잔류염소(Residual Chlorine)

[배경지식]
일상생활에서 염소(Chlorine)하면 제일먼저 떠오르는 것 중 하나가 바로 수돗물의 냄새일 것이다. 염소는 소독에 있어 매우 유용하게 사용된다.

유리 염소(Free chlorine)는 폐수류에 들어가는 즉시 각종 물질과 화합하는 등 활성이 강하며 무엇보다 살균력이 뛰어나다. 폐수의 경우처럼 암모니아가 존재하면 가용 유리 염소와 화합하면서 클로라민을 만든다. 하지만 클로라민 역시 소독제나 염소에 비하면 살균력은 미미한 수준에 불과하다.

오늘날에도 염소(Cl2)를 소독제로 사용해오고 있는데 병원성 미생물을 박멸한다. 미생물 제거는 염소 농도와 접촉 시간에 비례하며 염소 기체나 차아염소산염이 물에 녹으면 가수분해(물과 화합)하여 유리 염소를 생성하게 된다.

이때 유리 및 결합 염소가 얼마만큼 있는지는 질소 함량, pH, 온도, 염소 첨가량에 따라 다르게 된다. 가령 폐수의 일례를 들면 수중의 암모니아 및 기타 물질 함량에 비해 염소 첨가량이 상대적으로 적은 탓에 유리 염소가 크게 존재하지 않는다.

염소는 같은 물에서 유리염소와 결합염소 두 가지 형태로 공존할 수 있기 때문에 이들을 아울러 총염소라는 항목으로 측정하게 된다.

⦁유리 염소: 차아염소산 또는 차아염소산이온 형태로 존재하게 된다.
⦁결합염소: 모노클로라민, 다이클로라민, 삼염화질소 및 그 외 클로로 유도체 형태로 존재한다.

결합염소 농도를 확인하는 방법은 유리염소 시험과 총염소 시험을 별도로 시행해야 한다. 방법은 어렵지 않다. 총염소 측정값에서 유리염소 측정값을 빼면 결합염소 농도 값이 남게 되어 쉽게 구할 수 있다.


[일반적인 염소 분석]
음용수 잔류 염소 검사의 중요성
음용수를 염소 살균하지 않으면 감염으로 장티푸스, 콜레라, A형 간염, 기타 설사성질환을 일으킬 수 있다. 염소 검사의 중요성을 설명하자면 다음과 같다.
염소 처리를 충분히 하지 않으면 살균력이 떨어진다.
염소 처리가 과하면 수영장 냄새 때문에 음용을 기피한다. 이 때문에 사용자가 급수를 외면하고 기타 경로로 취수하려 든다면(즉, 보건상의 사각지대에 놓인다면) 소독의 의미가 없다.

[잔류 염소]
염소가 살균제로 매력적인 이유는 다음과 같다. 일단 실험실에서든 현장에서든 측정이 용이하다. 또한 적정량 투약 시 살균성 잔류물질을 남기기 때문에 상수도상에서나 가정용 물탱크에서 도로 오염할 일이 없다. 상수도상에서 염소를 검출하지 못하면 오염 혼입 여부 혹은 투약상의 문제를 의심해볼 필요가 있다.

잔류 염소는 3개 항목으로 구분하여 측정한다.
유리 염소(Free chlorine) - 살균력이 가장 뛰어나다.
결합 염소(Combined chlorine) - 유리 염소가 타 화합물과 반응해 생겨난다.
총 염소(Total chlorine) - 유리 염소와 결합 염소의 합계.

위의 3개 항목 중 유리 염소를 가장 중요하게 다뤄야 한다. 그 측정법은 다음과 같다.

샘플링
유리 염소는 안정성이 떨어지는데다 물에 장시간 잔류하지 못한다. 이 현상은 기후가 온난할 때 특히 심하다. 일광 및 혼합 조건에서는 소실이 더 빠르다. 이런 연유로 잔류 염소는 현장 분석을 원칙으로 삼는다. 선 채취 후 분석으로는 결과를 신뢰할 수 없다.

시험 방법
시험에는 화학약품 N,N-디에틸-p-페닐렌디아민(N,N-diethyl-p-phenylenediamine, 이하 DPD)을 사용한다. 예전에는 오르토톨리딘(Orthotolidine, 이하 OT)과 아이오딘화칼륨 전분을 사용하였다. 그러나 OT에 발암성이 있는데다 아이오딘화칼륨 전분으로는 총 잔류 염소밖에 측정할 수 없으므로 DPD 조달이 불가하지 않은 한 이 방법을 채택할 이유가 없다.

각종 장비가 DPD 시약을 사용하지만 비용 및 편의 면에서 염소 비색계를 살펴보겠다. 시중 제품 대부분은 제조사 측 전용 시약과 같이 써야 한다. 보통은 소형 정제 형태의 시약을 약포에 담아 제공한다. 즉, DPD 용액 조제 과정 없이 현장에서 곧바로 검사에 임할 수 있어야 한다.

DPD 용액으로도 잔류 염소를 측정할 수 있다. 그러나 분광 광도계, 필터 광도계, 적정 장비 등을 이용해 실험실에서 분석해야 한다. 또 DPD 용액을 얻으려면 버퍼와 기타 시약을 조제해야 한다. 위 분석법은 정확도가 매우 높지만 여기서 그 방법론과 필요 시약까지 세세하게 논할 수는 없다. 세부사항은 화학 분석법 매뉴얼을 참조하라. 보통은 액상 DPD 분석법 수준의 정확도를 필요로 하지 않는다. 통상 여건 대부분에는 약식 현장 분석을 권한다.

pH 측정
염소는 6.5~8.5pH 사이에서 가장 효과적으로 작용한다. 따라서 잔류 염소는 반드시 pH와 함께 측정한다. 구간 바깥에서는 약품 처리로 pH를 완충할 필요가 있다. 흔히 6.5pH 미만 산성수에는 석회를 가하고 8.5pH 초과 알칼리수에는 황산반토를 가한다.
염소 비색계 일부 제품은 페놀레드 시약 정제를 사용함으로써 잔류 염소와 pH를 동시에 시험할 수 있다.


음용수 급수 염소 처리 지침
음용수의 병원균 오염을 막으려면 유리 잔류 염소를 적정 수준 유지해야 한다. 잔류 염소 요구 수준은 급수 형식과 지역 상황에 따라 다르다. 그러나 어떤 경우든 접촉 시간 30분 경과 후에도 잔류 염소 0.5mg/l 이상을 만족해야 한다. 콜레라 발생 또는 유행 조짐이 보이면 잔류 염소를 최소한 다음 수준으로 유지하는 것이 좋다.

- 수도관 전 지점에서 0.5mg/l
- 급수대 및 우물에서 1.0mg/l
- 탱크로리 내, 충전시설에서 2.0mg/l

콜레라 위험 지역에 속하지 않을 경우 급수 전 지점에 대해 잔류 염소 0.2~0.5mg/l를 만족해야 한다. 수처리 플랜트에서 1mg/l 정도로 내보내면 위와 같은 결과를 얻을 수 있다. 0.8mg/l부터는 물에서 수영장 냄새가 나기 시작한다. 보건상 불가피한 경우가 아니라면 소비할 무렵에는 이보다 낮은 수치로 떨어지도록 조절하는 편이 바람직하다.


염소 요구량
염소 첨가 시 그 일부를 물이 즉각적으로 소모해버린다. 상기의 소모량을 물의 염소 요구량이라 한다. 특정 수원의 염소 요구량은 어지간해서는 크게 바뀌지 않는다. 염소 처리를 제대로 했다면 대상 수원의 염소 요구량을 충족하고도 0.2~1.0mg/l 가량의 잔류 염소가 남아 살균 효과를 지속해야 한다. 우물이나 우수 저장탱크의 필요 염소량을 추정하려면 수원의 염소 요구량을 알아야 한다.

상수도의 염소 요구량을 다음과 같이 개산할 수 있다.
- 염소 약 일 퍼센트짜리 용액을 조제한다. 표백제를 병으로 구입해도 좋다.
- 맑은 물 일 리터를 떠서 밀폐 용기에 담는다.
- 여기에 일 퍼센트 염소 용액 여섯 방울을 가하고 섞은 다음 30분간 방치하라.
- 30분이 지났으면 전술한 방법에 따라 유리 염소를 검사한다.
- 유리 잔류 염소가 비색계 범위(통상 1.5~2.0mg/l 또는 ppm) 안에 들어야 한다. 동 구간을 벗어난 경우 필요에 따라 일 퍼센트 염소 용액을 더 가하든 샘플을 희석하든 하여 위 조건을 만족하라. 이때에도 마찬가지로 30분간 방치하고 재검에 든다. 상기 검사 결과는 “초기 염소”량이다.
- 유리 잔류 염소가 1.5~2.0mg/l 내에 들면 물 500 밀리리터를 따라내 둘째 용기로 옮긴다.
- 염소 요구량 측정 대상(이를테면 우물물 따위) 500밀리리터를 떠서 위의 둘째 용기에 추가로 부어 넣으라. 혼합하고 30분간 방치한다.
- 30분이 지났으면 둘째 용기를 대상으로 유리 잔류 염소를 검사한다. 상기 검사 결과는 “잔류 염소”량이다.

염소 요구량 = 초기 염소/2 - 잔류 염소

위의 염소 요구량을 필요 염소량과 합하라. 잔류 염소(우물 또는 탱크에서) 0.2~1.0mg/l를 최종 목표로 한다.


염소 처리 / 탈염소 처리
도시 용수 및 산업 용수를 처리하고 폐수의 미생물을 제거하는데 염소를(Cl2) 사용한 지 오래다. 염소가 병원성 미생물 거의 대부분을 순식간에 무력화하는 능력을 지녔기 때문이다. 염소의 효능은 염소 농도, 노출 시간, 물의 pH에 따라 다르다. 상수 처리에도 염소를 사용하는데 보통 0.5mg/L 정도로 잔류 염소를 남기곤 한다. 산업 용수 처리 체계에서 유리 잔류 염소 농도를 0.5–1.0mg/L나 그 이상으로(유입수의 유기물 함량에 따라 다름) 유지하면 취수 라인, 열 교환기, 모래 여과기 등의 오손을 방지할 수 있다.

생물 오손 방지를 요하는 경우(이를테면 지표수가 특히 그렇다) RO역삼투/NF나노 필터 전처리에 대해 염소 처리를 적용하고 있다. 취수구에 연속 공정으로 염소를 첨가하고 반응 시간으로 20~30분을 할애한다. 전처리 라인 전 구간에 걸쳐 유리 잔류 염소 농도 0.5–1.0mg/L를 유지하되 멤브레인 상류에 가서는 탈염소 처리를 해야 한다. 멤브레인이 산화 작용에 의해 손상할 수 있기 때문이다.

염소에 의한 화학적 손상 속도는 급수의 여러 특성에 좌우한다. 알칼리 pH 조건하에서는 중성 및 산성 pH에서보다 손상 속도가 빠르다. 물이나 멤브레인 표면에 철 또는 기타 전이 금속류가 있을 경우에도 손상이 가속화한다(이들 금속류는 멤브레인 열화를 촉진한다). 따라서 멤브레인 시스템 살균을 목적으로 일부러 염소를 사용할 필요는 없다. 멤브레인이 산화할 위험이 있기 때문이다.

급수를 연속 공정으로 염소 처리 및 탈염소 처리하는 과정이 업계 표준으로 자리 잡게 된지 오래나, 탈염소 처리 지점을 지나고 나면 종종 생물 오손이 발생하는 문제가 있다. 물의 유기물은 염소와 반응해 생분해성 물질로 잘게 조각난다. 멤브레인에 염소가 남아있지 않기 때문에 시스템을 그때그때 살균하지 않으면 양분 증가와 함께 미생물이 증식할 우려가 있다. 그래서 요즘은 연속 공정 염소 처리/탈염소 처리 방식을 예전만큼 선호하지 않는 추세다.

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