†Co-corresponding author's: Ahjeong Son E-mail: Introduction
전 세계적인 산업화, 도시화에 따른 물 수요가 지속적으로 증가하고 있으며, 지구적 규모의 기후 변화가 발생하고 있어, 지표수, 댐 및 지하수와 같은 기존의 수자원 공급 방안으로 안정적으로 수자원을 공급하는 데 어려움이 발생하고 있다(Kim et al., 2023a; Kim et al., 2023b). 특히, 최근 들어 우리나라의 정수장에서 깔따구 유충(Kwak et al., 2020), 미세플라스틱(K-water, 2020) 및 과불화합물(Lim et al., 2020) 등 다양한 물리, 화학, 생물 기원의 오염물이 발견된 바 있어, 적정한 대응 방안이 요구되고 있다. 한국언론진흥재단에서 제공하는 신문기사(전국일간지 및 경제일간지) 빅데이터 분석 결과에 따르면, 최근 깔따구 유충과 고도산화공정에 대한 기사가 증가하고 있다(Figure 1). 특히, 여름철에 기온 상승기와 갈수기가 겹치는 경우 녹조가 발생할 수 있으며, 녹조가 발생한 지표수 또는 호소수를 정수장의 원수로 활용하기 위해서는 미생물 제어를 위하여 소독을 위한 잔류 염소 농도를 추가 투입하여 대응하고 있다(Park et al., 2006). 기후변화에 따라 미생물과 유기물이 증가한 상태에서 잔류 염소 농도가 증가되는 경우, 소독부산물의 농도가 증가될 수 있어, 적절한 수준으로 소독부산물의 관리가 필요한 실정이다.
우리나라의 경우, 약 96.7%의 수자원을 지표수에 의존하고 있으며, 약 2.3% 정도의 수자원 공급원으로서 지하수로 활용하고 있다(Ma and Jeong, 2021). 그러므로, 대부분의 정수 과정에서의 오염물질들은 지표 기원으로 볼 수 있다. 따라서, 상류지역이 개발 제한 구역으로 묶여 있는 한강의 수질이 상대적으로 좋은 편이며, 낙동강과 같이 상류와 하류에 많은 도시가 위치하고 있는 곳의 경우에는 상류에서 방류된 하수가 자연 분해되거나 지표수에 섞여 하류 도시의 상수원으로 활용되고 있기 때문에, 정수과정에서 고도수처리 시스템을 추가 적용하여 대응을 하고 있는 실정이다. 최근 들어, 녹조가 발생한 낙동강 수계의 정수장 말단부에서 재취한 물 시료에서 소독부산물의 농도가 기준치를 상회하는 결과가 나타났으며, 이는 언론에 보도된 바 있다(The Kyunghyang Shinmun, 2023).
소독부산물의 경우, 소독 조건에서의 온도가 높을수록 그 농도가 증가하는 경향이 있으며, pH가 8 이상 인 경우, 소독 부산물 중 트리할로메탄류(trihalomethanes)가 증가하는 경향이 있다. 또한, 유기물의 농도가 높을수록 소독부산물이 증가할 수 있으며, 유기물의 종류에 따라 다른 소독부산물이 증가할 수도 있다는 보고가 있다(Bond et al., 2012). 소독부산물의 경우, 발암성이 있는 것으로 알려져 있으며, 우리나라에서도 10종의 소독부산물(총트리할로메탄, 클로로포름, 브로모디클로로메탄, 디브로모클로로메탄, 클로랄하이드레이트, 디브로모아세토니트릴, 디클로로아세토니트릴, 트리클로로아세토니트릴, 할로아세틱에시드, 포름알데히드)에 대하여 환경부에서 먹는물 수질기준에 포함하여 관리하고 있다.
소독부산물의 발생을 방지하기 위하여, 미국의 경우, 소독부산물 발생이 상대적으로 적은 클로아민(chloramine)계 소독제를 사용하고 있으며, 네덜란드의 경우, 정수 전 단계에서 대수층을 통과하여 유기물 농도를 낮추는 기술을 적용하여 정수 과정에서 염소를 적용하지 않고 있다. 다만, 클로아민계 소독제의 사용 시, 소독능이 잔류 염소에 비에 낮으며, 클로아민의 분해에 따라 정수 과정에서 질소 분해 미생물(ammonia-oxidizing bacteria (AOB), nitrite-oxidizing bacteria(NOB))이 발생하는 경우가 있었다(Wagas et al., 2023). 또한, 대수층을 통과하여 유기물을 제어하기 위해서는 유입수 자체의 유기물 농도가 낮아 대수층 내에서 막힘이 발생하지 않는 수준이어야 적용이 가능하며, 모든 지역에 지질적으로 적용할 수 있는 대수층이 존재하지 않을 수 있다는 어려움이 있다(Nguyen et al., 2020; Nguyen et al., 2021).
따라서, 우리나라의 정수장에서 생산되는 수돗물과 유입수에 대한 수질 변동을 다각적으로 분석하여, 향후 발생할 수 있는 각종 오염에 대응할 필요가 있다. 서울시를 비롯한 각 지자체에서는 수돗물평가위원회를 운영하고 있으며, 일정 기간 별로 정수장 수질 조사를 수행하여 보고하고 있다. 이 연구에서는 서울시 수돗물평가위원회에서 승인하고 서울아리수본부에서 공표한 2005년부터 2022년까지의 수질보고자료를 트렌드 분석하여, 6개 정수장 중 1곳을 선정하여 정수장 유입수, 처리수 등에서의 수질변화를 분석하고자 하였다.
Materials and Methods
1. 서울시 정수장 개괄
서울아리수본부 홈페이지에서 확보한 자료에 따라, 2022년도 기준 서울시 급수인구는 9,667,699 명이 었으며, 수도 보급율은 100 % 였다. 서울시 정수장 전체 시설 용량은 480만 m3/일 규모이며, 급수량은 약 305만 m3/일 규모로 서울시 급수인구로 나누면 1인당 급수량은 302 L 이다(Seoul Water, 2024). 아래 Table 1에 정수장 별 상수도 생산량과 생산 실적을 서울아리수본부 홈페이지에서 찾아 나타내었으며, 연평균 가동율을 추가로 계산하여 표기하였다.
2. 정수장 수질검사 자료 확보 방법
서울특별시 서울아리수본부에서 추진하는 수돗물평가위원회에서는 매월 2개 아리수정수센터 원수, 정수, 직수, 물탱크수, 정수기통과수에 대한 수질검사를 수행하여 수돗물 수질검사결과 자료를 홈페이지에서 시민들에게 공표하고 있다(Seoul Water, 2024).
이 연구에서는 2005년 2월부터 2022년 12월까지의 수돗물수질검사결과 자료를 서울아리수본부 홈페이지(Seoul Water, 2024)에서 다운로드하여 확보하였으며, 아리수 정수 센터 6곳 중 1곳의 자료를 엑셀 파일의 형태로 정리하였다.
수질은 다음의 총 65 항목에 대하여 분석되었다. 미생물 4항목(일반세균, 총대장균군, 대장균, 분원성대장균군), 건강상 유해영향 무기물질 12항목(납, 불소, 비소, 셀레늄, 수은, 시안, 6가 크롬, 암모니아성 질소, 질산성 질소, 보론, 카드뮴, 브롬산염), 건강상 유해영향 유기물질 17항목(페놀, 다이아지논, 파라티온, 페니트로티온, 카바릴, 1.1.1-트리클로로에탄, 테트라클로로에틸렌, 트리클로로에틸렌, 디클로로메탄, 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 크실렌, 1.1-디클로로에틸렌, 사염화탄소, 1.2-디브로모-3-클로로프로판, 1,4-다이옥산), 소독제 및 소독부산물 11항목(잔류염소, 총트리할로메탄, 클로로포름, 브로모디클로로메탄, 디브로모클로로메탄, 클로랄하이드레이트, 디브로모아세토니트릴, 디클로로아세토니트릴, 트리클로로아세토니트릴, 할로아세틱에시드, 포름알데히드), 심미적 영향물질 16항목(경도, 과망간산칼륨소비량, 냄새, 맛, 동, 색도, 세제, 수소이온농도, 아연, 염소이온, 증발잔류물, 철, 망간, 탁도(NTU), 황산이온, 알루미늄), 비교항목 5항목(칼륨, 나트륨, 칼슘, 마그네슘, 미네랄 합). 환경부 기준 먹는물 수질 기준의 항목은 60항목이며, 서울시에서는 맛있는 물 가이드라인에 따라 5개 항목을 추가 분석하여 자료로 제공하고 있다. 원수, 정수의 경우는 채수 위치가 항상 동일하나, 직수와 물탱크 물의 경우는 매번 채수 위치가 다르기 때문에 연속 분석에 활용하기에는 어려움이 있을 수 있다. 그리고 정수기통과수의 경우, 설치 대상 지역에 따라 정수기 내부에 포함된 분리막의 특징(한외여과: ultrafiltration (UF) 또는 역삼투: reverse osmosis (RO))에 따라 처리 특성(UF: 바이러스까지 제거, RO: 물을 제외한 거의 대부분의 이온을 제거)이 전혀 다르며, 관리 상태 또한 다를 수 있기 때문에 이번 연구에서는 정수기통과수는 제외하고 분석을 수행하였다. 또한, 잔류염수 농도에 대한 경향 파악을 위하여 추세선을 파악하였다.
Results and Discussions
1. 건강상 유해영향 물질
1.1. 질소계
Figure 2에 암모니아성 질소(ammonia, NH3)와 질산성 질소(nitrate, NO3-)의 시기별 및 채수 장소별(원수, 정수, 직수, 물탱크수) 결과를 나타내었다. 암모니아 농도의 경우, 원수에서만 존재하였으며, 정수, 직수 및 물탱크수에서는 모두 검출되지 않았다(암모니아성 질소 수질 기준: 불검출). 원수 중 암모니아 농도의 경우 2005~2008년에 비해 최근 들어 전반적으로 낮아지는 특성을 보였다. 질산성 질소의 경우, 시기별 큰 차이는 발생하지 않았으며, 원수, 정수, 직수, 물탱크수에서 농도 차이를 보이지 않았다(질산성 질소 수질 기준: 10.0 mg/L). 질산성 질소의 경우, 미생물 반응 또는 산화 공정을 통해 분해될 수 있는데, 정수 공정 내에서 반응하지 않은 것으로 판단된다.
1.2. 기타 무기계(불소, 보론)
원수, 정수, 직수 및 물탱크에서 측정된 불소(fluoride) 농도는 0.06~0.1 mg/L 수준(먹는 물 수질 기준: 1.5 mg/L)으로 자연 기원 추정할 수도 있으나, 2006년 이후 점차 감소하여 2008년 이후는 측정되고 있지 않고 있다(Figure 3). 따라서, 일부 인간 활동에 따른 발생이 있었을 것으로도 추정할 수 있다. 해외 연구 사례에서는 철 또는 강철 야금, 구리 및 아연 제련, 배터리 산업 및 시멘트 산업에서 불소가 포함된 폐수가 발생할 수 있는 것으로 알려져 있다(Wan et al., 2021). 2006-2007년 한강 상류에 하수처리장 투자로 방류수 수질이 개선됨에 따라 한강 수질 개선되었다고 보고되었으며, 당시 한강 상류의 하수도 보급률이 69%로 전국 평균 85.5%과 한강하류 94.9%의 하수도 보급률에 못미쳤다고도 보고되었다(Ministry of Environment, 2008).
또한, 국내 수돗물불소농도조정사업(0.8 ± 0.2 mg/L 가량 불소 주입)이 추진된 지자체가 있었으나, 2018년 이후 전국적으로 사용되지 않고 있으며(Kspnews, 2021), 서울시의 경우에는 정수장에서 불소 농도가 2005년 이후 증가하지 않았기 때문에 수돗물불소농도조정사업이 추진되지 않은 것으로 판단된다.
원수, 정수, 직수 및 물탱크에서 측정된 붕소(boron) 농도의 경우 자연 기원으로 추정할 수 있는 0.01~0.02 mg/L 수준으로 낮게 지속적으로 유지되는 것을 확인할 수 있었으나(먹는 물 수질 기준: 1 mg/L), 2005년 초기에 비해 더 자주 측정되었다(Figure 4). 붕소는 자연적으로 기수 또는 해수에서 발견되며, 인간 활동에 의해서는 광산 활동, 붕소가 포함된 비료, 세정제 및 세제에서 유출될 수 있는 것으로 보고되고 있다(Mutlu-Salmanli and Koyuncu, 2022). 붕소의 경우, 아직 직접적인 농도의 증가는 보이지 않고 있으나, 서울시의 취수원 보다 상류측에 해당하는 하남시의 인구가 2014년 14.9만명에서 2023년 33만명까지 증가하고 있기 때문에, 인간 활동에 의한 증가일 수도 있어 향후 모니터링이 필요할 수 있는 항목으로 사료된다.
브롬산염(bromate)은 2017년 3월에 신규로 추가된 건강상 유해영향 무기물질이며, 2021년 9월에 정수에서 0.0009 mg/L로 처음 측정되었다. 그 이후 2022년 6월에 정수에서 0.0014 mg/L, 직수에서 0.001 mg/L, 물탱크수에서 0.001 mg/L 검출되었다. 브롬산염의 경우는 오존 기반 고도산화공정에서 발생할 수 있다. 서울시의 경우 고도산화공정이 2010년부터 적용되기 시작하여, 2017년에 모든 정수장에 적용되었다. 브롬산염의 먹는물 수질 기준은 0.01 mg/L으로 기준치를 만족하고 있으나, 최근 들어 새로 측정 값이 나타나고 있기 때문에, 지속적인 모니터링이 필요할 것으로 판단된다.
원수, 정수, 직수 및 물탱크에서 납, 비소, 세레늄, 수은, 시안, 6가크롬 및 카드뮴은 전 기간(2005년부터 2022년까지) 동안 불검출로 나타났다. 또한, 건강상 유해영향 유기물질 17항목 역시 모든 시료와 모든 기간 동안 모두 불검출로 나타나 유해영향 유기물질이 서울시 수돗물 원수로 유입되지 않은 것을 알 수 있었다.
2. 소독제 및 미생물
2.1. 잔류염소
잔류 염소는 원수에는 존재하지 않으며, 정수처리 과정에서 투입되는 NaOCl에 의하여 발생하게 되며, 수돗물의 안정적인 소독능을 제공하는 중요한 수단이다. 정수 처리 이후 잔류 염소 농도는 0.4~0.8 mg/L 농도로 유지되었으며(먹는 물 수질 기준: 4.0 mg/L)(Figure 5a), 2005년부터 점차 잔류 염소 농도가 감소하다가, 2018년 이후 소폭 증가하는 2차함수 형태를 나타내었다(Figure 5b). 잔류 염소 농도는 정수 처리 이후 직수 또는 물탱크 수에서 0.1 mg/L 까지 감소하는 경향을 나타내었으며, 물탱크에서 상대적으로 오랫동안 저장되는 경우 잔류 염소의 농도가 더 감소하여 안정적인 소독능이 낮아 질 수 있음을 확인할 수 있었다.
2.2 소독부산물
총트리할로메탄, 클로로포름, 브로모디클로로메탄, 디브로모클로로메탄의 경우, 시기적으로 잔류 염소 농도와 유사한 감소 후 다시 증가하는 패턴을 보였다(Figure 6). 그에 비해, 클로랄하이드레이트, 할로아세틱세시드, 디클로로아세토니트릴의 경우, 그 농도가 지속적으로 감소하는 경향을 보였다(Figure 7). 하지만, 정수장에서 생산되어 공급되는 과정에서 정수 < 직수 < 물탱크수로 갈수록 반응 시간의 증가에 따라 모든 소독 부산물의 농도가 증가하는 경향을 보였다.
디브로모아세토니트릴(수 회 검출, 특별한 경향 없음), 트리클로로아세토니트릴은 불검출이었으며, 포름알데이드(2014년 3월)를 추가하여 측정해 오고 있으나 모두 불검출 되고 있다. 모든 결과에서 소독부산물은 기준치 50% 이하로 존재함을 확인할 수 있었다.
시기에 따라 소독부산물 중 증가하거나 감소하는 경향이 발견되어, 아래 Figure 8에 정수에서 측정된 소독부산물의 존재비를 다시 나타내었다. 푸른색 계열로 표시된 소독부산물이 트리할로메탄(trihalometane, THM)계이며, 갈색 계열이 할로아세틱에시드(haloacetic acids, HAA)계, 붉은색 계열이 클로랄하이드레이트계, 연두색 계열이 아세토니트릴계이다(Figure 8a). 전반적으로 THM계열의 비율이 지속적으로 증가하고 있으며, 기타 소독부산물의 비율이 감소하는 경향을 나타내었다. 소독부산물의 생성 원리는 소독 조건(온도 및 pH)과 유기물의 농도 및 종류에 따라 달라질 수 있으며, pH 8 이상의 조건에서는 주로 THM이 생산될 수 있는 것으로 보고된 바 있다. 한강 원수의 pH의 경우, 시기에 따라 크게 변동하지 않았으며(Figure 9), 수온이 증가하는 경우 소독부산물의 모든 종의 생성능이 증가하기 때문에, 특별한 소독 조건의 변화는 있지 않았던 것으로 판단된다. 앞에서 언급되었던, 약 2006-2007년에 한강 상류에 하수처리장이 설치됨에 따라, 다양한 유기물의 유입이 차단되었을 수 있으나, 정확한 유기물 변화를 확인할 수 없기 때문에, 정확한 원인 분석은 추가 연구가 필요한 것으로 판단된다.
또한. Figure 8b에 브롬계 소독부산물을 노란색 계열로 두드러지게 나타낸 결과, 그 비율이 지속적으로 증가하는 것으로 나타났다. 브롬(Br)계 소독부산물의 증가가 발생하는 부분에 대하여서 수계로의 브롬 원소의 유입이 있을 수 있거나, 브롬의 증가 없이도 투입된 염소량이 증가되어 더 많은 브롬계 소독부산물이 증가되었을 수도 있다. 따라서, 수계 중 브롬에 대한 모니터링을 수행하는 경우, 유입 여부를 확인할 수 있을 것으로 사료된다.
2.3. 미생물
Figure 10에 나타난 것처럼, 정수, 직수 및 물탱크수에서 소독능이 충분이 작용하여 원수를 제외하고 정수 및 직수에서는 모든 미생물(일반세균, 총대장균군, 대장균, 분원성대장균군)이 불검출 되었으나, 일부 물탱크의 경우, 잔류 염소 농도(소독능)의 감소에 따른 적은 수의 일반세균(6, 8 CFU/100 ml, 수질 기준치 100 CFU/100 ml)이 2회 발견 된 바 있었다. 주기적인 모니터링을 바탕으로 미생물이 발견되거나 잔류 염소 농도가 낮게 측정되는 경우, 해당 물탱크 관리 주체에게 소독능 유지를 위한 물탱크 관리 기법에 대한 안내를 지속적으로 수행할 필요할 수 있을 것으로 판단된다.
3. 심미적 영향물질
3.1. 입자성 물질 관련
Figure 11에 입자성 물질 관련 지표들을 나타내었다. 수계 내 입자성 물질과 관련될 수 있는 증발잔류물, 탁도, 색도의 경우, 대체적으로 시기에 따라 큰 차이 없이 유지되고 있는 것을 확인할 수 있었다. 유입수 내 망간, 철, 알루미늄 농도의 경우, 고탁도시기에 농도가 함께 증가되고 있어, 탁질(흙 성분)에 포함되어서 유입된 것으로 판단된다. 유기물 농도를 유추할 수 있는 과망간산칼륨소모량의 경우, 시기적으로 거의 변화가 없었으나, 고탁도 시기와 일부 유사한 패턴을 나타내었다.
3.2. 이온성 물질 관련
Figure 12에 이온성 물질 관련 지표들을 모아 나타내었다. 이온성 물질 중 경도, 칼륨(potasium) 및 황화이온(sulfate)의 경우는 시기에 따라 큰 차이를 보이지 않았으나, 나트륨(sodium)과 염소(chlorine)이온의 경우는 시기에 따라 증가하는 경향을 보였다. 타 이온들이 정수 및 이송 과정에서 큰 변화가 없는 것에 비해 염소 이온의 경우, 응집 및 소독 과정에서 Alum(AlCl3) 또는 NaOCl의 형태로 주입되기 때문에, 정수 처리과정에서 증가되었다.
동(copper)과 아연(zinc)의 경우, 기타 이온성 물질과 비교했을 때 전혀 다른 농도 변화를 보이는데, 이는 동과 아연이 유입수 중에는 거의 존재하지 않으나, 동 또는 아연 배관에서 유출되어 발생하기 때문에, 유입수 보다 더 높은 농도의 동 또는 아연이 특히 물탱크수에서 자주 발견되었으며, 직수에서도 일부 발견된 바 있었다. 따라서, 동 또는 아연 농도의 지속적인 모니터링을 통하여, 배관 교체가 필요한 우선 지역을 파악할 수 있는 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
냄새와 맛의 경우 2016년까지 원수에서 이취와 이미가 있는 경우가 있었으며, 정수과정에서 모두 제거되었으며, 세제의 경우에는 유입수부터 측정되지 않았다.
Conclusions
서울지역 정수장 한 곳의 유입수 및 생산된 수돗물(정수, 직수 및 물탱크수)에 대하여 2005년부터 2022년까지 측정 된 수질 자료를 바탕으로 시기적인 변화를 확인하였다. 모든 수질 지표가 먹는물 수질 기준을 만족하였으며, 따라서 안정적이고 안전한 수돗물 공급이 진행되어 온 것을 확인할 수 있었다. 다만, 장기간 자료를 바탕으로 분석한 결과, 일부 수질에 있어 변동이 확인되고 있어, 필요 시 추가적인 조사가 요구될 수 있음을 확인할 수 있었다. 특히, 붕소, 브롬과 같은 이온 농도가 증가하고 있는 것으로 나타났다. 또한, 소독부산물의 농도가 최근 들어 증가하고 있으며, 그 주요 형태가 트리할로메탄류로 바뀌는 경향이 나타나고, 브롬계 소독부산물의 존재비가 증가하고 있다. 지속적으로 안전한 수돗물을 공급하기 위하여 소독부산물을 줄일 수 있는 소독 공정의 개발 및 적용이 필요한 것으로 사료되며, 지속적인 수질 모니터링을 통하여 유입수 관리, 정수 과정 및 이송 과정에서의 수질 자료 축적 및 축적된 자료 기반 분석이 수행되어야 할 것으로 판단된다.
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