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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.29 No.1 pp.23-31
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2015.29.1.023

Hazardous event analysis in drinking water production using aquifer storage transfer and recovery

Sang-Il Lee, Hyon-Wook Ji*
Department of Civil and Environmental Engineering, Dongguk University
Corresponding Author : Hyon-Wook Ji (E-mail: mousehw@naver.com)
October 15, 2014 February 2, 2015 February 6, 2015

Abstract

Aquifer storage transfer and recovery (ASTR) is a type of managed aquifer recharge which entails injecting water into a storage well and recovering it from a different well. It has effects of natural purification when injected water passes through aquifer medium, and can be a good way of supplying water especially in a region with poor surface water quality. This study is about an on-going effort to introduce ASTR as a solution to source water problems in coastal areas. A pilot study is being conducted in the delta of the Nakdong River. A proactive management system is incorporated to ensure the water qulity in the process of drinking water process. The system is based on the Hazard Analysis and Critical Control Point (HACCP) which is a tool originated from the food industry in order to assess hazards and establish control systems for the safety of food product. In this paper, we analyze hazardous events which can occur in the entire water supply system using ASTR as a first step to the incorporation of HACCP to drinking water production process.


대수층 저장·이동 및 회수에 의한 음용수 생산과정에서의 위해사건분석

이 상일, 지 현욱*
동국대학교 건설환경공학과

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    14AWMP-B066761-02

    1.서 론

    해안 지역은 도시 발전에 좋은 여건을 가지고 있어 세계적으로 많은 대도시가 해안에 위치하고 있다. 하 지만 해안지역의 특성상 하천의 하류에 위치하여 오 염이 집중되고, 염수침투로 인해 지하수 사용에 문제 가 있을 수 있는 등 음용수 공급에 어려움을 겪는 지 역이 많다. 이 연구는 해안지역의 물문제를 극복하기 위한 방안으로 대수층 저장·이동 및 회수(ASTR, Aquifer Storage Transfer and Recovery)를 도입할 경우 수질관리에 관한 내용을 다루고 있다.

    ASTR은 대수층 함양 관리(MAR, Managed Aquifer Recharge) 기술의 한 종류로 지표수를 피압대수층에 주입한 후 주입정으로부터 일정거리에 떨어진 양수정 에서 회수하는 공법이다(Dillon, 2005). ASTR은 Fig. 1 과 같이 지표수, 지하수, 강변여과수 등을 수원으로 사용하는 음용수 공급 방법에는 없는 주입과 양수 과 정으로 인하여 좀 더 복잡한 수질관리과정을 갖는다. 주입된 물은 대수층을 거치며 여과되기 때문에 상대 적으로 강화된 음용수 공급 시스템이라 할 수 있다.

    해안지역에서 적용될 경우, 주입된 담수는 대수층 내의 염수를 밀어낼 수 있기 때문에 ASTR은 해수침 투에 취약한 해안지역에서의 담수확보에 유리하다. 염대수층에 담수를 주입하기 시작한 것은 Cederstrom (1957)로부터 시작하였다. 이 연구를 통해 담수는 염 대수층 내에서 염수와 섞이지 않고 담수체를 형성한 다는 것이 알려졌고, 그 후로 농작물 재배를 목적으로 지하염수를 밀어내거나, 지하수위의 회복이나 음용수 공급 등 다양한 목적을 위하여 담수의 지하주입이 시 도되었다(Barnett et al., 2000; Misut and Voss ., 2007; Zuurbier et al., 2014).

    ASTR은 훌륭한 음용수 공급 시스템이지만 운영 과 정에서 목표 수질의 달성을 방해하는 요인들이 발생 할 수 있다. 이러한 요인들은 공중 보건에 피해를 줄 수 있는 물리적, 미생물적, 화학적 물질들로 분류되며 이들을 위해요소라고 부른다(Bartram et al., 2009). 위 해요소를 적절하게 통제하지 못하면 수질 사고로 발 전하게 된다. 본 연구에서는 ASTR을 이용한 물생산 과정에서 발생할 수 있는 수질 사고를 사전에 예방하 고, 위해요소를 적절하게 통제하기 위하여 위해요소 중점관리기준(HACCP, Hazard Analysis and Critical Control Point)을 적용하였다.

    HACCP은 생산 공정 관리 시스템으로서, 원료 도입 단계에서부터 제조 후 소비자에게 공급되는 과정까지 의 전 과정에서 발생할 수 있는 위해요소를 분석하고, 중요관리점을 선정하여 체계적이고 효율적으로 관리 하여 식품의 안전성을 확보하는 시스템이다(Codex Alimentarius Commission, 1997). ASTR이 깨끗한 물을 공급하는 방법이라면, HACCP은 생산자가 의도하는 품질의 물을 안전하게 생산할 수 있도록 물 생산 과 정을 관리하는 시스템이라 할 수 있다. HACCP은 식 품업계를 시작으로 그 영역을 점점 넓혀가고 있다. HACCP을 음용수 생산에 도입한다면 소비자에게 안 정성이 강화된 고품질 이미지를 전달할 수 있어, 수돗 물에 대한 신뢰성 향상을 기대할 수 있다.

    HACCP을 음용수에 도입한 해외사례가 늘어나고 있다. 최초의 연구는 Havelaar (1994)가 일반 음용수 생산 과정에서 원수취수로부터 정수, 저장, 급배수 단 계까지 HACCP 7원칙(Fig. 2)을 적용하는 것에서 시작 되었다. 그는 위해요소분석에서 주관적인 평가를 한 계로 지적하고, 양적 위해성평가(Quantitative Risk Assessment)를 향후방향으로 제시하였다.

    실증적 사례로, 벨기에에서는 해안지역에서 생활오 수를 정수하여 음용수로 사용하는 과정에 HACCP을 적용하였다(Dewettinck et al., 2001). 그 과정은 생활오 수를 전처리한 후 해안사구의 지하 대수층에 저장, 양 수한 뒤에 후처리하는 것으로 구성되었다. 전처리는 MF (Microfiltration), RO (Reverse osmosis), UV (Ultraviolet treatment)를 적용하였고, 해안사구를 Infiltration pond (Dillon, 2005) 형식으로 지하 대수층에 저장하였다. 그 는 위해요소 분석에서 화학적, 물리적 위험요소보다 는 미생물학적 위해요소에 집중하여 양적 분석을 실 시하였다.

    이란의 Germi city의 정수장(Khaniki et al., 2000)과 Baba Sheikh Ali 정수장(Tavasolifar et al., 2013)에서도 HACCP을 적용하였다. 이 정수장의 원수는 공장, 농 업, 축산업 등으로부터 많은 양의 오염물이 흘러들어 와 정수하기 힘들 정도로 오염되었으나, HACCP의 도 입으로 추가 설비 없이 수질 개선의 효과를 거두었다.

    또한, 세계보건기구(WHO, World Health Organization) 와 세계물협회(IWA, International Water Association) 는 HACCP을 적용한 물안전계획을(WSP, Water Safety Plan)을 수립하여 정수 시설이 열악한 지역에 적용을 하고 있고, 우리나라도 도입이 연구되고 있다(Kim, 2012). 이와 같은 HACCP의 긍정적 효과를 기대하여 세계 각국에서 음용수 공급에 도입을 연구하고 있다. 본 연구에서 다루고 있는 ASTR에 HACCP을 적용하는 시스템은 이러한 국내외적 추세에 기초하여 HACCP의 적용 범위를 더욱 넓히는 의미를 갖고 있다.

    HACCP을 도입하기 위해서는 7원칙 중 첫 번째에 해당하는 위해요소분석에 해당되는 위해사건분석이 실시되어야 한다. 위해사건은 물리적, 미생물적, 화학 적 물질에 노출됨으로써 공중 보건에 부정적 효과를 일으켜 물 공급 시스템에 위해요소를 발생시키고 안 전성을 떨어뜨리는 사건을 말한다(Bartram et al., 2009). 이 연구에서는 ASTR을 이용한 물공급에서 발 생할 수 있는 위해사건을 분석하고, 각 사건마다 발생 하는 위해요소를 판별하였다.

    2.연구지역

    연구 대상 지역은 낙동강하구언 유역으로 부산 낙 동강 델타 지역을 포함하며, 식수원수로 낙동강을 사 용한다. 이 지역은 산업발전 이후 낙동강의 수질이 지 속적으로 악화되어 왔고, 지하수는 염대수층으로 되 어 있어 음용수 공급에 어려움을 겪고 있다. 낙동강 외에 다른 하천으로부터 물을 끌어올 수도 있지만, 이 는 수자원 확보를 둘러싼 지역간 갈등을 불러일으킬 수 있다. 물론 현재도 낙동강물을 취수하여 수질기준 에 부합하는 음용수를 생산하고 있지만, 낙동강이 오 염되었다는 시민들의 인식과 과거 낙동강에서 발생한 유해물질 방류 사고로 인하여 음용수에 대한 신뢰성 이 낮은 상태이다. 이 문제를 극복하고자 신뢰성 높은 친환경 물공급 기술로 세계적으로 주목받고 있는 ASTR과 위해요소 사전관리 시스템인 HACCP의 도입 가능성이 검토되고 있다.

    2.1.지리 특성

    본 연구의 시험 시설은 낙동강 하류에 위치한 삼락 공원에 위치한다(Fig. 3). 원수로서 낙동강의 수질은 낙동강 전 유역의 환경에 영향을 받기 때문에 낙동강 유역 전체가 연구지역이 될 수 있다. 하지만, 4대강 사업으로 건설된 보가 상류 오염물질을 차단하여 상 류로부터 유래하는 오염물질이 하류로 전달되지 않는 효과가 있다. 이것을 고려하여 낙동강의 마지막 보인 창녕함안보의 아래에 위치한 낙동강하구언 유역을 연 구지역으로 설정하였다.

    연구지역은 창원시, 김해시, 밀양시, 양산시, 부산광 역시의 일부를 포함하고 있다. 김해와 양산시는 과거 농업이 활발했으나 지금은 공업단지가 건설되어 부산 의 위성도시로서의 역할을 하고 있다. 밀양시의 경지 면적은 경남에서 가장 넓을 뿐만 아니라 농업 장려 정책을 실시하는 등 농업이 활발하다. 삼락공원 옆의 낙동강 델타 지역에는 김포국제공항이 위치하였으나, 대부분 개발제한구역으로 되어 있어 녹지를 형성하고 있다. 반면, 동쪽에 위치한 사상구에는 공업지역이 조 성되어 있고, 그 외에 북구, 금정구, 부산진구에도 인구 밀도가 높아 낙동강 수질에 많은 영향을 줄 수 있다.

    2.2.지질 특성

    ASTR이 적절하게 이루어지기 위해서는 대상 지층 의 지질학적 안전성이 매우 중요하다. 시험시설이 낙 동강 하류에 위치하여 여름철 홍수의 영향을 고려해 야 한다. 홍수는 각종 오염물질을 가지고 있어서 ASTR의 목표 대수층으로 오염물질이 침투할 경우 대 수층은 정수능력을 상실할 우려가 있다. 그러므로 목 표 대수층이 외부의 오염물질로부터 잘 보호될 수 있 을 것인가가 중요한 문제이다. 이를 판단하기 위하여 연구지역의 지질에 대한 문헌 조사를 하였고, 그 결과 삼락공원의 피압대수층 상부의 점토층이 10~30 m 두 께로 전 지역에 일정하게 존재하는 것으로 나타났다 (Fig. 4의 a, b). 또한, 시험 시설 주변에 시험공을 시공 하여 지질조사를 한 결과 점토층이 10~20 m 두께로 일정하게 존재하는 것으로 판단된다(Fig. 4의 a, c). 이 결과로부터 대수층이 상부의 오염물질로부터 차단될 수 있는 지질적 특성을 갖고 있다고 판단된다.

    2.3.수질 특성

    Fig. 3에서 볼 수 있는 삼락공원 근처의 하단(부산 광역시 사하구 하단동)과 구포(부산광역시 북구 구포 동)에서 수질측정자료를 분석한 결과 Fig. 5와 같다. 측정 자료는 4대강 사업이 완료된 이후인 2013년으로 한정하였다. 환경정책기본법시행령의 제2조 환경기준 별표의 ‘하천의 생활환경기준’으로 판단하였을 때, 2013년 평균값은 두 곳 모두에서 COD가 7mg/L 이하 로 ‘보통’, 총대장균군수가 5000 이하로 ‘보통’을 제외 하면 모든 항목에서 ‘약간 좋음’ 이상으로 생활용수로 쓸 수 있는 수준이었다.

    2013년 월별로 보았을 때는 여름철 8, 9월에 악화되 는 경향을 보였다. 구포의 경우 BOD가 5mg/L 이하로 ‘보통’, COD가 9mg/L 이하로 ‘약간나쁨’ 수준까지 떨 어져 생활용수나 공업용수로 사용 시 고도의 정수처 리를 요구하는 수준이었다. 하단의 경우 COD가 11mg/L 이하로 ‘나쁨’, TOC가 6mg/L 이하로 ‘약간 나 쁨’, 부유물질이 100mg/L 이하로 ‘약간 나쁨’, 총인이 0.2mg/L 이하로 ‘보통’ 수준까지 떨어져 역시 사용을 위해서는 고도의 정수처리를 요구하는 수준이었다.

    NRMMC(2009)에 따르면 원수 수질 검사 항목 중 SS > 10 mg/L, TOC > 10 mg/L 이면 전처리를 한 후 주입하여야 한다. 낙동강물의 TOC는 연중 모두 10 mg/L 이하로 만족되나, SS의 경우 1년 중 9개월 동안 10 mg/L을 초과한다. 따라서 NRMMC(2009)의 기준에 의하면 낙동강물은 반드시 전처리를 한 후 주입되어 야 한다.

    3.위해사건분석

    3.1.분석 방법

    위해사건의 분석은 HACCP의 첫 단계인 위해요소 분석을 위해 필요한 과정이다. ASTR에 악영향을 주 어 목표 수질을 유지하는데 문제를 유발하는 사건은 모두 위해사건에 해당된다. 분석 대상은 Fig. 1의 ASTR 과정 중 ‘Surface water(지표수)’부터 ‘Consumer (소비자)’에 이르기까지 10개의 단계를 모두 포함한다. 특히, Surface water의 위해사건을 분석하는 과정은 유 역의 환경분석을 포함한다. 따라서 위해사건분석을 충실히 실행한다면 유역에서부터 정수처리시설, 저장 시설, 급배수 시설과 소비자까지 음용수의 생산과 저 장, 공급에 악영향을 주는 사건과 요소를 알 수 있고, 이는 안전한 공정관리를 가능하게 한다. 위해사건분 석을 위하여 음용수 생산에 HACCP을 적용하고자 연 구를 먼저 시작한 미국, 호주, 케나다 등 여러 나라들 이 분석을 위한 테이블을 제시하였다. 본 연구는 이중 WHO의 WSP에서 제시한 위해사건 분석표를 수정, 적 용하였다(Deere et al., 2001).

    위해사건은 물리적, 미생물적, 화학적 사건으로 나 뉜다. 각각의 위해사건에는 발생빈도(likelihood)와 심 각도(severity)를 1~5점씩 부여하였다. 발생빈도와 심 각도의 평가 기준은 Table 1과 같다.

    위험도(risk)는 식(1) 에 따라 1~25점까지 범위를 갖 는다.

    Risk = Likelihood × Severity
    (1)

    위험도를 기준으로 위험등급(risk rating)을 Low(L, 1~5), Medium(M, 6~9), High(H, 10~14), Very high(VH, >15) 로 나누었고, 그 중 H와 VH는 주요위해사건으로 구분하였다.

    3.2.분석 결과

    위해사건은 외국 사례를 기본으로 우리나라에서 부 상하고 있는 환경문제를 추가로 포함시켰다. Fig.1의 10개 단계에서 총 114개의 위해사건이 도출되었고, 그 결과는 Table 2와 같다.

    ‘지표수’ 단계는 취수되기 이전에 원수를 관리하는 단계로 자연상태로 존재하기 때문에 외부 환경으로부 터 많은 위해사건에 노출되어 있다. 대표적으로 홍수, 가뭄, 물의 성층화, 염수침투, 부영영화와 같은 자연환 경에 의한 위해사건들이 발생할 수 있다. 그리고 생활 하수의 유입, 공장 폐수, 동물의 배설물, 화학비료 사 용, 고속도로나 철도로부터 유입되는 오염물질, 교통 사고, 여가 활동 등 인간 활동에 의해 비롯되는 위해 사건도 있다. 또한, 구제역과 조류독감으로 인한 가축 의 폐사 매립으로 인하여 침출수 유출에 의한 원수의 오염도 배제할 수 없다. 과거 폐기물 매립지나 광산지 역으로 사용되던 곳도 잠재되어 있는 오염물질로 인 한 침출수도 위해사건이 된다. 여러 위해사건들 중 하 수의 무단 방류, 공장 폐수, 사고로 인한 주요 화학물 질의 누출, 유류 유출 사고, 주변 토지의 사용, 원수수 질의 빠른 변화, 부영양화 등은 발생빈도도 비교적 높 을 뿐만 아니라 발생할 경우 취수를 중단해야 하는 사태가 발생하기 때문에 위험등급이 높다.

    ‘원수취수’ 부터 ‘정수의 저장’ 까지는 ASTR을 거 쳐 정수처리까지 실행되는 단계이다. 이 단계 안에는 취수, 저장, 전처리, 주입, 양수, 후처리, 정수의 저장 등이 포함된다. 이 단계들은 모두 물생산 시설 내부에 서 발생하는 단계로 ASTR site 라는 하나의 큰 과정으 로 묶을 수 있다. 취수단계는 자연에 존재하던 원수가 인위적 시설물인 ASTR site 내부로 들어오는 단계로 자연 환경에 의한 위해사건들에 영향을 많이 받는다. 대표적으로 홍수나 가뭄, 성층화 등이 존재한다. 하지 만, 취수가 완료된 후에는 주로 시설의 유지 및 관리 에 해당하는 위해사건들로 구성되어 있다. 감시장비 의 오작동, 비균질 플록의 형성, 여과지의 폐색, 필터 의 결함, 화학약품의 잘못된 살포, 소독 부산물의 형 성, 장비의 노후화 등 시설의 관리에서 발생하는 위해 사건들의 경우의 수가 많다.

    ASTR이 다른 음용수 공급 방식과 차별되는 것은 주입과 양수 단계가 존재하기 때문이다. 이 단계에서 주입과 양수 관정의 입구와 벽면을 통한 병원균의 침 입, 물리적, 화학적, 생물학적 폐색, 토양의 부풀어 오 름과 지반 침하, 지층으로부터의 용출에 의한 지하수 오염(철, 망간 등), 염수 침투 등 ASTR 운영 시 일반 적으로 주의해야 할 사항들이 포함된다. 특히, 관정의 폐색과 토양의 부풀어 오름, 지반침하, 지층으로부터 의 용출에 의한 지하수 오염, 염수 침투 등은 발생빈 도는 낮지만 발생 시 급수를 중단해야 할 수 있기 때 문에 심각도가 높다.

    ASTR과 그 이후의 후처리 공정을 거치면서 정수가 완료된 물은 소비자에게 급수된다. 정수된 물이라도 소비자에게 전달되는 과정에서 파이프의 손상이나 펌 프의 고장, 병원균의 재성장과 같은 위해사건이 발생 가능하다.

    도출된 사건을 평가하는 방법을 예시하기 위해 ‘지 표수’ 단계에서 위해사건 중 하나인 ‘정수장을 거치지 않고 생활하수가 하천으로 유입하는 사건’을 살펴보 자. 생활하수는 미생물적, 화학적 특성을 지니고 있다. 낙동강 상류에는 대구와 구미, 하류에는 부산 등 대도 시가 위치해 있어 많은 양의 생활하수가 유입될 가능 성이 있다. 하지만 생활계 오염의 경우 우리나라 하수 도보급률이 99.1%로 높아서 오염물의 94%가 제거되 어 하천으로 방류된다(BDI, 2012). 이를 근거로 발생 빈도는 낮다고 판단하고 1점을 부여했다. 하지만 생활 하수는 병원균, 영양염류, 계면활성제, 유기물, 금속, 의약품 등 다양한 위해요소를 포함하고 있어 심각도 는 4점을 부여하였다. 따라서 위험도는 4점이 되고, 위험등급은 L 이다.

    다른 예로, ‘지표수’ 단계에서 위해사건의 하나인 ‘하폐수 처리장으로부터 방류수가 하천으로 유입되는 사건’을 살펴보자. 하폐수 처리장은 상시 가동되고 있 으므로 방류수가 하천으로 상시 유입한다고 할 수 있 다. 그러므로 발생빈도는 5점을 줄 수 있다. 반면, 하 천으로 방류되는 방류수는 합법적 처리를 거쳐 위해 요소가 대부분 제거되어 나오기 때문에 심각도는 1점 을 부여할 수 있다. 따라서 위험도는 5점이고, 위험등 급은 L 이다.

    위와 같은 방법으로 분석된 위해사건 114개 중에서 위험도가 10점 이상으로 위험등급이 H와 VH인 위해 사건은 총 9개였고, 이것들은 주요위해사건으로 분류 되었다(Table 3). 이렇게 분석된 위해사건은 위해요소 의 사전관리를 위하여 사용된다. 위험등급이 높은 주 요위해사건의 위험도를 낮추는 것이 위해사건 분석의 주된 목표이다. 시설 내에서 비교적 쉽게 관리될 수 있는 사건도 있는 반면, 공간적, 행정적 범위가 유역 관리 차원으로 넓은 위해사건의 경우에는 장기간의 지속적 노력이 요구된다.

    4.결론

    해안지역에서는 낮은 지표수 수질, 수질사고, 대수 층으로의 염수침입 등으로 수돗물에 대한 불신이 다 른 지역보다 높은 경우가 많다. 이를 해결하기 위한 방안으로 ASTR과 HACCP을 결합한 새로운 음용수 공급방식을 검토하였다. 친환경적 음용수 공급방식인 ASTR과 위해요소 사전관리 시스템인 HACCP의 결합 은 먹는물에 대한 신뢰감을 제고할 수 있을 것으로 기대된다.

    HACCP은 원수 관리에서부터 소비자까지 급수되는 전 과정에서 발생할 수 있는 위해요소를 분석, 관리하 여 위해요소가 정의된 한계치 이상으로 발생할 확률 을 낮출 수 있다. HACCP은 7원칙에 의하여 시행되는 데, 위해사건분석은 그 중 첫 번째 단계에 해당한다.

    본 연구는 낙동강하류의 델타에 위치한 ASTR 시험 시설에서 생산되는 음용수 수질에 영향을 주는 위해 사건을 분석하였다. 연구지역은 창녕함안보 하류 낙 동강하구언 유역으로 설정하였다. 낙동강하구언은 창 원시, 김해시, 밀양시, 양산시, 부산광역시의 일부를 포함하고 있어 이 도시들로부터 다양한 오염원이 낙 동강으로 유입되고 있다. 총 114개의 위해사건을 도출 하였고, 분석결과 9개가 주요위해사건으로 분류되었 다. 주요위해사건의 사전관리를 통해 그 발생가능성 을 낮춘다면 먹는물 생산과정에서의 수질사고 발생을 사전에 차단하는 효과가 있을 것으로 기대된다.

    Figure

    JKSWW-29-23_F1.gif

    Drinking water supply systems using various sources(modified after Ji et al., 2014).

    JKSWW-29-23_F2.gif

    main principles of HACCP.

    JKSWW-29-23_F3.gif

    Study area.

    Samrak Park(a) and geological profiles of SR(b) and OW(c). OW: observation wells in pilot study, SR: observation wells in Busan restoration project a,b Modifeied after Subsurface Reservoir Research Center(2014), c Source: Geotech consultant Co., Ltd.

    JKSWW-29-23_F5.gif

    Water quality at Hadan(a) and Goopo(b) in 2013. Source: Water information system.

    Table

    The criteria for likelihood and severity

    The summary of hazardous event analysis

    †The number of hazardous events

    Results of hazardous event analysis: 9 major hazardous events

    †M: Microbial, C: Chemical, P: Physical.
    ‡L(Low), M(Medium), H(High), VH(Very High).
    *a CWWA(2005); b NHMRC(2011); c Havelaar(1994); d Lee et al.(2013); e Son(2013).

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