개념 한 쪽
오염물질 부하량 산정은 오염물의 유하시간과 수중 반응을 고려하여 잔류 농도를 예측하는 절차를 말한다. 하천에서는 플러그 흐름 가정과 1차 반응식을 사용하며, 호소에서는 계절별 성층과 전도현상이 부하량과 용존산소 분포에 영향을 준다. Streeter와 Phelps가 제시한 수질모형은 하천에서 유기물 분해와 재폭기 과정을 고려하여 DO 변화를 설명한다.
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출제기준 단원 「오염물질 부하량 산정방법」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 호소의 계절별 혼합 상태 판단 | 1 | 봄·가을의 전도와 여름 성층에 따른 수층 혼합 특징을 가리기 |
| 하천에서 BOD 잔류량 계산 | 1 | 거리와 속도로 유하시간을 구한 뒤 1차 감소식으로 BOD 최종값을 계산하기 |
| 하천의 분해지대 특성 이해 | 1 | 분해지대에서의 DO 감소와 질산화 단계의 시기 구분하기 |
오염물질의 하천 내 농도 변화는 유하시간과 반응속도에 의해 지배되며, 대표적으로 BOD의 감소는 1차 반응 법칙을 따른다고 본다. 초기 BODu와 탈산소 계수 K1, 유하시간 t를 알고 있으면 BODt = BODu × 10^(-K1·t) 형태로 잔류량을 계산한다. 시간 단위 변환을 정확히 하여 분 혹은 일 단위로 일관되게 적용하는 것이 핵심이다.
Streeter와 Phelps가 제안한 모형은 하천 수질 예측에서 유기물 분해에 따른 산소 소비와 대기와의 재폭기를 별개의 과정으로 취급하여 DO 변화를 설명하는 단순한 모형이다. 이 모형은 주로 점오염원을 가정하고 플러그 흐름을 전제로 하므로 완전혼합흐름과는 구별한다. 모델의 핵심은 DO 곡선을 예측하기 위해 분해속도와 재폭기 속도를 적절히 결합하는 데 있다.
호소에서는 계절별 수온 변화가 밀도 차이를 만들고, 여름에는 수온약층으로 인해 표층과 심층의 수직 혼합이 차단되며, 봄·가을에는 전도현상으로 수층 전체가 혼합된다. 이로 인해 심층의 저산소수와 영양염의 이동이 발생하여 부하량과 DO 분포에 영향을 준다. 분해지대에서는 유기물 분해로 DO가 저하되고 CO2가 증가하며, 질산화 단계는 이후 회복 단계에서 아질산염·질산염의 증가를 초래한다.
오염물질의 확산·혼합은 분자확산(브라운 운동), 난류 확산, 그리고 밀도류 등 물리적 운동이 주요 원인이다. 용존산소 같은 화학적 지표는 수질 상태를 나타내는 변수로서 확산의 직접적 원인과는 구별하여 이해해야 한다.
문제: 하천 상류에서 BODu = 10 mg/L이고, 유속이 2 m/min, 하류까지 거리 20 km이며 K1(base 10)=0.1 day^-1일 때 하류의 BOD를 구하라.
풀이: 1) 유하시간을 계산한다. 거리 20 km = 20,000 m이고 속도는 2 m/min이므로 소요시간은 20,000 ÷ 2 = 10,000분이다. 하루는 1,440분이므로 t = 10,000 ÷ 1,440 ≈ 6.94일이다. 2) 1차 감소식 BODt = BODu × 10^(-K1·t)에 값들을 대입한다. BODt = 10 × 10^(-0.1 × 6.94) = 10 × 10^(-0.694) ≈ 10 × 0.202 ≈ 2.02 mg/L가 된다. 3) 따라서 하류의 BOD는 약 2.02 mg/L가 된다.
풀이 요지: 거리와 속도로 시간을 먼저 구한 뒤 K1과 함께 지수식에 대입하면 잔류 BOD를 산정할 수 있다.
호소에서 나타나는 현상에 대해 바르게 기술된 것은?
정답 ② · 문항은 호소의 계절적 및 수층별 현상 중 옳은 기술을 고르는 문제이다. 봄과 가을에는 수온 변화로 인한 밀도 차이 때문에 일정한 방향의 수평 흐름은 없지만 수직 방향의 대류성 운동이 발생하는 계절적 전형이 맞다.
봄·가을은 수온 변화로 밀도 차이가 발생해 대류가 일어나며, 이때 수직 운동이 발생하지만 일정한 방향의 흐름은 없다.
하천 상류에서 BODu = 10㎎/L일 때 2m/min 속도로 유하한 20㎞ 하류에서의 BOD는? (단, K1(탈산소 계수, base=상용대수) = 0.1/day이고 유하도중에 재폭기나 다른 오염물질 유입은 없다.)
정답 ① · 하천 흐름 시간(t)을 구하면 거리 20km(20,000m)를 유속 2m/min으로 흘러가므로 t = 10000분이며 이는 약 6.94일에 해당합니다. 최종 BOD인 10mg/L가 시간 경과에 따라 감소하는 식(BODt = BODu × 10^(-k1*t))을 적용합니다.
BOD 감소는 지수함수 법칙을 따르므로, 유수시간을 계산한 후 BODt=BODu×10^(-k1t) 공식에 대입하여 최종 BOD를 산출한다.
Wipple의 하천의 생태변화에 따른 4지대 구분 중 ‘분해지대’에 관한 설명으로 알맞지 않은 것은?
정답 ④ · 문제는 Wipple의 하천 4지대 중 분해지대의 특성 중 틀린 설명을 찾는 것이다. 분해지대는 유기물 분해가 활발하여 용존산소가 크게 감소하고 이산화탄소는 증가하며 혐기성 균류 등이 번식하는 구간이고 주로 작은 하천이나 희석이 적은 구간에서 뚜렷하게 나타난다.
분해지대는 유기물 분해로 용존산소가 고갈되며 아질산염/질산염은 생성되지 않는다.
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