[논문]상수관로 내부 오염물질의 물리화학적 특성 분석

배철호; 최두용; 이두진; 김도환

doi:10.11001/jksww.2014.28.5.589

상수관로 내부 오염물질의 물리화학적 특성 분석
A study of physical and chemical properties of internal accumulated material in water mains 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.28 no.5, 2014년, pp.589 - 600

배철호 (K-water연구원 상하수도연구소) , 최두용 (K-water연구원 상하수도연구소) , 이두진 (K-water연구원 상하수도연구소) , 김도환 (부산광역시 상수도사업본부 수질연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Tuberculation and slime accumulated in water mains play an important role in modifying water quality of drinking water. Therefore, in this study, it was investigated that what materials were accumulated, and what components were included in the tuberculation and slime of water mains. The Various tuberculation and slime sample were collected from the 12 water mains to analyze their physical and chemical properties and crystal structure. As a analysis method, VSS(Volatile suspended solid), SEM(scanning electron microscope), EDS(Energy Dispersive X-ray spectroscope), ICP(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer) and XRD(X-Ray Diffractomete) were used. The results of analysis on the samples, the representative materials were verified such as iron corrosion products, the fine sand particles generated during backwash, fine particles of activated carbon, aluminum used in coagulation process, and manganese included in raw water.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 국내 상수관로 내 존재하는 다양한 슬라임 등 축적물질과 부식으로 인해 관 내부에 형성된 결절 등에 대한 물리화학적인 특성을 분석하여, 이러한 물질의 발생원인이 무엇인지 파악하였다. 또한 상수관로는 그 용도에 따라 원수, 공업용수, 정수 등을 공급하고 있고, 관종 또한 매우 다양한 특성을 보이기 때문에 관 내부에 존재하는 오염물질의 형태도 매우 다를 수 있으므로 관 용도와 관종 별로 관 내부에 존재하는 오염물질의 성분을 규명하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 국내 상수관로 내 존재하는 다양한 슬라임 등 축적물질과 부식으로 인해 관 내부에 형성된 결절 등에 대한 물리화학적인 특성을 분석하여, 이러한 물질의 발생원인이 무엇인지 파악하였다. 또한 상수관로는 그 용도에 따라 원수, 공업용수, 정수 등을 공급하고 있고, 관종 또한 매우 다양한 특성을 보이기 때문에 관 내부에 존재하는 오염물질의 형태도 매우 다를 수 있으므로 관 용도와 관종 별로 관 내부에 존재하는 오염물질의 성분을 규명하고자 하였다.
본 연구에서는 국내 상수관로 내 존재하는 다양한 슬라임 등 축적물질과 부식으로 인해 관 내부에 형성된 결절 등에 대한 물리화학적인 특성을 분석하였고, 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 도수관로, 배수관로, 그리고 공업용수관로 등으로 상수관로 용도별로 구분하여 원수, 침전수, 그리고 정수 등에 대한 영향, 그리고 관 재질에 따라 내부에 존재하는 다양한 슬라임과 결절 등에 대한 물리화학적 특성 분석을 위해 무라이닝 주철관종(회주철, 닥타일주철관), 시멘트모르터라이닝 닥타일주철관, 강관, PE관, 콘크리트관에 대해 조사하였다.

제안 방법

수집한 모든 샘플에 대한 결정구조에 대한 정성·정량적 분석은 고 분해능 X-선 회절분석기(Bruker AXS, Germany)를 이용하여 관 내부에 존재하는 결절과 축적물질의 결정구조에 대한 정성·정량적 분석을 수행하였다. Bruker AXS는 D8 Advance model로써 Lynxeye detector(linear detector or PSA)가 장착되어 있으며, X-ray tube의 Target은 Cu이며 Nickel filter를 사용하였고 40 kV, 40 mA로 분석하였다.
조사대상 관로내부에 존재하는 슬라임 또는 결절에 대한 샘플링은 해당관로에 대해 길이방향으로 1 ~ 2 m 이상을 절단하여 수집하거나 또는 대구경으로 수집이 어려운 경우에는 관 절단 후 관 내부 부착물질을 직접 채취 하였다. 결절에 대해서는 결절표면은 대부분 빨간 색의 옅은 슬라임이 존재하나, 내부 층으로 갈수록 검은색의 산화철 계통의 물질로 변화되는 특성을 보이기 때문에 결절상부는 surface layer, 중간부위는 middle layer, 하층부는 bottom layer 로 구분하여 샘플링을 하여 각 층별로 물리화학적 특성변화를 분석하였다. 슬라임에 대해서는 대구경은 현장에서 관 표면에 축적되어 있는 슬라임을 표면으로부터 긁어내어 샘플링을 하였고, 소구경은 수집된 관체 내부에 증류수를 흘리면서 브러싱(brushing)하여 수집하였다.
(1998)은 미국의 여러 도시에서 관체를 수집해서 스케일과 미생물 막에 대해서 조사하였다. 관재질은 주철, 납, 그리고 아연도강관 등이었고, SEM(scanning electro microscopy), EDS(Energy dispersive spectroscopy), XRD(x-ray diffrcation) 등을 분석하였다. 주철관종에서 주요 원소성분으로 관측된 것은 철, 칼슘, 규소, 그리고 황 등이었다.
본 연구에서는 상수관로 내부에 존재하는 다양한 슬라임과 결절에 대한 성분, 조직, 결정구조, 화학적 원소 등을 분석하였고 그 방법은 다음과 같다.
본 연구에서는 수집한 모든 샘플에 대해 EDS를 분석하여 시료 내 원소(element)에 대한 정성·정량적 분석을 수행하였다.
수집한 모든 샘플에 대한 화학적 조성은 ICP(Inductively Coupled Plasma, Perkin Elmer, OPTIMA 7300DV, USA)를 이용하였다. 분석항목으로는 관 내부 결절 또는 슬라임 등의 주요 성분으로 알려진 Fe, Al, Mn, Zn, Ca, Cu 등에 국한하여 정량적 분석을 수행하였다.
수집한 모든 샘플에 대한 결정구조에 대한 정성·정량적 분석은 고 분해능 X-선 회절분석기(Bruker AXS, Germany)를 이용하여 관 내부에 존재하는 결절과 축적물질의 결정구조에 대한 정성·정량적 분석을 수행하였다.
수집한 모든 샘플에 대한 미세 조직과 형상을 관찰하기 위해 SEM 촬영을 하였다. SEM(JEOL, JSM-7000F)은 전자총 부분의 Filament에 전원을 가하여 방출된 전자를 높은 전압으로 가속하여(10-30 kV) 집속렌즈로 모아서 시료 표면에 조사시켜 시료에서 방출되는 여러 가지 신호 중 2차 전자를 검출하여 영상화함으로서 시료에 대한 미세조직과 형상을 파악하는데 도움을 준다.
수집한 모든 샘플에 대한 화학적 조성은 ICP(Inductively Coupled Plasma, Perkin Elmer, OPTIMA 7300DV, USA)를 이용하였다. 분석항목으로는 관 내부 결절 또는 슬라임 등의 주요 성분으로 알려진 Fe, Al, Mn, Zn, Ca, Cu 등에 국한하여 정량적 분석을 수행하였다.
결절에 대해서는 결절표면은 대부분 빨간 색의 옅은 슬라임이 존재하나, 내부 층으로 갈수록 검은색의 산화철 계통의 물질로 변화되는 특성을 보이기 때문에 결절상부는 surface layer, 중간부위는 middle layer, 하층부는 bottom layer 로 구분하여 샘플링을 하여 각 층별로 물리화학적 특성변화를 분석하였다. 슬라임에 대해서는 대구경은 현장에서 관 표면에 축적되어 있는 슬라임을 표면으로부터 긁어내어 샘플링을 하였고, 소구경은 수집된 관체 내부에 증류수를 흘리면서 브러싱(brushing)하여 수집하였다. 조사대상 관로로부터 수집한 샘플에 대한 상태는 Fig.
조사대상 관로내부에 존재하는 슬라임 또는 결절에 대한 샘플링은 해당관로에 대해 길이방향으로 1 ~ 2 m 이상을 절단하여 수집하거나 또는 대구경으로 수집이 어려운 경우에는 관 절단 후 관 내부 부착물질을 직접 채취 하였다. 결절에 대해서는 결절표면은 대부분 빨간 색의 옅은 슬라임이 존재하나, 내부 층으로 갈수록 검은색의 산화철 계통의 물질로 변화되는 특성을 보이기 때문에 결절상부는 surface layer, 중간부위는 middle layer, 하층부는 bottom layer 로 구분하여 샘플링을 하여 각 층별로 물리화학적 특성변화를 분석하였다.

성능/효과

4에는 원수를 공급하는 무라이닝 회주철관(Unlined-CIP), 공업용수를 공급하는 닥타일주철관(Unlined-DIP), 그리고 정수를 공급하는 무라이닝 닥타일주철관(Unlined-DIP)과 강관(SP) 내 결절에 포함된 VSS를 비교하여 나타내었다. Fig. 4에서 보면, 공업용수를 공급하는 unlined-DIP의 VSS가 평균 18.22%으로 가장 높았고, 원수 또는 정수를 공급하는 관종 (Unlined-CIP, Unlined-DIP, SP)에서는 상대적으로 낮은 9.99 ~ 11.24%로 유사한 수준을 보였다. 공업용수를 공급하는 unlined-DIP가 타 용수공급의 관 재질에 비하여 가장 높은 VSS를 보였으며 이는 공업용수 처리공정이 응집, 침전과정까지만 진행되므로 상대적으로 미생물 및 유기물 제거효율이 낮기 때문에 VSS의 비중이 큰 것으로 추측된다.
7에는 원수를 공급하는 unlined-CIP, 공업용수를 공급하는 unlined-DIP, 정수를 공급하는 unlined-DIP와 SP 내부에 존재하는 결절성분에 대한 EDS 분석결과이다. 결절 내 철성분은 정수를 공급하는 SP, unlined-DIP 순으로 그 성분 비중이 높았고, 그 다음으로는 원수를 공급하는 unlined-CIP, 공업용수를 공급하는 unlined-DIP에서 철 성분 비중이 상대적으로 낮게 나타났다. 그 외 알루미늄, 규소, 망간 등은 반대로 공업용수를 공급하는 unlined-DIP가 상대적으로 그 비중이 높은 것으로 나타났다.
24%로 유사한 수준을 보였다. 공업용수를 공급하는 unlined-DIP가 타 용수공급의 관 재질에 비하여 가장 높은 VSS를 보였으며 이는 공업용수 처리공정이 응집, 침전과정까지만 진행되므로 상대적으로 미생물 및 유기물 제거효율이 낮기 때문에 VSS의 비중이 큰 것으로 추측된다.
결절 내 철성분은 정수를 공급하는 SP, unlined-DIP 순으로 그 성분 비중이 높았고, 그 다음으로는 원수를 공급하는 unlined-CIP, 공업용수를 공급하는 unlined-DIP에서 철 성분 비중이 상대적으로 낮게 나타났다. 그 외 알루미늄, 규소, 망간 등은 반대로 공업용수를 공급하는 unlined-DIP가 상대적으로 그 비중이 높은 것으로 나타났다.
(1937)은 부식침전물을 구성하는 서로 다른 산화철이 계층구조를 이루고 있다고 언급한바 있는 산화철은 주로 Magnetite(Fe₃ O₄ )(자철 석, 산화철로 층상구조를 이루며, 검은 색을 띤다), 그리고 Geothite(α-FeOOH)(침철석, 침상 결정을 이루며 갈색, 적갈색을 띈다) 또는 Lepidocrocite(γ-FeO(OH))(산화철 수화물로 오렌지 색을 띤다)를 포함하고 있다고 하였다. 그러나 본 연구에서 분석한 결과에 따르면, 비록 결절 표면이 적색 또는 오렌지색을 띠고, 내부는 검은색을 띤다고 해서 반드시 Magnetite, Geothite 또는 Lepidocrocite라고 판단하기는 다소 어려울 것으로 판단된다. 이는 표면 또는 중간 하부 층에 대부분 색깔의 구분 없이 Magnetite, Geothite, 그리고 Lepidocrocite 등이 존재하는 것으로 나타났기 때문이다.
넷째, XRD 분석결과, 부식생성물로 발생되는 결정구조는 Geothite≻Magnetite≻Lepido crocite≻maghemite 순으로 나타났으며, 표면에서 하부까지 다양하게 나타났다.
둘째, 슬라임과 결절에 대해 성분과 조성 등을 관 용도별, 관종별로 조사한 결과, 관로 내부에 존재하는 주요 성분으로는 철 부식생성물, 알루미늄, 망간, 규소 등이며, 특히 결절 중에서 철이 차지하는 비율은 대부분 60%이상으로 나타났다. 이중 철 부식생성물은 대부분 관 내 금속관의 부식이 진행되면서 발생되므로 관 자체에서 발생되는 특성이 있다.
다만 망간 등은 정수처리공정에서 사용되는 성분이 아니므로, 원수에 포함된 망간이 정수처리공정에서 제거되지 못하고 관로로 유입되어 결절 또는 슬라임 등과 함께 축적되어 있는 것으로 보인다. 또한 철 성분은 슬라임 보다는 부식생성물인 결절 내부에 높은 비중을 차지하고 있고, 철 이외에 알루미늄, 망간, 그리고 규소 등은 결절보다 슬라임에서 주요 성분으로 나타났다.
20 g/kg으로 가장 낮게 나타났다. 망간도 알루미늄과 비슷한 경향을 보였으며, 칼슘 성분은 반대로 CML-DCIP에서 16.11 g/kg으로 가장 높았고, 그 다음으로는 concrete관, 그리고 정수와 공업용수를 공급하는 SP 순으로 분석되 었다.
그 이유는 현재 concrete관이 매설된 구간은 SP 또는 Unlined-DIP가 혼재되어 매설되어 있어 이들 금속관종으로부터 발생된 철 성분이 concrete관으로 이동, 축적되어 있기 때문으로 판단된다. 반면, 알루미늄 성분은 공업용수와 정수를 공급하는 SP에서 그 비중이 높았고 정수를 공급하는 CML-DCIP에서 가장 낮았다.
반면, 알루미늄은 공업용수와 정수를 공급하는 SP의 슬라임에서 각각 147.48 g/kg, 137.15 g/kg으로 가장 높았으며, 그 다음으로는 공업용수를 공급하는 concrete관이 63.14 g/kg이었고, 정수를 공급하는 CML-DCIP 슬라임에서 34.20 g/kg으로 가장 낮게 나타났다. 망간도 알루미늄과 비슷한 경향을 보였으며, 칼슘 성분은 반대로 CML-DCIP에서 16.
셋째, 부식생성물을 제외한 활성탄 성분 일부가 XRD에서 관측되었는데, 활성탄 흡착지 또는 안트라사이트를 운영하는 시설로부터 미세한 입자들이 관로내로 유입되어 침전 또는 기존 슬라임과 결절에 포획되어 존재하는 것으로 보여 진다. 모래 미세입자로 판단되는 SiO₂입자들도 EDS, ICP 또는 XRD 분석에서 관측되었는데, 이는 원수에서 발생하였으나 정수처리공정에서미 제처리되었거나 혹은 모래여과공정에서 발생되었을 가능성이 높은 것으로 판단된다.
5에는 원수를 공급하는 concrete관, 그리고 정수를 공급하는 SP, CML-DCIP 내부에 존재하는 슬라임 사이의 VSS를 비교하여 나타내었다. 슬라임 내 VSS는 정수를 공급하는 SP가 33.28%으로 가장 높았고, 그 다음으로는 CML-DCIP가 14.10%이었으며, 원수를 공급하는 concrete관이 6.93%로 가장 낮게 나타났다. 이러한 이유는 내부 도장재로 사용되고 있는 시멘트모르터 또는 콘크리트 표면 자체가 폴리머 재질의 고분자 라이닝 재질에 비하여 미생물 등 프로세스의 발달에 더 취약하기 때문으로 보인다.
10에는 원수를 공급하는 unlined-CIP, 공업용수를 공급하는 unlined-DIP, 그리고 정수를 공급하는 unlined-DIP와 SP 내부에 존재하는 결절성분의 ICP 분석결과이다. 원수를 공급하는 unlined-CIP와 정수를 공급하는 SP의결절에서 철 농도는 각각 616.91 g/kg, 613.52 g/kg으로 비슷한 수준이었으며, 그 다음으로는 정수를 공급하는 unlined-DIP가 538.85 g/kg, 공업용수를 공급하는 unlined-DIP가 483.96 g/kg으로 낮게 나타났다.
첫째, 관 내부에 존재하는 물질 중 휘발성부유 고형물(VSS)이 차지하는 비율이 평균적으로 슬라임은 24.18%, 결절은 12.03%로 나타나 슬라임 중 유기물 농도가 높은 것으로 나타났다. VSS는 주로 미생물학적인 프로세스로 발생하는 것으로 보인다.

후속연구

다섯째, 상수관로 내부에 존재하는 대표적인 입자성 물질, 활성탄 미세입자, 모래 미세입자, 철 부식생성물, 알루미늄, 망간 등을 저감하기 위해서는 이러한 물질의 발생원을 최대한 억제 하여 관로 내로의 유입을 방지(정수처리공정 개선)해야 함은 물론이며, 이러한 물질을 효과적으로 제거할 수 있는 플러싱을 포함한 다양한 관내부 세척 기술의 적용(적정 유속 등) 이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상수관망 내 존재하는 오염물질이 포함하는 것은 무엇인가?	상수관망에서 내부에 존재하는 오염물질은 보편적으로 부식생성물, 실트, 모래, 생물막, 화학적 스케일, 유·무기 미립자, 그리고 관내부 도장재 등을 포함하고 있다. Walski(1991)에 따르면, 이러한 오염물질들은 잔류 소독제를 감소시키고 독성 또는 병원성 박테리아 등의 생장에 영향을 주기 때문에 공공보건을 위협한다고 하였다.
	상수관망에서 미생물 막의 형성에 대한 메커니즘이 수도사업자에게는 매우 중요한 관심사인 이유는 무엇인가?	상수관망에서 미생물 막의 형성에 대한 메커니즘은 수도사업자에게는 매우 중요한 관심사이다. 이는 미생물학적인 스케일이 수인성 질병을 유발할 잠재적 위험성을 가지고 있기 때문이다. 또한 생물막의 형성은 상수관로의 부식을 가속화할 수 있고, 심미적인 수질문제를 유발하기도 한다. Nagy and Olson(1985)은 다양한 종류의 관 표면에서 HPC 밀도가 100 cm2당 10 bacteria와 100 cm2당 4.
	Walski가 상수관망 내 오염물질이 공공보건을 위협한다고 말한 이유는 무엇인가?	상수관망에서 내부에 존재하는 오염물질은 보편적으로 부식생성물, 실트, 모래, 생물막, 화학적 스케일, 유·무기 미립자, 그리고 관내부 도장재 등을 포함하고 있다. Walski(1991)에 따르면, 이러한 오염물질들은 잔류 소독제를 감소시키고 독성 또는 병원성 박테리아 등의 생장에 영향을 주기 때문에 공공보건을 위협한다고 하였다. 또한 적수 등은 탁도 및 색도변화(discoloration)의 주요원인이기도 하다.

참고문헌 (16)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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