상수도관망 부식제어 · 생물막 제거에 관한 고찰 ②

상수도관망 부식제어 · 생물막 제거에 관한 고찰 ②: 상수도관 노후화 연장, 관로교체 비용 절감; 염철민 | eco@ecomedia.co.kr | 입력 2004-12-31 09:31:27

부식 제어 및 생물막 제거 기술

PH 등 정수 수질조절로 관부식 제어
상수도관의 내부 부식을 제어하는 가장 기본적인 방법은 정수의 수질을 조절하는 것으로, 이 중 pH조절은 가장 일반적이고 폭넓게 사용되는 방법이다(이현동 등, 2000).
pH는 상수도관 재질의 용해도를 결정하는 가장 중요한 인자로 대부분의 금속성 물질(철, 구리, 아연, 납 등)은 pH가 낮은 경우 용출이 잘 된다(Pisigan et al., 1985). 그리고 탄산알칼리도가 충분할 경우, pH가 증가하면 납과 구리와 같은 금속은 불용성의 탄산염을 생성시켜 용출이 억제된다(곽필재 등, 2002). 소석회를 주입하면 pH와 함께 알칼리도도 증가하지만 그 상승폭이 적기 때문에 중탄산염(HCO₃죚)과 같은 약품을 투입해 알칼리도를 먼저 증가시키고 pH를 조절하면 부식억제효과를 증대시킬 수 있을 것이다(Vik et al., 1996).
수중에 탄산칼슘에 의한 경도가 존재하지 않는 경우 사용할 수 있는 부식방지법으로는 Na₂CO₃나 NaHCO₃를 주입시키는 방법을 들 수 있다(Scull, 1980). Ca(OH)₂는 pH나 알칼리도만을 증가시키는 NaOH에 비해 칼슘경도를 함께 증가시켜줄 수 있게 때문에 탄산칼슘 포화지수가 상대적으로 NaOH보다 커져 부식조절에 보다 효과적이다(곽필재 등, 1997). Leroy(1983)의 연구에 의하면 알칼리제 처리를 1년 동안 지속적으로 실시했을 경우에 가정 수도전에서 중금속 농도를 계속적으로 감소시킨 것으로 나타났다.
부식억제를 위해 약품을 주입해 pH, 알칼리도 및 경도를 조절할 때에는 pH에 따른 소독제의 효과와 경제성을 고려해야 한다. 부식억제만을 위해 pH를 증가시킬 경우, 소독효과가 높은 HOCl이 H죘와 OCl죚로 해리되어 염소요구량이 증가하게 된다.
그러므로 국내 정수장의 실정에 맞게 pH 조절에 소석회를 적절히 주입해 지나친 pH 상승을 억제하고 동시에 알칼리도 및 경도를 조절하는 방법을 강구해야할 필요가 있다(곽필재 등, 2002).
정수의 수질을 조절해 부식을 제어하는 연구로 조순행(1987)의 연구를 들 수 있는데 부식에 영향을 미치는 인자 중에서 pH 및 탄산염의 농도변화에 따른 4종류의 금속(철, 납, 아연, 구리)의 부식정도를 각 금속 시료의 무게 감소에 의한 측정을 한 결과 같은 pH 조건인 경우 (pH=8) 탄산염의 농도가 낮은 경우보다는 높은 경우에 부식의 정도가 낮아짐을 관측했다.
그러나 낮은 탄산염 농도 (2 mg/L)의 경우에는 pH의 변화에 따른 납의 부식 정도에는 변화가 없는 것으로 나타났으나, 탄산염의 농도가 6~7 mg/L의 경우 낮은 pH 범위(pH6~8)보다 높은 pH(pH9.4)에서 부식의 정도가 약한 것으로 나타났다. 이는 낮은 탄산염 농도의 경우 부식을 방지하기 위해 pH를 높여주는 것보다 탄산염 농도를 증가시켜 주는 것이 더 효과적임을 의미한다.
세계보건기구(WHO)는 부식방지 및 조절을 위한 방법을 음용수 수질을 위한 지침(Guidelines for Drinking Water Quality)에 제시하고 있다. 내용으로는 배급수관 재질에 관한 지침에서 pH6.5 이하, 경도 60mg/L as CaCO₃ 이하의 물은 동관보일러를 사용하지 못하도록 하고, 납의 용출을 최소화하기 위해 pH를 8.0~8.5로 유지하도록 제안하고 있다(WHO, 1993).
USEPA에서는 정수처리시 pH조절이 간단하면서도 유효하다고 판단되어 원수의 경도가 100mg/L as CaCO₃ 이상인 경우 pH를 7.6 전후로 하고, 원수의 경도가 이보다 낮은 경우 pH를 적어도 8.0으로 할 것을 제안하고 있다(USEPA, 1992).
그러나 국내에서는 pH, 알칼리도 및 경도조절 등이 부식을 제어하는 가장 경제적인 수처리 방법 중의 하나이지만 pH상승, 탁도 유발 등의 불안감을 가지고 있어 적극적인 대처를 하지 못하고 있다(곽필재 등, 2002).

인산염계의 부식방지제 사용
대부분의 경우 강관이나 동관의 부식방지용으로 사용되는 물질은 phosphate나 polyphosphate와 같은 인산염계로서 이들은 금속에 metal phosphate의 막을 형성해 부식을 방지한다(Millette et al., 1980).
인산염계 부식방지제는 양극 부식방지제로 수중 금속이온과 반응해 금속표면 위에 침전 및 불용성의 부식방지 피막을 형성하는 기능을 수행하며(Nancollas, 1983; 조순행, 1987), 인산염을 단독으로 사용했을 경우보다 음극 부식방지제인 아연을 함께 사용하게 되면 시너지 효과에 의해 부식제어 효과가 훨씬 높아진다(Rozenfeld, 1981; Volk et al., 2000; 우달식 등, 2003).
부식방지제로서 인산염계의 주입은 미생물의 성장에 영향을 미치지 않거나 오히려 저감시키는 것으로 보고된 바 있다(Rosenzweig, 1997; Appen-zeller et al., 2001; Edwards et al., 2001).
부식방지제의 주입농도는 환경부고시(환경부, 2002)에 명시된 것과 같이 P₂O5농도로 10mg/L (PO₄로 13mg/L)를 넘지 않아야 한다. 국내의 경우 산업용 부식방지제는 비교적 널리 사용되고 있으나, 상수도 배·급수 시설에서의 수도용 부식방지제 도입은 정수장의 수질관리 차원에서 다뤄지고 있는 것이 아니라 수돗물의 이용자들이 아파트, 연립주택 등 공동주택의 저수조 후단에서 제한적으로 이뤄지고 있는 실정이다(김준환, 2001).

물리화학적 방법에 의한 부식·생물막 제거
상수도 배·급수관의 부식과 생물막의 제거와 관련된 국내 연구로는 대표적으로 한국건설기술연구원(2002)에서 수행한 연구결과에서 나타난다.
공기충격파와 세관제(소독제 또는 화학세관제) 등을 이용한 건물내 노후급수관의 스케일 세관효과 연구(이현동 등, 2001)에서 공기충격파에 의한 단독세관에서는 통수능 증가율이 0.8%, 세관제에 공기충격파를 병용할 때의 통수능 증가율은 0.1~2.8%로 세관효과가 낮게 나타났다.
오존과 화학세관제는 주로 산성에서 세관효과가 높게 나타났으나 세관 후에 관내면의 중화처리가 필수적이다. 특히 급수관 세관에 적용될 경우, 세관 도중에 발생되는 유독한 냄새 또는 가스의 발생에 대한 대처가 매우 중요할 것으로 판단된다.
노후급수관의 수도용 방청제와 자기 및 이온화 처리장치를 이용한 세관효과 연구(이현동 등, 2002)에서는 80%의 통수능을 가진 급수관이 100% 통수능 회복을 위해 요구되는 시간이 이온화 처리장치(448일)가 수도용 방청제 투여(487~504일)나 자기처리장치(663일)에 비해 빠른 것으로 나타났다.
그러나 이들 방법들은 오존과 같은 화학적인 처리방법이나 물리적인 세관방법보다 통수능 회복에 장시간이 소요된다는 단점이 있다.
기존 배관설비 분야에서 다양한 용도로 사용되고 있는 pig공법을 이용한 건물내 노후급수관의 스케일 세관효과 연구(이현동 등, 2002)에서는 KDP 시리즈 polly-pig에 의해서 통수능이 3~15%까지 증가되기는 했지만 대부분 제거가 이뤄진 부분은 적색스케일(Fe₂O₃·3H₂O)이었으며, 흑색스케일(Fe₂O₄·nH₂O) 제거에는 한계가 있는 것으로 나타났다.
그러나 KDP 시리즈 polly-pig의 겉표면에 fine sand를 코팅한 KDPS 시리즈 polly-pig에 의해서는 통수능이 13~18%까지 증가됐고, 대부분의 흑색스케일도 제거되는 것으로 나타났다.
크리닝밸브에 나선형 가이드베인을 설치하고, pig에 회전날개를 부착함으로써 회전력을 크게 향상시킨 결과 통수능 90%인 노후관이 세관 후 통수능이 완전히 회복되는 것을 확인했다. Pig공법에 의한 세관은 다른 세관공법에 비해 세관절차가 매우 단순하고, 짧은 시간에 세관이 이뤄졌다(이현동 등, 2002).

결어 및 제언

이 글에서는 부식제어 및 생물막 제거에 대한 국내 연구현황을 통해 향후 연구방향을 제시하고자 했다.
국내 연구현황을 요약하면 부식이나 생물막이 형성되기 이전에 적용할 수 있는 사전제어수단으로써 수질의 조절이나 부식방지제를 사용하는 방법을 들 수 있고, 부식이나 생물막이 형성된 이후에 적용할 수 있는 사후제거수단으로써 물리화학적 제거방법을 들 수 있다.
사전제어수단으로 수질의 조절로써는 pH나 탄산염 농도를 낮은 것보다는 높게 조절하는 것이 유리했고, 부식방지제를 사용하는 경우에는 양극 부식방지제의 단독 사용보다는 음극 부식방지제와 병용하는 것이 효과적이었다.
사후제거수단으로 물리화학적 방법으로는 공기충격파, 오존, 수도용 방청제, 자기 및 이온화 처리장치, pig공법에 의한 세관 등 여러 가지가 있으나, 이중에서 pig공법에 의한 세관이 세관효과 및 세관절차, 세관시간 면에서 볼 때 우수한 편에 속하는 것으로 나타났다.
따라서 부식이나 생물막에 대해 사전제어수단으로써 수질의 조절과 부식방지제를 적절히 적용하고, 필요한 경우 사후제거수단으로써 pig공법에 의한 세관을 수행함으로써 상수도 배·급수관에서의 2차 오염을 예방하고, 더불어 수돗물 소비자에게 끼칠 수 있는 위해성을 방지할 수 있을 것으로 생각된다.
특히, pig공법을 이용한 상수도관망의 주기적인 세관을 통한 지속적인 유지관리는 사전제어수단으로써의 기능도 수행하여 상수도관의 노후화를 연장시켜줄 수 있고, 더불어 관로교체에 소요되는 비용을 절감하는 경제적인 효과도 누릴 수 있을 것으로 생각된다.