1. 서 론

세계보건기구(WHO)에 의하면 물에는 약 2000여 종의 물질에 의해 오염될 가능성이 있으며, 그 중 약 750여 종은 실제로 검출되고 있다(WHO, 2011). 이에 따라 각국은 먹는 물 수질기준을 정하여 먹는 물의 적합성을 평가하고 있다. 그러나 먹는 물을 이송하는 상수도관에 대한 평가는 보완될 필요가 있다. 기존 우리나라의 상하수도 기반시설에 사용되는 설비는 구조적 안정성, 설치, 시공, 운영관리와 관계된 경제적 측면, 내구성 등 물리적 경제적 측면에 초점을 맞추어 사용되어 왔다. 그러나 경제 수준이 상승하면서 상수도에 대한 위생, 보건, 안전성, 삶의 질에 대한 국민의식이 향상되며 위생 보건학적 품질향상이 요구되고 있다(Ministry of Environment, 2007).

환경부의 2013년 ‘수돗물 불신해소 및 음용율 향상 방안 연구‘에 의하면 수돗물을 직접 음용하는 비율은 1.0~4.1%로 나타났으며, 최근 수돗물의 음용율은 점점 감소하고 있음을 알 수 있다(Water Supply and Sewerage Policy Division, 2014). 이는 수돗물에 대한 불신에서 비롯되며, 수돗물 공급기관 혹은 국가의 수돗물 정책에 대한 국민들의 불신이기도 하다. 그 원인 중 하나가 수돗물 공급과정에서 발생할 수 있는 상수도관 재질 내 위해물질의 용출가능성이다. 따라서 수도용 자재에서의 유해물질 관리를 위해 2011년부터 수도용자재의 위생안전기준(KC) 인증제도를 시행하고 있다(Ministry of Government Legislation, 2011).

하지만 우리나라의 위생안전기준은 미국의 NSF(National Sanitation Foundation International)에서 1988년 개발한 수도용 제품의 위생규격 NSF/ANSI-61을 간소화하여 자국의 시험방법으로 정한 일본의 시험규격(JIS 3200-7)을 거의 그대로 수용하였기 때문에 일본과 우리나라의 시험방법은 대부분 동일하다(Ministry of Environment, 2014).

제품별 사용특성을 면밀히 분석하여 제품을 8가지로 분류하고, 제품군 각각의 특성에 적합한 시험방법을 개발하여 적용하고 있는 미국과 달리 우리나라의 제품의 분류는 단순하며 시험방법도 3가지로 통합하여 적용하고 있다(Ministry of Environment, 2015). ‘서울정책아카이브’ 데이터에 따르면 서울시의 경우 수도용 급수 배관 재질이 송수관(강관), 배수관(닥타일주철관, PE관), 급수관(아연도강관, 스테인레스 강관 및 동관)으로 이루어진 것으로 알 수 있으나, 현재 국내에서 사용되는 상수도 배관 제품에 대한 체계적인 현황 자료 구축이 되어있지 않은 상태이며, 관의 특성에 따른 교체 시기에 대한 기준 역시 미비한 상태이다. 또한 미국 NSF/ ANSI61의 경우 식수 시스템에 사용되는 파이프 및 관련 제품 시험 시 pH 5, pH 6.5, pH 8, pH 10으로 다양한 조건에서 시험을 진행하고 있으나(NSF, 2015) 우리나라의 위생안전기준에서는 pH 7.0 ± 0.1의 시험수만으로 시험을 진행하고 있다. 우리나라의 먹는 물 수질기준 중 pH의 기준은 5.8~8.5이며, 상수 공급 과정 중 pH가 여러 가지 환경요인으로 변동할 수 있음에도 불구하고 pH 7.0 ± 0.1로 단순화하였기에 pH 변화에 따른 상수도관의 중금속을 포함한 금속의 용출 여부는 수돗물의 안전성 확인에 중요사항이다. 하지만 이에 대한 기초자료는 매우 미흡하다. 따라서 본 연구의 목표는 pH 7보다 낮은 조건에서의 수소이온농도가 상수도 관내에서 중금속 용출에 미치는 영향을 실험적으로 연구하는 것이었다. 이를 위해서 지난 5년간 국내 497개 정수장의 수질 분석 자료를 토대로 상수관으로 사용되는 금속관 중 아연도강관, 동관, 스테인레스관 등을 이용하여 수도용 자재에 대한 중금속 용출시험을 진행하였고, pH가 상수도관의 중금속 용출에 미치는 영향과 용출경향을 파악하여서 보다 안전한 상수도관의 관리를 위한 기초자료로 제시하였다.

2. 연구방법

2.1 분석대상 시료 및 분석항목

본 연구에서는 일반 수도용 급수 배관에 사용되는 것으로 스테인레스 강관 3종류, 동관 3종류, 스테인레스 주름관 1종류, 동 Elbow 3종류, 스테인레스 Elbow 3종류, 아연도금 Elbow 2종류, 주름관 Elbow 1종류를 대상으로 하였다. 그 중에는 기존 위생안전(KC)인증을 받은 제품도 포함되었다(Table 1). 분석항목은 비소, 카드뮴, 크롬, 구리, 납, 셀레늄, 아연, 철, 수은으로 우리나라 수도법 시행령 별표 1의2의 위생안전기준 적용항목으로 하였다. 본 연구의 분석항목의 위생안전 기준과 정량한계를 Table 2에 나타내었다.

2.2 시험수 조제

시험에 사용된 시험수는 우리나라 위생안전기준 용출수 조제방법에 따라 3차 정제수(최소저항 18 이상)를 사용하였으며 경도를 맞추기 위해 염화칼슘용액, pH를 맞추기 위해 염산과 수산화나트륨을 사용하였다. 2011년 1월부터 2015년 12월까지 최근 국내 497개 정수장의 pH는 최소 5.8, 최대 8.5, 평균 7.2로 나타났으며 시험에 사용된 시험수는 pH 5.8 ± 0.1, pH 7.0 ± 0.1, pH 8.5 ± 0.1로 사용하였다. 경도는 우리나라 위생안전기준시험법의 경도 농도인 45 ± 5 mg/L as로 염화칼슘용액을 이용하였다. 알칼리도는 우리나라 위생안전기준의 알칼리도를 맞추기 위해 탄산수소나트륨을 이용해 35 ± 5 mg/L로 설정하였다. 하지만 시험조건상 pH를 변화시키기 때문에 정제수에 탄산수소나트륨용액(0.04M)을 22.5 mL을 넣고 최종부피를 1 L로 맞추었다. 잔류염소는 우리나라 위생안전기준시험법의 잔류염소 농도인 1.1 ± 0.1 mg/L로 차아염소산 나트륨(NaOCl)용액을 이용하였다.

2.3 상수도관 컨디셔닝 및 용출

컨디셔닝은 우리나라 위생안전기준 일반수도용 자재 및 급수설비 시험방법에 따라 진행하였다(Table 3). 본 연구에서 진행되는 정수시험의 경우 45°C 이하에서 변형이 없고 무독성인 파라핀 필름을 사용하여 밀봉하였다.

2.4 중금속 분석

고농도의 시료를 대비하여 간섭의 영향을 파악하기 용이한 ICP- OES를 1차 분석법으로 사용하였다. ICP-OES 분석의 경우, 중금속의 1차적인 분석으로 Thermo사의 iCAP 7400 Duo를 사용하였으며 기기의 분석조건은 Table 4에 나타내었다. ICP-MS의 경우, 중금속의 2차적인 분석으로 Thermo사의 iCAP-Q를 사용하였으며 기기의 분석조건은 Table 5에 나타내었다.

3. 결과 및 고찰

3.1 pH에 따른 스테인레스(STS) 관의 용출특성

스테인레스(STS) 재질 관에서 Cr, Cu, Fe이 검출되었고, pH 5.8, pH 7.0, pH 8.5의 3가지 조건 중 pH가 낮아질수록 중금속이 많이 용출되는 경향을 보였다(Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3 , Table 6 ).

Cr의 경우 시료 STS-P2와 STS-P4가 pH 5.8과 pH 7.0에서 검출되었으며 금속 Cr의 pH 전위도표(Lee, 2000)와 비교했을 때 pH 5.8에서 산화환원전위가 1.0 V 이상일 때와, pH 7.0에서 산화환원전위가 0.5 V 이상일 때 독성이 강한로 존재하는 것으로 예상된다. 산화환원전위는 상황에 따라 변화하며, 전위가 1.0 V 이상일 때으로 존재 할 가능성이 높아지게 된다. 이에 상수도관의 산화환원전위에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

Cu의 경우 시험대상시료의 대부분에서는 검출되지 않았지만, 시료 STS-P1에서 검출되었다. Cu의 pH 전위도표와 비교했을 때 pH 8~10사이에서와의 형태로 부동태를 형성하게 되고 수소이온농도가 낮아질수록 용출되는 경향을 보일 것으로 예상하였으나 pH 5.8에서는 Cu가 검출되지 않았다.

STS-P1의 Cu결과에 대해 크게 2가지 추론이 가능하다. 첫째, 부동태의 정의에 의해 임의의 금속이 어떤 환경에서 열역학적으로는 부식에 대한 자유에너지 감소가 대단히 크더라도, 실제로 부식속도가 느리면 부동태 상태일 가능성이 존재한다. 둘째, 스테인레스의 주성분은 Fe, Cr, Ni이며, Fe, Cr, Ni 모두 Cu보다 강한 산화 경향을 보이며, 성분 농도 사이의 관계식인 Nernst 식을 적용하면 Cu의 용출(산화)반응보다 Fe, Cr, Ni의 용출(산화)반응이 앞서 진행된 것으로 예상할 수 있다. Fe, Cr, Ni, Cu의 표준산화환원전위 값은 Eqs. (1)~(5)에 나타내었다.

(1)

(2)

(3)

 (4)

(5)

Fe는 pH 전위도표와 비교했을 때 수소이온농도(pH)의 변화에 상관없이 산화환원전위만 부합하면로 용출(산화)하는 것을 알 수 있다. 또한 수소이온농도(pH)가 낮아질수록 용출(산화)이 될 가능성은 높아진다.

스테인레스(STS) 재질 관의 결과 중 Cd, Pb, Hg, Se, As는 pH 5.8, pH 7.0, pH 8.5의 3가지 조건에서 모두 검출되지 않았으며 해당 결과는 Table 6에 나타내었다. Zn의 경우 미량 검출되었지만 위생안전 기준치보다 하회하였다.

3.2 pH에 따른 구리(Cu) 관의 용출특성

구리(Cu) 재질 관의 결과 중 Cu가 상당량 검출되었고, pH가 낮아질수록 중금속이 많이 용출되는 경향을 보였다(Table 7).

Cu의 경우 pH 5.8, pH 7.0에서 기준치를 상회하는 결과를 얻었으며, 수소이온농도(pH)가 낮아질수록 용출(산화)되는 경향을 보였다. pH 전위도표와 비교하였을 때 수소이온농도(pH) 8~10 사이에서와 형태의 부동태가 형성하게 되는 것을 예상할 수 있었다. 또한, pH 5.8의 경우 급수관의 보정치인 ‘0.1’을 적용하여도 높은 수치를 나타내었다(Fig. 4).

구리(Cu) 재질 관의 결과 중 Cd, Pb, Cr, Fe, Hg, Se, As는 pH 5.8, pH 7.0, pH 8.5 조건에서 모두 검출되지 않았으며 Zn의 경우 미량 검출되었지만 위생안전 기준치보다 하회하였다.

3.3 pH에 따른 스테인레스(STS) 이음관의 용출특성

스테인레스(STS) 재질 이음관의 결과 중 Cd, Pb, Cr, Hg, Se, As는 pH 5.8, pH 7.0, pH 8.5 모두에서 검출되지 않았다(Table 8). Fe, Cu, Zn의 경우 미량 검출되었고 pH가 낮아질수록 그 수치가 높아지는 경향을 보였다. 하지만 위생안전 기준치보다는 하회하였다.

3.4 pH에 따른 구리(Cu) 이음관의 용출특성

구리(Cu) 재질 이음관 중 시료 CU-E4에서 Cd, Pb, Cu, Zn이 검출되었고, pH가 낮아질수록 중금속이 많이 용출되는 경향을 보였다(Fig. 5,Fig. 6,Fig. 7,Fig. 8, Table 9 ).

Cr, Hg, Se, As의 경우에는 pH 5.8, pH 7.0, pH 8.5에서 모두 검출되지 않았으며 Fe의 경우 미량 검출되었지만 위생안전 기준치보다 하회하였다.

3.5 pH에 따른 아연도금(Zn) 이음관의 용출특성

아연(Zn) 재질 이음관에서는 pH가 낮아질수록 중금속이 많이 용출되는 경향을 보였으며, Zn이 검출되었다(Table 10). Zn의 pH 전위도표와 비교하였을 때 pH 8.0~11.5에서의 부동태를 형성하며 pH 7.0 이하에서 기준치를 상회하는 결과를 얻었지만, 급수 이음관의 보정치인 ‘0.004’을 적용하게 되면 기준치 이내로 계산된다(Fig. 9).

아연(Zn) 재질 이음관의 결과 중 Cd, Pb, Cr, Fe, Cu, Hg, Se, As는 pH 5.8, pH 7.0, pH 8.5의 3가지 조건에서 모두 검출되지 않았다.

4. 결 론

본 연구의 주요 결과로 관 재질과 상관없이 pH가 낮아질수록 중금속의 용출 정도가 커지는 경향이 있으며, 구리관의 경우 Cu가 pH 5.8의 약산성상태에서 위생안전기준을 상회하는 것을 확인하였다. 스테인레스 재질에서 Cu의 경우 pH 5.8에서 용출농도가 감소하였고 이는 Cu보다 산화도가 큰 Fe, Cr, Ni이 대신 산화된 것으로 추정되며 상수도관과 산화환원전위에 대한 추가 연구가 필요하다. 구리재질의 Cu를 제외하고 나머지 중금속 중 기준치를 상회하는 항목들이 존재하였으나 현행 수도법상의 보정계수(급수관 : 0.1, 급수이음관 : 0.004)를 적용하면 기준치 이내인 것을 확인할 수 있었다. 위 결과를 통해 수돗물이 낮은 pH로 상수도관을 통과하면 중금속 용출이 증가함을 예상할 수 있다. 국내 수돗물의 pH 현황 고려 시 현행 위생안전시험법에서 pH 7.0만으로 시험을 진행하는 것은 상수도관 위해성평가에 한계가 있다고 판단된다. 이외의 재질에 대해서는 스테인레스 재질의 관에서 Cr, Cu가, 구리재질의 이음관에서 Cd, Pb, Cu, Zn이, 아연재질의 이음관에서 Zn이 보정계수 적용 전 위생안전기준치를 상회하였지만 보정계수 적용 후 기준치를 만족하는 결과를 얻었다. 우리나라 위생안전기준의 보정계수는 일본의 규격(JIS 3200-7) 값을 그대로 들여 온 것으로 상수도관의 보정계수에 대한 국내 실정과 국민신뢰 안전성에 맞는 추가연구가 필요하다. 또한 본 연구에서는 스테인레스, 구리, 아연재질만으로 연구를 진행하였기에 상수도관으로 사용되는 에나멜코팅 도복장강관, 액상에폭시 도복장강관, 주철관, 닥타일주철관, PVC관, PE관 등에 관한 추가연구가 필요하다. 본 연구를 통해서 기존의 위생안전시험법이 실제 상수도 pH 조건에서 관내 중금속용출을 시험하는 방법으로 개선 필요성이 제시되었고, 해당 결과들은 우리나라 위생안전기준의 개정연구에 유용한 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.