KR20130108782A

KR20130108782A - Ｂｏｄ 측정장치

Info

Publication number: KR20130108782A
Application number: KR1020120030504A
Authority: KR
Inventors: 김은희; 강범주; 최송범; 곽지현
Original assignee: (주)백년기술
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2013-10-07
Also published as: KR101354483B1

Abstract

본 발명에 따른 BOD 측정장치는 수질의 변수를 측정하는 수질 변수 측정부, 사용자로부터 상관식을 수신하는 입력부, 상기 상관식을 저장하는 저장부, 및 상기 수질의 변수와 상기 상관식을 이용하여 생물학적 산소 요구량(BOD)을 측정하는 BOD 측정부를 포함한다.

Description

ＢＯＤ 측정장치{DEVICE FOR MESURING BIOCHEMICAL OXYGEN DEMAND}

본 발명은 BOD 측정장치에 관한 것이다.

생물 화학적 산소 요구량(Biochemical Oxygen Demand:이하 간단히 'BOD'라고 한다.)은 산소를 호흡하는 미생물이 5일 동안 유기물을 섭취할 때 필요한 산소량을 의미한다. 따라서 BOD의 측정은 용존 산소량(Desolved Oxygen:이하 간단히 'DO'라고 한다.)을 기준으로 이루어진다.

종래의 BOD 측정방법을 간략하게 설명한다.

우선 측정하고자 하는 지역의 물을 수집하여 DO를 측정한 후, 수집한 물을 밀폐 용기에 넣어서 암실에 보관한다. 이후 5일이 지나서 다시 DO를 측정한다. 처음 수집할 당시의 DO에서 5일 후 측정된 DO를 빼면 BOD 값을 알 수 있다.

즉, BOD는 생물 화학적 산소 요구량으로서 물속의 호기성 미생물이 유기물을 분해할 때 필요한 산소의 양을 말한다. 이 유기물이 많을수록 호기성 미생물이 물속 산소를 더욱 많이 소비하고, 유기물이 적을수록 호기성 미생물이 물속 산소를 더욱 적게 소비한다. 따라서 처음 수집할 당시의 물이 가진 DO에서 5일 동안 호기성 미생물이 유기물을 분해하고 남은 DO를 빼면 호기성 미생물이 유기물을 분해하는데 쓴 산소량이 도출되며 이 값을 BOD라고 칭하는 것이다. 여기서 수집한 물을 밀폐 용기에 넣어서 암실에 보관하는 이유는 광합성 등에 의해서 산소 변화량에 오차가 있을 수 있기 때문이다.

그러나, 이와 같이 종래의 BOD 측정방법은 분석 기간이 5일 정도로 매우 길고, 미생물의 생육 조건에 필요한 요소와 독성 또는 방해물질이 존재할 수 있는 문제점이 있다. 뿐만 아니라 미생물이 분해할 수 있는 유기물 등에 의해 영향을 받기 때문에 수질오염상황을 실시간 감시 및 예측, 대응하는데 어려움이 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유기 물질의 정량/정성 분석을 통해 더욱 빠르게 수질의 BOD를 측정할 수 있는 BOD 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 BOD 측정장치는, 수질의 변수를 측정하는 수질 변수 측정부; BOD 측정 상관식을 생성하는 생성부; 상기 상관식을 저장하는 저장부; 및 상기 수질의 변수와 상관식을 이용하여 생물학적 산소 요구량(BOD)을 측정하는 BOD 측정부를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 상관식은, 용존 유기탄소량(DOC), 전도도, 형광특성 및 자외선 흡광도 중 적어도 어느 하나와 BOD와의 상관 관계로부터 회기분석법을 사용하여 생성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 수질 변수 측정부는 시료를 유입하는 시료유입펌프; 복수의 포트를 구비하여, 상기 포트의 선택에 따라 시료의 유입방향을 변경하는 스위칭 밸브; 시료의 유기물을 산화하는 자외선(UV) 램프 시료의 전도도를 측정하는 전도도 셀; 및 시료의 자외선 흡광도와 광학특성을 측정하는 광학 측정부를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 스위칭밸브의 포트를 상기 UV 램프를 통해 상기 전도도 셀로 시료가 유입하도록 하여 수질의 변수를 측정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 스위칭밸브의 포트를 상기 전도도 셀로 시료가 유입하도록 하여 수질의 변수를 측정하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 유기 물질의 정량/정성 분석을 통해 더욱 빠르게 수질의 BOD를 측정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BOD 측정장치의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 2는 도 1의 수질 변수 측정부의 일실시예 상세 구성도이다.
도 3은 본 발명의 수질변수 측정부의 동작을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 4는 본 발명의 수질변수 측정부의 동작을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 5a 내지 도 5e는 용존 유기탄소량(DOC), 전도도(conductivity), 형광특성, 자외선 흡광도와 BOD와의 상관 관계를 분석하기 위한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 BOD 측정장치가 상관식을 산출하는 방식을 설명하기 위한 것이다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 BOD 측정방법에 따라 수질 측정을 한 것과 실제 BOD를 비교한 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BOD 측정장치의 구성을 나타내는 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 BOD 측정장치는 수질 변수 측정부(100), 입력부(110), 생성부(120), 저장부(130), BOD 측정부(140) 및 표시부(150)를 포함한다.

도면에 도시된 바와 같이, 수질 변수 측정부(100)는 유입되는 시료에서 수질의 변수를 측정하고, 입력부(110)는 측정된 수질의 변수를 수신한다. 생성부(120)는 입력부(110)로부터 수질의 변수를 수신하여 BOD측정을 위한 상관식을 생성하고, 저장부(130)는 생성된 상관식을 저장한다. BOD측정부(140)는 입력부(110)로부터 수질의 변수를 수신하고 저장부(130)로부터 상관식을 수신하여 BOD를 측정한다.

또한, 상기 입력부(110)가 사용자로부터 상관식을 수신하여 저장부(130)에 전달하여 저장할 수 있으며, 이 경우, 상기 생성부(120)의 구성은 생략한다.

입력부(110), 생성부(120), 저장부(130)에 대해서는 추후 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 도 1의 수질 변수 측정부(100)의 일실시예 상세 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 수질 변수 측정부(100)는, 시료 유입펌프(101), 6방 스위칭 밸브(6-port Switching valve, 102), 자외선(Ultraviolet; UV) 램프(103), 전도도 셀(Conductivity Flow Cell, 104) 및 광학측정부(105)를 포함한다.

수질 변수 측정부(100)는 시료 유입펌프(101)를 통해 시료가 유입될 수 있다. 6방 스위칭 밸브(102)는 유입된 시료를 UV 램프(103)를 거쳐 전도도 셀(104)로 보내거나, 바로 전도도 셀(104)로 전달한다. 즉, 6방 스위치 밸브(102)는 6개의 포트를 구비하여, 포트의 선택에 따라 시료의 유입 방향을 변경할 수 있다. 다만, 본 발명의 설명에서는 6개의 포트를 구비하여 시료의 유입 방향을 변경하는 것을 예를 들어 설명하겠으나, 다른 포트 구성을 통해 시료의 유입 방향을 변경하는 것을 배제하는 것이 아니다.

UV 램프(103)는 시료의 유기물을 CO₂로 산화시키며, 전도도 셀(104)은 시료의 전도도를 측정한다. 광학측정부(105)는 시료의 자외선 흡광도와 광학특성을 측정한다.

도 3은 본 발명의 수질변수 측정부(100)의 동작을 설명하기 위한 일예시도로서, 6방 스위칭 밸브(102)에 의해 시료가 UV 램프(103)로 유입되는 것을 나타낸 것이다.

도면에 도시된 바와 같이, 6방 스위칭 밸브(102)는 유입된 시료를 UV 램프(103)로 전달한다. UV 램프(103)는 유입된 시료의 유기물을 CO₂로 산화시킨 후 6방 스위칭 밸브(102)로 시료를 전달한다. 6방 스위칭 밸브(102)는 UV 램프(103)에서 유기물이 산화되어 유출된 시료를 전도도 셀(104)로 전달한다. 전도도 셀(104)은 산화 후의 시료의 전도도를 측정한다. 광학측정부(105)는 유입된 시료의 자외선 흡광도와 광학특성을 측정한 후 시료를 유출한다.

도 4는 본 발명의 수질변수 측정부(100)의 동작을 설명하기 위한 일예시도로서, 6방 스위칭 밸브(102)에 의해 시료가 전도도 셀(104)로 유입되는 것을 나타낸 것이다.

도면에 도시된 바와 같이, 사용자는 6방 스위칭 밸브(102)의 포트를 변경하여 시료의 유입 방향을 변경할 수 있다. 6방 스위칭 밸브(102)는 포트를 변경하여 시료 유입 펌프로부터 유입된 시료를 바로 전도도 셀(104)로 전달한다.

전도도 셀(104)은 유입된 시료의 산화 전, 후의 전도도를 측정한다. 시료의 산화 전, 후의 전도도 차이는 용존 유기탄소량(DOC)으로 환산된다.

전도도 셀(104)에서 유출된 시료는 광학측정부(105)로 전달된다.

광학 측정부(105)는 시료의 형광특성, 자외선 흡광도를 측정한다.

즉, 6방 스위칭 밸브(102)의 포트를 조절하여 시료를 전도도셀(104)을 거쳐 광학측정부(105)로 유입하여, 산화전의 전도도, 자외선 흡광도 및 광학특성을 측정한다.

이하에서 도 1에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 BOD 측정장치의 동작에 대해 설명한다.

입력부(110)는 사용자로부터 BOD측정을 위한 상관식과 수질 변수 측정부(100)에서 측정된 수질의 변수를 수신한다.

이렇게 사용자에 의해 입력된 상관식은 저장부(130)에 저장되며, 수질의 변수는 BOD 측정부(140)에 전달된다. 생성부(120)에서 상관식이 생성되는 경우 입력부(110)에는 사용자에 의한 상관식의 입력이 생략된다.

저장부(130)는 생성부(120)에 의하여 생성된 상관식 혹은 입력부(110)로부터 사용자에 의해 입력된 상관식을 저장한다.

BOD 측정부(140)는 입력부(110)로부터 입력된 수질 변수를 기초로 저장부(130)에 저장된 상관식을 이용해 BOD를 측정한다.

상세히 설명하면, BOD 측정부(140)는 수질 변수 측정부(100)에서 측정되어 입력부에 전달된 수질의 변수를 저장부(130)로부터 수신한 상관식에 대입하여 BOD를 측정한다.

표시부(150)는 상기 BOD 측정부(140)에서 측정된 BOD 값을 사용자에게 표시한다.

생성부(120)는 BOD 측정을 위한 상관식을 생성한다. 다만 본 발명의 BOD 측정장치는 사용자로부터 입력된 상관식을 그대로 수용할 수 있다. 이 경우 생성부(120)의 구성은 생략되고, 저장부(130)가 상기 입력부(110)로부터 사용자에 의해 입력된 상관식을 그대로 저장할 수 있다.

생성부(120)는 수질 변수 측정부에서 측정된 자료인 시료의 용존 유기탄소량(DOC), 전도도, 형광특성 및 자외선 흡광도(UV 254nm)를 분석하고, 회귀분석법을 이용하여 BOD 측정 산정식을 생성할 수 있다.

BOD 측정을 위한 상관식을 생성하는 과정은 다음과 같다.

도 5a 내지 도 5e는 용존 유기탄소량(DOC), 전도도(conductivity), 형광특성, 자외선 흡광도와 BOD와의 상관 관계를 분석하기 위한 그래프이다.

도 5a는 BOD와 용존 유기탄소량(DOC)와의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.

DOD의 분석은 유기탄소 분석기를 사용하여 측정가능하다. 본 발명의 생성부(120)는 시료의 산화 전, 후의 전도도 차이를 용존 유기탄소량(DOC)로 환산한다.

즉 수질의 BOD와 DOC는 도 5a와 같이 특정 기울기를 가진 선형 그래프로 그려진다.

이는 BOD와 DOC가 일정한 상관 관계를 가짐을 의미하며, 이와 같은 결과는 서로 다른 BOD를 가지고 있는 수질을 채취해 DOC를 측정하고, 통계 데이터를 추출해 그래프로 표현 가능하다. 그 결과가 도 5a에서와 같다.

도 5b는 자외선 흡광도와 BOD와의 상관 관계를 분석하기 위한 그래프이다. 도 5b에 도시된 바와 같이 자외선 흡광도 역시 일정 기울기를 갖는 선형 그래프로 그려진 것으로 보아 BOD와 상관 관계를 가짐을 알 수 있다.

자연유기물질의 특성을 가장 쉽게 파악할 수 있는 평가 지표인 자외선 흡광도(Specific UV Absorbance; SUVA) 값을 들 수 있는데 자외선 흡광도는 유기물에 포함된 방향성 물질의 함량을 상대적으로 평가할 수 있어서, 유기물질의 특성을 나타내는 가장 대표적인 평가지표로 널리 이용되고 있다. 자연적으로 발생하는 용존유기탄소 중 UV를 흡수하는 물질은 벤젠류 물질과 불포화 지방족 화합물이 있는데 방향족 탄소 화합물이 많이 포함되어 있으면 자외선 흡광도도 커지는 양의 상관관계를 나타낸다. 따라서 방향족 화합물의 구성비가 높고 분자량이 큰 소수성 성분의 경우 높은 자외선 흡광도 값을 나타내며, 휴믹산(humic acid) > 풀브산(fulvic acid) > 트랜스하이드로필릭산(transhydrophilic acid) 순으로 나타난다.

반면 친수성 물질의 경우 방향족 화합물의 구성비가 낮고 분자량이 작아 낮은 자외선 흡광도 값을 나타낸다.

물에서 자외선 흡광도 값은 소수성 성분의 양에 크게 의존하게 되므로 휴믹 물질의 함유량, 특히 휴믹산을 나타내는 지표로 사용되기도 한다.

또한 자외선 흡광도 4~5는 상대적으로 소수성 DOC로 큰 분자의 휴믹물질이 응집에 의해 효과적으로 제거될 수 있고, 3 이하의 자외선 흡광도는 친수 DOC, 저분자물질, 전하밀도가 낮고 응집에는 약간의 영향을 준다.

따라서 자외선 흡광도는 유기물 함량을 알 수 있는 지표이며, 도 5b에서와 같이 BOD와 선형 관계를 갖기 때문에 BOD를 측정하는 변수로 이용될 수 있다.

특히 이미 알려진 바와 같이 자외선 흡광도는 자외선 파장이 254nm인 경우로 측정하는 것이 가장 바람직하다.

도 5c는 전도도와 BOD와의 상관관계를 알 수 있는 그래프이다. 전도도 측정은 전도도 셀(104)을 사용하여 측정 가능하다. 전도도는 유기물 함량을 알 수 있는 대표적인 지표로서 수질 오염 측정에 많이 이용된다. 도 5c에 도시된 바와 같이 전도도는 BOD와 선형 관계에 있음을 알 수 있고, 전도도가 높아질수록 BOD 역시 상승함을 알 수 있다.

도 5d 및 5e는 형광 특성과 BOD와의 상관 관계를 나타내는 그래프이다. 여기서 도 5d 및 도 5e는 각각 365nm, 400nm 파장에서 측정된 형광 세기를 나타낸다.

형광 측정법은 자연유기물질을 간편하고 신속하게 분석함으로써 타 분석법에 비해 실시간으로 수질관리에 활용될 수 있다. 형광 분석은 수질 오염 정도를 측정하는 일반적인 방법이기 때문에 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 5d 및 도 5e와 같이 BOD와 선형 관계에 있기 때문에 BOD 측정을 위한 지표로 쓰일 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 BOD 측정장치가 상관식을 산출하는 방식을 설명하기 위한 것이다.

용존 유기탄소량(DOC), 전도도(conductivity), 형광특성, 자외선 흡광도와 BOD와의 상관 관계를 분석한 도 5a 내지 도 5e의 결과를 기초로 상관식을 구하는데 있어서 이용되는 것이 회귀분석법이다.

회귀분석법이란 통계학의 발전과 함께 다양한 학문분야에서 사용하고 있는 분석 방법으로, 직선적 상관관계에 있는 2개의 변수X, Y에 대해서 한쪽의 변수 X에서 다른 쪽의 변수 Y를 Y=aX+b에 의해 추정하는 방법을 말한다.

도 6에 도시된 바와 같이 용존 유기탄소량(DOC), 전도도(conductivity), 형광특성, 자외선 흡광도를 변수로 해서 회귀분석법을 구하면 변수에 곱해지는 상수 즉, 상기 a 및 b를 구할 수 있다.

도 6의 그래프에서 DOC의 가중치는 2.3667, 전도도의 가중치는 -0.4556, 형광특성의 가중치는 F365nm에서 0.5884, F400nm에서 0.2286, 그리고 자외선 흡광도의 가중치는 UV254nm에서 -1.7804이다.

따라서 BOD 측정 상관식은 아래와 같이 정할 수 있다.

다만 이는 어디까지나 예시일 뿐이고, 측정 결과에 따라 다른 상관식이 도출됨은 자명하다.

도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 BOD 측정장치에 의해 수질 측정을 한 것과 실제 BOD를 비교한 그래프이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 BOD 측정방법에 따라 수질 측정을 한 결과를 나타내는 그래프(측정 그래프,710)은 실제 BOD 그래프(실제 그래프, 700)와 거의 동일한 양상을 보이고 있고, 수치면에서도 크게 차이가 없다.

여기서 실제 그래프(700)는 기존의 방법을 이용해서 5일간의 측정을 통해서 구한 값이다.

즉 본 발명의 일 실시예에 따른 BOD 측정장치에 따르면, BOD 측정에 5일 정도가 소요되지 않고, 용존 유기탄소량 (DOC), 전도도, 형광특성, 자외선 흡광도를 실시간으로 추출하여 상기 상관식에 대입하는 것으로 측정할 수 있게 된다.

상기 설명한 BOD 측정장치에 의하면 종래 5일이 넘게 소요되던 BOD 측정을 실시간으로 수행할 수 있다.

상기한 바에서, 다양한 실시예에서 설명한 각 구성요소 및/또는 기능은 서로 복합적으로 결합하여 구현될 수 있으며, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 수질변수측정부 110: 입력부
120: 생성부 130: 저장부
140: BOD 측정부 150:표시부
101: 시료 유입펌프 102: 6방스위칭밸브
103: UV 램프 104: 전도도 셀
105: 광학측정부

Claims

수질의 변수를 측정하는 수질 변수 측정부;
BOD 측정 상관식을 생성하는 생성부;
상기 상관식을 저장하는 저장부; 및
상기 수질의 변수와 상기 상관식을 이용하여 BOD를 측정하는 BOD 측정부를 포함하는 BOD 측정장치.
제 1항에 있어서, 상기 상관식은,
용존 유기탄소량(DOC), 전도도, 형광특성 및 자외선 흡광도 중 적어도 어느하나와 BOD와의 상관 관계로부터 회귀분석법을 사용하여 생성하는 BOD측정장치.
제 1항에 있어서, 상기 수질 변수 측정부는
시료를 유입하는 시료유입펌프;
복수의 포트를 구비하여, 상기 포트의 선택에 따라 시료의 유입방향을 변경하는 스위칭밸브;
시료의 유기물을 산화시키는 자외선(UV) 램프;
시료의 전도도를 측정하는 전도도 셀; 및
시료의 자외선 흡광도와 광학특성을 측정하는 광학 측정부를 포함하는 BOD 측정장치.
제 3항에 있어서,
상기 스위칭밸브의 포트를 상기 UV 램프를 통해 상기 전도도 셀로 시료가 유입하도록 하여 수질의 변수를 측정하는 BOD 측정장치.
제 4항에 있어서,
상기 스위칭밸브의 포트를 상기 전도도 셀로 시료가 유입하도록 하여 수질의 변수를 측정하는 BOD 측정장치