축산폐수 BOD 연속측정 방법 기초 연구

신관석, 김진경*, 김태진

수원대학교 화학공학과, (주)KLK 중앙연구소*

Initial Study on On-line Measurement of BOD of Livestock Wastewater

Kwan-Seok Shin, Jin-Kyung Kim*, Tai-Jin Kim

Dept. of Chemical Engineering, University of Suwon

R&D Institute, KLK Engineering Co., Ltd., Suwon*

서론

생화학적 산소요구량(Biochemical Oxygen Demand, BOD)은 수질오염의 지표로 가장 널리 쓰이는 항목이며 폐수처리장의 효율을 나타내는 지표이다. 다량의 유기물이 포함된 축산폐수의 BOD측정에 있어서 통상적으로 BOD5를 이용하여 측정한다. 그러나 기존의 화학적인 방법은 측정 후 5일 후에야 BOD를 판별할 수 있으므로 축산폐수의 실시간 처리에 문제점을 가지고 있다. 더욱이 국내에서 시판중인 BOD 측정 시스템은 일반적으로 축산농가에서 사용하기엔 복잡하고 고가이어서 범용적 사용에 한계가 있다. 이에 본 연구의 목적은 다양한 BOD농도를 가지고 있는 축산폐수의 용존산소(Dissolved Oxygen, DO)를 연속측정하여 시간에 따른 시료별 거동으로부터 검량곡선을 찾아냄으로써 짧은 시간에 간편하게 BOD를 측정하는 방법을 제시하여, 축산폐수 처리공정을 효율적으로 제어할 수 있는 시스템을 개발하는데 필요한 기초 자료를 제공함에 있다.

이론

BOD5 값은 배양전 DO값(DOi)과 5일 배양후 DO값(DOf)을 알면 다음식에 의해서 구해진다.

BOD5(□/□) = (DOi - DOf) × P

여기서 P는 희석시료 중 시료의 희석배수(희석시료/시료량)를 말한다. 용존산소 센서법에서는 재현성 및 calibration이 용이한 Polarographic type의 용존산소 센서를 사용하였으며 그 원리를 살펴보면, KCl 또는 NaCl 등의 전해액 상에서 금, 백금, 은 등을 음극(cathode)으로 사용하고, Ag/AgCl을 양극(anode)으로 사용하여 전극을 구성한다. 두 전극에서 반응은 다음과 같다.

Cathodic reaction : O2 + 2H2O + 2e-  →  H2O2 + 2OH-

H2O2 + 2e-  →  2OH-

Anodic  reaction   : 4Ag + 4Cl-  →  4AgCl + 4e-

Overall  reaction : 4Ag + O2 + 2H2O + 4Cl- →  4AgCl + 4OH-

이와 같은 반응을 통해 voltage-current diagram 확인할 수 있으며 이를 polarogram이라고 한다. 전극에 일정전압으로 고정하고(-0.8V) 산소 분압에 따라 polarogram를 측정하면 출력되는 전류와 산소분압은 정비례하는 상관관계를 나타낸다.

실험

축산폐수의 BOD 측정을 위하여 Winkler azide화 변법과 용존산소 센서법을 이용하였다. 실험에 사용된 축산폐수는 경기도 화성군에 위치한 일반 농가의 돈사에서 채취하였다. 센서를 이용한 BOD 측정에서 이용한 센서는 (주)KLK 엔지니어링에서 제작한 101S를 이용하였고 센서에서 나오는 신호를 증폭시키기 위한 증폭기를 사용하였다. DO측정시 온도를 일정하게 유지시키기 위해서 BOD Incubator(JISCO, C-1B02)를 사용하였다. 시스템의 구성은 그림 1과 같다. 실험에 사용된 축산폐수는 질소폭기수와 일정비로 희석(10%, 20%, 40%, 60%, 80%, 100%)하여 준비된 각 시료를 다시 공기폭기수와 희석(시료 30 : 공기폭기수 70)하여 2개의 시료를 동시에 측정하였다.

Fig. 1. Schematic diagram of experimental set-up.

결과 및 토론

Fig. 2는 축산폐수의 부피비 변화에 따른 1시간 동안의 DO변화를 기록한 그림 으로 축산폐수의 부피가 증가할수록 DO변화의 기울기가 커짐을 알 수 있다. Fig. 3은 시간이 지남에 따라 일정한 선형관계를 보이는 300∼2200 sec 구간을 설정하여 나타내었다. 각 시료는 일정한 DO 거동을 나타내고 있으며 각 시료별 DO 거동의 기울기를 구하여 %원액부피와의 상관관계를 구하여 Fig. 4에 나타내었다. 또한 Winkler azide화 변법에 의한 BOD 값과 DO 거동의 기울기와의 상관관계를 Fig. 5에 나타내었다. Fig. 4에서의 선형성은 97.60%이었고, Fig. 5에서의 선형성은 98.40%이었다. 따라서 300∼2200sec 구간에서 DO 거동을 확인하였고 각각의 기울기를 구함으로써 BOD값을 알 수 있었다. 이를 토대로 기존의 BOD 측정에 소요되는 시간을 대폭줄여 1시간 이내에 축산폐수의 BOD를 on-line으로 측정할 수 있는 가능성을 제시하였다.

Fig 2. Time distribution of dissolved oxygen concentration

of livestock wastewater at various concentration.

Fig. 3. Time distribution of dissolved oxygen concentration

with various dilution ratio in linear range(300∼2200sec).

Fig. 4. Relationship between dilution       Fig. 5. Relationship between  BOD

ratio and slope in linear range.            and slope in linear range.

감사의 글

본 연구결과의 일부는 중소기업기술혁신개발사업으로 수행되었으며, 이에 중소기업청 및 (주)KLK 엔지니어링의 지원에 감사드립니다.

참고 문헌

1. Kinoshita, K. : "Electrochemical Oxygen Technology", Wiley Interscience,      392 (1992).

2. "Standard Methods for the examination of water and wastewater", 18th Ed.,     American public Health Association, 5-2 (1992).

3.  Kim, T. J. : □A Steady-State One-Dimensional Analysis of an Oxygen

Electrode in Stationary and Flowing Liquid□, 4, 2, 150-156(1989).

4. Janata, J. : □Principles of Chemical Sensors□, Plenum Press, 83 (1990).