3. 지하수질 분류 준비

수질 분류는 지표수 및 지하수에 대해 모두 적용할 수 있는 것이지만, 여기서는 특히 지하수질의 분류에 초점을 맞추어 이야기한다. 지하수질 분류를 위해서는 먼저 지하수 시료를 채취하고 이들 채취된 시료에 대한 수질 자료(water quality data)를 취득해야 한다. 수질 자료는 시료 채취 현장에서 측정하여야 할 것이 있고, 실험실에서 분석하여야 할 것이 있다.
아래는 수질 자료의 취득을 위해 지하수 시료를 어떻게 채취하여야 하는지, 채취된 시료는 분석하기 전 어떻게 처리하고 분석하기까지 어떻게 보관하는지, 시료 채취 현장에서 측정하여야 하는 수질 항목들은 어떤 것이 있는지, 채취된 시료를 실험실로 운반하여 분석할 때 어떠한 항목들을 분석하여야 하는지에 대해 간단히 설명한 것이다.

3-1. 시료 채취 및 처리

지하수 시료를 채취하기 위해서는 지하수공을 시추하여야 하기 때문에, 지하수 시료 채취 작업은 비용이 매우 많이 드는 일이다. 시료 채취를 위한 지하수공의 착정에 대한 자세한 내용은 다른 기회에 자세히 토론하기로 하고, 우리는 여기에서 이미 착정된 지하수공으로부터 시료를 어떻게 채취하는지, 채취된 지하수에 대해 어떠한 처리를 하는지에 대해서 생각하기로 한다. 지하수 시료 채취 및 처리에 대한 보다 자세한 내용은 Wood (1976), Robert et al. (1984), Greenberg et al. (1992) 등을 위시한 많은 문헌에 설명되어 있다.
1) 시료 채취
지하수 시료는 Bailor나 Bomb 같이 일정 깊이의 일정량 부피의 지하수를 길어 올리는 수동 채취기나(그림-1), 일정 깊이 내지는 다양한 깊이의 지하수를 펌프로 연속적으로 길어 올리는 펌프채취기(그림-2)를 이용하여 채취한다. Bailor나 Bomb을 이용한 시료 채취는 이미 지하수공에 고여 있던 물을 한정적으로 채취하므로, 채취된 시료가 해당 지역의 지하수 수질을 대표하지 못하는 경우가 많으며 또한 외부로부터 오염될 가능성도 많다. 따라서, 가능하면 펌프를 이용하여 시료를 채취하는 것이 바람직하다.

그림-1. Bailor 시료 채취기 set

그림-2. 펌프 시료 채취기 set
펌프로 지하수 시료를 채취할 경우, 펌프에 의해 양수되는 물의 수질이 정류 상태(steady state)가 되도록 양수한 후 시료 채취하여야 한다. 여기서 정류 상태라 함은 현장 측정 수질 항목의 값이 시간이 지남에 따라 변하지 않는 상태를 의미하는 것이다. 이로부터 지하수 시료 채취를 위해서는 현장에서 꾸준히 수질을 측정하여야 함을 알 수 있는데, 이렇게 현장에서 측정하는 수질에 대해서는 뒤에 보다 자세히 다루기로 하자. 펌프에 의한 양수를 통해 시료 채취할 때 가장 주의할 것은 가능한 한 시료가 대기에 노출되지 않도록 주의해야 한다는 것이다. 지하수 시료 채취에 있어서 근본적으로 대기에 의한 오염을 피할 수는 없지만, 기능하면 그와 같은 오염을 최소화하도록 노력하는 것이 필요하다.

2) 시료 처리
채취된 지하수 시료는 분석 및 보관 목적에 따라 적절한 처리를 하여야 한다. 이와 같은 처리는 일반적으로 대부분의 물시료에 다 같이 적용되는 것이 보통이다. 지하수 시료의 처리는 여과, 산처리 및 살균처리 등이 있으며, 여기에 분석 목적에 따라 특수 처리를 더하기도 한다. 예를 들면, 물에 녹아 있는 용존 탄산이온의 탄소 및 산소 동위원소 조성 측정을 위해서는 시료 채취 직후 현장에서 스트론튬과 같은 양이온을 첨가하여 탄산염 침전물을 침전시켜 탄산 이온을 분리하여야 한다.

① 여과 (Filtration)
지하수 시료는 채취한 후 부유물을 지하수 시료로부터 제거하거나 따로 분리하기 위해 바로 여과한다(그림-3). 부유물에 대한 자세한 분석을 하려면 여과 후 여과지를 따로 보관한다. 지하수 시료는 보통 0.45, 0.2, 또는 0.1㎛ 크기 공극을 갖는 여과지를 이용하여 여과한다. 여과지 공극의 크기가 클수록 여과가 빠르나, 여과지를 통과하는 미세 입자의 양이 많을 확률이 높다. 이와 같은 미세 입자들은 미량 성분 분석을 심각하게 방해할 수도 있다. 따라서, 만일 지하수질 평가에 있어서 미량 성분의 함량 분석이 필요한 경우라면, 공극의 크기가 작은 여과지로 여과한 시료를 분석하는 것이 바람직할 것이다. 반면 공극의 크기가 작은 여과지로 여과하면 여과지를 통과하는 미세 입자의 양을 줄여 미량 성분 분석 오차를 크게 줄일 수 있으나 여과 시간이 너무 오래 걸리거나 아니면 아예 여과가 안 되는 경우가 생긴다. 따라서, 여과지는 수질 분석에 적당한 여과 공극을 갖는 것을 선택하는 것이 바람직하다.

그림-3. 여과기 set. 보통 수동 진공 펌프를 이용해 강제 여과한다.
② 산처리 (Acidification)
산처리는 지하수 시료 채취 후 용액에 산을 첨가하여 pH를 낮춤으로써 침전 및 흡착 등과 같은 화학 반응으로 용존 성분의 함량이 변하는 것을 막기 위한 것이다. 지하수 시료에 첨가하는 산으로는 HNO₃을 가장 많이 사용하나, 분석 목적에 따라 다른 산을 첨가할 수도 있다. 예를 들면, 용존 제일철(Fe(II))을 페난쓰롤린 방법 (phenanthroline method)을 이용하여 분석할 때 용존 질산이온이 방해할 수도 있으므로, 질산 대신 염산으로 시료를 산처리한다. 지하수 시료에 첨가하는 산의 양은 대개 시료의 pH가 2 이하가 되도록 하는데, 일상적으로 이보다 훨씬 낮은 pH가 될만큼 산을 첨가한다. 경험적으로 1 리터 시료당 0.5 내지 1 ml 정도의 진한 질산을 첨가하면 충분하다.

③ 살균처리 (Sterilization)
살균처리는 시료 내 미생물들을 죽임으로써 채취 후 유기물 및 기타 성분의 함량이 미생물의 활동에 의해 변화되지 않도록 처리하는 것이다. 이러한 처리는 특히 유기물 및 용존 산소, 이산화탄소 등의 분석을 위해서는 심각하게 고려해야 하는 것이다. 시료 내 미생물들을 제거하기 위해서 살균제를 첨가하는데, 살균제로는 HgCl₂와 같은 무기물을 주로 사용한다. 이 경우, 1 L의 시료에 40mg의 HgCl₂를 첨가한다 (Goerlitz and Brown, 1972).
④ 냉동 (Freezing)
냉동을 하는 목적은 살균처리를 하는 목적과 같다. 시약을 통한 살균처리는 살균처리로 인한 이차 오염의 가능성이 있다는 점, 시료의 폐기에 따로 주의를 기울여야 한다는 점등 때문에 문제가 될 소지가 있다. 만일, 채취된 시료를 현장에서 냉동할 수 있는 기구가 있고 시료가 냉동되어도 수질 자료의 취득에 별문제가 없을 경우, 살균하기보다는 냉동하는 것이 바람직하다. 지하수 시료의 미생물 관련 항목을 측정하려 한다면, 시료를 반드시 냉동하여야 한다. 시료는 여러 가지 방법으로 냉동할 수 있으며, 필자의 경우는 아이스박스에 드라이아이스를 넣어 현장에서 바로 냉동한다.
⑤ 냉장 보관
냉장 보관의 목적은 시료 내 미생물의 활동을 억제해 용존 성분의 변화를 최소화하자는 데 있다. 이 방법은 살균이나 냉동처럼 미생물에 의한 영향을 확실히 제거하지는 못하지만, 시료의 물리적 상태를 크게 변화시키지 않으면서 미생물에 의한 영향도 최소화한다는 장점이 있다. 만일, 시료 내 미생물에 관련된 수질 항목을 측정하지 않으며 용존 산소량 등과 같은 수질 항목에 크게 구애 받지 않는 시료라면 살균이나 냉동 처리 대신 냉장 보관만으로도 충분히 수질을 보존할 수 있다.

3-2. 현장 측정

지하수 시료는 시간이 지남에 따라 그 물리화학적 성격이 매우 변하기 쉽다. 바로 이러한 이유떄문에, 분석할 때까지 일부 수질을 시료 채취할 때처럼 유지시키기 위해 시료 처리를 하는 것이다. 하지만, 시료 처리만으로 모든 수질 항목들을 분석 및 측정할 때까지 유지할 수는 없다. 어떠한 수질 항목들은 시료 처리를 통해 오히려 원래 값에서 크게 바뀐다. 온도, pH, Eh, 전도도(또는 염도), 용존산소량(DO) 등은 시료 처리를 통해 보존할 수 없는 것들로, 현장에서 가능한 한 빨리 측정하여야 하는 것들이다.
위에 열거한 현장 측정 수질 항목들은 대부분 전극으로 측정하므로 비교적 손쉽게 측정할 수 있다. pH, Eh, 및 DO는 각각 유리전극, 백금전극 및 금전극을 전위차계 (potentiometer)에 연결하여 측정하며, 전도도 또는 염도는 배금 전극(사실은 백금 cell)을 전류계(current meter)에 연결하여 측정한다. 온도는 전위차계에 연결된 소위 ‘자동 온도 보정 측정막대’(Automated Temperature Compensation Probe; ATC probe)를 통해 측정한다. 이들 전극을 이용하여 각각의 해당 수질 항목을 측정하는 자세한 방법에 대해서는 각 계측기의 사용지침서를 참고하기 바란다.

3-3. 실험실 측정 수질 항목

실험실에서 측정할 수질 항목을 크게 나누면 한편으론 종합적 수질 항목 및 개별적 수질항목으로 나눌 수 있으며, 또 한편으로는 용존 무기성분 관련 수질 항목, 용존 유기성분 관련 수질 항목, 미생물 관련 수질 항목 및 기타 항목 등으로 나눌 수 있다. 종합적 수질 항목(aggregate water quality parameter)은 여러 성분의 복합적인 작용 결과 나타나는 수질 항목으로 경도, 염도 등이 대표적인 것이다. 개별적 수질 항목은 하나의 성분에 의해 지시되는 수질 항목으로 대부분 용존 성분의 농도 및 pH 등이 여기에 속한다고 할 수 있다. 여기에서는 이러한 분류 대신, 무기, 유기, 미생물 및 기타 항목 등으로 나누어 그 종류를 간단히 살펴보기로 하자.
1). 용존 무기성분 관련 수질항목
① 금속 성분 (비방사능) 함량
이들 성분은 대부분 양이온 및 그의 착물 형태로 존재하며, 흔히 말하는 중금속 성분을 포함해서 다음과 같은 다양한 성분들을 지칭한다:
Al, Sb, As, Ba, Be, Bi, Cd, Ca, Cs, Cr, Co, Cu, Au, Ir, Fe, Pb, Li, Mg, Mn, Hg, Mo, Ni, Os, Pa, Pt, K, Re, Rh, Ru, Se, Ag, Na, Sr, Tl, Th, Sn, Ti, V, Zn.
(이 순서는 성분 원소 이름의 알파벳 순이다)
이들 중, 몇몇 성분을 제외한 대부분 성분의 함량은 유도결합플라즈마 방출분광분석기 (Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometer; ICP-AES) 및 유도결합플라즈마 질량분석기 (ICP-Mass Spectrometer; ICP-MS)를 이용하여 분석할 수 있다. Au, Ir, Pt 등 몇몇 금속원소의 함량은 방출분광분석법보다 원자흡수분광분석법(Atomic Absorption Spectrometry; AAS)으로 분석하는 것이 좋으며, Hg의 함량은 Dithiozine을 이용하여 착색한 후 비색계(Colorimeter)를 이용하여 분석하거나, Cold-Vapor 흡수분광분석법이라는 방법으로 분석한다.

② 비금속성분 함량
이들 성분은 대부분 음이온 및 그의 착물 형태로 존재하며, 일부는 전하가 없는 용존 분자 형태로 존재한다. 여기에 속하는 성분들로는 다음과 같은 것들이 있다:
B, Br, CO₂, CO₃, CN, Cl, ClO₂, F, I₂, I, NH₃, NO₂, NO₃, O₂, O₃, PO₄, SiO₂, S^2-, SO₃, SO₄, pH.
위 열거한 성분들 중, 음이온 형태로 존재하는 대부분의 것들(Br, Cl, F, NO₂, NO₃, PO₄, SO₃, SO₄)의 함량은 이온크로마토그라프로 분석할 수 있다. 그 외, 이온 전극(CO₂, CN, F, NH₃, O₂, pH), 비색법 및 UV/visible 분광기 (CN, NO₂, O₃, PO₄, SiO₂), 전류법 (amperometry; Cl, ClO₂, I₂), 적정법 (titrimetry; CO₃, CN, NH₃), 요오드적정법 (Iodometry; Cl, ClO₂, O₂, SO₃), 중량법 (gravimetry; SiO₂, SO₄), 그리고 유도결합플라즈마 방출분광분석법 (B) 등을 이용하여 함량 분석을 할 수 있다.
③ 방사능 원소 함량
이는 무기성분 관련 항목과는 분리해서 따로 기술할 수도 있다. 지하수로부터 발생하는 방사능 양을 결정하는 원소들로 다음과 같은 것이 있다:
Cs*, I*, Ra, Sr*, T, U.
위에서 *은 방사능 원소를 가리키는 것이다. 이 원소들의 양은 침전, 증류 및 기타 방사능 측정법으로 분석한다.

2) 용존 유기성분 관련 수질 항목
자연계의 오염되지 않은 지하수에는 보통 용존 유기물이 매우 적다. 따라서, 여기에서 기술하는 유기성분은 대부분 인간에 의한 산업 활동 결과 유래된 오염물일 가능성이 높다. 대부분의 유기 성분들은 적절한 전처리 과정을 거쳐 고성능 액체크로마토그라프 (High Performance Liquid Chromatograph; HPLC)나 기체크로마토그라프 (Gas Chromatograph; GC)를 통해 직접 분석하거나, 이들 기계와 UV/Visible 분광기 또는 질량분석기를 결합하여 분석할 수 있다.
얼마 전 미국환경청은 주목해야 할 지하수 내 유기오염물들의 목록을 발표하였는데 (Cherry, 1984), 이 목록은 아래와 같다:
① 세척 가능한 유기물 (Purgeable organics): 31 개
Acrolein, Acrylonitrile, Benzene, Tolune, Ethylbenzene, Carbon tetrachloride, Chlorobenzene, 1,2-Dichlorobenzene, 1,1-Dichloroethane, 1,1-Dichloroethylene, 1,1,1-Trichlorobenzene, 1,1,2-Trichloroethane, 1,1,2,2-Tetrachloroethane, Chloroethane, 2-Chloroethyl vinyl ether, Chloroform, 1,2-Dichloropropane, 1,3-Dichloropropene, Methylene chloride, Methyl chloride, Methyl bromide, Bromoform, Dichlorobromomethane, Trichlorofluoromethane, Dichlorodifluoromethane, Chlorodibromomethane, Tetrachloroethylene, Trichloroethylene, Vinyle chloride, 1,2-trans-Dichloroethylene bis(Chloromethyl) ether
② 산 추출 가능 유기물 (Acid extractable organics): 11 개
Phenol, 2-Nitrophenol, 4-nitrophenol, 2,4-Dinitrophenol, 4,6-Dinitro-o-cresol, Pentachlorophenol, p-Chloro-m-cresol, 2-Chlorophenol, 2,4-Dichlorophenol, 2,4,6-Trichlorophenol, 2,4-Dimethyl phenol.
③ 염기/중성 추출 가능 유기물 (Base/neutral extractable organics): 46 개
1,2-Dichlorobenzene, 1,3-Dichlorobenzene, 1,4-Dichlorobenzene, Hexachloroethane, Hexachlorobutadiene, Hexachlorobenzene, 1,2,4-Trichlorobenzene, bis(2-Chloroethoxy) methane, Napthalene, 2-Chloronapthalene, Isophorone, Nitrobenzene, 2,4-Dinitrotoluene, 2,6-Dinitrotoluene, 4-Bromophenyl phenyl ether, bis(2-Ethylhexyl) phthalate, Di-n-octyl phthalate, Dimethyl phthalate, Diethyl phthalate, Di-n-butyl phthalate, Acenaphthylene, Acenaphthene, Butyl benzyl phthalate, Fluorene, Fluoranthene, Chrysene, Pyrene, Phenanthrene, Anthracene, Benzo(a)anthracene, Benzo(b)fluoranthene. Benzo(k)fluoranthene, Benzo(a)pyrene, Indeno(1,2,3-c,d)pyrene, Dibenzo(a,h)anthracene, Benzo(g,h,i)perylene, 4-Chlorophenyl phenyl ether, 3,3'-Dichlorobenzidine, Benzidine, bis(2-Chloroethyl) ether, 1,2 diphenyl hydrazine, Hexachlorocyclopentadiene, N-Nitrosodiphenylamine, N-Nitrosodimethylamine, N-Ntrorosodi-n-propylamine, bis(2-Chlorosopropyl) ether.
④ 농약 및 PCB류 (Pesticides/PCB's): 26 개
α-Endosulfan, β-Endosulfan, Endosulfan sulfate, α-BHC, β-BHC, δ-BHC, γ-BHC, Aldrin, Dieldrin. 4,4'-DDE, 4,4'-DDO, 4,4'-DOT, Heptachlor, Heptachlor epoxide, Chlordane, Toxaphene, Aroclor 1016, Aroclor 1221, Aroclor 1232, Aroclor 1242, Aroclor 1248, Aroclor 1254, Aroclor 1260, 2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-p-dioxine, Endine, Endine aldehyde
⑤ 기타 (Miscellaneous)
Total cyanides, Total phenols
3) 미생물 관련 수질 항목
이 부분에 관해서는 특히 미생물학자에 의한 자문이 필요하다. 여기서는 간단히 미생물과 관련해서 어떠한 항목들을 측정하는지를 나열하려 하며, 이 항목들의 측정 방법은 Greenberg et al. (1992)를 참조하기 바란다.
① 종속영양세균수 (Heterotrophic plate count; HPC)
② 총미생물수 (Direct total microbial count)
③ 유기동화탄소량 (Assimilable organic carbon)
④ 대장균
ㄱ. Multiple-tube fermentation technique for members of coliform group
ㄴ. Membrane filter technique for members of coliform group
ㄷ. Chromogenic substrate coliform test
ㄹ. Differentiation of the coliform bacteria
⑤ 분원성 연쇄상구균 및 장내연쇄상구균 (Fecal streptococcus and Enterococcus group)
⑥ 철 및 황 박테리아 (Iron and Sulfur Bacteria)
⑦ 액티노마이세스 검출 (Detection of Actinomycetes)
⑧ 병원성 세균 검출 (Detection of pathogenic bacteria)
⑨ 장 바이러스 검출 (Detection of enteric viruses)
⑩ 균류 검출 (Detection of fungi)

4) 기타 수질 항목
지금까지 기술된 것 이외의 수질항목 중에서, 자주 거론되는 수질항목 중 빠진 것들을 아래에 정리하였다:
① 용존 물질 총량에 따른 수질항목
ㄱ. 총용존고형물질량 (Total dissolved solids)
ㄴ. 염도 (salinity)
② 경도 (hardness)
③ 산소 관련 수질 항목
ㄱ. 용존 산소량 (Dissolved oxygen; DO)
ㄴ. 생물학적 산소 요구량 (Biological oxyegn demand; BOD)
ㄷ. 화학적 산소 요구량 (Chemical oxygen demand; COD)
④ 전극전위 (Electrode potential; Eh)
⑤ 색, 냄새, 맛
⑥ 부유물질과 관련된 항목
ㄱ. 부유고형물질량 (Suspended solids; SS)
ㄴ. 탁도 (Turbidity)
지금까지 측정하여야 할 대부분의 수질 항목들을 열거하였다. 이들 수질 항목들중에는 소위 ‘수질기준치’에 규정된 수질 항목도 있고, 그렇지 않은 수질 항목도 있다. 비록 수질 항목에 규정되지 않은 수질 항목이라도 지하수질을 제대로 기술하고 분류하여 효율적인 수자원 관리를 하기 위해서는 모두 필요한 것들이다.
수질의 분류 및 관리를 위해 지금까지 열거한 모든 수질 항목에 대한 자료를 수집해야 하는 것은 아니다. 오히려 위 항목 중 일부만을 분석하여 해석하는 경우가 더 많은 것이 사실이다. 따라서, 수질의 분류 및 해석에 있어서 자신의 목적을 잘 이해하고 필요한 수질 자료를 정리하여 계획성 있는 수질 분석 및 자료 수집을 수행하는 것이 필요할 것이다.
많은 경우, 자신이 원하는 수질 항목에 대한 모든 분석을 수행할 수 있는 능력을 갖춘 사람은 드물다. 따라서 수질 분석을 외부 기관에 의뢰하는 경우가 많은데, ‘먹는샘물법’이나 ‘지하수법’과 같은 법령에 따르면 이러한 수질 항목들을 분석하는 방법을 정한 공정시험법대로 분석하도록 되어있다. 법적인 문제 또는 공적인 문제에 대한 필요성으로 수질 항목에 대한 자료를 원한다면 이와 같은 규정을 따르는 것이 좋겠으나, 기술개발이나 연구개발과 같은 비영리적 목적을 위해서는 보통의 분석기관에 의뢰해 그 기관에서 흔히 분석하는 방법에 따라 분석하는 것도 문제가 되지 않는다. 일부 공정시험법에 의해 정의된 분석 방법은 때로 너무 낡아 현대적인 분석 관점에서 볼 때 오히려 신뢰성이 떨어지는 경우도 종종 있기 떄문이다. 요즈음 많은 분석 기관들이 수질 항목들을 분석할 수 있는 기관으로 인증받으려 노력하고 있다. 이러한 인증기관을 통해 분석한 수질 자료들은 충분히 신뢰할만하며 법적 공식적으로 그 효력을 발휘할 것이다.

1. 수질의 정의
2. 수질 분류의 목적
4. 지하수질 분류
5. 참고문헌
부록-1
부록-2