수질 오염 상태를 파악하기 위한 주요 수질 항목(용존산소, 수온, pH, 전기전도도, 클로로필-a 등)의 다양한 측정 원리와 방법론 doc_id PCY_201704060411251151_3

수질오염공정시험기준 상의 용존산소 측정방법은 적정법, 전극법이 있다. 적정법은 아래와 같은 방법으로 수중 용존산소를 정량한다. 시료에 황산망간과 알칼리성 요오드 칼륨용액을 넣어 수산화제일망간을 생성시킨다. 생성된 수산화제일망간은 수중 용존산소에 의해 수산화제이망간으로 산화된다. 이때, 용존산소량에 대응하는 요오드가 유리되는데, 이 유리된 요오드를 티오황산나트륨으로 적정한다. 해당시험기준은 지표수, 지하수, 폐수 등에 적용할 수 있으며, 정량한계는 0.1 mg/L이다. 단, 시료가 착색되거나 현탁된 경우에는 해당 방법을 사용할 수 없으며, 산화・환원성 물질, 미생물 플록(floc)이 존재하면 측정을 방해받을 수 있다. 전극법은 시료 중의 용존산소가 격막을 통과하여 전극 표면에서 산화・환원반응을 할 때 생성되는 전류량으로부터 용존산소량을 측정한다. 해당 방법은 지표수, 지하수, 폐수 등에 적용할 수 있으며, 정량한계는 0.5 mg/L이다. 또한 폴라로그래프 또는 갈바닉 전극 및 이와 동등한 전극을 사용하며, 측정결과는 소수점 첫째자리까지 표시되어야 한다. 수온은 서미스터 저항을 이용하여 측정한다. pH는 염화은 기준전극이 결합된 유리전극을 사용하여 측정한다. 전극 내부에는 일정 농도의 염화칼륨 용액과 기준전극 및 유리전극이 구성되어 있다. 기준 전극은 염화칼륨 용액 내에서 일정한 전위 값을 제공한다. 나트륨 이온이 멤브레인을 통해 수중 수소 이온과 교환되며 이때 전위차가 발생하게 되는데, 이 전위차를 유리전극을 통해서 측정한다. 이때의 멤브레인에서의 전위차와 기준 전극값을 이용하여 수소 이온의 농도를 계산한다. 전기전도도 센서는 4개의 전극을 가진 흐름타입의 센서이다. 전도도/비저항은 교류를 사용하여 5 cm 셀을 통해 측정된다. 전기전도도 값은 25.0 ℃에서의 측정값으로 수정되어 제공된다. 용존산소는 광학 루미네센스 센서를 이용하여 측정한다. 광학 용존산소 센서는 루미네센서 염색액에서 파란 빛을 방출하고 이를 포토다이오드를 이용하여 측정한다. 염료의 발광 시간은 수중 산소의 양에 반비례한다. 또한 측정중에 붉은 빛을 조사하는데 이를 표준 측정값으로 이용한다. 광학 용존산소 센서는 산소를 소모하지 않으며 흐름에 영향을 받지 않는다. 수질자동측정망에서 사용되는 다항목측정기 중의 수온 측정은 서미스터를 사용한다. 일반적으로 NTC 서미스터와 PTC 서미스터로 나눌 수 있는데, NTC(Negative thermal coefficient)는 온도가 올라갈수록 저항이 감소하는 물질이고, PTC(Positive thermal coefficient)는 반대로 온도가 올라가면 저항이 증가하는 물질이다. 일반적으로 센서의 재질이 금속이면 온도가 올라갈수록 저항이 증가하고, 세라믹재질이면 저항이 감소한다. 대체로 전자수온계에서는 세라믹 재질의 소자를 사용하며, 재질로는 NiO, MgO, MnO 등이 온도 센서로 사용된다. 수온의 변화에 따라 서미스터의 저항 값이 달라지는데, 이 저항 값을 온도로 환산하여 수온을 측정한다. 클로로필-a는 수중에 존재하는 조류에 많이 함유된 물질로 조류의 증식으로 인한 수질 오염상태를 간접적으로 측정하는 방법이다. 클로로필에는 클로로필 a, b, c, d 등이 있는데, 클로로필 a는 광합성세균 이외의 모든 광합성생물에 분포한다. 또한 클로로필-a는 분석하기에 충분한 양이 존재하며, 모든 조류나 식물성 편모충류의 일부에 함유되어 있고 죽은 식물플랑크톤에는 적은 것으로 알려져 있기 때문에 조류의 현존량 지표로서 이용된다. 또한 클로로필-a는 녹색식물에 함유되어 있는 녹색의 색소를 의미한다. 조류가 가지고 있는 3가지 색소는 클로로필(엽록소), 크산토필(황색색소), 카로틴(일종의 탄수화물)이다. 보통 플랑크톤의 조류에서 발견되는 클로로필은 클로로필 a, b, c 및 d 등이 있다. 이 중에서 클로로필-a는 모든 조류, b는 녹조류, c는 규조류, 와편조류 등에 포함되어 있으므로 각각의 양을 측정하여 식물플랑크톤의 대략적인 그 현존량을 알 수 있다. 클로로필은 모든 조류에서 유기물 건조 무게 중 약 1 ~ 2%를 차지한다. 이것은 조류의 생물체 평가를 위한 우선적인 지표이다. 세포속의 클로로필은 종 또는 분류군집에 따라 변화하고 조류의 나이, 성장률, 빛 그리고 영양분의 조건에 따라 영향을 받는다. ACT 및 파트너기관, 이해관계자 위원회는 현장에서 사용 중인 클로로필 측정용 fluorometer들에 대한 성능평가를 결정하였다. 형광은 일부 화합물이 특수한 파장의 빛을 흡수함과 동시에 흡수한 에너지의 일부를 특정한 파장으로 방출하는 현상이다. 클로로필-a의 경우, 푸른빛을 흡수하고 붉은빛을 여기시킨다. Fluorometer는 방출된 청색 영역의 빛과 세포에서 여기되는 적색 영역의 빛을 검출함으로써 클로로필-a를 검출한다. 일반적으로 이 형광은 엽록소의 농도에 비례한다. 하지만 이 비례 비율은 자연에서 크게 달리질 수 있다. 클로로필의 측정은 식물성 플랑크톤의 개체수와 분포를 추정하고 부영양화 상태를 평가하는 도구로 수계관리 분야에 널리 사용된다. 또한 클로로필은 광합성을 위한 중요한 인자이며, 생산자 모델링을 위한 중요한 변수이다. 이러한 클로로필의 농도 측정을 위해서 분광광도계, 실험실용 형광 측정계나 HPLC를 이용하며, 이들을 통해 샘플에서 추출된 클로로필의 농도를 측정할 수 있다. 현장에서의 형광 측정은 수중 조류와 cyanobateria에 포함된 클로로필-a를 측정할 수 있도록 설계되어있다. 형광 측정기에서 나온 빛은 물을 투과하여 세포 내 클로로필을 여기시킨다. 클로로필 및 주변 색소로 인한 광흡수는 광합성 반응의 초기 반응이며, 이 과정 중 몇 가지 인자들이 현장 형광측정을 통한 클로로필의 정량을 가능하게 한다. 환경조건, 조류의 조성, 생리학적 상태, 세포 형태, 조도 및 방해물질의 존재 등은 형광과 클로로필 농도 사이의 관계를 결정한다. 방해물질에는 빛 흡수를 경쟁할 수 있는 물질이나 빛의 경로를 변경시키는 물질, 다른 식물의 색소 및 분해물, 용존 유기물질 등이 포함된다. 이러한 다양한 자연 조건에도 불구하고, 현장에서의 형광측정은 유사한 조건 내에서 추출된 클로로필-a의 농도와의 연관성을 잘 나타낸다. 클로로필-a 측정 시, 수질오염공정시험기준과 국가수질자동측정망의 측정방법에는 상당한 차이가 있다. 수질오염공정시험기준은 시료 중의 조류를 여과지를 이용해 걸러낸 후, 아세톤을 이용하여 클로로필-a를 추출, 추출액의 흡광도를 측정하여 클로로필-a의 양을 결정한다. 하지만 국가수질자동측정망 측정기기의 경우, 시료에 직접 일정 파장의 빛을 조사한 뒤 발생하는 형광파장을 측정, 측정결과를 통해 클로로필-a의 양을 산출한다. 아래 수질오염공정시험기준과 국가수질자동측정망 측정기기의 클로로필-a 측정방법을 비교한 그림이다. 그림에서 알 수 있듯이 수질오염공정시험기준에서는 추출된 클로로필-a의 양을 산출하지만, 측정망 자동측정기기의 경우 조류에 흡수된 후 방출되는 형광파장의 빛을 측정한다는 점에서 차이점이 있다. 또한, 하천수 이송 시에 펌프를 이용한다는 차이점 또한 포함된다.