환경부에서 발간된 미세플라스틱 제거 기술 소개입니다.
미세플라스틱 제거 기술
국내 IP 문철환
서론
플라스틱은 사용이 편리하고 강도가 우수하여 생산과 사용이 계속 증가하고 있으나 플라스틱
폐기물의 관리정책 부실로 환경오염을 유발하고 있다. 미세플라스틱(microplastics; MPs)는
크기가 5㎜ 이하의 플라스틱으로 정의하며, 이들은 최근 다양한 환경매체(하천, 강, 바다와 이
들의 바닥 퇴적층, 도시 및 농촌 지역 등)에서 검출되고 있다.
플라스틱은 원래의(rpistine) 플라스틱과 환경에서 물리, 화학, 생물학적 풍화과정을 거친 플라
스틱과 이 과정에서 파쇄된 파편을 포함하는 2차 플라스틱으로 구분한다. 플라스틱에 사용되는
고분자는 PET(polyethylene terephthalate), PU(polyurethane), PS(polystyrene),
PVC(polyvinylchloride), PP(polypropylene), polyester, PE(polyethylene),
PA(polyamide, nylon) 등이 있다. 환경으로 배출된 MPs에 수중 동식물들이 장기간 노출되면
서 만성독성이 나타나고 있다. 다행히 MPs로 인한 급성독성은 아직 보고되지 않았다. 수중 동
식물의 MPs 섭취는 결과적으로 먹이사슬을 통해 인간에게까지 영향을 미치게 되므로 관리가
필요하다. 본 보고서에서는 MPs의 첨가제, 분포와 이동, 그리고 독성에 대해 알아보고 MPs의
다양한 처리 방법(흡착, 여과, 화학적 방법, 생물학적 방법)의 기작, 장단점, 제거효율에 대해
서술하고자 한다.
MPs 발생원, 거동, 폴리머, 첨가제
1. MPs 발생원
MPs의 주요 발생원은 가정하수다. 우리가 일상생활에서 사용하는 화장품과 세정제에 MPs 입
자가 들어 있고 세안이나 샤워시 하수로 유입된다. 또한 플라스틱 제품 제조시 사용되는 플라
스틱 펠렛(pellet)이나 연마제 등도 MPs의 주요 발생원다. 큰 플라스틱에서 기계적으로 파쇄되
거나 UV광에 노출로 풍화된 MPs 또한 발생원이라고 할 수 있다.
2. MPs 거동
하수처리장으로 유입된 MPs는 하수처리장에서 많은 양이 제거되지만 처리수에는 여전히 많은
양의 MPs가 존재하며 이들은 수계로 배출된다. 또한 지표면에 존재하는 MPs는 강우 유출로
수계로 유입된다. 수계로 유입된 MPs는 강과 하천을 통해 최종적으로 바다로 이동한다. 이동
과정에서 유속이 느린 구역에서는 MPs가 침전하므로 퇴적층에서 MPs가 고농도로 검출되기도
한다. 이러한 이동 경로는 바다에서 검출된 MPs의 종류와 조성이 하천과 강에서 검출된 것과
동일하다는 것으로 확인되었다. 하수처리장에서 제거된 MPs는 대부분 하수슬러지에 존재하며,
하수슬러지를 토양개량제 등으로 사용하면 MPs가 토양으로 재유입되어 순환한다.
MPs는 다양한 모양과 작은 크기, 가벼운 무게, 낮은 밀도로 인해 지상과 수중에서 바람, 태풍,
조류 등의 영향을 받아 상당히 먼 거리를 이동하기도 한다. 반대로 크기와 밀도가 큰 MPs는
수중에서 침전되어 퇴적층에 쌓인다. 불규칙한 모양이나 날카로운 형태의 MPs는 수중에 존재
하려는 경향이 있고, 구형의 MPs는 수면으로 부상하려는 특성을 보인다. 대기중에 존재하는
MPs의 이동 경로에 대해서는 아직까지 완전히 파악되지 않았다.
MPs의 이동이 가져오는 가장 큰 우려는 오염물질이 함께 이동한다는 것이다. MPs는 소수성
표면과 큰 비표면적을 가지고 있어 유기오염물질이 쉽게 흡착된다. 수인성 병원균도 MPs 표면
에서 흡착되어 이동하기도 한다. MPs에 흡착된 오염물질이 바다로 이동하여 해양 오염의 원인
이 되기도 하며, 유기오염물질을 수중 생물이 섭취하면 먹이사슬에 의해 그 유해성이 인간에게
도 영향을 미칠 수 있다.
3. MPs의 원료 물질(폴리머)과 첨가제
MPs의 주요 물질은 PE, PP, PS이고, 2차 MPs는 주로 polyester, acrylic, PA가 차지하고
있다. 중국 우한의 지표수에서 검출된 MPs의 농도는 1,600~8,925개/㎥로 대부분이 PET, PP
로 분석되었다. LDPE(low density polyethylene)도 검출 빈도가 높은 원료 물질 중 하나이
다. 플라스틱 첨가제로는 bisphenol A(BPA), 프탈레이트, 난연제 등이 있으며, 이들은 모두
내분비계의 장애를 유발하는 오염물질이다. 첨가제는 플라스틱에서 용출되어 해변에서 높은 농
도로 검출되며, 이를 수중 생물이 섭취한 후 먹이사슬을 통해 인간에게 이동한다
MPs 독성
1. 화학적 구조에 의한 독성
MPs의 독성은 미반응한 monomer(단량체)와 oligomer(저중합체), 그리고 오랜기간 환경에서
풍화된 플라스틱에서 배출되는 화학첨가제에서 기인한다. 모노머와 올리고머는 음식 포장 용기
에서 배출되며, 이들은 특정 농도 이상에서 인간의 신체로 흡수되어 다양한 형태의 독성이 발
현된다. 예를 들어, 음식 포장 용기에 잔류하는 PS는 심각한 건강 문제를 유발하고, BPA로 만
들어진 에폭시의 경우 생체 조직으로 흡수되어 세포 분할을 저해한다.
플라스틱 제조시 제품의 성능 향상을 위해 화학 첨가제를 사용한다. 사용되는 첨가제는 가소제,
열안정제, 난연제, 항산화제, 착색제, 충진제, 보강제(탄소 및 유리 섬유) 등이 있으며, 이들이
독성을 유발하는 원인이 되는 물질이기도 하다. 예를 들어, 프탈레이트는 플라스틱을 부드럽게
해주는 성질을 가진 가소제로, 70℃의 온수에서 120분간 접촉했을 때 유아용 젖병에서
50~150㎍/㎏으 프탈레이트가 용출된다. 또한 음식 용기에서 배출되는 BPA 농도는
100~800ng/L(특정 조건에서는 ㎍/L 수준까지 검출)인 것으로 분석되었다. 이렇게 플라스틱
첨가제가 높은 농도로 배출되는 것은 플라스틱과 첨가제가 완전히 결합 하지 않았기 때문이다.
풍화되지 않은 플라스틱과 풍화된 플라스틱을 이용하여 성게의 태아 발육에 미치는 영향을 실
험한 결과에서는 풍화되지 않은 플라스틱에 노출된 성게의 태아에서 58.1~66.5%의 변이가 발
생하였다. 이러한 원인은 풍화되지 않은 플라스틱에서 첨가제가 용출되었기 때문이다. 플라스틱
에서 용출되는 화학물질의 양과 종류는 용출조건 등 환경의 영향을 받으며 생물의 종류에 따라
서도 달라질 수 있다. 플라스틱에는 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌 등 용출되면 만성 독성을
유발하는 유기화합물이 존재하기도 한다.
2. 물리적 특성에 의한 독성
MPs의 가장 중요한 물리적 특성은 큰 비표면적이다. MPs는 입자의 크기가 작기 때문에 동일
한 부피에서 더 넓은 표면적을 갖는다. 앞서 서술하였듯이 병원균 및 다양한 소수성 오염물질
은 MPs 표면에 흡착되어 먼 거리를 이동하고 수중 생물들이 MPs를 섭취할 때 함께 생체내로
유입되어 독성을 유발한다.
MPs 입자가 해양 식물이나 동물의 표면에 부착되어 생체 작용을 저해하기도 한다. 해양 조류
를 평균 1㎛ 크기의 MPs에 96시간 노출시켰을 때의 최대성장률은 노출되지 않았을 때보다 약
40% 감소하였고, 50㎎/L 농도의 MPs에 노출한 후에는 클로로필 함량이 20% 감소하고 광합
성률은 32% 감소하였다. 이러한 원인은 조류 표면이 MPs로 흡착되어 광합성을 저해하였기 때
문이다.
MPs 입자 크기에 따른 독성 영향을 파악하기 위해 크기에 따른 PS MPs를 zebrafish에 5일
간 노출시켰다. 그 결과 5㎛ 크기의 MPs는 간, 아가미, 내장에서 검출된 반면, 20㎛ 크기의
MPs는 내장과 아가미에서만 검출되었다. 게다가 MPs의 섭취로 인하여 지질 축적, 간에 염증
발생, 산화 스트레스, 어류 간의 대사 작용 단계의 변화 등의 독성 발현이 나타났다.
이외에도 PP MP fiber는 원형의 PE 입자보다 더 유해하고, fiber 형태의 MPs는 내장에서 더
오래 잔류하면서 음식 처리 능력의 변화 등 심각한 위해를 유발하는 것으로 보고되었다. 이렇
게 MPs의 물리적인 특성에 따른 독성은 다양하게 발현된다.
3. MPs에 흡착된 미생물에 의한 독성
북해에서 채취된 PE, PS, PP MPs 시료 표면에서 장염을 유발하는 비브리오균 검출되었다.
즉, 비브리오균이 MPs와 함께 먼 거리를 이동하여 다른 지역에서도 발병될 우려가 있을 수 있
다. 또한 가벼운 MPs는 대기중에 부유하기도 하는데, 이때 공기로 전파되는 병원균이 존재하
면 저농도에서도 인간에게 심혈관 질환, 호흡기 질환, 간질성 폐질환 등을 유발할 수 있다.
이하 목차로 요약
흡착과 여과를 이용한 MPs 제거
1. 녹조 흡착
2. 분리막을 이용한 제거
3. 최신 여과 기술을 이용한 제거
화학적 MPs 제거 방법
생물학적 제거
1. 해양 생물에 의한 MPs 제거
결론
지금까지 살펴보았듯이 MPs 처리 방법은 다양하다. 이중에서 분리막을 이용한 방법이 가장 처
리효율과 신뢰성이 높은 방법이라고 할 수 있다. 하지만 이 방법은 시설비와 운영비가 많이 소
요되기 때문에 분리막 단독 적용보다는 다른 방법과 함께 적용하여 처리비용을 절감할 수 있는
방안에 대한 연구가 필요하다. 본 보고서에서 검토하였듯이 흡착, 여과와 MBR을 함께 적용하
는 것도 하나의 방법이 될 수 있으며, 응집(전기응집 포함)과 MBR도 대안이 될 수 있다. 흡착
과 응집시 크기가 작고 풍화된 MPs는 더욱 잘 반응하므로 이들 공정 이전에 MPs를 산화시키
는 공정도 처리효율 향상에 도움이 된다. 마지막으로 수중 생물에 의한 섭취도 가능성을 보인
만큼 이에 대한 연구도 지속되어야 한다.