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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.32 No.4 pp.337-348
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2018.32.4.337

A mini-review on discharge characteristics and management of microplastics in sewage treatment plants

Dong-Hwan Jeong, Byoungkyu Ju, Wonseok Lee, Hyenmi Chung*, Junwon Park, Changsoo Kim
Water Supply and Sewerage Research Division, National Institute of Environmental Research
Corresponding author: Hyenmi Chung (E-mail: hyenmic@korea.kr)
26/06/2018 27/07/2018 30/07/2018

Abstract


As the issue of microplastics (MPs) detection in tap water was raised in other countries in 2017, monitoring of MPs in drinking and source water, and sewage treatment plant (STP) effluents was initiated. This study intends to look into other studies on MPs in STPs at home and abroad, and review the characteristics of MPs and their removal efficiencies in the STPs, the risk and effect of MPs on watersheds, and management practices in order to help better understand MPs in STPs. To manage MPs effectively in STPs, it is necessary to investigate the detection of MPs discharged from STPs, do research on human health risk and control measures, and build a monitoring system including standardized analytical methods.



국내․외 연구사례를 통해 본 하수처리시설 미세플라스틱 배출특성 및 관리방안 고찰

정 동환, 주 병규, 이 원석, 정 현미*, 박 준원, 김 창수
국립환경과학원 상하수도연구과

초록


    National Institute of Environmental Research

    1 서 론

    2017년 9월 영국 가디언은 14개국 수돗물의 83%에 서 미세플라스틱 합성섬유가 검출되었다고 발표하였 는데, 미국 94.4%, 레바논 93.8%, 인도 82.4%의 순으 로 검출되었고 수돗물 500 mL당 미세플라스틱 합성 섬유는 1.9 ~ 4.8 개가 검출되는 것으로 나타났다 (The Guardian, 2017). 이에 대응하여 환경부도 수돗물 속의 미세플라스틱 함유실태 조사 추진계획을 수립하고 24 개 정수장의 상수원수 및 수돗물에서 미세플라스틱 함유실태를 조사하였는데 그 결과 상수원수 1개소에 서 1 개/L, 수돗물 3개소에서 0.2~0.6 개/L 검출되는 것으로 조사되었다 (Ministry of Environment, 2017).

    미세플라스틱은 통상 5 mm 미만 크기의 플라스틱을 말하며, 처음부터 이러한 크기로 제조한 1차 미세플라 스틱은 세안제, 샴푸, 치약, 화장품 등에 사용되며, 2차 미세플라스틱은 플라스틱 가방, 음식 포장지, 컵, 병, 풍선 등과 같은 소비자 제품과 산업 관련 부품, 어업 또는 양식과 관련된 제품이 물리․화학적으로 파쇄되거 나 분해 작용에 의해 만들어진다 (Lee and Kim, 2017; Gold et al., 2013). 미세플라스틱을 구성하는 재질은 polyethylene(PE), polypropylene(PP), polystyrene(PS), polyethylene terephthalate(PET), polyvinylchloride(PVC), polyvinylalcohol(PVA) 등 다양하다. 이들 물질 중 PE와 PP가 PET와 PVC보다 다환방향족탄화수소(PAHs) 및 폴리염화비페닐(PCBs)을 더 많이 흡수하는 것으로 나 타나 PE 및 PP를 포함한 제품이 생태계에 악영향을 미칠 수 있다 (Rochman et al., 2013; Ogata et al., 2009).

    미세플라스틱은 처음 해양에서 문제가 되었는데 동 물플랑크톤은 수~수십 μm 크기의 미세플라스틱을 섭 취하여 생물축적의 우려가 제기되었다 (Cole et al., 2013). 동물플랑크톤 이외에도 척추․무척추 동물은 먹이사슬을 통해 미세플라스틱이 축척되고 있다는 연구사례가 보고되고 있다 (Julliana et al., 2014). 이 러한 미세플라스틱은 점차 규제를 받고 있는데 우리 나라는 2017년 4월부터는 치약의 원료 또는 첨가제 로 사용할 수 없도록 되었고 같은 해 7월부터는 이 들 물질이 포함된 화장품 등의 생산 및 수입이 금지 되었으며, 2018년 7월부터는 판매를 전면금지하는 것으로 하였다 (Ministry of Food and Drug Safety, 2016).

    도로에 떨어진 자동차 타이어 미세입자, 농촌 폐비 닐 입자 등 미세플라스틱은 강우 시 다양한 경로를 통해 하천이나 호소로 유입된다. 또한 사용된 미세플 라스틱은 하수처리시설로 유입되며, 하수처리시설의 물리・화학적 및 생물학적 처리공정에 의해 99% 이 상 제거 가능하다고 보고되고 있으나, 높은 제거효율 에도 불구하고 하수처리시설의 방류수에 미세플라스 틱이 상당수 포함되어 배출되고 있다고 알려져 있다 (Murphy et al., 2016; Talvitie et al., 2017a). 하지만 하 수처리시설뿐만 아니라 하천이나 호소 등 물환경에 배출되는 미세플라스틱에 대한 정량적인 조사가 아 직 이루지지 않고 있다. 이러한 시점에서 환경부는 하천, 하수, 먹는물 등에서 미세플라스틱에 대한 실 태조사를 추진 중에 있다. 우선 본 논문에서는 국내․ 외 하수처리시설 미세플라스틱에 대한 연구사례를 중심으로 하수처리시설 미세플라스틱의 검출 현황을 통해 배출특성을 살펴보고 관리방안을 고찰해 보고자 한다.

    2 하수처리시설에서 미세플라스틱의 배 출경로 및 물질수지

    물환경에서 미세플라스틱의 배출경로는 Fig. 1과 같 이 나타낼 수 있다. 앞서 설명하였듯이 1차 및 2차 미 세플라스틱의 형태로 미세플라스틱 입자가 발생한다. 주요 배출경로는 강우(도로, 나대지, 농경지), 하・폐수, 대기침적이다. 발생한 미세플라스틱은 강우와 대기침 적을 통해 직접 하천이나 해양 등의 공공수역으로 유 입되기도 하지만 하수・산업폐수에 포함된 미세플라스 틱은 하・폐수처리시설을 통해 공공수역으로 배출된다. 이렇게 배출된 미세플라스틱의 일부는 상수원수와 지 하수에 포함되어 순환되기도 한다. 미세플라스틱 입자 는 하·폐수처리시설(WWTP, Wastewater treatment plant) 과 해양에서 처리 지점을 지나면서 농도가 감소한다. 플라스틱 타이어 마모입자(Wear particle)는 작은 입자 상물질로써 강우 유출에 의해 배출된다. 게다가 일반 가정에서 소비와 산업생산 과정에서 플라스틱을 사용 함으로써 물환경에서 미세플라스틱 입자의 증가에 기 여한다. 미세플라스틱은 도시 물관리에 있어 1) 미세 플라스틱이 하․폐수처리에서 충분히 제거되지 않는 경 우, 2) 합류식 월류수의 경우, 3) 강우유출수가 배출되 는 경우를 통하여 공공수역으로 배출된다 (National Institute for Public Health and the Environment, 2016; Swedish Environmental Research Institute, 2016a; Venghaus and Barjenbruch, 2017).

    하수처리시설에서 미세플라스틱의 대부분은 슬러 지와 함께 제거된다 (Water Environment and Reuse Foundation, 2017). 하․폐수처리시설에서 미세플라스 틱 입자의 일부는 반류수를 통해 처리공정 내에서 순환되는데 이때 반류수는 미세플라스틱 입자의 내 부 발생원으로 작용한다. 즉 처리공정으로부터 제거 된 미세플라스틱의 20%는 반류수 형태로 되돌아와 순환되는 반면 미세플라스틱의 80%는 건조슬러지 형 태로 제거된다 (Fig. 2). 유기물질은 소화과정에서 분 해되지만 미세플라스틱 입자는 슬러지 조절(Sludge handling)에 의한 영향을 받지 않는다 (Talvitie et al., 2017a).

    3 하수 미세플라스틱 분석방법 및 하수 처리시설 미세플라스틱 검출 현황

    3.1 국내・외 하・폐수 중 미세플라스틱 시료채취 및 분석방법

    미세플라스틱 분석방법은 ISO나 standard method 등의 표준화된 공인방법은 없으나 여러 나라에서 다 양한 기관과 연구자에 의해 연구되고 있다. 미세플라 스틱의 분석과정은 크게 시료채취, 전처리, 정성 및 정량 분석으로 나눌 수 있으며 시료채취량, 채취방법 등을 조사하여 Table 1에 나타내었다.

    하수처리시설 유입수에 대한 시료채취 시 협잡물, 유 기물 등이 많아 0.1 ~ 30 L의 시료량을 채취하는 것으로 보고되고 있다. 반면 방류수는 0.3 L ~ 10 m3으로 다량의 시료를 채취한다. 다량시료의 채취방법은 플랑크톤 망 을 설치하거나 휴대용 펌프를 이용하여 일정량의 시료 를 체에 거르는 방식으로 채취하며 소량시료의 경우 휴 대용 펌프나 양동이와 같은 도구를 사용한다. 시료보관 용기는 플라스틱 재질보다 유리재질이 많이 사용되며 체 로 여과할 경우 회수하여 패트리 접시에 보관하기도 한 다. 체의 메시 크기는 25 ~ 500 μm의 범위로 분석하고자 하는 플라스틱의 크기에 따라 다양하게 사용되고 있다.

    하수의 특성상 체로 거른 후에도 미세플라스틱 이외 의 다양한 물질들이 존재하기 때문에 시료분석을 위해 서는 밀도분리 혹은 유기물 분해과정의 시료 전처리 방 법을 수행한다. 밀도분리는 혼합되어 있는 시료 중 미세 플라스틱을 다른 물질과 구분하기 위해 NaI (Ziajahromi et al., 2017), ZnCl2 (Mintentig et. al., 2017), NaCl (Quinn et al., 2017) 등 시약을 물에 녹여 밀도를 높인 후 미세플 라스틱을 상층으로 띄워 하층부로 가라앉은 물질을 제 거하기 위한 과정이다. 하지만 일부 미세플라스틱의 경 우 용액의 밀도와 유사하거나 무거우면 같이 손실될 수 있다. 따라서 밀도분리는 방해물질이 매우 많은 경우 등 필요에 따라 수행하는 것을 추천한다. 유기물 분해는 현미경 확인 혹은 미세플라스틱에 부착된 유기물을 분 해하여 측정하는데 도움을 주기 위해 수행한다. 유기물 질을 분해하는 시약은 H2O2가 많이 사용되고 있다 (Mintentig et. al., 2017; Ziajahromi et al., 2017; Mason et al., 2016; National Institute of Environmental Research, 2016; New York State Office of the Attorney General, 2015). 유기물 분해가 된 샘플은 전량 회수하여 다양한 공극크기 및 재질의 여과지로 여과하여 입자성 물질을 여과하거나 여과과정 없이 분석하기도 한다. 여과지는 0 ~ 50 ℃의 온도로 건조하여 현미경 확인 및 정성 분석 에 사용한다. 이외에 미세플라스틱을 다른 물질과 구분 하기 위해 색소로 염색하는 전처리 방법도 있다 (Shim et al., 2016).

    Table 1에서 보듯이 많은 연구에서 미세플라스틱의 정성 및 정량 분석을 위해 현미경 확인과 적외선분광법 을 같이 사용하고 있다. 현미경 확인은 플라스틱을 회수 한 여지 위의 입자를 육안으로 확인하는데 색깔, 모양, 크 기 등을 현미경이나 카메라를 연결하여 소프트웨어를 통 해 확인한다. 현미경 확인 과정에서 미세플라스틱으로 확 인된 물질은 적외선분광기(FTIR spectrometer)를 이용하 여 재질을 분석하는데 결과는 스펙트럼의 형태로 나타난 다. 이 스펙트럼의 형태와 위치 등을 확인하여 미세플 라스틱의 재질을 파악하는데 일반적으로 다양한 종류 의 미세플라스틱 스펙트럼이 저장된 라이브러리와 비 교하여 플라스틱의 재질을 확인한다. 미세플라스틱의 다른 정성분석 방법은 Raman분광법, 열분해법이 있으 나 많은 연구에서 적외선분광법을 사용하고 있다 (Shim et al., 2017). 정량분석은 미세플라스틱의 개수를 세는 방식이 있으며 소프트웨어를 이용하여 크기 및 개수를 측정하여 정량하는 방법 등이 있다. 결과표시 방법으로 는 개/부피 혹은 무게/부피의 표현으로 나타낸다.

    일반적으로 분석법의 검증에는 정도관리를 통해 확 인이 필요하지만 미세플라스틱의 경우 다양한 불확실 성에 대한 검증과 방법이 표준화되어 있지 않다. 미세플 라스틱의 정도관리를 위해 일정 양의 미세플라스틱을 시료에 투입한 후 회수하는 실험 등의 연구가 진행되기 도 하지만 (Shim et al., 2016) 표준화된 방법으로 제시하 기란 매우 어렵기 때문에 많은 연구가 필요하다.

    3.2 국내・외 하・폐수처리시설에서 미세플라스틱 검출 현황

    미국 뉴욕주 하․폐수처리시설 34개소의 방류수에서 미세플라스틱을 조사하였는데 그 중 25개소에서 미세 플라스틱이 검출되었다. 이들 시설 34개소 중 여과공 정(Advanced filter)이 설치된 시설은 10개소이며, 정밀 여과막(Microfiltration membrane) 공정이 설치된 5개소 와 급속모래여과(Rapid sand filter) 공정이 설치된 1개 소 등 6개소에서는 미세플라스틱이 검출되지 않았으 나, 일반 여과공정이 설치된 2개소, 급속모래여과 공 정이 설치된 1개소, 연속 역세척모래여과(Continuous backwash sand filter) 공정이 설치된 1개소 등 4개소에 서 미세플라스틱이 검출되었다 (New York State Office of the Attorney General, 2015).

    스코틀랜드, 독일, 스웨덴, 핀란드, 호주, 미국 등 해 외 하․폐수처리시설의 처리공정에서 미세플라스틱은 서로 다르게 검출되었다 (Table 2). 구체적인 내용은 다 음 단락에 설명하였다. 이러한 미세플라스틱 검출 결과 는 하・폐수처리시설 방류수 시료채수량의 차이(스코틀 랜드 50 L, 독일 0.39~1 m3, 스웨덴 0.6~1 m3, 핀란드 0.3~1 m3, 호주 3~200 L, 미국 0.5~2.1 m3), 시료채수 장 비의 차이(스코틀랜드 Steel sieve, 독일 Pump+Stainless steel filter, 스웨덴 Pump+Plankton net, 핀란드・호주 Pump+Filter, 미국 Pump+Steel sieve), 미세플라스틱 분 석입자 크기(스코틀랜드 65 μm 이상, 독일 500 μm 이상・ 이하, 스웨덴 333 μm 이상, 호주 25~500 μm 이하, 미국 125~355 μm 이상), 유기물 분해 유무(독일・호주・미국 H2O2 산화제 사용, 스코틀랜드・스웨덴・핀란드 산화제 미 사용), 분석 장비의 차이(스코틀랜드・스웨덴・핀란드・독 일・호주 Microscope+FTIR 사용, 미국 Microscope 사용) 등에 따라 서로 다르게 나타난다 (Table 1).

    스코틀랜드 하․폐수처리시설의 도시하수는 개인건강 제품(Personal care products)에서 미세플라스틱을 포함하 고 있어 환경에 중요한 기여자로써 의심받고 있다. 하수 처리시설의 미세플라스틱은 유입수 15.70 개/L에서 최 종 방류수 0.25 개/L로 감소하는 것으로 나타났다 (Murphy et al., 2016). 독일 하․폐수처리시설 12개소 방류 수에서 미세플라스틱을 조사하였는데 500 μm 이상 크 기의 미세플라스틱은 0 ~ 50 개/m3, 500 μm 미만 크기 의 미세플라스틱은 10 ~ 9,000 개/m3 범위에서 정량되 었다. 이들 크기구분 모두에서 폴리에틸렌(PE)의 검출 빈도가 가장 높았다 (Mintentig et al., 2017). 스웨덴․핀란 드․아이슬란드 하수처리시설 6개소에서 미세플라스틱 을 조사한 결과, 스웨덴․아이슬란드 하수처리시설 유입 수보다 핀란드 하수처리시설 유입수에서 미세플라스틱 농도가 높았는데 이는 주거여건, 산업, 강우 등 정도에 따른 차이 때문이다. 아이슬란드 하수처리시설의 유입 수 및 방류수 미세플라스틱 농도 차이가 크지 않은 것은 이들 입자의 체류시간이 거의 없거나 짧기 때문이며, 하 수 내 미세플라스틱 농도의 일일거동(Diurnal variation) 복합작용과 시료채수가 동시에 수행되지 않기 때문이다 (Sewdish Environmental Research Institute, 2016b).

    1차 처리 및 2차 처리공정을 갖춘 기존 하․폐수처리 시설은 미세플라스틱을 효율적으로 제거하지만 이들 방류수는 공공수역으로 끊임없이 미세플라스틱을 배 출한다. 이러한 문제를 검토하기 위해 핀란드에서는 전단에 1차침전・표준활성슬러지・2차침전 공정을 갖 고 침지형 한외여과막(Ultra filtration)으로 구성된 MBR공법, 전단에 1차침전・표준활성슬러지・생물학적 탈질필터 공정을 갖는 디스크필터법, 전단에 1차침 전・표준활성슬러지를 갖는 급속모래여과법(3~5 mm 여재로 채운 1 m 여층과 0.1~0.5 mm 여재로 채운 0.5 m 여층으로 구성), 전단에 표준활성슬러지・응집처리 (PAC)를 갖는 용존공기부상법 등 4개의 공정을 설치 한 하수처리시설에 대한 미세플라스틱 처리효율을 조 사하였다. 이때 MBR공법 하수처리시설의 미세플라스 틱 처리효율은 99.9%(6.9 → 0.005 개/L)로 가장 높게 나타났으며, 급속모래여과법 시설의 처리효율은 97%(0.7 → 0.02 개/L), 용존공기부상법 시설의 처리효 율은 95%(2.0 → 0.1 개/L)의 순으로 나타났다. 다만, 디스크필터법(2개소) 시설의 처리효율은 40~98.5% (0.5~2.0 → 0.03~0.3 개/L)로 나타났다 (Talvitie et al., 2017b). 여기서 디스크필터법을 적용한 하수처리시설 에서 처리효율이 상이하게 도출되어 처리효율을 적용 하는 데에는 신중하게 접근하는 것이 필요하다.

    호주 하수처리시설 방류수에서 미세플라스틱을 조사 하였는데 1차 처리 1.54 개/L, 2차 처리 0.48 개/L, 3차 처리 0.28 개/L로 나타났다 (Ziajahromi et al., 2017). 미국 의 연구사례에서도 17개 도시 하수처리시설 방류수에서 평균 0.05 개/L의 미세플라스틱이 검출되었다. 이들 도시 하수처리시설에서는 하루 4 × 106 개 이상의 미세플라스 틱을 배출한다 (Mason et al., 2016). 스웨덴 하․폐수처리 시설에서 300 μm 이상 크기의 미세플라스틱을 세어본 결과 유입수에서는 15,000 개/m3, 방류수에서는 8 개/m3 의 농도로 조사되었다. 또한 하․폐수처리시설 슬러지에 는 미세플라스틱 입자의 99 % 이상을 포함하고 있다. 이들 슬러지에는 플라스틱 섬유(Plastic fiber)가 다른 형 태의 입자보다 더 많이 남는 것으로 나타났다 (Sewdish Environmental Research Institute, 2014). 이는 하수처리시 설에서 처리공정을 통해 유입된 하수 내 미세플라스틱 을 대부분 제거하지만 미량의 미세플라스틱이 방류수를 통해 공공수역으로 배출되고 있다는 것을 의미한다.

    우리나라의 경우 탄천하수처리시설에서 유입수 및 방류수에 대해 3차례 미세플라스틱을 모니터링한 결 과 유입수에서는 평균 3.2 × 106 개/m3가 검출되었고 방류수에서는 평균 14.1 개/m3가 검출되었다. 탄천하 수처리시설 미세플라스틱 처리율은 99.99%로 나타났 다 (National Institute of Environmental Research, 2016). 이는 해외에서 조사된 연구사례의 미세플라스틱 검출 결과와 유사한 검출현황을 보여주고 있다.

    4 하수처리시설 미세플라스틱의 수계 영 향 및 위해성

    4.1 하수처리시설 방류수의 미세플라스틱 방류수역 영향

    하수처리시설 방류수를 통해 유입되는 공공수역인 하천의 상류 및 하류 지역에서 미세플라스틱을 조사한 결과 상류지역에서 하류지역으로 가면서 미세플리스틱 이 증가하는 것으로 나타났다 (Table 3). 이때 하수처리 시설은 미세플라스틱을 배출하는 점오염원으로 작용한 다 (Water Environment and Reuse Foundation, 2017).

    미국 하․폐수처리시설 방류지점 상류지역에서 미세 플라스틱이 0.48~5.92 개/m3, 하류지역에서 미세플라스 틱이 0.80~71.7 개/m3로 나타났다 (Estahbanati and Fahrenfeld, 2016; McCormick et al., 2014; McCormick et al., 2016). 그러나 키카푸천 및 구스천 등 일부 하천에 서는 하․폐수처리시설 방류지점의 하류지역에서 상류 지역보다 미세플라스틱 농도가 낮게 나타나는 경우도 있다 (McCormick et al., 2016). 우리나라 탄천에서는 탄천하수처리시설 방류지점 상류지역에서 미세플락 스틱이 1.6~8.3 개/m3, 하류지역에서 미세플라스틱이 7.8~12.4 개/m3로 높게 나타나 하수처리시설의 미세플 라스틱 배출에 의해 영향을 받는 것으로 보인다 (National Institute of Environmental Research, 2016).

    4.2 미세플라스틱에 의한 수생태계 영향 및 위해성 고찰

    환경 중 미세플라스틱 오염에 의한 잠재적인 인체 건 강 영향에 대한 증거는 거의 없다. 이 분야에 대한 연구 는 진행 중에 있으며 건강 영향 여부에 대한 명확한 결과 가 요구된다. 이러한 연구는 미세플라스틱의 잠재적 건 강 영향에 대한 평가와 관련 대책을 수립하는 것을 고려 하여 추진하여야 한다 (Environmental Audit Committee, 2016). 환경 중 미세플라스틱의 인체 건강 영향에 대해 직접적으로 평가한 연구사례는 아직 알려진 것이 없다 (Pachkowski, 2016). 하지만, 미세플라스틱은 디에틸헥 실프탈레이트(DEHP), 노닐페놀(Nonylphenol), 옥틸페 놀(Octylphenol), 다환방향족탄화수소(PAHs) 등 수질오 염물질에 대한 매개체 역할을 한다 (Lohmann, 2017; Wagner et al., 2014; Ziccardi et al., 2016). 또한, 해양 미 세플라스틱에서는 바닷물로부터 소수성 미량오염물질 인 폴리염화비페닐(PCB), DDE, 노닐페놀 등을 흡수하 여 함유한다고 보고되고 있다 (Li et al., 2018; Mato et al., 2001; Ogata et al., 2009). 그리고 미세플라스틱은 생 명체와 상호작용하며 미생물의 서식처 역할을 한다 (McCormick et al., 2014; McCormick et al., 2016). 또한 1차 및 2차 미세플라스틱은 입자 크기가 작아 동물플랑 크톤과 같은 미생물이 먹이로 오인하여 섭취할 우려가 있으며 (Cole et al., 2013), 이들 미생물의 소화기관에 물 리적 폐쇄 또는 손상을 일으킬 수 있다 (Jeong et al., 2016; Jeong et al., 2017). 동물플랑크톤 이외에도 척추․무척추 동물은 먹이사슬을 통해 미세플라스틱이 축척된다는 연 구사례가 보고되고 있다 (Julliana et al., 2014). 최근에 이 러한 미세플라스틱 문제에 대한 인식이 높아지면서 해외 에서 미세플라스틱의 환경 중 거동과 생태학적 위해성 에 관한 연구가 다양하게 추진되고 있다 (Geyer et al., 2017; Hermabessiere et al., 2017; Machado et al., 2018).

    수생태계에서 미세플라스틱 조사는 환경 모니터링, 모델링, 화학, 독성학뿐만 아니라 해양학과 수문학을 함께 설명하고 연결하는 학제간 연구분야이다. 최근 이러한 학제간 연구협력을 통해 다양한 모니터링 데 이터를 확보함으로써 미세플라스틱의 환경 영향에 대 한 이해를 높일 수 있다. 담수생태계에 대해 개별적으 로 연구가 진행되어 부분적으로 데이터가 축적되면 담수생태계에 대한 이해가 부족하여 미세플라스틱의 환경 위해성 평가가 곤란하다. 이를 극복하기 위해서 는 우선 환경학자들은 담수 미세플라스틱 및 이와 연 계된 화학물질의 노출과 유해에 관련한 정보의 차이 를 줄여나가는 것이 필요하다. Fig. 3과 같이 담수 생 태계에서 미세플라스틱 현황 모니터링, 담수 미세플 라스틱의 발생원과 처리 조사, 미세플라스틱 노출 평 가, 미세플라스틱 노출에 대한 생물학적 영향 평가, 미세플라스틱과 다른 담수 오염물질 간의 상호작용 이해, 미세플라스틱 위해성 평가에 대한 새로운 프레 임 개발 등의 분야에서 연구가 시급하게 필요하다 (Wagner et al., 2014).

    5 국내・외 하수처리시설 미세플라스틱 관리방안 고찰

    하수처리시설의 미세플라스틱에 대한 관리 대책은 원료로 사용하는 것을 막아 발생원에서 입자가 유입 되는 것을 차단하여 제어하거나 유입된 입자를 처리 공정을 거치는 동안 제거하는 것이다. 하수처리시설 에서 미세플라스틱은 MBR 공정을 거치거나 슬러지 를 제거하는 과정에서 함께 처리되어 제거된다. 하수 처리시설에서 미세플라스틱이 제거되더라도 많은 양 이 유입되기 때문에 방류수에는 미세플라스틱이 함유 되어 배출된다. 대부분 해외에서는 하수처리시설로 미세플라스틱이 유입되는 것을 사전 차단하는 방안을 채택하여 하수처리시설에서 미세플라스틱이 유입되 지 않도록 관리하고 있다.

    미국의 경우 2017년 7월 1일부터 개인건강제품 (Personal care products) 제조 시 플라스틱 마이크로비즈 (Microbeads)를 사용하는 것을 금지하고 있다 (US CFR, 2015). 영국의 경우에는 화장품 및 개인건강제품에서 플라스틱 마이크로비즈(Microbeads)를 사용하는 것을 금지하도록 제안하고 있다 (Department for Environment, Food and Rural Affairs in Scottish Government, 2016). 이 렇게 국제적으로 미세플라스틱에 대한 규제가 점차 확 대되고 있는 추세에 있다. 우리나라도 2017년 4월 1일부 터 치약에서, 같은 해 7월 1일부터 화장품에서 미세플라 스틱이 포함된 제품의 생산 및 유통을 금지하고 있다 (Ministry of Food and Drug Safety, 2016).

    슬러지를 재이용하는 경우, 도시 생활하수에는 많 은 양의 미세플라스틱이 포함되어 있다. 하수처리시 설에서 화학적․생물학적 공정을 통해 대부분 제거되지 만 제거된 미세플라스틱은 슬러지에 남게 되므로 슬 러지를 퇴비로 사용하면 미세플라스틱이 다시 순환되 어 환경 중 존재하게 된다. 따라서 생활 중 미세플라 스틱 농도를 저감하려는 노력이 필요하다 (Swedish Environmental Research Institute, 2016b).

    해외 선진국에서 추진하고 있는 미세플라스틱 문제 에 대한 접근 방식을 살펴보면, 먼저 유럽의 경우 미 세플라스틱 문제는 여러 나라의 물환경정책과 연계되 어 있다. 유럽 해양정책 관리지침(2008/56/EC)은 미세 플라스틱을 포함하는 해양쓰레기 문제를 다룬다. 반 면 유럽 담수 환경에 적용하는 물환경 관리지침 (20/60/EC)은 플라스틱 쓰레기에 대해 언급하고 있지 않다. 그러나, EU 내 국가들은 미세플라스틱과 같은 물질이 일으킬 수 있는 변화(Anthropogenic pressure)에 대해 모니터링해야 한다. 특히 미세플라스틱은 넓은 범주에서 담수 오염물질에 대한 매개체로써 작용하기 때문에 디에틸헥실프탈레이트, 노닐페놀, 옥틸페놀, 다환방향족탄화수소와 함께 우선감시물질(Priority substances, 2008/105/EC, Annex Ⅱ)에 포함되어 있다. 또한 유럽 화학물질 관리지침(1907/2006/EC)은 플라스 틱 모노머(Monomer) 및 이들 물질과 관련된 첨가제에 대해 규제하고 있다. 그리고 플라스틱 폐기물에 대한 유럽 전략 그린백서(Green paper on a European strategy)는 환경 중 미세플라스틱에 대해 폭넓게 다루 고 있다. 이 그린백서는 플라스틱 쓰레기 저감 전략에 대해 초점을 맞추고 있다 (Wagner et al., 2014).

    미국의 경우 미세플라스틱 문제에 대한 접근 방식 을 살펴보면 미세플라스틱의 발생에서부터 처리방안 까지 종합적인 연구를 수행하고 있다. 특히 미국 샌프 란시스코연안연구소에서는 2016년부터 2020년까지 5 년간 샌프란시스코만에 대한 미세플라스틱 모니터링 및 과학적 전략을 수립하고 발생특성, 배출경로, 부하 량, 처리공정에 대해 연구를 수행하고 있다 (San Francisco Estuary Institute, 2017).

    우리나라의 경우 수돗물 등에서 미세플라스틱이 검출되는 것으로 나타났는데 상수원수로 사용되는 하천과 호소에서 미세플라스틱 분포실태 조사를 포 함한 발생원에 대한 배출실태를 조사하는 것이 필요 하다. 또한 하수처리시설에 대한 미세플라스틱 관리 대책을 수립하기 위해서는 하수처리시설에서 미세플 라스틱 모니터링을 실시하고 하수처리구역 발생 특 성에 따른 관리방안 마련이 필요하다. 위에서 설명한 미국의 연구 사례처럼 향후 우리나라도 하수처리시 설 유입수․방류수에서 미세플라스틱에 대한 중․장기 조사계획을 수립하고 상시 모니터링을 추진하는 것 이 바람직하다.

    6 결 론

    우리나라는 2017년부터 수돗물에서 미세플라스틱 에 대한 이슈가 부상하면서 상수원수인 하천과 호소, 배출원인 산업계 배출수 및 하수처리시설 방류수 등 에서 미세플라스틱 모니터링을 통한 검출실태 파악이 시작되었다. 이를 위해 국내․외 하수처리시설 미세플 라스틱에 대한 연구사례를 조사하고 하수처리시설 미 세플라스틱의 발생특성과 제거효율, 수계영향과 위해 성, 관리방안에 대해 고찰해 보았다.

    미세플라스틱은 마이크로비즈 등 제조 시 주입된 1 차 미세플라스틱과 파쇄되거나 분해작용에 의해 생성 된 2차 미세플라스틱으로 구분된다. 사용된 미세플라 스틱은 생활하수를 통해 배출되며 이외에도 도로에 떨어진 자동차 타이어 미세입자, 농촌 폐비닐 입자 등 다양한 배출원이 존재하며 제거되지 않고 강우를 통 하여 하천이나 호소로 유입된다. 하수처리시설로 유 입된 미세플라스틱은 대부분 90% 이상의 높은 처리 효율을 갖지만 일부 시설에서는 40% 정도의 낮은 처 리효율을 보이기도 한다. 동물플랑크톤과 같은 미생 물은 수~수십 μm 크기의 미세플라스틱을 섭취하며 일부 생물은 먹이사슬을 통해 미세플라스틱이 축척된 다. 미세플라스틱은 미생물의 서식처 역할을 하며 디 엑틸헥실프탈레이트, 다환방향족탄화수소 등의 화학 물질의 매개체 역할을 한다. 하지만 아직 미세플라스 틱에 의한 인체 건강 영향에 대해서 밝혀진 것은 없 다. 유럽의 경우 물환경정책과 연계하여 미세플라스 틱 문제를 다루고 있으며 우선감시물질로 선정하여 관리하고 있다. 미국의 경우 일부 만지역을 대상으로 내륙부터 연안에 이르는 실태 및 위해성 등 포괄적인 미세플라스틱 연구사업을 통해 미세플라스틱 조사계 획을 수립하여 관리하고 있다.

    우리나라도 이들 나라와 같이 하수처리시설에서 미 세플라스틱을 체계적으로 관리하기 위해서는 하수처 리시설 유입수 및 방류수에서 상시 모니터링을 실시 하는 것이 바람직하다. 또한 국내․외 하수처리시설 미 세플라스틱 검출 및 처리효율, 관리체계를 조사하고, 하수처리시설에서 미세플라스틱 분석법 확립 등 미세 플라스틱 관리체계를 구축하는 것이 필요하다.

    약어정리

    • AS : Activated sludge

    • BAF : Biological aerated filter or Biologically active filter

    • CAS : Conventional activated sludge

    • DAF : Dissolved air flotation

    • DF10, DF20 : Discfilter with pore size 10 μm or 20 μm

    • FTIR : Fourier-transform infrared spectroscopy

    • MBR : Membrane bioreactor

    • MLE : Modified Ludzac and Ettinger

    • MPs : Microplastics

    • p.e. : Population equivalent (1 p.e. = 60 g BOD/d in untreated wastewater)

    • RAS : Return activated sludge

    • RO : Reverse osmosis

    • RSF : Rapid sand filters

    • SE : South east

    • STP : Sewage treatment plant

    • WRP : Water reclamation plant

    • WWTP : Wastewater treatment plant

    사 사

    본 연구는 국립환경과학원의 지원으로 수행되었습 니다. (NIER-2018-01-01-058)

    Figure

    JKSWW-32-337_F1.gif

    Discharge and recycling pathway of microplastic in water environment (Venghaus and Barjenbruch, 2017).

    JKSWW-32-337_F2.gif

    Microplastic discharge loads and mass balance(blue letter, %) in wastewater treatment plant (Talvitie et al., 2017a).

    JKSWW-32-337_F3.gif

    Flowchart of environmental risk assessment for MPs in water eco-system (Wagner et al., 2014).

    Table

    Analytical methods for microplastic sampling, pre-treatment, identification

    Microplastic detection and removal efficiency in foreign sewage treatment plant

    Microplastic detection from upper and down areas at discharge site in foreign and our sewage treatment plants.

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