질소 성분의 단계별 구분

질소성분의 이해와 이를 제거하기 위한 다양한 방법들이 소개된 블로그를 소개합니다. 다음의 내용을 읽어 보고, 더 많은 정보를 얻기 원하시면 글의 마지막에 소개한 링크를 따라 방문해 보시기 바랍니다.

1.총질소

총질소(Total Nitrogen ; T-N)는 무기성 질소와 유기성 질소의 총합이며, 무기성 질소는 암모니아성 질소, 질산성 질소, 아질산성 질소의 합이다. 유기성 질소는 단백성 질소와 비단백성 질소의 합을 말한다. 유기성질소가 분해되어 암모니아성 질소로 되고 나면 총질소는 실질적으로 무기성 질소를 나타 내는 것이 된다.

자연계에서 질소는 순환하게 되는데 이에는 미생물과 효소가 관여하는 호기성분해에 의하여 변화과정을 거친다. 즉 암모니아성 질소는 아질산성질소로, 아질산성질소는 질산성질소 형태로 산화한다. 식물성 플랑크톤은 자연계에 있는 N2, HNO3와 같은 무기 질소를 고정하여 암모니아성 질소 또는 식물성 단백질을 생성하여 증식한다. 한편 이것을 먹는 1차 소비자인 동물 플랑크톤, 어류 등은 식물성 단백질을 동물성 단백질로 바꾼다. 이와 같은 현상은 물론 물속에서만이 아니라 육상에도 일어나게 된다. 그러한 생물의 생활활동에 따라 각종 단백질, 아미노산, 요소, 요산 등이 배출되며, 생물의 유체에서도 유기체인 질소화합물이 자연계로 돌아오게 된다.

자연수계에서도 이들의 유기성 질소는 호기성균에 의하여 분해되어 안정한 질소화합물로 변모하는 것이다. 그 속도는 자연계에 비하여 인공의 수처리계에서 매우 빠르게 진행될 수 있다. 예를 들면 하수처리장의 활성슬러지공법에 의하면 10～20시간에 이와 같은 질산화(nitrification)가 어느 정도 달성되고, 질산화균의 활동을 높이면 보다 빨라질 수 있다. 안정화된 무기성질소는 질산호흡, 아질산호흡을 하는 생물에 섭취․고정되든지 또는 탈질균에 의해 N2, N2O의 형태로 유리되어 대기로 방출된다. 이와 같이 필요에 따라 인위적인 수처리 조작에 이와 같은 조작을 행하면 총질소의 감소를 유도할 수 있다. 혐기성 분해가 이루어지는 상황에서도 질산환원균, 아질산환원균, 탈질균 등이 작용하여 활동하므로 시간이 경과함에 따라 총질소는 감소하게 된다. 따라서 총질소를 측정하는 것은 이와 같이 중요한 의미를 가지고 있으며 수처리의 조작뿐만이 아니라 호소와 해양의 부영양화 억제 혹은 생태계의 제어에 중요한 지표가 된다.

그림 1.자연계 에서 질소성분의 변화 과정

2. 암모니아성 질소

단백 암모니아성 질소가 호기성균에 의하여 무기성 질소로 변하지만 그것은 암모니아성 질소로 된다는 것을 의미한다. 지표수와 천층 지하수의 속의 암모니아성 질소는 대부분이 유기적인 오염 특히 분뇨성 오염에 유래하지만 공장 폐수의 경우는 그렇지 않다. 암모니아는 생물 성장에의 영향, 관의 부식, 염소 소독의 문제에 관련하고 있어서 각국은 용수에 있어 그 기준치를 정하고 있다. 암모니아성 질소가 어느 정도 이상 존재하면 헤모글로빈과 산소의 결합 작용이 방해받는다. 물고기에 있어서 0.3 mg/ℓ의 농도에서도 혈액중의 산소량이 감소하였다는 보고도 있다. 특히 수도수에서 이 암모니아성 질소가 골치거리인 것은 소량의 암모니아성 질소에 대하여 대량의 염소가 필요하다는 것이며, 불연속점 염소처리장의 경우 암모니아성 질소의 약 10배 정도의 염소 주입이 필요하게 된다. 이 때문에 수도원수의 암모니아성 질소는 당연히 낮은 값을 유지하여야 한다. 수도수뿐만이 아니라 관개용수에 있어서도 암모니아성 질소는 매우 문제가 된다. 관개용수 중에 과잉량의 암모니아성 질소가 존재하면 뿌리가 썩는 등의 장애를 일으킨다. 수중에서 암모니아(NH3)의 형태로 존재하는 것은 매우 적으며 암모늄이온(NH4+) 또는 수산화암모늄(NH4OH), 염화암모늄(NH4Cl) 등의 형태로 된다. 그 기초 반응식은 다음과 같다.

NH3 + H2O ↔ NH4OH ↔ NH4+ + OH-

위의 식에서 수산화암모늄의 해리정수는 1.8×10-5이다. 따라서 반응식은 다음과 같다.

pH = 6에서 이 비는 1,800이고, pH = 7.0(중성)에서 180, pH = 8에서 18이다. 그러므로 암모니아성 질소는 대부분 암모늄이온으로 존재한다.

3. 아질산성 질소, 질산성 질소

Nitrosomonas와 같은 박테리아의 존재하에 암모니아성 질소는 아질산성 질소(nitrite nitrogen)로 변화된다.

NH4+ + O2 → NO2- + 2H+ + H2O

아질산성 질소는 소화기관에서 메트헤모글로빈증을 일으키는 것 이외에 여러 가지 장애를 일으키는 물질이다. 아질산성 질소가 존재하면 비교적 오염이 오래되지 않았음을 알려 주며 또 생물학적인 안정화가 아직 충분히 진행되고 있지 않음을 알려 준다. 자연계에서 아질산성 질소는 비교적 빠르게 질산성 질소로 변화하기 때문에 고농도의 아질산성 질소는 발견되지 않는다. 아질산성 질소는 음용수에도 그리 좋은 영향을 주지 않으며 공업용수에도 환영받지 못한다. 예를 들면 염색공업이나 양조공업에 있어서 아질산성 질소를 함유한 물은 이용가치가 매우 없다. 그러나 암모니아성 질소, 질산성 질소와 함께 식물성 플랑크톤에 있어서는 필수 영양 물질이며 부영양화 원인 물질의 하나이다. 아질산성 질소는 Nitrobacter와 같은 질산균에 의하여 질산성 질소로 변화한다. (NO2- + O2 → NO3- )

질산성 질소의 형태로 되면 일단 안정한 무기성 질소라고 할 수 있다. 암모니아성 질소에서 질산성 질소에 달하는 과정은 인공적인 수처리계에서는 충분한 효소의 공급과 호기성 생물이 존재하면 수 시간 정도에서 달성할 수 있다. 그러나 통상의 활성 슬러지처리만으로는 질산성 질소 이상의 단계 즉, N2, 또는 N2O까지 환원할 수 없다. 질산성 질소 자체는 그리 독성이 있는 것은 아니지만, 물의 오염의 과정을 나타내는 지표 물질로서 중요하다.

호기성하에서 오수중에서 일어나는 질소 성분의 변화

그림 2. 호기성 하 오수중에서 일어나는 질소 성분의 변화

참조글

관련 포스트 : 질소, 인 제거기술 http://blog.naver.com/jmsin30/80159064525
관련 포스트 : 총질소 (TN) 측정방법 http://blog.naver.com/jmsin30/80158462861
관련 포스트 : 총질소 시험방법 http://blog.naver.com/jmsin30/80174029670
관련 포스트 : 생화학적 순환 http://blog.naver.com/jmsin30/80197290074
관련 포스트 : 질소성분의 단계별 구분 http://blog.naver.com/jmsin30/80200393168