수돗물, 고가수조 등서 가장 많은 수질 영향
’02년 12월말 현재 국내에서는 933개 급수구역 내에 전체 인구의 88.7%인 약 43,021천명이 상수도를 공급받고 있으며, 상수도 시설용량은 1일 28,561천㎥이다. 1일 1인당 급수량은 362ℓ 로 ’96년에 409ℓ이었던 이후로 해마다 감소추세에 있다. 이는 절수기 설치와 물절약운동의 전개 등으로 물 사용량이 줄고, 노후수도관 교체 등으로 누수량이 감소했기 때문이다.
실제적으로 상수도 누수율은 ’96년에 19.6%이었던 것이 지속적으로 감소해 ’02년에는 12.3%였다(환경부, 2003). 이와 같은 상수도 누수 원인 중의 하나로는 상수도관의 파손을 들 수 있다.
상수도관의 파손원인은 여러 가지가 있을 수 있지만 국내에서는 주철관과 아연도 강관의 경우에는 시설의 노후가, 덕타일 주철관이나 PVC관, PE관의 경우에는 수격압이 원인인 경우가 많다. 시설의 노후 원인 중에서는 관부식이 가장 많은 부분을 차지하고 있으며, 수격압은 관파열 또는 접합부 이탈 및 파열현상의 주요 원인으로 작용하고 있다(이현동 등, 2002).
상수도관의 부식은 수질, 온도, 수리학적 영향 등 여러 가지 원인이 있을 수 있다(Stinson, 1983). 상수도관에서의 부식성은 상수도관 내에서 탄산칼슘의 침전 및 용해 가능여부를 나타내는 탄산칼슘 포화지수로 나타낼 수 있는데, 탄산칼슘 포화지수가 낮으면 부식성이 강하다.
부식성이 강하면 상수도관 내에서 탄산칼슘의 보호막을 형성시키지 못해 상수도관과 물이 직접적으로 접촉하게 되어 부식을 촉진시킨다. 상수도관에서 부식생성물의 축적은 세균이나 기타 미생물의 보호막을 제공하고, 이런 미생물들이 재성장해 맛, 냄새, 슬라임 등의 수질문제를 일으킬 수 있다(Lewand-owski et al., 1997).
국내에서 상수도관 부식에 대한 연구는 수질특성이 부식에 미치는 영향, 부식생성물에 의한 잔류염소 감소특성, 상수도관에서의 미생물 재성장 및 제어, 배·급수관의 세관기술 평가 등 다양한 분야에서 이뤄졌다. 본 연구에서는 상수도관망에서 부식제어 및 생물막 제거에 대한 국내 연구현황을 종합적으로 살펴보고, 향후 연구방향에 대해 제언했다. 국내 연구현황은 크게 세 가지로 살펴봤는데, 첫째로 부식발생에 영향을 미치는 인자에 대해 살펴봤고, 둘째로 이러한 부식발생 영향인자에 의해 생성된 부식생성물이 인체 및 수질에 미치는 영향에 대해 살펴봤으며, 셋째로 부식과 생물막의 제어 및 제거기술에 대해 살펴봤다.
부식발생 영향인자
상수도관의 부식성을 나타내는 탄산칼슘 포화지수로는 일반적으로 LI(Langelier Index)와 CCPP(Calc-ium Carbonate Precipitation Poten-tial)가 잘 알려져 있다. LI는 탄산칼슘에 대해 포화(=0), 불포화(<0), 과포화(>0)를 판단하며, CCPP는 탄산칼슘으로 포화되는데 필요한 탄산칼슘의 양으로 계산된다(Langelier, 1936; Rossume et al., 1983; Rodolfo, 1985).
국내 정수장에서 생산되는 수돗물은 사용하는 상수원수의 수질에 따라 조금씩 차이가 있기는 하지만 탄산칼슘 포화지수인 LI나 CCPP가 대체로 낮아 부식성이 매우 크다(곽필재 등, 1997; 곽필재 등, 2001). 또한 수처리과정 중 전염소처리, 응집제의 과다사용 등으로 황산이온과 염소이온 농도가 증가해 부식성에 미치는 수질의 영향을 더욱 악화시키고 있는 실정이다(서규태 등, 1998; 곽필재 등, 2002).
부식에 영향을 미치는 인자로 고온, 금속내의 불순물, pH, 상수도관 표면의 거칠음의 정도, 상수도관에 작용되는 압력, 상수도관 내부를 흐르는 물의 용존산소농도 등을 들 수 있으며, 미생물에 의한 생물막의 형성, 용존산소농도의 변화, 화학적 성분의 변화 등도 부식을 가속화시키는 인자가 될 수 있다(조순행, 1987).
특성별로 살펴보면 pH, 알칼리도, 경도, 철, 아연, 망간 등은 농도가 높을수록 부식을 억제시키고, 전기전도도, 염소이온, 황산이온, 잔류염소 등은 농도가 높을수록 부식을 촉진시킨다. 특히, 부식촉진인자 중에서 염소이온과 황산이온은 주로 공식발생에 기여한다(이현동 등, 2001).
그러나 상수도관의 부식은 부식억제인자와 부식촉진인자 사이의 상호간 영향력의 크고 적음에 따라 다르게 나타난다.
이는 이현동 등(2001)의 연구에서 밝혀졌는데 한강(경기도), 낙동강(부산광역시), 호소수계(광주광역시)에 위치한 아파트의 저수조, 고가수조, 세대내 수도꼭지 수질 등을 측정분석하고, 아연도 강관을 이용해 모의순환 관로시스템을 제작해 부식속도를 측정한 결과 낙동강 수계의 수질이 대체적으로 다른 수계에 비해 부식억제 효과를 갖는 수질인자와 부식촉진 효과를 갖는 수질인자들에 대한 농도가 모두 높게 나타났음을 확인했다.
한편, 전기전도도는 110㏁/cm 이상에서 부식에 영향을 미친다(Fonta-nan, 1986). 중성의 pH 범위일 때 임계농도 이하에서 산소의 농도가 증가함에 따라 부식속도는 증가하며, 중성부근에서 용존산소의 임계농도는 16-20mg/L이다(Fontanan, 1986). 또한 잔류염소농도가 1mg/L이상일 경우 금속의 보호막을 이탈시켜 부식을 촉진시킨다(Lewandowski et al., 1997).
수온이 증가함에 따라 부식속도는 수온이 약 80℃ 까지 지수함수적으로 증가(AWWARF, 1996)하는 것으로 볼 때, 수온이 높은 하절기에 그리고 겨울철에 비교적 수온이 높은 실내 배수관에서도 부식이 발생될 수 있다(Fontanan, 1986).
부식생성물이 미치는 영향
>>과량의 철·구리 등 인체에 유해
상수도관의 부식으로 인해 먹는 물에 포함될 수 있는 유해 금속성분으로는 철, 납, 구리, 아연 등을 들 수 있으며, 이러한 중금속들의 인체에의 영향은 다음과 같다.
먹는 물 중에 철이 과량 함유되면 관절염 증세를 나타내는 병에 걸릴 수 있다. 먹는 물 중 철 농도가 0.3mg/L 이상인 경우 물맛이 나빠지고, 세탁물 및 급수시설에 얼룩이 지게 되며, 물이 붉은 색을 띠게 되어 이른바 적수를 형성하게 된다.
구리는 농도가 1.0mg/L 이상인 경우 물에서 금속맛이 나게 되나 인체에는 심각한 영향을 주지 않는 것으로 보고되고 있다. 다만 구리의 농도가 상당히 높은 경우에는 관절에 이상 증세가 나타나기도 한다.
아연은 부식성이 강한 물이 아연도강관을 통과할 경우 수중에 아연 농도가 높아질 수 있으며, 농도가 5mg/L 이상일 경우 물맛이 나빠지며, 구토, 위경련, 설사, 고열 등의 증세가 나타난다.
납은 신경중추, 소화기, 혈액, 위장 등에 영향을 미치며, 1인 섭취량이 1mg/day를 초과하게 되면 납이 인체에 축적되게 되어 사망할 수 있다(조순행, 1987).
>>관종·수질 등이 잔류염소 감소요인
고농도의 잔류염소는 부식을 촉진시키며, 유기물과 계속적으로 반응해 소독부산물을 생성시킨다. 반면, 저농도에서는 수온이 높은 여름철에 미생물의 재성장과 같은 미생물학적 안전성을 확보하지 못하는 경우가 있다.
잔류염소가 갖는 물 속에서의 반응상수와 관벽과의 반응상수는 현장의 특성에 따라 매우 다양하게 나타나므로 상수도관망 시스템의 특성, 즉 관종 및 관경의 영향, 수리학적 영향, 기타 수질영향에 따른 잔류염소 감소특성을 파악하는 것이 필요하다 (Vasconcelos et al., 1997).
관의 부식정도는 강관 > 주철관 > 스테인레스스틸관 = 합성수지관의 순서로 보고된 바 있으며(이광호, 1997), 관종에 따른 잔류염소 감소경향은 동관 > 아연도강관 > 스테인레스스틸관 > 덕타일주철관 > PE관 > PVC관의 순서로 알려져 있다(이현동 등, 1998).
또한 흐름상태일 때가 정체상태보다 잔류염소가 빠르게 감소하고, 염소특성에 따라서는 total chlorine보다 free chlorine의 감소가 빠르다(박노석 등, 1998; 이현동 등, 1998; 이현동 등, 2001).
잔류염소 감소는 용존유기물(Dis-solved Organic Carbon, DOC)보다는 철의 산화에 우선적으로 소모되며(김성진 등, 2003), 수돗물은 각 급수과정 중 고가수조에서 세대 수도꼭지까지 공급되는 급수관과 횡주관을 거치면서 수질에 가장 많은 영향을 받는다(이현동 등, 2004).
>>배·급수과정서 미생물 재성장
먹는 물의 배·급수 과정에서 미생물의 양이 이상하게 많아지는 현상을 통상적으로 재성장 혹은 후성장이라고 한다. 재성장이란 소독제에 의해 손상을 입고 정수장에서 배·급수 관망으로 들어간 세균들의 회복을 의미하며, 후성장은 관망 자체내에서의 미생물의 증식을 의미한다(LeChevallier et al., 1987).
한편 상수도관에서 발견되는 미생물은 부유미생물과 부착미생물 형태인 생물막으로 크게 구분된다. 이 중 생물막은 부유미생물에 비해 소독제에 대한 내성이 강하다. 그 결과 잔류소독제 농도가 불충분한 구역에서는 생물막으로부터 박리된 세균에 의해 흐르는 물 속에 과잉의 세균이 축적하게 된다(박성주, 1993).
상수도관에서의 미생물 재성장에 대한 연구에 있어 지하에 매설돼 있는 상수도관 내부를 직접 관찰하는 것은 매우 어려우므로 간접적으로 생물막 형성 장치를 만들어 전자현미경으로 관찰하거나 부착생장 세균을 분리 배양해 경향이나 거동을 추이하는 방법을 사용하는 것이 일반적이다(이지형 등, 1997).
미생물 재성장과 관련된 국내 연구결과는 몇몇 연구자들에 의해 제한적으로 이뤄졌다. 몇 가지 연구결과를 살펴보면 다음과 같다.
박성주(1993)의 연구에서는 3개월 동안 가동한 생물막 반응기에서 초기에는 0.5㎛ 정도의 단구균을 형성하고, 이어서 연쇄상구균과 포도상구균으로 천이한다. 6주 후부터는 간균과 규조류와 매우 큰 진핵생물이 부착돼 미생물 공동체를 형성하고, 3개월경에는 사상균 출현과 생물막 매트릭스 등으로 극상에 이른다고 했다.
이지형 등(1997)은 스테인레스스틸관과 아연도강관 시편을 이용해 여기에 성장하는 미생물의 종을 관찰했는데 대부분 규조류(Synedra, Bacillaria, Navicula)였고, 녹조류(Cosmarium)나 yeast와 같은 종속영양세균도 확인했다. 시편별로 미생물의 부착성을 비교해 볼 때 스테인레스관 시편이 아연도강관 시편보다 전체적인 미생물 양에 있어 더 많이 검출됐는데 이는 전자현미경 촬영결과 관의 재질에 따른 표면구조의 차이로 보여지며, 이는 스테인레스의 표면에 많은 갈라진 틈 사이로 유기물과 미생물이 많이 침적되기 때문이다(Ridgway et al., 1982).
이지형 등(1997)은 Y정수장의 송·배·급수계통 내에서의 수질변화를 조사했는데 모두 먹는 물 수질기준에 만족했다. 그러나 총 유기탄소(Total Organic Carbon, TOC)의 경우 현재의 먹는 물 수질기준에는 포함돼 있지는 않지만 약 1.2-6.8mg/L의 분포를 보이는 것으로 나타나 수온이 높은 여름철에 미생물이 재성장할 가능성이 높다고 했다.
이와 유사한 연구결과가 이지형 등(2001)에 의해 보고된 바 있는데 표준식 정수처리공정을 거쳐 배·급수관으로 공급되는 관로 중 시멘트모르터 라이닝된 덕타일주철관에서 채수한 시료의 생분해성 용존유기물(Biodegradable Dissolved Organic Carbon, BDOC)가 0.7mg/L의 높은 농도를 보이고 있음을 확인했다. 이는 많은 학자들이 제안한 생분해성 용존유기물(BDOC)의 미생물 재성장 잠재성 한계값인 0.2mg/L를 크게 상회하는 것으로 미생물 재성장의 가능성이 큼을 보여준다. 한편, 박노석 등(1998)은 상수도 관망내에서 잔류염소의 농도가 0.8mg/L 이상임에도 불구하고 탄소원이 존재하게 되면 염소에 내성을 가지는 생물막의 생성은 가능하다고 했다.
☞ 다음호에 계속
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