세균 재성장(After Growth)

왜 배우는가: 세균 재성장은 정수장을 나온 물이 소비자에게 닿기까지 관망에서 수질이 어떻게 변하는지를 설명하는 핵심 현상이다. 관로 노후화와 체류시간 문제가 맞물리는 지점이라 상수도 관망 수질관리 문제의 출발점으로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제109회 1교시 8번, 제94회 1교시 11번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

세균 재성장(After Growth)은 정수장에서 소독으로 줄어든 세균이 송·배수 과정 중 관내에서 다시 증식하는 현상이다.

• 세균 재성장: 정수 후 관로에서 일반세균 수가 증가하는 현상.
• 잔류염소: 살균 후 물속에 남아 재오염과 재증식을 억제하는 유효염소.
• 생물막(Biofilm): 관벽에 부착된 세균과 유기물의 층.
• 영양염류: 세균 증식의 기질이 되는 유기물과 무기 영양분.
• 관망 체류시간: 정수가 관로 안에 머무는 평균 시간.
• 부활현상: 저대사 상태의 세균이 환경이 회복되면 배양 가능 상태로 돌아오는 현상.
• VBNC 상태: 살아 있으나 표준 배지에서 배양되지 않는 상태.

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 수돗물을 깨끗하게 처리해도 관로를 지나는 동안 세균이 다시 자라는 것이다. 정수장의 소독으로 세균 대부분이 사멸하지만, 살아남은 세균과 관내로 들어오는 세균이 영양분과 적당한 온도를 만나면 증식한다.

정식으로는 정수 처리 후 송·배수 및 급수 과정에서 세균 재성장이 일어나 수중 일반세균 수나 미생물 수가 증가하는 현상을 말한다. 세균 증식에는 에너지원, 원형질 합성에 필요한 영양소, 적합한 온도·산소·산도 같은 조건이 필요하며, 관망에서는 이 조건이 쉽게 충족된다.

재성장을 막는 주된 수단은 잔류염소다. 염소는 살균 후에도 물속에 남아 관로 안에서 세균 증식을 억제한다. 다만 잔류염소는 관벽 물질과 반응하며 소비되므로, 관로가 길고 체류시간이 긴 곳에서는 농도가 떨어져 방어력이 약해진다.

관벽에 형성된 생물막은 재성장의 근거지다. 생물막 속 세균은 떨어져 나와 물로 유입되고, 관벽의 결절과 녹은 세균에게 표면과 영양분을 제공한다. 따라서 재성장은 물속 세균보다 관벽 생물막과 더 밀접하다.

부활현상은 재성장과 구별해야 한다. 재성장은 배양 가능한 세균 수가 실제로 늘어나는 것이고, 부활현상은 소독이나 영양 부족으로 저대사 상태에 있던 세균이 조건이 좋아지면 다시 배양 가능한 상태로 돌아오는 것이다. 이 상태를 VBNC 상태라 하며, 표준 배지에서는 자라지 않아 일반세균 검사에 잡히지 않는다. 일부 병원균과 비병원균이 이 상태에 들어가며, 수개월에서 1년 이상 유지되기도 한다. VBNC 상태의 존재와 측정법의 타당성에는 논쟁이 있으므로, 답안에서는 가능성으로 서술한다.

답안에서는 두 현상을 나란히 쓰되, 재성장은 증식으로 세균 수가 늘어나는 것, 부활은 배양되지 않던 세균이 다시 활성화되는 것으로 구분한다. 두 현상 모두 수질 검사 결과를 실제와 다르게 보이게 할 수 있으므로, 검사 방법과 함께 설명하는 것이 좋다.

3. 등장 배경과 필요성

재성장 문제가 부각된 이유는 상수도 관리의 초점이 정수장에서 관로로 옮겨 가고 있기 때문이다. 정수 기술이 발전해 정수장 출구 수질은 좋아졌지만, 물이 소비자에게 닿기까지 거치는 관로는 노후되고 길어졌다. 1850년경 상수에 염소소독이 응급조치로 시작된 이후 소독은 수인성 질병을 막는 핵심 수단이 되었다. 그러나 소독만으로 수질이 끝까지 유지되지는 않는다는 점이 드러났다.

관로 노후화가 직접 원인이 된다. 녹은 철보다 밀도가 낮아 관내에 결절을 만들고, 결절과 녹은 생물막이 자랄 장소가 된다. 결절이 커지면 수압이 떨어지고, 생물막이 탈리되면 탁도가 오르며, 유량이 많은 시간에는 관벽 고형물이 떨어져 적수가 발생한다. 이 과정은 재성장과 수질 사고가 맞물리는 전형적인 경로다.

부식을 촉진하는 조건도 재성장과 연결된다. pH, 용존산소, 잔류염소, 수온, 유속, 총용존고형물질, 염소이온과 황산이온이 부식을 촉진하는 인자로 알려져 있다. 이 인자들은 관벽 환경을 바꾸어 생물막 형성에도 영향을 준다.

또한 세균이 증식하려면 영양소, 온도, 산소, 산도 같은 조건이 맞아야 한다. 관망에서는 체류시간이 길고 수온이 높아지는 계절에 이 조건이 쉽게 충족된다. 따라서 재성장 관리의 필요성은 정수 수질 유지뿐 아니라 관로 상태와 운영 조건을 함께 보는 데 있다.

소독 측면에서 잔류염소는 재성장의 방어선이다. 수도법은 잔류염소를 일정 농도 이상으로 유지하도록 규정하고, 살균 효과를 대장균군과 일반세균 수로 관리한다. 일반세균은 1mL당 100집락 이하여야 하고, 대장균은 검출되지 않아야 한다. 이 기준이 관로 말단까지 지켜지는지가 재성장 관리의 핵심 확인 지점이다.

재성장을 줄이려면 정수장 잔류염소 관리, 관로 세척과 교체, 체류시간 단축을 함께 추진해야 한다. 이는 상수도 관망 유지관리사업의 한 축을 이룬다.

4. 구성요소·원리·절차

세균 재성장은 정수장에서 소독으로 줄어든 세균이 관망을 흐르는 동안 다시 증식하는 현상이다. 물 자체는 깨끗하지만 관로 안에서 잔류염소가 줄고 영양물질과 생물막이 남아 있으면 세균이 다시 늘어난다. 구성요소를 나누어 보면 원인과 제어 수단이 분명해진다.

재성장의 원리는 세 조건의 동시 성립이다. 영양원이 있고, 잔류소독제가 부족하고, 온도와 체류시간이 세균에 유리하면 증식이 일어난다. 세균은 대개 수 시간에서 수일 단위로 증식 속도가 빨라지므로 체류시간이 긴 말단 관로와 저수지 부근에서 먼저 나타난다.

재성장과 생물막의 관계는 다음과 같다. 관벽의 생물막은 영양물질을 흡착하고 세균 군집을 보호한다. 유속이 갑자기 커지면 생물막이 떨어져 나가 세균수와 탁도가 함께 오른다. 그래서 재성장 관리는 수질 분석과 관망 유속 관리를 함께 봐야 한다.

재성장 제어 절차는 다음 순서로 수행한다.

• 관망 말단과 체류시간이 긴 구간에서 잔류염소와 일반세균수를 측정한다.
• 잔류염소가 기준 이하인 구간을 찾아 원인(체류, 누수, 관종)을 구분한다.
• 재소독(재염소처리) 지점과 농도를 정하고 잔류염소를 회복시킨다.
• 관벽 생물막을 줄이기 위해 관세척과 유속 관리를 시행한다.
• 결과를 다시 측정하여 일반세균수와 잔류염소의 변화를 확인한다.

관련 식으로 잔류염소 감쇠는 대략 1차 반응으로 나타낸다.

$C_t = C_0 \, e^{-k_b t}$

여기서 C_t는 시간 t 후 잔류염소농도(mg/L), C_0는 초기 잔류염소농도(mg/L), k_b는 벌크 감쇠계수(1/h), t는 체류시간(h)이다. 체류시간이 길어질수록 C_t가 줄어 재성장 위험이 커진다.

재성장은 잔류염소 감소, 영양원, 체류시간이 함께 맞을 때 일어난다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내 먹는물 관리에서 재성장과 직접 관련된 기준은 다음과 같다. 수도법에 따라 정수장과 관망에서 잔류염소를 유지하도록 규정하고 있다. 먹는물 수질기준에서는 대장균군이 검출되지 않아야 하며 일반세균은 1mL당 100집락 이하여야 한다.