【환경화학】 2017 국가공무원 5급(기술) 제2문

2017 국가공무원 5급(기술) 제2문^]

 

추천글 : 【환경화학】 환경화학 목차 

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a. 산소요구량 

b. 환경미생물학 

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당근 님 지적사항 수정 (2022.10.14)

곱 님 지적사항 수정 (2023.06.25)

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Q. 수중 유기물 농도를 나타내는 지표로 사용되는 생물학적 산소요구량(BOD)과 화학적 산소요구량(COD) 및 총유기탄소(TOC)에 대한 다음 물음에 답하시오.

 

Q1. 아래와 같은 방류수의 탄소계 7일 BOD값(CBOD₇)을 mg / L 단위로 구하시오. (단, 원자량 C = 12, N = 14이다.)

 

분석값, mg / L	0일	7일
DO	8.1	1.0
NO2--N	0.0	0.1
NO3--N	0.3	0.7

 

A1.

○ 생물학적 산소요구량 계산 과정에 따라, BOD₇ = DO₀ - DO₇ = 7.1 mg / L 

○ 그런데, 질산화물이 있는 경우 BOD 값이 바이어스가 있으며, 이로 인해 CBOD(carbonaceous BOD) 값이 도입되었다.

○ 즉, BOD = CBOD + NBOD가 성립하며

○ NBOD는 질소나 암모니아 등 환원된 질소 화합물을 산화하는 데 필요한 산소량인 것이다. 

○ CBOD는 primary stage에서 빠르게 증가하지만 금방 포화되는 게 특징이다. 

○ NBOD는 Nitrosomonas bacteria, Nitrobacter bacteria 등에 의해 secondary stage에서부터 서서히 증가한다. 

 

출처 : 이미지 클릭

Figure. 1. primary stage, secondary stage와 BOD

 

○ 문제 구성으로 보아, NBOD = (NO₂^-를 생성하는 데 필요한 산소량) + (NO₃^-를 생성하는 데 필요한 산소량) 이라 할 수 있다.

○ NH₃ + 1.5O₂ → NO₂^- + H₂O + H⁺ (N의 산화수 변화가 +6, O의 산화수 변화가 -2이므로 NH₃ : O₂ = 1 : 1.5) 

∴ (NO₂^-를 생성하는 데 필요한 산소량) = ((0.1 - 0.0) mg / L) × (1 mol / 14 g) × 1.5 × (32 g / mol) = 0.343 mg / L

○ NH₃ + 2O₂ → NO₃^- + H₂O + H⁺ (N의 산화수 변화가 +8, O의 산화수 변화가 -2이므로 NH₃ : O₂ = 1 : 2)

∴ (NO₃^-를 생성하는 데 필요한 산소량) = ((0.7 - 0.3) mg / L) × (1 mol / 14 g) × 2 × (32 g / mol) = 1.829 mg / L

○ NBOD = 0.343 + 1.829 = 2.172 mg / L

○ CBOD = BOD - NBOD = 7.1 - 2.172 = 4.928 mg / L

 

Q2. 알라닌(C₃H₇O₂N) 100 mg / L를 포함하는 폐수의 탄소계 5일 BOD값(BOD₅)과 이론적 COD 값 및 TOC 값을 각각 mg / L 단위로 구하시오. (단, 상용로그 기준 탈산소계수 k = 0.2 / day, 원자량 C = 12, O = 16, H = 1, N = 14이다.)

 

A2. 

○ 풀이 1. C₃H₇O₂N + 3O₂ → 3CO₂ + NH₃ + 2H₂O

○ 알라닌의 분자량 = 12 × 3 + 1 × 7 + 16 × 2 + 14 = 89 g / mol 

○ COD = (100 mg / L) × (1 mol / 89 g) × 3 × (32 g / mol) = 107.8652 mg / L 

○ BOD₅ = BOD_u (1 - 10^-kt) = 107.8652 × (1 - 0.1) = 97.07865

○ TOC는 총 유기탄소이므로 알라닌 100 mg / L에 들어있는 탄소의 양과 같다.

○ TOC = (100 mg / L) × (1 mol / 89 g) × (36 g / mol) = 40.44944 mg / L

 

○ 풀이 2. C₃H₇O₂N + 5O₂ → 3CO₂ + 3H₂O + NO₃^- 

○ 알라닌의 분자량 = 12 × 3 + 1 × 7 + 16 × 2 + 14 = 89 g / mol 

○ COD = (100 mg / L) × (1 mol / 89 g) × 5 × (32 g / mol) = 179.7753 mg / L 

○ BOD₅ = BOD_u (1 - 10^-kt) = 179.7753 × (1 - 0.1) = 161.7978 mg / L 

○ TOC는 총 유기탄소이므로 알라닌 100 mg / L에 들어있는 탄소의 양과 같다.

○ TOC = (100 mg / L) × (1 mol / 89 g) × (36 g / mol) = 40.44944 mg / L

 

○ 결언 : COD를 구할 때, 질소의 산화분은 추가로 고려하지 않는 게 일반적이므로 풀이 1이 좀 더 타당하다고 할 수 있음

 

Q3. COD 측정 시, 적정용액으로 사용되는 황산암모늄제일철(Fe(NH₄)₂(SO₄)₂) 용액 1 mL가 산소 1 mg에 대응하도록 조제하려면, 몇 g / L의 황산암모늄제일철이 필요한지 구하시오. (단, 원자량 Fe = 55.8, S = 32, O = 16, H = 1, N = 14이다.)

 

A3. 

○ 산소 1 mg이 수용하는 전자의 몰수 (단, 산소 1개당 전자 4개 수용) = 1 mg × (1 mol / 32 g) × 4 = 1/8 mmol

○ 황산암모늄제일철 1 mL가 제공하는 전자의 몰수 = 1/8 mmol 

○ 황산암모늄제일철 1 mL에 녹아있는 황산암모늄제일철의 몰수 (단, 황산암모늄제일철 1개당 전자 1개 제공) = 1/8 mmol

○ 참고로, Fe(NH₄)₂(SO₄)₂에서 Fe의 산화수는 +2이고, Fe의 산화수가 +3이 되면서 전자 1개를 제공할 수 있음

○ 황산암모늄제일철이 용액 1 mL에 녹아 있는 질량 = (1/8 mmol) × (283.8 g / mol) = 35.475 mg 

○ 황산암모늄제일철 용액의 농도 = 35.475 g / L 

 

입력: 2019.03.30 22:26