정수 처리 과정: 물 한 방울로 따라가는 응집·침전·여과·소독

모형이 보여 주는 것

정수 처리 과정은 응집, 플록 형성, 침전, 여과, 소독 순서입니다. 응집제가 혼자서는 가라앉지 않는 아주 작은 진흙 알갱이를 뭉쳐 플록으로 키우면 침전지 바닥에 가라앉고, 남은 것은 모래 여과층이 거르며, 마지막으로 염소(필요하면 오존과 자외선)가 미생물을 줄입니다. 우리나라 수돗물 탁도 기준은 0.5 NTU 이하입니다. 다만 물이 맑아 보인다는 것만으로 마셔도 안전하다는 뜻은 아닙니다.

부엌 수도꼭지에서 물을 받으면 맑고 차갑고, 염소 냄새가 아주 조금 납니다. 하루이틀 전만 해도 이 물은 누런 강물이었습니다. 강에서 물컵까지 오는 동안 물은 정수장을 거치는데, 정수장이 가장 공을 들이는 일은 혼자서는 절대 가라앉지 않는 아주 작은 진흙 알갱이를 없애는 것입니다.

모형은 정수장 하나를 탁자 위에 왼쪽에서 오른쪽으로 펼쳐 놓았습니다. 댐이 물을 가두고, 강 가운데 취수탑이 수면 아래에서 물을 받습니다. 물은 관을 따라 착수정으로 가고, 응집제를 넣는 혼화지, 패들이 도는 응집지 세 칸, 길쭉한 침전지, 급속 여과지 두 칸, 오존 접촉조, 활성탄 흡착지, 칸막이가 있는 정수지를 차례로 지납니다. 정수지에서 염소를 넣은 뒤 펌프가 물을 언덕 위 배수지로 올리고, 거기서 관을 타고 내려와 부엌 수도꼭지로 나옵니다.

전시는 댐 아래 흙탕물 강의 물방울 하나가 되는 장면으로 시작합니다. 카메라가 물방울 뒤를 따라가다가 취수탑이 물방울을 빨아들이면 정수장 전체 위로 올라섭니다. 물방울 위의 표에는 그 자리에서 물이 지닌 탁도와 세균 수가 나오고, 판독판의 그래프는 같은 두 값을 단계마다 보여 줍니다. 현미경 창은 가로 400마이크로미터만 한 물 한 조각을 확대해 보여 줍니다.

무대 위 단추 줄을 누르면 단계마다 시설 안으로 들어갑니다. 취수(취수구 앞 거름망, 가로 약 2 m 단면), 응집(진흙 알갱이가 응집제를 만나 실제 크기의 플록으로 뭉치는 1 mm 시야), 침전(바닥에 슬러지가 쌓이는 침전지 단면), 여과(깊이 약 1 m의 모래·안트라사이트 여과층 단면), 소독(세균·바이러스·크립토스포리디움이 염소·오존·자외선을 만나는 20 µm 시야), 꼭지(물 한 잔)입니다. 판 위 건물을 눌러도 같은 화면으로 갑니다.

조작으로 강물과 정수장을 바꿉니다. 원수 탁도(11,000 NTU), 응집제 양(0150 mg/L), 진흙 알갱이 크기, pH, 여과 속도, 염소 투입량, 오존·활성탄, 자외선, 역세척입니다. 원수 값(기본 탁도 10 NTU, 일반세균 1 mL에 1,000마리)과 정수장 설정 대부분은 모형 값이고, 판독판에도 그렇게 적었습니다. 그래프의 기준선만은 우리나라 실제 기준입니다.

진흙은 왜 저절로 가라앉지 않을까

강물이 흙탕물처럼 보이는 것은 진흙과 실트 입자 때문이고, 대부분 지름이 몇 마이크로미터에 불과합니다. 탁도는 이 입자들이 빛을 얼마나 흩뜨리는지를 재는 값이고, 단위는 NTU입니다. 우리나라 수돗물은 0.5 NTU를 넘으면 안 되는데, 이 정도 물은 컵에 담아 보면 완전히 맑아 보입니다.

흙탕물을 병에 담아 두면 모래는 몇 초 만에 가라앉지만 뿌연 기운은 며칠이 지나도 그대로입니다. 그 까닭은 스토크스 법칙에 있습니다. 작은 공이 물속에서 가라앉을 때 속도는 일정한 값에 이르는데, 그 값은 다음과 같습니다.

v = g × Δρ × d² / (18 × μ)

g는 중력가속도, Δρ는 입자가 물보다 얼마나 무거운지(밀도 차), d는 지름, μ는 물의 점성(20 °C에서 약 1.0 mPa·s)입니다. 지름이 제곱으로 들어가 있습니다. 알갱이가 열 배 작아지면 가라앉는 속도는 백 배 느려집니다.

밀도 2,650 kg/m³인 광물 알갱이가 20 °C 물에서 가라앉는 속도를, 모형으로 계산하면 다음과 같습니다.

물을 두세 시간 머물게 하는 침전지는 모래와 굵은 실트는 잡지만, 물을 뿌옇게 만드는 고운 진흙은 그대로 흘려보냅니다. 이것을 없애려면 입자를 크게 만들어야 합니다.

응집제는 알갱이를 어떻게 붙일까

물속 진흙 알갱이는 겉이 음전하를 띱니다. 두 알갱이가 가까이 오면 서로 밀어내서 닿지 못하고, 흙탕물은 오래도록 뿌연 상태로 남습니다. 병에 담아 둔 흙탕물이 맑아지지 않는 것도 이 때문입니다.

혼화지에서는 응집제를 넣습니다. 알루미늄이나 철의 염인데, 우리나라 정수장에서는 폴리염화알루미늄을 많이 씁니다. 양전하를 띤 알루미늄 성분이 알갱이의 전하를 상쇄하고, 일부는 끈적한 수산화알루미늄이 되어 알갱이를 쓸어 모읍니다. 약품이 반응해 없어지기 전에 모든 알갱이에 닿도록 물을 1분쯤 세게 휘젓습니다.

알맞은 양은 원수마다 다르기 때문에 정수장에서는 자 테스트(jar test)로 정합니다. 비커 여러 개에 양을 달리해 넣고 똑같이 저은 다음, 가라앉힌 결과를 비교합니다. 너무 적으면 전하가 남은 알갱이가 많고, 너무 많으면 알갱이가 오히려 양전하를 띠어 다시 서로 밀어냅니다. 모형은 25 mg/L에서 가장 잘 뭉치는 예시 곡선을 씁니다.

플록은 천천히 저을 때 자랍니다

혼화를 마친 알갱이들은 서로 여러 번 부딪혀야 합니다. 응집지는 느린 패들로 물을 젓고, 칸을 지날수록 패들이 더 느리게 돕니다. 처음에는 작은 알갱이가 잘 만나도록 적당히 젓고, 플록이 커져 약해진 뒤에는 빨리 저으면 부서지기 때문입니다.

플록은 꽉 찬 공이 아닙니다. 물을 잔뜩 머금은 성긴 나뭇가지 모양 덩어리라서, 커질수록 평균 밀도가 물에 가까워집니다. 모형은 플록을 프랙털 차원 2.2인 덩어리로 봅니다. 2 µm 알갱이가 모여 120 µm가 된 플록은 물보다 62 kg/m³만 무겁습니다. 알갱이 하나가 1,650 kg/m³ 무거운 것과 비교하면 아주 가볍지요. 그래도 지름이 제곱으로 들어가는 덕분에 한 시간에 1.76 m씩 가라앉아, 플록을 이룬 알갱이보다 140배쯤 빠릅니다.

현미경 창에서 이 변화를 볼 수 있습니다. 응집제가 0이면 낱낱의 알갱이가 화면 가득 흔들립니다. 양을 늘리면 알갱이가 덩어리로 모이고, 25 mg/L에서는 거의 모두 플록 안으로 들어갑니다.

침전지와 스토크스 법칙

침전지는 물이 움직이는지 모를 만큼 천천히 지나가는 긴 수조입니다. 미국 기술자 앨런 헤이즌의 이름이 붙은 이상적인 침전지 모형이 간단한 규칙을 줍니다. 물은 한쪽 끝으로 들어와 반대쪽으로 나가므로 모든 입자가 침전지를 건너는 데 같은 시간이 걸립니다. 그 시간은 수심을 표면부하율(유량을 수면 넓이로 나눈 값)로 나눈 것입니다. 모형에서 표면부하율은 1.5 m/h, 수심은 3.5 m라서 물은 2.3시간 동안 침전지에 머뭅니다.

표면부하율보다 빨리 가라앉는 입자는 어디서 출발했든 출구에 닿기 전에 바닥에 떨어집니다. 그보다 느린 입자는 충분히 낮은 곳에서 출발한 것만 잡힙니다. 잡히는 비율은 가라앉는 속도를 표면부하율로 나눈 값입니다. 단면에서 이것을 볼 수 있습니다. 모든 입자가 같은 속도로 옆으로 움직이고, 저마다 자기 스토크스 속도에 맞춰 내려갑니다.

2 µm 강물 진흙에 응집제 양을 달리하면 모형은 이렇게 계산합니다(여과 후 값은 다음 단계 결과입니다).

입자 크기 슬라이더는 같은 법칙의 다른 면을 보여 줍니다. 응집제를 25 mg/L로 두고 진흙을 더 곱게 만들어 보세요. 1 µm 알갱이로는 플록이 60 µm까지만 자라 0.44 m/h로 가라앉고, 침전지는 탁도의 29 %만 잡습니다. 0.5 µm에서는 7 %입니다. 실제 정수장이 아주 고운 콜로이드가 많을 때 고분자 응집보조제를 쓰거나 응집제를 바꾸는 이유 가운데 하나입니다.

침전지가 놓친 것은 여과지가 잡습니다

모형에서 침전수에는 아직 1 NTU쯤의 탁도가 남아 있고, 대부분 작은 플록입니다. 이 물은 급속 여과지를 위에서 아래로 지납니다. 굵은 안트라사이트 아래 고운 모래, 그 아래 자갈이 깔려 있고, 맨 밑에는 노즐이 박힌 하부 집수장치가 있습니다. 우리나라 정수처리기준은 하루 120 m 이상(시간당 5 m)의 속도로 거르는 것을 급속여과라고 정합니다.

여과지는 체가 아닙니다. 모래알 사이 틈은 입자보다 훨씬 크고, 입자는 여과층 깊숙한 곳에서 모래알에 부딪혀 달라붙기 때문에 잡힙니다. 그래서 여기서도 응집이 중요합니다. 전하를 잃은 입자가 훨씬 잘 붙기 때문입니다. 모형은 응집제가 없을 때 여과지의 제거를 0.3 로그, 응집이 잘되었을 때 1.3 로그로 보아 1 NTU를 0.05 NTU로 낮춥니다. 우리나라 기준은 여과수 탁도가 한 달 시료의 95 % 이상에서 0.3 NTU 이하이고, 어느 시료도 1 NTU를 넘지 않을 것을 요구합니다.

안트라사이트는 모래보다 가벼워서 씻은 뒤에도 굵은 층이 위에 남습니다. 여과층은 차츰 막히고, 그 위의 물 높이가 올라갑니다. 그러면 그 칸을 멈추고 역세척을 합니다. 공기와 물을 아래에서 밀어 올려 여과층을 부풀리면 알갱이끼리 비벼져 깨끗해지고, 더러운 물은 홈통으로 넘쳐 나갑니다. 역세척을 켜면 오른쪽 칸이 부풀고 홈통에 누런 물이 차는 것을 볼 수 있습니다.

오존과 활성탄 이야기는 짧게

우리나라 큰 정수장 상당수는 여과 뒤에 고도정수 시설을 둡니다. 덮개 있는 접촉조에 오존을 불어 넣으면, 강한 산화력으로 조류가 많이 필 때 생기는 흙냄새 물질(지오스민, 2-MIB)을 분해하고 미생물도 죽입니다. 이어서 입상 활성탄층을 지나면, 숯 속의 넓은 표면이 남은 유기물을 붙잡습니다. 모형에서는 이 두 단계가 세균을 1 로그 더 줄입니다. 끄면 물방울이 앞쪽 우회관으로 돌아갑니다.

염소 소독은 농도와 시간을 곱해서 따집니다

소독은 마지막 방어선입니다. 대장균 같은 세균은 유리염소가 조금만 있어도 몇 초 만에 죽지만, 바이러스나 지아디아 포낭 같은 원생동물은 훨씬 오래 닿아 있어야 합니다. 그래서 소독 효과를 CT로 잽니다. 출구에 남은 소독제 농도(mg/L)에 접촉 시간(분)을 곱한 값입니다. 같은 생각을 쓰는 미국 지표수 처리 규칙은 지아디아 포낭 99.9 %, 바이러스 99.99 % 이상을 제거하거나 불활성화하도록 하고, 여과와 소독의 효과를 더해 이 목표를 채우게 합니다.

여기서 쓰는 시간은 평균 체류 시간이 아니라 T10, 곧장 빠져나가는 물 10 %가 통과하는 데 걸리는 시간입니다. 칸막이 없는 수조에서는 물 일부가 지름길로 빠져나가 버립니다. 정수지에 칸막이 벽을 세워 물을 지그재그로 돌리는 이유입니다. 모형은 T10을 30분으로 두고, 물이 염소 0.3 mg/L를 바로 소모한다고 봅니다. 1.0 mg/L를 넣으면 0.7 mg/L가 남아 CT는 0.7 × 30 = 21 mg·min/L입니다. 우리나라 기준은 이 값을 수온과 pH에 따라 필요한 CT로 나눈 불활성화비로 나타내며, 1 이상이어야 합니다.

정수지에서 수도꼭지까지

펌프가 물을 높은 곳의 배수지로 올려 둡니다. 배수지는 하루 동안 들쭉날쭉한 사용량을 고르게 받아 주고, 높이 차이로 집까지 물을 밀어 줄 압력을 만듭니다. 가는 동안 염소는 관 벽과 물속에 남은 물질과 계속 반응합니다. 모형은 24시간 동안 한 시간에 4 %씩 줄어들게 했습니다. 우리나라 기준은 수도꼭지에서 유리잔류염소가 0.1 mg/L 이상 남아 있도록 해서 관에 무엇이 들어와도 소독제가 조금은 남아 있게 하고, 많아도 4.0 mg/L를 넘지 않게 합니다.

염소 슬라이더를 움직이며 세균 그래프의 마지막 점을 보세요. 1.0 mg/L에서는 꼭지에 0.27 mg/L가 남습니다. 0.6 mg/L에서는 0.12 mg/L로 겨우 기준을 넘깁니다. 0.5 mg/L에서는 0.08 mg/L만 닿고, 모형은 관 속에서 세균이 다시 자라게 합니다. 하한 기준이 왜 있는지 보여 주는 예시입니다.

흙탕물일수록 응집제가 더 들고, pH도 맞아야 합니다

모형에서 최적 응집제 양은 원수 탁도에 따라 (탁도 / 10 NTU)^0.45 × 25 mg/L로 늘어납니다. 30 NTU에서 약 41 mg/L, 100 NTU에서 70 mg/L, 300 NTU에서 115 mg/L입니다. 지수 0.45는 탁도가 두 배가 되어도 투입량은 두 배까지 늘지 않는 자 테스트 결과의 흔한 모양을 흉내 낸 모형 값입니다. 응집제가 모자라면 알갱이 대부분이 낱알로 남고, 너무 많으면 알갱이 겉이 반대 전하로 덮여 다시 서로 밀어냅니다. 그래서 최적량을 넘기면 플록이 다시 작아집니다.

pH도 투입량만큼 중요합니다. 알루미늄계 응집제는 중성 근처의 범위에서 가장 잘 듣습니다. 모형에서는 pH 6이나 8에서 플록에 들어가는 알갱이가 약 64 %, pH 5.5나 8.5에서는 37 %로 줄어듭니다. 실제 정수장도 그래서 pH를 바꿔 가며 자 테스트를 하고, 강물이 바뀌면 산이나 알칼리로 pH를 맞춥니다.

큰비가 오면 강물이 평소보다 훨씬 많은 흙을 싣고 옵니다. 무대에서 300 NTU 원수에 평소대로 25 mg/L를 넣으면 침전 뒤 약 230 NTU, 여과 뒤 39 NTU가 남습니다. 약 115 mg/L를 넣으면 플록이 되살아나 침전 뒤 5.5 NTU, 여과 속도 5 m/h에서 여과 뒤 0.27 NTU로 기준 0.3 NTU 안에 겨우 듭니다. 같은 물을 8 m/h로 거르면 0.51 NTU가 나옵니다. 장마철 물은 응집제를 늘리는 것과 함께 여과도 늦춰야 하는 경우가 많습니다.

여과지가 찰 때

여과층은 알갱이 사이 틈에 입자를 붙잡기 때문에 조금씩 찹니다. 판독판의 여과지 막힘이 모형에서 그 양을 셉니다. 여과지로 오는 탁도가 높을수록, 여과 속도가 빠를수록 빨리 오릅니다. 100 %가 되기 전까지는 나오는 물이 그대로입니다. 넘으면 입자가 새어 나오기 시작해 여과수 탁도가 빠르게 오르고, 모형에서는 130 %일 때 약 13배가 됩니다. 운영자는 손실수두와 여과수 탁도를 보고 그 전에 역세척합니다. 아래에서 공기와 물을 밀어 올려 여과층을 띄우고 때를 홈통으로 씻어 냅니다.

미생물 셋, 장벽 셋

소독 화면은 정수장이 장벽을 여러 겹 쓰는 이유를 보여 줍니다. 보통 세균은 염소에 금방 죽습니다. 바이러스는 더 필요해서, 미국 규정은 10 °C에서 CT 6 mg·min/L를 바이러스 4 log 불활성화로 인정합니다. 크립토스포리디움 난포낭은 껍질이 단단해 보통 쓰는 염소 농도로는 거의 죽지 않습니다. 그래서 주로 응집과 여과로 걸러 내고, 남은 것은 자외선으로 불활성화합니다. 4 log에 약 22 mJ/cm²가 필요합니다.

pH는 염소에도 영향을 줍니다. 유리염소는 차아염소산(HOCl, 초록 점)과 차아염소산 이온(OCl⁻, 하늘색 점)이 섞여 있고, 그 비율은 pH에 따라 바뀌어 pH 약 7.5에서 반반이 됩니다. pH 7에서는 약 78 %가 HOCl이지만 pH 8.5에서는 약 10 %뿐입니다. HOCl이 훨씬 강한 소독제라서, 모형에서는 같은 염소라도 알칼리성 물에서 바이러스를 훨씬 느리게 죽입니다. pH 8.5, 0.8 mg/L에서 바이러스 소독은 6 log 이상에서 약 1.3 log로 떨어지고, 2.0 mg/L로 올리거나 pH를 7로 돌리면 다시 4 log를 넘습니다.

판독판 마지막 줄은 세균·바이러스·크립토스포리디움의 소독 log입니다. 과제에서 쓰는 크립토스포리디움의 정수장 전체 값은 여기에 침전·여과 제거를 더한 것으로, 모형은 이를 탁도 제거에 묶어 계산합니다.

내 하루 물

서울은 2025년에 하루 평균 3,084,211 m³, 1인당 307리터의 물을 공급했습니다. 가정뿐 아니라 가게와 사무실에서 쓴 물도 들어간 수치입니다. 모형 정수장은 하루 10만 m³, 1초에 약 1,157리터를 만드니 307리터는 약 4분의 1초 분량이고, 하루치 물이면 그 사용량으로 약 32만 6천 명이 씁니다. 2025년 서울 가정용 평균 요금 1 m³에 600.5원으로 치면 수돗물 1리터는 하수도 요금을 빼고 약 0.6원입니다.

모형에서 단순하게 한 것

정수장을 작게 줄였고, 시설끼리 크기 비율도 맞지 않습니다. 실제 침전지는 길이 50~100 m에 수심이 몇 미터이고, 중간 규모 정수장에도 여과지가 열 칸 넘게 있습니다. 화면 속 입자 크기는 실제 크기의 로그를 따릅니다. 2 µm 알갱이와 120 µm 플록을 실제 비율로 한 화면에 함께 그릴 수는 없기 때문입니다.

계산도 일부러 간단하게 했습니다. 실제 강물에는 한 가지가 아니라 온갖 크기의 입자가 섞여 있고, 플록이 자라는 정도는 응집제 양뿐 아니라 교반 세기, 수온, pH, 물의 화학 성분에 따라 달라집니다. 실제 침전지는 이상적이지 않아서 물살과 바람 때문에 성능이 떨어집니다. 여과 제거율과 세균 수는 경향을 보여 주려고 고른 예시 값이고, 관 속 재증식은 실제 위험을 그림으로 나타낸 것이지 측정값이 아닙니다. 정수장은 pH도 조절하고, 전염소를 넣기도 하고, 슬러지도 처리해야 하지만 모형은 침전지 바닥의 갈색 층으로만 보여 줍니다.

새로 넣은 조작은 다음 모형 값에 기댑니다. 최적 응집제 양은 (탁도 / 10 NTU)^0.45로 늘고, pH 범위는 pH 7을 중심으로 폭 1.5인 종 모양이며, 여과 제거율은 5 m/h를 여과 속도로 나눈 값의 제곱근에 비례합니다. 여과지 막힘은 침전수 탁도의 0.4제곱에 따라 오르고, 넘친 만큼의 40배로 새어 나옵니다. 오존은 세균 1 log, 바이러스 2 log, 크립토스포리디움 0.5 log를 더하고, 자외선은 40 mJ/cm²로 두었으며, 바이러스와 난포낭은 정수장의 탁도 제거 log의 절반과 10분의 9를 따라갑니다. 컵 위 냄새 표시는 꼭지 1.0 mg/L부터 나오는 모형 기준입니다. 세계보건기구는 0.3 mg/L만큼 낮은 농도에서도 염소 맛을 느끼는 사람이 있다고 적고, 기준 4.0 mg/L는 그보다 훨씬 위입니다. 확대 화면은 배율이 서로 다르며, 화면마다 설명 칸에 적었습니다.

계산 예: 하루 10만 m³를 만드는 정수장의 크기

전시에는 속도와 깊이가 나오지만 수조의 크기는 나오지 않습니다. 하루 10만 m³를 만드는 중간 규모 도시 정수장의 크기를 대략 따져 봅니다. 유량과 수조 개수는 가정이고, 속도 값은 모형에서 쓴 것입니다.

• 유량. 10만 m³/일은 시간당 4,167 m³, 초당 1.16 m³입니다.
• 침전지. 표면부하율이 1.5 m/h이면 수면 넓이는 합계 4,167 ÷ 1.5 = 2,778 m²입니다. 수심 3.5 m를 곱하면 9,722 m³이고, 물이 머무는 시간은 9,722 ÷ 4,167 = 2.3시간으로 전시에 나온 값과 같습니다. 실제로는 하나를 비워 청소할 수 있게 이 넓이를 여러 지로 나눕니다.
• 유량이 두 배가 되면. 폭우가 오는 날에는 같은 침전지로 두 배의 물을 보내야 할 수 있습니다. 표면부하율이 3.0 m/h가 되니, 25 mg/L에서 자란 플록(1.76 m/h)은 이상적인 침전지 규칙에 따라 1.76 ÷ 3.0 = 59 %만 잡히고, 머무는 시간도 2.3시간에서 1.2시간으로 줄어듭니다. 그만큼 많은 플록이 여과지로 넘어가므로, 강물이 흐려지면 운전원이 유량을 줄이거나 응집제 양을 올립니다.
• 응집제. 25 mg/L는 1 m³당 25 g이므로 10만 m³에는 하루 2,500 kg, 시간당 100 kg을 조금 넘게 씁니다. 최적 양은 자 테스트로 찾고 비가 올 때마다 달라지기 때문에 주입 펌프를 자주 조절합니다.
• 여과지. 급속여과 최소 속도 5 m/h로 계산하면 여과지 넓이는 4,167 ÷ 5 = 833 m²입니다. 모든 칸을 한꺼번에 씻을 수는 없습니다. 70 m²짜리 12칸이라면 한 칸이 역세척 중일 때 11 × 70 = 770 m²가 남고, 나머지 칸의 속도는 4,167 ÷ 770 = 5.4 m/h로 올라갑니다.
• 정수지. 칸막이 덕분에 T10이 평균 체류 시간의 절반이라고 가정하면(가정값), T10 30분을 얻으려면 60분 분량의 물, 4,167 m³를 담아야 합니다. 칸막이가 없는 수조는 T10이 평균 시간보다 훨씬 짧아서, 같은 CT를 얻으려면 훨씬 커야 합니다.
• 염소. 1.0 mg/L는 1 m³당 1.0 g이므로 하루 염소 100 kg이 들고, 그중 염소 소모량 0.3 mg/L가 바로 30 kg을 씁니다.

CT 21 mg·min/L를 볼 때 잊기 쉬운 것이 마지막 줄입니다. CT는 수온에 따라 달라집니다. 미국 EPA의 소독 프로파일링 지침에는 수온 6 °C, pH 6.7, 염소 1.0 mg/L에서 지아디아 3 로그 불활성화에 CT 127.9 min·mg/L가 필요하다고 나옵니다. 같은 정수지를 겨울 강물로 돌리면 이 예의 21 mg·min/L는 그 표가 요구하는 값의 16 % 정도입니다. 추운 계절에는 잔류염소를 올리거나, 접촉 시간을 늘리거나, 다른 방어선을 써야 합니다.

염소, 오존, 자외선, 막여과 비교

방어선마다 잘 막는 것과 못 막는 것이 달라서, 지표수를 쓰는 정수장은 여러 개를 겹칩니다.

자외선 수치가 이 차이를 보여 줍니다. EPA의 자외선 선량표에서 3 로그(99.9 %) 불활성화에 크립토스포리디움은 12 mJ/cm², 지아디아는 11 mJ/cm²이지만, 바이러스는 143 mJ/cm²로 열두 배 가까이 필요합니다. 선량(mJ/cm²)은 램프 세기(mW/cm²)에 쬐는 시간(초)을 곱한 값이라서, 2 mW/cm²로 6초를 쬐면 12 mJ/cm²가 됩니다. 그래서 EPA의 자외선 도구집은 원생동물은 자외선으로, 바이러스는 염소로 막되 염소는 자외선 시설 뒤에 넣으라고 안내합니다.

소독제는 물속 유기물과 반응해 부산물도 만듭니다. EPA는 총트리할로메탄을 0.080 mg/L, 할로아세트산 5종을 0.060 mg/L로 제한하고, 염소와 클로라민의 잔류 상한은 4.0 mg/L로 정해 둡니다. 정수장이 염소를 더 넣는 대신 응집과 활성탄으로 유기물을 먼저 줄이는 이유 가운데 하나가 이 부산물 기준입니다.

실제 사례 네 가지

1854년 런던 소호. 1854년 9월 브로드 가 일대에서 일주일에 약 600명이 콜레라로 죽었습니다. 당시에는 콜레라가 나쁜 공기를 타고 퍼진다고 믿었습니다. 존 스노는 환자 위치를 지도에 찍어 브로드 가 펌프의 물이 병을 옮긴다고 주장했고, 펌프 손잡이를 떼자 유행이 끝났습니다. 다만 사람들이 동네를 떠나면서 이미 줄고 있던 중이었습니다. 스노는 템스 강의 오염된 구간에서 물을 끌어오는 회사와 상류에서 끌어오는 회사의 물을 나눠 쓰는 집들도 비교했습니다. 세균설이 아직 증명되지 않은 소수 의견이던 때에, 「이 물은 어디서 왔나」라는 질문을 지도와 숫자로 풀 수 있음을 보인 사례입니다.

1908년 미국 저지시티. 1900년대 초의 여과는 탁도를 줄였지만, 그 시기에 수인성 질병을 가장 크게 줄인 것은 염소 같은 소독제였다고 EPA의 식수 처리 역사 자료는 설명합니다. 뉴저지주 저지시티가 1908년에 염소를 주 소독제로 처음 썼습니다. 모형의 염소 투입량 슬라이더가 바탕으로 삼는 방식입니다.

2014~2015년 미국 플린트. 2014년 4월 시는 수원을 플린트 강으로 바꿨고, 거의 50년 동안 제대로 가동하지 않던 정수장이 그 물을 처리해야 했습니다. 이 사태를 정리한 학술 논문은 시 수도국에 부식 억제 계획이 없었고 전환 전에 시험과 부식 연구가 충분하지 않았다고 짚습니다. 2015년 마크 에드워즈 팀이 120가구에서 물을 받아 조사하니 20 %가 납 조치 수준 15 µg/L를 넘었고 90백분위수는 30 µg/L였습니다. 물은 다른 강물과 똑같이 처리됐습니다. 빠진 것은 낡은 납 배관이 납을 내놓지 못하게 하는 부식 억제였습니다. 시는 2015년 10월 16일 예전 공급처로 되돌아갔습니다. 전시는 수도꼭지에서 끝나지만, 정수장이 하는 일이 배관 속에서도 이어진다는 것을 보여 주는 사례입니다.

한국 도시의 고도정수처리. 인천시 상수도사업본부는 2016년 부평정수장을 시작으로 고도정수처리(오존 산화와 입상활성탄 흡착)로 바꾸기 시작해 2021년 공촌정수장을 마쳤고, 2026년까지 수산정수장도 마무리할 계획이라고 밝혔습니다. 또 활성탄 시설의 위생 관리가 미흡하면 깔따구 유충이 들어와 번식할 수 있어 환경부가 2023년 10월 깔따구 유충을 먹는물 수질감시항목에 추가했다고 전합니다. 고도정수처리는 냄새와 맛 문제를 풀지만, 그만큼 관리할 일이 늘어납니다.

세 곳의 수질 기준 수치

세 기관의 수치는 쓰임새가 다릅니다. WHO는 각국이 참고하는 권고값을 내고, EPA는 법적 한계(MCL)와 처리 기술 기준(TT)을 쓰며, 우리나라는 규칙으로 정합니다. 같은 양을 재는 것이 아닐 수 있으니 비교할 때 조심해야 합니다.

모형 그래프에는 슬라이더 세 개가 바꾸는 값인 탁도와 염소 행만 그렸습니다.

흔한 오해

• 「응집제를 많이 넣을수록 물이 맑아진다.」 자 테스트 곡선이 반대로 말합니다. 모형에서 60 mg/L는 플록이 72 µm에 그쳐 0.95 m/h로 가라앉고, 여과 뒤에도 0.80 NTU가 남습니다. 25 mg/L의 0.050 NTU보다 나쁩니다.
• 「맑은 물은 안전한 물이다.」 탁도는 입자가 빛을 흩뜨리는 정도를 잽니다. 맑은 컵에도 녹은 납이나 빛을 잘 흩뜨리지 않는 작은 미생물이 있을 수 있습니다. 그래프에 탁도와 세균을 따로 그리고, 플린트에서 맑기가 아니라 납을 잰 이유입니다.
• 「여과지는 촘촘한 체다.」 모래 사이 틈은 걸러 내는 입자보다 훨씬 큽니다. 입자는 여과층 깊은 곳에서 알갱이에 닿아 붙으므로, 응집을 거친 물에서 여과가 더 잘 됩니다.
• 「염소는 다 죽인다.」 WHO는 염소가 크립토스포리디움 난포낭에는 효과가 없다고 밝힙니다. 이런 것은 여과와, 경우에 따라 자외선이나 오존이 맡습니다.
• 「정수장을 나온 물은 문제없다.」 모형 기본값에서 꼭지에 0.27 mg/L가 남도록 하는 것은 관도 시스템의 일부이기 때문입니다.

화면에서 해 보기

1. 응집제 양을 0으로 둡니다. 현미경 창에 알갱이가 따로 떠다니고, 그래프는 여과 뒤 5.0 NTU쯤에서 끝나 기준 0.5 NTU의 열 배입니다.
2. 여과 뒤 값이 처음 0.3 NTU 아래로 내려갈 때까지 양을 천천히 올립니다. 위 표대로 10~25 mg/L 사이에서 일어납니다.
3. 60까지 올립니다. 플록이 72 µm로 줄고 결과가 나빠집니다. 25로 돌려놓습니다.
4. 25 mg/L에서 입자 크기를 0.5 µm로 내립니다. 침전지는 탁도의 7 %만 잡습니다.
5. 오존·활성탄을 끄고 물이 우회관으로 가는 것을 봅니다. 다시 켭니다.
6. 역세척을 켜고 홈통이 차는 동안 오른쪽 칸을 봅니다.
7. 염소 투입량을 0.5 mg/L로 하고 세균 그래프의 마지막 점을 따라갑니다. 0.6 mg/L는 간신히 통과하고 0.5 mg/L는 실패합니다.
8. 정수지에서 속 보기를 켜고 물방울로 칸막이를 따라갑니다. 헷갈리면 부품 이름을 씁니다.
9. 무대 단추 줄에서 응집을 누르고, 응집제를 0으로 했다가 25로 돌려 알갱이가 플록으로 모이는 것을 봅니다. 그다음 pH를 6과 8.5로 옮겨 봅니다.
10. 원수 탁도를 300 NTU로 하고 침전을 누릅니다. 판독판이 기준 안으로 돌아올 때까지 응집제를 올린 뒤, 여과 속도를 8 m/h로 해 봅니다.
11. 여과 화면에서 무대를 멈추지 말고 여과지 막힘이 오르는 것을 봅니다. 100 %가 되기 전에 역세척합니다.
12. 소독 화면에서 pH를 8.5로 하면 초록 점이 하늘색 점으로 바뀌고 회색으로 변하는 바이러스가 줄어듭니다. 그다음 자외선을 켜고 주황색 난포낭을 봅니다.
13. 직접 해 보기에서 과제를 시작합니다. 무대의 배지가 푼 과제 수를 셉니다. 내 물은 하루 물 사용량을 정수장이 만드는 시간으로 바꿔 줍니다.