알칼리도

🌊 알칼리도 개념 완벽 정리 🧪

❓ 알칼리도란?

알칼리도는 물이 산(\( \ce{H+} \))을 중화하는 능력입니다. 물에 산성 물질이 들어와도 pH 변화를 막아주는 완충 능력이에요! 😊

• 🛡️ 비유: 알칼리도는 "산성 쓰레기(\( \ce{H+} \))를 치우는 청소부"로, pH를 안정화해 미생물이 잘 살게 합니다.
• 🏭 하수 처리: pH 6.5~8.5 유지, 미생물 활성 지원.

🧪 1. 알칼리도의 구성

알칼리도는 주로 다음 이온들로 이루어져요:

• 💧 중탄산염(\( \ce{HCO3-} \)): 하수(pH 6~8)에서 90% 이상. pH 안정화의 주역!
• 🪨 탄산염(\( \ce{CO3^2-} \)): pH 8.3 이상에서 증가, 하수에서는 소량.
• ⚡ 수산화이온(\( \ce{OH-} \)): pH 10 이상, 하수에서는 드물다.
• 🔍 기타: 인산염(\( \ce{PO4^3-} \)), 암모니아(\( \ce{NH3} \))는 미량 기여.

하수에서는 \( \ce{HCO3-} \)가 알칼리도의 "주력 청소부"! 일반 알칼리도: 100~300 mg/L as \( \ce{CaCO3} \). 🌟

📏 2. 알칼리도 측정

알칼리도는 적정(titration)으로 측정해요:

• 🧑‍🔬 표준 산(\( \ce{H2SO4} \))을 첨가해 pH를 4.5까지 낮춤.
• 🎯 pH 4.5: \( \ce{HCO3-} \)가 \( \ce{CO2} \)로 전환, 대부분 알칼리도 성분 측정.
• 📝 중화된 \( \ce{H+} \) 양을 \( \ce{CaCO3} \) mg/L로 환산.

비유: 적정은 물속 청소부가 얼마나 많은 산을 처리할 수 있는지 "시험"하는 과정! 🧪

⚖️ 3. 알칼리도 단위: 왜 CaCO₃? 💰

알칼리도는 \( \ce{CaCO3} \) mg/L로 표현해요. 다양한 성분을 하나의 표준으로 통합하기 위함!

3.1 CaCO₃의 중화 능력

\[ \ce{CaCO3 + 2H+ -> Ca^2+ + H2O + CO2} \]

• ⚔️ 1몰 \( \ce{CaCO3} \)(100g) = 2몰 \( \ce{H+} \) 중화.
• 📈 1g \( \ce{CaCO3} \): \( \frac{2}{100} = 0.02 \, \text{mol H+} \) 중화.
• 😎 비유: \( \ce{CaCO3} \) 1g은 산 0.02몰을 잡는 "강력한 전사"!

3.2 다른 성분 환산

• 🔄 \( \ce{HCO3-} \): 1몰(61g) = \( \ce{H+} \) 1몰 중화 = \( \ce{CaCO3} \) 50g.
• 🔄 \( \ce{CO3^2-} \): 1몰(60g) = \( \ce{H+} \) 2몰 = \( \ce{CaCO3} \) 100g.
• 🔄 \( \ce{OH-} \): 1몰(17g) = \( \ce{H+} \) 1몰 = \( \ce{CaCO3} \) 50g.

3.3 계산 예시

하수에 \( \ce{HCO3-} \) 122 mg/L, \( \ce{CO3^2-} \) 30 mg/L:

• 📊 \( \ce{HCO3-} \): \( 122 \div 61 = 2 \, \text{mmol/L} \), \( 2 \times 50 = 100 \, \text{mg/L as CaCO3} \).
• 📊 \( \ce{CO3^2-} \): \( 30 \div 60 = 0.5 \, \text{mmol/L} \), \( 0.5 \times 100 = 50 \, \text{mg/L as CaCO3} \).
• ✅ 총 알칼리도: \( 100 + 50 = 150 \, \text{mg/L as CaCO3} \).

3.4 왜 CaCO₃?

• 🧬 화학적 표준: 1g = 0.02 mol \( \ce{H+} \) 중화, 성분 통합.
• 🌍 실용성: 하수와 자연수에서 흔함, 환경공학 표준.
• 📈 비교 용이: \( \ce{CaCO3} \)로 환산해 간단히 합산.

\( \ce{CaCO3} \)는 알칼리도의 "공통 화폐" 💰! 복잡한 성분을 하나로 정리해요. 🎉

🛠️ 4. 하수 처리에서 알칼리도 역할

BNR(생물학적 질소 제거)에서 알칼리도는 필수적이에요:

• 🛡️ pH 완충: pH 6.5~8.5 유지, 미생물 활성 지원.
• 🌱 미생물 생장: 질산화 박테리아의 탄소원(\( \ce{HCO3-} \)).
• ⚖️ 공정 안정성: pH 충격 방지, 공정 효율 유지.

비유: 알칼리도는 공정의 "안전벨트" 🚗, 미생물의 "집"을 쾌적하게! 😊

🔬 5. BNR에서의 알칼리도 변화

5.1 질산화(Nitrification)

\[ \ce{NH4+ + 2O2 -> NO3- + 2H+ + H2O} \]

• ⚡ \( \ce{NH4+} \) 1몰 → \( \ce{H+} \) 2몰.
• 🧪 소모: \( \ce{H+ + HCO3- -> CO2 + H2O} \), \( \ce{HCO3-} \) 2몰.
• 📈 계산: \( \ce{HCO3-} \) 2몰 = \( \ce{CaCO3} \) 100g, N 14g.
• 📉 질소 1g당: \( 7.14 \, \text{g CaCO3/g N} \) 소모, pH 하락.

5.2 탈질화(Denitrification)

\[ \ce{2NO3- + 5CH2O -> N2 + 5CO2 + 3H2O + 2OH-} \]

• ⚡ \( \ce{NO3-} \) 2몰 → \( \ce{OH-} \) 2몰.
• 🧪 생성: \( \ce{CO2 + OH- -> HCO3-} \), \( \ce{HCO3-} \) 2몰.
• 📈 계산: \( \ce{HCO3-} \) 2몰 = \( \ce{CaCO3} \) 100g, N 28g.
• 📈 질소 1g당: \( 3.57 \, \text{g CaCO3/g N} \) 생성, pH 상승.

탈질화는 질산화 소모(7.14 g CaCO₃/g N)의 절반(3.57 g CaCO₃/g N)을 보충! 💸

🏭 6. BNR 공정 설계와 알칼리도 관리

• 📊 모니터링: 알칼리도 100~300 mg/L as \( \ce{CaCO3} \).
• 🧪 화학 첨가: 부족 시 \( \ce{NaHCO3} \), \( \ce{CaCO3} \) 투입.
• 🌱 유기물 조절: 탈질화에 유기물 필요, 과다 시 질산화 억제.
• ⚖️ pH 조절: 과다 시 \( \ce{CO2} \) 주입.

비유: 알칼리도는 공정의 "체온계" 🌡️, 미생물 건강을 지켜요! 😊

📚 7. 요약

• 💡 알칼리도: \( \ce{H+} \) 중화 능력, \( \ce{HCO3-} \), \( \ce{CO3^2-} \), \( \ce{OH-} \).
• 📏 단위: \( \ce{CaCO3} \) mg/L, 1g = 0.02 mol \( \ce{H+} \) 중화.
• 🔬 BNR: 질산화(7.14 g CaCO₃/g N 소모), 탈질화(3.57 g CaCO₃/g N 생성).
• 🛡️ 역할: pH 완충, 미생물 생장, 공정 안정성.

알칼리도는 BNR의 "pH 안전망"! 질산화의 산성 충격을 막고 탈질화로 충전돼요. 🌟