The Journal of Engineering Geology. March 2019. 37-50
https://doi.org/10.9720/kseg.2019.1.037


ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 소규모수도시설

  • 시료채취와 분석

  • 결과 및 고찰

  •   소규모수도시설 지하수의 라돈저감 요인

  •   저수조와 꼭지수에서의 라돈 자연저감

  •   계절별 저수조와 꼭지수의 라돈 자연저감

  •   폭기에 의한 라돈의 저감

  • 결 론

서 론

지표수의 오염이 증가함에 따라 보다 깨끗한 음용수로서의 지하수에 대한 의존도가 높아지고 있다(MOKE, 2011). 그러나 지하수는 물-암석 반응으로 인하여 불소, 비소 등 특정 성분의 함량이 높게 나타날 수 있다는 문제점이 있다. 라돈은 이들 특정 성분 중의 하나인 자연방사성물질로서 무색, 무취, 무미의 기체이다. 라돈은 붕괴하면서 알파입자를 발생시키는데 라돈이 일정 함량 이상인 공기나 물을 장기간 흡입, 섭취시에는 폐암과 위암 발생 가능성을 높인다(NRC, 1999). 이와 같은 라돈의 인체 위해성 때문에 일부 나라에서는 일찍부터 지하수의 라돈 연구를 수행해오고 있다.

한국은 지질분포 특성상 지하수의 라돈 함량이 높은 편이다. 국내에서 최초의 전국적인 지하수의 라돈 함량조사는 1999년부터 2002년까지 4년 동안 615개 지하수에 대해서 이루어졌다(Cho, 2018). 이 후 2006년 지하수의 라돈함량 예비조사를 거친 후 이를 바탕으로 2007년부터 2016년까지 10년 동안 전국 지하수를 대상으로 한 라돈 함량조사가 수행되었는데 2016년까지 조사된 지하수 수는 5,453개이고 이들의 약 70%인 3,820개가 소규모수도시설이다. 5,453개 지하수의 평균 라돈함량은 94.4 Bq/L, 중앙값은 48.8 Bq/L으로 비슷한 지질환경을 갖는 다른 나라 지하수의 라돈 함량에 비해서는 낮으며 라돈함량이 미국 EPA의 제안치(Alternative maximum contaminant level)인 148 Bq/L (EPA, 1999)를 넘는 비율은 17.7%으로 나타났다 (Cho, 2018).

현재 국내에는 16,667개의 소규모수도시설이 있으며 이들의 약 80%는 지하수를 원수로 이용하고 있다(MOE, 2017). 지하수를 원수로 이용하는 소규모수도시설은 취수정에서 지하수를 양수하여 지상의 저수조에 저장한 다음 저수조에서 각 가정으로 지하수를 공급하기 때문에 자연적인 라돈 저감이 일어난다. 소규모수도시설 지하수의 라돈 함량이 높은 경우에는 저수조에 폭기시설을 설치하여 인위적으로 라돈을 저감시키고 있으며 최근에는 무동력에 의한 라돈 저감이 시도되고 있으나 정확한 저감률은 아직 알려지고 있지 않다. 국내 소규모수도시설의 라돈 자연저감률에 대한 연구로는 13개 소규모수도시설 자료를 이용한 자연저감율인 26.5% (Yun et al., 2017), 39개 소규모수도시설 자료를 이용한 자연저감율인 46.0% (Noh et al., 2011) 등이 있다.

라돈은 2019년 1월부터 음용수의 수질 감시항목에 포함된다. 이에 따라서 소규모수도시설은 연 2회 라돈 함량을 측정하여야 하고 라돈이 일정 함량 이상일 경우 저감시켜야 한다. 다행히도 라돈은 반감기가 3.82일로 짧으며 기체이기 때문에 우라늄이나 라듐 같은 다른 자연방사성물질에 비해서 제거가 쉽고 제거 후 처리문제도 거의 없다. 본 연구는 농촌, 외딴지역의 음용수와 생활용수로 이용되는 소규모수도시설 지하수의 공급 구조와 이용 특성에 따른 라돈 자연저감 정도와 폭기시설에 의한 인위적인 라돈저감 정도를 파악하여 향후 소규모수도시설 라돈함량의 분석 주기와 폭기시설의 크기 결정 등의 관리에 기여함에 목적이 있다.

소규모수도시설

소규모수도시설은 광역상수도의 접근이 어려운 지역의 주민들에게 공급되는 마을상수도와 소규모급수시설을 뜻한다. 소규모수도시설의 원수는 일부 지표수도 있으나 대부분은 지하수를 사용하고 있다. 현재 국내에서 소규모수도시설로 음용수와 생활용수를 공급받고 있는 농어촌 및 섬 지역 주민 수는 약 126만 명으로, 2016년 기준으로 전체 급수 인구의 2.3%에 해당한다(MOE, 2017). 2010년 현재 1개 소규모수도시설당 급수인구는 107명, 평균 지하수 사용량은 약 61 m3/d 내외이다(Cho et al., 2018).

지하수를 원수로 사용하는 소규모수도시설은 지하 암석과 물과의 반응으로 인하여 라돈 함량이 높을 가능성이 크다. 지표수의 라돈 함량 평균이 2.6 Bq/L (Cosma et al., 2008) 등으로 낮은데 비해서 국내 소규모수도시설 지하수의 평균 라돈함량은 86.6 Bq/L이고 전체의 약 15.5%가 라돈 함량이 148 Bq/L 이상이다(Cho et al., 2019). 국내 소규모수도시설의 규모는 외국의 지하수를 이용한 음용수 공급시스템(Community Water Supply)에 비해서 작은 편이다. 예를 들어 미국의 지하수를 원수로 이용하는 CWS 수는 약 47,700개인데 전체의 71.4%가 급수인구 25∼500명이며 21.3%가 501∼3,300명, 10,001∼100,000명도 2.6%나 된다. 급수 인구로 볼 때 국내 소규모수도시설 대부분은 지하수를 원수로 사용하는 미국 CWS의 분류상 가장 작은 단위인 very small CWS (25-500 명) (Cothern and Rebers, 1990)에 해당된다.

소규모수도시설의 지하수가 각 가정으로 공급구조는 다음과 같다. 소규모수도시설에는 보통 1개의 취수정이 있는데 취수정의 심도는 100 m 내외이고 취수정에는 수중펌프가 설치되어 있다. 수중펌프는 1시간 내외의 시간 동안 간헐적으로 가동되며 양수된 지하수는 취수정보다 높은 곳에 위치한 15∼60 m3 크기의 저수조에 저장된다(Fig. 1). 각 가정에서의 지하수 사용으로 인해서 저수조에 저장된 지하수가 일정량 이하로 줄어들면 취수정의 수중펌프가 다시 가동되어 양수된 지하수가 저수조에 저장된다. 소규모수도시설에 따라 다르나 취수정과 저수조 사이의 거리는 112∼114 m, 저수조와 각 가정까지의 거리는 182∼442 m 내외인 것으로 보고되고 있다(Noh et al., 2011). 소규모수도시설 중 지하수의 라돈이 일정 함량 이상인 경우(148 Bq/L 이상) 저수조에 폭기시설을 설치하여 라돈을 저감시키고 있는 경우가 많다(NIER, 2010).

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Fig. 1.

A typical SWSS showing a production well (a) and a water tank (b).

시료채취와 분석

소규모수도시설 지하수의 라돈 저감 특성을 파악하기 위하여 2011년부터 2016년 사이 경남(울산), 경북, 전남지역을 중심으로 취수정 원수의 라돈 함량이 148 Bq/L 이상인 60개 소규모수도시설을 연구대상으로 취수정, 저수조, 꼭지수에서 현장 수질을 측정하고 시료를 채취하여 라돈 함량을 분석하였다.

현장에서의 라돈 분석용 시료 채취 과정은 다음과 같다. 먼저 취수정의 수중펌프를 5∼10분 이상 가동시켜 지하수공 내에 고인 물(well bore storage)을 배출시키고 지하 대수층을 대변하는 물을 지하수공에 설치된 꼭지를 통하여 채취하였으며, 저수조에서는 저수조 중심 하부의 물을 채취하였으며, 꼭지수는 5∼10분간 꼭지를 열어 꼭지수에 정체되어 있는 물 대신 저수조로부터 공급되는 물을 채취하였다. 시료 채취시에는 가능하면 라돈저감 효과가 있는 기포가 생기지 않도록 노력하였다. 채취된 시료 8 mL는 섬광용액(Optiphase HiSafe3)이 들어 있는 22 mL vial에 주입하여 섬광용액과 지하수가 골고루 섞이도록 1∼2분 동안 흔들어주었다. 시료 채취시간과 분석시간과의 시간 보정을 위해서는 vial 표면에 시료채취 시간을 기재하였다. 채취된 시료들은 아이스박스에 보관하여 가급적 48시간 내에 실험실로 운반하여 파형분석(Pulse shape analysis: PSA) 기능을 가진 액체섬광계수기(Quantulus 1220TM, Perkin-Elmer Co.)를 이용하여 최적 분석조건을 확립한 다음 분석하였는데 PSA 준위 100에서 300분간 계측했을 때 검출 하한치는 약 0.12 Bq/L이다.

결과 및 고찰

소규모수도시설 지하수의 라돈저감 요인

소규모수도시설 지하수의 라돈 함량은 크게 보아서 자연적인 저감과 인위적인 저감으로 나눌 수 있다. 자연저감은 어떤 저감시설의 설치 없이 소규모수도시설 지하수가 각 가정으로 공급되는 구조에 의하여 지하수의 라돈이 저감되는 것이며 인위적인 라돈 저감은 저수조에 주로 폭기시설을 설치하여 강제로 지하수의 라돈 함량을 낮추는 것이다.

취수정에서 양수된 지하수는 저수조에 저장될 때 1∼2 m 내외의 높이에서 저수조 수면에 떨어지기 때문에 공기 접촉면의 증가와 난류(turbulence)가 발생함으로 일종의 폭기현상(Free fall aeration)이 일어난다. 그러나 1일 양수시간은 약 8시간 정도이고(Cho et al., 2017) 저수조에 떨어지는 순간은 짧기 때문에 폭기 효과는 미미할 것으로 판단된다.

소규모수도시설 취수정에서 양수된 지하수는 저수조를 거쳐서 각 가정에 도달할 때 까지 일정 시간이 걸리기 때문에 반감기에 의한 라돈의 자연감소가 일어난다. 라돈의 자연감소는 일반적으로 1차 반응에 따르는 것으로 알려져 있는데 밀폐된 상태의 20°C에서 라돈의 감소속도는 0.18 day-1로 3.82일 후에는 약 50%가 감소된다.

대부분의 소규모수도시설은 취수정에서 양수된 지하수가 저수조에 바로 저장되지만 일부 소규모수도시설에서는 질산성질소, 불소, 비소 등의 특정 성분을 제거하기 위하여 취수정과 저수조 사이에 보조 저수조가 설치되어 있는 경우가 있는데 이로 인해서 지하수의 라돈 함량이 낮아진다(NIER, 2010).

정치(Atmospheric storage)는 취수정에서 양수된 지하수가 저수조에 머무르면서 라돈의 반감기와 저수조 지하수의 라돈이 저수조 내 상부 공기층으로 이동하면서 라돈이 저감되는 현상을 말한다. 일정 기액 계면을 갖는 반응기에서의 시간에 따른 라돈 농도 변화는 다음의 1차 반응식(식 1)으로 표현될 수 있다.

$$\mathrm C={\mathrm C}_0\mathrm e^{-\mathrm{ktn}}$$ (1)
여기에서 C : 일정시간(일) 정치 후의 라돈 함량
C0 : 실험 초기의 라돈 함량
k : 라돈의 붕괴상수, 0.181 d-1
t : 방치 기간 (d)

정치에 의한 지하수의 라돈 저감시험으로는 가로 25 cm, 세로 25 cm, 높이 45 cm인 용기에 원수의 라돈 함량이 370 Bq/L인 20 L 지하수에 대해서 시험을 한 결과가 있는데 감소 속도계수(k)는 0.61로 계산된 바 있다(NIER, 2001). 정치에 의한 지하수의 라돈 감소 속도계수 0.61을 적용하면 정치 1일후 46%, 3일 후 84%의 라돈 저감이 일어난다. 위의 k 값 0.61은 지하수면이 대기에 완전히 노출된 상태의 값으로 소규모수도시설 저수조의 지붕이 거의 닫혀 있는 상태와는 차이가 있다. 정치에 의한 지하수의 라돈저감 정도는 저수조의 크기와 형태, 환기시설의 유무, 지하수 사용량 등에 따라서 영향을 받는다(SAIC, 1999). 예를 들어 지하수 사용량이 많으면 저수조에 머무르는 시간이 짧기 때문에 정치효과가 적어질 것이다. 지하수 사용량이 같더라도 저수조의 크기가 크면 저수조에 머무르는 시간이 길어져서 정치효과가 커져서 라돈 저감율은 증가할 것이다. 여기서 라돈 저감율이란 취수정 원수의 라돈 함량 대비 저수조와 꼭지수에서의 라돈 함량이 낮아지는 정도를 말한다. 또한 저수조의 수면이 넓을수록 기액 면적이 커져서 라돈 저감률이 커질 것이다. 일부 음용 지하수에서 음용 전 정치에 의한 라돈저감율은 최대 95.0%까지도 보고되고 있다(Arabi et al., 2018).

소규모수도시설 지하수의 라돈 함량이 높은 경우에는 보통 저수조에 폭기시설을 설치하여 지하수의 라돈을 제거한다. 폭기 방법에는 여러 가지가 있으나 소규모수도시설에는 대부분이 diffused bubble aeration system이 설치되어 있다. 이 방법은 저수조 하부에 미세 공기 방울을 발생시켜 기-액 계면을 증가시켜 저장된 지하수내 라돈의 물질 전달이 대기로 빠르고 크게 일어나도록 유도하는 것이다. 폭기에 의한 지하수 라돈의 제거율에 미치는 요인은 처리수의 수온과 수질, 유입 공기의 수온, 기액 계면적, 기액비 등 여러 가지가 있으나 소규모수도시설 저수조는 대개가 30 m3 규모의 원통형이기 때문에 공기 주입량과 처리 지하수량의 비인 기액비가 중요하다. 기액 계면에서의 기체상 라돈 농도를 0이라고 가정하면 폭기 시간에 따른 수중 라돈의 농도 변화는 다음 식 (2) 같이 표현된다.

$$-\mathrm{dC}/\mathrm{dt}={\mathrm K}_{\mathrm L}\mathrm{aC}$$ (2)
여기서 C: 수중 라돈 농도
a: 계면의 비표면적
KLaC : 총괄적 기체이전 상수(폭기속도 상수)

환기시설의 유무도 저수조 지하수의 라돈 저감에 있어서 중요한 요소이다. 대부분의 소규모수도시설 저수조에는 환기시설이 없는 경우가 많으며 환기시설이 있다고 하더라도 자연환기이며 강제로 환기하는 경우는 드물다. 적절한 규모의 환기시설이 가동되면 저수조 내 공기 중 라돈 농도를 낮추어 주기 때문에 공기 중 라돈이 저수조 지하수에 재 용해되는 것을 방지할 뿐만 아니라(SAIC, 1999) 지하수의 라돈이 보다 쉽게 대기로 방출되어 정치와 폭기효율이 커져서 라돈 저감률이 증가할 것이다.

저수조와 꼭지수에서의 라돈 자연저감

소규모수도시설 저수조와 꼭지수에서의 라돈 자연저감 정도를 파악하기 위하여 최초 라돈함량 측정시 취수정 지하수의 라돈 함량이 148 Bq/L 이상인 32개 소규모수도시설을 대상으로 2015년과 2016년 7월 말에서 9월 초까지 취수정, 저수조, 꼭지수에서의 라돈 함량을 분석하였다. Table 1에서 보는 바와 같이 취수정의 수온, 용존산소량, 산화-환원전위는 저수조와 꼭지수로 이동함에 따라서 대기와의 접촉에 의해서 증가함을 보인다. 32개 소규모수도시설 저수조 지하수의 라돈 저감율은 -69.3%에서 62.7%의 범위(평균 25.7%)로 나타나(Table 1) 일반 급수시설 저수조에서의 정치에 의한 라돈 저감률로 알려진 10∼20%보다는 높으나(NRC, 1999), 13개 소규모수도시설 저수조에서의 평균 라돈 저감률 26.5% (Yun et al., 2017)와는 거의 같은데 이는 라돈 함량 측정 시기가 7월 말에서 9월초로 비슷했기 때문으로 판단된다. 한편 32개 저수조 지하수의 평균 라돈 저감율은 39개 소규모수도시설 저수조에서의 평균 라돈 저감률 46.0% (Noh et al., 2011)보다는 낮은데 이는 39개 저수조에서의 라돈 저감 조사 시기가 10∼11월로 정치효과가 더 높았기 때문으로 판단된다. 32개 저수조가 지붕으로 덮여 있어서 비교가 어렵지만 가로 25 cm, 세로 25 cm, 높이 45 cm에 담긴 원수의 라돈 함량이 370 Bq/L인 20 L 지하수의 1일 정치시 라돈 저감률 46% (NIER, 2011)보다는 낮다.

Table 1. Summary of radon concentration and water quality in ground waters of 32 SWSS having no aeration devices during the period of late July to early September

SWSS No. T (°C) ORP (mv) DO (mg/L) Rn (Bq/l) Rem. rate (%) SWSS No. T (°C) ORP (mv) DO (mg/L) Rn (Bq/l) Rem. rate (%)
CN107-1 15.1 219 8.4 142.1   CN362-1 14.7 309 8.9 185.1  
CN107-2 14.9 250 6.8 203.0   CN362-2 16.9 347 5.9 177.7  
CN107-3 17.4 271 7.5 147.2 27.5 CN362-3 17.5 339 5.7 96.0 46.0
CN107-4 26.3 274 10.1 155.5 23.4 CN362-4 19.4 323 5.6 89.5 49.6
CN109-1 16.3 232 6.2 173.5   CN365-1 15.6 234 6.0 143.3  
CN109-2 16.2 234 7.2 151.8   CN365-2 16.8 358 5.1 49.8  
CN109-3 16.1 238 9.2 154.1 -1.5 CN365-3 17.9 453 4.3 84.2 -69.1
CN109-4 17.3 238 7.8 157.9 -14.0 CN365-4 18.5 499 4.1 81.8 -64.3
CN112-1 15.4 239 6.0 175.6   CN372-1 14.6 277 6.8 206.9  
CN112-2 17.8 222 5.0 140.1   CN372-2 15.7 342 6.0 179.6  
CN112-3 19.7 226 6.7 135.7 3.1 CN372-3 21.1 274 7.3 143.8 19.9
CN112-4 19.5 248 6.5 144.6 -3.2 CN372-4 21.1 302 6.7 134.1 25.4
CN120-1 16.4 277 10.0 184.3   CN373-1 15.4 232 5.1 165.2  
CN120-2 17.3 332 7.6 211.2   CN373-2 16.4 280 8.2 157.7  
CN120-3 17.4 358 7.8 97.6 53.8 CN373-3 24.1 284 7.7 107.9 31.6
CN120-4 24.0 480 6.7 119.2 43.6 CN373-4 23.2 281 7.7 66.4 57.9
CN122-1 15.7 246 8.2 212.6   CN374-1 16.0 279 5.6 127.2  
CN122-2 18.1 295 8.9 196.2   CN374-2 16.8 240 5.8 127.4  
CN122-3 18.7 525 8.0 90.5 53.9 CN374-3 20.6 240 8.0 47.5 62.7
CN122-4 25.2 361 8.3 77.5 60.5 CN374-2 23.5 245 7.3 69.3 45.6
CN123-1 16.3 215 4.3 124.9   CN375-1 14.6 260 5.7 310.4  
CN123-2 17.7 242 5.5 100.1   CN375-2 16.1 247 6.4 227.5  
CN123-3 18.7 245 6.3 60.5 39.6 CN375-3 18.1 311 7.8 104.0 54.3
CN123-4 26.0 437 6.0 80.1 20.0 CN375-4 23.1 302 6.1 81.2 64.3
CN128-1 17.1 255 4.6 136.7   CN383-1 17.1 234 8.6 163.9  
CN128-2 17.1 168 4.5 117.7   CN383-2 18.9 332 8.1 70.3  
CN128-3 22.9 208 6.5 52.3 55.6 CN383-3 18.3 342 10.6 74.3 -5.7
CN128-4 27.0 188 4.3 79.4 32.5 CN383-4 27.1 361 9.1 59.9 14.8
CN136-1 14.0 209 4.8 129.5   CN390-1 16.4 298 8.4 183.6  
CN136-2 14.6 270 3.8 126.6   CN390-2 16.7 240 7.4 143.8  
CN136-3 15.0 286 5.9 54.0 57.3 CN390-3 27.1 276 8.4 112.5 21.8
CN136-4 21.9 328 5.1 44.7 64.7 CN390-4 24.5 290 8.9 126.6 11.9
CN395-1 17.1 245 6.6 221.8   GN215-1 17.3 252 6.0 120.0  
CN395-2 18.1 255 5.7 206.4   GN215-2 16.4 290 5.5 136.7  
CN395-3 18.0 280 7.7 103.8 49.7 GN215-3 17.5 390 5.4 101.9 25.5
CN395-4 20.0 274 7.8 106.2 48.5 GN215-4 20.9 343 4.9 86.2 36.9
CN406-1 18.9 697 8.9 179.0   GN220-1 14.1 292 4.4 143.8  
CN406-2 18.1 280 6.6 337.3   GN220-2 15.4 256 4.1 103.4  
CN406-3 20.1 285 8.1 126.7 62.4 GN220-3 16.9 278 4.4 118.9 -15.0
CN406-4 24.1 255 9.1 135.0 60.0 GN220-4 17.7 264 4.0 118.5 -14.6
GB412-1 15.8 175 6.2 129.0   GN227-1 15.6 297 4.2 255.7  
GB412-2 17.1 146 3.1 119.2   GN227-2 17.4 251 4.0 245.5  
GB412-3 23.1 149 4.5 64.4 46.0 GN227-3 19.2 255 4.7 139.3 43.3
GB412-4 27.9 175 5.8 20.1 83.1 GN227-4 29.0 240 3.9 46.2 81.2
GB432-1 14 254 6.82 134.5   GN246-1 16.6 246 5.1 142.2  
GB432-2 14.7 203 6.15 129   GN246-2 16.3 280 5.0 121.9  
GB432-3 16.8 207 7.4 71.1 44.84 GN246-3 18.3 275 4.9 107.7 11.6
GB432-4 27 241 5.8 63.4 50.8 GN246-4 19.5 290 4.8 105.3 13.6
GB454-1 16.8 251 6.12 220.2   GN286-1 16.1 252 3.7 128.9  
GB454-2 16.9 254 5.4 103.7   GN286-2 16.6 243 5.0 102.3  
GB454-3 22.7 250 6.13 175.6 -69.34 GN286-3 19.8 225 5.5 58.7 42.6
GB454-4 24.4 255 5.4 103.2 0.51 GN286-4 21.8 219 5.4 56.1 45.2
GB459-1 17.2 157 5.0 136.7   GN437-1 16.8 267 5.9 178.3  
GB459-2 17.9 212 4.2 154.3   GN437-2 16.9 267 5.3 150.2  
GB459-3 17.9 192 5.4 79.9 48.2 GN437-3 18.3 531 4.7 178.1 -18.6
GB459-4 21.3 189 5.0 93.8 39.2 GN437-4 19.7 542 6.0 164.3 -9.4
GB466-1 17.5 155 0.9 220.4   GN447-1 16.9 257 6.0 222.5  
GB466-2 19.8 210 1.7 206.3   GN447-2 17.3 360 4.7 166.1  
GB466-3 19.6 205 3.6 126.3 38.8 GN447-3 17.8 509 5.2 193.6 -16.6
GB466-4 20.5 196 3.7 124.6 39.6 GN447-4 21.9 569 4.9 143.5 13.6
GB477-1 16.5 235 6.1 227.2   GN461-1 17.3 241 2.2 142.9  
GB477-2 17.6 238 3.8 126.8   GN461-2 16.3 237 3.0 110.0  
GB477-3 20.3 540 6.6 106.3 16.2 GN461-3 18.2 237 4.9 43.4 60.5
GB477-4 20.5 550 6.7 133.6 -5.3 GN461-4 24.0 231 4.9 34.1 69.0
* ORP: Oxidation reduction potential; DO: Dissolved oxygen
** CN107-1, CN109-1, CN112-1, … : production well (1st), CN107-2, CN109-2, CN112-2, … : production well (2nd), CN107-3, CN109-3, CN112-3, … : tank water, CN107-4, CN109-4, CN112-4, … : tap water

32개 저수조의 라돈 저감률은 일부가 –로 나타나 저수조 지하수의 라돈함량이 취수정 원수보다 오히려 더 높은 경우도 있다. 이의 원인으로는 취수정과 저수조 사이의 배관에 누적된 라듐의 영향으로도 볼 수 있다(Valentine and Stearns, 1994). 그러나 소규모수도시설 취수정과 저수조 사이의 거리는 112∼114 m 정도로 짧음을 고려하면(Noh et al., 2011) 이보다는 지하수의 라돈 함량 변동성이 크기 때문으로 판단된다(Harris et al., 2006). 예를 들면 2011년 9월부터 11월 4일 사이에 9회에 걸쳐 라돈 함량이 측정된 춘천시 남산면에 위치한 소규모수도시설(Table 3의 SWSS 4) 지하수의 라돈 함량은 최저 277.4 Bq/L에서 최고 589.7 Bq/L로 112.6% 함량 변화율을 보인다(NIER, 2011). 즉, 지하수공에서 배출되는 지하수의 라돈 함량은 특정 양수시점 지하수의 라돈 함량을 대변하는 것으로서 라돈 저감률이 – 인 것은 그 전 여러 양수 이벤트에 의해서 저수조에 저장되어 있는 지하수의 라돈 함량보다 낮음을 의미한다. 역으로 현재 양수되고 있는 지하수의 라돈 함량보다도 그 전 양수에 의해 저수조에 저장된 지하수의 라돈 농도가 낮을 수도 있다. 이 경우 정치에 의한 저수조의 라돈 저감률은 실제보다 더 크게 나타날 것이다. 따라서 엄밀히 말하면 현재 양수되고 있는 지하수의 라돈 함량과 저수조에 저장되어 있는 지하수의 라돈 함량을 단순 비교하여 라돈저감 정도를 논하기에는 무리가 있으나 여름철 지하수의 사용량이 많은 32개 소규모수도시설 저수조에서 주로 정치에 의한 평균 라돈 저감율은 25.7%로 계산되었다.

가정집 꼭지수에서의 라돈 저감률은 저수조의 지하수가 꼭지수로 이동한 것이기 때문에 그 시간 차이만큼 저수조의 라돈 저감율보다 높아야 할 것이다. 32개 꼭지수의 라돈 저감율은 취수정 원수 대비 최저 -64.3%에서 최고 83.1%로 나타났으며 평균 라돈 저감율은 30.3%이다. 본 연구의 32개 꼭지수에서의 라돈 저감률은 13개 꼭지수에서의 평균 라돈 저감율 29.8% (Yun et al., 2017)와 비슷하며 저수조에서의 평균 라돈 저감률인 25.7%보다 높게 나타난다. 저수조의 라돈 저감률과 마찬가지로 일부 꼭지수의 라돈 함량이 취수정 원수의 라돈 함량보다 오히려 높은 경우도 있었는데 그 이유는 위에서 설명한 바와 같다. 따라서 저수조와 꼭지수에서의 정확한 라돈 저감률을 파악하기 위해서는 측정 횟수 및 측정 시점과 간격에 대한 추가 연구가 필요하다.

계절별 저수조와 꼭지수의 라돈 자연저감

소규모수도시설 저수조와 꼭지수 지하수의 라돈 자연저감 정도는 계절에 따라 달라질 수 있다. 즉, 여름철은 겨울철에 비하여 대기와 저수조 지하수의 온도가 높아 헨리상수가 커져서(MOKE, 2011) 저수조 지하수의 라돈이 대기로 방출되는 비율이 더 높을 것이다. 다른 한편으로는 여름철에는 겨울철보다 지하수의 사용량이 많기 때문에 저수조에 머무르는 시간이 짧아서 정치 효과가 낮아지기 때문에 지하수의 사용량이 적은 겨울철보다도 라돈 저감률이 낮아질 것이다.

Table 1이 2015년과 2016년 7월 27일부터 9월 7일까지의 연중 지하수의 사용량이 많은 시기의 저수조와 꼭지수에서의 라돈 저감율을 나타내었다면 Table 2는 Table 1보다 지하수의 사용량이 줄어든 시기인 2013년 10월 17일과(KN4, KB78, WS5) 2014년 9월 25일부터 10월 21일 사이 16개 소규모수도시설의 저수조와 꼭지수에서의 라돈 저감율을 나타낸 것이다. 16개 소규모수도시설 저수조 지하수의 라돈 저감율은 21.3%에서 78.0%의 범위(평균 42.8%)이고 꼭지수에서의 라돈 저감률은 17.7%에서 66.9%의 범위(평균 44.8%)이다. Tables 1, 2에서 보는 바와 같이 소규모수도시설 취수정(well head)에서 측정한 수온은 지하수의 특성상 연중 변화가 거의 없기 때문에 비슷하지만 저수조와 꼭지수의 수온은 7월 말에서 9월 초까지 측정된 여름철이 9월 25일부터 10월 21일 사이에 측정된 가을철보다 더 높아서 라돈 저감에 더 유리하다고 볼 수 있다. 그러나 저수조와 꼭지수의 평균 라돈 저감율은 Table 2가 42.8%와 44.8%로 Table 1의 25.7%와 30.3%보다도 오히려 더 높다. 한편 Table 2의 저수조와 꼭지수의 평균 라돈 저감율 42.8%와 44.8%는 39개 소규모수도시설 저수조와 꼭지수의 평균 라돈 저감율인 46%와 50%보다는(Noh et al., 2011) 약간 낮은데 이는 39개 소규모수도시설의 조사시점이 2010년 10∼11월로 Table 2의 측정 시기보다 지하수 사용량이 더 적은 시기에 측정되었기 때문으로 판단된다. 그러나 저수조 용량과 지하수 사용량 자료를 활용하여 지하수가 저수조에 머무르는 시간을 정확히 산정할 필요가 있다.

Table 2. Summary of radon concentration and water quality in groundwaters of 16 SWSS having no aeration devices during the period of late September to late October

SWSS No. T (°C) ORP (mv) DO (mg/L) Rn (Bq/l) Rem. rate (%) SWSS No. T (°C) ORP (mv) DO (mg/L) Rn (Bq/l) Rem. rate (%)
GN11-1 14.8 263 5.7 187.6 GB44-1 14.5 235 3.74 122.5  
GN11-2 14.6 240 5.49 171.5 GB44-2 17.9 240 -  91.6
GN11-3 15.5 258 6.69 104.5 39.0 GB44-3 18.5 190 - 70.5 23.0
GN11-4 19.8 270 7.03 72.2 57.9 GB44-4 15.2 217 - 60.4 34.1
GN15-1 11.5 267 6.1 145.8 GB55-1 14.9 236 5.4 170.7  
GN15-2 14.7 158 2.25 29.8 GB55-2 14 256 6.6 149.0
GN15-3 14.7 158 2.25 21.2 28.8 GB55-3 17.8 246 7.25 70.3 52.8
GN15-4 19.8 244 5.31 19.3 32.5 GB55-4 17.6 298 8.28 65.6 56.0
GN42-1 15.1 281 6.35 130.3 GB108-1 15.2 238 3.63 219.0
GN42-2 15.3 253 5.3 172.9 GB108-2 15.2 238 3.63 123.2
GN42-3 17.1 252 6.93 112.4 35.0 GB108-3 16.7 249 6.25 89.8 27.1
GN42-4 18.1 250 6.9 101.7 41.2 GB108-4 16.5 248 5.54 101.4 17.7
GN71-1 15.7 286 5.34 221.4 GB111-1 16.9 244 9.94 251.6
GN71-2 16.8 192 5.33 237.3 GB111-2 17.2 274 12.24 174.0
GN71-3 16 210 5.98 186.8 21.3 GB111-3 16.3 263 11.7 82.9 52.4
GN71-4 19 233 6.21 167.5 29.4 GB111-4 17.5 262 11.32 57.6 66.9
GN95-1 17.1 254 4.15 189.4 GB131-1 16.1 223 3.21 139.9
GN95-2 17.6 259 4.1 132.4 GB131-2 14.6 166 3.97 86.5
GN95-3 17.7 274 5.75 86.5 34.6 GB131-3 17.8 191 6.47 19.1 78.0
GN95-4 18.9 253 5 87.7 33.8 GB131-4 18.2 239 6.5 40.5 53.2
GN110-1 15.8 282 6.21 168.0 KN4-1 18.3 251 6.2 148.4  
GN110-2 15.2 218 6.15 136.2 KN4-2 18.2 362 4.82 24.8
GN110-3 17.3 307 7.39 58.5 57.0 KN4-3 18.3 355 6.64 11.8 52.2
GN110-4 17.9 349 7.56 51.1 62.5 KN4-4 18.3 293 6.75 11.5 53.7
GB8-1 16 210 3.58 520.0 KB78-1 15 90 5.41 223.1
GB8-2 16.8 136 2.26 21.6 KB78-2 15.4 168 6.5 240.5
GB8-3 17.2 154 6.65 10.7 50.4 KB78-3 15.3 237 8.49 182.4 24.2
GB8-4 18.6 187 5.83 11.5 47.0 KB78-4 25.9 297 5.5 158.7 34.0
GB41-1 15.5 185 5.12 135.6   WS5-1 19.7 180 5 323.3
GB41-2 15.8 275 7.5 113.3 WS5-2 16.7 242 5.45 310.4
GB41-3 17.8 275 8 66.0 41.8 WS5-3 18.7 252 7.77 102.1 67.1
GB41-4 15.8 272 5.39 64.8 42.8 WS5-4 19 250 7.7 140.6 54.7
* ORP: Oxidation reduction potential; DO: Dissolved oxygen
** GN11-1, GN15-1, GN42-1, ... : production well (1st), GN11-2, GN15-2, GN42-2, ... : production well (2nd), GN11-3, GN15-3, GN42-3, ... : tank water, GN11-4, GN15-4, GN42-4, … : tap water

전반적으로 보아서 전국 소규모수도시설의 지하수 이용량과 저수조의 크기에는 큰 차이가 없다는 사실을 고려할 때 Table 2의 저수조와 꼭지수의 라돈 저감률이 Table 1보다도 더 높게 나타나는 것은 계절별 지하수의 사용량 차이에 의한 것으로 판단된다. 즉, Table 1보다도 지하수의 사용량이 적은 시기인 Table 2는 저수조에 머무르는 시간이 보다 더 길어서 저수조에서의 정치효과가 Table 1보다도 더 컸기 때문으로 판단된다. 현재 소규모수도시설 취수정의 라돈 함량이 148 Bq/L 이상인 경우 폭기시설 등을 설치하여 라돈을 저감한 후 주민들에게 공급하고 있으나 취수정의 라돈 함량이 148∼200 Bq/L 정도는 저수조에서의 정치에 의해서도 라돈 함량을 148 Bq/L 낮출 수 있음을 고려할 필요가 있다. 정치에 의한 저수조와 꼭지수의 정확한 라돈 저감 정도를 파악하기 위해서는 취수정 지하수의 라돈함량 변동성과 함께 계절별 지하수 사용량이 다른 봄·가을, 여름, 겨울의 저감률을 조사할 필요가 있다.

폭기에 의한 라돈의 저감

급수시설 지하수의 라돈을 제거하는 방법으로는 폭기가 최적의 방법(Best available technology)으로 제안되고 있다(SAIC, 1999). 폭기 방법에는 여러 종류가 있으나 일반적으로 저수조의 하부에서 기포를 발생시키는 버블형 폭기가 많이 이용되며 폭기의 효율을 지배하는 가장 중요한 요인은 주입 공기와 처리수의 비인 기액비이다. 버블형 폭기의 기액비와 처리시간에 따른 라돈 제거율에 관한 연구로는 직경이 30 cm, 높이 2 m의 원통에 저장된 라돈 농도 110 Bq/L인 지하수에 대해서 기액비 0.5, 1.0, 2.0로 처리시간 11분일 때의 라돈 제거율은 각각 68.2%, 78.5%, 80.2%가 있다(Alabdula’aly and Maghrawy, 1999). 한편 가로 25 cm, 세로 25cm, 높이 45 cm인 용기에 저장된 라돈 농도 370 Bq/L인 지하수에 대해서 기액비 0.5, 1.0, 2.0로 처리시간 10분일 때의 라돈 제거율은 각각 19.2%, 28.9%, 39.5%로 보고된 바 있다(NIER, 2001).

국내 소규모수도시설 지하수의 라돈 함량이 높은 경우 이를 저감하기 위해서 저수조에 버블형 폭기시설이 설치되어 있는 경우가 많다. 폭기 효율을 파악하기 의하여 선정된 12개 폭기시설의 용량은 최소 60 L/min부터 최대 4,000 L/min가 있었으며(Table 3) 폭기시설의 가동시간은 보통 타이머로 가동되는 바 대개는 일 8시간 내외였다. Fig. 2는 용량이 120 L/min과 4,000 L/min인 폭기시설의 가동 전과 가동 후의 모습을 보여주고 있다. 소규모수도시설 저수조에 설치된 12개 폭기 시설에 의한 라돈 저감율 조사를 위하여 폭기 전의 취수정 원수와 폭기를 거친 저수조, 꼭지수의 시료를 채취하여 라돈 함량을 비교하였는 바 12개 저수조에서의 라돈 저감율은 47.4∼94.0%로 나타났으며 전반적으로 용량이 큰 폭기시설이 설치된 저수조의 라돈 저감율이 높게 나타났다(Table 3). 12개 폭기시설이 설치된 저수조의 평균 라돈 저감률은 78.9%인데 이 저감률은 저수조에서의 정치에 의한 자연저감과 폭기시설의 가동에 의한 저감이 합쳐진 저감률이다. 만일 16개 저수조에서의 정치에 의한 평균 라돈 저감률을 42.8%를 적용하면 폭기에 의한 평균 라돈 저감률은 36.1%에 불과한 셈이 된다. 한편 10개 꼭지수에서의 라돈 저감률은 47.4∼99.7%(평균 80.8%)로 정치의 경우와 마찬가지로 저수조에서보다 1∼2% 정도 더 높다. 정치와 폭기에 의한 저수조와 꼭지수에서의 라돈 저감률에 대한 자료 정리는 Table 4에서 보는 바와 같다.

Table 3. Summary of population, water tank, air blow rate and radon concentration in groundwater of SWSS having aeration devices

SWSS Population Water tank (m3) Blow rate (L/min) Prod. well (Bq/L) Water tank (Bq/L) Tap water (Bq/L) Date
1 70 30 150 736.2 227.9 (69.0) 237.5 (67.7) 10/11/10
2 100 50 120 206.4 75.1 (63.6) - 11/5/10
3 300 60 3,000 228.6 55.5 (75.7) 58.5 (74.4) 11/6/10
4 30 20 120 517.9 31.1 (94.0) 42.9 (91.7) 11/6/10
5 120 20 120 1,195.0 628.9 (47.4) 599.3 (49.8) 11/5/10
6 50 20 120 150.9 20.7 (86.3) 20.0 (86.8) 11/8/10
7 120 40 60 214.6 76.2 (64.5) 57.0 (73.4) 11/8/10
8 188 40 1,650 231.6 74.7 (67.7) 52.5 (77.3) 11/21/10
9 40 50 120 351.8 18.9 (94.6) 8.5 (97.6) 10/26/10
10 190 30 4,000 252.3 0.7 (99.7) 1.5 (99.4) 10/26/10
11 250 40 4,000 250.8 22.6 (91.0) 25.5 (89.8) 10/27/10
12 150 50 3,000 249.4 18.1 (92.7) - 10/27/10
Ave. 134 38 1,372 382.1 104.2 (78.9) 110.3 (80.8)
( ) removal rate

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2019-029-01/N0520290104/images/kseg_29_01_04_F2.jpg
Fig. 2.

Diffused bubble aerations installed in the water tanks of SWSS. a: air blow rate of 120 L/min (before aeration), b: during aeration, c: air blow rate of 4,000 L/min (before aeration), d: during aeration.

Table 4. Statistical analysis of the radon removal rates at water tank and tap water by removal method

Method Samples Min. Max. Ave. Med. Stdev. Remarks
Storage (water tank) 32 -69.3 62.7 25.7 39.2 34.8 Late Jul. to early Sept.
Storage (tap water) 32 -64.3 83.1 30.8 38.1 32.5 Late Jul. to early Sept.
Storage (water tank) 16 21.3 78.0 42.8 39.0 15.9 Late Sept. to late Oct.
Storage (tap water) 16 17.7 66.9 44.8 42.8 14.0 Late Sept. to late Oct.
Aeration (water tank) 12 47.4 99.7 78.9 81.0 16.4
Aeration (tap water) 10 49.8 99.4 80.8 82.1 15.3

12개 소규모수도시설 저수조에 설치된 폭기시설의 가동에 의한 라돈 저감률을 36.1%로 본다면 Alabdula’aly and Maghrawy (1999)의 저감률(기액비 1, 처리시간 11분일 때 78.5%)보다 훨씬 낮으며 NIER (2001) 실험에 의한 라돈 저감률(기액비 1, 처리시간 10분일 때 28.9%)보다 약간 높다. 12개 소규모수도시설의 평균 지하수 사용량은 30 m3/d, 저수조의 크기는 평균 30 m3, 저수량은 저수조의 약 60% 정도로 추정되며, 지속적인 지하수 사용으로 인한 저수조 지하수 저장량의 변화, 저수조의 지붕이 있는 점 등의 문제점 때문에 위 두 실험의 라돈 저감률과는 조건이 다르다. 또한 12개 저수조에는 직경 4 m 내외, 수심 1.5 m 내외의 지하수가 저장되어 있으며 이 저장된 지하수에 대하여 저수조 바닥에 폭기시설을 설치하여 공기를 주입하는 방식이고 특히 일부 폭기시설은 저수조의 중앙부에만 공기 주입기를 설치하는 등의 문제점 때문에(Fig. 2a) 위의 두 실험 저수조의 직경 30 cm, 높이 200 cm와 가로 25 cm, 세로 25 cm, 높이 45 cm의 용기에 저장된 일정 지하수량에 대한 폭기보다 폭기 효율이 낮을 것으로 예상된다. 따라서 위의 두 폭기실험시의 라돈 제거율과 본 연구의 12개 폭기시설에 의한 라돈 저감률을 단순 비교하기에는 무리가 있지만 12개 폭기시설의 라돈 저감률은 낮게 나타났다.

비슷한 용량의 폭기시설이 설치된 저수조들 사이에도 라돈 저감률에 차이가 크게 나타난다(Table 3). 이는 주로 지하수 사용량의 차이 즉 공기 주입량과 처리 지하수량의 비인 기액비의 차이와, 환기시설 유무 등의 원인으로 해석된다. 예를 들어 소규모수도시설 2, 4, 5, 6, 9의 저수조에 설치된 폭기시설의 용량은 모두 120 L/min이지만 주로 지하수 사용 인구(지하수의 사용량)에 의해서 저감률에 차이가 나는 것을 알 수 있다. 즉, 폭기시설 용량은 120 L/min로 같지만 사용 인구가 120명으로 가장 많은 소규모수도시설 5의 라돈 저감률은 47.4%로 가장 낮으며 사용 인구가 30, 40명인 소규모수도시설 4와 9의 라돈 저감률은 각각 94.0%와 94.6%로 높다. 이에 따라서 12개 소규모수도시설 저수조에 설치된 폭기시설 용량과 저수조 라돈 저감률의 상관관계(결정계수 0.226)는 약함을 보인다(Fig. 3). 만일 폭기시설의 용량에 비해서 라돈 저감률이 비정상적으로 높은 소규모수도시설 4, 6, 9를 제외하면 결정계수는 0.783으로 올라간다(Fig. 3).

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Fig. 3.

The relationship between air blow rate and radon removal rate.

12개 소규모수도시설 취수정 지하수의 라돈 함량은 150.9∼1,195 Bq/L이나 정치와 저수조에 설치된 폭기시설에 의해 저수조의 라돈 함량은 0.74∼628.9 Bq/L로 낮아졌다. 폭기시설 가동 후에도 라돈 함량이 227.9 Bq/L, 628.9 Bq/L인 소규모수도시설 1, 5에는 당초 설치된 150, 120 L/min보다도 용량이 더 큰 폭기시설을 설치하여 저감률을 더 높여야 한다. 소규모수도시설 1, 5와는 달리 소규모수도시설 10, 11, 12의 라돈 저감율은 91.0∼99.7%로 취수정의 라돈 함량과 지하수 사용량을 고려할 때 필요 이상으로 용량이 큰 폭기시설이 설치된 것을 알 수 있다. 소규모수도시설 지하수의 라돈 함량 정도와 변동성, 계절별 지하수 이용량 등을 고려하여 정치에 의한 자연저감이나 적절한 용량의 폭기시설을 이용한 인위저감(정치효과가 포함된)을 선정할 필요가 있으며 라돈 저감 효과를 높이기 위하여 환기 시설을 설치할 필요도 있다.

결 론

지하수를 원수로 사용하는 국내 소규모수도시설의 라돈 저감 특성을 파악하였다. 소규모수도시설은 취수정에서 양수된 지하수가 저수조에 저장된 후 가정으로 공급되는 구조 때문에 지하수의 라돈 자연저감이 일어나며 라돈 함량이 높은 경우 저수조에 폭기시설을 설치하여 라돈 함량을 저감시키고 있다. 저수조에서의 라돈의 저감 정도는 저수조의 크기와 형태, 지하수의 사용 정도, 환기시설의 유무 등의 여러 요인에 따라서 달라지나 가장 중요한 요소는 지하수 사용량으로서 지하수 사용량이 많은 시기는 정치 효과가 적어서 라돈 저감률이 낮고(평균 25.7%) 지하수 사용량이 적은 시기는 정치 효과가 커서 라돈 저감률이 높은 것으로(평균 42.8%) 나타났다. 폭기시설이 설치된 저수조의 평균 라돈 저감률은 78.9%인데 여기에는 정치에 의한 라돈 저감률이 포함되어 있다. 라돈 저감률은 대체로 폭기 용량이 클수록 높으나 같은 용량이더라도 지하수 사용량에 따라서 저감률이 달라짐을 보였다. 각 소규모수도시설의 지하수 사용량과 저수조의 구조 등에 따라서 다르나 라돈 함량이 국내 수질감시항목 기준인 148 Bq/L를 약간 상회하는 경우는 정치에 의한 자연저감 방법을 사용하고 일정 함량 이상일 때는 라돈 함량 정도와 지하수 사용량 등에 따른 적절한 용량의 폭기시설을 설치하여 라돈을 저감시켜야 한다. 소규모수도시설 지하수의 라돈 저감을 위한 정치 효과와 폭기시설의 용량 결정을 위해서는 지하수의 라돈 함량 변동성, 계절별 지하수 사용량, 저수조의 크기와 형태, 환기시설 등을 고려한 라돈 저감에 대한 연구가 필요하다.

Acknowledgements

본 연구는 2016년 국립환경과학원의 ‘지하수 중 자연방사성물질 함유실태 조사: NIER-RP2016-324’와 한국지질자원연구원의 2016년 ‘복합 인공함양기법을 이용한 지하수 확보·활용기술 개발: GP2015-014-2016(2)’의 지원을 받아 수행되었습니다.

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