C₅H₁₁O₂N 유기물의 BOD 분석과 혐기성 분해 메탄 발생량 계산

환경 분석 실험실에서는 농도 100 mg/L의 유기물질이 포함된 폐수 시료에 대한 생물학적 산소요구량(BOD)을 분석하고자 한다.
유기물의 분자식은 C₅H₁₁O₂N이며, 완전 분해되는 것으로 가정하였다.
이 시료의 BOD는 탄소계 BOD(CBOD)와 질소계 BOD(NBOD)로 나누어 분석할 수 있고,
이 유기물이 혐기성 상태에서 메탄(CH₄)으로 전환될 경우 생성되는 메탄량과 알칼리도 변화도 계산이 가능하다.
 

✅ Q1. CBOD와 NBOD 계산

🔹 반응식 설정
C5H11O2N + 8 O2 → 5 CO2 + NO3− + H+ + 5 H2O
 
🔹 분자량 계산
 
C: 5 × 12 = 60  
H: 11 × 1 = 11  
O: 2 × 16 = 32  
N: 1 × 14 = 14  
→ 총: 117 g/mol
 
🔹 NBOD 계산
 
NO₃⁻ 1 mol 생성 시 → O₂ 2 mol 필요
→ NBOD:
 
= (100 mg / 117 g/mol) × 2 mol O2 × 32 g/mol  
= 0.8547 mmol × 64 mg/mmol  
= 54.7 mg/L
 
🔹 CBOD 계산
C 5개 → CO₂로 산화
탄소 1개당 산소 필요량 ≈ 1.2 mol O₂
→ CBOD:
= (100 mg / 117 g/mol) × 5 × 1.2 mol O2 × 32 g/mol  
= 0.8547 mmol × 192 mg/mmol  
= 164.1 mg/L
 

✅ Q2. 실제 폐수에서 정확한 CBOD 측정 방법

문제점: 질산화균(Nitrifier)이 NH₄⁺ → NO₂⁻ / NO₃⁻로 산화 → O₂ 소비량 증가 → CBOD 측정 왜곡됨
해결책:

• 질산화 억제제(Nitrification inhibitor) 사용
  예: Allyl-thiourea(ATU), 2-chloro-6-(trichloromethyl)pyridine
• 또는 NBOD 계산 후 BOD 측정값에서 차감:

CBOD = BOD₇ – NBOD  
NBOD = (NO₂⁻ 생성량 × 1.5) + (NO₃⁻ 생성량 × 2.0) [산소계수]
 

✅ Q3. 혐기성 분해 시 발생 메탄량 및 알칼리도 변화

🔹 반응식
C5H11O2N + 8 H2 → 5 CH4 + NH3 + 2 H2O  
NH3 + H2O → NH4+ + OH−
🔹 메탄 생성량 계산
(100 mg/L) × (1 mol / 117 g) × 5 mol CH4  
= 0.8547 mmol × 5 = 4.27 mmol CH4

→ V = nRT/P = 4.27 × 10⁻³ mol × 0.082 × 298.15 ≈ 0.104 L (ATP 기준)
🔹 알칼리도 증가량 계산
NH3 1 mol 생성 → OH− 1 mol 생성  
OH⁻ 2 mol = CaCO3 1 mol 기준이므로,

→ OH⁻ 생성량 = 0.8547 mmol  
→ CaCO3 환산 = 0.8547 × 0.5 × 100 = 42.7 mg CaCO3
 

✅ 최종 요약표

항목계산 결과

CBOD	164.1 mg/L
NBOD	54.7 mg/L
메탄 생성량	0.104–0.106 L/L
알칼리도 증가량	42.7 mg CaCO₃/L