1. Introduction
1)국내 6개 권역 상수원수는 652개 정수시설에서 처리되어 상수도 관망을 거쳐 일반가정이나 산업현장으로 수송된다 (MOLIT, 2011). 원수나 처리정수의 수질이 환경 기준에 적 합하다 할지라도 수송과정에서 정수처리시설 내부 배관이 나 연결 관망에서 내부 부식으로 인해 2차 오염물질이 발 생되어 공급되는 최종 수질은 부식 부산물로 오염되고 있 는 실정이다. 서울시 수돗물 평가 위원회에서 2006년 서울 시 내 6개 정수장의 원수와 정수, 직수, 물탱크수의 수질을
†To whom correspondence should be addressed.
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조사한 결과 정수처리 후 아연의 농도는 2.5배, 철은 불검 출에서 0.033 mg L-1로 증가하였으며, 구리 농도는 가정 수도에서 약 2배 증가된 것으로 나타났다(Yu et al., 2008).
또한 Ahn et al. (2012)은 상수도관의 부식으로 구리, 아연, 철의 농도가 정수에서부터 수도수까지 단계별로 증가됨을 보고하였고, 먹는물 수질기준의 초과 우려 가능성을 제시하 였다. 정수처리시설 및 연결 배관의 부식과 이로 인한 음 용수내 중금속 오염 발생은 국외에서도 주요 수질 문제로 언급되고 있다. 캐나다에서는 70여의 정수배수시설에서 공 급되는 음용수질 내 구리의 농도는 0.02 ~ 0.075 mg L-1이 었고, 조사 대상 시설의 약 20%가 정수처리 후 그 농도가 증가한 것으로 나타났다(Dietrich et al., 2004). 미국에서도 정수 처리 후 가정으로 공급되는 음용수에서 구리의 농도 가 세계보건기구(World Health Organization, WHO)와 미국 환경보호청(U.S. Environmental Protection Agency, U.S.
EPA) 건강대책기준(health action level)을 초과하였다. 그 총설
상수원 관망 부식 제어를 위한 부식성 수질 관리:
북미지역 관리 사례 및 국외 현황
김민희․현승훈*,†․이원석**․Loretta, Y. Li***
고려대학교 환경생태연구소
*고려대학교 환경생태공학과
**국립환경과학원 상하수도연구과
***브리티시콜롬비아대학교 토목공학과
The Regulations and Guidelines for Management of Corrosive Water and Pipe Corrosion in Drinking Water Distribution System in North America
Minhee Kim Seunghun Hyun*,† Won-Seok Lee** Loretta, Y. Li***
Institute of Environment and Ecology, Korea University
*Department of Environmental Science and Ecological Engineering, Korea University
**Water Supply and Sewerage Research Division, National Institute of Environmental Research
***Department of Civil Engineering, The University of British Columbia, Canada (Received 10 March 2017, Revised 24 April 2017, Accepted 10 May 2017)
Abstract
Water distribution systems supply drinking water to consumers’ taps. Internal corrosion of metallic pipe used in drinking water distribution systems has reduced water quality and led to increased levels of toxic heavy metals such as lead, copper and nickel. These problems have been experienced to varying degrees by water utilities in many countries. North America has successfully managed and controlled pipe corrosion and corrosive water in water distribution system based on various policies, regulations and rules. Practical and engineering guidelines for evaluation of pipe corrosion and determination of treatment options are also provided to assist drinking water supplies. In addition, the corrosion mechanism in water distribution systems, such as the complex effects of physical and chemical parameters on the corrosion pipes has been improved to accurately predict corrosion rates of metallic pipes in actual water distribution systems. This paper reviews various regulations, policy statement, and treatment produces on controlling corrosion in drinking water distribution systems in US and Canada and then offers suggestion for management of corrosive water and pipe corrosion in drinking water distribution system in Korea.
Key words : Corrosion index, Corrosive water management, Drinking water quality, Heavy metals, Pipe corrosion
외 정수시설이나 배관에서 또한 금속 부식반응이 일어나고, 수질내로 철, 아연, 크롬, 니켈, 납, 구리 등이 용출되는 사 례가 보고되었다. 이와 같은 부식과 중금속 용출의 원인으 로 시설 및 배관을 통과하는 수질의 부식성이 제시되었다 (AWWA, 2011; Boyd et al., 2008; Cuppett, 2016; Edwards et al., 2009; Health Canada, 2008; Huggins, 2008).
특히 우리나라는 지질의 대부분이 화강암, 화강편마암 등 으로 구성되어 있어, 국내 상수원수는 대체적으로 알칼리도 와 경도가 낮다. 이와 같은 수질 특성은 관의 부식 관리에 불리한 수질 특성인 것으로 알려져 있다(Yu et al., 2008).
이로 인해 국내에 설치된 관망의 노후화 속도가 증가되어 2010년 기준 20년 이상 된 노후관의 비율은 전체 관로의 21%에 이르고 있다(Ahn et al., 2012; MOE, 2011; Park et al., 2014). 그럼에도 불구하고 국내 상수도 관로의 부식에 따른 수질 영향과 이를 개선 및 관리하기 위한 연구는 아 직 초보적인 수준이다. 또한, 전체 정수 시스템을 고려한 계획보다는 단순한 경험에 의존한 관망 관리가 이루어지고 있기 때문에 물 관리 선진국의 정수시설 부식관리 및 관망 부식 제어 체계에 비해 자료축적, 부식 예방 연구 및 관리, 정책 등이 미비한 실정이다.
따라서 본 연구는 물 관리 선진국인 미국과 캐나다를 대 상으로 정수 관망 내부 부식관리와 부식성 수질평가 방법, 부식제어 체계를 검토하고, 최근 국외에서의 부식성 수질 인자관련 연구 현황과 금속관 부식평가를 위한 지표들을 고찰하여, 그간 국내 정수시설 관망 관리의 문제점을 제시 하고 부식성 수질 예측 및 제어 기법의 개선방안을 제시하 고자 한다.
2. The limitations of corrosion index
금속관체 내부 부식을 평가하는 수질의 부식성 지표 (corrosion index)는 몇몇의 부식성 인자를 이용해 산출된 지수로써 이를 통해 수질의 부식성을 간접적으로 평가하고 수질 처리에 필요한 정보를 얻고 있다(Bastida et al., 2013;
Husband and Boxall, 2011; Li et al., 2015). 대표적 부식성 수질 평가 지표와 산출식은 Table 1에 제시하였다.
랑게리아 지수(Langelier Saturation Index; LSI)는 1936년 W.F. Langelier에 의해 개발되었으며, 수질의 pH, 온도, 총 용 존 고형물(Total Dissolved Solid, TDS), 알칼리도(alkalinity), 칼슘이온의 값을 이용하여 산출되어진다(Langelier, 1936). 탄 산칼슘(CaCO3)의 포화(LSI = 0), 불포화(LSI < 0), 과포화 (LSI > 0)상태를 구분하여, 침전 또는 용해를 예측하는 이론 적인 지수로써 가장 일반적으로 알려진 부식 평가 방법이 다. 산출된 지수 값을 통해 관 내부 스케일(scale) 형성에 따른 관내 표면의 보호피막으로 관의 부식 억제 가능성을 제시하고, 탄산칼슘의 용해에 따른 금속 부식으로 녹물 발 생을 예측하기도 한다. 하지만, 실제 탄산칼슘이 관 내부에 침전 되어도 부식(산화)반응을 억제할 만큼 관내부에 강하 게 보호피막이 형성하지 못하기 때문에, 스케일의 탈착에 따 라 관내의 단면적이 감소되어져 실제 관내의 부식을 예측 하기에는 한계가 있는 것으로 나타났다. 뿐만 아니라, LSI 와 음용수내 납과 구리의 부식과는 상관관계가 없는 것으로 연구결과가 도출되기도 하였다(U.S. EPA, 2016). 또한 LSI 가 포함하고 있는 탄산염(carbonate, bicarbonate, hydroxide ions)과 칼슘에 의한 부식억제 가능성과 용존 무기탄소의 존재 여부에 관한 관점에서 부식성을 평가하는 것은 수질
Index Equation Interpretation Characteristic
Langelier Saturation Index
(LSI)
LSI = pH- pHs pH at the site pHs: saturation pH
․ LSI > 0, oversaturated
․ LSI = 0, saturated
․ LSI < 0, unsaturated
Indicator of the degree of saturation of water with respect to calcium carbonate (CaCO3)
Ryznar Stability Index (RSI)
RSI = 2pHs- pH pH at the site pHs: saturation pH
․ RSI < 6.5, causes encrustation
․ 6.5 < RSI > 7, close to equilibrium
․ RSI > 7, corrosive
Determines the corrosive or encrusta- tion character of water. Applies to steel piping and water with medium to high alkalinity ( > 50 mg CaCO3 L-1) Calcium Carbonate
Precipitation Potential (CCPP)
CCPP = Alki- Alkeq
Alki: initial alkalinity Alkeq: equilibrium alkalinity
․ CCPP > 0, oversaturation (precipitation of CaCO3)
․ CCPP < 0, unsaturation (dissolution of CaCO3)
Indicates the theoretical approxi- mate mass of CaCO3 that could be precipitated in the piping
Aggressive Index (AI)
AI = pH + log(AH) pH: hydrogen ion potential A: total alkalinity
H: calcium hardness
․ AI < 10, very aggressive
․ 10 < AI < 12, moderately aggressive
․ AI > 12, not aggressive
Estimates the tendency of water to deteriorate the asbestos cement pip- ing structure
Larson’s Ratio (LR)
Cl-: chloride (mol L-1) SO42-
: sulphate (mol L-1) HCO3-
: bicarbonate (mol L-1)
․ LR < 0.2, no corrosion potential
․ 0.2 < LR < 0.4, small corrosion potential
․ 0.4 < LR < 0.5, slight corrosion potential
․ 0.5 < LR < 1.0, average corrosion potential
․ LR > 1, strong corrosion potential
Represents the corrosiveness due to chloride and sulphate ions. Applied in metallic piping and waters with medium to high alkalinity ( > 50 mg CaCO3 L-1)
(APHA et al., 2005; Bueno-Zabala et al., 2014; De Moel et al., 2013; De Sousa et al., 2010; Imran et al., 2005; Schock, 2002;
Torres-Lozada et al., 2015; Trujillo et al., 2008)
Table 1. Corrosion indices for the scaling and corrosion tendency of water
내에 존재하는 다른 이온들(phosphate, silicate)과 결합할 수 있는 가능성을 배제한 평가방법이기 때문에 현실적인 지표가 되지 못하는 것으로 제시되고 있다(Ontario Ministry of Environment, 2009).
리즈나 지수(Ryznar Saturation Index, RSI)는 LSI의 절대 값이 부식성의 정도를 의미하지 않기 때문에, 이러한 단점 을 보완하기 위하여 1944년 Ryznar에 의해 개발된 탄산칼 슘의 지수이다(Ryznar, 1944). 수질의 pH와 알칼리도를 통 한 산출되는 RSI는 관내의 탄산칼슘의 포화수준을 예측하 는 지표로써, 그 지수가 6.2 ~ 6.8일 때는 수질의 부식성이 없는 것으로 탄산 평형에 근접한 상태이며, 6.8 ~ 8.5에서는 수질의 부식성이 있고, 8.5 이상일 경우에는 강한 부식성이 있는 것으로 평가된다. 하지만, RSI는 철 재질을 위해 개발 된 지표이며, 알칼리도는 > 50 mg CaCO3 L-1의 수질에서 만 적용될 수 있으므로 모든 정수와 수도관을 대상으로 공 통적으로 적용될 수 없는 단점이 있다(Torres-Lozada et al., 2015). 또한 탄산칼슘 포화의 이론에 근거한 지수이므로 실 제 복합된 수질에서는 일관된 결과를 보여주지 못한다. 뿐만 아니라 황동(brass), 청동(bronze), 납땜 연결부분(lead-solder joint) 등으로부터 납, 아연, 구리의 용출과 부식에 대한 평 가를 제시하지 못하고 있다(Ozair, 2012).
탄산칼슘 침전 잠재력(Calcium Carbonate Precipitation Potential; CCPP)은 pH, 수온, 알칼리도, 칼슘 및 총 용존 고형물 등을 이용하여 탄산칼슘으로 포화되는데 필요한 탄 산칼슘의 양을 정량적으로 제시할 수 있어 탄산칼슘의 침 전 경향을 정성적으로 제시하는 지표인 LSI와 RSI과 구별 되어 사용된다(Torres-Lozada et al., 2015; Palazzo, 2015).
하지만 LSI 지표가 가지고 있는 문제점과 동일하게 실제 수질에서 과포화상태의 탄산칼슘은 관내 표면의 강하게 피 막이 형성하지 못하므로, 관내부식을 촉진시킬 가능성이 있 어 현실적인 부식성 지표가 되고 있지 못한 실정이다. 또 한 과도하게 투입되어진 탄산칼슘은 오히려 배관을 막히게 하여 송수량을 감소시킬 수 있다.
부식 공격성 지수(Aggressiveness Index; AI)는 LSI지수를 단순화하여 개발된 지수로써, 석면 시멘트(asbestos cement) 관을 통과하는 수온 4 ~ 27°C의 수질에서 모니터링하기 위 한 부식성 지표이다. 수질의 pH, 칼슘경도, 총 알칼리도로 산출되어진 AI 지수를 통해 탄산칼슘의 불포화(AI < 10)와 과포화(AI > 12) 범위를 선정하고, 관내 스케일 형성의 가능 성을 예측하고 있다(Taghipour et al., 2012). 하지만 AI 지 표는 용존 고형물에 의한 영향을 포함하지 않기 때문에 LSI 지표보다 정확도가 떨어지는 것으로 알려져 있다(Hach, 2008).
또한 석면 시멘트 관만을 위해 개발된 지수이기 때문에 모 든 금속관에 적용될 수 없는 한계가 있다.
라슨 비율(Larson’s Ratio; LR) 지수는 수질 내 반응성이 있는 염소이온과 황산이온이 강산을 만들어 금속의 부식을 촉진하는 과정과 중탄산염에 의한 관내 피막형성으로 부식 을 억제하는 과정을 이들 농도의 상대적인 비를 통해 수질 의 부식성을 예측한다(Larson and Skold, 1957). 하지만 위 의 지수는 스테인레스와 구리관의 부식평가에 적합한 것으
로 알려져 있으며, 부식성을 평가 LR의 기준 수치는 0.4 ~ 1.0로 일관되게 적용되고 있지 않은 실정이다(Davil, et al., 2009; Shams, et al., 2012; Zhang et al., 2014). 따라서 일 관성 없는 기준의 적용으로 통일된 부식성 수질의 평가가 도출되지 못하고 있는 실정이다.
이들 부식성 수질 평가 예측 지표들은 일정한 재질의 수 송관을 위해 개발된 지표이며, 부식 현상의 평가 목적이 서로 다르기 때문에 동일한 수질이라 할지라도 상반된 결 과를 보여주고 있다. 따라서 세계보건기구의 먹는물 수질 가이드라인에서도 모든 재질의 수도관에 공통적으로 적용 될 수 있는 부식지수는 없다고 제시하였다(WHO, 2011).
그러므로 실제적이며 현실적인 부식성 수질 평가는 간접적 인 부식성 지표만을 이용한 평가보다는 부식성 수질이 포 함하고 있는 다양한 특성인자와 설치 배관의 재질을 고려 한 종합적인 평가가 이루어져야 할 것이다. 이를 위해서는 우선 각 부식성 수질 영향인자들의 복합적 영향으로 인한 부식 속도, 용출 중금속, 스케일형성의 촉진과 억제에 관한 연구 결과가 종합적으로 정립되어야 할 것이다.
3. Complexity of water factors influencing on drinking water pipe corrosion
상수도관의 내부 부식을 촉진하는 일반적인 수질 인자는 pH, 용존산소, 잔류염소, 수온, 전기전도도 등이며, 부식을 억제하는 인자는 알칼리도, 경도, 칼슘 등으로 알려져 왔다 (Health Canada, 2009; U.S. EPA, 2016). 하지만 지금까지 일반적으로 알려져 있는 부식성 수질인자라 할지라도, 경우 에 따라 상반된 연구 결과가 도출되고 있고, 다양한 수질 인자들의 복합성 때문에 실제 수질에서는 부식촉진 또는 억제반응이 동시에 이루어지게 된다. 따라서, 정수배수시설 의 금속관의 부식에 영향(부식속도와 스케일형성, 부식에 의한 금속용출)에 미치는 물리학적, 화학적, 생물학적 부식 성 인자에 관한 연구는 일관된 결과로 도출되고 있지 않다 (Lytle and Schock, 2008). 예를 들어, 수질의 pH 7.5 ~ 9.9 범위에서 pH가 증가함에 따라 관의 부식속도와 스케일생 성은 증가되고, 수질 내로 용출되는 철의 농도는 감소되는 것으로 예측되었지만(Sarin et al., 2004), 높은 pH는 오히려 황동(brass)관에서 아연을 용출시키거나 구리관을 손상시킬 수 있는 연구결과가 도출되었다(Trifunovic, 2006). 이와 반 대의 결과로 Sarver et al. (2011)는 pH 9.2 ~ 10 범위는 구 리관 부식에 큰 영향이 없는 것으로 밝혔으며, Oliphant (2010)와 Tam and Elefsiniotis (2009)는 pH 7 이하에서 구 리배관의 부식이 빠르게 진행되고, Lytle and Nadagouda (2010)는 pH 5.5에서 뚜렷하게 용출이 일어남을 보여주었 다. 또 다른 수질 부식성 인자로써 알칼리도의 증가는 관 내부에 부식방지의 성질을 갖는 탄산칼슘 피막을 형성시키 며, 수질 자체의 완충강도(buffer intensity)를 증가시켜 수질 의 부식성을 감소시키는 것으로 알려져 왔다(Bigoni et al., 2014; U.S. EPA, 2016). 이 또한 알칼리도와 금속 부식성
의 연구는 동일한 결과를 제시하고 있지 못하고 있다.
Grace et al. (2012)는 수질 내 1.5 ~ 2.5 mg L-1의 구리 용 출은 높은 알칼리도(~ 280 mg L-1 as CaCO3)에서 측정되었 지만, 이와 반대로 Edwards et al. (2002)은 ~ 300 mg L-1 as CaCO3의 알칼리도에서 구리산화물인 흑동강(tenorite, CuO)의 표면 보호막 형성 때문에 용출되는 구리 농도(0.3 mg L-1)가 낮을 수 있음을 제시하였다. 뿐만 아니라 알칼리 도가 상대적으로 적고 황산이온과 염소이온의 농도가 높은 수질에서는 기존 부식층에서 철과 구리의 용출이 증가될 수 도 있는 결과가 보고되기도 하였다(Hong et al., 2005; Lytle and Schock, 2008). 이와 같은 연구는 수질의 알칼리도 뿐 만 아니라, 수처리 과정 중 전염소/후염소 처리, 황산이온 을 함유한 응집제 등의 사용에 따라 관체 내부 부식이 촉 진 될 수 있는 가능성이 있을 것이다. 용존산소는 철 표면 의 산화환원 반응에서 음극(cathode)의 주요 전자수용체로 써, 철관부식과 철산화물을 생성하는데 중요한 역할을 하지 만, 반응성이 용존산소보다 높은 잔류염소가 존재하게 되면 Fe2+가 Fe3+로 산화되는데 필요한 전해질의 산화-환원전위 가 증가되고, 일련의 잔류염소 반응을 통해서 철의 부식속 도는 증가하게 된다. 뿐만 아니라, 잔류염소 농도가 ≥ 0.4 mg L-1일 경우 구리금속의 보호막을 이탈시켜 부식을 촉진 시킨다고 알려져 있지만(Cong and Scully, 2010; Sarver and Edwards, 2012), 반대로 잔류염소의 농도 2 mg L-1은 구리의 부식 속도를 감소시키는 경향도 관찰된 바 있다 (Boulay and Edwards, 2001). 정수처리시설에서는 관 내부 표면부식을 감소시키거나 억제하는 보호막을 형성하여 부 식속도를 억제하기 위해 부식억제제(인산염 등)을 주입하는 데, 이 또한 금속 배관 부식에 영향을 미친다고 보고되고 있다(Dartmann et al., 2010). McNeill and Edwards (2002) 은 폴리인산염(polyphosphate)으로 처리된 수질이 8시간과 72시간 동안 정체되어진 후 수질에 용출된 납의 농도는 처 리하지 않은 수질보다 증가되었음을 보여주었고, 이를 통해 폴리인산염은 납 성분의 배관을 위한 부식 억제제로서 역 할을 하지 못하고 있음을 보여주었다. 또한 Edwards et al.
(2002)는 음용수내 구리 농도는 폴리인산염의 사용으로 증 가 될 수 있음을 보여주었고, 특히 pH 7.2와 알칼리도 300 mg L-1의 수질에서 폴리인산염는 배관 내부 표면을 보호할 수 있는 공작석(malachite, CuO3·Cu(OH)2)의 형성을 방해하 여, 구리배관의 부식 촉진으로 인한 수질 내 구리농도가 증가 될 것이라 제시하였다. 뿐만 아니라 Stone (2008)은 수질 내 pH 조절에 의한 철의 용출을 제어하는 것과 비교 해서 정인산염(orthpolyphosphate)의 부식방지제 처리를 통 한 철 부식 저감에 큰 효과가 없는 것으로 제시하였다. 특 히 철관 내부 표면의 인산철(FePO4) 보호막 형성은 주철관 (cast iron)에서 철 용출을 저감시키지 못하는 것으로 나타 났다. Alshehri (2008)은 인산 부식억제제 처리에도 불구하 고 금속배관의 부식은 수온과 계절적 차이에 크게 결정되 어진다고 보고했다.
따라서, 국외의 부식성 영향인자의 연구는 다양한 환경과 조건에서 연구가 진행되어 왔으며, 일관성 없는 연구결과가
도출되는 원인을 제시하기 위해 복합적인 부식성 수질인자 를 고려하여 금속배관 재질별의 부식속도, 스케일 생성, 중 금속 용출의 촉진과 억제에 관한 추가적인 연구가 지속적 으로 수행되고 있다.
4. Management and treatment of corrosive drinkig water in North America
4.1. 미국
국외 주요 선진국들은 부식의 의한 음용수의 2차 오염을 예방하기 위해 정수장 단계에서부터 부식성 수질을 평가하 고 관의 부식 억제를 위해 체계적 관리를 실시하고 있다.
미국은 내면도장이 되지 않은 강관의 부식에 미치는 부식 성 수질을 예측하기 위해 1980년 국가 기본 음용수 규정 (National Interim Primary Drinking Water Regulations, IPDWR) 개정에 따라 LSI 또는 AI를 통해 공급되는 수질 에 관한 부식성을 평가하도록 하였다. 하지만, 이후 실제 상수관에서는 이론적 지수의 예측과는 다르게 탄산칼슘 피 막은 관 내부 표면에서 쉽게 탈착되어지고, 이로 인한 관 내 스케일 형성하는 등의 결과로 LSI 와 AI 지표의 문제점 을 제시하였다. 따라서 1990년도 중반부터 미국수도협회에 서는 LSI를 포함한 모든 부식지수를 부식제어 효과 분석 지표로써 사용을 제한하도록 권고하였고, 1994년 미국 환 경보호청의 법 개정을 통해 LSI는 수질관리 지표에서 삭제 되었다.
부식성 수질 예측 평가뿐만 아니라 미국에서는 금속관의 부식에 의한 음용수의 금속 오염물질 용출의 원인을 제거 하기 위해 1986년 안전음용수법(Safe Drinking Water Act) 을 개정하였고, 개정법에 따라 납관, 납땜과 납 함량이 8%
이상인 구리 관은 모든 수질관리 시설에서 사용되지 못하 였다(Dudii et al., 2005). 이후 1991년에는 미국 환경보호청 에서 납과 구리에 관한 규정(Lead and Copper Rule, LCR) 을 발표하여, 정수장 단계에서부터 상수도관로까지의 수질 을 모니터링을 하였고, 음용수 수질 결과에 따라 정수장에 서부터 부식 제어처리를 실시하도록 하고 있다. 지침서에서 제시하는 수질조사 검사지점은 급수인구수와 비례하여 급 수 조사지점 수도꼭지를 선정하고, 수질 검사결과의 10%가 대책기준(action level)을 초과하는 항목(납과 구리항목 동시 초과, 납항목만 초과, 구리항목만 초과)에 따라 수질의 pH 와 용존 무기 탄산(Dissolved Inorganic Carbonate; DIC) 범 위를 기준으로 최적의 공정을 선정하여 부식 제어를 하도 록 하고 있다. 또한 납 또는 구리 항목 중 하나만 기준치 를 초과하며, 정수시설로 유입되는 원수 수질에서 철과 망 간이 높은 경우, 정수처리시설에 철과 망간을 처리시설 유 무에 따라 정수처리방법을 달리하고 있다(Fig. 1). 주입되는 처리제는 앞서 설명한 최적 처리 지침에 따라 수돗물 시료의 90% 수준에서 납과 구리의 대책기준 0.015 mg L-1와 1.3 mg L-1를 넘지 않도록 조절되고, pH는 대부분 소다회(soda ash), 탄산칼륨(potassium carbonate), 가성소다(caustic), 중
Fig. 1. Flowchart to select lead and copper control strategies in U.S. EPA (Sheet A: Exceeded lead and copper action levels, Sheet B: Exceeded lead action level only, Sheet C: Exceeded copper action level only, Sheet D: Exceeded lead and/or copper action levels and have raw water iron or manganese) (U.S. EPA, 2016).
탄산나트륨(sodium bicarbonate), 석회석(limestone)을 통해, 부식억제제는 정인산염(orthophosphate), 혼합 인산염(blended phosphate)이 사용되고 있다. 뿐만 아니라 이들 부식억제제 를 대상으로 지속적인 안정성 검증과 부식억제 효과 및 최 적조건 선정 연구가 진행되고 있으며, 다양한 수질환경조건 에 따라 제시되는 문제점을 논의하고 있다(Cuppett, 2016;
U.S. EPA, 2016; Lytle and Snoeyink, 2002; McNeill and Edwards, 2002). 최근 연구에 따르면 납 서비스 라인(lead service lines; LSLs)의 PbO2 스케일의 형성은 음용수내 납 의 용출 저감에 매우 효과적이며, 그 효과는 정인산염 (orthophosphate) 처리시 보다 큰 효과가 있음을 제시하였 다(Schock et al., 2014; U.S. EPA, 2016). 또한 최적 공정 을 운영하기 위해서 정수장의 배, 급수관에 직접적으로 부 식시험시편을 설치하여 수질 및 환경에 의한 부식의 영향 을 평가하고, 실규모(pilot plant)의 모의 관망 실험을 통하 여 수질변화 및 부식억제 약품 주입에 따른 부식억제 효과 를 평가 한 후 정수장별 관리목표를 설정하고 처리하고 있 다. 모의 관망 실험은 미국재료시험학회(American Society for Testing and Materials; ASTM)의 시험 기준(D2688-05) 에 따라 부식시험시편(corrosion coupon)으로 부식속도를 측정하고 있다(Fig. 2). 예를 들어, Taylor et al. (2006)은 미 국 플로리다주 Tampa Bay Water 관망 재질의 부식시험시편 을 pilot 관망 시스템에 설치하여 고도 처리된 음용수를 대상 으로 수질 변화에 따라 용출되는 철 농도를 열학학적 평형 모델개발을 통해 예측하였다. 능철석(Siderite, FeCO3)의 용해 도를 기초로 철의 용출농도를 주요 이온(OH-, HCO3-, Cl-, SO42-)과의 Fe2+이온과의 반응 따라 산출식을 제안하였다.
FeT = [Fe2+] + [FeOH+] + [Fe(OH)20] + [Fe(OH)H)3-] + [FeHCO3+
] + [FeCO30
] + [FeSO40
] + [FeCl+]
×
×
××
또한 음용수내 납과 구리의 용출에 미치는 수질인자의 영향을 루프형 배관 실험(corrosion loop study)을 통해 수 집된 이화학적 수질 자료를 이용하여 통계학적인 예측 모 델을 산출하였다.
Pb = 1.027(Temperature- 25)× Alkalinity-0.677× pH-2.726× Chloride1.462 × Sulfate-0.228
Cu = Temperature0.72× Alkalinity0.73× pH-2.86× Sulfate0.10
× Silica-0.22
또한 Benson (2009)는 수질 변색예측모델(Prediction of Discoloration in Distribution Systems model), 통계학적 녹 물 용출 모델(Statistical Red Water Release Model), 철 용 출 흐름모델(Iron Release Flux Model)을 제안하여, 음용수
정수처리 시설을 위한 철 부식의 평가를 예측하였다.
4.2. 캐나다
청청 수자원 보유 세계 4위인 캐나다에서도 음용수내 납 성분의 원인을 제거하기 위해, 1977년 납 성분의 모든 공 급 배관을 캐나다 배관 인증(National Plumbing Code of Canada; NPC)에서 제외시켰고, 1990부터 납 재질의 배관 을 비롯한 납땜은 전면적으로 사용이 금지되었고, 현재는 음용수질을 위한 인증규격(NSF/ANSI Standard 61 Drinking Water System Components)으로써 승인된 배관 피팅, 수도 꼭지, 밸브만이 사용되도록 하여 부식에 의한 음용수 내 납 용출의 원인을 제거하였다. 또한 1992년에 수질 내 납에 대 한 최대 농도 허용기준(maximum acceptable concentration) 를 0.010 mg L-1로 설정하였고, 부식으로 인한 추가 중금속 오염 가능 항목으로 구리 및 철 등을 선정하여 음용수내 중금속 오염물질을 관리하고 있다(Health Canada, 2009).
캐나다에서 제시하는 부식성 수질 관리를 위한 프로토콜 에서는 납 성분을 위한 수질조사는 거주지와 비거주지(학 교, 보육시설, 사무실 포함)로 구분하여 서로 다른 방법으 로 수질조사를 하고 있다. 거주지역의 수질조사 검사지점은 급수인구수와 비례하여 선정되어지고, 수도꼭지에서 6시간 의 머무름 시간(stagnation time) 후에 채취한 음용수내 납 의 농도를 측정하여 부식성의 정도를 평가하고 있다. 1차 조사결과를 통해 거주지 내부 배관과 서비스 배관 부식에 의한 납의 용출을 구분하여 예측하고 있다. 1차 수질 조사 대상 중 10%가 대책기준을 초과하면, 2차적으로 30분의 머무름 시간 후에 2 L의 시료를 채취하여 납의 평균 노출 을 평가한다. 여기서 30분의 머무름 시간은 거주 지역 음 용수의 평균 내부사용을 위한 머무름 시간이므로 수질 조 사를 위해 필수적인 시간이다(Dore, 2015; Health Canada, 2009; Postawa, 2012). 비거주지역의 1차 시료는 최소 8시 간의 머무름 시간 후에 채취되어지는데 이는 음용수가 정 체되어있는 기간 동안 납 용출 가능 지점을 확인하기 위한 단계이며, 조사결과 납이 농도가 0.02 mg L-1 이상일 경우 에는 추가적인 2차 수질조사(최소 8시간 머무름 시간 후 30초간을 흐르게 하고 수질조사)를 실시하게 된다. 이를 통 해 건물 내 상위배관의 머물렀던 수질 내 납의 농도를 측 정하고 납 오염원으로써의 건물내부 배관지점을 파악하게 된다(Fig. 3). 또한 공급되는 원수의 부식성을 개선하기 위 해 정수처리시설에서도 실제 가동 중인 수도배관을 채취하 여 이화학적 분석을 수행하거나, 관내에 부식시험시편을 설 치하여 부식 평가하고 있다. 소다와 소석회 등을 투입하여 pH와 알칼리도를 상승시켜 부식을 억제하도록 하고 있으 며, 부식억제제 주입, 관세척 실시 및 수도꼭지에 수처리 장치(역삼투막 등)를 설치하도록 하고 있다(Health Canada, 2009). 부식 조절 및 억제제로써는 음용수 처리 화학물질-건 강 효과관련 규격(NSF/ANSI Standard 60, Drinking Water Treatment Chemicals-Health Effects) (NSF International, 2007)에서 인증된 인산염계(orthophosphates, polyphosphate, pyrophosphate) 또는 규산염계(sodium silicate)가 사용되어
지고 있으며, 최근에 염화주석(tin chloride)이 NSF/ANSI Standard 60에 추가되었다.
국내에서도 부식성 수질 특성을 평가하고 관내 부식과 이로 인해 발생하는 음용수내 2차 오염물질을 저감하기 위 해 선진국에서 적용되고 있는 수질인자 제어 방식과 부식 억제제의 적용, 정수시설 운영 사례 및 수질 관리 체계를 검토하고, 국내 정수장 단계에서부터 도입할 수 있는 부식 제어 기법 및 제도화 개선 방안을 모색하여야 할 것이다.
5. Results and Discussions
2017년 환경부에서는 정수장 기술지원을 실시하고, 수질 내 2차 오염물질의 저감 효과가 우수한 정수장 운영 사례 를 발굴하여 전국 정수장에 적용하기로 계획하였다. 따라 서, 국가적인 정수관리 지원에 앞서 국외 수질관리 현황 및 연구사례를 바탕으로 국내 부식성 수질 관리를 위한 필 요사항과 개선 방향을 제안하고자 한다.
5.1. 국내 부식성 수질 관리 평가 지표 개선
우리나라 상수원수는 일부 석회함 지대를 제외하면 대부 분 연수로써 알칼리도와 pH가 낮아 금속 배관의 부식성을
띄는 수질 특성을 갖는다. 하지만 국내 상수원 운반 배관 에 관한 부식 문제 해결을 위한 연구는 전기화학적인 방법 에 의한 관 외부 부식방지 대책에 관한 연구가 대부분이며, 부식성 수질에 의한 관 내부 부식, 이로 인한 오염물질 용 출에 관한 연구는 매우 미비한 실정이다. 뿐만 아니라 수 도관 부식 저감을 위한 사전예방 평가방법인 부식성 수질 평가 지표의 현실적인 적용성의 문제와 부정확성에 관한 연구결과로, 1994년 미국은 법 개정을 통해 LSI을 부식성 수질 평가 항목에서 삭제하였음에도 불구하고, 국내는 2011 년 먹는물 수질감시 항목으로 추가하여, 분기별로 수질검사 를 수행하고 있다. LSI를 통한 국내 정수시설 내의 수질평 가는 현실성이 없는 결과가 도출되고 있다. K-Water (2012) 은 국내 수돗물에 의한 부식속도를 직접 측정할 수 있는 모형 플랜트를 제작하여 정수장의 원수에 의한 부식속도와 LSI를 포함한 부식지수 간의 상관성 분석 결과 상관성이 없는 것을 제시하였다. 특히 LSI 를 기준으로 부식성 수질 관리를 할 경우 탁도 상승과 pH에 대한 먹는물 수질기준 초과 등의 부작용을 우려하였다. 이런 LSI의 실제 수질의 부식성 평가의 부적절함은 LSI는 탄산칼슘 포화 이론을 기 초로 하기 때문에 실제 관내부에 형성하는 탄산칼슘 보호 피막의 탈착 여부를 예측하기 어렵기 때문이다. 즉 LSI > 0 Fig. 2. Standard test method for corrosivity of water (ASTM international D2688-11).
경우라도 보호 피막의 탈착으로 인해 부식성 수질에 의한 관의 내부 부식속도는 증가하게 될 것이며, 금속이온과 결 합된 스케일 입자가 음용수 내로 용출될 가능성도 있다.
반대로 LSI < 0 경우, 부식성이 없을 가능성도 있을 것이다.
또한 LSI는 pH에 가장 큰 영향을 받으므로 부식성지수를 개선을 위한 pH를 조절 한다면, 수도관 재질과 부식부산물 로 형성되는 스케일의 용해도 결정에 가장 큰 영향을 미치 게 될 것이다. 따라서 만약 LSI > 0로 평가되어 수질의 pH 가 낮아진다면, 오히려 금속관 내부의 부식속도는 증가 할 수 있다. 그러므로 국내 수질의 부식성 평가 지표 항목인 LSI의 적용성에 관한 면밀한 검토가 필요할 것으로 판단된 다. 이를 위해, LSI와 같은 일관된 부식성 평가지표보다는 국내 정수시설의 유입 수질 특성을 고려한 금속배관 재질 의 부식속도와 관내 스케일 생성, 이로 인한 중금속 용출 량을 종합적으로 평가하는 부식 평가 모델을 개발하고, 이 를 통한 유출 중금속 항목에 관한 별도의 권고 기준이 마 련되어야 할 것으로 제안한다.
5.2. 국내 부식성 수질 평가 모델 개발 제안
앞서 제안한 부식성 수질 관리 평가 모델 개발은 국내 수질의 이화학적인 특성과 변화를 고려하여 현실성 있게 제안되어야 할 것이다. 즉 같은 수계의 상수원수라 할지라
도 취수지역에 따라 pH, 알칼리도, 칼슘, 황산이온, 염소이 온, 철, 망간 등의 수질인자는 다른 양상을 나타내며, 계절 적으로 큰 변화를 나타내기 때문이다. 또한 이들 환경 인 자들의 복합적인 영향과 정수처리장의 설치 금속 배관의 종류에 따라 부식 촉진 또는 억제 반응이 일어난다. 따라 서 지역별, 계절별 원수의 이화학적 특성과 정수처리 시설 환경을 고려한 종합적인 부식성 수질 평가 모델이 필요할 것이다. 이를 위해 정수처리시설의 배, 급수관에 직접적으 로 부식시험시편을 설치하여 현장 수질 및 환경에 의한 부 식의 영향을 평가하고, 정수 시설 내에 모의 관망 실험을 통하여 수질변화 및 부식억제 약품 주입에 따른 정수시설 별 부식성 수질인자를 추출하고 이를 기초로 금속배관 재 질의 부식속도와, 관내 스케일의 생성여부, 종류를 파악하 고, 부식 부산물의 용출량을 예측하는 모델을 개발해야 할 것이다. 이는 미국과 캐나다에서 현재 부식성 수질평가와 관리를 위한 방법이며, 지역의 정수처리시설 배관 부식과 수질 관리를 위한 모델 개발과 적용, 검토, 개선을 실시하 고 있는 사항이다.
5.3. 정수 시설 내 처리 약품 적용 가이드라인 개선 1987년 수도배관의 부식성 관리를 위한 부식억제제로써 인산염과 규산염의 수처리제 규격기준이 보건복지부 고시 Fig. 3. Determination of sampling protocols and action levels for residential and non-residential monitoring programs in
Canada (Health Canada, 2009).
로 제정되었다. 이후 1995년에 관련 업무가 환경부로 이관 되어 환경부 고시「수처리제의 기준과 규격 및 표시기준」
으로 적합한 부식억제제, 인산염계(1종, 인산염계의 경우 중합인산염 성분만이 해당)와 규산염계(2종), 혼합(3종)은 급수관, 수도관, 정수처리장을 대상으로 확대 사용 되도록 하였다. 또한 2009년에는 옥내급수관의 부식억제제 사용과 관련한 기술적, 행정적 사항 등을 매뉴얼로 발간하여 사용 자가 부식관리에 참조가 될 수 있도록 하였다. 하지만 부 식억제제의 정확한 사용량, 관로별 특징, 부식억제제 종류 에 따른 특징, 독성정보 등의 정확한 관리정보가 추가되어 야 할 필요성이 제시되고 있다. 뿐만 아니라 부식억제제의 사용을 통한 관리는 대부분 옥내 배관에 국한되어져 왔으 며, 아직까지 정수시설 단계에서의 적용사례는 매우 드물게 적용되고 있는 실정이다. 이는 먹는 물에 약품을 투입한다 는 것에 대한 부정적인 시각 때문이며, 부식억제제보다는 pH 및 알칼리도 조절을 통한 부식관리가 이루어지고 있기 때문이다. 하지만 알칼리도 조절을 위해 주입되고 있는 소 석회는 용해도가 낮아 슬러지가 발생되고 위생의 문제가 있어 여전히 해결해야할 과제로 언급되고 있는 실정이다.
따라서 정수시설에서 주입되는 부식억제제와 pH와 알칼리 도 조절 약품의 주입방식 결정, 최적의 주입량 설정, 농도 관리에 관한 정확한 지침이 필요할 것이다. 뿐만 아니라 구체적이며 체계적인 처리과정 지침 및 규정을 설정하기에 앞서, 국내 정수처리시설 내 유입 원수의 다양한 성상과 금속재질에 따라 수질인자 조정 방법/과정, 처리효과가 달 라질 수 있기 때문에 이에 관한 체계적 연구가 수행되어야 할 것이다. 또한 각 정수처리시설에 적합한 부식억제제 선 정과 농도를 결정하기 위한 부식성 판단 기준 및 절차와 적용 가능한 관내 부식성 평가 시험법 등의 가이드라인 수 립이 필요하다.
Acknowledgement
This work was supported by Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Science, ICT and Future Planning (Grant #:2016R1A1A3A04005415).
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