【환경화학】 2006 국가공무원 5급(기술) 제3문

2006 국가공무원 5급(기술) 제3문^]

 

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a. 산화환원반응 

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당근 님 지적사항 수정 (23.03.27)

당근 님 지적사항 수정 (23.04.28)

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Q. 폐수에 포함된 NO₃^-를 종속영양균에 의한 탈질반응에 의해 N₂로 제거하기 위하여 메탄올을 탄소원 및 전자공여체로 이용하고자 한다. 전자공여체가 미생물 합성으로 이용된 분율(f_s)과 에너지로 이용된 분율(f_e)이 각각 0.28 및 0.72라고 가정하고, 미생물 합성에 대한 반쪽반응식은 다음과 같다.

 

〈미생물 합성에 대한 반쪽 반응식〉

1/5 CO₂ + 1/20 HCO₃^- + 1/20 NH₄⁺ + H⁺ + e^- = 1/20 C₅H₇O₂N + 9/20 H₂O ... ⒜

1/28 NO₃^- + 5/28 CO₂ + 29/28 H⁺ + e^- = 1/28 C₅H₇O₂N + 11/28 H₂O ... ⒝

 

Q1. NO₃^- / N₂ 및 CO₂ / CH₃OH 각각에 대한 반쪽 반응식을 만드시오. 

  

A1. 

○ 2NO₃^- + 10e^- + 12H⁺ → N₂ + 6H₂O ... ⒞

○ CO₂ + 6e^- + 6H⁺ → CH₃OH + H₂O ... ⒟

  

Q2. 폐수의 NO₃^- 농도가 5 mM이라면, NO₃^-를 완전히 제거하기 위해서 필요한 최소 메탄올 농도는 몇 mM인가? (단, 폐수에 암모니아성 질소는 존재하지 않는다)

 

A2. 

○ 배경 : 탈질화세균은 호흡 전자전달계에서 최종 전자수용체로 산소 대신 아질산(HNO₂)과 질산(HNO₃)을 사용. 이 문제의 경우, 질산염(NO₃^-)이 에너지 대사에서 최종전자수용체로 사용되며 그 반응식은 ⒞와 같음 

○ 상황 : 메탄올에 의해 공여된 전자 중 28%는 미생물 합성에 쓰이고, 72%는 에너지로 이용됨. 28%의 전자는 암모니아성 질소와 반응하거나 (⒜), NO₃^-와 반응함 (⒝). 폐수에 암모니아성 질소가 존재하지 않으므로, 28%의 전자는 오로지 NO₃^-와 반응한다고 보아야 함  

○ 메탄올의 농도 = C mM

○ 메탄올에 의해 공여되는 전자의 농도 (⒟) = 6C mM

○ 에너지로 이용되는 전자의 농도 = 6C × 0.72 mM

○ 에너지로 이용되는 전자와 관련되어 제거되는 NO₃^-의 농도 (⒞) = 6C × 0.72 / 5 mM

○ 미생물 합성에 이용되는 전자의 농도 = 6C × 0.28 mM

○ 미생물 합성에 이용되는 전자와 관련되어 제거되는 NO₃^-의 농도 (⒝) = 6C × 0.28 / 28 mM

○ 결론 : 6C × 0.72 / 5 + 6C × 0.28 / 28 = 5 ⇔ C = 5.411255 mM

○ 검토 : 메탄올에 의해 공여되는 탄소원의 농도 = 5.411255 mM ＞ 5/28 × 6 × 5.411255 × 0.28 = 1.623377 mM. 따라서 전자공여체의 농도로만 계산한 위 최소 메탄올 농도 하에서 필요한 탄소원의 양은 충분히 제공돼 추가적인 계산이 필요하지 않음

 

Q3. 만일 폐수에 암모니아성 질소가 존재한다면, 암모니아성 질소가 존재하지 않는 경우에 비하여 단위 메탄올 당 미생물 합성량이 어떻게 변화할 것인지 그 근거를 들어 답하시오. (단, 두 경우에 암모니아 농도를 제외한 모든 조건은 동일하다)

 

A3. 

○ 전제 : 메탄올 1개당 6개의 전자가 공여되고, 그 중 1.68개의 전자가 미생물 합성에 이용됨 

○ ⒜와 ⒝ 반응의 전자 요구량은 동일하지만, ⒜ 반응이 더 많은 미생물 합성량을 산출하므로 암모니아성 질소가 존재함으로 인해 단위 메탄올 당 미생물 합성량이 증가함  

○ 검토 : ⒝보다 더 많은 탄소원을 요구하는 ⒜ 반응만 일어나더라도, 메탄올에 의해 공여되는 탄소원은 충분하므로 탄소원은 한계 반응물이 아님

 

Q4. 만일 메탄올 대신 황 원소(Sº)를 전자공여체로 이용하는 미생물을 이용한다면 제거된 NO₃^- 당 미생물 합성량은 메탄올을 이용하는 경우에 비하여 어떻게 변화할 것인지 그 근거를 들어 설명하시오. 

 

A4. 

○ 가정 1. f_s, f_e가 변하지 않는 경우

 

출처 : 이미지 클릭

 

○ 황 원소는 H₂S, SCN^-, S₂O₃^2- 등으로 환원(electron acceptor)할 수 있고, SO₃^2- 등으로 산화(electron donor)할 수 있음

○ S + 3H₂O → HSO₃^- + 5H⁺ + 4e^-와 같은 반응으로 황 원소가 전자 공여체로 이용될 수 있음

○ 결론 1. 전자원으로만 따지면 NO₃^- 당 미생물 합성량은 메탄올과 다를 이유가 없음 

○ 결론 2. 그런데, 황 원소는 탄소원을 제공하지 않으므로 메탄올과 달리 별도 탄소원이 없으면 미생물 합성량이 0이 될 수도 있음

○ 가정 2. f_s, f_e가 변하는 경우

○ 아래 파일 11페이지를 보면, "독립영양생물은 종속영양생물에 비해 세포 합성에 더 많은 에너지를 소비하기 때문에 일반적으로 세포합성량과 성장속도가 낮음"을 알 수 있음 (ref.)

 

제7장 생물학적 처리 기초(미생물 1).pdf

1.24MB

 

○ 제거된 NO₃^- 당 미생물 합성량은 f_s / 28 / (f_e / 5 + f_s / 28)이고, 이 값은 f_s가 감소하면 덩달아 같이 감소하는 값임

○ 메탄올 대사는 종속영양탈질이고, 황 대사는 독립영양탈질일 것

○ 그러므로 제거된 NO₃^- 당 미생물 합성량은 황(S°)으로 전자원이 대체되면서 감소하게 됨 

 

입력: 2022.12.24 14:31

수정: 2023.04.28 21:14