KR100443563B1 - 연속형 신속 생화학적 산소요구량(bod) 측정방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속형 신속 생화학적 산소요구량 측정방법 및 장치에 관한 것으로서, 본 발명 장치는 현장시료를 측정에 알맞도록 준비하는 시료조, 미생물이 활성을 유지하고 있는 반응조, 미생물 성장에 필요한 영양분을 담는 배지탱크. 액체를 이송하는 펌프, 반응조내 용액을 혼합하는 자석교반기를 비롯해 장치의 모든 동작을 제어하고 계산하며 장치를 스스로 진단하는 마이크로프로세서로 이루어져 있으며, 본 발명의 신속 생화학적 산소요구량 측정방법은 연속배양단계, 내생호흡단계, 내생호흡속도 잡기 단계, 시료투입단계, BODq 측정단계로 이루어져 있다.

본 발명에 따르면, 측정주기는 한시간이고, 재현성이 매우 우수하며, 측정에 사용되는 미생물이 자동으로 연속 배양되기 때문에 영구적이고 관리가 수월하고 비용이 저렴하여 현장용으로 매우 적합하다.

Description

연속형 신속 생화학적 산소요구량 (BOD) 측정방법 및 장치

본 발명은 연속형 신속 생화학적 산소요구량 측정방법 및 장치에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 종래의 5일이나 소요되는 생화학적 산소요구량 측정방법을 개선하여 20분 정도에 측정할 수 있고, 측정을 무인 자동 연속식으로 진행시킬 수 있는 연속형 신속 생화학적 산소요구량측정방법 및 그 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로는 생화학적 산소요구량(Biochemical Oxygen Demand: 이하 'BOD'라 함)은 호기성 미생물들에 의한 대사작용으로 시료내에 존재하는 생물학적으로 분해가 가능한 유기물의 산화에 요구되는 산소량을 의미하며, 이와 같은 용액내에 유기물의 존재량을 알 수 있는 BOD 측정은 수질오염의 가장 중요한 지표로서 그 의미는 다음과 같다.

가정오수나 공장폐수가 강에 버려졌을때 거기에 함유된 유기물은 1차적으로 강에 서식하는 호기성 미생물에 의해 분해가 되기 때문에 강물의 용존산소가 고갈되는 현상이 일어나고 산소를 필요로 하는 물고기 등의 고등 호기성 생물들이 살지못하는 환경이 되고 만다.

따라서 오수나 폐수의 BOD는 그 시료내의 유기물의 농도를 의미하지만 더욱 근본적으로는 환경에 미치는 영향을 의미하는 것이다. 그렇기 때문에 현재 세계 각국에서는 배출 허용 BOD를 정하여 폐수의 배출을 규제하면서 자국의 환경을 보호하고 있다.

이러한 폐수의 영향을 줄이기 위해서는 방류전에 폐수내의 유기물을 제거해 주어야 하는데 그러한 방법 중의 하나가 생물학적 폐수처리 공정이다. 가정오수와 대부분의 공장폐수는 이러한 생물학적 처리공정에 의해 처리되고 있는 실정이다.

이러한 처리방법은 고농도의 호기성 미생물(활성슬러지)로 하여금 시료내의 유기물을 방류하기 전에 분해하게 하는 방법으로 자연계에서 일어나는 현상을 방류전에 안전한 장소에서 빠르게 발생토록 하는 것이 근본 원리이다.

생물학적 폐수처리 공정을 운전하는데 있어 유입수의 BOD, 폭기조의 BOD는 공정을 정상적으로 운전하고 각종 문제를 예방하는데 중요한 공정변수이다. 또한, 배출수의 BOD는 상기에서 서술하였듯이 법적으로 규제되고 있으므로 관리자들은 항상 BOD를 측정하여 관리하고 있다.

상기와 같이 방류되는 폐수를 법적으로 규제하기 위해서나 생물학적 처리공정을 정상적으로 운전하기 위해서는 시료내의 BOD를 측정하여야 하는데, 종래의 BOD 측정결과는 5일 후에나 나오기 때문에 폐수처리공정 관리에 적용할 수 없고 법적으로 규제하는데도 결과의 재현성이 떨어져 많은 문제점이 있었다.

이러한 종래의 BOD 측정방법은 미국에서는 American Public HealthAssociation Standard Method No. 219, 일본에서는 Japanese Industrial Standard JIS K0102-1974, 한국에서는 KS M0111 #19로 표준화가 되어있는데, 상기 세가지 방법은 거의 같은 방법으로서 모두 5일이 지나야 BOD 결과를 알 수 있으며 실험자의 숙련도에 따라 결과가 크게 차이나는 단점이 있다. 5일이 걸리는 이유는 초기의 미생물의 양이 매우 적어 시료내의 유기물을 분해하는데 많은 시간이 필요하기 때문이다. 또한 측정방법이 매우 까다롭고 복잡하기 때문에 실험자의 숙련도에 따라 결과가 크게 차이나며 숙련자가 측정하더라도 재현성이 좋지 않은 문제점이 있다.

따라서 BOD 측정에 있어 신속하고 정확하며 재현성이 우수한 새로운 측정법의 필요성이 환경에 대한 관심과 함께 절실히 대두되어 왔다.

이에 본 발명자들은 본 출원인의 대한민국 특허출원 제 93-6458호의 신속 BOD 측정방법 및 측정장치의 원리를 근간으로 하여 현장에서 보다 신속하게 연속적으로 BOD를 자동 측정할 수 있는 방법 및 장치를 개발하게 되었다.

이제까지 종래의 BOD 측정방법의 문제점을 해결하기 위한 노력이 계속되었는데, 특히 미합중국 특허 제 4,350,763호(Shuichi Suzuki)(이하 '763 특허라 함)에서는 통상적으로 30분만에 BOD를 측정할 수 있는 신속 측정방법을 제시하고 있다. 상기 '763 특허의 새로운 신속 BOD 측정방법은 종래의 BOD (이하 'BOD5'라 함) 측정법에 비해 신속하고 간단하다는 장점이 있다. 상기 '763 특허의 측정원리는 미생물을 DO센서막에 고정시켜 유기물이 없는 용액에서는 일정한 DO값을 나타내다가 유기물이 있는 용액을 일정한 유량으로 유입시키면 미생물들이 시료내의 유기물을 분해함과 동시에 용존산소(Dissolved Oxygen, 이하 'DO'라 함)를 사용하기 때문에 시료내 유기물 농도에 비례하여 DO값이 떨어지는 현상을 이용한 것이다. 즉, 시료내 유기물농도와 △DO (측정시 유기물이 없는 완충용액의 DO와 시료의 DO와의 차이)가 비례한다는 점만을 이용한 것이 다.

그러나 상기 '763호의 방법은 미생물 고정화 센서를 이용하기 때문에 간편하다는 장점은 있으나 다음과 같은 단점이 있다.

첫째, DO 센서막에 고정화된 미생물의 활성이 시간에 따라 변화하기 때문에 수시로 표준용액 (BOD값을 알고 있는 용액)을 측정하여, 결과로 나오는 △DO 값이 얼마나 되는지를 점검하여야 하고, 이렇게 해야만 시료를 측정하여 나오는 △DO값으로 BOD를 추정할 수 있다.

둘째, 시료내의 유기물이 고정화된 미생물에 의해 분해가 되지 않으면 측정자체가 불가능하다. 이러한 현상은 공장폐수의 경우에 종종 발생할 수 있다.

셋째, 시료내의 유기물 농도가 어느 한계를 넘으면 미생물의 산소소비속도가 더 이상 증가하지 않게 되어 시료를 희석하여 반드시 유기물농도와 산소소비속도와의 사이에 비례관계가 성립하는 농도에서 측정하여 야 한다.

또 다른 선행 기술로서 미합중국 특허 제 4,898,829호(Friedrich W. Siepmann, 이하 '829 특허라 함)는 상기 '763 특허와는 다른 방법으로 상기의 단점들을 보완하고 있는데, 즉 미생물이 고정화된 담체를 반응조에 넣고 연속적으로 검수를 유입시켜 검수에 함유된 유기물을 잘 분해하는 미생물이 자연적으로 담체에 부착하여 성장하도록 함으로써 '763 특허의 단점인 유기물 분해의 불가능성을 해소하였다.

측정원리는 '763 특허와 유사하나 동작 메케니즘은 상당히 다른데, 유입되는 시료를 특정한 온도로 맞추면서 폭기하여 용존산소농도를 포화시킨후 반응조로 유입시키면 '763 특허의 원리와 마찬가지로 시료내 유기물의 농도에 따라서 미생물들의 산소소비속도가 달라져 반응조를 통과하는 시료의 DO가 달라지게 된다.

또한 '829 특허에서는 시료의 희석문제를 해결하기 위하여 장치내에 희석수 라인을 두어 반응조를 통과하는 시료의 △DO(반응조 전단과 후단의 DO의 차이)를 일정하게 유지시키는데, 시료의 BOD가 진하면 DO가 많이 내려가므로 희석수를 시료에 많이 첨가하여 주고 반대로 시료의 BOD가 묽으면 DO가 조금 내려가므로 희석수를 조금 첨가하게 된다.

장치는 마이크로프로세서로 희석수와 시료의 유량을 조절하고 이렇게 조절된 유량으로 시료의 BOD를 추정하는 것이다.

'829 특허는 상기에 서술한 '763 특허가 갖는 1) 유기물 분해 불가능성의 문제, 2) 시료의 희석 문제, 3) 고정화미생물의 활성 유지 문제를 해결함과 동시에 자동으로 측정이 가능한 상당히 진보된 기술이긴 하지만 여전히 한계가 있는데,

첫째, 시료가 저농도일때 담체에 부착한 미생물들이 성장할 수 있는 영양분이 없어 성장이 이루어지지 않으므로 고정화 미생물들이 유지되지 않아 측정이 곤란하며,

둘째, '763 특허와 마찬가지로 미생물의 활성이 큰 영향을 미치므로 활성을 일정하게 유지해 주어야 한다. 따라서 장치 설치후 담체의 미생물들이 평형상태(steady-state)로 성장하기까지 기다려야 하며 이와 같은 안정화 시간이많이 필요하며,

세째, 검수가 계속해서 유입되는 연속형 측정 방법만이 가능하다. △DO를 항상 일정하게 유지하면서 시료와 희석수의 유량을 조절하기 때문에 현장에 설치하여 측정하는 연속형 측정장치가 아닌 실험실용의 측정장치로는 적용이 불가능하다.

이상과 같이 선행 특허들을 살펴보면 종래의 BOD 측정방법을 대체하여 신속하게 BOD를 측정하려고 하였지만 아직도 원리적으로 해결해야 할 많은 문제점들이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 상술된 신속 BOD 측정방법 및 장치들의 문제점들을 해결할 수 있는 신규의 연속형 신속 BOD 측정방법과 이를 위한 신규의 연속형 신속 BOD 측정장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 신속 BOD 측정의 근본원리는 다음과 같다.

종래의 5일 BOD가 5일이나 소요되는 까닭은 측정 초기에 사용되는 호기성 미생물의 양이 워낙 작기 때문에 시료내 유기물을 모두 분해하는데 (사실 시료내의 유기물을 완전히 분해하려면 시간은 5일 이상 걸림) 5일이 걸리는 것이다. 즉, 이 방법은 초기에 식종한 미생물들의 성장에 의해 유기물들이 분해되면서 소비되는 산소의 양을 측정하는 방법으로 일종의 미생물배양에 의한 측정이다.

이러한 장시간의 실험을 피하기 위해 상기에 서술한 '763특허와 '829특허는 미생물의 산소소비속도와 시료내의 유기물 농도와의 비례관계를 이용하여 시료의 BOD를 추정하는 측정방법인 반면, 본 발명이 이용하는 측정의 근본원리는 시료에 의해 증가된 산소소비속도를 측정하는 것이 아니고 종래의 5일 BOD 측정방법과 마찬가지로 증가된 산소소비량을 측정하는 것이고, 다만 측정시간을 단축하기 위하여 시료에 미생물을 식종하는 대신 미생물액에 시료를 첨가하는 것이며, 이때 적용하는 미생물액은 반드시 내생호흡 상태이어야만 측정이 가능하게 된다. 이는 미생물액내에 사용 가능한 유기물이 고갈되어야만 첨가된 시료의 유기물 농도에 따라 산소소비량이 변화되기 때문이다.

한편, 본원발명은 본 출원인의 특허출원 제 93-6458호와 그 측정원리는 같다 하겠으나, 다음과 같은 차이점 및 개선점이 있다.

첫째, 현장에서 시료의 채취, 신속 BOD의 측정, 및 측정 후 배수 등의 전과정을 자동으로 실행할 수 있도록 하고, 이러한 측정과정을 연속적으로 반복 실행할 수 있는 연속형 자동 측정 방법 및 장치이고,

둘째, 별도의 영양분과 현장의 검수로 측정용 미생물을 자체적으로 연속배양함으로써 생물학적 폐수처리장이 없는 공장이나 하천수 등에 적용할 수 있으며,

세째, 생물학적 폐수처리공정이 대단히 잘 운영되어 방류수의 BOD5가 10 ppm 이하가 되는 경우에는 현장의 활성 슬러지로는 방류수의 신속 BOD를 측정할 수 없는 경우가 종종 발생하였으나(활성 슬러지로 다 처리하고 나오는 물이 방류수이기 때문에 방류수의 유기물 성분은 더 이상 그곳의 활성 슬러지로 분해가 되지 않는 것이 원인으로 추정됨), 본 발명의 연속형 장치는 현장 검수(방류수)를 사용하여 반응조의 측정용 미생물을 연속배양하는 원리이므로 방류수내의 유기물 성분을 분해할 수 있는 미생물이 성장하게 되어 방류수의 신속 BOD 측정이 가능한 장점이 있다.

이하 본 발명의 구성을 첨부된 도면에 의거하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

제 1도에 도시된 바와 같이 본 발명의 측정 장치는,

i) 상부에는 현장의 저농도 시료가 유입되는 짧은 관이 있고, 옆에는 위에서 유입되는 시료의 수위를 유지시키기 위한 오버훌로우 구멍이 있으며 공기펌프(6)를 통해 하부로부터 공기가 유입되는 시료조(2);

ⅱ) 반응조(1)의 미생물의 성장에 필요한 영양분을 저장하는 배지탱크(3);

ⅲ) 옆에는 배지펌프(7)를 이용하여 상기 배지탱크(3)로 부터 배지가 유입되는 관과 측정시 시료펌프(9)를 이용하여 상기 시료조(2)로부터 시료가 유입되는 관이 형성되어 있고 상부에는 배양시 배양펌프(8)를 이용하여 상기 시료조(2)로부터 시료가 유입되는 관이 형성되어 있어 영양분을 포함하는 배지와 시료용액이 섞이며, 하부에는 이와 같이 섞인 유입액이 반응조(1)로 유출되는 유출관이 형성되어 있는 혼합조(4);

iv) 시료의 유기물을 분해할 수 있는 미생물이 들어 있고, 자기 교반장치(5)상에 위치하며, 상부에는 온도/용존산소 센서(16)와 히터(13)가 삽입되어 있고, 하부에는 공기 펌프(6)로부터 유입되는 공기를 받는 구멍과 상기 혼합조(4)로 부터 유입되는 검수를 받는 구멍이 형성되어 있는 반응조(1);

v) 상기 반응조(1)로 통하는 하부목이 있고, 뚜껑이 있는 상부 구멍이 있고, 옆에는 밑으로부터 유입되는 시료가 배수되는 배수구멍이 있으며, 상기 상부 뚜껑에는 레벨센서(14)와, 공기 구멍, 고농도 시료의 측정시 시린지 펌프(15)를 통해시료의 투입구가 되는 가는 바늘이 통과하는 상부 반응조(1-1); 및

vii) 자동측정에 필요한 모든 동작을 제어하는 마이크로프로세서(12)로 이루어져 있다.

상기 반응조(1)의 부피는 1 L이며, 내부에는 미생물이 부착하여 성장할 수 있는 다공성 물질의 담체가 들어 있으며, 미생물의 성장을 위하여 별도의 영양분을 부가적으로 첨가할 수 있으며, 상부에는 지름 30mm의 목이 있고, 이 목에 부피가 350mL 정도 되는 상부반응조(1-1)가 끼워져 있다.

상부반응조(1-1)의 하부목 안에는 반응조(1)와 상부반응조 사이에 용액의 이동을 수월하게 하기 위한 나선형의 배플(baffle)이 설치되어 있다.

상기 상부반응조(1-1)의 배수구멍은 담체의 유실과 담체로 인한 막힘을 방지하기 위하여 지름 3.5mm의 작은 구멍이 촘촘히 존재하는 지름 12mm의 유리관을 상부반응조(1-1)안으로 30mm수평으로 삽입한 모양이다.

시료조(2)는 약 500mL의 부피이며, 하부에는 공기펌프(6)로부터 유입된 공기를 뿜어주는 다공석이 있고, 온도센서와 히터가 설치되어 시료의 온도를 조절할 수 있고, 상부 뚜껑에는 현장의 저농도 시료(방류수)가 유입되는 짧은 관이 있다. 또한 시료조(2)는 오버훌로우 구멍이 있어 시료가 3 L/h 이상의 유량으로 유입되어 시료의 체류시간은 10분 이내로 유지되기 때문에 항상 신선한 시료가 존재하게 된다.

혼합조(4)의 부피는 약 100mL 정도이다.

마이크로프로세서(12)는 자동연속측정에 필요한 모든 동작을 다음과 같이 제어할 수 있다.

- 자기교반장치(5)의 전원 및 속도 조절

- 상부 반응조(1-1)의 배수 밸브의 개폐

- 반응조(1)와 시료조(2)의 온도 조절

- 레벨센서(14)에 의한 시료 펌프 조절

-각종 펌프(배지펌프, 배양펌프, 시료펌프, 시린지펌프)의 전원 및 속도조절

- 프린터(11)

- 공기펌프(6) 전원 및 차단 밸브 개폐

이제 장치의 측정흐름의 전체과정을 측정단계별로 살펴보면 다음과 같다.

1. 연속 배양 단계: 시료와 배지의 혼합액으로 반응조의 미생물을 연속 배양하는 단계

2. 내생 호흡 단계: 시료와 배지의 유입이 중단되고 공기만 계속해서 폭기되어 반응조내의 가용한 유기물을 고갈시키는 단계

3. 내생 호흡 속도 잡기 단계: 반응조내의 가용한 유기물이 모두 고갈되어 미생물들이 내생 호흡할 때의 산소소비속도 (내생호흡속도)를 측정하는 단계로서, 폭기가 중단됨.

4. 시료투입 단계: 시료조의 시료를 원하는 부피만큼 반응조로 투입하는 단계

5. BODq 측정 단계: 투입된 시료내에 함유된 유기물이 미생물에 의해 전부 분해될 때까지 시료의 첨가에 의해 증가된 산소소비량을 측정하는 단계.

다시 말해, 본원발명에 따른 연속형 신속 생화학적 산소요구량(BOD)의 측정 방법은

i) 미생물 성장에 필요한 영양물질이 들어있는 배지와 시료용액을 혼합조(4)를 통해 일정한 유량으로 반응조(1)로 유입시켜 반응조내의 미생물을 연속 배양하는 단계;

ⅱ) 측정시각이 되면 배지와 시료의 유입을 중지한 상태에서 계속하여 폭기시켜 반응조 용액내의 가용한 모든 유기물을 고갈시키는 단계;

ⅲ) 가용한 유기물이 모두 고갈되어 반응조내의 미생물이 내생호흡을 할 때의 내생호흡속도를 측정하는 단계;

iv) 시료조(2)의 시료를 반응조(1)로 유입시키는 단계; 및

v) 유입된 시료에 함유된 유기물을 미생물이 완전히 분해하는 과정에서 소비되는 산소소비량을 측정하여 시료의 생물학적 산소요구량(BOD)을 측정하는 단계로 이루어진다.

상기 측정단계에 따른 장치의 동작을 간단한 표로 나타내면 다음과 같다.

상기 과정을 제 2도의 측정흐름도에 의거하여 살펴보면 다음과 같다.

현장에서 유입된 시료는, 제 2도에 도시된 바와 같이, 시료조(2)로 들어와서 오버훌로우되어 나감에 따라 시료탱크는 항상 신선한 시료를 담고 있다.

시료조에 들어온 시료는 체류시간 동안에 충분히 반응조(1) 온도와 동일하게 가열되고 포화산소농도를 유지할 수 있도록 폭기된다.

이렇게 온도와 산소농도가 조절되고 있는 시료는 연속배양 단계에서 배양펌프(8)에 의해 일정한 유량으로 혼합조(4)로 유입되어 배지탱크(3)에서 유입되는 배지와 함께 섞이면서 반응조(1)로 유입되고 상부반응조의 배수구멍을 통해 연속적으로 배수되어진다.

측정시각이 되어 내생호흡단계가 되면, 배양펌프와 배지펌프의 작동을 멈추고 계속해서 반응조(1)를 폭기하므로써 미생물이 가용한 잔여 유기물질을 고갈시킨다.

DO의 증가속도가 완만하여 더 이상 증가하지 않게 되면 잔여 유기물이 고갈됨을 의미하므로 내생호흡속도를 측정하는 단계로 넘어가며, 이때 반응조(1)의 폭기를 멈추고 계속해서 교반하면서 산소소비속도를 측정한다.

산소소비속도가 일정하게 되어 측정이 끝나면 상부반응조의 배수 밸브를 닫고 시료펌프(9)를 동작하여 시료조(2)의 시료를 반응조(1)로 유입시킨다.

BODq 측정단계에서는 시료펌프(9)를 멈추고 시료주입에 의해 증가된 산소소비속도가 시료주입전의 산소소비속도와 같아지는 시점을 찾아 측정을 종료한다.

측정이 종료되면 다시 연속배양 단계로 넘어가 배수 밸브를 열고, 폭기시키며, 교반을 멈추고, 배양펌프(8)와 배지펌프(7)를 작동시켜 반응조(1)의 미생물에게 신선한 영양분을 공급한다.

상기에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 앞서 서술한 두가지의 선행기술에서 나타났던 문제점인 미생물액의 활성변화가 측정결과에 영향을 주는 것을 해소시킨 것인데, 즉 본 발명에서는 첨가된 시료에 의해 증가된 산소소비속도를 측정하는 것이 아니고 증가된 산소소비량을 측정하기 때문에 미생물액의 활성이 변하더라도 측정시간이 차이날 뿐 결과에는 커다란 영향을 주지 않는 장점이 있다.

본 발명의 두번째 장점은, 시료가 저농도이더라도 별도의 영양분이 있기 때문에 미생물의 성장/유지에 지장이 없어 저농도 현장에서 적용이 가능하다.

본 발명의 세번째 장점은, 별도의 희석수나 완충용액이 필요없이 측정가능한 시료의 농도범위가 1∼5,000mgㆍBOD/L로 측정범위가 매우 넓을 뿐만 아니라 장치의 유지관리가 수월하다.

본 발명이 상기와 같이 넓은 범위의 시료를 희석수나 완충용액없이 측정할 수 있는 이유는 앞서 서술한 측정원리상 반응조에 첨가되는 시료의 양만 변화시키면 되기 때문이다.

본 발명의 장치가 조절된 시료량을 주입할 수 있는 메카니즘은 다음과 같다.

시료주입전(연속배양 및 내생호흡준비 단계)의 반응조액의 부피는 항상 일정한 수위를 유지하고 있고 상부반응조의 부피 또한 일정하다.

상기 상부반응조(1-1)에는 레벨센서(14)가 장착되어 있고, 시료를 주입하는 시료펌프(9)는 일정한 회전속도로 운전되므로 상부반응조를 가득채우는데 걸리는 시간을 측정하여 시료펌프의 유량을 계산한 후 원하는 시료량을 주입하는데 필요한 시간만큼만 시료펌프를 가동하는 방식이다.

또한, 본 발명의 장치는 상기와 같은 시료주입량의 변화를 다음과 같이 자동으로 결정할 수 있게 하였다.

예를 들어 운전자가 반응조속 시료농도의 목표값을 2mgㆍBOD/L, 허용범위를 1∼3mgㆍBOD/L로 입력하고, 현재 반응조부피가 1 L, 시료량이 100mL 일때 시료의BODq가 50ppm으로 나왔다면, 반응조속의 시료농도는

상기 값은 허용범위를 넘기 때문에 장치는 자동으로 시료주입량을 다음과 같이 조절한다.

따라서 시료량은 41.7mL로 자동 변경된다.

이하 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 효과를 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

＜실시예1＞

제 1도와 같이 제작한 장치를 대전시 유성구 원촌동에 소재한 (주)유공 대덕기술원의 폐수처리장 방류구에 설치하였다.

설치 24시간전에 400mL 정도의 담체를 2L 비이커에 붓고 다음의 성분을 넣고 밤새도록 폭기하면서 교반하여 미생물의 성장과 고정화를 유도하였다.

담체의 크기는 5 x 5 x 5 mm로 균일하였다.

장치의 설치 후 상기 담체를 반응조에 넣고 폐수처리장의 방류수로 반응조를 채운 다음, 다음과 같은 조건으로 장치를 운전하였다.

각각의 시료 주입 기구의 재현성을 알아보기 위해 10회 반복실험을 하였고, 장치가 자동조절하는 시료량의 정확성을 알아보기 위해 직선성 실험을 하였다.

다음의 표 1은 본 발명의 실시예에 따른 시료주입량의 재현성과 정확성을 나타낸 표이다.

표 1. 시료주입량의 재현성

1. 재현성 : (편차/평균) * 100%

2. 정확성 : (평균/목표값) * 100%

상기 표 1에 예시된 것과 같이 시료주입량의 재현성은 (표준편차/ 평균의 백분율) 전범위에 걸쳐 5% 이내로 나타났고, 주입량의 정확성은 (평균/ 목표값의 백분율) 97.8∼100.5%로 나타남으로써 시료주입량의 자동변화는 매우 신뢰할 수 있었다.

시료의 부피는 밀도를 1.0 g/mL로 가정하고 저울을 사용하여 측정하였다.

장치운전후 10시간이 경과하면서 일정한 측정값이 나오기 시작하여 장치가 정상적으로 운전됨을 확인할 수 있었다.

운전초기에는 담체에 포함되어 들어간 진한 영양분의 영향으로 내생호흡 상태에 도달하지 못하여 측정값이 작게 나오는 경향이 목격되었으나 점차 측정값이 커지면서 10시간 이후부터 안정화되었다.

매시 정각에 시작되는 측정단계별 용존산소의 변화와 산소소비속도의 변화를 알아보기 위해 특정시간의 결과를 하기 표 2와 제 3도에 도시하였다.

표 2. 측정단계에 따른 DO와 OUR의 변화

BOD : 13.6 ppm

Vol. sample : 340 mL

Time react : 19.5 min.

이때 시료첨가에 의한 산소소비량 증가분(BOD)을 계산하는 방법은 다음과 같다.

BODq 측정단계(5번단계) 중의 총산소소비량은 시료를 첨가하기전(19분)의 DO에서 시료첨가후 증가된 산소소비속도가 다시 고유의 내생호흡속도로 돌아온 시점(38.5분)의 DO를 뺀 값이다.

즉, 6.29 - 0.94 = 5.35 ppm

상기 반응동안(19∼38.5분)의 미생물의 내생호흡에 의한 고유의 산소소비량은 내생호흡속도에 시간을 곱한 값이므로

여기서 5.83 ppm으로 표시된 "내생호흡속도 1"은 19분 동안의 평균산소소비속도인 7.82ppm/h에서 시료주입에 의한 희석효과를 고려하여 다음과 같이 계산하여 구한 값이다.

즉, 7.82 × (1000/(1000+340)) = 5.83ppm/h

반면 5.86 ppm으로 표시된 "내생호흡속도 2"는 상기에 계산한 "내생호흡속도 1"과 가장 근접해지는 값을 찾는 것으로 본 실시예에서는 38.0분의 5.86 ppm/h를 선택한 것이다.

그러면 시료의 첨가에 의한 산소소비량의 증가분은 총산소소비량에서 미생물 고유의 내생호흡 산소소비량을 뺀 값으로,

O.D. (Oxygen Demand) = (total △DO) - (내생호흡에 의한 △DO)

즉, 5.35 - 1.90 - 3.45 ppm

이제 시료가 미생물액에 의해 희석된 희석배수를 곱하면 시료의 BODq를 알 수 있다.

즉, 3.45 × (1000 +340)/340 = 13.6 ppm

장치의 재현성을 살펴보기 위해 방류수에 대한 하루 동안의 결과를 8회에 걸쳐 실험하여 보면 다음의 표 3과 같다.

표 3. 재현성

상기 재현성을 살펴보기 위한 데이타는 장치를 설치한 현장이 다행히도 매일 운전하는 곳이 아니어서 방류수가 방류못에 정체되어 있는 날짜의 데이타를 인용한 것이다.

반년 동안의 운전 결과를 보면, 방류수의 BODq는 5ppm에서 22ppm의 범위를보이고 모든 범위내에서 표준편차를 평균값으로 나눈 재현성은 상기 표 3에서 알 수 있듯이 10% 정도이었다.

장치에서 한시간마다 측정하는 BODq와 종래의 BOD5와의 상관관계를 비롯한 기존의 화학적 산소요구량(Chemical Oxygen Demand, 이하 'COD'라 함), 총탄소유기량(Total Organic Carbon, 이하 'TOC'라 함)과 BOD5와의 상관관계를 알아보기 위해 일정기간 동안 방류수를 채취하여 실험실에서 BOD5, COD, TOC 분석실험을 해 보았다.

그 결과는 다음의 표 4와 제 4도, 제 5도, 제 6도 및 제 7도와 같으며 다른 신속 분석법보다 본 발명의 BODq가 BOD5와 가장 상관성이 높은 것을 알 수 있다.

표 4. 현장운전

상기 표 4에서 동일한 시료에 대한 BOD5와 다른 측정값과의 비교치인,BOD5/BODq, BOD5/COD, BOD5/TOC 값들의 재현성을 보면, 각각 9.7, 14.9, 14.1%이다. 이것은 BODq가 가장 정확하게 9.7%의 오차확률로 상기 시료에 대해 BOD5를 예측할 수 있다는 것을 의미한다.

다른 방법으로 상관관계를 분석해 보기 위하여 상기 동일시료에 대한 각각의 측정결과를 도표에 플로팅하였다.

제 5, 6, 7도에서 볼 수 있듯이 각각의 측정결과와 BOD5와의 상관계수는 BODq가 0.79, 총유기탄소량(TOC)이 0.59, 화학적 산소요구량(COD)이 0.61로 나왔다. 따라서 BODq가 BOD5와 가장 상관관계가 높다는 것을 알 수 있다.

유입수의 경우에는 초기에 한달 정도 방류수와 교대로 측정하였다.

그 결과는 다음의 표 5와 같으며 표준 편차를 평균으로 나눈 재현성은 6% 이내로 방류수보다 좋은 재현성을 나타낸다는 것을 알 수 있다.

표 5. 유입수의 재현성

제 1도는 본 발명에 따른 장치의 개략도.

제 2도는 본 발명에 따른 장치의 측정흐름도.

제 3도는 본 발명의 실시예에 따른 용존산소(DO)와 산소소비속도(OUR)의 변화를 나타낸 그래프.

제 4도는 본 발명의 실시예에 따른 BODq와 BOD5와의 상관성을 나타낸 그래프.

제 5도는 본 발명의 실시예에 따른 BODq와 BOD5와의 상관관계를 나타낸 그래프.

제 6도는 본 발명의 실시예에 따른 TOC와 BOD5와의 상관관계를 나타낸 그래프.

제 7도는 본 발명의 실시예에 따른 COD와 BOD5와의 상관관계를 나타낸 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 반응조 2: 시료조

3: 배지탱크 4: 혼합조

5: 자기 교반장치 6: 공기 펌프

7: 배지펌프 8: 배양펌프

9: 시료펌프 10: 공기 유량계

11: 프린터 12: 마이크로프로세서

13: 히터 14: 레벨센서

15: 시린지펌프 16: 온도/DO 센서

Claims (8)

1. i) 미생물 성장에 필요한 영양물질이 들어있는 배지와 시료용액을 혼합조를 통해 일정한 유량으로 반응조(1)로 유입시켜 반응조내의 미생물을 연속 배양하는 단계;

   ⅱ) 측정시각이 되면 배지와 시료의 유입을 중지한 상태에서 계속하여 폭기시켜 반응조(1) 용액내의 가용한 모든 유기물을 고갈시키는 단계;

   ⅲ) 가용한 유기물이 모두 고갈되어 반응조내의 미생물이 내생호흡할 때의 내생호흡속도를 측정하는 단계;

   iv) 시료조(2)의 시료를 반응조(1)로 유입시키는 단계; 및

   v) 유입된 시료에 함유된 유기물을 미생물이 완전히 분해하는 과정에서 소비되는 산소소비량을 측정하여 시료의 생물학적 산소요구량(BOD)을 측정하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 연속형 신속 BOD 측정방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 측정이 어떠한 희석수나 완충용액으로 시료를 희석하지 않고서도 측정범위가 1∼5.000mgㆍBOD/L 임을 특징으로 하는 연속형 신속 BOD 측정방법.
3. 현장에서 용액의 생화학적 산소요구량(BOD)을 신속하게 측정하는 장치에 있어서,

   i) 상부에는 현장의 저농도 시료가 유입되는 짧은 관이 있고, 옆에는 위에서 유입되는 시료의 수위를 유지시키기 위한 오버훌로우 구멍이 있으며 공기펌프(6)를 통해 하부에서 공기가 유입되는 시료조(2);

   ⅱ) 반응조(1)의 미생물의 성장에 필요한 영양분을 저장하는 배지탱크(3);

   ⅲ) 옆에는 배지펌프(7)를 이용하여 상기 배지탱크(3)로 부터 배지가 유입되는 관과 측정시 시료펌프(9)를 이용하여 상기 시료조(2)로부터 시료가 유입되는 관이 형성되어 있고, 배양시 배양펌프(8)를 이용하여 상기 시료조(2)로부터 시료가 유입되는 관이 형성되어 있어 영양분을 포함하는 배지와 시료용액이 섞이며, 하부에는 이와 같이 섞인 유입액이 반응조(1)로 유출되는 유출관이 형성되어 있는 혼합조(4);

   iv) 시료의 유기물을 분해할 수 있는 미생물이 들어 있고, 자기 교반장치(5)상에 위치하며, 상부에는 온도/용존산소 센서(16)와 히터(13)가 삽입되어 있고, 하부에는 공기 펌프(6)로부터 유입되는 공기를 받는 구멍과 상기 혼합조(4)로 부터 유입되는 검수를 받는 구멍이 형성되어 있는 반응조(1);

   v) 상기 반응조(1)로 통하는 하부목이 있고, 뚜껑이 있는 상부 구멍이 있고, 옆에는 밑으로부터 유입되는 시료가 배수되는 배수구멍이 있으며, 상기 상부 뚜껑에는 레벨센서(14)와, 공기 구멍, 고농도 시료의 측정시 시린지 펌프(15)를 통해 시료의 투입구가 되는 가는 바늘이 통과하는 상부 반응조(1-1); 및

   vii) 자동측정에 필요한 모든 동작을 제어하는 마이크로프로세서(12)로 이루어진 것을 특징으로 하는 연속형 신속 BOD 측정장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 반응조(1) 내에 미생물이 부착하여 성장할 수 있는 다공성 물질의 담체가 들어 있는 것을 특징으로 하는 연속형 신속 BOD 측정장치.
5. 제 3항에 있어서, 상기 상부 반응조(1-1)의 배수구멍은 지름 3.5 mm의 구멍이 촘촘히 존재하는 지름 12 mm의 유리관이 상부 반응조안으로 삽입되어진 모양인 것을 특징으로 하는 연속형 신속 BOD 측정장치.
6. 제 3항에 있어서, 상기 미생물의 성장을 위하여 별도의 영양분을 공급함을 특징으로 하는 연속형 신속 BOD 측정장치.
7. 제 3항에 있어서, 상기 반응조(1)와 상기 상부 반응조(1-1) 사이의 물질전달을 돕기 위하여 두 반응조를 연결하는 목부분에 나선형의 배플이 설치된 것을 특징으로 하는 자동 신속 BOD 측정장치.
8. 제 3항에 있어서, 상기 시료의 주입에 시린지펌프(15)와 시료펌프(9)를 사용하며 시료농도에 따라 자동으로 시료주입량을 조절함을 특징으로 하는 연속형 신속 BOD 측정장치.