• 서울시 상수도연구원은 ‘세계인의 아리수’ 및 ‘건강하고 맛있는 아리수’를 목표로 정수센터에서 생산된 깨끗한 수돗물이 배급수 계통을 거쳐 수요가의 수도꼭지까지 안전하게 공급될 수 있도록 혁신적인 기술개발에 노력을 기울이고 있다.

• 또한 기후변화 및 물부족 심화 등 상수도 환경의 국내외 변화에 대비해 새로운 가치와 기회 창출 위한 지속가능한 기술 개발에 매진하고 있다. 그 결과 국제특허 1건과 국내특허 11건을 취득하는 등 국내 상수도 기술발전을 선도해 나가고 있다.

• 석박사 40여명의 우수한 연구 인력과 678대의 최첨단 실험분석 장비를 확보하여 서울시 원수 및 정수 검사 뿐아니라 KOLAS 국제공인시험기관으로서 지방 상수도 수돗물 분석도 지원하고 있다.

• 상수도 관망해석 및 시뮬레이션 기술 개발

• 배․급수관 부식저감 및 수돗물 수질 개선방안 연구

• 통합원격검침시스템 연구개발

• 광범위 적용 가능한 막모듈 손상여부 진단기술 개발

• 깨끗하고 맛있는 수돗물을 찾는 서울 시민의 요구에 부응하고 양질의 수돗물을 공급하기 위해 원수에서부터 수도꼭지까지 철저한 수질관리와 더불어 안정적 공급은 최고의 가치이며 궁극적 목표이다.

• 국내외 상수도를 둘러싼 정치·사회·경제적 환경변화는 이러한 궁극의 목표를 달상하기 위해 반드시 확보되어야 할 기술의 개발을 강조하고 있으며, 이에 서울시도 깨끗한 수돗물 생산에 차질이 없도록 생산단계부터 최첨단 기술을 확보하고, 안정적 공급을 위해 배급수계통을 통한 지속적 수질관리 기술 및 IT기술 융합의 롤모델인 통합원격검침시스템 기술 확보를 통해 시민의 편의성까지 공공서비스 확대를 모색하였다.

• 그 결과, 관망모형을 통해 송수 잔류염소 목표값을 설정하는 방법의 체계화가 가능하고, 배·급수계통에서 맛·냄새 저감 및 염소의 약품비를 절감할 수 있을 뿐만아니라, 평상 시 관망의 신속·정확한 유지관리에 기여할 수 있게 되었다.

• 뿐만 아니라 상수도에서 돌발적인 사고 즉 대형관로 파손, 오염물 유입 시 비상대응 방안에 대해서 관망해석을 이용하여 재해 및 사고 시 신속한 대응체계 구축이 가능해졌다.

• 또한, 세계 최초로 석회수를 용해할 수 있는 기술을 개발하여 정수장에서 부식성 지수를 조절할 수 있는 법적 토대를 마련했으며 통합원격검침 프로토콜에 의해 장소와 시간에 관계없이 사용량을 확인할 수 있고, 수돗물 막여과 시설의 화학세정 및 유지세정 과정 중에 직접완결성 시험을 동시에 수행할 수 있는 기술 개발로 효율성이 강조된 생산공정 적용이 가능하게 되었다.

• 1980~90년대 : ’89년 연구원 설립과 함께 수질관리 및 기술개발에 대한 기반 마련이 본격 추진되었으며 수질의 안정적 유지관리 및 공급이 우선시 되어 이에 대한 인력확보와 연구가 선행되었다.

• 2000년 이후 : ’00년 이전까지 수질관리 부분에 주안점을 둔 결과 분석기술과 분석역량이 국내 최고 수준에 이르렀고 과감한 시설투자를 통해 최첨단 분석장비를 보유하게 되었으며 이후 아리수 고품질화를 위한 기술개발에 총력을 기울였다.

• 2007년 이후 : 분석기술은 선진외국의 전문 분석기관에서도 인정을 받을 만큼 국내를 넘어 세계 수준까지 그 역량을 확보하였으며 병행하여 추진한 기술개발부분에서도 가시적인 성과를 얻기 시작하였다. 또한 하수도분야 연구개발 필요성이 대두되어 상수도 뿐만 아니라 하수분야까지 기술개발의 폭을 확대하는 계기가 되었다.

• 2012년 이후 : 연구원의 지속적인 발전과 미래 성장동력 확보를 위한 선도기술 개발의 필요성이 강조되었으며 이를 위해 세계적 기술동향 및 정보에 대한 선제적 확보와 연구원의 발전적 추진방향 제시를 위한 미래전략연구 전담기구가 마련되어 제2의 도약기를 맞이하게 되었다.

• 2014년 이후 : 연구원 혁신이 추진되면서 ‘세계적 물종합 연구기관’이라는 원대한 목표를 설정하고 그에 걸맞는 연구인력 확보 및 효과적인 기술개발 체제로 조직을 개편하는 등 미래를 위한 의미 있는 몸단장이 진행 중이다.

  • ※ 상수도연구원 기관지정 및 인정현황

  • ‘89.11 먹는물 수질검사기관지정

  • ‘03. 4 국가공인 바이러스 검사기관 지정

  • ‘04. 9 국가공인 원생동물 검사기관

  • ‘05. 1 KOLAS 국제공인시험기관

  • ‘06. 5 환경측정기기정도검사대행자

  • ‘09. 6 국가공인 노로바이러스 조사기관 지정, 막모듈 인증 성능시험기관 지정

• 추진배경

  •  상수도 배급수계통 유지관리 필요성 증대

    • 배급수시설은 합리적인 계획으로 배치하여 시간적으로 변동하는 수요량에 대하여 적정한 압력으로 연속적이면서 안정적으로 공급하는 것은 물론, 유지관리가 효율적이고 용이한 것이어야 한다. 또한 수돗물 공급과정에서 정수가 오염되거나 변질되지 않도록 수질을 적절하게 유지하고 관리해야 한다.

  •  도시환경의 변화에 따라 위기대처 능력 강화 필요

    •  수돗물의 안전성과 함께 수질에 대한 시민의 관심과 요구가 높아지고 있으며, 인구와 노동력의 감소되고 상수도시설의 노후화가 진행됨에 따라 상수도시설의 기능유지와 위기관리 및 위기대처 능력 향상에 필요한 시점이다. 상수도시설의 유지관리는 장기간에 걸쳐 기술축적이 필요하므로 장기적인 안목으로 목표를 세우고 시설 특성에 맞게 유지관리대책을 마련해야 한다.

  •  배급수 관망 관리에 컴퓨터 기술 활용 증대

    •  최근 컴퓨터와 소프트웨어 기술의 발전으로 상수도 유지관리 분야에 컴퓨터 관망해석 기술을 도입해왔다. 미국 등 선진국에서는 이미 10여년 이전부터 컴퓨터 관망해석 기술을 수량․수압해석, 잔류염소 예측, 소화용수 분석, 비상대응 등에 활용하고 있으며, 국내에서는 관련 논문들이 발표되어 왔으나 현장에서의 적용성은 다소 미흡한 실정이다.

  •  시민의 니즈에 부합하는 수질관리 기술 필요  

    •  배급수계통에서 수중의 염소는 수돗물 자체의 분해 특성과 수돗물의 체류시간동안 물과 관벽 사이의 상호작용에 의해 감소되고 소독부산물이 증가되거나 맛․냄새 문제를 유발시킬 수도 있다. 최근에는 수돗물에서 소독으로 인한 맛과 냄새를 제거하여 맛있는 물을 공급하고자 배급수계통에서 잔류염소 농도 범위를 0.1～0.3 mg/L로 유지하는 것을 권고하고 있다. 따라서 상수도의 넓은 배급수관망을 최적의 상태로 관리하기 위해서는 컴퓨터 기술을 활용하는 것이 필요하다.

• 정책소개

  •  배급수관망 모형 작성

    •  관망의 컴퓨터 수리해석을 위해 컴퓨터에 관망을 작성하고 관경, 관종, 관 길이, 조도계수 등에 대한 관로 정보와 지형을 나타내는 표고와 수요가의 물 사용량, 배수지 용량, 가압펌프 양정 등을 입력한다. 관망의 절점에서 수압, 관로내의 유속 등에 파악하기 위해 수리해석을 실시한 다음, 잔류염소 감소계수, THMs 생성계수를 입력하여 수질해석을 수행한다.

    •  그림은 관망의 컴퓨터 수리 및 수질해석 흐름도를 나타낸 것이다. 수리해석과 수질해석을 실시한 후에 컴퓨터 관망모형의 해석값과 현장값을 비교하여 오차를 줄이는 보정작업을 수행한다. 보정작업은 보통 관로정보에 대해 재확인하고 관로의 경로와 타 관로와의 연결 여부 등을 파악하여 수정한다.

< 수리 및 수질 관망해석 흐름도 >

•  

  • 관망 수리해석 

    •     관망해석에는 정적해석과 동적해석(EPS)으로 구분된다. 두 가지의 차이점은 시간 변화에 따라 해석을 수행여부이다. 정적해석은 시간에 대한 고려가 없지만 동적해석인 EPS는 시간경과에 따른 물 사용량과 밸브, 배수지, 펌프 운영 등에 대한 값을 해석하므로 실제적인 운영결과와 유사한 결과를 얻을 수 있다. 물사용량은 하루 패턴으로 반복되는 경향을 나타내므로 하루 중의 물사용량 패턴을 나타내는 계수값을 산출하였다. 24시간 일평균 송수량()에 대한 시간별 송수량 계수()를 구해 컴퓨터 관망모형에 입력하여 시간변화에 따른 관망의 수리적 현상을 분석한다.

  •  수질변화 모델링 

    • 잔류염소 : 정수장에서 정수처리후 배급수계통으로 송수되는 정수에 주입하는 잔류염소는 송배수과정을 거치면서 감소하게 된다. 정수 중의 잔류염소 감소 반응은 크게 2가지로 나눌 수 있다. 수체감소 반응(kb, bulk decay)은 정수중의 유기물 등과의 반응하는 것으로 실험에 의해 산출할 수 있고 관벽감소 반응(kw, wall decay)은 정수가 관로를 통과하면서 관벽의 물질과 반응하여 감소하는 것이다.

    •  관망모형에서 잔류염소를 시뮬레이션하기 위해 정수 중의 유기물과 반응하여 감소되는 잔류염소 감소계수(kb)를 산정하게 된다. 배급수계통에서 잔류염소의 감소반응을 1차 반응식으로 나타낸다.

        …………………………………  (1)

     여기서, 는 시간 t 경과시의 잔류염소 농도(mg/L), 는 정수장에서 배급수계통으로 송수시의 잔류염소 농도로서 초기농도(mg/L)라 하며, 을 수체 감소계수라고 한다. 보통 1차 반응식의 감수계수()가 크면 잔류염소 감소량이 많으며 반대로 작으면 잔류염소 감소량은 작아진다. 수체 감소계수와 관벽 감소계수를 1차 반응식으로 나타냈을 때 감소계수는 식(2)과 같다.

        …………………………………  (2)

     여기서, k는 잔류염소의 총 감소계수이고, kb는 수체 감소계수(day-1), kw는 관벽 감소계수(m/day), kf는 물질전달계수이며, rh는 관의 수리학적 반지름이다.

•   소독부산물(트리할로메탄) : 잔류염소가 유기물과 반응하여 감소하면서 발생하는 THMs의 생성식을 산정하였다. 하절기 수온이 높아 염소투입량이 증가하기 때문에 소독부산물 발생량도 증가한다. 수계에서 발생하는 THMs의 분포를 해석하여 파악함으로써 수돗물의 안전성을 간접적으로 확인할 수 있다.

  •     잔류염소 감소계수 실험 시에 THMs 시료 채수하여 분석한다. 식(3)에서 시간  (day)에 따른 1차 생성계수()와 최종 생성농도(Cmax)를 구하기 위해 비선형 회귀분석으로 모델링 하였다(Vasconcelos 등, 1996).

          …………………… (3)

< 잔류염소 모델링 >	< 소독부산물(THMs) 모델링 >

•  

  • 배급수계통 수질예측 예측 및 관리방안

    •   G정수장 송수잔류염소의 농도가 0.63 mg/L 일 때 수계의 잔류염소 분포와 소독부산물의 분포예측한 것을 아래 그림에 나타냈다.

    •   체류시간 및 유속 분포도 컴퓨터 화면상으로 나타내어 분석할 수 있다.

                  <잔류염소 분포>                 <소독부산물 분포>               <체류시간(도달시간)분포>                  <유속 분포>

•  

  • 소블록별 평가 관리방안

    • ​배급수계통을 효율적으로 문제점을 파악하여 재구축하기 위해서는 관망에 대해 기능진단을 수립해야 한다. 배수관망을 소블록 단위로 기능을 진단하는 방법을 제시하였다. 소블록별 평가는 안전적 측면으로 수질과 안정적인 측면으로 수압항목으로 구분하였다. 수질의 평가항목에는 잔류염소와 소독부산물인 THMs를 두었고, 수압에는 최소동수압, 블록평균 수압, 압력변동차를 항목으로 하였다.

• 정책 실행 경험 및 노하우

  •  정수장 목표 잔류염소 설정(계절별)

    •   봄․가을, 여름, 겨울 등 계절에 따라 잔류염소 분포를 해석하여 정수장에서 송수 잔류염소를 낮추었을 때 수계에서 0.1 mg/L 이상을 만족하는 적정한 목표 잔류염소를 설정하고자 하였다. 계절별로 관망 모형에 입력한 물 사용량은 봄․가을, 여름, 겨울에 대하여 각각 220,438 m3, 234,859 m3, 206,016 m3 이었다. 겨울의 물 사용량이 1.00인 경우 봄․가을은 1.07배, 여름은 1.14배 이었다.

    •   컴퓨터 관망 모형을 만들고 계절별로 송수 잔류염소 농도, 수체 및 관벽 감소계수를 입력하여 시뮬레이션 하였다. 수체 감소계수는 송수 잔류염소 농도와 수온, TOC를 입력하여 산출하였다. 관벽 감소계수(kw)는 참고문헌을 인용하였다.

    •   수계 전체에서 0.1 mg/L 이상의 잔류염소를 유지할 수 있을 때까지 고 송수 잔류염소를 낮추면서 시뮬레이션을 실시한 결과 봄․가을, 여름, 겨울에 적정한 송수 잔류염소는 각각 0.45 mg/L, 0.50 mg/L, 0.40 mg/L 이었다.

    •   기존 보다 0.05～0.15 mg/L 낮은 송수 잔류염소 목표값을 얻었고 봄․가을, 여름, 겨울의 송수 잔류염소 목표값은 0.50±0.05, 0.55±0.05, 0.45±0.05 mg/L 이었다.

                                 1) 봄․가을                                              2) 여름                                               3) 겨울
                                                                            < 계절별 배급수계통의 잔류염소 분포 >

•  

  • 관망 모델링 소프트웨어의 선정조건으로는 우선 데이터의 호환성이며 GIS, SCADA 등과의 호환은 물론 소프트웨어간의 데이터도 호환이 필요하며, EPANET와 호환되는 제품을 선정하면 향후 관망 모델링 소프트웨어를 변경하거나 타 소프트웨어에서 분석하는 것이 필요할 때 활용할 수 있다. 또한 구축한 관망 모델을 많은 직원들이 활용하도록 보급하기 위해 무료로 사용할 수 있는 EPANET로 변환하여 제공할 수도 있다. 향후 관망 모델을 수정하고 운영 하는 기술은 자체 직원이 직접 할 수 있도록 전문성을 확보하는 것이 필요하다.

• 적용가능성(파급효과)

  •  관망 모형을 통해 송수 잔류염소 목표값을 설정하는 방법을 체계화할 수 있고 컴퓨터 관망 모형을 이용하여 정수장의 송수 잔류염소 목표값을 기존보다 낮출 수 있으므로 배급수계통에서 맛․냄새 저감 및 염소의 약품비를 절감할 수 있다.

  •  컴퓨터 관망 모형을 활용하여 수압관리, 잔류염소 관리에 활용하여 현장에 접목함으로써 업무능력을 향상시킬 수 있다.

  •  소블록별로 수리․수질 진단 및 평가방법은 관망해석에 의해 항목별로 문제점을 파악하여 개선하는 방법으로 평상시 관망의 유지관리에 기여할 수 있다.

  •  상수도에서 돌발적인 사고 즉 대형관로 파손, 오염물 유입시 비상대응방안에 대해서 관망해석을 이용하여 송수관 파손시 영향, 가압장 정전사고시 영향 및 회복시간 분석, 배급수관망에 오염물 유입시 영향 등을 분석하였으므로 배급수계통의 재해 및 사고시 대응체계 구축에 활용할 수 있다.

• Q&A

  •  이 기술을 적용하기 위한 전제조건은 무엇인가?

    •   관망해석기술을 적용하기 위해서는 우선 정확한 관망도를 가지고 있는 것이 유리하다. 지리정보시스템(GIS)나 CAD 도면 등이 있으면 수행시간을 상당히 단축시킬 수 있다. 그러나 종이 도면만 있다면 관망해석 프로그램에 입력하여 작성하는데 시간이 많이 소요된다.

    •   관망해석 프로그램인 EPANET는 무료로 사용할 수 있는 프로그램이며 상업용 프로그램도 구매하여 사용할 수 있다. 잔류염소나 소독부산물을 예측하기 위해서는 계수값을 구하기 위해 실험을 수반하게 된다.

• 국내 평가 및 수상내역

  •  “Application of EPANET for the determination of chlorine dose and prediction of THMs in a in a water distribution system”, 2012, Sustain. Environ. Res., 22(1), 31-38  (http://ser.cienve.org.tw/index.php/list-of-issues/volume-22/206-22-1-201...)

• 추진 조직 및 연락처

  • 담당부서 : 서울시 상수도연구원 수도연구부 배급수연구과

  • 담 당 자 : 안재찬 02-3146-1823, anjchan@seoul.go.kr

• 추진배경

  • 비전문가에 의한 공동주택(빌딩, 아파트) 부식억제제 주입

    • 미국, 유럽에서는 수도관의 부식을 억제하기 위하여 정수장에서 pH를 조절하거나 부식억제제를 투여하고 있다. 미국은 1930년대부터 정수장에서 인산염계 부식억제제를 사용하고 있으며, 1991년 「Lead and Copper rule」이 제정되면서 부식억제제를 투여하는 정수장이 크게 증가하였다. 그러나 우리나라는 수돗물이 연수여서 부식성은 높으나 정수장에서 부식억제를 위한 처리는 하지 않고 있다. 따라서 수돗물에서 녹물이 나와 수돗물 불신의 중요한 요인이 되고 있고, 수돗물이 부식성이 높은 연수인데도 부식제어(부식성 조절 또는 부식억제제 투입)를 실시하지 않기 때문에 수도관의 수명도 선진국보다 현저히 짧다. 1995년 옥내급수관으로 아연도강관 사용이 금지되기 전의 아파트와 대형건물은 건축 후 10여 년이 지나면 녹물이 나와서 불쾌감을 주고, 세탁물을 오염시키고, 급수관에 관석(scale)이 생성되어 심하면 관이 폐쇄되기도 하여 수도관 부식에 관한 많은 민원이 발생하였다. 공동주택에서는 녹물에 대한 민원을 해소하고자 자체적으로 고상 또는 액상 부식억제제를 투입하여 해결하는 경우도 많았다.

  • 부식억제제의 개인 관리와 수질사고

    • 미국과 유럽에서는 공동주택에서 자체적으로 개인이 부식억제제를 사용하는 것을 엄격히 제한하고 있다. 부식억제제는 화학약품이기 때문에 전문가에 의해 관리가 되지 않으면 수질사고의 우려가 있기 때문이다. 우리나라의 경우 1970년대 초반부터 노후 아연도강관 녹물 방지를 위해 부식억제제를 사용하기 시작하였다. 초기에는 주로 수입품이 사용되었으나 1970년대 중반부터는 국내 업체에서도 방청제를 식품첨가물로 허가를 받아 제조·공급하기 시작하였다. 그러나 일부 업체에서는 불량원료를 사용하거나 제조기술이 미흡하여 사용 중에 과다하게 용해되어 수돗물에 백탁현상을 유발해 언론에 보도되기도 하였으며, 인산염 부식억제제에 대한 인체 유해성 논란은 지금도 진행 중이다.

  • 수도사업자에 의한 녹물관리

    • 효과적으로 녹물을 방지하고 안전사고를 예방하기 위해서는 우리나라도 미국, 유럽, 일본 등과 같이 수도사업자에 의해 송수관, 배수관, 급수관, 옥내급수관이 관리되어야 한다. 수돗물의 부식성을 줄이기 위해서는 정수장에서 수돗물의 부식성을 감시하고 줄일 수 있는 기술개발이 필요하다. 수질은 각 나라마다 다양하기 때문에 국내 수질 환경에 적합한 수돗물 부식성 관리기술 개발이 필요하다. 수돗물의 부식성을 관리하기 위해서는 우선 한강, 낙동강, 금강, 영산강 등 하천에 대한 부식성 평가와 정수처리 공정별 부식성 변화 등에 대한 조사가 선행되어야 하며, 이를 바탕으로 미국, 일본 등과 같은 부식성 지수를 감시항목으로 지정하는 것이 필요하다.

• 정책소개

  • 한강수계별 부식성 지수 조사

    • 미국과 독일의 부식성 지수(LI)는 ‘0’, 일본은 ‘–1.0~0’으로 관리하고 있으며, 국내는 감시항목으로만 지정되어 있어 LI에 대한 적정 범위는 연구 중이라 할 수 있다. LI는 일반적으로 pH값이 7보다 낮으면 부식성이 강하며 특히, 장마철에 부식성이 높은 경향을 나타낸다. 갈수기와 원수에 조류가 많이 발생하면 pH가 상승하여 원수의 부식성은 낮아진다. 그러나 정수처리 과정에서 염소 및 응집약품 주입에 의해 pH가 낮아져 정수의 부식성은 높아진다. 정수처리 공정의 말단부에 알칼리제를 주입하면 중화에 의한 수돗물 부식성을 조절할 수 있다.

  • 부식성 지수 감시항목 지정 건의

    • 2005년 9월까지의 부식성 지수 조사 결과를 이용하여 시멘트라이닝 닥타일 주철관, 노후 옥내급수관 녹물 방지, 아파트 등에서 자체적으로 관리하고 있는 부식억제제에 대한 안전성을 강화하고자 환경부에 수돗물 부식성 지수를 수질기준 항목에 포함해 줄 것을 건의하였다.

  • 부식성 지수 감시항목 지정을 위한 환경부와 공동연구

    • 2007~2008년까지 환경부(국립환경과학원)와 공동으로 수돗물에 대한 부식성 지수 감시항목 지정을 위한 연구를 실시하였다.

원수, 정수, 배수지 수돗물에 대해 LI와 LR 등 2개 종류의 부식성 지수를 조사하였으며, 원수보다는 정수에서 부식성이 높고 장마철인 7월에 특히 부식성이 높은 것으로 관찰되었다.

• • 부식성 지수 및 제어기술 개발

    • 서울시에서는 부식성 지수관리 기준 설정에 대비하여 2007년부터 부식제어 파이롯트 플랜트를 국내에 최초로 설치하여 실제로 부식성 지수 조절이 녹물 방지에 기여할 수 있는 정도와 알칼리제 약품을 통한 부식제어 기술을 개발하여, 「수도관의 부식억제 방법(2008.1.18)」, 「소석회 슬러리를 이용한 상수도관의 부식방지법(2008.11.14)」, 「부식성이 조절된 수돗물의 공급방법(2010.8.25)」 등 3개의 특허등록을 하였다. 이들 기술은 세계 최초로 이산화탄소를 이용하여 석회수를 수돗물에 완전 용해시키는 기술로서 기존 현장직원이 분말 소석회 주입에 따른 부담감을 줄이고, 99.9% 소석회를 미네랄 칼슘으로 전환시킬 수 있다는 점이 미국, 일본 등의 기술과 차별되는 점이다.

    • 국내 최초의 부식제어 실증플랜트를 설치하여 3년간의 운영결과 녹물을 90% 이상 감소시킬 수 있었다.

  • 소요예산 : 4억 원（부식제어 실증플랜트 구축 비용) 

• 정책실행 경험 및 노하우

  • 기술개발 : 사업시행 초기 장애요인은 석회수 0.13% 정도가 용해되는 것으로 나와 있었지만 실제는 용해가 거의 되지 않는다는 것(석회수 ⇒ 이산화탄소, 이산화탄소⇒ 석회수, 교반속도 조절 등 다양한 기법을 동원해도 석회수의 10ppm 미만으로 용해)이었다. 저유 속에서 교반과 햇빛을 투과시키면서 용액을 관찰한 결과, 석회수 입자의 크기를 줄이면 용액 내에 부유하는 시간이 증가하므로 용해도를 향상시킬 수 있다는 결과를 얻었으며, 또한 실험으로 증명되었다.

  • 인적자원 : 전담인력 3명으로 행정업무, 공정설계, 기술개발 등을 실시하였다.

  • 법·제도 정비 : 환경부에 부식성 지수 감시항목을 건의(2005.9.1)하여 2011년 12월 22일 지정 후 2012년 7월 1일 시행되어 정수장에서 부식성 지수 조절이 가능한 법적 토대를 마련하였다.

• 결과 및 평가

  • 한강 수계를 바탕으로 부식성 지수를 조사하고 미국, 일본 등과 같이 상수도관 사용 수명연장과 수도꼭지 녹물예방을 위해 2005년 9월 1일 환경부에 부식성 지수를 수질검사항목으로 지정 요청하여 2012년 7월 1일 부식성 지수가 감시항목으로 지정 시행됨에 따라 정수장에서 부식성 지수를 조절할 수 있는 법적 토대를 마련할 수 있었다.

  • 세계 최초로 석회수를 용해할 수 있는 기술을 개발함으로써 가성소다, 인산염보다 더 친환경적으로 수돗물 부식성을 관리할 수 있다.

• 성공요인(부식성 지수 감시항목 지정 및 석회수 용해기술 개발)

  • 첫째, 미국, 유럽 등과 달리 시민이 직접 녹물을 관리하고 있는 환경에서 안전한 수돗물 공급을 위한 토대를 마련하였다.

  • 둘째, 석회수 용해기술 개발에 많은 어려움을 겪었으나 지속적인 연구로 가능한 기술을 도출하였다.

• 추진 조직 및 연락처

  • 담당부서 : 서울특별시 상수도연구원 수도연구부 배/급수연구과

  • 담 당 자 : 박영복 02-3146-1824, ybpark0510@seoul.go.kr

• 정책개요

  • 통합원격검침이란 수도, 전기, 도시가스 등의 요금부과를 위해 필요한 사용량 검침값을 한데 묶어 통합으로 원격지에서 검침하는 것을 말한다.

  • 본 연구는 ‘통합원격검침시스템’의 현장 시범운영을 통해 ‘통합원격검침시스템’의 성능을 평가하고, 시스템의 하부 단위인 전자식 수도계량기와 검침단말기의 호환성 확보를 위한 기술표준화 연구를 수행하는 것을 목적으로 하였다.

• 추진배경

  • 서울시를 비롯한 국내 여러 지자체에서 수도계량기 원격검침을 시범 도입하였으나, 원격검침시스템의 경제성 및 내구성 부족 등으로 인하여 본격 도입에 어려움이 있었다.

  • 도시가스 분야 : 원격검침이 시범 도입되었으나, 고가의 초기 투자비를 요구하는 원격검침시스템의 본격 도입은 어려웠고, 원격검침 기기의 내구성 및 호환성 부족 등의 이유로 답보상태에 있었다.

  • 전력 분야 : 한국전력공사라는 단일 회사에 의해 운영되고 상대적으로 상수도나 도시가스 분야에 비해 우수한 기술력을 보유하고 있으므로 전국에 걸쳐 약 12만 가구에 이르는 고압 수용가를 대상으로 원격검침 도입을 마무리하였다. 이런 상황에서 한국전력공사는 저압 수용가의 원격검침을 위해 전력선통신(PLC, Power Line Communication)을 이용한 원격검침시스템을 개발하였으며, 이를 바탕으로 통합원격검침 모델을 우리 시에 제안하게 되었다.

  • 한전이 제안한 통합원격검침 모델에 대한 검토 결과 각 사업자가 개별적으로 원격검침시스템을 도입하는 것에 비해 경제적 타당성이 있고, 기술적으로도 진보할 수 있다고 판단하여 서울시, 한국전력공사, 서울도시가스가 참여하는 ‘통합원격검침시스템’ 연구를 추진하게 되었다.

• 추진과정

  • 서울시의 경우, 2000년대 이전에는 수도계량기 원격검침을 위한 성능시험이나 시범사업이 시행되지 않았으며, 수도계량기 검침은 검침원이 현장을 방문하여 수기로 검침값을 작성하는 인력검침으로 시행되었다.

  • 2003년에는 수돗물을 많이 사용하는 영업용 수용가 300개소를 대상으로 검침값을 이미지센서로 촬영하여 전송하는 방식의 원격검침을 시범 실시하였으나, 검침단말기의 내구성능 부족과 배터리 성능 문제 등으로 확대 시행하지 못하였다.

  • 2006년에는 서울시립대학교와 공동으로 원격검침시스템 도입방안 연구를 위해 25개 수용가에 원격검침시스템을 설치하여 약 2년간 운영하였다. 운영 결과 86.0%의 통신성공률을 보였으며, 소출력으로 인한 통신감도 저하, 기기 내구성 부족, 배터리 성능 부족 등이 통신성공률 저하의 원인으로 분석되었다.

• 정책소개

  • 전력선 통신은 전기를 공급하는 전력선을 통신선으로 활용하는 유선통신의 일종으로 전력선이 포설된 곳이라면 별도의 인프라 구축 없이 어디든지 통신이 가능하다는 장점이 있다. 현재 한국전력공사에서는 PLC 모뎀이 내장된 전자식 전력량계를 설치하여 전력선 통신을 통해 원격검침을 시행하고 있다. 본 프로젝트는 현재 별도로 추진되고 있는 수도, 전기, 가스의 원격검침을 하나의 인프라로 통합하고자 통신망 구축에 가장 적은 비용이 소요되는 전력선 통신을 이용하였다. 전력선 통신망을 활용하기 위해서는 수도계량기에서 전자식 전력량계까지 검침데이터를 전송해야 하므로 소출력 무선통신을 이용하여 검침데이터를 전송하였다. ‘통합원격검침시스템’의 구성은 다음 그림과 같다.

  • 현장 설치 대상은 양천구 목동에 위치한 일반주택 100가구였으며, 15㎜ 수전 86개소, 20㎜ 수전 16개소에 시스템을 구축하였다. 현장 설치 후 현장에서 전송되는 검침정보를 모니터링하고 이상 발생 시 현장 조사를 통해 원인을 파악하고 개선방안을 제시하였으며, 시범운영 결과를 분석하였다.

  • ‘통합원격검침시스템’의 호환성을 확보하기 위하여 한전 전력연구원과 공동연구를 통해 전자식 수도계량기 프로토콜과 무선통신 프로토콜을 설계하였다. 설계된 프로토콜을 통합원격검침 시뮬레이터에 적용하여 43일간 운영하며 전자식 수도계량기의 검침정보가 서버까지 이상 없이 전송되는지를 확인하였다.

• 정책실험 경험 및 노하우

  • 국내 최초로 수도, 전기, 도시가스를 동시에 검침할 수 있는 ‘통합원격검침시스템’을 설치 운영함으로써 기관 간 기술적, 행정적 협의를 통해 통합원격검침시스템 구축이 가능함을 확인하였다. 또한 ‘통합원격검침시스템’과 상수도 단독 원격검침시스템 운영 경험을 확보함으로써 각 운영방식의 장단점과 기술적인 보완사항을 확인할 수 있었다. 전자식 수도계량기 프로토콜과 무선통신 프로토콜을 자체 설계함으로써 업체 제품 간, 기관 간 통신의 호환성을 확보할 수 있게 되었다.

• 정책실행 결과

  • 현장 시범운영 결과 월별 평균 통신성공률은 최고 95.9%에서 최저 85.4%까지 나타났고, 기간 중 평균 통신성공률은 91.2%였다. 2009년 1월~6월 운영기간 중 업체별 평균 통신성공률은 최고 99.3%에서 최저 86.3%로 나타났으며, 원격검침기기의 기술개발을 통해 상수도 원격검침에서도 우수한 통신성공률에 도달할 수 있음을 확인하였다.
     

  • 현장 시범운영을 통해 전자식 수도계량기-검침단말기-전자식 전력량계의 통신 호환성 확보가 가장 시급한 문제로 확인되었다. 각 업체별로 서로 다른 통신 프로토콜을 사용하고 있으므로 서로 다른 업체의 제품 간에는 통신이 불가능하여 제품 구입, 설치 및 유지관리에 큰 어려움을 겪을 수밖에 없다. 이를 해결하기 위해 한전 전력연구원과 함께 전자식 수도계량기 프로토콜과 무선통신 프로토콜을 설계하였다. 설계된 프로토콜의 유효성을 검증하고자 실험실에 설치된 시뮬레이터를 통해 실증시험을 실시하였다. 수도계량기 원격검침 시뮬레이터에 프로토콜을 적용하여 총 43일간 운영한 결과, 검침단말기의 최초 등록관련 정보가 서버까지 이상 없이 전송되는 것을 확인하였고, 계량기 프로토콜과 무선통신 프로토콜의 데이터 연계도 이상 없음을 확인하였으며, 운영기간 동안 검침값 및 통신에도 이상이 없음을 확인하였다.

  • 전력선 통신을 이용한 통합원격검침은 전례가 없는 프로젝트로써 본 프로젝트를 통해 통합원격검침이 상수도 단독원격검침에 비해 기술적인 장점이 있음이 확인되었다. 지하에 설치되므로 무선통신 환경이 매우 열악한 수도계량기 원격검침을 위해 일부 구간을 유선통신으로 전환함으로써 무선통신에 필요한 통신거리가 줄어들고, 무선통신 환경을 개선하기 위해 설치하는 리피터(repeater)가 불필요하므로 설치 및 유지관리 소요가 줄어드는 장점이 있다.

<단독원격검침과 통합원격검침 비교 결과>

• 적용 가능성

  • 향후 수도계량기 원격검침 도입 시에 전력선통신을 이용한 통합원격검침도 제반여건을 고려하여 도입 가능한 원격검침 방식 중 하나로 검토할 수 있을 것이다. 설계한 전자식 수도계량기 프로토콜 및 무선통신 프로토콜은 상수도 단독이나 통합원격검침 모두에 적용이 가능하므로 원격검침 프로토콜 설계 시 활용할 수 있다.

  • 통합원격검침 프로토콜은 양방향 통신이므로 언제든지 수용가의 검침데이터를 읽어 올 수 있고, 수도계량기 동파와 같은 긴급 상황에서도 실시간으로 경고 메시지를 관리 서버에 전송할 수 있다. 또한 검침값뿐만 아니라, 수용가에서 옥내 누수, 과대 유량, 역류 등이 발생하면 경고메시지를 전송하도록 설계되었으므로 이로 인한 사회적, 경제적 손실을 최소화할 수 있다. 또한 단독원격검침으로 전환이 필요하면 기존에 설치된 전자식 수도계량기와 검침단말기는 그대로 활용이 가능하도록 시스템이 구성되었으며, 필요시에는 현장에서 PDA를 통해 무선으로 검침이 가능한 유연한 시스템으로 설계되어 있으므로 여러 가지 조건과 환경에서도 지속가능한 시스템이다.

•  추진 조직 및 연락처

  • 담당부서 : 서울특별시 상수도연구원 수도연구부 배/급수연구과

  • 담 당 자 : 김효일 02-3146-1825, tomcat-khi@seoul.go.kr

• 추진배경

  • 종래에 정수장에서는 원수를 취수하여 응집조와 침전지를 거쳐 주로 모래를 이용한 여과지를 거치면서 오염물질을 여과하도록 하고 있다. 그러나 모래여과는 오염물질의 여과범위가 일반적으로 10μm 이상이므로, 1μm 전후 또는 그 이하의 유기물이나 바이러스 또는 원생동물의 포낭과 같은 미세물질은 제거하지 못하는 한계가 있다.

  • 이런 이유로, 최근 정수처리 공정에서 막여과 장치를 이용한 정밀여과(Microfiltration, MF) 및 한외여과(Ultrafiltration, UF) 시설의 도입이 확산되고 있는데, 이러한 공정기술은 미세 입자제거를 주목적으로 하고 있으나, 기존 정수처리 공정에서 제어하기 어려운 원생동물 포낭을 감지수준 이하로 제거할 수 있어 약품사용을 최소화한 새로운 정수처리 기술로 주목받고 있다.

  • 정밀여과막(MF)은 여과조건 및 막의 특성 등에 따라 30~95%의 바이러스 제거율을 보이며, 한외여과막(UF)의 경우 99.9% 이상의 바이러스 제거율을 가진다. 이러한 제거율 확보를 위해 정기적 또는 부정기적으로 막여과 모듈 내의 막에 대한 막완결성 시험을 수행하여야 하는데, 막완결성 시험의 목적은 막여과 시설의 병원성 미생물 제거성능 유지여부 및 막의 이상여부를 점검하기 위한 것이다. 여과막이 손상되는 경우 여과성능이 떨어져 수질기준을 만족하지 못하게 하므로, 막의 손상을 조기에 발견하여 손상을 수리하거나 심한 경우 해당 모듈을 교체하여야 한다. 그러나 막의 손상은 직접 육안으로 확인할 수 없고, 손상을 간단히 조기에 발견하는 것은 어려운 일이다.

  • 본 기술은 이러한 문제를 해결하기 위해 개발된 것으로서, 막의 손상을 감지하기 위한 막여과 시스템의 직접완결성 시험에서 용액의 표면장력 감소를 통해 낮은 압력에서도 시험감지도를 증대시킬 수 있는 압력손실 시험방법을 개발하였다.

  • 막여과 공정에서 화학세정에 사용되는 구연산을 표면장력 조절 물질로 사용함으로써, 직접완결성 시험의 감지도(Resolution)를 증대시켜, 보다 낮은 압력시험으로 보다 작은 형태의 막 파단이나 파손을 감지할 수 있으며, 실제 정수장 운영의 편리성을 최대한 고려하여 현장 적용성을 높이고 사용하기 쉬운 압력손실 방지의 시험방법이다.

• 정책소개

  • 여과막에 손상이 있는지 알아내기 위해서는 막여과 모듈에 공기압을 가하여 공기압의 저하 정도를 체크하여 막의 손상여부를 확인한다. 이때 막의 공극이 큰 경우에는 작용하는 공기압이 작아도 용이하게 탐지할 수 있으나, 막의 공극이 미세한 경우에는 손상이 있어도 큰 압력을 작용시켜야 탐지가 가능하다. 이것은 물의 표면장력으로 인해 공기가 막의 공극을 통과하는 데 저항이 작용하기 때문이다. 본 발명은 이러한 저항을 줄이기 위하여 막여과 모듈에 물보다 표면장력이 작은 액체를 주입하도록 한다.

  • 표면장력은 막의 공극을 통과하여 기포를 발생시킬 수 있는 압력과 밀접한 관련이 있는데, 특정 크기의 공극에서 기포를 발생시키기 위한 압력(PBP)은 아래의 식과 같이 계산된다.

    • PBP = (4 * σ * cosθ)/d

    • σ : 표면장력(dynes/cm or Nm/m)

    • θ : 액체의 접촉각(degree)

    • d : 공극 직경(㎛)

  • 이 식에 의하면 특정크기의 공극에서 기포를 발생시킬 수 있는 압력의 크기는 유체의 표면장력(σ)과 비례하며 공극의 직경(d)과는 반비례한다. 즉, 액체의 표면장력이 일정할 때 공극의 크기가 작을수록 가해야 할 압력의 크기는 커짐을 의미한다. 그런데 표면장력이 작은 액체(첨가제를 사용하여 물의 표면장력을 낮추는 경우를 포함한다)를 사용하면, 위 식에서 표면장력이 작아지게 되는데 반해, 통상 액체와 표면 사이의 접촉각도 작아져 cosθ 값은 커지게 되어 압력에 대해 상충되는 성질이 있다. 따라서 공극에서 기포를 발생시키기 위한 압력(PBP)이 줄어들게 되는 적절한 첨가제나 표면장력 저하값을 찾을 필요가 있다. 본 발명은 이 점에 착안하여 막여과 모듈의 막 손상여부를 검사할 때 사용하는 액체를 표면장력이 작은 것으로 선택하고 적절한 농도를 선택함으로써, 작은 작용압력으로도 미세한 공극의 손상을 감지할 수 있어서 감지도를 높일 수 있게 한 것이다.

  • 본 연구는 여과막의 화학세정 과정에 사용되는 구연산이 물보다 표면장력이 작은 점에 착안하여 물에 구연산을 적당량 주입하여 막의 손상여부를 판단할 수 있도록 하였다. 예컨대 구연산 0.02M 내지 0.3M의 세정액을 사용하면 표면장력이 줄어드는 것에 비해 접촉각의 감소에 따른 cosθ 값의 상승이 미약하여, 기포 발생에 필요한 압력을 낮출 수 있게 된다. 위 범위 밖의 구연산 농도는 접촉각의 감소에 따른 상승요인이 표면장력의 감소를 상쇄시켜 압력 저하의 효과가 낮아진다.

  • 이 결과에 따르면, 막의 공극 크기 3㎛에 반응할 수 있는 초기압력을 감소시킬 수 있는데, 구연산을 이용하여 물의 표면장력을 낮춤으로써 기포를 발생할 수 있는 초기압력의 크기는 물에 비해 약 1/3 이하로 감소시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 즉, 막의 공극 크기 3㎛에 기포를 발생할 수 있도록 하기 위해서는, 수돗물의 경우 약 40kPa가 필요하고, 0.1M 구연산의 경우 약 15 kPa 이하의 압력이 필요하여 물에 비해 소요 압력을 상당히 낮출 수 있음을 알 수 있다. 구연산 농도 0.1M의 경우, 표면장력의 저감 효과는 크고, 액체의 접촉각의 변동폭이 작아 상기 초기압력을 효율적으로 낮출 수 있다.

  • 구연산을 이용한 압력손실 시험방법은 특별히 손상이 의심되는 여과막 모듈에 적용하는 것도 가능하고, 막여과 공정 중 정기적으로 또는 부정기적으로 실행하는 화학세정 과정에서 적용하는 것도 가능하다. 즉, 구연산은 막의 화학세정 과정에 사용되는 산 세정제인데, 막 세정과정에 본 발명을 적용하면 압력손실 시험과 화학세정 과정을 동시에 수행할 수 있어서 본 발명은 현장적용성이 높은 시험방법이라 할 수 있다.

  • 이와 같이 용액의 표면장력이 물보다 작은 구연산을 이용하면 압력손실 시험의 시험감지도를 높여, 더 낮은 압력에서도 공극의 크기를 3㎛ 이하로 더 미세하게 막의 손상여부를 체크할 수 있게 된다.

  • 본 기술은 압력식 막여과 장치를 예시하여 설명하였으나, 수조에 막여과 장치가 잠겨있는 침지식 막여과 장치에도 적용 가능함을 밝혀둔다.

• 기술적용 효과

  • 본 기술은 시험감지도를 높일 수 있는 막여과의 압력손실 시험방법은 막여과 시설의 화학세정 과정 중에 직접완결성 시험을 동시에 수행할 수 있도록 함으로써, 현장적용성이 높고 시험감지도를 증대시킬 수 있는 시험방법으로, 오염된 막을 약품으로 세척할 때 막 표면의 손상 여부를 보다 손쉽게 발견 처리하여 막의 파손으로 인한 수질 악화를 방지할 수 있다.

• 정책실행 결과

  • 결과 : 막모듈 및 시설의 미생물 제거 기능에 대한 지속적인 유지여부를 검증하기 위한 막의 직접완결성 시험에서 시험 감지도(Resoultion)를 증대시키기 위해 물의 표면장력을 저감하여 압력손실시험을 수행하는 방법은 다음과 같다.

    • 물의 표면장력을 저감시키는 약제를 물에 혼합하여 시험액을 만드는 단계

    • 막여과 모듈에 물보다 표면장력이 저감된 상기 시험액을 주입하는 단계

    • 막여과 모듈에서 공기압 공급밸브와 공기 배출밸브를 제외하고 원수 공급밸브 및 여과수 배출밸브 등을 폐쇄하는 단계

    • 공기압 공급밸브에 공기압을 인가하고 차단하는 단계 : 미리 정해진 시간 후에 공기압의 변화를 측정하는 단계

    • 측정된 공기압의 변화를 미리 정해진 기준값과 비교하여 막의 손상여부를 판단하는 단계까지 포함하여 시험감지도를 높일 수 있는 막여과의 압력손실 시험방법

• 적용 가능성

  • 본 기술은 막여과를 사용하는 공정에서 막모듈의 이상여부를 판단하고자 할 경우 막의 완결성 시험방법을 적용할 수 있으며 막여과 시설의 화학세정 및 유지세정 과정 중에 직접완결성 시험을 동시에 수행할 수 있는 이점이 있어 막여과를 사용하는 모든 곳에 적용 가능하다.

• 관련기술 및 보유특허

  • 2010. 5 국내특허 출원(제10-100046617호)

  • 2011.11 국내특허 등록(제10-110127011호)