【환경화학】 2012 국가공무원 5급(기술) 제5문

2012 국가공무원 5급(기술) 제5문^]

 

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a. 산소요구량

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Q. 생물학적으로 완전히 분해가 가능한 유기물질의 농도가 100 mg/L인 폐수시료를 분석한 결과 유기물질의 분자식이 C₅H₁₁O₂N이었다. 이와 관련하여 다음 물음에 답하시오.

 

Q1. 이 폐수시료의 질소계 BOD(NBOD)와 탄소계 BOD(CBOD)를 각각 계산하시오. (단, 원자량 C = 12, H = 1, O = 16, N = 14이다.)

 

A1. 

주어진 유기물질이 전부 생물학적으로 완전히 분해가 가능하므로 COD = BOD가 성립한다.

따라서 미생물을 첨가해서 실험적으로 결정해야 할 BOD를 분자식만으로도 결정할 수 있다.

탄소는 CO₂로 산화하고 질소는 NO₃^-로 산화하므로 다음과 같은 완전 산화 반응식을 구성할 수 있다.

 

C₅H₁₁O₂N + 8O₂ +  → 5CO₂ + NO₃^- + H⁺ + 5H₂O  

 

N의 산화수 변화가 +8 (-3 → +5), O의 산화수 변화가 -2이므로, NO₃^- : O₂ = 1 : 2  

NBOD = (NO₃^-를 생성하는 데 필요한 산소량) = (100 mg / L) × (1 mol / 117 g) × 1 × 2 × (32 g / mol) = 54.7 mg / L

 

C의 초기 산화수는 (-11 + 4 + 3) / 5 = -0.8이다.

C의 산화수 변화가 +4.8 (-0.8 → +4), O의 산화수 변화가 -2이므로, CO₂ : O = 1 : 1.2

CBOD = (CO₂를 생성하는 데 필요한 산소량) = (100 ml / L) × (1 mol / 117 g) × 5 × 1.2 × (32 g / mol) = 164.1 mg / L 

 

Q2. 질산화 박테리아에 의한 방해작용이 존재하는 실제 폐수시료에서 정확한 CBOD 측정을 위한 방법을 구체적으로 제시하시오. 

 

A2. 

질산화 박테리아에 의한 방해작용은 다음과 같이 나타나고, 주요 질소산화물은 NO₂^-, NO₃^-이다.

 

출처 : 이미지 클릭

Figure. 1. 질산화 박테리아에 의한 방해작용

 

다음과 같은 표를 그린다. 

 

출처 : 2017 국가공무원 5급(기술) 제2문

Figure. 2. CBOD 측정을 위한 구체적인 방법 

 

이때 BOD₇ = DO₀ - DO₇이고 NBOD는 (NO₂^-를 생성하는 데 필요한 산소량) + (NO₃^-를 생성하는 데 필요한 산소량)이다.

더 구체적인 계산  과정은 다음을 참고하자.

 

Q3. 위 유기물질이 혐기성 상태에서 모두 메탄으로 전환되는 경우 폐수 1 리터당 발생하는 메탄의 총량은 표준상태에서 몇 리터인가? 이 경우 폐수의 알칼리도는 얼마나 증가 또는 감소하겠는가? 

 

A3. 

우선 다음 반응식을 따를 것으로 보인다. 

 

C₅H₁₁O₂N + 8H₂ → 5CH₄ + NH₃ + 2H₂O

NH₃ + H₂O → NH₄OH → NH₄⁺ + OH^-  

 

표준상태는 다양한 의미가 있다: STP, SATP, NTP, ATP.

환경화학에서는 보통 25 ℃를 기준으로 하므로, 표준상태의 의미는 SATP 혹은 ATP라고 할 수 있다.

SATP : 압력 1 bar, 온도 25 ℃ (298.15 K)

 

메탄의 총량 = (100 mg) × (1 mol / 117 g) × 5 × 0.082 atm·L / K × 298.15 K × 1.01325 bar / 1 atm / 1 bar = 0.106 L

 

ATP : 압력 1 atm, 온도 25 ℃ (298.15 K)

 

메탄의 총량 = (100 mg) × (1 mol / 117 g) × 5 × 0.082 atm·L / K × 298.15 K / 1 atm = 0.104 L

 

한편, 혐기성 반응 결과 OH^-가 생성되므로 알칼리도가 증가한다.

이때 1몰의 CaCO₃는 2몰의 OH^-와 대응된다는 사실을 이용하면 다음과 같다.

(알칼리도 증가량) = (100 mg) × (1 mol / 117 g) × 0.5 × (100 g / mol) = 42.7 mg CaCO₃

 

다음은 혐기성 반응기에서 실제 알칼리도 변화 추이이다.

 

출처 : 이미지 클릭

Figure. 3. 혐기성 반응기에서 실제 알칼리도 변화 추이

 

입력 : 2022.09.17 15:36