스마트계측기[blog]

합성세제에 따른 어류의 피해

수역에 따라 생식하는 생물도 다르기 때문에 계면활성제의 수생생물에 대한 영향은 생물의 종에 따라 크게 다르다.

이 때문에 수역에서 유지해야할 계면활성제의 농도는 개개의 수역 이용목적에 따라 각기 다른 것이다.

수역의 수질목표로는 ①자연 생태계의 본래 상태로 생태계의 보존, ②수산상의 중요어패류(은어, 잉어, 무지개 송어)등과 자원의 보호, ③낚시 대상어를 포함하여

수생생물의 일반 보호 등이 고려된다.

(1)수생생물에 대한 독성

치사농도이하에서도 수생생물이 장기간에 걸쳐 계면활성제에 폭로된다면 어류의 경우 자어, 치어의 성장 등에 영향을 받는다. 

또 계면활성제에 폭로되면 어류의 아가미 등의 조직에 변화가 생기거나 또는 거동에 변화가 나타난다. 담수어는 LAS가 0～수백 ㎍/l로 추정된다. 

LAS는 알킬기의 탄소수와 구조에 따라 그 TLm값에 차이가 있다. LAS의 물고기에 대한 작용은 LAS의 800ppm용액을 물고기의 체중 1kg당 1g의 비율로 물고기의

위내에 직접 투여한 실험과 LAS 20%를 혼합한 사료에서 장기간 물고기를 사육한 실험에서 어떤 것도 장애가 보이지 않으므로 경구독성이 아니라는 것이 밝혀졌다(bock, 1967). 물고기를 LAS 등의 용액중에 넣으면 비늘의 주위로 부터 점액물질을 다량 분비한다. 비늘의 조직을 현미경으로 관찰한 결과, 비늘의 상피

세포가 부풀어 일부 파괴되어 출혈이 보였다(Swisher, 1964). 이러한 사실로 부터 LAS 등의 계면활성제는 수생동물 특유의 비늘 조직에 흡착되어 세포의 기능을혼란시키고 호흡작용을 초래하는 것으로 추론하고 있다.

계면활성제의 생분해는 친유기(알킬기)의 말단 Methyl기가 산화되어 Carboxyl기로 변하는 반응에서 시작되지만, 이 화합물은 원래 계면활성제 독성의 수십분의일에서 수백분의 일에 상당하는 안전한 것이므로 실제로 물고기에 대하여 거의 무해한 것이다.

예를 들면 LAS의 경우 그 생분해 과정에서 우선 알킬기 말단이 카르본산에 산화된 것, C12-LAS의 경우에는 Sulfophenyl undecanoic acid가 생성된다.

이것의 어류독성은 분해가 되기전의 LAS보다도 훨씬 약하여 TLm이 10,000mg/l 이상인 결과도 얻어졌다(Swisher, 1964).

실제의 자연수계를 실험실 조건으로 유추 시험하는 것은 어렵지만 연속유하식의 인공모델하천(10m 수로)을 이용한 연구, 즉 LAS가 인공하천을 흘러 들어가 생분해가 일어나는 과정에서 himetaga의 알과 성어에 미치는 영향을 고찰해 본 결과, 알의 부화율은 MBAS 농도 5～6 mg/l정도에서도 영향이 없었다.

또한 성어에 대해서도 별도로 미부화된 LAS를 이용하여 각 유역 지점에 있어서 MBAS농도에 맞추어 조제한 수용액에서 각각의 성어의 생존율을 조사하여 인공하천에 있어서 생존율과 비교하였을 때, 인공하천에 상당하는 MBAS농도에 있어서 생존율이 높은 것을 확실하게 나타냈으며, 중간생성 물질인 Sulfophenyl -carbonic acid는 LAS보다도 물고기에 대한 영향이 훨씬 적었다.

시안에 따른 어류의 피해 및 하천에서의 어류폐사 원인규명 방법

시안이온 및 시안화합물은 자연수중에는 거의 존재하지 않으며, 주로 이들을 원료로 사용하는 금속제련, 도금, 사진공업, 화학공업, 코크스 및 가스제조업 등의

폐수에 혼입되어 수중에 유입된다. 일반적으로 수중에 유입된 시안은 수중에서 HCN이나 CN-로 쉽게 유리되는 유리형 시안(Na, K 등의 시안염)과 금속의 착화

합물을 형성하고 있는 착염형 시안으로 존재하는데 이중에서도 쉽게 시안이온으로 유리되는 불안정한 착염과 유리하지 않는 안정한 착염으로 구분된다.

시안화합물의 독성은 대체적으로 안정한 착염형태일수록 약하다.

어류에 대한 독성은 HCN의 경우 강하고 송어의 경우 예로하면, 0.05㎎/L를 170시간 폭로되면 사망하고, 0.1～0.2㎎/L로 1～2일내에 사망한다는 보고가 있다.

​하천에서의 어류폐사 원인규명 방법

물고기가 죽는 요인은 수명을 하고 죽는 자연사, 질병에 의한 어병사, 용존산소나 원인에 의한 호흡장애사, 독성물질에 의한 어독사로 구분되는데 그 원인별로보면 다음과 같다.

(1) 어병사의 경우는 병원성 세균이나 곰팡이, 기생충에 의한 것으로 죽는 과정이 시간적으로 급속하지 않으며, 그 증후가 어체표면이나 내부에 가시적으로 나타 난다.

(2) 급성독성에 의한 어독사의 경우는 어류군집 전체에 동시적인 폐사로 나타나며, 역시 그 증후는 어체의 기형이나 신체기관의 훼손, 어체 표면의 반점 등 가시적  으로 나타난다.

(3) 이에 반하여 용존산소 결핍이나 탁도의 증가에 의한 장애사의 경우는 활성도가 떨어진 생활사 말기의 어류 등에 선택적으로 동시적인 죽음으로 나타나는 반면, 어체에 가시적인 증후는 나타나지 않는 것이 일반적이다.

생물 대사작용 (metabolism) 및 미생물의 분류에 대해서

생물 대사작용 (metabolism)

- metabolism 이해의 중요성 : 미생물이 먹이를 이용하여 성장하고, 개체를 유지하는 반응기작의 이해가 생물학적 분해 반응의 기초가 됨.

- 미생물은 탄소원과 에너지원이 필요함.

- 호기성 조건

   유기물 + 산소 →   CO2 + 물 + 새로운 생체

- 에너지원  : 전자공여체 (electron donor)

- 전자수용체 (electron acceptor)

   산소 : aerobic 

   NO3-1, SO4-2  :  anaerobic, anoxic

   cell 외부에 전자수용체가 없는 경우 : fermentation (유기물 내의 전자가 다른 전자로 옮겨감.)

- 복잡한 유기화합물의 경우 완전히 산화되지 않고 불완전한 산화가 되기도 함.

  (부산물이 유독하거나 심지어 보다 더 유독할 수 있음)

 미생물의 분류

1.1.1 탄소원에 따른 분류

- 독립영양미생물 (autotroph) : 탄소원으로 이산화탄소 이용

- 종속영양미생물 (heterotroph) : 탄소원으로 유기화합물 이용

1.1.2 에너지원에 따른 분류

- phototroph : 태양광 이용

- chemotroph : 화학물질 (유기물질, 무기물질) 이용

- chemoheterotroph : fungi, protozoa, 많은 bacteria,  유기물질 분해에 관여하는 미생물

- chemoautotroph : 탄소원은 이산화탄소, 에너지원은 무기물질 이용, 질산화 bacteria

- photoautotroph : 대부분의 algae, cyanobaterica (blue-green algae)

- photoheterotroph : 소수의 algae 및 cyanobacteria. 많지 않음. 

1.2 Cometabolism

- 정의 : 유기물질이 탄소원이나 에너지원으로 사용되지 않으면서 다른 1차물질을 이용하여 자라는 미생물에 의해 분해/변형되는 현상.

secondary utilization

- 유기물이 이용되지 않는 이유 :

  유용가능한 화학에너지 (전자)의 부족

  유기물을 흡수할 수 있는 생화학적 경로의 결핍

  미생물이 성장할 만큼 충분한 양이 되지 못하는 경우

FET형 센서와 ISFET형 pH Sensor의 측정원리

FET형 센서

FET형 마이크로 센서란 반도체집적회로공정과 같은 미세가공기술에 의하여 제조되는 초소형으로서 FET(field-effect  transistor)와 같은 원리에 의하여 동작하는센서를 총칭한다.

이 FET형 센서는 신소재기술, 정교한 미세가공기술, 전자회로집적기술, 인공지능기술 등과 같은 첨단기술과 접목되어 제조되는 것으로서 센서의 초소형화, 다차원화, 다기능화, 지능화, 시스템화 등에 많은 장점을 가지고 있다.

이 FET형 마이크로센서는 단일 칩상에 많은 센서소자를 집적할 수 있고, 여러개의 같은 종류의 센서를 배열함으로써 다차원화하고, 여러 가지 종류의 센서를 함께집적함으로써 다기능화하며, 지능회로와 함께 집적함으로써 지능화하고, 관련회로나 장치들을 함께 집적함으로써 시스템화 할 수 있어서 최첨단센서로서 크게각광을 받고 있다.

이 FET형 센서는 1970년대에 들어와서 발아되기 시작하였다. FET형 센서 중에서 가장 대표적인 것이 ISFET(ion sensitive field-effect transistor)인데, 이는 ISE(ion selective electrode)와 MISFET를 교묘하게 결합시킨 반도체 마이크로센서로서 종래의 ISE에 비하여 월등한 장점(빠른 반응, 초소형 초경량, in-vivo 및 in-situ 측정가능, 단일칩 스마트화 등)을 가지고 있다. 수소이온센서인 H-ISFET는 최초의 FET형 센서로서 이미 pH미터용으로 실용화되어 있다.

그림 2는 ISFET의 단면구조를 나타낸 것인데, MOSFET의 게이트 전극이 이온감지막과 기준전극 그리고 피측정용액으로 대치된 것 외에는 MOSFET와 같다.

실제 ISFET와 MOSFET의 동작원리가 아주 흡사하다. 용액과 감지막 계면의 전기화학적전위차가 용액 중의 이온농도에 따라서 변하는데 이 전위차의 변화가문턱전압(threshold voltage, Vt)의 변화를 낳고 즉 유효게이트전압(effective gate voltage, Vg-Vt)의 변화를 유발하고, 이는 전장효과에 의하여 채널컨덕턴스를변화시킴으로써 드레인전류의 변화를 일으킨다. 이 드레인전류의 변화분을 측정함으로써 용액 중의 특정이온농도의 변화를 감지하게 된다.

특정이온에 선택적으로 민감한 이온감지막을 교체형성함으로서 각종 ISFET를 개발할 수 있다.

화학센서나 바이오센서의 경우 센서는 초소형으로 제조할 수 있다고 해도 마이크로센서로 활용하기 위해서는 동시에 마이크로기준전극이 개발되어야 한다.

또 센서를 어느 정도라도 스마트화하기 위해서는 FET센서 신호처리 회로가 단일 칩으로 집적되어야 하며, 여러 가지 센서, 기준전극, 신호처리회로 등을 단일 칩에집적하기 위해서는 해당 집적회로의 설계 및 공정기술이 개발되어야 한다.

마이크로기준전극, FET센서 인터페이스회로, 웨이퍼단위 제조공정관련 기술이 상당한 수준으로 확보 또는 개발되고 있다.

FET형 센서기술에 대한 연구는 그 높은 기술적 가능성과 잠재력 때문에 전세계가 엄청난 투자와 정열을 쏟아 붓고 있다.

그래서 머지 않은 장래에 높은 수준의 연구결과들이 쏟아져 나올 것이고 FET형 마이크로센서기술이 찬란한 고도 센서기술을 선도하게 될 것이다

ISFET형 pH Sensor의 측정원리

반도체 소자의 소스와 드레인 사이의 전류는 게이트 부의 전하, 즉 pH 값에 의해 결정된다.
pH 값은 유리 막을 사용하는 것 외에, 이온 선택성 전계 효과 트랜지스터 (ISFET)를 사용하여 측정할 수 있다. ISFET pH Sensor는 간단한 트랜지스터에서 소스와 드레인은 절연체에 의해 게이트에서 분리되어 있다.

유리재질의 멤브레인 막에서는 H + 이온이 유리 막에 축적된다. 결과, 막 외부 양전하를 반영하여 막 내부에 음전하가 발생한다.

이 현상이 ISFET에서는 게이트에 유리 막처럼 H + 이온이 축적하여 반도체 채널이 전기 전도체가 되고 전도성 정도에 따른 "전해 효과"가 발생한다.

액체의 pH가 낮을수록 게이트에 쌓이는 H + 이온이 증가하여 소스와 드레인 사이에 흐르는 전류도 증가한다.

유리 멤브레인 전극과 달리 이 경우에는 액체와 센서 사이에 실제 이온의 이동등은 없고, 화학과 전기 측정이 완전히 별개로 진행된다.

결과적으로 센서의 재질은 변하지 않고 유리 전극의 교정과정처럼 자주 다시 교정을 할 필요는 없다.
ISFET pH Sensor는 , 유리 막 + KCl 이온 층처럼 계층이 아니므로, 물의 비율이 낮은 매체에서 pH를 측정하는 데 적합하다.

최근 ISFET pH Sensor는 안정적이고 견고한 다양한 재질로 공급되고 있다.

ISFET형 pH Sensor의 장점

  - 유리 멤브레인 재질의 센서에 비해 파손의 위험성이 적다

  - 유리 멤브레인 재질의 센서에 비해 센서표면 건조의 영향이 없다

  - 유리 멤브레인 재질의 센서 ​사용이 어려운 낮은온도에서도 사용이 가능하다 ( -10 ~110℃ )

  - 유리 멤브레인 재질의 센서에 비해 보관기관이 길다

  - 매우 소량의 샘플도 측정이 가능하다

​  - 센서의 반응성 및 안정성이 우수하다

​ISFET형 pH Sensor의 단점

  - 내화학성이 떨어진다 ( pH 14근처, 45℃ 이상의 온도 조건에서는 사용이 어렵다) 

  - 고온, 고압의 조건에서 사용이 어렵다 ( -10 ~110℃, < 10 bar )

  - 유리 멤브레인 재질의 센서에 비해 높은 염분농도, 불소함유, 강산화제 등이 포함된 샘플에는 사용이 어렵다

  - 전도도 값이 낮은 샘플 (순수, 초순수등)에는 사용이 어렵다

액체염소를 이용한 염소소독법 과 모래여과기 및 활성탄여과기 등을 이용한 정수처리법, 막여과를 이용한 정수처리법

액체염소를 이용한 염소소독법

- 시중에 유통되고 있는 액체염소(차아염소산 나트륨, NaOCl) 사용

   5%-20ℓ와 12%-20ℓ 두 종류가 있으며, 화학약품판매상에서 구매가능

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- 액체염소는 사람에 의한 수동 투입은 불가능하기 때문에 자동염소투입기를 설치

  ※ 10~100톤 용량 물탱크의 액체염소 반자동투입기 : 약 300~500만원, 완전자동투입기 : 1천만원 이상

- 물탱크 내 잔류염소가 0.5ppm 이상이 되도록 액체염소 투입량을 정하여 자동투입 조절기 설정

  ※ 단, 원수 수질(유기물 농도 등) 및 염소요구량 등에 따라 잔류염소 농도 조정 필요

 노로바이러스 검출시 또는 주변에 식중독 발생시에는 노로바이러스를 재검사하여 검출되지 않거나 주변에 식중독이 소멸될 때까지 기준염소 농도를 1.5ppm까지 높여서 처리

   ※ 잔류염소가 0.5ppm을 넘으면 물에서 냄새가 날 수 있으며, 1ppm 이상의 경우 물탱크 주변에서 심한 냄새가 날 수 있으므로 환기 후 출입토록 함

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모래여과기 및 활성탄여과기 등을 이용한 정수처리법

- 정수장 급속여과기에 사용되는 모래를 사용

- 모래여과에 의한 바이러스 제거율은 90~99% 정도로, 전단에 활성탄을 부착하면 효율을 높일 수 있음

- 모래여과기 규격은 물 사용량에 따라 다르므로 설비업체의 의견을 구해 설치

- 물탱크 전단에 활성탄여과기 및 모래여과기를 설치하고 물탱크에 염소소독장치를 설치하면 처리효율을 높일 수 있음

막여과를 이용한 정수처리법

- 물탱크의 용량이 적거나 물탱크가 없는 경우 또는 염소처리가 어려운 경우, 막여과 장치를 설치하여 노로바이러스를 어느 정도 제거 가능

  ※ 염소소독 장치에 비해 초기 설치비 및 유지관리비가 고가

- 막여과 시설은 정수처리 시설 전문업체에 의뢰하여 제작 가능

   막여과 장치는 원수 물탱크와 정수 물탱크 중간에 설치

   막여과 장치의 전단에 활성탄 여과기를 장착하고 후단에 자외선 살균기를 장착하면 노로바이러스 제거율을 높일 수 있음

  ※ 일일 사용량과 물탱크 용량 등에 따라 설치비 다름

- 정수처리기준은 음용수의 안전성 확보를 위해 바이러스를 99.99% 제거하도록 정하고 있으나, 막여과에 의한 바이러스 제거는 90~99.9% 가능함

   막여과 중 역삼투방식은 바이러스 및 영양물질의 제거효율이 가장 높음

- 막여과 장치의 효율을 유지하기 위해서는 막에 걸리는 압력의 변화를 체크하여야 하며, 막이 찢어지는 등 손상되면 더 오염될 수 있으므로 정기적인 유지보수가 매우

   중요

- 안전성의 최대 확보를 위해 막여과 후 정수된 물탱크에 염소투입기 또는 오존처리기를 설치하면 더욱 효과적임

역삼투압 정수시스템의 원리 및 역삼투압 정수시스템 처리공정도

역삼투압 정수시스템의 원리

역 삼투압 정수방식이란 오염된 물에 강제 압력을 가하여, 특수 제작된 반투막(멤브레인)을 통과시키는 과정으로서 순수한 물 분자는 반투막을 통과하게 되고,물에 녹아있는 화학물질이나 이 물질 등은 반투막을 통과하지 못하도록 하는 원리를 적용하여 물을 정수하는 첨단 정수시스템을 말한다.

막분리 기술이 공업적으로 이용된 것은 1951년 Ionics사에 의해서 합성고분자막인 이온교환막이 개발되어, W. Juda가 이를 이용하여 전기투석법에 의한 전해질의 탈염, 농축원리를 발명한 후부터이다. 

현재 막분리 공정은 막 성능과 물리화학적 안정성이 우수한 각종 소재로부터 무기계 및 고분자막이 개발되고 그에 따른 관련 기술도 발달함에 따라 정수처리분야,생산분야에서 각종 물질의 분리, 농축, 정제에 이용되고 있을뿐 아니라, 폐수처리 분야에서 자원의 유효이용과 환경보전을 위한 유가물질 및 물의 회수, 재이용기술에도 점차 이용이 확대되고 있다. 

역삼투압 정수시스템 처리공정도

​역삼투압 멤브레인 필터를 장착한 4단계 정수처리방식 채택

침전필터 -> 선카본필터 -> 멤브레인 -> 후카본필터 -> 저장탱크 -> 살균필터(옵션) -> 사용

삼투(OSMOSIS) 및 역삼투(REVERSE OSMOSIS) 현상

삼투현상이란 두 용액의 농도차에 의해 저농도 용액이 반투과성 막을 통하여 고농도 용액으로 투과하는 생체막의 자연현상을 말하며, 이와는 반대로 역삼투는삼투현상을 역이용하는 것으로 고농도 용액에 높은 압력을 가하면 반투막은 순수한 물분자와 용존산소 및 미량의 미네랄만 통과시키고, 그 외 각종 오염물질(중금속, 발암성물질, 세균, 기타 이물질)은 걸러서 외부로 배출하는 원리이다. 즉 여기서의 반투막을 역삼투막이라고 한다.

역삼투막

역삼투막은 사람 머리카락 직경의 1/1,000,000 크기인 0.0001㎛의 기공이 수없이 분포되어 있어 박테리아(0.4 1㎛), 바이러스(0.02 0.4㎛)까지도 분리 제거시킬수 있다. 따라서 현재까지의 분리방식 중에서 역삼투방식은 깨끗한 물을 얻기 위한 가장 신뢰할 만한 분리방식이라 할 수 있다.

역삼투막의 종류는 크게 두루마리형(Spiral Wound), 중공사형(Hollow Fiber), 관형(Tubular) 및 판형(Disc)의 네가지 형태로 나누어지며 주어진 조건과 사양에 따라 선택, 응용되고 있다.

- 역 삼투압의 기공(구멍)크기

역삼투압(Reverse Osmosis Membrane)기공의 크기는 사람머리카락의 100만분의 1 크기이며 사람머리카락의 두께는 약 75미크론 (1미크론=1/1000밀리미터)

- 역 삼투압 멤브레인

일반적으로 멤브레인은 4가지 유형(형태)으로 구분할 수 있으며 정수처리성능, 오염물질의 제거효율, 필터관리의 편리성등 다양한 운전조건에 대한 내구성을고려하여 선택 및 사용할 수 있다.
역 삼투압 멤브레인은 원수 중에 포함되어있는 오염물질을 분리하는 필터로써 여러 가지 필터의 여과기능 중 가장 중요한 역할을 하며 0.0001미크론의 미세한기공(구멍)을 통하여 중금속, 발암성물질, 세균, 입자성물질 등을 효과적으로 분리제거한다.
역 삼투압 멤브레인은 음용수는 물론 해수담수화, 폐수재활용, 전자 및 제약 특히 반도체산업의 高순도 순수를 얻고자 많이 응용되고 있다.

정수처리기준의 개념

정수처리기준은 수질관리측면에서의 정수장 운영기준으로써, 우리나라 수도법 제28조 및 수도법 시행규칙  제18조의2, 그리고 불성화비 계산방법 및 정수처리

인증 등에 관한 규정에 근거하고 있다. 이들 법규에 근거해, 정수처리기준의 목적과 목표, 대상범위, 수도사업자의 관련 의무사항 등을 정리하면 아래 <표 1.1>와 같다.

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1.1 정수처리기준의 목적

"정수처리기준은 바이러스, 지아디아 포낭, 크립토스포리디움 난포낭과 같이 소독내성이 강한 병원성 미생물로부터 안전한 수돗물의 확보를 목적으로 한다."

우리나라 수도법 제28조에서는 정수처리기준을 도입하는 목적에 대해 “수도사업자는 수도를 통하여 음용을 목적으로 공급되는 물이 병원성 미생물로부터 안전성이 확보되도록 정수처리기준을 지켜야 한다.”라고 명시하고 있다. 여기서 정수처리기준을 통해 관리하고자 하는 병원성 미생물이란, 바이러스, 지아디아 포낭및 크립토스포리디움 난포낭 등의 미생물을 말한다.
1980년대까지 정수처리에서 관리대상이 되었던 병원성 미생물은 주로 살모넬라나 쉬겔라, 장티푸스균 같은 병원성 세균이었다.

이들 병원균들은 소량의 염소 주입으로도 매우 높은 제거 효율을 얻을 수 있기 때문에 소독제와의 접촉시간이나 구체적인 제거 정도를 일일이 점검할 필요가없었다.
일례로 대장균(E.coli)은 1 mg/L의 염소에 접촉했을 경우 2~3초 내에 99 %가 불활성화되며<표 1.2>, 병원균인 살모넬라균이나 쉬겔라균은 이보다 훨씬 약하다고알려져 있다. 따라서 정수처리 마지막단계에서 염소를 투입하되, 공급과정에서 2차 미생물오염 예방을 위해 관말 수도꼭지까지 잔류염소가 0.2 mg/L 이상 유지되도록 하는 정도가 정수처리기준 도입 이전의 미생물 관리의 핵심이었다.

그리고 정수지 유출부와 수도꼭지에서 정기적으로 수돗물을 채취해 병원균에 대한 지표인 총대장균군 검출여부를 정기적으로 확인하는 방법으로 미생물 안전성여부를 확인하였다.

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그러나 80년대 말부터 세계 곳곳에서 바이러스나 지아디아, 크립토스포리디움과 같은 병원성 미생물이 수인성 집단질병의 원인으로 밝혀지면서 이들로부터안전한 수돗물을 생산해야하는 과제가 대두되었다. ‘93년 미국의 밀워키에서 크립토스포리디움 난포낭이 제대로 제거되지 못한 수돗물 때문에 시민의 1/3인 40여만명이 감염되고, 면역력이 결핍된 AIDS환자 50여명이 사망한 사건은 전 세계적으로 큰 충격이었다(참고1).

이후 이러한 크립토스포리디움 등에 의한 수인성 집단질병사례가 영국, 일본 등에서 빈번하게 보고되면서 수돗물에 대한 불신이 더욱 높아졌다.

우리나라의 경우에는, 그동안 수인성 집단 발병사례는 보고된 적이 없었지만, ‘90년대 말 수돗물 바이러스 검출논란으로 수돗물에 대한 불신이 높아지면서 이들

처리내성 미생물 대책이 매우 강하게 요구되었다.
바이러스, 크립토스포리디움과 같은 미생물의 공통점은 소독내성이 강하다는 점이다. 바이러스는 1mg/L의 염소농도에 1~6분 정도는 접촉시켜야 1/100로 감소

시킬 수 있으며, 99.99 % 이상을 불활성화시키려면 2~12분의 접촉시간을 확보해야 한다.

또다른 병원성 미생물인 지아디아 포낭의 경우에는 염소내성이 더욱 강하다. 즉 대장균의 염소내성을 1로 할 때 지아디아 포낭은 약 2,400배 정도 강하고, 바이러스보다도 수십배 강하다.

‘90년대 가장 많은 감염환자수를 기록한 크립토스포리디움 난포낭의 경우에는 1 mg/L 의 염소농도에서 99 % 를 불활성화하는데 7,200분 접촉이 필요하다는보고가 있을 정도로 염소내성이 강해, 사실상 염소소독으로는 약간의 제거도 어려운 실정이다<표 1.2>.

따라서 바이러스, 크립토스포리디움과 같은 강한 소독내성의 미생물로부터 안전한 수돗물을 확보하기 위해서는, 기존의 대장균 위주의 관리방식과는 다른, 새로운관리체계 즉 정수처리기준이 필요하게 되었다.

1.2 정수처리기준의 목표

"정수처리를 통해 바이러스 99.99 % 이상, 지아디아 포낭 99.9 % 이상, 크립토스포리디움 난포낭 99 % 이상을 제거하면 병원성 미생물로부터 안전성이 확보되었다고 본다"

그렇다면 바이러스, 지아디아 포낭, 크립토스포리디움 난포낭과 같이 소독내성이 강한 병원성 미생물은 어떻게 제거할 것인가?

정수지에 염소를 투입하고 수도꼭지에서 미량의 잔류염소라도 확인되면 미생물로부터 안전하다고 여겼던 종래의 수질관리방식이 충분하지 않다면, 어떤 방법으로

이들 처리내성 미생물로부터 안전한 수돗물을 생산할 것인가? 현재 우리나라의 정수처리기준은 “정수처리를 통해 바이러스 99.99 % 이상, 지아디아 포낭 99.9 %

이상 및 크립토스포리디움 난포낭 99 % 이상 제거”를 목표로 하고 있다.

수도법 시행규칙 별표 5의2에 의한 탁도기준을 준수하고, 소독공정 불활성화비를 계산한 결과 불활성화비가 항상 1이상 유지되는 경우에는 바이러스 및 지아디아포낭이 다음의 불활성화율을 충족한 것으로 보며, 정수처리기준의 준수여부 판단은 정수처리공정에서 1회이상의 소독을 할 경우에는 각 소독 단계에서 소독능값을 계산하고 각 단계별 불활성화비를 합한 값으로 정수처리기준을 준수 여부를 판단한다.
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① 검사항목 : 잔류소독제 농도, pH, 수온
② 검사주기 : 잔류소독제 농도 - 연속측정장치로 측정, pH 및 수온 - 1회/일 이상

여기서 수질목표를 “바이러스 등 병원성 미생물 불검출”로 설정하지 않은 이유는, 불행하게도 이들 처리내성 미생물로부터의 안전성 확보가 그리 쉽지 않기 때문이다. 우선, 바이러스 등의 병원성 미생물은 살모넬라와 같은 병원균에 비해 아주 작은 양으로도 체내에서 감염을 일으킨다.

보고에 의하면, 최소 10개 이하의 지아디아 포낭으로도 감염을 일으킬 수 있으며, 미국에서 발생했던 크립토스포리디움 관련 수질사고시 수돗물에 함유된 한 개내지 몇 개의 난포낭으로도 감염이 발생한 것으로 추정되었다. 그만큼 정수처리과정에서 처리내성 미생물들이 더 철저하게 제거되어야 한다는 것을 의미한다.
그렇다고 해서 이들 미생물을 불활성화시키기 위해 염소 투입량을 무한정 높일 수는 없다. 과도한 소독은 맛･냄새 문제나 소독부산물 문제 등 또 다른 수질문제를발생시킬 수 있으며 경제적인 부담도 고려되어야 한다.

따라서 정수처리기준에서는 이들 처리내성 미생물의 100 % 제거가 과학적으로 불가능하므로, 기술적으로 그리고 경제적으로 허용 가능한 위해정도 즉 건강위해도(Health risk)에 기초해 각 미생물의 제거목표를 설정하였다. 구체적으로 “정수처리를 통해 바이러스 99.99 %(4로그) 이상, 지아디아 포낭 99.9 %(3로그)이상 및 크립토스포리디움 난포낭 99 %(2로그) 이상 제거”목표는 10-4의 위해도에 기초하고 있다(참고2).

출처 : 환경부 정수처리기준 해설서(2013) 내용 발췌 

먹는물 수질기준과의 비교 및 정수처리기준의 특징

정수처리기준의 특징

시설기준과의 비교

" 정수처리기준은 수질관리측면에서의 최적의 운영을 위한 기준이다. "

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​수도법 제18조에 의한 시설기준은 수도시설을 설치할 때에 준수해야 하는 기준 즉 설치기준이다.
예를 들면, 정수장에 대한 세부 시설기준에서는 “소독시설을 설치하여야 하되, 소독기능을 확보하기 위하여 적절한 농도와 접촉시간을 확보할 수 있도록 설치

하여야 한다”라고 명시하고 있다. 또한 “지표수를 수원으로 하는 경우에는 여과시설을 설치하여야 한다”라고 규정하고 있다.
이에 비해 정수처리기준은 수질관리측면에서의 정수장 운영기준이다. 예를 들면, 정수처리기준​에서는, 여과지 운영시에는 통합여과수의 탁도를 4시간 간격으로

측정하여야 하며 탁도 측정값이 1 NTU를 넘지 않도록 운영하여야 하도록 규정하고 있다.

또한 소독시설을 운영할 때는 불활성화비가 1 이상 달성되도록 하여야 한다.

정수처리기준의 목적은 현재 우리나라에서는 “병원성 미생물로부터 안전한 수돗물의 생산“이다.
다시 말해 병원성 미생물로부터의 안전성이 확보되는데 필요한 정수시설 운영기준이 바로 정수처리기준이라고 보면 된다. 그러나 정수처리기준이 처음 도입된

미국에서는 소독부산물 저감이나 고분자응집제 투입시 유해물질 관리 등 다양한 수질목표를 달성하는데 이 정수처리기준제도가 적용되고 있다(참고3).

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먹는물 수질기준과의 비교

​" 정수처리기준은 병원성 미생물의 농도 대신, 각 처리공정의 수질운영기준 준수여부를 검사한다. "

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​수돗물의 수질을 생각할 때 사람들이 가장 먼저 떠올리는 것은 먹는물 수질기준이다.

먹는물 수질기준은 수돗물에 함유되어서는 안되는 여러 가지 물질들(병원성 미생물, 건강유해 무기물질 및 유기물질, 심미적 영향물질 등 - 수도법 제26조)에

대해, 사람의 건강 보호 측면에서 허용할 수 있는 최대농도를 정한 것이다(먹는물수질기준 및 검사등에 관한 규칙 제2조 별표1).

즉 “일반세균은 1 mL 중 100 CFU(Colony Forming Unit)를 넘지 아니할 것” 이나 “총대장균군은 100 mL에서 검출되지 아니할 것”과 같이 표현된다.
그러나 정수처리기준은 “수돗물 1리터에 바이러스 몇 개 이하”의 방식으로 규제하는 대신 “취수 지점에서 정수지 유출부까지 바이러스를 99.99 % 이상 제거하거나

불활성화할 것”과 같이 정수장 수질관리의 목표를 설정한 뒤, 그 달성을 위해 여과 및 소독시설 운영에서 반드시 준수해야 하는 기준을 제시한다.

따라서 수도사업자는 수돗물 중의 바이러스를 검사하지 않아도 정수처리기준을 준수한 경우 해당 수돗물이 바이러스로부터 안전하다는 법적인 보증을 받게 되는것이다.

다. 정수처리기준의 적용분야

" 정수처리기준은 수도꼭지가 아닌, 정수처리가 이루어지는 각 공정에 적용되는 기준이다 "

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​먹는물 수질기준은 원칙적으로 최종 공급되고 있는 수돗물에 적용된다. 수도사업자는 어떠한 물질도 최대허용농도를 초과하지 않도록 수돗물을 생산, 공급해야

하며, 정기적으로 수질검사를 실시해 기준 준수여부를 확인해야 한다. 그러나 이미 생산 혹은 공급된 물을 채수하여 검사하는 것이기 때문에, 수질 이상이 발견

되더라도 실질적으로는 사후대책을 세우는데 그칠 수밖에 없다. 특히 수인성 전염병을 일으키는 병원성 미생물과 같이 음용시 수일내로 그 영향이 나타나는

경우에는 이러한 사후적 관리방식은 큰 한계를 가질 수밖에 없다.
이에 비해 정수처리기준은 최종 공급되고 있는 수돗물 대신 정수처리가 이루어지는 각 공정에 적용된다.

여과공정이 병원성 미생물 제거에 적합하도록 운영되었는지는 통합여과수의 탁도를 측정해 판단하며, 소독공정에서 적절한 수준의 병원성 미생물 불활성화가

달성되었는지는 정수지 등 소독이 이루어지는 각 공정 유출수의 잔류소독제농도나 pH 등을 측정하여 평가한다.

따라서 여과공정이나 소독공정에서 기준 위반 상황이 감지되면 바로 원인조사 및 문제해결조치가 시도될 수 있다.

또한 안전하지 않은 수돗물이 소비자에게 도달되기 전에 끓여먹기 홍보 등의 대응도 가능해 수인성 미생물에 의한 집단발병사고를 미연에 방지하는데 보다 유리하다.

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출처 : 환경부 정수처리기준 해설서(2013) 내용 발췌 

정수처리기준 법령의 구성

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정수처리기준 법령 제정 및 개정​

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우리나라의 정수처리기준은 1990년대 말 수돗물 바이러스 검출 문제가 제기되면서부터 병원성미생물에 오염되지 않은 안전한 먹는물을 공급하기 위해 추진

되었으며 2002년 7월 ｢정수처리기준등에 관한 규정｣고시가 제정되었다. 이후 2012년 5월 정수처리기준 관련 수도법 및 수도법 시행규칙 개정과 ｢정수처리기준등에 관한 규정｣이 2012년 9월 ｢불활성화비 계산방법 및 정수처리 인증 등에 관한 규정｣으로 전면 개정되는 등 최근까지 지속적으로 관련 법령의 개정이 이루어져 왔다.

우리나라의 정수처리기준과 관련된 주요 추진 경위는 아래와 같이 요약 할 수 있다.
◦ ’02. 3. 우리나라 정수장의 정수처리기술기준 제정에 관한 연구용역 완료(국립환경연구원)
◦ ’02. 7. ｢정수처리기준 등에 관한 규정｣고시 제정(환경부)
◦ ’02.11. 소독능 계산기록부 프로그램 배포(’03년과 ’04년 2차례에 걸쳐 수정)
◦ ’04. 4. 전남 목포 몽탄정수장 최초 추가소독능인증(한국상하수도협회)
◦ ’06. 6. 수도법시행령제22조16(정수처리기준 등) 신설
◦ ’07. 9. 수도법시행령제48조(정수처리기준 등) 22조의16에서 조문 이동
◦ ’08. 4. ｢정수처리기준 등에 관한 규정｣고시 개정
◦ ’10.11. 크립토스포리디움 불활성화비 기준 추가 설정(수도법시행령 제48조)
◦ ’11. 6. ｢정수처리기준 등에 관한 규정｣고시 개정
◦ ’12. 5. 수도법시행령 개정(수도법 개정으로 영제48조 정수처리기준 등 삭제-수도법 및 규칙, 고시로 이동)
◦ ’12. 9. ｢정수처리기준 등에 관한 규정｣고시 폐지 및 ｢불활성화비 계산방법 및 정수처리 인증등에 관한 규정｣ 제정​

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1.2 정수처리기준 법령 구성

​현행 정수처리기준 법령(’13. 11. 현재) 내용은 크게 아래 표와 같이 구분할 수 있다.

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​1.3 정수처리기준 적용 흐름도

​정수처리기준 적용 대상 및 적용 방법은 아래 흐름도와 같다. 수원의 종류 및 지표수의 영향 등에 따라 적용 및 미적용 그리고 배제인증 또는 시설개량을 통해정수처리기준 준수 방법을 확인 할 수 있다.

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​1.4 시설별 목표달성
정수처리기준의 목표인 “바이러스 99.99 % 이상 제거, 지아디아 포낭 99.9 % 이상 제거 및 크립토스포리디움 난포낭 99 % 이상 제거”는 미생물별 총제거율로써,실제 정수공정에서 달성해야 하는 미생물 제거율은 각 시설의 종류 및 각 공정에 따라 다르다.

이는 크게 여과공정과 소독공정으로 나누어진다. 아래는 여과방식에 의한 제거율 및 소독에 의한 불활성화의 이해를 돕고자 대표적인 공정을 아래에 나타내었다.

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출처 : 환경부 정수처리기준 해설서(2013) 내용 발췌 

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여과공정과 탁도기준

​여과수 탁도를 측정한 결과 정수시설별로 수도법 시행규칙 별표 5의 2에 의한 여과방식별 탁도기준을 준수한 경우에는 바이러스, 지아디아 포낭 및 크립토스

포리디움 난포낭이 다음의 제거율을 충족한 것으로 본다.

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급속･직접･막여과시설
  ① 시료채취 지점 : 여과지와 정수지 사이에 모든 여과지의 유출수가 혼합된 지점
  ② 시료채취 주기 : 4시간 간격으로 1일 6회이상
  ③ 기준 : 매월 측정된 시료수의 95 % 이상이 0.3 NTU 이하이고, 각각의 시료에 대한 측정값이 1.0 NTU 이하일 것.

      다만, 연속측정장치를 사용하여 매 15분 간격으로 통합여과수 탁도를 측정할 것

 완속여과시설
  ① 시료채취 지점 : 여과지와 정수지 사이에 모든 여과지의 유출수가 혼합된 지점
  ② 시료채취 주기 : 4시간 간격으로 1일 6회이상
  ③ 기준 : 매월 측정된 시료수의 95 % 이상이 0.5 NTU 이하이고, 각각의 시료에 대한 측정값이 1.0NTU 이하일 것.

      다만, 연속측정장치를 사용하여 매 15분 간격으로 통합여과수 탁도를 측정할 것​

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불만족시 조치사항
탁도기준 초과시 초과정도에 따라 시설개선 및 주민공지 등을 실시하는데, 일시적인 탁도기준 위반시 자체시설 점검과 개선조치를 취하고, 탁도 위반 값이 크고장시간 지속되면 해당주민 공지와 기술진단등의 개선조치를 취하여야 한다.

미생물 불활성화비를 만족하지 못하는 경우에는 지체없이 해당 주민에게 공지해야 하며 전문기관에 기술진단과 개선조치를 취해야한다.

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출처 : 환경부 정수처리기준 해설서(2013) 내용 발췌 

소독공정 불활성화비 계산 결과 해석 및 소독에 의한 불활성화비 계산방법

소독공정 불활성화비 계산 결과 해석
여과공정에서 달성해야 하는 탁도기준을 모두 만족한 경우 여과공정에서 요구되는 제거율을 달성한 것이므로, 소독공정에서 요구되는 불활성화율은 <표 2.3>

의 오른쪽 부분과 같다. 그러나 탁도기준을 달성하지 못한 경우 총제거율(최소 제거 및 불활성화기준)을 소독공정에서 달성해야 함에 유의해야 한다.
소독공정에서의 불활성화비를 계산한 결과, 불활성화비가 1 이상 유지되는 경우에는 바이러스 및 지아디아 포낭이 다음의 소독공정에서 요구되는 불활성화율을충족한 것으로 본다. 만일 정수처리공정에서 1회 이상의 소독을 할 경우에는 각 소독 단계에서 소독능값을 계산하고 각 단계별 불활성화비를 합한 값으로 정수처리기준 준수 여부를 판단한다.

​​2. 소독에 의한 불활성화비 계산방법

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가) 소독능 계산값(CT계산값)의 산정

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​(1) 잔류소독제 농도는 수도법 시행규칙 제18조의2 제4항 별표 5의2에 의하여 측정한 잔류소독제 농도값 중 최소값을 택한다.
(2) 소독제와 물의 접촉시간은 1일 사용유량이 최대인 시간에 최초소독제 주입지점부터 정수지 유출지점까지 측정한다
    ① 추적자시험을 통해 실제 소독제의 접촉시간을 측정하는 때에는 최초 소독제 주입지점에 투입된 추적자의 10 % 가 정수지 유출지점 또는 불활성화비의 값을 인정받는 지점으로 빠져 나올 때까지의 시간을 접촉시간으로 한다.
    ② 이론적인 접촉시간을 이용할 경우는 정수지 구조에 따른 수리학적 체류시간(정수지사용용량/시간당최대통과유량)에 아래 표의 환산계수를 곱하여 소독제 접촉시간으로 한다.​​

​ 소독능 요구값(CT요구값)의 산정
(1) 불활성화비 계산을 위한 소독능 요구값(CT요구값) 산정방식은 다음과 같다.
   ① 표에서 측정된 pH 와 온도범위에 해당하는 상한값을 찾은 후, 그 두 값을 직선화하여 측정된 pH와 온도에서의 소독능요구값을 정한다.
   ② 일상적인 계산에 있어서는 소독능 산정의 편리 등을 위하여, 측정된 pH와 온도보다 낮은 온도 및 높은 pH 를 찾은 후 그 값을 적용할 수 있다.

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출처 : 환경부 정수처리기준 해설서(2013) 내용 발췌 

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소독능 요구값 (CT요구값) 유리염소를 사용하는 경우,이산화염소를 사용하는 경우,오존을 사용하는 경우, 자외선 소독을 사용하는 경우

소독능 요구값 (CT요구값)

가.바이러스

(1) 유리염소를 사용하는 경우

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(2) 이산화염소를 사용하는 경우 (pH 6~9)

​

(3) 오존을 사용하는 경우

​

(4) 자외선 소독을 사용하는 경우

나.지아디아 포낭

(1) 유리염소를 사용하는 경우 

 -  측정수온15℃

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​-  측정수온 20℃

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(2) 오존을 사용하는 경우 (pH 6~9)

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다. 크림토스포리디움 난포낭 (참고사항)

(1) 자외선 소독을 사용하는 경우

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(2) 이산화염소를 사용하는 경우

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(3) 오존을 사용하는 경우

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(4) 이산화염소를 사용하는 경우 (pH 6~9)

​

(5) 자외선 소독을 사용하는 경우

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출처 : 환경부 정수처리기준 해설서(2013) 내용 발췌 

Gloss Meter(광택계)

투시도 및 투시도계에 대해서 

투시도란?

투시도는 시료의 틈새 정도를 나타내는 것으로 물층을 통해 바닥에 둔 표지판의 이중선을 처음으로 확실히 분별할 수 있을 때의 물층의 높이를 나타냅니다.

보통 단위는 물층의 높이(cm)를 "도"로 나타내지만 우리는 알기 쉽도록 그대로 "cm"를 사용하고 있습니다.

​투시도계란?

투시도는 투시도계를 사용하여 측정합니다.

일반적인 투시도계는 길이 약 32cm의 비색관으로 바닥 쪽에 시료수를 빼기 위한 입이 붙어 있어 5~10mm마다 눈금을 붙인 것입니다.

바닥에는 표지판을 붙여서 사용합니다.

TQC 점도컵 카다로그