24년 서울시 환경공학 5번

🌊 하수의 생물학적 질소 제거(BNR) 문제 풀이 🧪

❓ 문제

하수의 생물학적 질소 제거(BNR)에 대한 설명으로 가장 옳지 않은 것은?

1. 탈질화 과정에서 생성된 알칼리도는 질산화 과정에서 요구되는 알칼리도의 절반 정도를 보충한다.
2. 질산화 물질을 환원하기 위해서는 수소가 필요하며, 이 수소는 유기물의 분해 과정에서 얻어진다.
3. 질산화 반응 중 \( \ce{NH4+ -> NO2-} \) 반응은 전체 질산화 속도를 좌우하는 율속단계이다.
4. 생물반응조 내 유기물의 농도가 높을 경우 질산화 반응은 잘 일어난다.

🔍 1. BNR 기본 개념

BNR(Biological Nitrogen Removal): 하수에서 질소를 생물학적으로 제거하는 과정! 🚰

• 💨 질산화(Nitrification): 호기성 조건에서 \( \ce{NH4+} \) → \( \ce{NO3-} \). 산소와 알칼리도 필요.
• 🌱 탈질화(Denitrification): 무산소 조건에서 \( \ce{NO3-} \) → \( \ce{N2} \). 유기물이 전자 공여체로 필요.

⚖️ 2. 알칼리도 개념

알칼리도: 물이 \( \ce{H+} \)를 중화하는 능력! 주로 \( \ce{HCO3-} \), \( \ce{CO3^2-} \), \( \ce{OH-} \)로 구성. 🧪

• 📏 단위: \( \ce{CaCO3} \) mg/L.
• 🔄 환산: \( \ce{HCO3-} \) 1몰 = \( \ce{CaCO3} \) 50g, \( \ce{CO3^2-} \) 1몰 = 100g, \( \ce{OH-} \) 1몰 = 50g.
• 💧 하수에서: \( \ce{HCO3-} \)가 주성분, pH 6.5~8.5 유지.
• 🛡️ 역할: pH 완충, 미생물 생장, 공정 안정성.

왜 CaCO₃ 단위? 💰

• 🧬 화학적 표준: \( \ce{CaCO3} \) 1g = \( \ce{H+} \) 0.02몰 중화, 다양한 성분 통합.
• 🌍 실용성: 자연수와 하수에서 흔함, 환경공학 표준.
• 📊 비교 용이: \( \ce{HCO3-} \), \( \ce{CO3^2-} \), \( \ce{OH-} \)를 \( \ce{CaCO3} \) mg/L로 환산.

🧠 3. 선택지 분석

1️⃣ 탈질화 알칼리도는 질산화 알칼리도의 절반을 보충

질산화:

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

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

탈질화:

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

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

비교: \( 3.57 \div 7.14 = 0.5 \) (절반). 맞음(O). 🎉

2️⃣ 질산화 물질 환원에 수소 필요

“질산화 물질”은 오타, “탈질화 물질”(\( \ce{NO3-} \)) 의미.

탈질화:

\[ \ce{2NO3- + 10e- + 12H+ -> N2 + 6H2O} \quad (\text{환원}) \] \[ \ce{5CH2O + 5H2O -> 5CO2 + 20H+ + 20e-} \quad (\text{산화}) \]

• 🔋 \( \ce{H+} \)와 전자는 \( \ce{CH2O} \) 분해에서 공급.
• 💡 “수소”는 \( \ce{H+} \) 또는 전자.

판단: 오타 수정 시 맞음(O). 👍

3️⃣ \( \ce{NH4+ -> NO2-} \)는 질산화 율속단계

질산화:

\[ \ce{NH4+ + 1.5O2 -> NO2- + 2H+ + H2O} \quad (\text{느림, Nitrosomonas}) \] \[ \ce{NO2- + 0.5O2 -> NO3-} \quad (\text{빠름, Nitrobacter}) \]

• ⏳ \( \ce{NH4+ -> NO2-} \): 에너지 장벽 높고, Nitrosomonas 느림.

판단: 맞음(O). 🌟

4️⃣ 유기물 많으면 질산화 잘 일어남

질산화: 산소 필요, 자가영양 박테리아.

\[ \ce{CH2O + O2 -> CO2 + H2O} \quad (\text{유기물 산화}) \]

• 🚫 유기물 과다 → 이질영양 박테리아가 산소 경쟁 → 질산화 억제.

판단: 틀림(X). 😓

🎯 4. 정답

가장 옳지 않은 선택지: 4번. 유기물 과다 시 산소 경쟁으로 질산화 억제! 🚨

💎 5. 알칼리도와 CaCO₃ 단위

계산 예시:

• 📉 질산화: \( \ce{NH4+} \) 1몰(N 14g) → \( \ce{HCO3-} \) 2몰 = \( \ce{CaCO3} \) 100g. 질소 1g당 \( 7.14 \, \text{g CaCO3/g N} \).
• 📈 탈질화: \( \ce{NO3-} \) 2몰 → \( \ce{N2} \) 1몰(N 28g) → \( \ce{HCO3-} \) 2몰 = \( \ce{CaCO3} \) 100g. 질소 1g당 \( 3.57 \, \text{g CaCO3/g N} \).

CaCO₃ 단위 장점:

• 🔗 \( \ce{HCO3-} \), \( \ce{CO3^2-} \), \( \ce{OH-} \) 통합.
• 🛠️ 공정 설계와 pH 관리에 직관적.