차 처리: 유기물이 분해되면서 BOD가 발생합니다. 그러나, 암모니아성 질소나 유기 질소는 1차 처리에서 대부분 제거되지 않고 남아 있습니다.
2차 처리(호기성 처리): 암모니아성 질소는 미생물에 의해 산화되어 아질산염(NO₂⁻)로, 이후 질산염(NO₃⁻)으로 변환되면서 NOD가 발생합니다. 이 과정은 산소를 필요로 하며, 처리 과정에서 산소 부족이 발생할 수 있어, 폐수 처리장에서는 산소 공급을 철저히 관리해야 합니다.
사례: 특정 산업 폐수에서 질소 화합물 농도가 높을 경우, 이로 인해 NOD가 급격히 증가할 수 있습니다. 예를 들어, 비료 제조 공장에서 발생하는 폐수나 음식물 쓰레기 처리장에서 나오는 고농도 질소 폐수는 NOD를 크게 증가시키는 원인이 됩니다. 적절한 산소 공급이 이루어지지 않으면 질소화합물의 분해 과정이 완료되지 않아 수질 오염을 유발할 수 있습니다.

나. 자연 하천 및 호수에서의 NOD

자연환경에서는 비료, 농업 폐수, 가축 폐수 등이 하천으로 유입되면서 질소 화합물이 수중으로 들어가고, 그 결과 NOD가 발생할 수 있습니다. 농지에서 과다하게 사용된 비료는 질소 성분이 물로 유출되면서 하천과 호수로 흘러들어 가고, 물속에서 질소 화합물이 산화되며 산소가 소모됩니다.

부영양화 사례: 하천에 질소 화합물이 많이 포함되면, 이것은 조류(藻類)의 과도한 성장을 촉진시켜 부영양화를 일으킬 수 있습니다. 이후 질소 화합물이 산화되는 과정에서 많은 산소가 소모되어 수중 산소 부족이 발생합니다. 이는 물고기와 같은 수중 생물에게 치명적인 영향을 미치며, 하천 생태계의 붕괴를 초래할 수 있습니다.

다. 가축 폐수에서의 NOD

가축 농장에서 발생하는 폐수에는 다량의 질소 화합물이 포함되어 있습니다. 가축의 배설물에는 암모니아성 질소가 높은 비율로 포함되어 있으며, 이 폐수가 적절히 처리되지 않으면 수질 오염의 원인이 됩니다.

사례: 대규모 가축 농장에서는 배설물 처리가 중요한 환경 이슈 중 하나입니다. 특히 우천 시 배설물이 하천으로 흘러들어갈 경우, 암모니아성 질소가 물에 유입되어 NOD를 유발하게 됩니다. 이로 인해 하천의 산소 요구량이 증가하고, 산소 부족으로 인해 수질이 악화될 수 있습니다.

라. 산업 폐수에서의 NOD

특정 산업에서 배출되는 폐수에는 질소 화합물이 다량 포함될 수 있습니다. 예를 들어, 비료 생산 공장, 정유 공장, 화학 공장 등에서는 폐수에 질소 화합물이 많이 포함되어 있어 NOD가 높은 폐수를 배출할 수 있습니다.

사례: 화학 공장에서 발생하는 폐수에는 질소 성분이 다량 포함될 수 있으며, 이러한 폐수가 제대로 처리되지 않으면 자연 하천에 유입되어 NOD가 증가하게 됩니다. NOD가 높은 폐수는 수질 오염을 가중시켜 하천 생태계를 위협할 수 있습니다.

마. 음식물 쓰레기 처리장에서의 NOD

음식물 쓰레기 처리 과정에서 발생하는 폐수에도 질소 화합물이 포함될 수 있습니다. 음식물의 분해 과정에서 암모니아가 발생하며, 이 폐수는 적절히 처리되지 않으면 NOD를 증가시킬 수 있습니다.

사례: 음식물 쓰레기 처리장에서 나오는 폐수에는 많은 유기물과 질소 화합물이 포함될 수 있어, 폐수 처리 과정에서 충분한 산소가 공급되지 않으면 NOD가 급격히 증가할 수 있습니다. 이로 인해 하수 처리장이나 자연 수로에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다

4. NOD 대책

질산성 산소 요구량(NOD)는 질소 화합물이 물속에서 산화될 때 산소가 소모되는 현상을 측정하는 지표입니다. NOD는 환경오염과 수질 악화의 주요 원인이 될 수 있으므로, NOD를 줄이거나 관리하는 대책이 필요합니다. NOD를 효과적으로 관리하기 위해서는 폐수 처리 과정 개선, 비료 사용 관리, 농업 및 축산 폐수 처리, 정책적 규제 등의 다양한 방법이 동원될 수 있습니다.

가. 폐수 처리 기술 개선

NOD는 주로 폐수 속의 암모니아성 질소와 유기 질소가 산화되면서 발생하기 때문에, 폐수 처리 공정에서 질소 제거를 효과적으로 수행하는 것이 중요합니다. 이를 위해 다음과 같은 기술들이 사용됩니다.

1) 생물학적 탈질화(Nitrification-Denitrification)

미생물을 이용해 암모니아성 질소(NH₃)를 아질산염(NO₂⁻)과 질산염(NO₃⁻)으로 산화한 후, 이를 다시 탈질화 과정을 통해 질소가스로 변환하는 방식입니다. 이 과정을 통해 질소를 제거하여 NOD를 줄일 수 있습니다.
질산화(Nitrification): 암모니아성 질소(NH₃)가 미생물에 의해 아질산염(NO₂⁻)과 질산염(NO₃⁻)으로 산화됨.
탈질화(Denitrification): 산화된 질산염(NO₃⁻)이 혐기성 조건에서 질소가스(N₂)로 환원되어 물에서 제거됨.

2) 고도 질소 제거 기술

생물학적 질소 제거 공정의 효율성을 높이기 위한 기술로 ANAMMOX(Anoxic Ammonium Oxidation) 방식이 있습니다. ANAMMOX는 혐기성 상태에서 암모니아(NH₄⁺)와 아질산염(NO₂⁻)이 질소가스로 직접 변환되는 반응입니다. 이 방법은 전통적인 질산화-탈질화 공정보다 에너지를 덜 소비하고, 슬러지 생성량이 적으며, NOD를 효과적으로 줄이는 데 도움이 됩니다.

3) 화학적 처리

질소 제거를 위한 화학적 처리가 필요할 수 있습니다. 산화제나 응집제를 이용해 질소 화합물을 화학적으로 제거하는 방법도 NOD를 줄이는 대안입니다. 이 방법은 고농도 질소 폐수 처리에 유용할 수 있습니다.

나. 비료 및 농업 폐수 관리

농업에서 사용하는 비료는 수질 오염의 주요 원인이 될 수 있으며, 특히 질소 성분이 포함된 비료는 하천과 호수에 유입되어 NOD를 증가시킵니다. 이를 줄이기 위한 대책이 필요합니다.

비료 사용량 감소: 농업에서 사용하는 질소 비료의 사용량을 줄이고, 과도한 비료 사용을 방지하는 것이 중요합니다. 정밀 농업 기술을 도입해 비료가 정확한 양만 사용되도록 하며, 필요 이상으로 사용된 비료가 수로로 흘러가는 것을 막을 수 있습니다.
완충지대(Buffer Zones) 조성: 비료로 인한 오염을 줄이기 위해 농경지와 하천 사이에 완충지대를 조성할 수 있습니다. 이 지역에 식물을 심어 비료 성분이 하천으로 직접 유입되지 않도록 하며, 자연적인 여과 과정을 통해 질소가 제거될 수 있습니다.
배수 관리 및 저류 시설: 농업 폐수나 강우 시 발생하는 유출수를 저류지에 모아, 농경지에서 유출되는 질소를 제어하는 것도 효과적인 방법입니다. 저류 시설에서 폐수를 처리하거나 자연적으로 여과될 시간을 확보할 수 있습니다.

다. 가축 폐수 처리 개선

가축 농장에서는 배설물에 포함된 질소 성분이 NOD를 유발할 수 있습니다. 이를 관리하기 위한 폐수 처리 대책이 필수적입니다.

가축 배설물 처리 기술: 가축 배설물에 포함된 질소를 줄이기 위해 **혐기성 소화(anaerobic digestion)**와 같은 처리 기술이 사용될 수 있습니다. 혐기성 소화는 배설물 속 유기 질소를 분해하고, 메탄가스 등의 유용한 부산물을 생성하면서 질소 제거를 돕습니다.
폐수 처리 시스템 도입: 축산 폐수를 위한 별도의 처리 시스템을 도입하여 배설물에서 발생하는 암모니아성 질소를 제거하는 것이 중요합니다. 생물학적 처리나 화학적 방법을 통해 가축 폐수 속 질소를 관리하는 것이 효과적입니다.

라. 산업 폐수 관리

산업 공정에서 발생하는 폐수 중에도 암모니아성 질소나 유기 질소가 포함될 수 있습니다. 이를 처리하는 방법은 다음과 같습니다.

폐수 재활용 및 재사용: 산업 공정에서 발생하는 폐수를 재활용하는 시스템을 도입하여 질소 화합물의 외부 배출을 최소화할 수 있습니다. 예를 들어, 공장에서 사용된 물을 다시 사용하거나, 질소를 포함한 물을 여과하여 공정에서 재사용하는 방법입니다.
폐수 예처리: 산업 폐수가 외부로 배출되기 전에 사전에 질소 화합물을 제거할 수 있도록 예처리 공정을 강화할 수 있습니다. 이를 통해 폐수의 NOD를 줄이고 수질 오염을 방지할 수 있습니다.

마. 정책적 대책 및 규제

정부 차원에서 NOD 문제를 해결하기 위한 법적 규제와 정책을 수립하는 것도 중요한 대책입니다.

환경 규제 강화: 산업체와 농업 분야에서 발생하는 폐수의 질소 함량을 규제하여, NOD를 줄이는 법적 기준을 강화할 수 있습니다. 이를 통해 각 산업체는 폐수 처리를 강화하고, 수질 오염을 예방해야 합니다.
수질 모니터링 프로그램: 수질 모니터링 프로그램을 운영하여, 하천과 호수에서의 NOD 수준을 주기적으로 확인하고, 오염 지역을 추적하며 신속히 조치할 수 있도록 관리할 필요가 있습니다.
환경 교육 및 인식 제고: 농업 및 산업 분야 종사자들에게 질소 오염과 NOD의 위험성을 알리고, 이를 줄이기 위한 실질적인 대책을 교육하는 프로그램이 필요합니다.