[기고] 네덜란드 상수도 시스템과 수도관 자재

글. 이호 ㈜고비 부회장
김한결 기자 | eco@ecomedia.co.kr | 입력 2022-06-03 14:54:31
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▲ 이호 ㈜고비 부회장



 

수돗물 음용율 90%
누수율 2.5%
국민들의 수돗물 만족도 95%

 

 

수돗물의 소독에 염소등 소독제를 사용하지 않으면서 세계 최고 수준의 수돗물을 공급하고 있는 네덜란드 수도의 성적표다. 음용율 7%대, 누수율 10%를 상회하는 우리나라의 수도 사정에 비추어 볼 때 가히 수도의 이상을 실현하고 있다고 할 수 있을 정도의 수준이다. 높은 음용율과 수돗물에 대한 만족도는 매우 낮은 생수 소비량으로 나타나고 있다. 네덜란드는 2017년 기준으로 1인당 연간 생수 소비량이 25리터 (우리나라 108리터)에 불과해 부수적으로 생수 용기로 인한 미세플라스틱 오염 방지에 기여하고 있다.


우리나라를 비롯한 대부분의 나라는 수돗물의 정수처리에 염소를 사용하며 배수 관망에 잔류염소가 유지되도록 수돗물을 관리하고 있다. 염소는 뛰어난 살균력과 잔류성 그리고 경제성 때문에 수돗물에서 세균의 불활성화를 위한 소독제로 가장 많이 사용되고 있다. 네덜란드는 이러한 염소소독의 장점에도 불구하고 소독 부산물이 인체에 부정적 영향을 주고 수돗물의 맛과 냄새 야기의 원인을 제공한다는 점에 초점을 맞추어 염소를 사용하지 않는 수도시스템을 구축했다.
 

이하 네덜란드가 염소 없이 수돗물의 안전을 어떻게 보장하는지를 살펴보고 이를 뒷받침하는 상수도 관망 구성에 있어서 PVC관을 주 관종으로 선택한 사정을 살펴보고자 한다.

Ⅰ 네덜란드의 무염소 수도시스템이 가능했던 배경
 

일반적으로 화학 소독이 수돗물 안전을 증가시킨다고 믿고 있지만, 네덜란드인들은 화학 소독이 유익함보다 더 많은 문제를 야기한다고 생각했다. 특히 1974년 Rotterdam 수도의 화학자 Jan Rook는 염소가 인체에 부정적인 영향을 주는 트리할로메탄(Trihalomethanes)생성에 영향을 준다는 사실을 발견하여 보고(출처:[Formation of haloforms during chlorination of natural waters] Journal Water Treat. 1974. J. J. Rook)했다. 이를 기점으로하여 네덜란드는 수돗물의 미생물적 안전을 해치지 않으면서 염소를 사용하지 않고 수돗물을 생산하고 배수할 수 있는 토탈 시스템 방식을 점차적으로 채택했고 2005년부터는 염소를 사용하지 않게 되었다. 연구자들은(출처:[The Dutch secret: how to provide safe drinking water without chlorine in the Netherlands] P. W. M. H. Smeets G. J. Medema1, and J. C. van Dijk) 네덜란드가 무 염소 수도시스템을 구축할 수 있었던 배경을 다음과 같이 분석하고 있다.


1. 주된 취수원인 지하수
네덜란드의 상수도 수원은 1/3(34%)이 표류수 이고 2/3(66%)는 지하수이다. 표류수를 상수도 수원으로 사용하고 있는 지역은 주로 국토의 서부지역이고 나머지 지역은 지하수를 수원으로 하고 있다. 오염된 라인강(Rhine)과 뫼즈강(Meuse) 하류에 위치하는 네덜란드는 역사적으로 상수원으로 염소를 투입하지 않은 지하수를 사용해왔다. 이러한 사정으로 네덜란드 국민들은 염소를 사용하지 않는 수도시스템 구축에 저항감이 크지 않았다.

2. 염소의 역할과 한계에 관한 인식
수돗물 수질 측정결과 염소를 사용하는 나라(영국,프랑스)와 대장균 검출 빈도 면에서 크게 차이가 없었고 배수 과정에서 오염이 발생해도 오염수에는 유기물이 많이 함유되어 있어 유기물에 의해 염소가 쉽게 소비되고 크립토스포리디움(Cryptosporidium) 등 내염소성 세균은 불활화 되지 않고 리스크로 남게 되어 대체로 잔류염소는 배수 과정에서의 재오염에 대하여 한정적인 효과밖에 없다고 판단했다.

3. 세균의 먹이를 제거하여 세균의 증식을 억제할 수 있는 대안의 개발
배수 시스템 내에서 잔류염소는 확실히 세균의 재증식을 억제하는 효과가 있다. 우리나라를 비롯한 대다수의 나라에서는 배수 시스템에서의 2차 오염을 방지하기 위해 잔류염소 농도 기준을 정하고 있다. 그러나 네덜란드는 소독제로 세균을 죽이는 대신에 세균의 먹이를 제거하는 방법으로 미생물적으로 안전한 물의 배수를 실현하고자 했다. 잔류염소의 대안으로 세균의 먹이인 AOC(Assimilable Organic Carbon:동화성유기탄소)를 제어하기 위해 AOC 지표를 개발하고 AOC농도를 줄여 배수 과정에서 세균의 재증식을 억제하는 시스템을 구축했다.
 

4. 치밀한 실증적 연구조사
EU의 여러 나라에서 발생한 감염유행사례를 조사 분석한 결과 대다수의 감염유행은 잔류염소가 유지되고 있는 배수시스템에서 발생하고 주로 배수 과정에서의 역류, 크로스커넥션, 수리, 누수, 저수압 등이 원인이며 잔류염소는 감염유행을 방지하기 위하여 충분하게 역할하지 못했다는 분석 결과를 얻었다.

Ⅱ 안전한 식수에 대한 네덜란드의 접근법

네덜란드는 1차 소독을 위해서나, 배수 관망에 잔류 소독제를 유지하기 위해 염소를 사용하지 않는 나라다. 수돗물의 위생적인 안전과 미생물적인 안전을 해치지 않으면서 염소를 사용하지 않고 음용수를 생산 및 배수할 수 있는 네덜란드에서 특징적으로 보이는 접근법을 살펴보고자 한다.

1. 정수처리 시스템의 다중 여과(multi-barrier system)
표류수를 상수도 원수로 사용할 때에 정수처리는 다수의 Unit-process를 중첩시킨 처리시스템(Multi-barrier system이라함)으로 하고 있다. Multi-barrier system을 구축한 목적은 다양한 오염물질과 화학물질의 제거나 미생물의 제거 불활화(不活化)및 미생물의 먹이인 동화성유기탄소(AOC)농도의 저감을 중요한 목적으로 하고 있다.

표류수를 직접 원수로 하고 정수처리 프로세스에 Multi-barrier system을 적용하고 있는 대표적인 처리 Process는 다음과 같다. 

 

 

처리 프로세스 중 특기할 Process는 모래언덕 침투여과 프로세스다. 해수면보다 육지가 낮은 네덜란드는 해안지역에 자연제방으로 형성되어 있는 모래언덕을 이용하여 응집.침전,급속여과의 전(前)처리를 거친 물을 모래언덕에 도수하여 모래언덕 침투여과 과정을 거친다. 이에 더하여 모래언덕에 침투시킨 물을 가두어둔 운하. 침투지가 있고 이 물이 토양에 침투하여 60~400일간 체류한 후 집수관 등에 의해 수로로 모이게 한후 고도정수처리 과정을 거친다..

2. 수도 수질 관리에 정량적 감염리스크 평가(QMRA)기법의 도입
양질의 수도 원수의 확보 및 정수처리에 있어서 Multi-barrier system 구축, 그리고 네덜란드의 수도 수질 관리에 있어서 특기할만한 것은 수돗물의 미생물적 안전성을 확보하기 위해서 정량적감염리스크평가(QMRA:Quantitative Microbiological Risk Assessment) 기법을 도입한 것이다. QMRA는 원수에 존재하는 병원체의 존재 상황과 농도를 파악하고 이러한 병원체를 정수처리시스템으로 제거된 데이터를 조합하여 병원체의 노출에 의한 질병 발생 확율을 추정하는 정량적 분석. 평가기법이다. 네덜란드는 2001년수질기준을 개정하여 “ QMRA에 의하여 장관(腸管)계 바이러스, 크립토스포르디움, 지아루지아 등의 연간 감염 리스크가 10-4 이하로 평가될 것” 이라는 규정을 추가함으로써 수도사업자는 법률에 의해 감염리스크가 안전한 수돗물을 공급해야 하는 의무를 진다(출처:伊藤 禎彦 경도대학교 대학원 공학연구과 교수 일본 수도협회잡지 제79권 제10호 (913호).平成22.10).

3. 배수관망에서 미생물의 재생장을 방지하는 미생물적으로 안정된 배수시스템의 구축
네덜란드에서는 다중여과시스템 (Multi-barrier system)에 의한 정수처리와 미생물적 안전성의 정량화에 더하여 수돗물의 배수 과정에서 세균의 재증식을 억제하여 미생물적으로 안정된 배수시스템을 구축했다. 다수의 연구조사 결과 잔류염소 없이도 배수 과정에서 AOC(동화성유기탄소)의 제어로 세균의 재증식을 억제할 수 있다는 결과를 얻었다. 수돗물 중에서 검출되는 세균은 배관 내면에 생육한 생물막(Biofilm)에서 탈리한 것이 대부분이다. 수돗물에서 이와 같은 세균이 검출되지 않도록 세균의 먹이인 AOC를 제어하는 것이다. 배수계통에 있어서 정수처리 후의 AOC 농도와 배수 후의 수중의 종속영양세균 수에는 상관관계가 인정되고 있다. 또한 배수관 내에서 AOC 농도는 저감하지만 저감 후에도 그 수치는 10~15 ㎍/L 이하로 되지 않는다는 연구 결과를 토대로 수돗물 속의 종속영양세균 수의 증대를 제어하기 위한 목표치로서 10 ㎍/L을 설정하여 배수관망에서 미생물 안정성을 유지하고 있다.


또한 배수중의 누수를 최소화하는데 중점을 두고 있다. 배수중 누수가 발생할 경우 누수과정에서 미생물등 오염물질이 수돗물을 오염시킬 수 있으므로 적절한 수압을 유지하고, 체계적인 노후관의 교체 및 개선 그리고 고품질의 배관 자재를 사용하여 네덜란드는 3%이하의 누수율을 유지해 세계에서 가장 낮은 누수율을 실현하고 있다.

4.배수관 내면에서의 생물막(Biofilm) 생성의 제어
AOC제어에 더하여 배수관 내면에 실제로 생물막(Biofilm)이 생성하지 않는지를 감시하고 제어하는 것이다. 배수관망에 있어서 세균의 대부분은 생물막 내에 서식하며 생물막은 관 내벽에 부착, 성장, 탈리를 반복하면서 수돗물 2차 오염의 주요 원인이 된다. 네덜란드에서는 생물막 생성을 제어하기 위해서 관망을 구성할 수도관은 사용 전에 반드시 생물막생성능(Biofilm Formation Potential :BFP) 과 생물막생성속도(Biofilm Formation Rate: BFR)에 대한 테스트를 받아야 한다. 네덜란드 수도에 있어서 배수계통의 미생물적 안정성은 AOC(< 10㎍/L)와 BFR(10 pgATP/㎠.1일)의 2가지 파라메타에 의해서 정의되어 진다.

5. 붉은물. 현탁물질의 제어를 위한 자체정화관망(출처:[velocity-based self-cleaning residential drinking water distribution system], J.H.G Vreeburg et. al 2009)(Self-Cleaning-Network)의 구축
네덜란드에서는 위생적으로 안전하고 미생물적으로 안정된 수도시스템을 구축했지만 수돗물이 배수계통에서 장시간 체류할 경우 현탁 물질등 다양한 물질과 접촉하게 되고 현탁 물질이 침전되거나 재부유하여 수질에 영향을 미치고 궁극적으로 수돗물의 맛, 냄새, 붉은물 등으로 인해 수도 이용자의 민원이 야기되었다. 네덜란드의 수도사업자들은 이를 해결하기 위하여 유속을 이용하여 자체 정화가 가능한 배수 시스템을 구축했다. 구체적으로는 우선 관망의 유속을 1.5m/s 로하여 대상 관로의 세관(洗管)을 실시한 후 1일 1회 최대 유속 0.2~0.25m/s가 되도록 안배하여 관망을 자체 정화시킨다. 물론 최대 유속은 관내 유속과 탁도의 상관관계에 관한 중첩적인 실험결과에 의한 실험결과치다.


이를 달성하기 위하여 치밀한 수요분석 결과치를 기초로 관망 계산에 의해 관경을 결정하고 관망 형태를 Loop형이 아닌 단방향(Unidirectional)에 의한 나뭇가지상(枝状)으로 구축했다. 자체정화관망(Self Cleaning Network)은 수도관의 관경을 작게하여 유속을 빠르게 하고 물을 정체 없이 지속적으로 흐르게 함으로서 수도관을 깨끗하게 유지함과 동시에 부식하지 않는 PVC관을 주 관종으로 관망을 구축하여 수질 유지는 물론 설비투자를 20% 상당 절감할 수 있었다.
 

 

▲ 그림1. Self Cleaning Network 관망 예시 <제공=이호 부회장>

 


Ⅲ 네덜란드 수도관망의 주 관종, PVC관

1. 수도관 자재의 변천
네덜란드의 공공수도는 1853년 암스테르담에서 영국 철강회사의 도움으로 최초로 설치되었다. 초창기 수도관망의 관자재는 역청으로 도장한 회주철관을 사용했다. 1945년 이후부터 1970년대의 세계대전 후 성장기에 네덜란드의 상수도 관망은 빠르게 확대. 성장하면서 이 시기에 값이 싸고 다루기 편한 석면시멘트관이 각광을 받고 길이 5m 내경 100mm 관이 주철관과 함께 많이 사용되었으나 70, 80년대에 석면시멘트관의 인체 유해성이 알려지면서 사용이 중단되었다.


1960년대초 PVC관이 개발되어 각광을 받았다. PVC관은 그 당시에 많이 사용되던 석면시멘트관보다 튼튼하고 경제적이고 가벼우며 시공이 간편한 장점으로 인해 빠르게 확산되었다. 당시의 PVC관은 실험적이었고 생산 방법 또한 표준화되지 않아 품질면에서 일정하지 않고 불안정했다. 그러나 이러한 초기 PVC관의 문제에도 불구하고 PVC관에 대한 관심은 줄어들지 않았다. 오일쇼크 당시 PVC의 기본 재료와 생산공정이 불안정하여 파이프의 품질 저하를 초래했다. 1975년 PVC관 생산자와 소비자가 협력하여 엄격한 표준을 마련하고 생산공정 제어기술이 도입되어 안정적이고 고품질의 PVC관이 생산되었다. 이때부터 네덜란드에서는 신설 및 교체 수도관망에 PVC관이 거의 독점적으로 적용되게 되어 현재에 이르고 있다. 

 

이 시기에 다른 플라스틱을 사용하기 위한 실험이 시작되었다. 폴리에틸렌(PE)의 장점은 인장 장력을 흡수할 수 있는 파이프를 만드는 것이 가능하다는 점이었다. PE의 큰 단점은 오염된 땅에 있는 오일 화합물에 대해 반투과성으로 농약,페인트등 친유성 용제를 차단하지 못해 파이프의 손상이 없는 상태에서도 수질에 영향을 미치고 배수관내에서 세균 증식 등의 문제로 보편적으로 사용되지 못하고 가정 연결용 소구경 롤관이 사용되었다.
 

1980년대초 석면시멘트관의 사용이 중지되면서 새로운 관 자재로 덕타일주철관이 도입되었다. 덕타일주철관은 주로 토양오염이 우려되는 지역에 사용되었고 외면은 PE로 코팅하고 내면은 시멘트모르터를 코팅하여 사용하였다.
 

2020년 현재 네덜란드의 수도관 연장 약 120,000Km 중 PVC관이 54.5%를 점유하고 있으며 기 매설 석면시멘트관과 회주철관을 PVC관으로 교체하고 있어 PVC관의 매설은 지속적으로 증가하고 있다.
 

▲ 그림2. 네덜란드 2020년 현재 수도사업자별 적용 수도관 현황 <출처=Dutch Drinking Water Statistics 2020>

 


2. 네덜란드 수도 시스템과 수도관의 재질
네덜란드 수도시스템을 관통하는 기본 원칙은 유해 세균이 없는 위생적으로 안전하고 배수 과정에서 미생물의 재생장(Regrowth)이 제어되는 미생물적으로 안정된 수도의 구축이라는 두 가지 점에 기초하고 있는 것으로 생각된다. 그것은 위에서 살펴본 바와 같이 수돗물의 AOC 지표와 BFR 지표에서 명확히 나타나고 있다. 이 기본 원칙은 수도관망을 구성하는 수도관에도 적용되고 있으며 배수관망에서 세균등 미생물의 재생장과 수돗물의 오염을 방지하는데 가장 유리한 수도관 재질을 선택하고 있다. 조사연구와 실증실험을 통해 PVC관을 이러한 기본 원칙에 가장 부합하는 수도관으로 판단하고 네덜란드 수도관망에서 주 관종으로 적용하고 있다. 네덜란드의 PVC관은 PVC-U재질로 제조되고 규격은 ISO 1452에 부합화된 유럽표준 EN 1452를 적용하고 있다. 수도에 사용하기 위해서는 인증기관인 KIWA의 성능인증을 받아야하며 KIWA의 성능인증은 제품과 제조과정의 양방향 확인으로 수행된다.

1) 미생물적으로 안전한 PVC관
PVC관은 BFP(생물막생성능) 값이 20-50pgATP/㎠로 동일 플라스틱 제품인 PE 관의 500- 3,000 pgATP/㎠(출처:[Maintaining quality without a disinfectant residual] Dick van der Kooij et. al. 1999)에 비해서도 Biofilm 생성량이 적고 실증실험에 기초하여 PVC관이 배수관망의 미생물적 안정성을 구현하는데 가장 접합하다고 판단하고 수도관의 신설 및 교체관으로 적용하고 있다. 

2) 누수에 안전한 PVC관
수돗물의 배수 과정에서 누수는 단순히 경제적 손실 뿐만 아니라 누수 틈새로 오염물질이 침투되어 수질에 악영향을 미치기 때문에 누수에 민감하다. 네덜란드가 안전한 수돗물을 공급할 수 있는 것은 낮은 누수율(3%이하)에 의존하는 바가 크다. 네덜란드 수도관망의 조사연구 자료에 의하면 “ 파이프 라인이 모래 또는 점토질 토양에 설치될 때와 수압이 낮은 지역,그리고 PVC관이 많이 설치된 지역이 누수가 적다”(출처:Smeets et al. 전게 논문)고 보고하고 있다.

3) Self Cleaning network 구성 수도관인 PVC관
위에서 언급한 바와 같이 네덜란드는 수돗물의 붉은물 등 심미적 문제로 인한 민원을 해결하기 위하여 특화된 Self Cleaning network을 구축하고 있다. 이 관망은 기본적으로 수도관이 녹슬지 않아야 하고 통수성능이 우수한 수도관으로 구성한다. 이러한 관망 구성의 요구 조건에 부합하는 관 자재로 PVC관을 선택하고 있다.

Ⅳ 맺으면서- 우리나라 수도에 시사점
 

네덜란드에 있어서 어떻게 염소를 사용하지 않는 수돗물의 배수가 가능하게 되었는지에 대하여 살펴보았다. 수도시스템은 개별 국가별로 지리적 환경, 기후 환경 등 자연환경과 국민들의 물 이용의 관습 및 의식 구조 등 인문적 환경이 영향을 미칠 수 밖에 없다. 따라서 네덜란드의 수도시스템이 보편적인 기준으로 적용될 수는 없을 것이다. 그러나 수도가 지향하는 이상은 크게 다르지 않기에 우리는 네덜란드 수도시스템을 주목할 필요가 있으며 우리가 네덜란드 수도에서 배워야할 것은 어쩌면 구체적인 시스템보다는 수도의 이상 실현을 위하여 끊임없이 연구하고 실증실험을 통하여 개선해가는 그들의 물에 대한 진지한 자세다.

수도시스템에서 배관재는 가장 큰 규모의 자산이며 수돗물 소비자와 연결고리 역할을 하는 중요한 요소다. 위생적으로 안전하게 정수된 수돗물도 배수 과정에서 누수되고 오염되면 수도의 이상을 실현할 수 없음은 당연하다. 기후변화는 상수도 원수의 수질뿐만 아니라 수온 상승으로 배수관망에서 미생물적 안정성의 유지가 더욱 어려워지고 있다. 네덜란드 수도가 PVC관을 주 관종으로 수도관망을 구성한 점에 주목할 필요가 있다.

우리나라는 지질구조 자체가 강산성 성분을 함유한 화강암과 화강편마암이 50%이상으로 상수도 원수 자체가 금속 부식성이 매우 높으며 수돗물 소독에 사용되는 염소는 높은 금속 부식성을 가지고 있어 부식방지를 위한 도장, 코팅 등으로 부식을 지연시킬 수는 있어도 막을 수는 없다. 또한 도장,코팅제 등은 배수관망에서 동화성유기탄소(AOC) 농도를 높이고 생물막(Biofilm)생성을 용이하게 하여 배수관망에서 미생물적 안정성 유지가 어려운 위험성이 있다.

네덜란드의 PVC관이 초창기 품질등 문제가 있었으나 1975년 이후 품질이 향상되어 수도관망의 주 관종이 되었듯이 우리나라 PVC관 또한 유사한 궤적으로 발전하여 현재 세계 최고 수준의 성능 기준에 따라 생산되고 있다. 기후위기는 인간 생활의 모든 분야에서 혁명적인 변화를 요구하고 있다. 우리나라 상수도 시스템도 위생적으로 안전한 수돗물의 공급을 위한 수질 유지와 탈 탄소 사회의 구축에 기여하기 위하여 관계 당국과 수도관계자는 수질 친화적이고 탄소배출이 적은 PVC관에 대한 새로운 관심이 필요하다 하겠다.

 

 

※ 외부 필자의 기고는 본 미디어의 편집방향과 일치하지 않을 수 있음을 밝힙니다. 

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