- 해외 규격 비교를 통한 표준 용액 일일 측정 및 자동 교정 도입 방안

 

수질 TMS(Tele-Monitoring System)의 연속 자동 측정기기는 장기간 운전에 따른 치우침(bias)과 누적 스트레스로 인해 측정 신뢰성이 저하될 수 있다. 그러나 현행 국내 운영관리 체계는 서류 중심의 사후 대응 방식에 머물러 있어 치우침을 예방적으로 관리하는 데 한계가 있다. 이에 본고에서는 중국 HJ 355-2019, 미국 ASTM D3864, ISO 15839, 영국 MCERTS 등 해외 규격을 비교·분석하여, 표준 용액의 일일 측정과 관리도(Control Chart) 기반의 점검 주기 설정 그리고 자동 교정 체계 도입 방안을 제시하고자 한다.

1. 서론 : 연속 자동 측정기기의 

신뢰성 문제와 현행 관리 체계의 한계

수질 TMS(Tele-Monitoring System)는 공공하수처리시설, 공공폐수처리시설, 배출사업장 등에 설치되어 수소이온농도(pH)·총유기탄소량(TOC)·부유물질량(SS)·총질소(T-N)총인(T-P) 등을 24시간 연속 측정하고, 그 결과를 관제센터로 전송하는 환경 감시 시스템이다. 이 시스템은 배출부과금 산정과 행정처분의 근거 자료로 활용되므로, 측정 결과의 신뢰성은 환경 규제의 공정성과 직결된다.(1)

그러나 연속 자동 측정기기는 장기간 운전 과정에서 시약의 열화, 광원의 노화, 전극 오염, 유로 막힘 등 다양한 요인으로 인해 측정값이 실제값에서 체계적으로 벗어나는 치우침(bias)이 발생할 수 있다. 치우침은 무작위 오차와 달리 일정한 방향성을 지니며, 초기에는 육안으로 식별하기 어렵지만 시간이 지날수록 누적되어 측정 결과의 신뢰성을 크게 저하시킨다.(2) 특히 연속 자동 측정기기는 사람의 개입 없이 자동으로 측정이 반복되는 특성상 치우침이 발생하더라도 즉시 감지하지 못하면, 오류 데이터가 장기간 누적되어 환경 감시와 행정 의사결정의 신뢰성을 저해할 우려가 있다.

현행 국내 규정인 「수질자동측정기기 운영관리 업무지침」(환경부, 2023.12.18.)에 따르면, 측정기기의 교정은 “시약 교환 시” 또는 “자동측정자료와 수분석방법 간 차이로 상대정확도 기준을 유지하기 어렵다고 판단되는 경우”에 실시하도록 규정하고 있다.(1) 그러나 이러한 기준은 교정 여부를 운영자의 주관적 판단에 의존하도록 하고 있어, 치우침이 서서히 진행되는 경우에는 적시에 교정이 이루어지지 않을 가능성이 크다. 또 교정은 개선사유서 제출 → 한국환경공단 검토·승인 → 교정 실시의 절차를 거치도록 되어 있어 치우침을 사전에 관리하기보다 서류 중심의 사후 대응에 머무르는 한계가 있다.

본고에서는 현행 관리 체계의 한계를 극복하기 위해 해외 주요 규격의 표준 용액 일일 측정 및 자동 교정 체계를 비교·분석하고, 이를 바탕으로 국내 수질 TMS 운영에 적용할 수 있는 개선 방향을 제시하고자 한다.

2. 해외 주요 규격의 

교정·검증 체계 분석

(1) 중국 : HJ 355-2019 「수질오염원 온라인 모니터링 시스템 운영기술규범」

중국 생태환경부가 2007년 제정한 후 2019년 12월 개정하여 2020년 3월부터 시행하고 있는 HJ 355-2019는 수질오염원 온라인 모니터링 시스템의 운영 기술 요건을 상세히 규정하고 있다.(3) 이 규범은 표준 용액을 이용한 자동 검사(Auto-check with standard solution) 제도를 명시적으로 도입하고 있다는 점에서 국내 규정과 차별화된다.

HJ 355-2019 제8.2.1조에 따르면, CODCr, TO C, NH3-N, TP, TN 수질자동분석기는 현장 작업 측정 범위 상한값의 약 50 %에 해당하는 농도의 표준 용액을 사용해 정기적인 자동 검사를 수행해야 한다. 검사 주기는 24시간 이내(즉, 매일 1회 이상), 교정 주기는 168시간 이내(즉, 주 1회 이상)로 규정하고 있다.(3) 또한 COD, TOC, NH3-N, TP, TN의 표준 용액 검사 결과는 모두 ±10 % 이내의 허용오차를 만족해야 한다.

“HJ 355-2019 제8.2.1.3조: 자동 표준 용액 검사 주기는 

최장 간격이 24시간을 초과해서는 안 되며, 

정 주기는 최장 간격이 168시간을 초과해서는 안 된다.”

검사 결과가 허용오차를 벗어나면 기기는 자동으로 교정을 수행한 후 표준 용액을 이용해 다시 검증한다. 이후 6시간 이내에도 허용오차를 충족하지 못할 경우에는 관리자가 직접 유지보수를 실시하도록 규정하고 있어, 이상을 조기에 감지하고 대응하는 자동화된 관리 체계를 구축하고 있다. 

검사 결과는 다음 식에 따라 계산한다. 

여기서 ΔA는 상대오차(%), B는 표준 용액의 표준값(mg/L), x는 분석기기의 측정값(mg/L)이다.

(2) 미국 : ASTM D3864-12(2021) 「수질 분석을 위한 온라인 모니터링 시스템 가이드」 

미국재료시험학회(ASTM)의 ASTM D3864는 수질 온라인 모니터링 시스템의 선정, 구축, 운영, 검증 및 확인에 관한 종합적인 지침을 제시한다.(2) 이 표준의 가장 큰 특징은 통계적 관리도(Control Chart)를 활용한 주기적 검증(Verification) 절차를 제시하고 있다는 점이다.

ASTM D3864는 검증(Validation)과 확인(Verifi-cation)을 명확히 구분한다. 검증은 시스템 도입 시 최초 1회 수행하는 포괄적인 평가 절차로, 기준 시료 또는 라인 시료를 최소 7회 측정한 후 Student´s t-검정(95 % 신뢰 수준)을 통해 연속 자동 측정기기와 실험실 분석기기 간의 통계적 동등성을 평가한다. 반면 확인은 시스템 운영 과정에서 주기적으로 수행하는 절차로, 관리도(Control Chart)에 측정 편차를 기록해 기기의 안정성을 지속적으로 모니터링한다.(2)

관리도의 관리한계는 다음과 같이 설정된다.

여기서 UCL(Upper Control Limit)은 상한관리한계, LCL(Lower Control Limit)은 하한관리한계, d는 평균(기준 농도), Sd는 표준편차를 의미한다. 측정값이 관리한계(±3σ) 이내에 있으면 ‘확인됨(Veri-fied)’ 상태로 판정하고, 관리한계를 벗어나면 ‘관리 이탈(Out of Control)’ 상태로 판정해 교정 조치를 수행한다.(2) 이와 같은 관리도 기반의 접근법은 단순히 허용오차 충족 여부만 판단하는 것이 아니라, 기기의 장기적인 추세와 치우침을 통계적으로 탐지할 수 있다는 장점이 있다.

확인 주기에 대해서는 ASTM D3864에서 “연속 자동 측정기기의 안정성에 따라 결정하되, 드리프트(drift)나 오작동을 감지할 수 있을 만큼 짧아야 하지만, 운영자에게 과도한 부담을 주지 않을 만큼 길어야 한다”고 규정하고 있다.(2)

(3) ISO/KS I ISO 15839:2003 「수질 온라인 센서 및 분석 장비의 사양과 성능시험」 

국제표준화기구(ISO)가 2003년 제정하고 한국산업표준(KS I ISO 15839)으로 채택된 ISO 15839: 2003은 온라인 센서 및 분석 장비의 성능 특성을 평가하기 위한 시험 절차를 규정하고 있다.(4) 이 표준은 치우침(bias)을 허용 기준값으로부터 측정값이 일관되게 벗어나는 현상으로 정의하고, 무작위 오차와 구별되는 계통적 오류로 명시하고 있다.

현장 시험 절차에서 ISO 15839는 동일 농도의 교정용액을 매일 1회 측정하고, 그 결과를 허용한계에 따라 감응차트(response chart)에 기록하도록 규정하고 있다.(4) 감응차트는 관리도(control chart)와 유사한 기능을 수행하며, 측정값이 허용한계를 벗어나면 제조자 또는 공급자에게 통보하도록 규정하고 있다. 또한 부속서 D에는 매일 40여 분간 자동 교정을 수행하는 운영 사례를 제시하고 있어, 일일 자동교정의 실용성을 뒷받침한다.

또한 이 표준은 장기적 변화 추세(long-term drift)를 현장 시험에서 얻은 측정값과 기준값 간 차이에 대한 회귀선의 기울기로 정의하고, 24시간 동안의 측정 농도 범위에 대한 백분율(%)로 표시하도록 규정하고 있다.(4) 이는 연속 자동 측정기기의 누적 스트레스로 인한 장기적인 드리프트를 정량적으로 평가하는 방법론을 제시한 것으로 해석할 수 있다.

(4) 영국 : MCERTS 「연속수질모니터 성능 기준 및 시험절차(Part 2)」

영국 환경청(Environment Agency)이 운영하는 MCERTS(Monitoring Certification Scheme)는 연속수질모니터(CWM)의 성능 기준과 시험 절차를 규정하고 있다.(5) MCERTS는 드리프트(drift)를 핵심 성능 특성으로 규정하고, 측정 항목별로 엄격한 허용 기준을 제시하고 있다.

MCERTS의 성능 기준(표 2A, 2B)에 따르면, COD와 TOC의 평균오차는 측정값의 ±10 % 이내 또는 10 mg/L 이하, 드리프트는 5 % 이내로 규정되어 있다. NH₃-N의 평균오차는 ±10 % 이내 또는 0.03 mg/L 이하, 드리프트는 5 % 이내이며, TN은 평균오차를 ±5 % 이내 또는 0.2 mg/L 이하, 드리프트를 2.5 % 이내로 규정해 더욱 엄격한 기준을 적용하고 있다.(5)

드리프트 시험과 관련해서는 자동 교정 기능 유무에 따라 평가 방법을 구분하고 있다. 자동 교정 기능이 없는 기기는 제조자가 명시한 유지관리 주기 또는 1주 가운데 더 짧은 기간을 기준으로 드리프트를 평가하도록 규정하고 있다. 반면 자동 교정 기능이 있는 기기는 자동 교정 주기 사이에서 드리프트를 평가하며, 시험 기간 동안 최소 3회의 자동 교정 사이클이 이루어져야 한다.(5) 또한 현장 시험에서는 CWM과 표준기준방법(Standard Reference Method, SRM)의 동시 측정값을 최소 24쌍 확보해 성능을 평가하도록 규정하고 있다.

3. 국내외 규격 비교 분석

앞서 살펴본 해외 규격과 국내 현행 규정을 교정 주기, 표준 용액 측정 방식, 허용오차 기준, 관리도 활용 여부 등 주요 항목별로 비교하면 다음과 같다. 

[표 1]에서 가장 두드러진 차이점은 표준 용액을 활용한 일상적 검증 절차의 유무다. 중국 HJ 355-2019와 ISO 15839는 매일 1회 이상의 표준 용액 측정을 명시적으로 요구하는 반면, 국내 규정에는 이에 해당하는 정기적인 검증 절차가 마련되어 있지 않다. 또한 ASTM D3864와 ISO 15839는 관리도(control chart) 또는 감응 차트(response chart)를 활용한 통계적 추세 관리를 규정하고 있으나, 국내 규정은 통계 기반 관리 체계를 적용하지 않는다.

국내 규정에서 교정 주기로 제시된 ‘월 2회’는 영점 및 스팬 교정에 해당하며, 이는 기기의 영점과 스팬을 조정하는 물리적·기능적 교정 절차이다. 그러나 이 절차는 표준 용액을 이용해 측정 정확도를 검증하는 과정을 포함하지 않아, 측정값의 치우침 발생 여부를 체계적으로 확인하는 데 한계가 있다. 반면 중국의 자동 표준 용액 검사는 매일 기기의 측정값을 기준값과 비교함으로써 치우침을 조기에 감지하고, 필요한 조치를 선제적으로 수행할 수 있는 예방적 관리 기능을 제공한다.

4. 현행 체계의 문제점 분석

(1) 치우침 예방 관리의 부재

현행 국내 체계의 가장 큰 문제점은 치우침에 대한 예방적 관리 체계가 마련되어 있지 않다는 점이다. 현재의 교정 절차는 측정 부정확성이 발생해 상대정확도 기준을 유지하기 어렵다고 판단된 이후에야 시행된다. 이는 치우침이 진행되는 기간 동안 오류 데이터가 관제 시스템으로 전송되고, 배출부과금 산정 등 행정 목적에 활용될 가능성이 있음을 의미한다. ISO 15839가 정의하는 바와 같이, 치우침은 무작위 오차와 달리 일정한 방향성을 갖는 계통적 오류이므로,(4) 이를 조기에 감지하고 관리하지 못할 경우 측정 결과의 신뢰성을 심각하게 저하시킬 수 있다.

(2) 연속 측정에 의한 누적 스트레스 미확인

연속 측정기기는 24시간 365일 중단 없이 측정을 수행하기 때문에 시약 소모, 광원 열화, 전극 오염 등 다양한 요인에 의한 누적 스트레스가 발생한다. 이러한 누적 스트레스는 측정 정밀도와 정확도를 점진적으로 저하시키지만, 현행 국내 체계에서는 이를 정량적으로 추적·평가할 수 있는 관리 방법이 마련되어 있지 않다. ISO 15839가 정의하는 장기 드리프트(long-term drift)는 누적 스트레스에 따른 성능 변화를 정량적으로 평가할 수 있는 지표로 활용될 수 있으나,(4) 국내 운영 체계에는 이에 해당하는 관리 개념이 도입되어 있지 않다.

(3) 서류 중심의 관리 체계와 행정 부담

현행 체계에서 교정을 실시하기 위해서는 개선사유서를 제출하고 한국환경공단의 검토·승인을 받아야 한다. 이러한 절차는 측정기기의 임의 조작을 방지하고 교정 이력을 체계적으로 관리하기 위한 목적으로 도입되었으나, 행정 절차에 따른 부담을 증가시키고 신속한 교정 대응을 어렵게 하는 요인으로 작용할 수 있다. 특히 치우침이 서서히 진행되는 경우 운영자가 교정 필요성을 인지하고, 개선사유서를 작성·제출한 후 승인을 받는 과정에서 측정 오차가 지속적으로 누적될 가능성이 있다.

5. 개선 방향 제안

(1) 매일 1회 표준 용액 측정 도입

가장 핵심적인 개선 방향은 매일 1회 표준 용액을 자동으로 측정하는 검증 절차를 도입하는 것이다. 이는 중국 HJ 355-2019의 자동 표준 용액 검사 제도와 ISO 15839의 일일 교정용액 측정 절차를 국내 운영 환경에 맞게 적용한 방안이다. 표준 용액의 농도는 현장 작업 측정 범위 상한값의 약 0.5배로 설정하는 것이 중국 규격의 기준과 부합하며, 실제 측정 범위의 중간 영역에서 기기의 측정 정확도를 검증하는 데 적합하다.(3)

일일 표준 용액 측정의 목적은 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 첫째, 연속 측정기기의 치우침을 조기에 감지하고 필요한 교정 조치를 수행함으로써 측정 결과의 신뢰성을 확보하는 것이다. 둘째, 일별 측정 데이터를 누적·분석하여 기기의 장기적인 성능 변화를 추적하고, 연속 운전에 따른 누적 스트레스를 정량적으로 평가하는 것이다.

(2) 관리도 기반의 유지관리와 자동 교정 체계 구축

매일 측정된 표준 용액의 결과를 관리도(control chart)에 기록하고, 이를 기반으로 유지관리 및 교정 시점을 판단하는 체계를 구축해야 한다. ASTM D3864가 제시하는 방법론에 따라 관리 한계(UCL/LCL)를 설정하고, 측정값이 관리 한계를 벗어날 경우 누적된 치우침의 원인을 분석하여 유지관리를 수행하거나 자동 교정을 통해 치우침을 보정하는 체계이다.

다음 흐름도(그림 1)는 표준 용액 측정 결과를 활용한 두 가지 관리 방안을 제시한다.

Case 1은 매일 측정된 표준 용액 결과를 기반으로 관리도를 작성하고, 측정값이 관리 한계를 초과할 경우 자동으로 교정을 수행하는 방식이다. 교정 후에는 검증 절차를 통해 교정 결과를 확인하며, 이후 유지관리 담당자가 현장 점검 필요 여부를 판단한다. 점검이 필요한 경우에는 치우침 발생 원인을 분석·해결한 후 정상 운영을 재개한다.

Case 2는 매일 측정된 표준 용액 결과를 기반으로 관리도를 작성하고, 관리 한계 초과 여부를 유지관리 담당자가 확인한 후 점검 및 조치 필요 여부를 판단하는 방식이다.

6. 개선 방향의 기대 효과

(1) 치우침 예방 및 측정 신뢰성 향상

매일 1회 표준 용액 측정을 통해 치우침 발생을 조기에 감지하고, 예방적 유지관리 및 교정을 수행함으로써 측정 결과의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 특히 배출부과금 산정과 같이 측정 결과가 직접적인 행정 판단의 근거로 활용되는 경우, 치우침에 따른 오측정 예방은 환경 규제의 공정성과 신뢰성 확보에도 기여할 수 있다.

(2) 연속 측정에 따른 누적 스트레스의 정량적 평가

관리도에 축적된 표준 용액 측정 데이터는 기기의 장기적인 성능 변화 추세를 정량적으로 나타낸다. 이를 활용하면 기기별 상태에 따른 교정 주기를 최적화하고, 소모품 교체 시기 및 유지관리 필요 시점을 예측할 수 있다. 또한 기기 간 성능 비교를 통해 개별 기기의 이상 징후를 조기에 파악할 수 있다.

(3) 자동화를 통한 관리 효율성 향상

현행 서류 중심의 관리 체계는 운영자와 관리 기관 모두에게 행정적 부담을 초래한다. 자동 교정 및 데이터 관리 체계를 도입하면 교정 관련 서류 작업을 줄이고, 관리 인력의 업무 효율성을 높일 수 있다. 또한 자동화된 데이터 기록은 수기 기록에 비해 오류 발생 가능성이 낮고, 측정 데이터의 추적성과 무결성 확보에도 유리하다.

(4) 국제 규격과의 정합성 확보

개선된 관리 체계는 중국 HJ 355-2019, ASTM D3864, ISO 15839 등 주요 국제 규격과의 정합성을 확보할 수 있다. 이를 통해 국내 수질 TMS 운영 체계의 국제적 신뢰도를 높이고, 향후 국제 환경 규제 조화 및 기술 협력 과정에서도 긍정적인 기반을 마련할 수 있다.

7. 결 론

수질 TMS의 측정 결과 신뢰성 확보는 환경 규제의 공정성과 수질 관리의 실효성을 담보하는 핵심 요소이다. 그러나 현행 국내 운영관리 체계는 서류 중심의 사후 대응 방식에 머물러 있어, 치우침에 대한 예방적 관리와 연속 측정 과정에서 발생하는 누적 스트레스의 정량적 평가에 한계가 있다.

해외 주요 규격을 비교·분석한 결과, 중국의 HJ 355-2019와 ISO 15839는 매일 1회 이상 표준 용액 을 측정하도록 명시하고 있으며, ASTM D3864는 관리도(control chart)를 활용한 통계적 치우침 탐지 방법을 제시하고 있다. 아울러 영국의 MCERTS는 항목별 드리프트(drift) 허용 기준을 명확히 규정하고 있다. 이들 규격은 공통적으로 측정 데이터의 지속적인 검증과 예방적 유지관리를 강조한다는 점에서 현행 국내 체계와 차별화된다.

이에 본고에서는 다음과 같은 개선 방향을 제안한다. 첫째, 매일 1회 표준 용액을 자동 측정하여 치우침 발생 여부를 조기에 감지한다. 둘째, 측정 결과를 관리도(control chart)에 기록하고, 데이터 추세를 기반으로 유지관리 및 교정 시점을 결정한다. 셋째, 관리 한계를 초과할 경우 유지관리를 수행하거나 검량선 변경 등을 통한 교정 조치를 자동화한다. 넷째, 교정 이력을 자동으로 저장하고 관제 시스템과 연계하는 데이터 기반 관리 체계를 구축한다.

현행 방식이 사후 확인과 행정 절차 중심으로 운영되는 반면, 자동화된 검증 및 관리 체계를 도입하면 보다 효율적이고 체계적인 방식으로 연속 측정기기의 성능을 관리할 수 있다. 이는 단순한 행정 효율화를 넘어 수질 TMS 데이터의 신뢰성을 근본적으로 향상시키고, 환경 감시 체계 전반의 품질 향상에 기여할 것으로 기대된다.

 

<참고 문헌>

(1) 환경부. (2023). 「수질자동측정기기 운영관리 업무지침」. 환경부. ASTM International. (2021). ASTM D3864-12: Standard Guide for On-Line Monitoring Systems for Water Analysis. ASTM International. 

(2) 中华人民共和国生态环境部. (2019). HJ 355-2019《水污染源在线监测系统 (CODCr、NH3-N等) 运行技术规范》. 中华人民共和国生态环境部. 

(3) 한국산업표준. (2003). KS I ISO 15839:2003 「수질—물의 온라인 센서/분석장비—사양 및 성능시험」.  

(4) UK Environment Agency. (2010). MCERTS Performance Standards and Test Procedures for Continuous Water Monitoring Equipment Part 2 

(Version 3.1). UK Environment Agency. 

(5) U.S. Geological Survey. (2006). Guidelines and Standard Procedures for Continuous Water-Quality Monitors: Station Operation, Record Computation, and Data Reporting (Techniques and Methods 1-D3). U.S. Geological Survey. 

(6) U.S. Geological Survey. (2014). Quality-Assurance Plan for Continuous Water-Quality Monitoring Activities (Open-File Report 2014-1151). U.S. Geological Survey. 

(7) International Organization for Standardization. (2003). ISO 15839:2003 Water quality—On-line sensors/analysing equipment for water—Specifications and performance tests. International Organization for Standardization.

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