희석비에 따른 BOD 변화

서교성, 정재용, 박중곤, 이우기*, 장호남**

경북대학교 화학공학과, 이원바이오텍*, 한국과학기술원 화학공학과**

Effect of dilution ratio on the BOD measurement

K.S. Seo, J.Y. Jung, J.K. Park, W.K. Lee*, H.N. Chang**

Dept. of Chem. Eng., Kyungpook Nat. Univ., E-1 BIOTECH Co.*,

Dept. of Chem. Eng., KAIST**

서론

수질오염을 표시하는 하나의 지표로 오래 전부터 사용되어진 방법중의 하나가 생물 화학적 산소요구량(Biochemical Oxygen Demand; BOD)(1)이다. BOD란 개념은 18C말과 19C초 영국에서 처음 제안된 것(2)으로  물 속의 유기물이 호기성 상태에서 미생물에 의해 생화학적으로 분해되어 안정화 되는데 소요되는 산소량을 말한다. 수중의 유기성 용존 물질의 산화분해현상을 보면 초기에는 비교적 불안정한 유기물인 탄수화물 류가 분해되고 다음에 규소 화합물의 산화가 일어난다. 여기에서 탄수화물의 산화 분해가 완료되기까지 소비되는 산소량을 제1단계 BOD라하고, 질소 화합물의 산화가 완료되기까지 소비되는 산소량을 제2단계 BOD라 한다.이들의 분해에 소요되는 시간은 20□에서 제1단계 BOD는 약 7∼10일이며, 제2단계 BOD는 약 100일이다. 이러한 BOD는 하천, 호수 및 공공 용수의 수질 오염의 정도를 나타내는 지표로서, 도시 하수의 오염도, 그 처리에 있어서 오염 부하(loading)나 처리 효율을 측정 및 평가하는 등 광범위하게 이용되어졌다. BOD측정은 표준화된 실험실에서 각종 용수 등의 오염 물질에 의한 산소 요구량을 측정하는데 상대적이고 경험적인 방법이다. 또한 BOD는 단지 박테리아에 의해 산화되는 유기물질을 측정하는 것이나 미생물 종류, 온도, PH, 용존산소량, 중금속 등의 영향을 받으며 분해시간이 5 일로 너무 길고 정확한 값을 얻을 수 없다(3). BOD를 유기물의 농도를 표시하는 지표로 오해하고 있지만 실제에는 유기물의 전량을 표시하는 것이 아니고, 수많은 유기물중에서 생물에 의해 분해되기 쉬운 것의 일부를 간접적으로 표시하고 있는 것에 지나지 않는다. 다시 말해 생물분해가 가능한 유기물질의 강도를 뜻한다. 수중의 유기물질 중에는 경성세제(硬性洗劑), 일부의 농약, 리그닌(lignin) 등과 같이 생물분해가 불가능하거나 또는 생물분해가 곤란한 유기물질 등이 있는데 그러한 것들은 BOD값에 포함되지 않는다. 하지만 BOD는 이러한 단점에도 불구하고 생물처리시설의 설계나 관리를 위하여 사용되고 있으며 수질오염의 지표로 쓰이고 있다. 따라서, 본 연구에서는 보다 효율적이고 정확한 BOD 측정법을 개발하고 BOD 측정기간을 줄이는 순간 BOD 측정기의 제조에 필요한 BOD 측정의 신뢰도 연구를 위해 희석비에 따른 BOD변화를 알아보고 그 원인 분석을 위해 미생물 마리수의 측정 및 simulation을 해보고자 한다.

실험

1. BOD 측정

BOD 측정 방법은 dilution method로 사용하였으며 300mL BOD병에 적당한 양의 시료를 포화 용존산소를 갖도록 충분히 폭기시킨 희석수로 희석시켜 15분후에 시료의 용존산소량 D1을 측정하고 20□에서 5일간 배양시킨 후 잔류 용존산소량 D2를 측정하여 다음의 식들에 의해 BOD를 구하였다.

희석하지 않은 시료의 BOD :  BOD5 (mg / L) = [eqn: {D_1 - D_2}]

희석한 시료의 BOD :  BOD5 (mg / L) = [eqn: {D_1 - D_2} OVER P]

D1 : 초기 용존 산소량

D2 : 5일간 배양시킨 후 잔류 용존산소량

P : 희석 시료중의 시료가 차지하는 비율

희석수는 미생물들이 생물학적 활동을 할 수 있는 환경 조건을 만들어 주어야 하며 박테리아 성장에 필요한 영양소인 (N, P, K, Cu, Mg 등)이 존재할 수 있도록 해주어야 하며 독성물질이 존재하지 않도록 공인된 시험법을 기준으로 조제하였다. 식종이 필요한 시료의 BOD를 측정하는 경우에는 식종희석수를 사용하여 BOD를 측정하는 데 식종수로는 경북대학교에 위치한 연못물을 사용하였다.

2. 미생물 마리수 측정

BOD 측정기간동안 미생물 마리수의 변화를 알아보기 위해 먼저 300mL BOD병에 적당한 양의 시료를 포화 용존산소를 갖도록 areator를 이용하여 충분히 폭기시킨 희석수로 희석시켜 BOD incubator에서 5일간 배양하면서 매일 시료를 채취하여 미생물의 마리수를 측정하였다 BOD을 측정하는 동안 미생물 마리수의 변화는 한국과학기술원 에너지 환경 연구 센터가 보유한 Particle Counter (PAMAS-2120)를 사용하여 측정하였다. 이 기기는 유리column속에 시료를 통과시키면서 빛을 비추어 맞은편에 비치는 그림자를 분석하여 미생물의 마리수와 크기를 측정하는 기기이다. 다음은 시료의 측정을 위해 BOD병에서 시료를 10ml를 채취하여 측정용 유리용기에 담고 기기를 작동시켜 10ml 속에 있는 미생물 마리수를 측정하게 되는데 측정 data는 computer에 저장된다.

3. Simulation

Fortran 과 excel를 이용하여 simulation을 하였으며 least mean squre을 사용하여 가장 근접한 결과를 얻어내었다. 또한 미생물 증식에 대한 modeling을 하기 위해 prey 와 predator의 상관관계를 가장 간단하게 나타

낼 수 있는 Lotka-Volterra 미분방정식(4)을 1 prey-3 predator의 관계를 가지도록 변형하여 사용하였다.

결과 및 토론

본 실험은 식종이 필요 없는 시료의 BOD를 측정하는 동안 희석비에 따른BOD변화, BOD측정기간중의 미생물 마리수 변화, simulation의 결과를 알아보았으며 다음과 같은 그래프를 얻을 수 있었다.

Fig 1. BOD values without seed control

Fig 2. Simulated population of microbial cells.

측정한 연못물의 실제 BOD는 희석비가 0.8일때에는 BOD가 5.79이고, 희석비가 0.6일때에는 BOD가 6.5이며, 희석비가 0.4일때에는 8.25, 0.2일때에는 14이다. 즉 시료의 함량이 증가할수록 다시말해 희석비가 커질수록 BOD값이 감소함을 알 수 있다.

BOD가 변하는 동안 미생물 마리수는 어떤 변화가 일어나는지를 관찰해 본 결과 크기가 작은 미생물 쪽으로 갈수록 미생물의 마리수가 감소하는 폭이 크짐을 볼수 있고 크기가 큰 미생물 쪽으로 갈수록 미생물의 마리수가 증가하는 폭이 크짐을 관찰 할 수 있다. 또한 희석비가 큰 쪽에서는 증감비의 변화가 크고 희석비가 작은 쪽에서는 증감비의 변화가 크지 않음을 알 수 있다. 이러한 미생물 마리수의 변화를 Lotka-Volterra 미분방정식을 사용하여 simulation을 실시해 보았다. 여기에서는 미생물의 prey-predator의 관계를 다음과 같이 정의하였다. 유기물을 prey, 그리고 이 유기물을 잡아먹는 미생물들을 3개의predator로 정의하고 predator1은 predator2에 잡아먹히고 predator2는 predator3에 잡아 먹히는 먹이연쇄의 관계를 만들었다.

결과에서 보면 simulation결과와 실험결과가 같은 경향을 가짐을 관찰 할 수 있다. 즉 희석비가 작은 쪽에서는 미생물 마리수의 변화가 크지않으며 희석비가 큰 쪽에서는 미생물 마리수의 변화가 predator3로 갈수록 증가함을 볼 수 있다.

참고문헌

[1]. Karube.I, Matsunaga.T, Mitsuda.S and Suzuki.S. "microbial

electrode BOD sensor" Biotechnology and bioengineering, 19,

1535-1547 (1977)

[2]. Phelps, E. B."stream sanitation john Wiley and Sons", New York,       N.Y. (1994)

[3]. Karube.I, Matsunaga.T, Mitsuda.S and Suzuki.S."A rapid method for

estimation of BOD by using immobilized microbial cell",J.Ferment.

Technol.55,243-248 (1977)

[4]. Lotka, A. J. "elements of physical biology", Williams & Wilkins Co.

1925