총 Nitrogen 측정을 위한 더 쉽고 빠르고 비용 효율적인 선택

Taylor Reynolds

총 nitrogen 분석 검사 키트는 사용자들에게 공정수 및 폐수 내 총 nitrogen 수준을 측정하는 단일 검사법을 제공하기 위해 개발되었습니다. 기존에는 사용자들이 총 Kjeldahl nitrogen(TKN), nitrate 및 nitrite 분석을 수행하고 그 합을 구하여 총 nitrogen 값을 획득해야 했습니다.  새로운 총 nitrogen 검사 키트는 기존의 방법에 비해 더 빠르고, 안전하고, 정확하며 비용이 적게 듭니다.

총 nitrogen(TN) 농도는 수자원의 부영양화 때문에 문제가 되어왔습니다. 그리고 더 많은 미국 내 주들이 TN의 한계를 규정하기 시작하면서, 정확한 검사가 무엇보다 중요해졌습니다. 유감스럽게도, 다수의 실험실과 다양한 검사 절차는 최종 결과의 차이로 이어질 수 있습니다. 오늘날의 많은 검사법은 또한 시간 소모적이고 비싸며 심지어 실험실 기술자들이 사용하기에 안전하지 않습니다.

환경 및 농업 생물학 검사 프로그램 마케팅 관리자인 Taylor Reynolds는 "현재의 방법은 이 상황에서 변동성과 인적오류를 끌어들입니다. 그러니 기존의 방법이 최적이 아니라는 것은 의심할 여지가 없습니다"라고 말합니다.

기존의 총 nitrogen 검사법은 변동성에 민감합니다.

아마도 TN을 검사하는 가장 흔한 방법은 합산법으로, 총 Kjeldahl nitrogen(TKN), nitrite 및 nitrate를 측정하는 것이며 3개의 독립된 실험을 수행해야 합니다. 총 nitrogen은 미국 EPA의 40 CFR Part 136에서 단일 분석물질로 규정되지 않습니다. 결과적으로, 미국의 각 주들에게 TN에 대하여 어떻게 방법을 규정하고 검사할 지가 자체적으로 맡겨졌습니다. 대부분의 주는 TKN + nitrite + nitrate(합산법)로 규정하는 것에 의존하였습니다. 합산법은 이상값에 덜 민감한 방법론이고 실험실에서는 이미 검사를 수행할 장비를 가지고 있지만, 몇 가지 명백한 단점을 지니고 있습니다.

• 긴 시간. 해당 절차는 완료하기까지 최소 약 2.5시간이 걸립니다.
• 위해성. 검사는 퓸 후드 아래에서 수행되어야 하며, 튀거나 산에 대한 노출의 위험이 있습니다.
• 폐기물 생성. 산과 액체에서 폐기물이 생깁니다.
• 정확성 오류. 각 개별 검사는 자체적으로 +/- 정확성이 있습니다. 검사 결과가 합산될 때, 합계의 정확성은 해당 검사들의 모든 오차 범위 합계를 따라갑니다.
• 추가적인 단계가 필요할 수 있습니다. 만약 방류수 내 nitrate 수준이 상승하면, 총 Kjeldahl nitrogen 값이 억제될 것입니다. 그러면 해당 nitrate를 ammonia로 환원시키기 위해 추가적인 단계가 필요합니다.

더욱이 nitrite 및 nitrate를 측정하는 각기 다른 많은 방법들이 있으므로 합산 측정과 관련하여 일부 해석의 여지가 있습니다. 예를 들어 아이오와 주에서는 일부 작업자들이 각자 다른 방법을 사용하는 여러 실험실에 시료를 맡겼다는 것을 발견하였습니다. 그런 뒤 공장 작업자들은 데이터를 선별해서 가장 낮은 숫자를 골라 같이 합산하여 규정준수를 보장하는 TN 수치를 얻었습니다. Reynolds는 "이것은 수역의 건강을 모니터링하는 데 이상적이지 않습니다. 그리고 공장이 변동성과 오류에 노출되기 때문에 점점 걷잡을 수 없이 나빠질 것입니다"라고 말합니다. "모호한 설정임에도 불구하고, TKN 검사에 능숙한 실험실 기술자에게 아직 이야기하지 못하고 있습니다."

더 새로운 검사는 화학발광법입니다. 이 검사는 이온화 장치에 주입할 적은 양의 시료를 요구합니다. 이온화 장치는 720°C에서 가동됩니다. 불꽃의 색상은 주입된 시료에 따라 변하며, TN 수준과 연관이 있습니다. 이 방법에 대한 일부 단점은 다음을 포함합니다.

• 규제상 건전하지 않습니다. 이 방법은 규제 준수에 대해 덜 이상적인데, 수로 건강에 아무 영향을 끼치지 않아 생화학적으로 문제가 되지 않는 nitrogen의 무기물 종류(모래, 작은 돌, 침전물)를 포함한 시료 내 모든 nitrogen이 720°C에서 전환되기 때문입니다. 그리고 무기물 종류가 기록되기 때문에 인위적으로 높은 TN 값이 나타납니다. 결과적으로 이 방법은 내부 참조용으로만 사용될 수 있습니다.
• 특화된 장비가 필요합니다. 화학발광법은 섬세한 장비가 필요하며 모든 실험실에서 보유하고 있지는 않습니다. 백금 촉매 같은 경우 교체 비용이 비싸고 작동이 복잡합니다. 요컨대 실험실이 하나의 검사만 수행하게 될 기기를 구매하기로 약속한다는 것입니다.

Reynolds는 "이런 검사에 있어서, 잠재적으로 잘 안될 가능성이 있는 것들이 많습니다. 특히 신뢰성과 결과의 반복성에 있어서요. 하지만 대안이 없죠"라고 말합니다.

표준화된 총 nitrogen 검사는 자신있는 결과를 제안합니다.

아이오와 주 전역의 실험실은 사실 신뢰성, 반복성 및 손쉬운 사용을 약속하는 대안적인 총 nitrogen 방법론을 시험하고 있습니다. 이 검사는 Koroleff 소화로 알려진 화학 반응에 기반하고 있습니다. 작업자가 간단하게 시료를 소화 튜브에 넣고 sodium hydroxide 및 potassium persulfate를 추가하면, 산화작용을 일으켜 모든 nitrogen 유도체를 nitrate로 전환시킵니다. 소화 과정이 완료된 뒤, 시료의 더 적은 양을 다른 바이알로 옮기고 색깔을 만드는 시약을 추가하면, 농도에 따라 밝은 혹은 어두운 분홍색이 만들어집니다. 분광광도계를 사용하여 흡착 분석을 수행하여 시료의 TN 수준을 측정합니다.

분광광도법 총 nitrogen 검사 키트

이 새로운 검사는 TN을 위한 하나의 표준 검사가 될 가능성을 제공합니다. 더욱이, 이 검사는 몇 가지 명백한 이점을 제공합니다.

• 간단한 사용. 단일 TN 결과를 얻기 위한 단일 검사 및 다른 선택지와 비교했을 때 간소화된 단계.
• 안전성. 검사는 퓸 후드가 필요없으며 모든 것이 밀폐된 용기 내에서 수행됩니다.
• 특별한 장비가 필요없습니다. 이 검사는 모든 실험실에서 찾아볼 수 있는 일반적인 분광광도계로 수행 가능합니다.
• 속도. TN 검사는 약 1시간에 완료됩니다. Reynolds는 "상업적 실험실의 목표는 하루에 가능한 한 많은 검사를 수행하여 가장 많은 돈을 버는 것입니다"라고 말합니다. "이 새로운 검사는 그런 곳의 처리량을 늘려줄 것입니다."
• 불확실성의 제거. TKN, nitrite 및 nitrate에 대해 각기 다른 3가지 검사를 수행하고 그 값들을 합산하는 것에 비해, 단지 한 번의 실험으로 결과에서 높은 신뢰도를 제공합니다.
• 적은 비용. 기존의 실험실 장비를 활용하므로, 완전한 합산법 검사를 수행하는 데 $15의 비용이 드는 것과 비교하면, TN 검사를 수행하는 데 약 $3.75의 비용이 들게 됩니다.

이 검사는 유럽과 전 세계에서 수십 년간 사용되었으며 이제 막 북미 시장에도 도입되고 있습니다. EPA의 마지막 방법 업데이트는 2017년에 이루어졌지만, 업계 관계자들은 국가 검사를 통합하는 수단으로서 EPA가 이 방법을 TN을 위한 새로운 방법으로 공포할 것이라는 희망을 가지고 있습니다.

Reynolds는 "업계에서 흔히 사용하는 집계 방법은 변동성과 오류가 생길 기회가 있습니다"라고 말합니다. "만약 한 작업자의 검사 결과에 변동성이 있으면, 검사가 잘못되었기 때문이 아닌지 확인해야 합니다. 새로운 이 검사는 그러한 변동성을 제거할 수 있습니다."