2.1 위생설비 상수도 계통의 병원균 오염

COVID-19 감염병이 발생했을 때, 급수 계통을 통한 건물 내 병원균 전파 가능성에 대한 의문이 제기되었다. 일반적으로 건물로 유입되는 상수도의 수처리 기술은 최종 음용수 수준으로 공급하기 위해서 박테리아와 병원균을 제거하는 소독을 한다. 염소와 그 화합물 및 오존은 화학적 소독에 사용되며 UV는 물리적 소독에 사용된다. 음용수 소독은 병원균보다 박테리아에 더 효과적이지만, 오존은 예외적으로 병원균에 대한 소독 효과가 매우 높다.⁽¹⁴⁾ WHO는 음용수 지침에서 병원균이 박테리아보다 유리염소에 더 내성이 있다고 명시하고 있다.⁽¹⁵⁾ 그러나 최근 연구에 따르면, SARS CoV-2는 염소 소독에 대한 내성이 매우 낮았다. 따라서 염소 소독에 의한 잠재적인 급수계통의 병원균 전파를 방지하는 것이 가능하다.⁽¹⁶⁾ 이는 코로나 바이러스가 외피 보유 바이러스(enveloped virus: 단백질 외피가 있는)에 해당하며, 바이러스 외피의 분해로 수용체가 소실되기 때문이다. 이런 식으로 바이러스는 전염성을 중단된다.⁽¹⁷⁾

2.2 위생설비 하수도 계통의 병원균 오염

COVID-19 환자의 10%가 설사를 유발하고 있으며, 이는 하수를 통한 병원균 전파를 유발할 가능성이 있다.⁽¹⁸⁾ 하수 시스템에서 SARS CoV-2 바이러스의 게놈이 발견된 사례가 있으나 하수를 통한 바이러스의 전파를 입증할 수 없었다.⁽¹⁹⁾ COVID-19 환자의 10% 정도만이 장에서 바이러스를 복제한다. 대부분의 환자는 바이러스를 오․배수로 배출하지 않는다.⁽¹⁴⁾ 폐수처리를 할 경우, 하수에서 직접 바이러스가 전파될 가능성은 거의 없는 것으로 나타났다. 이는 수처리에 의한 불리한 조건 및 체류 시간 때문이다. SARS CoV-2 바이러스의 민감도와 폐수 처리과정을 고려할 때 비감염성 바이러스 단편만 발견될 수 있다.⁽²⁰⁾

2.3 위생배관 공극을 통한 병원균 전파

앞에서 언급한 것과 같이, SARS CoV-2 등 비말 및 공기(에어로졸) 전파 병원균이 위생배관을 흐르는 상수 또는 하수에 포함되어 다른 사람에게 감염을 유발시킬 수 있는 조건은 매우 희박하고 수처리 설비가 적용되면 병원균의 생존을 효과적으로 막을 수 있다. 그러나 오․배수 배관은 원활한 배출을 위해서 통기관과 연결이 되어 있고 대기압에 영향을 받기 때문에 배관의 공극을 통하여 기류가 형성될 수 있다. 따라서 오․배수 배관 내의 공극 부분에 병원균이 부유하는 에어로졸이 기류의 영항으로 배관을 통하여 다시 실내로 역류할 수 있는 경로를 고려할 수 있다.

3.1 축소 파일럿 실험챔버 구축

위생배관 공극을 통한 병원균 이동을 검토하기 위하여 1/3 축소 규모의 화장실 공간(체적 기준 1/27)을 챔버로 구성하였다. 위생배관 시스템의 설계 및 제작은 KS 표준을 준수하였으며, 실험챔버 및 측정장비는 Fig. 2와 같다. 배수배관은 50 mm 직경의 PVC-u 경질 파이프로 구성되었으며 배수구에 연결된 17 m의 수평 배관으로 2개의 화장실이 구성되고 배관 중간에 수직배관(통기관)을 설치하였다. 양쪽 화장실 챔버 내부는 봉수를 유지하고 U-트랩에서 배수할 수 있는 바닥 배수구를 구성하고 한쪽 화장실 챔버 #1은 추적가스의 한 종류인 SF$_{6}$가스를 정유량으로 취출 가능한 도징 시스템을 설치하였다. 반대편 화장실 챔버 #2는 실내를 일정한 차압으로 설정할 수 있는 풍량 조절 배기팬 장비와 공기 샘플을 채취할 수 있는 측정기를 설치하였다. 일반적인 화장실용 U-트랩에는 1.0~1.5 L의 물이 채워져 있는데, 해당 실험챔버에 설치된 U-트랩은 300 mL의 물을 주입하여 봉수를 형성하였다. 실험 챔버 #2 내부의 기류속도는 실제 상황과 유사하게 유지하기 위해 인버터 팬을 사용하여 조정하였다.

Fig. 2 Small scale 2-toilet pilot test chamber and sanitary plumbing systems.

3.2 실험방법 및 절차

위생배관 시스템 내에서 기류가 발생할 가능성은 두 가지 요인이 있다. 첫째, 수직배관에서 아래로 흐르는 오․배수로 인하여 하향 기류를 동반하는 효과가 있고 둘째, 각층 수평배관에서 수직배관을 통하여 건물 상부의 통기로 이동하는 상향 기류의 경우는 다양한 원인에 의해서 달라진다. 여기에는 오․배수의 양, 수직(통기)배관의 상부와 하부의 온도차, 연돌효과 및 수직배관에 연결된 통기를 가로지르는 외부의 돌풍 등이 있다. 그러나 본 연구에서 고려하는 위생배관 내부의 기류형성은 위에서 언급한 자연적으로 발생하는 현상보다는 병원의 격리병실 등 인위적으로 음압을 형성하는 공간의 화장실과 인접 화장실에 연결된 위생배관 시스템 내의 기류흐름이고 에어로졸화된 병원균을 함께 옮길 가능성이 보다 높다. 공기의 흐름은 음압 쪽으로 가장 짧은 경로로 이동하고 봉수가 깨진 U-트랩은 이러한 경로를 제공한다.

축소 파일럿 실험챔버에서 음압을 유도하는 작업은 정확하게 수행하는 것이 중요하다. 따라서 풍량조절 배기장치를 사용하여 화장실 챔버 #2의 차압을 설정하였다. 해당 챔버의 차압은 3가지 범위를 설정하기로 결정하였다. 실험조건은 병원의 병실과 이에 부속된 화장실을 대상으로 하였다. ⁽¹⁾ 일반적으로 화장실이 가동되는 조건으로 출입문을 닫고 배기 팬을 가동하는 음압모드-1은 -0.5 Pa, ⁽²⁾ 화장실 배기 팬이 꺼진 상태에서 문이 개방되고 격리병실과 동일한 음압레벨을 유지하는 음압모드-2는 -2.5 Pa, 그리고 ⁽³⁾ 음압모드-3은 음압모드-2와 동일한 조건이지만 일반병실에 이동형 음압기를 설치하여 최대 -5.0 Pa의 차압이 형성되는 경우이다. SF$_{6}$ 추적가스는 화장실 챔버 #1에서 일정량을 연속적으로 취출하였다. 정유량 도징 시스템을 통하여 30 mL/min을 3가지 음압 모드별로 각각 10분간 연속 공급하였다. 사람이 10분간 화장실에 머물었을 때를 가정한 것이고 도징량은 사람 호흡량(0.54 m3/h)의 축소체적(1/27) 대비 9%에 해당하는 것으로 병원균이 포함된 호흡량의 일부로 가정하였다.⁽²¹⁾ 그리고 양측 화장실 U-트랩의 봉수가 유지되는 경우와 봉수가 유실된 조건으로 총 6개의 실험을 수행하였다.

4.1 음압모드-1: -0.5 Pa

화장실 출입문을 닫고 배기 팬을 가동하는 음압모드-1은 화장실 챔버 #2의 내부의 차압을 -0.5 Pa로 설정을 하였다. 챔버 #1은 내․외부 공기가 자유롭게 이동할 수 있도록 0.03 m2 면적의 2개의 개구부를 개방한 대기압 상태에서 SF$_{6}$가스는 30 mL/min로 10분간 연속적으로 방출하였다. 챔버 #1과 #2의 U-트랩 봉수가 정상적으로 유지되는 상태에서는 Fig. 3과 같이, 챔버 #2에서 SF$_{6}$가스가 전혀 검출되지 않았다. 이때의 챔버 #1의 가스 농도는 시간에 따라 편차가 큰 패턴을 보이지만 평균 166 ppm을 유지하였다. 즉, 봉수가 유지될 경우는 배관 공극을 통해서 인접 화장실로 병원균이 전파될 가능성이 없다고 판단할 수 없다.

반면에 챔버 #1과 #2의 U-트랩 봉수를 비웠을 경우에는 챔버 #1에서 방출된 SF$_{6}$가스가 챔버 #2에서 바로 검출되기 시작하였다. 차압이 작기 때문에 챔버 #1의 SF$_{6}$가스가 챔버 #2로 서서히 이동하고 챔버 #2에서 배기되는 가스량보다 유입되는 가스량이 커서 SF$_{6}$가스의 농도는 41 ppm에서 시작하여 서서히 편차 없이 증가하다가 약 75 ppm(평균 61 ppm) 전후로 안정된 수준을 유지하였다. 같은 기간 챔버 #1의 농도는 100~275 ppm 사이의 분포를 보였고 위생배관으로 빠져나가는 공기가 있었지만 봉수가 유지되었을 때의 평균 농도와 유사한 평균 175 ppm을 유지하였다.

Fig. 3 SF$_{6}$ gas concentration at NP mode-1.

4.2 음압모드-2: -2.5 Pa

두 번째 실험조건인 음압모드-2는 병원의 음압격리병실을 대상으로 부속 화장실을 사용하지 않을 때, 배기 팬이 가동되지 않고 화장실 출입문도 개방된 상태를 가정하였다. 이 경우, 화장실은 음압병실과 동일한 음압레벨을 유지한다고 본다. 따라서 화장실 챔버 #2의 내부의 차압을 -2.5 Pa로 설정을 하였다. 챔버 #1의 조건은 음압모드-1과 동일하게 내‧외부 공기가 자유롭게 이동할 수 있도록 개구부를 개방한 대기압 상태이다. 또한, 동일한 유량(30 mL/min)의 추적가스는 10분간 연속적으로 방출되었다. Fig. 4는 음압모드-2의 SF$_{6}$가스 농도분포 결과를 보여준다. U-트랩 봉수가 정상적으로 유지되는 상태에서는 음압모드-1과 마찬가지로 챔버 #2에서의 SF$_{6}$가스 농도는 0 ppm으로 전혀 검출되지 않았다. 이때의 챔버 #1의 가스 농도는 평균 162 ppm을 유지하였고 오차범위 안에서 음압모드-1과 동일하였다. 봉수가 유지될 경우는 양쪽 챔버 #1과 #2의 환경조건에 상호 영향을 주진 않고 배관을 통해서 병원균이 전파될 가능성이 없다.

챔버 #1과 #2의 U-트랩의 봉수가 없는 경우에는 챔버 #1에서 방출된 SF$_{6}$가스가 챔버 #2에서 바로 검출되기 시작하였다. 차압이 음압모드-1보다 크기 때문에 챔버 #1의 SF$_{6}$가스가 챔버 #2로 즉각 이동하고 검출되었다. 챔버 #2에서 배기되는 가스의 양이 유입되는 가스의 양보다 커지기 시작하여 SF$_{6}$가스의 평균 농도는 음압모드-1보다 감소한 54 ppm으로 일정하게 유지되었다. 이것은 음압모드-1 보다 농도가 낮다고 안전한 것이 아니다. 챔버 #2에서 배기되는 가스량이 많아서 가스농도가 낮은 것이지 이동하는 가스량은 음압모드-1보다 많기 때문에 위험률이 더 크다고 볼 수 있다. 같은 기간 챔버 #1의 농도는 44~183 ppm 사이의 분포를 보였고 평균 101 ppm을 유지하였다. 음압모드-1과 비교하면 절반 수준으로 감소했는데 이것은 음압모드-2 조건에서 보다 많은 SF$_{6}$가스가 이동한 것으로 판단할 수 있다.

Fig. 4 SF$_{6}$ gas concentration at NP mode-2.

4.3 음압모드-3: -5.0 Pa

마지막으로 음압모드-3은 병원의 일반 병실을 격리병실로 변경하고 이동형 음압기를 적용한 음압환경으로 부속 화장실을 사용하는 조건은 음압모드-2와 동일하게 배기 팬이 가동되지 않고 화장실 출입문도 개방된 상태로 가정하였다. 화장실(챔버 #2)은 병실과 동일한 음압레벨인 최대 -5.0 Pa을 유지한다고 보았다. 챔버 #1의 조건은 음압모드-1 및 2와 동일한 대기압 상태이고 30 mL/min의 추적가스는 10분간 연속적으로 방출되었다. Fig. 5는 음압모드-3의 SF$_{6}$가스 농도분포 결과를 보여준다. U-트랩 봉수가 정상적으로 유지되는 상태에서는 앞에서 실험한 결과와 마찬가지로 챔버 #2에서의 SF$_{6}$가스는 전혀 검출되지 않았다. 봉수는 30 mm 이상으로 유지되고 있기 때문에 이론적으로는 300 Pa이상의 압력이 가해져야 봉수가 유실된다. 따라서 실내의 음압레벨에 의해서 봉수가 훼손되는 경우는 매우 희박하다고 볼 수 있다. 이때의 챔버 #1의 가스 농도는 평균 164 ppm로 오차범위 안에서 음압모드-1 및 2와 같았다.

챔버 #1과 #2의 U-트랩의 봉수를 제거한 후, 챔버 #1에서 방출된 SF$_{6}$가스가 챔버 #2에서 검출되기 시작하였다. 차압이 음압모드-1, 2보다 크기 때문에 챔버 #1의 SF$_{6}$가스가 챔버 #2로 더 많이 이동하였다. 챔버 #2에서 배기되는 가스의 양은 음압모드-1, 2보다 커지기 시작하여 SF$_{6}$가스의 평균 농도는 감소한 36 ppm으로 일정하게 유지되었다. 마찬가지로 이것은 음압모드-1, 2 보다 농도가 낮다고 안전한 것이 아니다. 챔버 #2에서 배기되는 가스량이 증가하여 가스농도가 낮은 것이며 감염 위험률은 더 높을 수 있다. 같은 기간 챔버 #1의 농도는 37~160 ppm 사이의 분포를 보였고 평균 84 ppm를 유지하였다. 음압모드-2와 비교하면 약 20% 감소했는데 이것은 높은 차압에서 보다 많은 병원균이 이동할 수 있는 가능성을 보여준다.

Fig. 5 SF$_{6}$ gas concentration at NP mode-3.