KR101136465B1 - 현장 분석용 하폐수의 인산염인 측정 키트 및 이를 이용한 인산염인 측정 방법 - Google Patents

현장 분석용 하폐수의 인산염인 측정 키트 및 이를 이용한 인산염인 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 (a) 아스코르빈산 용액을 포함하는 시험관, (b) 몰리브덴산암모늄 용액을 포함하는 시험관, (c) 증류수를 포함하는 시험관, (d) 농도 0.1-0.5 ppm, 1-5 ppm 및 2-10 ppm의 인산염인(PO4-P) 표준용액을 각각 포함하는 시험관, (e) 인산염인(PO4-P)의 농도를 측정하고자 하는 시료의 반응 시험관 및 (f) 스포이드를 포함하는 하폐수의 인산염인(PO4-P) 측정용 키트 및 상기 키트를 이용한 하폐수의 인산염인(PO4-P) 측정 방법에 관한 것이다. 본 발명의 키트는 기존 아스코르빈산환원법을 이용한 인산염인 측정법을 간소화시켜 현장에서 간단한 조작으로 총인 대신 인산염인의 농도를 측정하여, 종래 수질오염공정시험법으로 분석할 경우에 5시간 가량 소요되는 측정 시간을 약 15분 내지 20분으로 현저히 단축시켰으며, 하폐수의 주요 방류수수질기준 총인 농도인 0.3, 2, 4 또는 8 ppm의 초과 여부를 빠르게 측정할 수 있다. 한편, 시료의 전처리 과정을 거치지 않음으로 인해 부유물질에 대한 영향을 고려하여, 본 발명의 키트는 막분리공법, 활성탄여과기 및 PCF 여과기 등 SS 제거 시설이 갖추어진 하폐수처리시설의 방류수, 즉 부유물질(suspended solid; SS)을 10-20 ppm 미만으로 포함된 하폐수에 대한 총인 또는 인산염인의 대략적인 농도 측정을 할 수 있으며 방류수수질기준의 초과 여부에 대해서는 우수한 정확도를 가진다.

Description

현장 분석용 하폐수의 인산염인 측정 키트 및 이를 이용한 인산염인 측정 방법{Kits for Measuring a Phosphate-Phosphorus of Wastewater for on-the-Spot Analysis and Method for Measuring a Phosphate-Phosphorus Using the Same}
본 발명은 현장에서 간이하게 인산염인의 농도를 측정할 수 있는, (a) 아스코르빈산 용액을 포함하는 시험관, (b) 몰리브덴산암모늄 용액을 포함하는 시험관, (c) 증류수를 포함하는 시험관, (d) 농도 0.1-0.5 ppm, 1-5 ppm 및 2-10 ppm의 인산염인(PO4-P) 표준용액을 각각 포함하는 시험관, (e) 인산염인(PO4-P)의 농도를 측정하고자 하는 시료의 반응 시험관 및 (f) 스포이드를 포함하는 하폐수의 인산염인(PO4-P) 측정용 키트 및 상기 키트를 이용한 하폐수의 인산염인(PO4-P) 측정 방법에 관한 것이다.
인(P)은 처리된 폐수 배출시 고려해야 할 주요 영양 염류이다. 인을 포함한 배출수는 호수와 저수지의 부영양화를 가속시킬 수 있고, 얕은 하천에서 조류와 수생 식물의 성장을 과도하게 촉진할 수 있다. 뿐만 아니라 수자원의 용존 산소를 고갈시키고, 수중 생물에 독성을 유발하며, 공공 보건상의 위해를 야기하고, 하수 재사용시 적합성에 영향을 끼치는 등의 부정적 영향을 나타내는 문제점이 있다.
따라서 방류수 내의 인의 농도를 감소시키기 위하여 하수처리시설과 폐수처리시설 운영시 빠른 시간 내에 인의 농도를 분석하여 현장운영에 적용해야만 한다. 현재 수질오염공정법상 인 측정방법들은 총인 또는 인산염인으로 크게 2가지로 나뉘며, 염화제일주석 환원법 및 아스코르빈산환원법 등을 이용하여 측정하고 있다.
그러나 상기 방법들은 많은 관련 시약들과 기구들이 필요하기 때문에 소규모 하수처리시설과 폐수처리시설의 운영자들은 직접 인의 농도를 분석하기 어려우며 수질측정대행업체에 의뢰할 경우에도 분석기간이 수일 소요됨으로써 방류수 인 농도 변화에 따른 즉각적인 현장운영이 힘들다.
현재 국내외에서 사용되는 다양한 인 측정 키트들은 대부분 인산염인의 농도를 측정하는 방법으로 스트립 형태로 다양하게 판매되고 있으나 인 농도에 따른 스트립의 색변화를 정확하게 구분할 수 없어, 인 농도를 정확하게 판단하기 어려운 실정이다. 또한 시설 운영자들은 현재 방류수의 농도가 방류수 수질기준을 초과하는지가 최대 관심사이나 그 기준을 명확하게 해 줄 인 측정 키트가 없는 실정이다.
한편, 2012년 1월 1일부터 50톤 이상 하수처리시설에 대해 적용되는 방류수 수질기준에 총인의 규제가 시행되면, 기준은 하수처리시설은 0.3, 2 ppm이며, 폐수처리시설의 총인 규제는 4, 8 ppm이다. 특히 분리막조, 활성탄여과조 및 PCF 여과기 등과 같은 SS처리시설을 갖춘 하수처리시설들은 용존산소가 충분한 경우 BOD, SS는 거의 모두 10 ppm 이하를 유지할 수 있다.
따라서, 강화된 하수처리시설의 총인 방류수수질기준 및 폐수처리시설의 총인 방류수수질기준을 준수하기 위해서는, 50톤 이상 하수처리시설과 폐수처리장에서는 현장에서 바로 방류수의 총인 농도를 빠르게 측정하여 방류수수질기준 초과 여부를 빠르게 판단해야만 한다.
아래 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 일반적으로 용존산소가 풍부하게 공급되고 SS를 제거하는 분리막, 여과조 등의 시설을 갖춘 처리장의 방류수 총인은 인산염의 농도와 거의 유사하고 오차범위 ± 5% 이내로 측정되었다.
하폐수처리장 방류수의 총인과 인산염인 분석
방류수채수장소
(처리용량 m3/일)		 공법특징 분석항목 (5주간 5회 방류수 평균치)
BOD SS T-N T-P 인산염인
춘천시 S 소규모 공공하수처리시설
(400 m3/일) 		HANT 공법(중공사막)) 2.67 0.40 15.892 1.305 1.267
춘천시 G 소규모 공공하수처리시설
(400 m3/일) 		HANT 공법(중공사막)) 3.58 0.60 17.206 1.528 1.471
춘천시 C 소규모 공공하수처리시설 HANT 공법(중공사막)) 5.83 0.80 18.326 1.203 1.153
춘천시 E 콘도 하수처리시설 활성탄여과조 5.21 1.80 7.391 0.932 0.896
홍천군 D콘도 하수처리시설 분리막(KMS) 1.83 0.40 7.337 0.626 0.602
원주시 P 골프장 하수처리시설 활성탄여과조 3.85 2.50 5.920 1.328 1.252
횡성군 C 골프장 하수처리시설 분리막(KMS) 2.84 0.80 8.205 1.039 0.989
춘천시 H도계장 폐수처리시설 분리막(KMS) 18.30 0.60 27.302 1.825 1.744
홍천군 C 식품폐수처리시설 활성슬러지법 21.82 17.80 9.52 2.723 2.697
춘천시 C 유원지 하수처리시설 생물막여과조 3.13 1.73 21.054 2.316 2.254
춘천시 S 요양원 하수처리시설 활성탄여과조 5.29 4.83 23.506 2.183 2.094
이에, 본 발명자들은 기존 아스코르빈산환원법을 이용한 인산염인 측정법을 간소화시켜 현장에서 간단한 조작으로 총인 대신 인산염인의 농도를 측정하여 총인의 방류수수질기준 초과 여부를 빠르게 판단할 수 있는 키트 및 상기 키트를 이용한 인 측정 방법 개발의 필요성을 인식하였다.
본 발명자들은 기존 아스코르빈산환원법을 이용한 인산염인 측정법을 간소화시켜 현장에서 간단한 조작으로 총인 대신 인산염인의 농도를 측정하여 총인의 방류수수질기준 초과 여부를 빠르게 판단할 수 있는 키트를 개발하고자 노력하였다. 그 결과, 몰리브덴산암모늄 용액, 아스코르빈산 용액, 인산염인 표준용액, 측정하고자 하는 시료들의 양을 조절하여 제작된 인산염인 현장측정용 키트의 측정품질이 우수함을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 하폐수의 인산염인(PO4-P) 측정용 키트를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상술한 키트를 이용한 하폐수의 인산염인(PO4-P) 측정 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 (a) 아스코르빈산 용액을 포함하는 시험관, (b) 몰리브덴산암모늄 용액을 포함하는 시험관, (c) 증류수를 포함하는 시험관, (d) 농도 0.1-0.5 ppm, 1-5 ppm 및 2-10 ppm의 인산염인(PO4-P) 표준용액을 각각 포함하는 시험관, (e) 인산염인(PO4-P)의 농도를 측정하고자 하는 시료의 반응 시험관 및 (f) 스포이드를 포함하는 하폐수의 인산염인(PO4-P) 측정용 키트를 제공한다.
본 발명자들은 기존 아스코르빈산환원법을 이용한 인산염인 측정법을 간소화시켜 현장에서 간단한 조작으로 총인대신 인산염인의 농도를 측정하여 총인의 방류수수질기준 초과 여부를 빠르게 판단할 수 있는 키트를 개발하고자 노력하였다. 그 결과, 몰리브덴산암모늄 용액, 아스코르빈산 용액, 인산염인 표준용액, 측정하고자 하는 시료들의 희석배율을 조절하여 제작된 인산염인 현장측정용 키트의 측정품질이 우수함을 확인하였다.
대한민국 수질오염공정시험법에 명시된 총인 및 인산염인의 측정 방법에 규정되어 있는 산화 분해 방법에 대해 설명하면, 과황산칼륨과 같은 시약을 샘플 시료에 첨가한 후 섭씨 120도로 30분간 가열하여 인산의 형태로 산화시키도록 되어 있다.
따라서 종래 수질 계측 장치를 이용하여 샘플 시료에 포함되어 있는 총인 또는 인산염인의 양을 연속하여 계측하기 위해서는 샘플 시료마다 매번 적어도 30분의 가열 시간을 기다려야 하는 불편함이 있다. 또한 수로를 통해 하천이나 강으로 유입되는 물 속에 포함되어 있는 총인 또는 인산염인의 양은 순간적으로 변화할 수 있는데, 종래 수질 계측 장치는 정해진 가열 시간을 기다려야 하기 때문에 순간적으로 변화하는 총인의 양을 정확하게 계측하지 못한다는 문제점을 가진다.
이러한 문제점에 기인하여 본 발명은 총인 또는 인산염인의 농도를 측정하는데 있어, 방류수(시료)를 전처리하는 과정 없이 그리고 흡광광도계를 이용하지 않고 현장에서 간단하게 빠른 시간 내에 총인 또는 인산염인의 농도를 측정하는 키트를 제공하는데 그 특징이 있다.
그리고 본 발명에서 가장 큰 특징 중 하나는 인산염인의 농도를 아스코르빈산환원법으로 시료(실험군)와 인산염인 표준용액의 청색발색(대조군)을 육안으로 서로 비교하여 인산염인의 농도를 추정하는 방법으로 방류수 수질기준의 초과 여부를 정확하게 판단하는데 있다.
본 발명의 키트를 이용하여 인산염인의 농도를 측정하는 원리를 설명하면 다음과 같다:
인산이온(PO4 3-)은 지질적(地質的) 원인에 의하여 수중에 용존하기도 하나, 분뇨, 하수, 공장폐수, 비료 등의 유입에 의한 경우가 많으므로 수질오염의 지표가 된다. 그러나 지하수의 경우는 별 오염이 없이도 100ppm에 이르는 경우가 있다. PO4 3 -의 환경부하량은 3-4g/인일이며, 그 70%가 합성세제, 13%가 분뇨에서 기원한다. 천연수 중의 인산은 주로 암석 중에 0.1% 존재하는 오산화인(P2O5 : phosphorus penta-oxide)과 인지질, 핵산, 뼈 등의 생체 구성성분에 기원한다. 수중 인산의 형태는 오로쏘포스페이트(orthophosphate)(정인산:H3PO4), 피로포스페이트(pyrophosphate), 트리폴리포스페이트(tripolyphosphate), 헥사메타포스페이트(hexametaphosphate) 등이 주이며, 유기 인산도 존재한다. 합성세제 등에 포함된 피로포스페이트 등은 하수에 혼합되면 미생물의 작용으로 가수분해되어 24시간 내에 대부분 오르쏘포스페이트로 전환된다.
인산염(PO4 3 -) 형태로 존재하는 인산이온은 몰리브덴산암모늄과 반응하여 생성된 몰리브덴산인암모늄을 아스코르빈산(C6H8O6)으로 환원하면 파란색의 몰리브덴블루를 생성하게 된다. 이때, 이 파란색의 용액을 측정함으로써 총인 또는 인산염인의 농도를 측정하게 된다.
상기 반응의 반응 메카니즘은 다음과 같다:
[반응식 1]
몰리브덴산인암모늄의 형성
PO4 3 - ＋ 12(NH4)2MoO4 ＋ 24H+ → (NH4)3PO412MoO3 ＋ 21NH4 + ＋ 12H2O
(인산염)(몰리브덴산암모늄) (몰리브덴산인암모늄)
[반응식 2]
아스코르빈산(Ascorbic acid, C6H8O6)에 의한 환원
(NH4)3PO4 12MoO3 ＋ C6H8O6 → 몰리브덴 블루 ＋ C6H6O6
(몰리브덴산인암모늄)(아스크르빈산;환원제)
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 (a) 아스코르빈산 용액은 1 ml, 상기 (b) 몰리브덴산암모늄 용액은 5 ml, 그리고 (c) 증류수는 0-9 ml의 부피로 포함되고, 보다 바람직하게는 상기 증류수는 1-9 ml이다.
본 발명의 다른 바람직한 구현예에 따르면, 상기 (d) 인산염인 표준용액은 농도가 0.1-0.5 ppm인 경우 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 및 0.5 ppm이고, 농도가 1-5 ppm인 경우 1, 2, 3, 4 및 5 ppm이며, 농도가 2-10 ppm인 경우 2, 4, 6, 8 및 10 ppm이다.
본 발명의 또 바람직한 구현예에 따르면, 상기 (d)의 농도 0.1-0.5 ppm 및 1-5 ppm의 인산염인(PO4-P) 표준용액은 하수의 인산염인(PO4-P) 농도 측정용이고, 농도 2-10 ppm의 인산염인(PO4-P) 표준용액은 폐수의 인산염인(PO4-P) 농도 측정용 이다.
본 발명의 보다 바람직한 구현예에 따르면, 상기 (d)의 인산염인(PO4-P) 표준용액의 농도가 0.1-0.5 ppm인 경우에 상기 (c)의 증류수는 부피 0-1 ml를 포함하고, 보다 더 바람직하게는 상기 (c)의 증류수는 부피 1 ml를 포함한다.
본 발명의 보다 다른 바람직한 구현예에 따르면, 상기 (d)의 인산염인(PO4-P) 표준용액의 농도가 1-5 ppm인 경우에 상기 (c)의 증류수는 부피 6-8 ml를 포함한다.
본 발명의 보다 또 다른 바람직한 구현예에 따르면, 상기 (d)의 인산염인(PO4-P) 표준용액의 농도가 2-10 ppm인 경우에 상기 (c)의 증류수는 부피 9 ml를 포함한다.
본 발명에 이용되는 인산염인 표준용액은 당업계에 공지된 다양한 방법으로 제조할 수 있으며, 상업적으로 구입하여 이용할 수도 있다.
인산염인(PO4-P) 표준용액을 제조하는 경우에는 미리 105-110℃에서 건조한 인산이수소칼륨(KH2PO4)을 측량하여 물에 녹여 농도별로 제조할 수 있다.
본 발명의 특징 중 다른 하나는 미리 농도를 알고 있는 인산염인 표준용액과 희석된 미지의 시료에 발색시약을 첨가하여 인산염인 표준용액의 발색 정도와 시료의 발색 정도를 현장에서 도 3의 색도표와 함께 육안으로 비교하여 방류수의 인 농도를 0.1, 1 또는 2 ppm 단위로 판단할 수 있다는 것이다.
본 발명의 다른 바람직한 구현예에 따르면, 상기 발색시약으로 하수용(1) 농도 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 및 0.5 ppm, 하수용(2) 농도 1, 2, 3, 4 및 5 ppm 또는 폐수용 2, 4, 6, 8 및 10 ppm의 인산염인(PO4-P) 표준용액을 발색 시킬 대조군을 추가적으로 포함한다.
상기 발색시약으로 하수용(1) 농도 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 및 0.5 ppm, 하수용(2) 농도 1, 2, 3, 4 및 5 ppm 및 폐수용 2, 4, 6, 8 및 10 ppm의 인산염인(PO4-P) 표준용액(대조군)을 발색시켜 발색된 색을 일반화한 색도표는 도 3과 같다.
본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에 따르면, 상기 키트는 막분리 공법, 활성탄여과조 및 PCF여과기 등과 같은 SS 제거시설이 적용된 하폐수처리장에서 BOD와 SS가 10-20 ppm이하인 방류수의 인산염인 농도 측정용 키트이다.
본 명세서의 용어 “하폐수”는 오염되어 많은 영양 물질(유기물, 무기물, 특히 질소와 인)이 함유되어 있는 유입수를 말하는 것으로서, 하폐수만을 의미하는 것이 아니라 하폐수, 분뇨, 오수, 축산폐수 및 산업폐수 등을 의미한다.
후술할 실시예에서 명확히 입증되는 바와 같이, 본 발명의 인산염인 측정용 키트는 생물학적산소요구량(BOD; biological oxygen demand)과 부유물질(SS; suspended solid)을 10-20 ppm이하로 포함하는 방류수에 대한 인산염인 농도 초과 여부 판단에 대한 정확성이 우수함이 확인되었다.
이는 본 발명의 측정용 키트는 총인 방류수수질기준의 초과 여부를 판단하는데 있어 현장에서 간편한 방법으로 BOD, SS 처리효율이 우수한 하폐수처리시설에서 인산염인 농도를 측정하여 총인의 농도를 확인하기 위하여 안출된 것으로서 막분리 공법, 활성탄여과조 및 PCF 여과기 등과 같은 시설을 지닌 하폐수처리시설 방류수의 경우에는 수질오염공정시험법에 명시된 총인 실험방법에서처럼 전처리 과정 없이 상술한 본 발명의 키트를 이용하여 우수한 정확도로 총인의 방류수수질기준 초과 여부를 판단할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 하폐수의 인산염인(PO4-P) 측정 방법을 제공한다: (ⅰ) 시험관 1에 포함되어 있는 아스코르빈산 용액을 몰리브덴산암모늄 용액을 포함하는 시험관 2에 첨가하여 발색시약을 준비하는 단계; (ⅱ) 상기 단계 (ⅰ)의 시험관 2에 포함되어 있는 발색시약을 농도 0.1-0.5 ppm, 1-5 ppm 또는 2-10 ppm의 인산염인(PO4-P) 표준용액을 포함하는 시험관 4 내지 8에 각각 첨가하고, 증류수를 포함하는 시험관 3에 시료를 희석하며, 상기 시험관 3에서 희석액을 분취하여 시험관 9에 첨가하고 이에 상기 시험관 2에 포함되어 있는 발색시약을 첨가하는 단계; 및 (ⅲ) 상기 시험관 4 내지 8과 시험관 9의 발색 정도를 비교하여 시험관 9에 포함되어 있는 시료의 인산염인(PO4-P) 농도를 측정하는 단계.
본 발명의 방법은 상술한 본 발명의 키트를 이용하여 하폐수의 인산염인(PO4-P)을 측정하는 방법에 대한 것이기 때문에, 이 둘 사이에 공통된 내용은 반복 기재에 따른 명세서의 과도한 복잡성을 피하기 위하여, 그 기재를 생략한다.
상술한 키트를 이용하여 하폐수의 인산염인(PO4-P)을 측정하기 위한 본 발명의 방법을 단계별로 상세하게 설명하면 다음과 같다:
(ⅰ) 발색시약의 준비
우선, 시험관 1에 포함되어 있는 아스코르빈산 용액을 몰리브덴산암모늄 용액을 포함하는 시험관 2에 첨가하여 발색시약을 준비하는 단계를 거친다.
일반적으로 발색시약을 준비하는 경우에, 몰리브덴산암모늄 4수화물[(NH4)6Mo7O24 4H2O] 6g과 주석산안티몬칼륨[K(SbO)C4H4O6-H2O] 0.24g을 물 300mL에 녹이고 황산 120mL와 술퍼민산암모늄[NH4OSO2NH2] 5g을 넣어 녹인 다음 물을 넣어 500mL로 하고 여기에 7.2% L-아스코르빈산용액[C6H8O6] 100mL를 넣어 섞어서 제조한다. 이때, 7.2% L-아스코르빈산용액[C6H8O6] 100mL는 L-아스코르빈산[C6H8O6] 7.2g을 물에 녹여 100mL로 제조하여 이용한다.
그러나 본 발명의 방법은 몰리브덴산암모늄 용액 5 ml 및 아스코르빈산 용액 1 ml를 각각의 시험관에 분주하였다가 시료의 인산염인 측정시 아스코빈산 용액 1 ml를 몰리브덴산암모늄 5 ml 시험관에 혼합하여 인산염인 현장 측정시 사용한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단계 (ⅰ)에서 상기 몰리브덴산암모늄 용액은 5 ml 그리고 아스코르빈산 용액은 1 ml의 부피로 포함된다.
(ⅱ) 발색 시약의 각 시험관 첨가 및 분석할 시료의 희석
그 다음, 본 발명의 방법은 상기 단계 (ⅰ)의 시험관 2에 포함되어 있는 발색시약을 농도 0.1-0.5 ppm, 1-5 ppm 또는 2-10 ppm의 인산염인(PO4-P) 표준용액을 포함하는 시험관 4 내지 8에 각각 첨가하고, 증류수를 포함하는 시험관 3에 시료를 희석하며, 상기 시험관 3에서 희석액을 분취하여 시험관 9에 첨가하고 이에 상기 시험관 2에 포함되어 있는 발색시약을 첨가하는 단계를 포함한다.
구체적으로, 시료의 희석은 분석할 시료를 희석용 증류수가 들어 있는 시험관 3에 첨가하여 희석하고 시료가 희석된 시험관 3의 희석액을 스포이드로 3 ml 분취하여 시료용 시험관 9로 분주하는 단계이다.
그리고, 발색시약을 농도 0.1-0.5 ppm, 1-5 ppm 또는 2-10 ppm의 인산염인(PO4-P) 표준용액을 각각 포함하는 시험관 4 내지 8 및 시료 희석액이 포함되어 있는 시험관 9에 첨가한다.
시료의 희석 후 발색시약을 표준용액을 포함하는 시험관 및 시료 희석액이 포함되는 있는 시험관에 첨가하는 단계와 발색시약을 표준용액을 포함하는 시험관에 첨가하고 시료를 희석한 다음 시료 희석액에 발색시약을 첨가하는 단계는 본 발명의 범위에 포함된다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단계 (ⅱ)에서 상기 시험관 4 내지 9에 각각 첨가하는 발색시약은 0.2 ml, 증류수는 0-9 ml 그리고 상기 시험관 3에서 희석액을 분취하여 시험관 9에 첨가한 인산염인(PO4-P)의 농도를 측정하고자 하는 시료의 희석액은 3 ml의 부피이고, 보다 바람직하게는 상기 증류수는 1-9 ml이다.
본 발명의 다른 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단계 (ⅱ)의 인산염인(PO4-P) 표준용액을 포함하는 시험관 4 내지 8은 농도 0.1, 1 또는 2 ppm의 인산염인(PO4-P) 표준용액을 포함하는 시험관 4, 농도 0.2, 2 또는 4 ppm의 인산염인(PO4-P) 표준용액을 포함하는 시험관 5, 농도 0.3, 3 또는 6 ppm의 인산염인(PO4-P) 표준용액을 포함하는 시험관 6, 농도 0.4, 4 또는 8 ppm의 인산염인(PO4-P) 표준용액을 포함하는 시험관 7 및 농도 0.5, 5 또는 10 ppm의 인산염인(PO4-P) 표준용액을 포함하는 시험관 8이다.
(ⅲ) 시험관 9에 포함되어 있는 시료의 인산염인( PO 4 -P) 농도의 측정
마지막으로, 본 발명의 방법은 상기 시험관 4 내지 8과 시험관 9의 발색 정도를 비교하여 시험관 9에 포함되어 있는 시료의 인산염인(PO4-P) 농도를 측정한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단계 (ⅲ)의 발색 정도 비교는 상기 단계 (ⅰ)의 발색 시약으로 농도 0.1-0.5 ppm, 1-5 ppm 또는 2-10 ppm의 인산염인(PO4-P) 표준용액의 발색 정도를 880 nm에서의 OD(optical density)값과 색상 발현 정도를 나타낸 색도표와 함께 비교하여 실시한다.
미리 농도를 알고 있는 인산염인(PO4-P) 표준용액을 포함하는 시험관 4 내지 8과 색상을 육안으로 비교하여 측정하거나 색도표와 함께 육안으로 비교하여 인산염인 농도를 현장에서 간편하게 측정할 수 있다.
본 발명의 키트를 이용한 인산염인 측정은 약 15분 내지 20분 내에 인산염인 농도를 측정할 수 있어, 종래 수질오염공정시험법으로 분석할 경우에 5시간 가량 소요되는 측정 시간을 현저히 단축시킬 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:
(ⅰ) 본 발명은 (a) 아스코르빈산 용액을 포함하는 시험관, (b) 몰리브덴산암모늄 용액을 포함하는 시험관, (c) 증류수를 포함하는 시험관, (d) 농도 0.1-0.5 ppm, 1-5 ppm 및 2-10 ppm의 인산염인(PO4-P) 표준용액을 각각 포함하는 시험관, (e) 인산염인(PO4-P)의 농도를 측정하고자 하는 시료의 반응 시험관 및 (f) 스포이드를 포함하는 하폐수의 인산염인(PO4-P) 측정용 키트 및 상기 키트를 이용한 하폐수의 인산염인(PO4-P) 측정 방법에 관한 것이다.
(ⅱ) 본 발명의 키트는 기존 아스코르빈산환원법을 이용한 인산염인 측정법을 간소화시켜 현장에서 간단한 조작으로 총인 대신 인산염인의 농도를 측정하여, 종래 수질오염공정시험법으로 분석할 경우에 5시간 가량 소요되는 측정 시간을 약 15분 내지 20분으로 현저히 단축시켰으며, 하폐수의 주요 방류수수질기준 총인 농도인 0.3, 2, 4 또는 8 ppm의 초과 여부를 빠르게 측정할 수 있다.
(ⅲ) 한편, 시료의 전처리 과정을 거치지 않음으로 인해 부유물질에 대한 영향을 고려하여, 본 발명의 키트는 막분리공법, 활성탄여과기 및 PCF 여과기 등 SS 제거 시설이 갖추어진 하폐수처리시설의 방류수, 즉 부유물질(suspended solid; SS)을 10-20 ppm 미만으로 포함된 하폐수에 대한 총인 또는 인산염인의 대략적인 농도 측정을 할 수 있으며 방류수수질기준의 초과 여부에 대해서는 우수한 정확도를 가진다.
도 1은 종래 아스코르빈산 환원법에 의해 시료의 전처리 과정 및 흡광도 측정 과정을 포함하여 총인 또는 인산염인의 농도를 측정하는 과정을 보여주는 공정도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 준비된 하폐수의 인산염인의 농도를 측정하기 위한 키트를 보여준다.
도 3은 발색시약을 이용하여 미리 농도를 알고 있는 인산염인 표준용액을 발색시켜 준비한 색도표를 보여준다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명 하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 요지 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예
본 명세서 전체에 걸쳐, 특정 물질의 농도를 나타내기 위하여 사용되는 “%“는 별도의 언급이 없는 경우, 고체/고체는 (중량/중량) %, 고체/액체는 (중량/부피) %, 그리고 액체/액체는 (부피/부피) %이다.
실험예 1: 본 발명의 키트를 이용하는데 있어, 시료의 비율에 따른 발색차이 확인 실험
미리 105-110℃에서 건조한 인산이수소칼륨(KH2PO4, 표준시약, 와코) 0.439 g을 정확하게 달아 물에 녹여 최종 부피를 1,000 ml로 하여 1차 인산염인 표준원액(0.1 mg PO4-P/ml)을 만들었다. 상기 1차 인산염인 표준원액 25 ml를 정확하게 취하여 물에 희석하여 최종부피를 500 ml로 하여 2차 인산염인 표준원액(0.005 mg PO4-P/ml)을 제조하였다. 상기 제조된 1, 2차 인산염인 표준원액을 1차 증류수로 희석하여 인산염인 분석키트의 인산염인 표준용액으로 이용하였다. 하수용(1) 인산염인 표준용액 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 및 0.5 ppm, 하수용(2) 인산염인 표준용액 1, 2, 3, 4, 5 ppm과 폐수용 인산염인 표준용액 2, 4, 6, 8, 10 ppm의 시료를 증류수로 희석한 다음 그 희석액에서 3 ml를 분취하였다. 그 다음 분취한 시료를 도 2의 인산염인 키트에서처럼 시험관 1 및 2를 혼합한 발색시약 0.2 ml와 반응시켜 육안으로 발색 정도를 확인할 수 있는 최적 조건을 조사하였고, 그 결과는 아래 표 2 내지 4에 정리하였다:
하수용(1) 인산염인 측정키트 발색조건 최적화
희 석 인산염인 표준용액 (mg/L) 발색비교
증류수
(ml)		 표준용액
(ml)		 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
4 1 0.003 0.004 0.003 0.004 0.073 0.1-0.4
육안비교 불가능
3 2 0.004 0.015 0.043 0.077 0.105 0.1-0.3
육안비교 불가능
2 3 0.017 0.037 0.083 0.118 0.251 0.1-0.2
육안비교 불가능
1 4 0.041 0.0721 0.125 0.172 0.307 육안비교
가능
0 5 0.062 0.115 0.181 0.220 0.391 육안비교
가능
하수용(2) 인산염인 측정키트 발색조건 최적화
희 석 인산염인 표준용액 (mg/L)의 OD880 발색비교
증류수
(ml)		 표준용액
(ml)		 1 2 3 4 5
4 1 0.183 0.372 0.538 0.746 0.935 1-5
육안비교 가능
3 2 0.419 0.795 1.184 1.582 2이상 4 및 5
육안비교 불가능
2 3 0.603 1.308 1.772 2이상 2이상 3-5
육안비교 불가능
1 4 0.824 1.728 2이상 2이상 2이상 2-5
육안비교 불가능
0 5 1.017 2이상 2이상 2이상 2이상 2-5
육안비교 불가능
폐수용(10) 인산염인 측정키트 발색조건 최적화
희 석 인산염인 표준용액 (mg/L)의 OD880 발색비교
증류수
(ml)		 표준용액
(ml)		 2 4 6 8 10
9 1 0.198 0.385 0.583 0.753 0.976 육안비교 가능
8 2 0.351 0.596 0.782 0.116 0.152 8 및 10
육안비교 불가능
7 3 0.518 0.803 1.113 1.492 2이상 6-10
육안비교 불가능
6 4 0.773 1.287 1.539 2이상 2이상 4-10
육안비교 불가능
5 5 0.902 1.671 2이상 2이상 2이상 4-10
육안비교 불가능
4 6 1.103 2이상 2이상 2이상 2이상 2-10
육안비교 불가능
3 7 1.273 2이상 2이상 2이상 2이상 2-10
육안비교 불가능
2 8 1.482 2이상 2이상 2이상 2이상 2-10
육안비교 불가능
1 9 1.682 2이상 2이상 2이상 2이상 2-10
육안비교 불가능
0 10 1.832 2이상 2이상 2이상 2이상 2-10
육안비교 불가능
그 결과, 상기 표 2 내지 4에서 확인할 수 있듯이, 하수용(1) 인산염인 표준용액의 발색 정도 구분은 희석하지 않았을 때 발색 정도를 육안으로 구분할 수 있었으며, 하수용(2)는 5배 희석하였을 때 발색 정도를 정확하게 구분 가능하였다. 또한 폐수용은 인의 농도가 높았으나 10배 희석하였을 때 각각의 발색 정도의 차이를 육안과 흡광광도계의 OD값으로 확인하였다. 그러나 실제 방류수에 포함된 SS로 인하여 시료의 발색 정도를 육안으로 확인할 때 오차를 줄이기 위하여 표 2 내지 4의 결과를 바탕으로 도 3과 같은 색도표를 제작하여 실제 현장에서 방류수 시료의 발색을 비교할 때 표준용액의 실제 발색 시험관과 색도표, 그리고 시료를 함께 비교하여 육안비교에 의한 오차를 줄일 수 있다.
실험예 2: 수질오염공정시험법의 아스코르빈산환원법과 본 발명의 총인분석키트에 의한 하폐수처리시설 방류수의 총인 측정
강원도 춘천시 M 마을 소규모하수처리시설(처리용량 : 70 m3/일, 교대 반응조를 이용한 분리막공법)과 H 도계장(처리용량 : 200 m3/일, 고효율 폭기조, 가압부상을 이용한 분리막공법)에서 3일마다 15회 채취한 총 30개의 방류수(시료)들을 수질오염공정시험법의 아스코르빈산환원법으로 도 1과 같은 과정을 통하여 측정하였고, 본 발명의 총인분석키트에 의한 총인은 도 2와 같은 키트와 도 3의 색도표를 이용하여 측정하였다.
아스코르빈산환원법의 경우 방류수 시료 50㎖(인으로서 0.06㎎ 이하 함유)를 분해병에 넣고 과황산칼륨용액(4 W/V%) 10㎖를 넣어 마개를 닫고 섞은 다음 고압증기멸균기에 넣어 가열하였다. 약 120℃가 될 때부터 30분간 가열분해를 계속하고 분해병을 꺼내 방냉하였다. 그 다음, 전처리한 시료의 상등액 25㎖를 취하여 마개 있는 시험관에 넣고 몰리브덴산암모늄 및 아스코르빈산 혼액 2㎖를 넣어 흔들어 섞은 다음 20-40℃에서 15분간 방치하였다. 이 용액의 일부를 10 ㎜ 흡수셀에 옮겨 검액으로 하고 따로 물 50㎖를 취하여 시료의 시험방법에 따라 시험하여 바탕시험액으로 하였다. 바탕시험액을 대조액으로 하여 880㎚에서 검액의 흡광도를 측정하고 미리 작성한 검량선으로부터 총인의 양을 구하여 다음 수학식 1로부터 농도(㎎/ℓ)를 산출하였다.
[수학식 1]
과황산칼륨 분해한 경우
Figure 112011078395547-pat00001
a : 검량선으로부터 구한 인의 양(㎎)
본 발명의 도 3의 인산염인 분석 키트를 이용한 경우, M 마을 하수처리시설의 방류수 시료는 도 2의 하수용(2)를 이용하였고 H 도계장 폐수처리시설 방류수 시료는 폐수용 총인분석키트를 이용하였다. 도 2의 시험관 1의 내용물을 시험관 2에 혼합한 후 분석할 방류수 시료를 시험관 3에 4 ml 첨가하여 희석하였다. 그 다음 1 ml 용량의 스포이드를 이용하여 시험관 3의 희석액을 1 ml씩 3회 분취하여 시험관 9에 분주하고 시험관 2의 혼합액(발색시약)을 1 ml 용량의 스포이드로 0.2 ml씩 분취하여 시험관 4 내지 9에 각각 분주하였다. 10분 경과 후 시험관 4 내지 8과 시험관 9의 발색 정도를 색도표와 함께 비교하여 총인 농도를 측정하였고 그 결과는 아래 표 5에 정리하였다.
아스코르빈산환원법과 본 발명의 인산염인 분석 키트에 의한 총인 분석 비교
시료번호 방류수
아스코르빈산환원법 본 발명의 총인분석키트
M 마을 H 도계장 M 마을 H 도계장
1 2.548 0.605 2 후 1 이하 (0.5이상)
2 2.472 0.816 2 후 1 이하 (0.5이상)
3 2.193 3.159 2 초 3-4
4 0.933 2.954 1 유사 2 후 (2 후)
5 1.281 3.163 1 초 2 후 (3이상)
6 1.053 4.902 1 초 4-5
7 1.172 7.802 1 초 7-8
8 1.503 8.927 1 초 8 중
9 1.582 12.351 1 후 10 이상
10 2.432 4.026 2 후 4 초
11 2.213 3.296 2 초 3-4 (3이상)
12 0.937 6.830 1 유사 6-7
13 1.285 7.308 1 초 7 중
14 1.052 1.260 1 초 2 이하 (1초)
15 1.320 0.271 1 초 2 이하 (0.1-0.3)
※ 2 초 (2.0 이상-2.5 이하), 2 후 (2.5 이상-3.0 이하)
※ H 도계장 총인분석키트 분석결과의 괄호 : 하수용 (1), (2) 총인분석키트 적용결과
※ M 마을 방류수기준 2 ppm, H 도계장 방류수기준 8 ppm
그 결과 상기 표 5에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 인산염인 분석키트를 이용하여 방류수를 분석하였을 경우, 하폐수의 총인 방류수 기준인 0.3, 2, 4 및 8 ppm을 모두 정확하게 구분하였으며 총인 농도의 정확한 범위를 20분 만에 측정할 수 있었다.
도 2의 하수용(1) 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 및 0.5 ppm의 인산염인 측정키트는 낮은 농도의 방류수의 수질을 유지하는 처리장을 확보하기 어려움이 있어, 강원도 춘천시 S 병원의 방류수를 5-10배 희석하여 인의 농도가 낮은 인위적인 방류수를 10개를 제조하여 하수용(1) 인산염인 측정키트의 성능실험을 진행하였다. S 병원의 하수처리시설의 시설은 시설이 노후화되었고 특정 질소, 인 고도처리시설이 없어 방류수 내 인의 농도가 유입수의 농도에 따라 방류수의 총인 농도가 2-5 ppm으로 측정됨으로, 도 2의 하수용(2) 인산염인 분석키트의 성능 실험의 시료로 채택하여 사용하게 되었다.
하수용(1) 인산염인 분석키트에 의한 총인분석
시료번호 및 분석방법 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
아스코르빈산법 0.231 0.241 0.372 0.218 0.326 0.528 0.352 0.462 0.182 0.283
하수용(1)
인산염인 분석키트		 0.2초 0.2초 0.3후 0.2초 0.3초 0.5후 0.3후 0.4후 0.1후 0.2후
※ 0.2 초 (0.2 이상-0.25 이하), 0.2 후 (0.25 이상-3.0 이하)
그 결과, 상기 표 6에서 알 수 있듯이, 하수용(1) 인산염인 분석키트는 하수처리시설의 방류수수질기준의 낮은 농도인 0.3 ppm의 초과 여부를 정확하게 판단할 수 있었다.
상기 실험예 1 및 2의 인산염인 측정결과에서 알 수 있듯이, 본 발명의 키트를 이용하여 인산염인의 농도를 측정한 결과, 농도 값에서 큰 차이가 발생하지 않았으며, 측정시간에 있어서 실험예 2의 본 발명의 키트의 경우 약 15-20분 내에 인산염인의 농도를 측정하였는데 반해 실험예 2의 기존 아스코르빈산법의 경우 약 5시간이 소요되어 본 발명의 키트가 현장에서 인산염인 농도 간이 측정용 키트로 이용할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다

Claims (6)

  1. (a) 아스코르빈산 용액을 포함하는 시험관, (b) 몰리브덴산암모늄 용액을 포함하는 시험관, (c) 증류수를 포함하는 시험관, (d) 농도 0.1-0.5 ppm, 1-5 ppm 및 2-10 ppm의 인산염인(PO4-P) 표준용액을 각각 포함하는 시험관, (e) 인산염인(PO4-P)의 농도를 측정하고자 하는 시료의 반응 시험관 및 (f) 스포이드를 포함하는 하폐수의 인산염인(PO4-P) 측정용 키트로서,
    상기 인산염인(PO4-P) 측정용 키트를 이용하는 하폐수의 인산염인(PO4-P) 측정은 (ⅰ) 상기 (a)의 시험관에 포함되어 있는 아스코르빈산 용액을 몰리브덴산암모늄 용액을 포함하는 상기 (b) 시험관에 첨가하여 발색시약을 준비하는 단계; (ⅱ) 상기 단계 (ⅰ)의 (b) 시험관에 포함되어 있는 발색시약을 농도 0.1-0.5 ppm, 1-5 ppm 및 2-10 ppm의 인산염인(PO4-P) 표준용액을 각각 포함하는 상기 (d) 시험관에 첨가하고, 증류수를 포함하는 상기 (c) 시험관에 시료를 희석하며, 상기 (c) 시험관에서 희석액을 분취하여 상기 (e) 반응 시험관에 첨가하고 이에 상기 단계 (ⅰ)의 (b) 시험관에 포함되어 있는 발색시약을 첨가하는 단계; 및 (ⅲ) 상기 단계 (ⅱ)의 (d) 시험관과 발색 시약이 첨가된 (e) 반응 시험관의 발색 정도를 비교하여 상기 (e) 반응 시험관에 포함되어 있는 시료의 인산염인(PO4-P) 농도를 측정하는 단계를 포함하는 방법으로 실시하는 것을 특징으로 하는 하폐수의 인산염인(PO4-P) 측정용 키트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (a) 아스코르빈산 용액은 1 ml, 상기 (b) 몰리브덴산암모늄 용액은 5 ml, 그리고 (c) 증류수는 0-9 ml의 부피로 포함되는 것을 특징으로 하는 하폐수의 인산염인(PO4-P) 측정용 키트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (d) 인산염인 표준용액은 농도가 0.1-0.5 ppm인 경우 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 및 0.5 ppm이고, 농도가 1-5 ppm인 경우 1, 2, 3, 4 및 5 ppm 이며, 농도가 2-10 ppm인 경우 2, 4, 6, 8 및 10 ppm인 것을 특징으로 하는 하폐수의 인산염인(PO4-P) 측정용 키트.
  4. 다음의 단계를 포함하는 하폐수의 인산염인(PO4-P) 측정 방법:
    (ⅰ) 시험관 1에 포함되어 있는 아스코르빈산 용액을 몰리브덴산암모늄 용액을 포함하는 시험관 2에 첨가하여 발색시약을 준비하는 단계;
    (ⅱ) 상기 단계 (ⅰ)의 시험관 2에 포함되어 있는 발색시약을 농도 0.1-0.5 ppm, 1-5 ppm 또는 2-10 ppm의 인산염인(PO4-P) 표준용액을 포함하는 시험관 4 내지 8에 첨가하고, 증류수를 포함하는 시험관 3에 시료를 희석하며, 상기 시험관 3에서 희석액을 분취하여 시험관 9에 첨가하고 이에 상기 시험관 2에 포함되어 있는 발색시약을 첨가하는 단계; 및
    (ⅲ) 상기 시험관 4 내지 8과 시험관 9의 발색 정도를 비교하여 시험관 9에 포함되어 있는 시료의 인산염인(PO4-P) 농도를 측정하는 단계.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 단계 (ⅲ)의 발색 정도 비교는 상기 단계 (ⅰ)의 발색 시약으로 농도 0.1-0.5 ppm, 1-5 ppm 또는 2-10 ppm의 인산염인(PO4-P) 표준용액의 발색 정도를 880 nm에서의 OD(optical density)값과 색상 발현 정도를 나타낸 색도표와 비교하여 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 단계 (ⅰ)에서 상기 아스코르빈산 용액은 1 ml 및 상기 몰리브덴산암모늄 용액은 5 ml, 그리고 상기 단계 (ⅱ)에서 상기 시험관 4 내지 9에 각각 첨가하는 발색시약은 0.2 ml, 증류수는 0-9 ml 그리고 상기 시험관 3에서 희석액을 분취하여 시험관 9에 첨가한 인산염인(PO4-P)의 농도를 측정하고자 하는 시료의 희석액은 3 ml의 부피인 것을 특징으로 하는 방법.
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