도시지역 빗물 활용을 위한

초기빗물 및 강우지속에 따른 빗물의 수질 특성 연구

조혜윤 · 김예슬 · 최현숙 · 남경래 · 석은주 · 윤종철 · 박진아 · 김현정 · 이목영

서울시보건환경연구원 물환경연구부

1. 서론

소제목 : 휴먼고딕 11 pt, bold

도시지역은 불투수층이 확대되어 빗물이 땅 속으로 스며들지 못하고 하천이나 하수처리장으로 유실되어 비점오염원으로 작용함과 동시에 지하수 부족현상으로 이어지고 있어 지속가능한 생태도시 조성방안으로 빗물 관리와 이용에 관심이 증가하고 있다. 빗물은 담수와 해수의 증발에 기인하므로 비교적 오염물질을 적게 포함하여 대기오염물질을 포함한 초기 빗물에 대한 고려가 이루어진다면 생활용수뿐만 아니라 먹는물에 까지 다양한 활용범위를 가진다.1, 2) 이에 시민이 안심하고 빗물을 활용하기 위해 대기오염물질과 밀접한 연관성을 가지는 초기 빗물의 수질 특성과 강우가 지속됨에 따른 빗물 수질의 변화를 파악하여 빗물의 이용 가능성과 안전성을 파악하고자 한다.

2. 연구방법

2.1. 시험대상은 서울시 서초구와 경기도 과천시 경계지역에 소재한 4층 건물 옥상 및 서울 주거지역의 산성우 측정망 6지점(용산구, 광진구, 도봉구, 강서구, 서초구, 송파구)의 빗물로 하였다. 조사기간은 2018년 1～11월로 4층 건물 옥상에는 아크릴 재질의 집수판(가로 2 m, 세로 0.5 m)과 PVC 재질의 빗물 용기 및 배관으로 제작된 단계적 빗물 채취장치를 설치하였다. 용기 1개당 최대 2.5 L의 빗물을 수집할 수 있고, 첫 번째 용기에 빗물이 채워지면 용기 내부의 플로팅 볼(floating ball)이 수면으로 상승하며 수압에 의해 용기의 입구를 막아 두 번째 용기로 빗물이 흘러가는 순차적 방식이다. 산성우 측정망은 시간당 강우량이 0.2 mm 이상이면 센서에 의해 덮개가 열리며 100 mL 유리관에 빗물이 순차적으로 채수되는 자동채취방식으로 첫 번째 수집된 빗물을 초기 빗물로 보았다.

2.2. 분석항목은 pH 전기전도도, 색도, 탁도, 일반세균, 총대장균군, 분원성대장균군, 불소, 염소이온, 질산성질소, 황산이온, 암모니아성질소, 시안, 페놀, 세제, 과망간산칼륨소비량, 경도, 수은, 붕소, 알루미늄, 크롬, 망간, 철, 니켈, 구리, 아연, 비소, 셀레늄, 스트론튬, 몰리브덴, 카드뮴, 안티몬, 납, 우라늄, 칼슘, 마그네슘, 칼륨, 나트륨으로 총 38항목을 측정하였다. 단, 채취된 빗물의 양에 따라 분석항목은 축소되기도 하였다. 분석방법은 먹는물수질공정시험기준에 준하여 분석하였고, 상관성 분석을 위해 SPSS Statistics 24를 이용하여 유의성을 검증하였다.

3. 결과 및 고찰

본 연구의 초기 빗물은 서울 소재 4층 건물 옥상에서 총 20회 강우와 산성우 측정망 6지점에서 용산구 14회, 광진구 10회, 도봉구 19회, 강서구 15회, 서초구 15회, 송파구 18회 강우에 대한 분석결과, pH는 3.9～8.3(중간값 5.5), 전기전도도는 1～458 μS/cm(중간값 20 μS/cm), 색도는 0～7도(중간값 0.4도), 탁도는 0.05～7.05 NTU(중간값 0.9 NTU)의 넓은 분포로 나타났다. 암모니아성질소는 0.02～5.15 mg/L(중간값 1.23 mg/L)로 시료 중 80%가 먹는물 수질기준(0.5 mg/L)을 초과하였다. 대기 중 암모니아성질소는 자동차 배기가스, 하수처리장, 산업활동, 비료 등에 의해 발생되는 것으로 알려져 있어 자동차 배기가스 배출이 많은 도시 지역은 이에 영향을 받는 것으로 판단된다. 미생물 항목 중 일반세균은 9～2500 CFU/mL(중간값 270 CFU/mL)로 5월부터 개체수가 증가하며 7월부터 먹는물 수질기준(100 CFU/mL)을 초과하였다. 총대장균군과 분원성대장균군은 7～9월 시료에서 각각 7개, 1개의 시료에서 검출되었다. 연간 총 누적강우량의 약 50%를 차지하는 7～9월의 빗물을 활용하기 위해서는 미생물에 대한 안전성 확보가 필요할 것으로 판단된다. 불소는 불검출～0.27 mg/L(중간값 0.028 mg/L), 염소이온은 0.043～9.2 mg/L(중간값 0.6 mg/L), 질산성질소는 0.048～4.5 mg/L(중간값 0.8 mg/L), 황산이온은 0.2～14 mg/L(중간값 3 mg/L)로 낮은 농도범위로 나타났고, 미량 금속원소 물질은 대부분 불검출이거나 낮은 농도 범위로 나타났다. 다만, 4월 황사가 발생한 날의 알루미늄과 철의 농도가 각각 0.38 mg/L, 0.35 mg/L로 토양 입자 유입에 의해 농도가 증가한 것으로 판단된다. 과망간산칼륨소비량은 1.2～6.2 mg/L(중간값 3.7 mg/L)의 낮은 범위로 나타났고 경도는 최고 농도가 7.0 mg/L로 매우 낮았다. 대기환경에 따른 초기 빗물의 수질 차이를 파악하고자 환경부 미세먼지(PM10, PM2.5)농도에 따른 예보등급별(좋음, 보통, 나쁨) 초기 빗물의 수질을 그룹화하여 비교한 결과, 미세먼지의 예보등급이 나빠질수록 대부분의 수질 항목의 측정값이 1.5배 증가하는 것으로 나타나 대기 오염도가 초기 빗물 수질에 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다. 지역에 따른 빗물 수질의 차이를 확인하기 위한 독립표본검정(Mann-Whitney검정)결과 95% 신뢰수준에서 유의한 차이가 없는 것으로 나타나 서울 주거지역에서는 지역차이로 인한 빗물 활용의 제한은 없을 것으로 판단된다.

강우가 지속됨에 따라 순차적으로 수집된 빗물의 수질을 비교한 결과, pH는 강우지속에 의한 경향이 뚜렷하지 않았고 색도와 탁도는 강우가 지속됨에 따라 초기 빗물 수질에서 측정값이 30～40% 감소하는 경향을 보였는데, 탁도는 누적강우량이 20 mm이상에서 먹는물 수질기준(1 NTU)을 만족하였다. 암모니아성질소도 약 40% 농도가 감소하며 누적강우량 5 mm이상에서 먹는물 수질기준을 만족하였다. 전기전도도와 불소, 염소이온, 질산성질소, 황산이온, 과망간산칼륨소비량, 경도, 칼슘, 나트륨, 미량 금속원소 물질도 40～50% 농도가 감소하는 것으로 나타나 생활용수 수준에서는 충분히 이용가능할 것으로 보인다. 다만 먹는물 기준으로 적용하면 미생물 항목의 경우, 이화학 항목과는 다르게 세정효과가 뚜렷하지 않아 초기 빗물의 배제를 통한 이용보다는 살균, 소독 등의 추가적인 처리가 필요할 것으로 판단된다.

먹는물 용도로 활용 가능한지 검토하기 위한 측면에서 순차적으로 채취한 빗물 7개의 원수를 15분간 끓이는 조건과 활성탄 여재의 간이여과 후 수질을 비교하였다. pH는 끓임 조건에서 유의한 변화가 없었고 활성탄 여과후 평균 5.6에서 6.4로 증가하여 먹는물 수질기준을 만족하였다. 암모니아성질소는 여과 후 70% 이상 농도가 감소하여 먹는물 수질기준을 만족하였고, 일반세균은 여과 후 40%이상 감소효과가 있었지만 먹는물 수질기준은 만족하지 못하였고, 끓임 조건에서 100% 사멸되었다.

4. 결론

1) 초기 빗물의 암모니아성질소, 이온물질, 색도, 미량 금속원소는 (초)미세먼지와 상관성이 높아 빗물 활용시 대기환경에 따라 빗물의 이용범위를 다르게 적용해야 할 것으로 판단된다.

2) 강우가 지속됨에 따라 대부분의 항목이 초기 빗물에 비해 약 50% 농도가 저감되어 초기 빗물을 배제하면 빗물의 활용도를 높일 수 있을 것으로 판단되며 생활용수 수준에는 적합하였으나 먹는물 수준의 용도로 활용하기 위해서는 여과, 소독 등 추가적인 처리를 통해 미생물에 대한 안전성을 확보가 필요할 것으로 판단된다.

참고 문헌

대한환경공학회지 투고규정을 참고하여 작성해 주시기 바라며, 논문 진행순서에 따라 번호를 붙여서 해당본문에 위첨자로 표기해 주시기 바랍니다.

1. 방기웅, 성기은, 대성성, 최창수, 이준호, “우수 재이용을 위한 지붕우수 유출수의 수질평가”, 한국도시환경학회지, 13(3), 217~226(2013).

2. 한치복, 이택순, “창원지역 빗물의 계절변화 및 저류시간에 따른 수질변화”, 대한환경공학회, 461~468(2010).