본지는 우리나라 상수도관 생물막 형성의 실태를 강원대학교 지구환경공학부 환경공학과 김영관 교수로부터 연구자료를 긴급입수, 국내 최초로 그 실체를 보도한다. 김교수는 우리나라가 생물막이 쉽게 형성되는 환경을 감안할 때 서울 등 대도시의 상수도관리에 있어서 관로내의 생물막형성에 대한 대대적인 연구가 병행돼야 할 것으로 진단했다. 김교수가 연구한 생물막 형성에 따른 각종 문제점을 알아본다.
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상수도관을 아무리 새 관으로 교체해도 미생물이 생장할 수 있는 조건이 충족될 경우 5일을 전후하여 생물막이 형성되기 시작하는 것으로 밝혀져 충격을 주고 있다. 상수도관에 생물막이 형성되어 수돗물오염의 주요인자로 알려진 것은 오래전이나, 생물막의 생성에 대한 종합적인 연구는 국내에서는 한국과학재단의 지원으로 처음 있는 일이다.
생물막(biofilm)이란 정수처리과정에서 생존한 세균들이 배급수 시스템으로 유입되어 관 내부에 부착하여 생장하는 과정에서 배출하는 세포외 분비물질과 함께 세균이 결합되어 있는 층을 의미한다. 배급수 시스템에서 형성되는 생물막은 관 재질과 재질의 조도(roughness)에 따라 다르게 나타날 수 있다. 배급수관에서의 생물막 두께는 200-300㎛ 정도이며 일반적으로 생물막이 10-25㎛ 정도의 두께를 형성하면 생물막은 혐기성이 될 수 있으며 생물막이 성숙단계에 도달해 있음을 의미한다. 생물막은 여러 종류의 미생물로 구성되어 있고 균일하고 연속적인 층을 형성하기도 하지만 대부분 불균일하고 이들로부터 떨어져 나간 세균들은 저수조는 물론 수돗물의 중요한 오염원인이 되고 있다.
또한 이들 생물막은 급수과정의 에너지 낭비를 초래하고 운전비용의 증가로 많은 예산이 소모되고 있다. 이러한 생물막의 생성과 억제에 대해 여러 국가에서 연구가 진행되고 있으나 우리나라에서는 연구가 매우 미진한 상태였다.
현재 우리나라 관로 시스템은 주기적인 관로 세척 및 유지관리가 없이 무조건 매설년도 15-20년을 기준으로 관로를 교체하는 실정이다. 생물막 형성을 억제하기 위해서 유럽에서는 동관을 사용한 적이 있으나 동관의 부식문제가 또다시 사회문제가 되어 스틸관 등으로 교체하면서 스틸에서의 2차 오염문제에 대한 연구가 진행중이다.
강원대학교 지구환경공학부 김영관 교수가 발표한 -수돗물의 생물학적 안정성 인자개발 및 민감도 분석-이란 보고서에서 배급수관에서 수돗물의 생물학적 안정성을 위협하는 생물막 형성과 세균 재생장에 직접적인 영향을 미치는 인자로 수돗물에서의 세균수와 생물학적 분해가능 유기물(biodegradable organic matter, BOM), 수온이 중요 인자로 밝혀지고 있다고 말했다. 김교수는 수돗물속의 동화 유기탄소(assimilable organic carbon, AOC)와 생분해성 용존유기탄소(biodegradable dissolved organic carbon, BDOC) 농도가 각각 10㎍/l 미만과 0.1mg/l 미만, 그리고 수온이 5도 정도로 유지될 때 수돗물에서의 세균의 재생장을 억제할 수 있는 생물학적 안정성을 확보할 수 있다고 밝혔다. 특히 BOM이 제한된 조건에서 잔류 소독제의 소독 효과를 달성할 수 있다고 지적하였다.
수돗물에서의 세균 생장을 제어하기 위해서는 정수시설에서 사용되는 소독제로는 모노클로라민에 비해 잔류염소가 효율적이었으나 생물학적 분해가능 유기물이 제한되지 않은 조건에서 부유성 입자의 제거만으로는 생물막에 대한 잔류염소의 효과를 기대하기 어렵다고 밝혔다.
또 잔류염소가 관 내부에 존재하거나 물속의 암모니아와 염소가 반응하여 생성된 모노클로라민이 존재해도 생물막 생성을 완전히 억제하지는 못한다는 결과도 밝혀냈다.
현재 우리나라 수돗물의 온도는 한강수계의 경우 1.1도에서 28.4도의 수치를 나타내나 평균 17.2도의 온도로 급배수관을 통과하고 있는데 이 온도는 대체적으로 생물막 형성에 적절한 온도라고 할 수 있다.
한편, 1.0 m/s 내외의 빠른 유속에서는 생물막이나 이물질의 부착이 어렵다고 볼 수 있으나 유속에 의한 효과는 관내에서의 흐름상태에 따라 다른데, 급수관에서 정체현상으로 인하여 나타날 수 있는 층류인 경우에는 유속이 빠르면 오히려 박테리아 생장에 필요한 영양소의 원활한 공급으로 생물막이 빠르게 형성된다는 것도 이번 연구결과로 나타났다.
인산염 형태로 물속에 존재하는 인의 경우 특히 유기물 함량이 높고 인이 제한된 수돗물에서 인 농도의 미량 증가는 생물막 형성에 영향을 미칠 수 있는 잠재력을 나타낼 수 있다는 결과를 얻었다.
배급수 시스템에 생물학적으로 안정하지 못한 수돗물이 공급되는 경우 잔류 소독제의 손실과 침전물의 축적 및 미생물의 생장이 증가하고 육안으로 관찰이 어렵지만 관 표면에서 5일째부터 106 수준의 많은 세균이 검출되고 지속적으로 비슷한 세균이 유지되는 것으로 나타났다.
특히 관심을 끄는 것은 관 재질에 따라 생물막 형성을 비교했을 때 실험에서 사용한 STS(stainless steel), PVC(polyvinyl chloride), 아연도강관 모두 별 차이 없이 생성되고 있고 다만 관 재질에 따라 유속이 미치는 영향이 다소 차이가 있음을 밝히고 있다.
김교수는 발표자료에서 배급수관의 생물막은 수돗물에 세균이 존재하고 세균이 섭취할 수 있는 영양소가 일정하게 공급되는 한 빠르게 형성되고, 수돗물에서는 부유성 세균의 재생장 현상을 뚜렷하게 관찰할 수 있었다고 밝히고 있다. 세균이 지속적으로 유입되는 한 부유물질의 제거만으로는 생물막 형성 수준을 감소시킬 수 없으며 생물막 형성에 대한 잔류염소의 살균효과는 미미하다고 지적하고 있다.
특히 생물학적인 안정성을 확보하지 못한 수돗물이 공급되는 시스템에서 형성되는 생물막에 대한 잔류염소의 효과는 상당히 제한적이었으며 단지 생물막 형성에 있어 세균의 초기부착속도를 다소 지연시키거나 형성된 생물막의 부분 탈리 및 생물막 형태의 변화에만 영향을 미칠 뿐이라고 강조하고 있다.
김교수의 실험에 사용된 수돗물에서 철, 알루미늄, 망간, 구리, 아연 등의 침적물이 검출되었으며 수도관의 생물막은 주로 자루형, 간상형, 구형 세균으로서 관내의 침적물과 결합하여 부착되는 것으로 관찰되었다.
우리나라 수도관의 경우 부식과 함께 생물막이 많이 형성되고 있는 점을 봐서 수돗물에 세균은 유입되고 있으며 수돗물 평균온도가 17도인 점을 볼때 생물막이 쉽게 생성되는 적절한 여건을 갖추고 있다는 점에서 서울 등 대도시의 상수도관리에 있어서 관로내의 생물막형성에 대한 대대적이고 앞서가는 연구가 절실하다는 점은 이번 연구에서 드러났다.
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