초록 ▼

Ⅳ. 연구 결과
1. 시료채취조 운영관리 현황조사 결과
시료채취시스템의 중요성은 수많은 연구결과에서 확인할 수 있다. 그러나 시료채취조에 대한 구조 및 성능에 대한 형식승인 기준이 없으며 환경부 수질 TMS 업무 편람에도 그 설명이 부족하여 현재 수질원격감시체계에서는 제각각 서로 다른 다양한 형태와 크기의 시료채취조가 설치‧운영되고 있다. 운영 중인 시료새취조의 설치현황을 파악하기 위하여 수질 TMS 설치업체를 대상으로 설문조사를 진행하고, 수질 TMS가 부착된 하폐수 배출사업장을 방문하여 현장조사를 수행하였다.
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Ⅳ. 연구 결과
1. 시료채취조 운영관리 현황조사 결과
시료채취시스템의 중요성은 수많은 연구결과에서 확인할 수 있다. 그러나 시료채취조에 대한 구조 및 성능에 대한 형식승인 기준이 없으며 환경부 수질 TMS 업무 편람에도 그 설명이 부족하여 현재 수질원격감시체계에서는 제각각 서로 다른 다양한 형태와 크기의 시료채취조가 설치‧운영되고 있다. 운영 중인 시료새취조의 설치현황을 파악하기 위하여 수질 TMS 설치업체를 대상으로 설문조사를 진행하고, 수질 TMS가 부착된 하폐수 배출사업장을 방문하여 현장조사를 수행하였다.

국내 수질TMS 전문설치업체를 대상으로 한 설문조사의 결과 현재 시료채취조 관련규격은 실제 설계 및 제작에 큰 도움이 되지 않고 있었다. 수질 TMS업무편람의 시료채취조 권고사항인 용량 30 L 이상 및 체류시간 5 분 이내의 규정만 준수하는 수준으로 설계하고 있으며, 현장운영자의 요구사항인 측정 안정성을 최우선으로 고려하여 시료채취조를 제작‧운영하고 있었다. 시료채취조의 운영현황을 파악하기 위한 현장조사를 통해 대표적으로 적용되고 있는 7 가지 시료채취조의 규격, 만수위 소요시간, 채취조내 흐름 특성을 확인하였다. 또한 일본의 교토에 설치된 수질연속측정소를 방문하여 국내 시료채취조와의 차이점을 조사하였다.

국내 시료채취조의 설치현황 조사 결과, 그 크기와 형태가 다양하게 설치되어 있음을 확인할 수 있었다. 시료채취조의 다양한 크기와 형태는 수질TMS 운영자의 요구에 맞추어 안정적인 측정이 가능한 형태로 시료채취조의 형태가 발전되어 온 것으로 이해할 수 있다. 따라서 수질TMS의 측정결과는 처리시설의 배출수 특성이 반영된 결과이기 보다는 운영자 요구에 의해 안정적으로 측정된 일면이 있음을 알 수 있었다.

수질TMS 연속측정에서 가장 크게 고려할 항목은 부유물질 연속자동측정기이다. 부유물질 연속자동측정기의 경우 대부분 90° 산란광 방식의 측정원리를 적용하고 있다. 이에 따라 시료와 함께 유입되는 공기방울은 간섭물질로 작용하여 빛에 의한 산란광 측정에 방해를 주게 된다. 배출수에서 펌프로 채취한 시료가 연속적으로 시료채취조로 유입하는 현재의 시료채취 시스템에서 공기방울에 의한 부유물질 측정방해는 측정 안정성에 가장 큰 영향을 미치고 있다. 공기방울의 발생을 최소화하기 위하여 시료채취조 내부에 1 단 또는 2 단의 격벽을 설치하거나 시료의 유속을 느리게 유지하는 방식으로 시료채취조를 운영하고 있다. 시료채취조 내부의 구조적 특성과 유속 등 운전조건에 의존하여 부유물질이 바닥에 침전되는 경우가 발생하며 이러한 경우 수질연속측정기의 측정결과는 방류수의 특성을 제대로 반영하지 못 할 가능성이 높아진다.

일본은 센서형과 분석형 수질연속측정기에 대하여 서로 다른 형태의 시료채취시스템을 적용하고 있었다. 분석형 장비의 경우 별다른 시료채취조 없이 연속으로 유입되는 시료를 100㎛ ∼ 120 ㎛의 여과장치로 거른 후 장비에 직접 도입하는 형태로 운영되며 전도도, 탁도, 온도, 산화환원전위 등의 센서형 수질연속측정기의 경우 하나의 도입셀에서 전항목 측정이 가능한 상용화된 센서형 채취장치를 활용하고 있었다. 센서형과 분석형의 구분된 일본의 채취시스템은 광화학적 측정원리를 적용하는 연속측정기의 적용시 공기방울 등의 간섭을 최소화하여 방류수 시료에 대한 안정적인 측정이 가능한 형태로서 국내 수질원격감시체계의 채취조에 대한 좋은 대안이 될 것으로 판단된다.

2. 실험용 시료채취조의 설계 및 제작
현장조사결과를 바탕으로 실험용 시료채취조를 설계‧제작하였다. 실험용 시료채취조는 첫번째 격벽의 이동이 가능하도록 하여 시료채취조의 내부 크기 및 구조 변화에 따른 체류시간의 변동을 확인할 수 있도록 하였다. 두 번째 조는 부유물질 측정센서의 설치 및 산란광 측정에 문제가 없도록 충분한 간격(30 cm 이상)을 유지시켰다. 선반을 제작하여 실험용 시료채취조를 고정하였으며 하부에는 시료와 추적자가 펌프를 통해 유입시킬 수 있도록 각각의 구분된 2개의 저장조를 설치하였다. 유입측 부분에 설치된 유량계를 이용하여 유입시료 유속 확인이 가능하며, 선반의 바닥에 바퀴를 설치하여 현장에 이동하여 시험할 수 있도록 제작하였다.

3. 실험용 시료채취조 성능평가 결과
국내외 시료도입부 기준과 규격 및 운영관리 현황을 파악하여 제작한 실험용 시료채취조를 대상으로 3D 유체해석, 추적자 시험 및 현장적용성 평가를 수행하여 시료채취조의 성능을 검토하였다. 실험용 시료채취조의 3 D 유속분포를 통하여 시료의 측정분석이 이루어지는 2 단의 조 중앙에서 혼합성이 기존 장방형 시료채취조에 비해 크게 향상됨을 확인할 수 있다. 따라서 시료채취조 시제품을 적용할 경우 센서 침지형태로 운영되는 센서형 연속측정기와 함께 분석형 연속측정기의 시료채취 및 분석에 기존 시료채취조에 비하여 배출수의 특성이 반영되는 시간이 감소하게 될 것으로 판단된다. 또한 시료채취조의 단면별 흐름분포를 통하여 실험용 시료채취조의 역학적 혼합 특성을 보다 자세하게 확인할 수 있었다. 측정이 이루어지는 2단에서 하부의 유입수와 내부에 존재하는 시료의 격렬한 혼합으로 소용돌이가 생성되고, 생성된 소용돌이는 시료유입부에서 유출부 쪽으로 그리고 채취조 내부에서 좌우측면 방면으로 퍼져나가듯 이동하였다.

플루오르세인 추적자 시험을 통하여 주입된 추적자가 시험 초기 2 단의 하부에서 3 단의 상부로 일부가 즉시 배출됨을 가시적으로 확인할 수 있었다. 하지만 방류수의 플루오르세인 농도를 측정하고 평균체류시간 등 조의 수리 특성에 대한 실험적 결과 제시에 한계가 있었다.

잔류염소추적자 시험 결과에서 똑같은 크기의 시료채취조라 할지라도 구조 및 형태에 따라 시료의 혼합 특성은 크게 달라짐을 확인하였다. 같은 크기의 시료채취조이지만 첫 번째 격벽의 위치를 10 cm로 하였을 때 시료는 제대로 혼합되지 못하고 단락류를 형성하며 빠르게 유출하였다. 하지만 20 cm로 조정한 경우 시료채취조내 시료의 혼합성은 향상되었으나 시료의 유출시간은 늦어졌다. 이로 인하여 격벽의 위치를 10 cm로 정하였을 때 90 % 배출시간은 20cm로 정하였을 때와 비교하여 약 5 분가량 증가하였다. 이에 따라 시료채취조의 혼합 특성에 상관없이 10 cm일 때 Morrill Index가 더 큰 값을 나타내게 되었다. 따라서 시료의 혼합특성을 판단하는 기준은 Morrill Index가 아닌 분산수(Dispersion Number)로 적용하는 것이 보다 합리적일 것으로 생각된다. 완전혼합을 추구하는 시료채취조의 설계를 위하여 분산수에 대하여 0.5 이상의 기준을 제시하는 것이 적절할 것으로 판단된다.

Step 주입법과 Pulse 주입법의 체류시간 시험결과는 서로 다르게 나타났지만, Step 주입시험의 경우 3D 수치해석을 이용한 결과와 크게 다르지 않았다. 일반적으로 Step주입법의 경우 추적자 투입량이 많으며 Pulse 주입법에 비하여 체류시간분포의 결과가 불안정하다고 알려져 있다. 따라서 시료채취조의 성능평가를 위해서는 측정 안정성이 높고, 시험 준비로 인한 오차의 발생 가능성이 적은 Pulse 주입법을 적용하는 것이 적절할 것으로 판단된다.

현장적용성 시험을 통하여 시료채취 이후 10 분이 지나면 어느 정도 안정된 시료를 확인할 수 있음을 확인하였다. 따라서 실험용 시료채취조의 규격에 맞을 경우 특성이 다른 시료가 갑자기 유입된다 하더라도 시료 유입도입 이후 10 분이 지난 후에는 대표성을 갖춘 충분히 안정된 시료를 얻을 수 있다고 판단된다.

4. 시료채취조 성능시험기준 및 시험방법 제시
시료채취조의 구조규격 및 성능시험 기준(안)을 마련하기 위하여 해외자료조사, 실험용 시료채취조의 제작 및 현장평가를 수행하였다. 모든 조사 결과를 총합하여 제시된 시료채취조 구조·성능의 세부기준은 다음과 같다.

5. 수질분야 형식승인 세분화
수질원격감시체계와 자동측정망에 적용되는 수질연속측정기는 그 대상 수계의 특성에 따라 측정기에 영향을 미치는 요인이 다르다. 우선 수질원격감시체계에 적용되는 수질연속측정기는 기본적으로 하수 및 폐수처리장의 최종처리를 거친 처리수를 시료로 하여 일반적으로 안정적인 상태에서 측정이 가능한 환경에 설치되는 경우가 많다. 따라서 수질연속측정기를 이용한 시료의 매질효과(Matrix Effect)에 대하여 보정식을 관리함으로써 계통오차를 줄일 수 있다.

반면 수질자동측정망의 수질연속측정기의 경우 원수의 특성을 미리 규정하기 어려운 상황에 설치되는 경우가 많다. 기본적으로 유입원수에는 다양한 측정방해물질이 포함되어 있으며 미량이라도 지속적으로 유입될 경우 측정셀에 영향을 미칠 수 있다. 또한 유입시간, 날씨 및 계절 등의 변화에 따라 유입원수의 특성이 달라지는 경우도 있으며 갑작스런 환경사고로 인하여 고농도의 유입원수가 유입되는 경우도 있다. 수질자동측정망의 수질연속측정기는 다양한 환경 조건에 대한 대응력을 확보하여야 한다.

또한 수질원격감시체계와 수질자동측정망에 공통으로 적용되는 총인 및 총질소 연속자동측정기의 경우 앞에서 언급된 이유로 인하여 수질연속측정기의 실제 적용범위가 다르다. 수질원격감시체계에 적용되는 수질연속자동측정기의 경우 배출기준을 바탕으로 측정범위가 설정되는 경우가 많다. 반면 수질자동측정망의 경우 배출허용기준이 아닌 수질오염감시경보 기준을 바탕으로 수질연속측정기의 사용 및 적용범위가 결정될 것이다. 수질원격감시체계와 수질자동 측정망에서 감시대상 물질의 발생장소와 평상시 검출농도범위가 다름에도 불구하고 형식승인 기준은 따로 구분되어있지 않아 수질자동측정망의 경우 불필요하게 넓은 측정범위에 적합한 수질연속측정기가 적용되고 있다.

우리나라의 수질자동측정망에는 수소이온농도, 용존산소, 전기전도도, 총유기탄소의 기본항목 이외 총 13 개 추가항목에 대하여 연속자동측정기를 활용하고 있다. 이 중 총인, 총질소, 총유기탄소, 용존산소, 수소이온농도의 5 개 항목은 형식승인 및 정도관리 대상항목으로 법적관리를 받고 있지만 나머지 항목에 있어서는 정확성과 정밀성을 확인하기 위한 시험방법이 아직 마련되어 있지 않은 상태이다. 또한 정도검사 대상 항목에 포함된 연속자동측정기의 경우 수질자동측정망에 적용되는 측정기기는 수질원격감시체계에 적용하기 위한 목적으로 형식승인을 받은 측정기를 사용하게 되어, 수질자동측정망에는 대상 수질특성 및 장비의 측정안정성 등을 고려하지 않은 수질연속측정기가 설치·운영되고 있다. 수질오염감시경보 기준보다 상당히 낮은 농도로 측정되고 있는 수질측정망의 경우 더욱 정밀한 측정기기가 적용되어야 하며, 수질변화에 대한 장비의 안정성이 충분히 확보된 측정기기를 활용해야할 것이다.

수질분야 연속자동측정기는 법적관리체계와 적용범위를 고려하여 구분된 형식승인 관리체계를 도입할 필요성이 있다. 법적관리체계 내에서 수질연속측정기는 비점원오염물질, 수질오염물질 총량관리, 대규모 오염원 하류지점, 수질오염경보 측정망 등에 적용된다. 이 중 오염 총량목표수질 달성을 위해 방류수 기준을 준수여야 하는 오염할당사업자(폐수종말처리시설, 공공하수처리시설, 공공처리시설)가 설치하는 수질측정망은 현재의 수질원격감시체계에 적용된 수질연속측정기를 뜻한다. 이러한 경우 측정대상 항목과 측정범위에 대하여 비교적 안정적인 환경에서 측정이 이루어진다고 할 수 있다. 그 외 측정망에 적용되는 수질측정기는 낮은 측정범위에서 다양한 항목에 대한 측정이 가능해야 한다. 따라서 수질원격감시체계에 적용되는 수질연속측정기에 대하여 “배출수질연속자동측정기 및 그 부속기기”로 정의하고 나머지 모니터링에 적용되는 측정장비에 대해서는 기존의 “수질연속자동측정기 및 그 부속기기”로 구분하여 형식승인 및 정도검사 체계를 유지할 수 있다. 이와 함께 휴대용수질측정기의 형식승인 및 정도검사 체계가 함께 마련된다면 대기분야 측정기 형식승인 제도와 함께 형평성을 갖출 수 있는 환경측정기기 관리체계를 구축할 수 있다.

수질자동측정기의 적용 환경에 맞는 측정기기 형식승인 기준의 개선이 필요하다. 따라서 향후 형식승인과 정도검사 대상항목에 대하여 국가수질자동측정망의 다양한 대상 항목을 포함할 수 있도록 확대하고, 다양한 환경조건에 측정기의 정밀성과 정확성을 확보할 수 있는 시험·검사 체계를 마련하여 수질환경측정기의 종합관리체계를 구축해야 한다.

6. 형식승인 문장화
현재 형식승인을 위한 성능시험 기준과 시험방법은 환경측정기기 형식승인·정도검사 등에 관한 고시 [별표 1]과 [별표 2]에 문장형태로 작성되어 있다. 하지만 정도검사 기준과 시험방법은 현 고시에 [별지] 형태로 점검표로만 단순 명시되어있다. 축약된 표로 정리된 현재의 정도검사 점검표로 인하여 보는 사람마다 시험방법과 기준을 달리 해석하는 경우가 발생하게 되었다. 또한 정도검사 점검표는 분야 및 항목별로 상이하여 통일성을 갖추지 못하고 있다.
이에 따라서 7 개 분야 환경측정기 정도검사와 시험방법을 통일성을 갖춘 문장으로 제시하였다. 해당내용은 부록에서 확인할 수 있다.

(출처 : 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 요약문 ... 3
• 목차 ... 15
• 표목차 ... 18
• 그림목차 ... 20
• I. 서론 ... 23
• 제 1 장 서론 ... 24
• 제 1 절 연구배경 ... 24
• 제 2 절 연구목적 ... 26
• II. 연구내용 및 방법 ... 27
• 제 1 장 과업의 범위 ... 28
• 제 1 절 수질 TMS 환경측정기기의 시료도입부 성능 기준(안) 제시 ... 28
• 제 2 절 수질환경측정기기 형식승인 기준 개선 ... 29
• 제 3 절 환경측정기기 정도검사 기준 및 시험방법 제시 ... 29
• 제 2 장 연구추진체계 ... 30
• 제 3 장 조사 및 분석방법 ... 31
• 제 1 절 수질 TMS 환경측정기기의 시료도입부 성능 기준(안) 제시 ... 31
• 제 2 절 수질환경측정기기 형식승인 기준 개선 ... 32
• 제 3 절 환경측정기기 정도검사 기준 및 시험방법 제시 ... 32
• III. 연구결과 및 고찰 ... 34
• 제 1 장 수질TMS 시료도입부 성능기준(안) 제시 ... 35
• 제 1 절 국내·외 시료도입시스템 관련 규격 및 기준 ... 36
• 제 2 절 시료채취조 운영관리 현황파악 ... 61
• 제 3 절 시료채취조 최적 설계기준 마련 ... 82
• 제 2 장 시료채취조 규격 및 성능시험 기준(안) 제시 ... 110
• 제 1 절 시료채취조 성능평가 ... 110
• 제 2 절 시료채취조 성능시험기준 및 시험방법 제시 ... 156
• 제 3 장 수질분야 형식승인 세분화 ... 161
• 제 1 절 수질분야 형식승인 세분화의 필요성 ... 161
• 제 2 절 VOCs 연속자동측정기의 원리 및 특성 ... 178
• 제 4 장 환경측정기기 정도검사 기준 및 시험방법 제시 ... 187
• 제 1 절 개요 ... 187
• IV. 결론 ... 193
• V. 기대성과 또는 향후계획 ... 197
• VI. 참고문헌 ... 199
• VII. 부록 ... 201
• 끝페이지 ... 203