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  • 제 367회 세미나: 한국 전역을 포괄하는 하수 처리장의 미세플라스틱 조사

  • 20.04.22
    조회수 182
첨부파일

이종수
(사)동아시아바다공동체 오션 연구원
jongsulee@osean.net




한국 하수 처리장의 미세 플라스틱에 대한 국가적 조사라는 제목의 논문 다뤄




제 367 회 오션 정기 세미나에서는 한국 하수 처리장의 미세 플라스틱에 대한 국가적 조사라는 제목의 논문을 공부하였다.


원문
Hee-Jin Park, Min-Ju Oh, Pil-Gon Kim, Gwonbo Kim, Dong-Hwan Jeong, Byoung-Kyu Ju, Won-Seok Lee, Hyen-Mi Chung, Hyun-Joong Kang, and Jung-Hwan Kwon, 2020. National Reconnaissance Survey of Microplastics in Municipal Wastewater Treatment Plants in Korea, Environ. Sci. & Technol, 54, 1503−1512


요약
다량의 미세플라스틱이 하수처리장을 통해 담수에 유출될 것으로 여겨져 왔다. 이 연구는 한국의 하수처리장에서 발생하는 미세플라스틱의 양을 평가하기 위해 처리 용량이 큰 대표적인 50개의 하수 처리장에서 미세플라스틱의 양을 조사하였다. 유입수에서는 그랩 샘플링 방법을 사용하여 시료를 채집하였으며 유출수에서는  연구에 맞게 제작된 샘플링 도구를 사용하여 시료를 채집하였다. 필터로 여과한 물질은 습식과산화법과 밀도 분리법으로 전처리한 후 FT-IR을 통해 동정하였다. 미세플라스틱은 주로 조각 형태였으며 열가소성 수지와 섬유질로 이루어져 있었다. 유입수 내 미세플라스틱 농도는 리터당 10-470개였으며, 유출수내 농도는 리터당 0.004-051개였다. 하수 처리과정에서 미세플라스틱의 제거 효율은 98.7-99.99%였다. 또한 발전된 인 제거 시설을 가진 하수 처리장의 미세플라스틱 제거 효율은 제거 시설이 없는 하수 처리장보다 더 높았다. 스케일링 법칙은 100㎛까지의 미세플라스틱 분포는 잘 설명하였지만 더 작은 크기의 입자 분포에는 적용되지 않는 것으로 밝혀졌다. 이러한 포괄적인 연구는 한국의 하수 처리장의 미세플라스틱의 수준과 특성에 대한 정보를 제공해 준다.


내용
미세플라스틱에 대한 많은 오염원이 있지만 하수 처리장은 수질 환경에 중요한 점오염원으로 여겨진다. 하수처리장의 미세플라스틱의 농도는 분석 방법에 따른 차이도 있지만 지역의 산업 활동, 수문학적 요인, 기후, 하수 처리장의 처리 수준과 같은 지역적 특징의 결과이기도 하다. 한국은 거의 모든 하수들이 600여 개의 크고 작은 하수 처리시설과 연결되어 있으며 하수에서 발생하는 미세플라스틱은 이러한 처리시설을 통과한다. 우리는 이 연구에서 50개 하수 처리장의 유입수와 유출수에서 미세플라스틱의 농도를 조사하였다. 처리장은 넓은 범위의 처리 과정, 유량, 지역 등을 아우르도록 선정하였다. 50개 하수 처리장에서 총 1,700개의 미세플라스틱이 발견되었으며 이들의 특징뿐만 아니라 물질 유형, 형태, 크기 분포, 제거 효율성, 일인당 미세플라스틱 발생량, 하수 처리장에서의 미세플라스틱 유출량 등을 평가하였다.


시료 채취
한국의 전체 하수 처리장 625개의 약 8%에 해당하는 50개의 하수 처리장에서 유입수와 유출수를 채집하였다. 시료는 비홍수기인 9월-11월에 채집하였는데, 수질과 미세플라스틱의 농도 차이로 유입수와 유출수의 시료 채취는 다른 방법을 사용하였다. 유입수는 거름망을 통과한 물(1차 처리 전 단계)을 그랩 샘플러로 채집하였다. 이를 위해 스테인레스 스틸 양동이를 0.4-0.5 m 깊이에 담가 물을 뜬 후 1 L의 유리병에 옮겼다. 시료는 3번 반복하여 채집하였다. 유출수는 현장에서 맞춤 제작으로 만든 채집기를 사용하여 채집하였다. 이 채집기에는 5 mm, 1 mm, 300 ㎛ , 100 ㎛의 체가 내장되어 있다. 물을 펌프한 속도는 21 L/분이었고 총 1000 L의 시료를 표면에서 0.5-1 m깊이에서 채집하였다. 이 시료도 3번 반복하여 채집하였다.


미세플라스틱의 분리
미세플라스틱 이외의 물질을 분리하기 위해 유입수 시료에 습식 과산화법(30%과산화수소수)을 적용하였다. 토양과 같이 밀도가 큰 입자를 거르기 위해 3개의 20 ml 시료를 준비하여 합친 후 여과하여 미세플라스틱의 개수를 세었다. 미세플라스틱이 10개보다 적으면 50 ml 시료를 3개 더 준비하여 210 ml의 시료를 준비, 분석하였다. 이 시료가 담긴 유리 튜브에 같은 양의 30% 과산화수소수를 넣고 섞은 후 60 ℃ 수조에서 3시간 동안 가열하였다. 3시간 이후에도 유기물이 충분히 제거되지 않았다면, 더 많은 과산화수소수를 넣어 용액이 투명해질 때까지 가열하였다. 이후 유리 튜브를 105 ℃ 오븐에 넣어 용액을 완전히 증발시켰다. 여기에 염화 아연 20 ml을 더해 미세플라스틱이 표면에 떠오르도록 3시간 동안 방치하였다. 표면에 떠 오른 입자를 조심스럽게 수집하여 45 ㎛ 격자망을 가진 필터로 걸렀다. 유출수의 경우, 각 필터로 거른 입자들을 증류수로 씻어 유리 튜브에 모은 후 유입수와 같은 방법으로 과산화법, 밀도 분리, 여과 과정을 거쳐 분석할 미세플라스틱을 분리하였다.


시료의 분류
유입수 시료의 미세플라스틱은 모두 FT-IR로 분석하였다. 하지만 유출수 시료의 미세플라스틱은 플라스틱으로 의심되는 입자가 너무 많아 대상 입자 수에 따라 2개, 3개, 5개, 또는 10개의 입자를 분석하여 한 시료 당 최소한 10개의 입자를 분석하였다.

시료는 형태에 따라서는 조각과 섬유질로 나누었다. FT-IR로 식별된 폴리머는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트가 주를 이루었고, 폴리스틸렌, 아크릴, 폴리아마이드와 같은 폴리머들도 발견되었다.

실험과정의 회수율을 알아보기 위해 100-150 ㎛ 크기의 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트를 준비하여 각각 10, 20, 30, 40, 50개를 20 ml의 유입수 용액에 넣어 시료와 같은 전처리 과정을 거친 후 여과된 입자들을 현미경으로 관찰하였다. 과산화법, 증발 과정에서 온도의 영향을 알아보기 위해 과산화법은 40 ℃와 60 ℃에서 실험을 진행하였으며 증발 시 오븐 온도는 60 ℃와 105 ℃로 나누어 진행하였다.


회수율 결과
표준 용액 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트의 회수율은 각각 86.8 ± 8.2%, 89.4 ± 8.5%. 78.7 ± 9.8%였다. 과산화법과 증발 과정에서의 온도는 회수율에 통계적으로 유의미한 차이를 나타내지는 않았다.


유입수와 유출수에서의 미세플라스틱
식별한 미세플라스틱의 총 개수는 1,720개였으며 유입수에서 700개, 유출수에서 1,020개의 입자가 발견되었다. 유입수 내 미세플라스틱 농도는 리터당 10-470개 였으며, 유출수 내 미세플라스틱 농도는 리터당 0.004-0.59개였다. 다른 연구들과 비교해 볼 때 한국 하수 처리장 시료 내 미세플라스틱의 농도는 체의 망 격자 크기가 작은 경우(20 ㎛)보다 낮았다.

형태별로는 조각과 섬유질이 유입수/유출수에서 각각 68.2%/31.8%, 82.3%/17.7%였다. 유출수에서 섬유질의 비율이 낮은 이유는 유입수와 유출수의 시료 채집 과정이 다르기 때문으로 생각된다. 즉, 유입수의 시료 채집 시간이 더 길고 이때 체에서 섬유질이 조각보다 더 쉽게 빠져 나간 것으로 여겨진다. 더군다나 분리해 낸 섬유질 직경은 필터의 격자 망 크기인 45 ㎛보다 작았다.

폴리머별로는 유입수의 경우 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트의 비율이 각각 39.6%, 25.6%, 21.3%였으며, 유출수의 경우 63.3%, 13.8%, 13.3%였다. 이러한 비율은 독일, 핀란드의 경우와 다르고 중국의 경우와 비슷하였다. 이는 한국의 플라스틱 제품의 생산, 수입, 수출과 연관이 있는 것으로 보인다.


하수 처리장에서의 미세플라스틱 유출량
각각의 하수 처리장으로 유입되는 미세플라스틱의 양은 측정된 농도에 유량을 곱하여 산출하였다. 미세플라스틱의 양은 인구와 유량이 증가할수록 증가하였다. 주성분 분석의 결과에서도 세 변수의 강한 상관관계가 나타났다. 미세플라스틱이 인간의 활동에서 기인한다고 가정하면 일인당 하수 처리장으로 배출하는 미세플라스틱의 양은 하루에 4,000-480,000개였다.


하수 처리장에서 미세플라스틱의 제거 효율
유입수와 유출수의 시료 채집 방법이 다르고 채집된 망의 크기가 다르기 때문에 작은 축의 크기가 100 ㎛보다 큰 입자가 유입수와 유출수에서 적어도 각 두 개 이상 발견된 경우에 한하여 제거 효율을 계산하였다. 그 결과 제거 효율은 98.7-99.99%로 나타났다. 따라서 미세플라스틱은 중력에 의한 입자의 침강을 통해 처리 과정에서 쉽게 제거되는 것으로 보인다. 이는 어떤 국가들에서는 하수 처리장의 슬러지가 농경지에 뿌려지기 때문에 슬러지에 대한 관리 대책이 중요하다는 시사점을 준다. 3차 처리시설이 갖춰진 16개의 처리장의 미세플라스틱 제거 효율은 그렇지 않은 처리장에서의 제거 효율보다 높았다(t-test, p=0.047).


이 연구의 시사점
이 연구는 비홍수기에 시료를 채집하여 실험을 진행하였다. 따라서 계절에 따른 미세플라스틱의 제거 효율에 대한 연구가 필요하다. 또한 중력에 의한 입자의 침강과 이들의 뭉침이 제거에 기여하는 것으로 여겨지지만 미세플라스틱의 동태를 알아내기 위한 실험적 연구와 모델에 의한 연구가 진행된다면 제거 효율에 대한 이해를 좀 더 도울 수 있을 것이다. 더 작은 입자들을 대상으로 한 제거 효율 연구, 처리 시설 단계별 제거 효율에 대한 연구도 요구된다.

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