2.1 연구대상 지하저수조 및 시료채취

본 연구대상 공동주택 지하저수조는 경기도 소재 2014년에 건축되었으며 재질은 Polyethylene Double Frame (PDF)이고, 용량은 760톤이다. 공동주택 수돗물 공급시스템의 수질 및 부식성 평가를 위한 시료 채취지점을 Fig. 1에 나타내었다. 2021년 6월부터 2022년 4월까지 매월 지하저수조 유입수(Sample B), 유출수(Sample C), 가정으로 공급된 수돗물(Sample D)을 먹는물 수질공정시험기준(^{Korea Law Information Center, 2021})에 근거하여 1~5분간 배출시킨 후 무균 폴리에틸렌 용기에 2L 채취하였다. 공동주택 지하저수조 유입 원수(Sample A)의 수질 정보는 안양⋅청계 통합정수장의 월별 수질검사결과(^{Anyang Water Service, 2022})를 활용하였다.

2.2 수질분석

공동주택 지하저수조 유입 및 유출수, 그리고 가정에 공급된 수돗물의 수질특성을 조사하기 위하여 현장에서는 pH, 수온, 탁도(2100P, HACH), 전기전도도, 잔류염소(CL-2006, Lutron)를 측정하였다. 그리고 실험실에서는 ICP-MS (Agilent 7900, Agilent)를 이용하여 Al³⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ 등 금속원소 농도를 측정하였다. 모든 수질인자의 측정은 먹는물 수질공정시험기준(2021.02.08. 改)에 의거하여 측정하였다.

2.3 부식성 지수 평가

가정으로 공급되는 수돗물의 적수 발생원인을 중 하나는 배관의 부식으로 인한 수돗물로의 중금속 용출이다(^{Hu et al., 2018}). 본 연구에서는 급수 배관의 부식성을 평가하는 지표인 부식성 지수(^{Bae et al., 2015})를 활용하여 수돗물의 부식 경향을 파악하였다. 부식성 지수의 산정 방식은 Table 1에 나타내었다. 본 연구에서는 가장 범용적으로 활용되는 부식성 지수인 LI, 연구지점 공동주택의 급수 배관이 스테인레스(SUS-303) 재질로 이루어져 있어, 스테인레스 배관의 수돗물 부식성을 측정하는데 주로 활용되는 LR을 산정하였다.

LI의 산정을 위해 먹는물 수질공정시험기준에 의거 총용존고형물(Bante901P, Bante)과 ISO-9963의 수질 알칼리도 측정법에 의거하여 적정법으로 알칼리도(Alkalinity)를 측정하였으며, ICP-MS를 이용하여 측정된 Ca²⁺ 농도를 측정하였다. LR을 산정하고자 이온크로마토그래피(Dionex Aquion Ion Chromatography System, Thermo Scientific™)를 이용하여 저수조 유입수, 유출수 및 가정 수도꼭지 시료의 염소이온(Cl^-), 황산이온(SO₄^2-)농도를 측정하였다. 정수장 처리수의 경우, 경기도 물정보시스템(^{Gyeonggi Water Information System, 2022})의 정수장 수질 분석결과 자료에 나타난 LI를 활용하였고, Larson’s Ratio (LR)값은 월별 수질검사결과의 염소이온, 황산이온농도를 활용하여 산정하였다.

3.1 지하저수조 유입 및 유출수 수질특성

경기도 소재 공동주택 내 지하저수조의 수질모니터링 결과를 Fig. 1, Table 2에 나타내었다. 탁도의 경우 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 법적기준인 0.5NTU 기준치 이내로 나타났으나, 저수조 유입 전(Sample B)이 정수장 처리수(Sample A)보다 탁도가 높아지는 경향을 나타내었다. 이는 의 연구에 의하면 급⋅배수관에 누적되었던 오염원 혹은 중금속이 탈리되어 탁도 증가의 원인이 되었다고 판단된다(^{Li et al., 2019}). 그리고 겨울철보다는 여름철에 탁도가 높아지는 경향을 나타낸 것은 여름철 기온이 상승함에 따라, 배관 내부 자연유기물(Natural Organic Matter, NOM)에 의하여 환원 용해가 가속되어 급⋅배수관의 부식성이 상승하였기 때문이다(^{Masters et al., 2016}). 2021년 8월에는 지하저수조 유입수 대비 유출수에서 일시적으로 탁도가 0.91 NTU로 법적 수질 기준치(0.5 NTU)를 초과하는 사례가 나타나, 이는 유출수 시료 채취 시 기존에 저수조 바닥에 침전된 입자성 물질이 일시적으로 유출되어 영향을 미친것으로 판단된다.

잔류염소농도의 경우(Fig. 1) 정수처리시설에서 공동주택 지하저수조 유입 및 시민들이 음용하는 수돗물까지 공급되는 시스템을 지나면서 잔류염소가 감소되는 것을 알 수 있었다. 잔류염소농도 기준치 0.1 mg/L 이상을 유지하고 있었으나, 정수장 처리수(Sample A)에서 저수조 유입 전(Sample B) 잔류염소농도 손실은 가을-겨울철보다 봄-여름철에 감소하는 것으로 나타났다. 이는 급수배관 내에서 잔류염소의 손실, 수체(bulk water)내 반응, 벽체 흡착 및 여름철 수온상승으로 인해 잔류염소 증발 및 분해속도가 증가되었기 때문이다(^{Lee et al., 2004}; ^{Noh et al., 2016}).

Fig. 1. Changes in water quality. (a) turbidity and (b) residual chlorine in the sample sites.

또한, 지하저수조 유출수과 가정 수도꼭지(Sample D)간의 잔류염소 손실이 크게 나타났는데, 이는 건물 높이에 따른 수돗물 공급 시 압력 및 배관 체류시간 동안의 손실의 가능성이 있다(^{Proctor et al., 2020}). 그리고 선행연구들에 따르면 저수조 내 수돗물 저장 시 잔류염소가 감소하는 것으로 보고되었으나(^{Jun and Kim, 2015}), 본 연구에서 저수조 유입수보다 유출수의 잔류염소농도가 높은 측정값은 시료채취관의 관경, 유량 및 유속으로 인해 잔류염소가 휘발되는 문제와 더불어 저수조 유입수, 유출수 간의 수온 차에 의한 영향으로 판단된다(^{Ahn et al., 2007}). 2021년 6월에서 8월 간 저수조 유입수의 수온은 27.3~29.4℃로 외부의 높은 기온과 비례하는 반면, 저수조 유출수는 15.4~17.9℃로 지하저수조 주변 환경으로 인해 수온 또한 낮게 측정되었다.

Table 2에 나타난 바와 같이 전반적으로 수질인자의 차이는 저수조 유입수, 유출수 간 차이보다 정수장 처리수, 저수조 유입수 간 차이에서 크게 나타났다. 탁도나 용존 중금속의 경우 저수조 유입수와 유출수 간 차이가 거의 관측되지 않았다. 이는 과거에 비해 급수관 및 저수조 설비가 내식성 재질로 이루어져 있어, 저수조 유입수와 유출수 간 잔류염소의 흡착 및 중금속 용출 등 수질 변화가 거의 일어나지 않는 것으로 판단된다. 그러나 정수장에서 송⋅배수관의 경우 노후관이나 비내식성 관의 비중이 10% 정도로, 배관의 부식 및 정수처리된 수돗물의 수질변화를 일으킬 수 있다(^{Cho et al., 2020}; ^{ME, 2020}).

또한 지하저수조 유입과 유출, 가정으로 공급된 수돗물의 중금속 농도는 Table 2에 나타난 바와 같이 모두 먹는물 수질기준을 만족하는 것으로 나타났다. 그러나 정수장 처리수(Sample A)에서 Mn²⁺, Fe²⁺, Cu²⁺는 미검출(N.D.) 되었으나 저수조 유입 전(Sample B)부터 가정 수도꼭지(Sample D)에서는 중금속 성분이 미량 검출되었다. 수도관 내 미량 중금속은 급⋅배수관 재질에서 중금속 용출, 관 부식에 따른 스케일(scale) 이탈 물질의 영향으로 판단된다(^{Li et al., 2019}).

조사대상 공동주택 지하저수조의 변수 간의 관계를 통한 수질특성 파악을 위해 중금속 및 수질인자 항목들에 대해 상관분석을 하였으며, 그 결과를 Fig. 2에 나타내었다. Pearson 상관분석 결과, 탁도와 Mn²⁺, Fe²⁺은 각각 r=0.48(p<0.05), 0.74(p<0.05)로 양의 상관관계를 보였으며, 다른 항목들과는 음의 상관관계를 보였다. 잔류염소는 Mn²⁺(-0.61, p<0.05), Zn²⁺(-0.26, p<0.05)와는 음의 상관관계를 나타내었다. 그리고 Cu²⁺와 Zn²⁺은 0.69(p<0.05)로 양의 상관관계를 나타냈다. 해당 분석을 통해 미량이지만 정수장 배수관 및 공동주택 급수관을 거쳐 지하저수조 유입 전 배관까지 부식성 물질이 탈리되어 수질에 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있었다.

Fig. 2. Pearson’s correlation of turbidity, residual chlorine, and heavy metals.

수질 오염물질 및 중금속 용출원인 관계를 파악하기 위하여 상관관계에 근거한 주성분 분석을 하였으며, 수질항목의 요인에 대한 고유치와 수질에 미치는 기여율을 Table 3에 나타내었다. 본 연구에서는 Cl₂ 등 소독제의 투여량이 감소되면 미생물 활성도가 증가해 각종 상수도 배관의 망간 코팅이 부식되어 수중에 용해성 망간이 증가하며, 배관 내 침전물로 이어질 수도 있기 때문에(^{Kim et al., 2013}; ^{Li et al., 2019}) 잔류염소, 탁도, 그리고 망간이온(Mn²⁺)을 요인1로 하였다. 수중의 중금속 중 구리이온(Cu²⁺), 아연이온(Zn²⁺) 농도의 연관성은 급⋅배수관의 재질 중 아연도강관 등 주요성분이 구리와 망간으로 구성된 급⋅배수관의 용출의 영향일 것으로 판단되어(^{Lee et al., 2017}; ^{ME, 2020}) 요인 2로 하였다. 탁도와 철이온(Fe²⁺)을 요인3으로 구분하고, 요인부하량의 크기에 따라 강(>0.75), 중(0.75-0.50) 및 약(0.5-0.3)으로 나누어 요인부하 요인을 해석하였다(^{Liu et al., 2003}).

조사대상 지하저수조에 대하여 3개의 수질변화 요인이 추출되었으며, 요인1은 27.9%, 요인 2는 24.3%, 요인 3은 23.3%의 기여율을 보였다. 3개의 요인은 전체 수질 변화 특성의 75.6%를 설명할 수 있는 것으로 나타났다. 요인1에서 탁도와 망간이온은 강한 정도의 요인부하량을 나타내었고, 잔류염소와는 중간 정도의 음의 요인부하량을 보였다. 요인2에서 구리와 아연이 강한 요인부하량을 나타내었고 요인3에서는 탁도와 철이온에 강한 요인부하량을 보였다.

3.2 부식성 평가

수도관의 부식에 영향을 줄 수 있는 요인은 관의 재질, 유속, 수온 등 물리적 인자, pH, 알칼리도, 경도, 잔류염소농도, 황산이온 등 화학적 인자, 생물막에 의한 금속 산화 등 여러 요인이 존재한다. 특히 내식성 재질의 배관도 이음부, 접합부 등이 노후화될 경우, 부식이 진행되어 적수 사고, 탁도 유발 물질 발생 등 수질 악화 등의 문제를 일으킬 수 있다. 부식성 지수는 수돗물의 부식성 평가 지표로 활용되고 있으며, 주로 탄산칼슘(CaCO₃)의 침전 원리, 또는 Cl^-, SO₄^2- 농도에 근거하고 있다(^{Kim and Lee, 2014}; ^{Kim et al., 2018}).

공동주택 수돗물 공급과정에 따라 시료를 채취하여 수온, 알칼리도, Total dissolved solids (TDS), Cl^-, SO₄^2-를 측정하여 부식성지수 LI와 LR를 계산한 결과 Fig. 3와 같다. LI는 수치가 0 미만일 경우 부식성이 높으며, 0 이상일 경우 배관 내 스케일 형성 가능성이 높음을 의미한다. 정수장 처리수(Sample A)의 경우 부식의 정도가 크지 않았으나, 저수조 유입 전⋅후와 수도꼭지에서는 부식성 지수가 LI<0, LR>0.5로 ‘부식성 높음’을 나타내었다. 부식성 지수의 T-test 분석을 통하여 부식성 지수는 정수장 처리수와 공동주택 지하저수조의 유입수 간 유의미한 차이가 존재함(p<0.01)을 확인할 수 있었다. 반면, 공동주택 지하저수조의 유입수 및 유출수 간 부식성 지수에는 유의미한 차이가 도출되지 않았다. 따라서 배관 부식으로 인한 녹물 등 수질 문제는 저수조 내부에서의 부식성 증가가 아닌, 정수처리 이후 공동주택 저수조로 수돗물이 공급되는 과정에서 주로 발생한다는 것을 확인하였다(^{Kim et al., 2017}).

Fig. 3. Changes in corrosion index. (a) LI and (b) LR in the sample sites.

또한, 계절 별 부식성 지수를 살펴보면, LI는 계절 별 차이가 크지 않으나, LR 항목은 여름과 겨울 간 부식성 지수가 큰 차이를 보였다. 본 연구에서 가장 높은 변동성을 보인 인자는 HCO₃^-로, 이는 알칼리도가 계절별 영향에 따라 변동될 수 있음을 의미한다. 여름에 비교적 많은 강우량은 pH 저하 및 알칼리도의 저하가 일어날 수 있는 원인이 된다(^{Gaspar et al., 2018}).

부식성 지수(LI, LR) 및 수질인자 간(pH, 알칼리도, 수온, Ca²⁺, TDS, Cl^- 및 SO₄^2-) 상관분석 결과, 알칼리도와 Ca²⁺는 0.66(p<0.05)의 상관관계를 보였다. 높은 Ca²⁺는 수도관 내 스케일을 형성하여 상수도 분배 시스템에 압력 손실을 유발할 수 있으므로, 배관 부식을 방지하기 위해 탄산칼슘 등 알칼리도 조절을 위한 약품 첨가 방안(^{Han et al., 2018}; ^{Wong and Stenstrom, 2018}) 및 급⋅배수관 청소 등을 주기적으로 수행할 필요가 있다.